Nova capa de sensor IOT sense fils per al sistema de vigilància ambiental domèstica: 5 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Aquest instructable descriu una capa de sensor IOT sense fils de baix cost i amb bateria per al meu anterior Instructable: sistema de control ambiental ambiental LoRa IOT. Si encara no heu vist aquest instructable anterior, us recomano llegir la introducció per obtenir una visió general de les capacitats del sistema que ara s’estenen a aquesta nova capa de sensors.

El sistema original de monitorització ambiental de casa LoRa IOT va assolir els objectius que havia establert quan es va publicar a l’abril de 2017. Tot i això, després d’utilitzar el sistema de control durant diversos mesos per controlar la temperatura i la humitat a cada pis de la casa, volia afegiu 11 sensors més a llocs particularment vulnerables de la casa; inclosos, sis sensors situats estratègicament al soterrani, sensors a cada bany i un sensor a les golfes, la bugaderia i la cuina.

En lloc d’afegir més sensors basats en LoRa de l’anterior Instructable, que són una mica cars i alimentats mitjançant adaptadors de CA, vaig decidir afegir una capa de sensors de bateria de menor cost mitjançant transmissors d’enllaç RF de 434 MHz. Per mantenir la compatibilitat amb el sistema de control ambiental ambiental Home LoRa IOT, he afegit un pont sense fils per rebre els paquets de 434 MHz i retransmetre'ls com a paquets LoRa a 915 MHz.

La nova capa de sensors consta dels subsistemes següents:

1. Comandaments sense fils de 434 MHz: sensors de temperatura i humitat amb bateria
2. Wireless Bridge: rep paquets de 434 MHz i els retransmet com a paquets LoRa.

Els comandaments a distància sense fils de 434 MHz utilitzen una potència de transmissió inferior i protocols menys robusts en comparació amb les ràdios LoRa, de manera que es tria la ubicació del pont sense fils a la casa per garantir una comunicació fiable amb tots els comandaments a distància sense fils de 434 MHz. L'ús del Wireless Bridge permet optimitzar la comunicació amb els comandaments a distància sense fils de 434 MHz sense posar cap restricció a on es troba la passarel·la LoRa IOT.

Els comandaments a distància sense fils de 434 MHz i el pont sense fils es construeixen mitjançant mòduls de maquinari fàcilment disponibles i alguns components individuals. Les parts es poden obtenir a Adafruit, Sparkfun i Digikey; en molts casos, les peces Adafruit i Sparkfun també estan disponibles a Digikey. Es necessiten habilitats de soldadura competents per muntar el maquinari, en particular, el cablejat punt a punt dels comandaments a distància sense fils de 434 MHz. El codi Arduino és ben comentat per comprendre-ho i permetre una fàcil extensió de la funcionalitat.

Els objectius d’aquest projecte inclouen els següents:

• Trobeu una tecnologia sense fils de baix cost adequada per a entorns domèstics.
• Desenvolupeu un sensor sense fils alimentat per bateria capaç de funcionar durant diversos anys amb un conjunt de bateries.
• No requereu cap modificació del maquinari o programari LoRa IOT Gateway del meu anterior Instructable.

El cost total de les peces per als comandaments a distància sense fils de 434 MHz, excloent les bateries 3xAA, és de 25 dòlars, dels quals el sensor de temperatura i humitat SHT31-D supera la meitat (14 dòlars).

Igual que amb els comandaments a distància LoRa del meu anterior Instructable, els comandaments a distància sense fils de 434 MHz realitzen lectures de temperatura i humitat i s’informen al LoRa IOT Gateway, a través del Wireless Bridge, cada 10 minuts. Els onze comandaments a distància sense fils de 434 MHz es van posar en funcionament el desembre de 2017 mitjançant 3 piles AA de forma nominal que proporcionaven 4,5V. Les lectures de la bateria dels onze sensors del desembre del 2017 oscil·laven entre els 4,57 V i els 4,71 V, setze mesos després, al maig del 2019, les lectures de les bateries oscil·laven entre els 4,36 V i els 4,55 V. L'ús de peces amb un ampli rang de tensió de funcionament hauria d'assegurar el funcionament dels sensors durant un any o més, sempre que es mantingui la fiabilitat dels enllaços RF ja que la potència de transmissió es redueix amb tensions de bateria més baixes.

