Sensor de temps compacte amb enllaç de dades GPRS (targeta SIM): 4 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:10

resum del projecte

Es tracta d’un sensor meteorològic amb bateria basat en un sensor de temperatura / pressió / humitat BME280 i una MCU ATMega328P. Funciona amb dues bateries de liti tionil AA de 3,6 V. Té un consum de son molt baix de 6 µA. Envia dades cada mitja hora mitjançant GPRS (mitjançant un mòdul SIM800L GSM) a ThingSpeak, controlat per un rellotge DS3231 en temps real. El servei estimat d’un conjunt de bateries és> 6 mesos.

Faig servir una targeta SIM de pagament ASDA, que ofereix unes condicions extremadament bones per als propòsits d’aquest projecte, ja que té un termini de venciment molt llarg per al crèdit (180 dies) i només cobra un volum de dades de 5p / MB.

Motivació: desenvolupament d’un sensor ambiental autònom, econòmic i sense manteniment, amb bateria que es pot col·locar en estat salvatge per adquirir dades meteorològiques o d’altres dades i transmetre-les a través d’una xarxa GSM / GPRS a un servidor IoT.

Dimensions físiques: 109 x 55 x 39 mm (incloses les brides de la caixa). Pes 133 g. Classificació IP 54 (estimada).

Cost del material: aprox. 20 lliures per unitat.

Temps de muntatge: 2 hores per unitat (soldadura manual)

Font d'alimentació: dues bateries de liti de tionil AA, no recarregables (3,6 V, 2,6 Ah).

Protocol de xarxa: GSM GPRS (2G)

Usos potencials: qualsevol ubicació remota amb cobertura de senyal GSM. Boscos, fars, boies, iots privats, caravanes, càmpings, refugis de muntanya, edificis deshabitats

Prova de fiabilitat: una unitat ha estat sotmesa a proves a llarg termini desatesa des del 30.8.20. A part d’un bloqueig de programari, ha enviat dades de manera fiable cada 30 minuts.

Pas 1: peces necessàries

• PCB a mida. Arxius Gerber comprimits aquí (instructables.com sembla bloquejar les càrregues de fitxers ZIP). Us recomano jlcpcb.com per a la producció de PCB. Per a les persones que viuen al Regne Unit, estic encantat d’enviar-vos un PCB de recanvi per una contribució mínima al cost del material i de les despeses d’enviament: envieu-me un missatge.
• ATMega328P-AU
• Rellotge en temps real DS3231 modificat (vegeu el paràgraf següent)
• Tauler Breakout BME280, com aquest
• Mòdul SIM800L GSM GPRS
• Diverses peces SMD segons la llista detallada.
• Hammond 1591, armari ABS negre, IP54, amb brides, 85 x 56 x 35 mm, de RS Components UK

Modificació de DS3231

La xarxa de resistències quàdruples encerclades en vermell no s’ha de soldar. Altres mètodes més destructius també estan bé, però eviteu unir els coixinets de la fila interior de 4 coixinets (cap al costat de la MCU). Els altres 4 coixinets es connecten de totes maneres mitjançant traces de PCB. Aquesta modificació és essencial per permetre que el pin SQW funcioni com una alarma. Sense treure les resistències, no funcionarà fins que no connecteu un subministrament VCC al mòdul, cosa que suposa el propòsit de tenir un RTC de molt baixa potència.

Pas 2: Principis esquemàtics

Les principals prioritats del disseny van ser:

• Funcionament de la bateria amb baix consum de corrent de son
• Disseny compacte

Font d'alimentació

Dues bateries AA de tionil de liti de Saft de 3,6 V. Un MOSFET de canal P per protegir la polaritat inversa.

Hi ha dos reguladors de tensió al circuit:

• Un regulador reductor de 2 Instruments TPS562208 de Texas Instruments per alimentar el SIM800L a uns 4,1 V. Es pot canviar des de l’ATMega i es posa en mode d’aturada la major part del temps mitjançant l’activació del pin 5.
• Un regulador MCP1700 de 3,3 V per a ATMega i BME280. Es tracta d’un regulador de baixada extremadament eficient amb un corrent en repòs de només 1 µA. Com que només és tolerant l'entrada de fins a 6 V, he afegit dos díodes rectificadors (D1, D2) en sèrie per reduir el subministrament de 7,2 V a un nivell acceptable al voltant de 6 V. M'he oblidat d'afegir el condensador habitual de desacoblament de 10 µF a la PCB per a la font d'alimentació de l'ATMega. Per tant, he actualitzat el condensador de sortida habitual al MCP1700 d’1 a 10 µF i funciona bé.
• Supervisió de la tensió de la bateria mitjançant ADC0 a l'ATMega (mitjançant un divisor de tensió)

Rellotge en temps real

Un DS3231 modificat, que desperta l'ATMega a intervals especificats per iniciar un cicle de mesura i transmissió de dades. El DS3231 funciona amb una cèl·lula de liti CR2032.