La fiabilitat de la capa del sensor de 434 MHz ha estat excel·lent en el meu entorn familiar. La nova capa de sensor es desplega en 4, 200 SqFt d’espai acabat i 1, 800 SqFt d’espai soterrani sense acabar. Els sensors estan separats del pont sense fils mitjançant una combinació de 2-3 parets interiors i terres / sostres. La passarel·la LoRa IOT del meu anterior instructable envia una alerta per SMS si es perd la comunicació amb un sensor durant més de 60 minuts (6 informes perduts de deu minuts). Un sensor, situat al terra en una cantonada a l’extrem del soterrani, darrere de caixes apilades, provoca de tant en tant una alerta de contacte perdut, però, en tots els casos, la comunicació amb el sensor es restableix sense cap intervenció.

Gràcies per visitar aquesta informació instructiva i consulteu els passos següents per obtenir més informació.

1. Disseny de sensor sense fils amb bateria
2. Maquinari remot sense fils de 434 MHz
3. Programari remot sense fils de 434 MHz
4. Maquinari Bridge sense fils
5. Programari Wireless Bridge

Pas 1: disseny del sensor sense fils amb bateria

El disseny del control remot sense fils de 434 MHz utilitza les parts següents:

• Microcontrolador AVR de 8 bits ATtiny85
• Sensirion SHT31-D: placa de separació de sensor de temperatura i humitat
• Transmissor d'enllaç RF Sparkfun 434 MHz
• Resistència de 10K Ohm

Una de les primeres decisions de disseny va ser evitar els dispositius que requereixen una regulació de 3,3V o 5V i seleccionar peces que funcionin en un ampli rang de voltatge. D’aquesta manera, s’elimina la necessitat de reguladors de voltatge que són un consumidor de bateria i s’allarga la vida útil dels sensors, ja que continuaran funcionant més a mesura que la tensió de la bateria disminueix amb el pas del temps. Els rangs de tensió de funcionament de les peces escollides són els següents:

• ATtiny85: 2,7V a 5,5V
• SHT31-D: 2,4V a 5,5V
• Enllaç RF Tx: 1,5V a 12V

Tenint en compte un cert marge, els comandaments a distància sense fils de 434 MHz haurien de funcionar fins a un voltatge de la bateria de 3V. Com ja es va assenyalar, queda per veure fins a quin punt es manté la fiabilitat dels enllaços de RF ja que es redueix la potència de transmissió amb voltatges de bateria més baixos.

Es va decidir utilitzar 3 piles AA per proporcionar un voltatge nominal d’arrencada de 4,5V. Després de 16 mesos d’operació, el voltatge de bateria mesurat és de 4,36 V.

El temporitzador ATTiny85 Watch Dog (WDT) s’utilitza per mantenir el comandament sense fils de 434 MHz en mode de repòs durant la major part del temps. El WDT desperta l'ATtiny85 cada 8 segons per incrementar un comptador de 10 minuts; en arribar a un interval de 10 minuts, es pren una mesura i es transmet un paquet de dades.

Per minimitzar encara més el consum d’energia, els transmissors SHT31-D i RF Link s’alimenten des d’un pin de port d’E / S digital de l’ATtiny85 configurat com a sortida. L'alimentació s'aplica quan el pin d'E / S es mou High (1) i s'elimina quan el pin d'E / S es mou Low (0). A través del programari, l’alimentació només s’aplica a aquests perifèrics cada 10 minuts durant 1 o 2 segons mentre es prenen i transmeten mesures. Consulteu el programari remot sense fils de 434 MHz per a la descripció del programari relacionat.

L’únic altre component que s’utilitza al control remot sense fils de 434 MHz és una resistència de 10K ohm que s’utilitza per treure el pin de reinici de l’ATtiny85.

Un primer disseny utilitzava un divisor de voltatge resistiu a través de la bateria per permetre que un pin ADC a l'ATTINY85 mesurés el voltatge de la bateria. Tot i que és petit, aquest divisor de tensió va carregar constantment la bateria. Algunes investigacions van donar a conèixer un truc que utilitza el voltatge de referència intern d’interval de banda ATtiny85 per mesurar Vcc (voltatge de la bateria). Establint la tensió de referència ADC a Vcc i prenent una mesura de la tensió de referència interna 1,1V, és possible resoldre Vcc. El voltatge de referència intern de 1,1 V ATtiny85 és constant sempre que Vcc> 3V. Consulteu el programari remot sense fils de 434 MHz per a la descripció del programari relacionat.

La comunicació entre l'ATtiny85 i el SHT31-D es realitza a través del bus I2C. La placa de sortida Adafruit SHT31-D inclou resistències de tracció per al bus I2C.

La comunicació entre l'ATtiny85 i el transmissor d'enllaç RF es fa mitjançant un pin d'E / S digital configurat com a sortida. La biblioteca de ràdios de paquets RadioHead RH_ASK s’utilitza per activar o desactivar la tecla (OOK / ASK) del transmissor d’enllaç RF a través d’aquest pin d’E / S digital.