BME280

He provat d'utilitzar el mòdul original Bosch BME280 pel seu compte, que és gairebé impossible de soldar a causa de la seva mida mínima. Per tant, estic fent servir el tauler d’informació àmpliament disponible. Com que té un regulador de voltatge innecessari, que consumeix energia, l’encenc amb un MOSFET de canal N just abans de fer les mesures.

SIM800L

Aquest mòdul és fiable, però sembla ser força temperamental si la font d'alimentació no és sòlida. Vaig trobar que una tensió d’alimentació de 4,1 V funciona millor. He fet les traces de PCB per a VCC i GND fins a la SIM800L molt gruixuda (20 mil).

Comentaris esquemàtics / PCB

• L'etiqueta de xarxa "1", que apareix com a "SINGLEPIN" a la llista de peces, es refereix simplement a un pin de capçalera masculí.
• Els dos pins adjacents al commutador de corredissa han de ser units amb un pont per al funcionament normal, en cas contrari, la línia VCC està oberta aquí. Estan pensats per a mesures actuals si cal.
• El condensador de 100 µF (C12) per al mòdul SIM800L no és necessari. Es va afegir com a mesura de precaució (desesperada) en cas de problemes d’estabilitat esperats

Passos de muntatge recomanats

1. Muntar tots els components de la font d'alimentació a la part inferior esquerra del PCB. El pin Habilita (pin 5) del TPS562208 ha d'estar a l'altura lògica per provar-lo, en cas contrari el mòdul es troba en mode d'aturada i tindrà una sortida de 0V. Per treure el pin Enable per provar-lo, es pot connectar un cable temporal des del pad 9 de l'ATMega (que es connecta al PCB 5 al PIN 5 del regulador de tensió) a un punt VCC; el punt més proper seria al pin inferior de R3, que es troba a la línia VCC.
2. Proveu la sortida del TPS562208 entre els pins inferiors de C2, C3 o C4 i GND. Hauríeu de tenir uns 4,1V.
3. Prova de sortida des de MCP1700, entre el pin superior dret de U6 i GND. Hauríeu de tenir 3,3V.
4. Soldadura ATMega328P; observeu el marcador del pin 1 a l'extrem superior esquerre. Es requereix una mica de pràctica, però no massa difícil.
5. Graveu el carregador d’arrencada a ATMega328: tutorials per a això en un altre lloc. No necessàriament heu d’utilitzar capçaleres de pin per connectar-vos a MOSI, MISO, SCK i RST. Durant els pocs segons que triga a cremar el carregador d’arrencada, podeu utilitzar cables Dupont i utilitzar una mica d’angulació per aconseguir un bon contacte.
6. Connecteu capçal de pin femella 5x per al DS3231.
7. Soldadura SIM800L mitjançant capçaleres de pins masculins
8. Soldadura BME280
9. Pengeu el codi a Arduino IDE mitjançant un adaptador USB2TTL (seleccioneu Arduino Uno / Genuino com a destinació).

Pas 3: Codi Arduino

Vegeu el codi font d’Arduino a l’adjunt del fitxer.

Pas 4: prova del món real

He foradat dos petits forats a la part dreta de la caixa just a la part frontal. Els vaig cobrir des de l'interior amb pegats Goretex per permetre l'intercanvi d'aire però excloure l'aigua. Vaig afegir alguna protecció contra la pluja addicional amb petites teulades de plàstic. A continuació, introdueixo el conjunt complet a la caixa amb els components cap endavant i la bateria cap a la tapa. Afegeixo una mica de greix de silici a la caixa per a una major protecció contra l’entrada d’aigua.

Actualment, la unitat està "instal·lada" al costat d'un petit riu. Aquí teniu el feed de dades en directe.