Pas 2: maquinari remot sense fils de 434 MHz

Llista de peces:

1 x Taula de pa Adafruit 1/4, Digikey PN 1528-1101-ND

1 x suport de bateria 3 cèl·lules AA, Digikey PN BC3AAW-ND

1 x Adafruit Sensiron SHT31-D Breakout Board, Digikey PN 1528-1540-ND

1 x transmissor d’enllaç RF Sparkfun (434 MHz), Digikey PN 1568-1175-ND

1 x microcontrolador ATtiny85, Digikey PN ATTINY85-20PU-ND

1 x sòcol DIP de 8 pins, Digikey PN AE10011-ND

1 x 10K ohm, resistència 1 / 8W, Digikey PN CF18JT10K0CT-ND

6,75 / 17cm de longitud de filferro de coure esmaltat 18AWG

1 x cinta d'escuma de doble cara

18 / 45cm Filferro per embolicar filferro

S'utilitza un sòcol per a l'ATtiny85, ja que no s'admet la programació en circuit.

El tauler d’informació SHT31-D, el transmissor d’enllaç RF, el sòcol DIP de 8 pins i el cable d’antena es solden a la placa, tal com es mostra a la foto superior. Traieu l’esmalt de 1/4 del cable de l’antena de 18AWG abans de soldar-lo a la placa de tall.

La resistència de 10K ohm està soldada a la placa entre els pins 1 i 8 del sòcol DIP de 8 pins.

El filferro d’embolcall de filferro es solda a la part posterior de la placa per establir els enllaços entre components d’acord amb el diagrama esquemàtic de Remote Remote mostrat al pas anterior.

Les derivacions positives i negatives del suport de la bateria es solden a un conjunt de busos "+" i "-", respectivament, a la placa.

El control remot sense fils de 434 MHz es prova amb el pont sense fils i LoRa IOT Gateway. El comandament a distància sense fil de 434 MHz enviarà immediatament un paquet cada vegada que s’introdueixin les bateries i, posteriorment, cada ~ 10 minuts. En rebre un paquet sense fils de la capa del sensor de 434 MHz, el LED verd del pont sense fils parpelleja durant uns ~ 0,5 segons. LoRa IOT Gateway hauria de mostrar el nom, la temperatura i la humitat de l'estació si el número de l'estació remota sense fils de 434 MHz s'ha proporcionat a la passarel·la.

Una vegada que el control remot sense fils està provat correctament amb un ATtiny85 programat, s’utilitza un tros de cinta d’escuma de doble cara, tallada a la mateixa mida que la placa, per fixar la placa completa al suport de la bateria.

Pas 3: programari remot sense fils de 434 MHz

El programari Remote Remote de 434 MHz s’adjunta amb aquest pas i és ben comentat.

Vaig programar els microcontroladors ATtiny85 amb un programador Sparkfun Tiny AVR i l’IDE Arduino. Sparkfun té un ampli tutorial sobre com configurar controladors, etc. i com fer que el programador funcioni amb l'IDE Arduino.

He afegit un sòcol ZIF (Zero Insertion Force) al programador Tiny AVR perquè sigui més fàcil afegir i treure xips del programador.

Pas 4: Maquinari Bridge Wireless

Llista de peces:

1 x Arduino Uno R3, Digikey PN 1050-1024-ND

1 x Adafruit Proto Shield Arduino Stack V. R3, Digikey PN 1528-1207-ND

1 x placa de transceptor de ràdio Adafruit RFM9W LoRa (915 MHz), Digikey PN 1528-1667-ND

1 receptor Sparkfun RF Link (434 MHz), Digikey PN 1568-1173-ND

1 x sòcol DIP de 8 pins, Digikey PN AE10011-ND

6,75 / 17cm de longitud de filferro de coure esmaltat 18AWG

3,25 / 8,5 cm de longitud de filferro de coure esmaltat 18AWG

24 / 61cm Filferro per embolicar filferro

1 x cable USB A / MicroB, 3 peus, Adafruit PID 592

1 x 5V 1A font d'alimentació del port USB, Adafruit PID 501

Munteu l’escut de prototipatge segons les instruccions d’Adafruit.com.

Munteu la placa de transceptor LoRa RFM95W segons les instruccions d’Adafruit.com. El fil de 18AWG de 3,25 "/ 8,5 cm de longitud s'utilitza per a l'antena i es solda directament a la placa transceptora després de treure 1/4" d'esmalt del cable.

Talleu amb cura el sòcol DIP de 8 pins de mitja longitud per crear dos conjunts de sòcols SIP de 4 pins.

Soldeu els dos endolls SIP de 4 pins a l’escut de prototipatge tal com es mostra. Aquests s’utilitzaran per connectar el receptor d’enllaç RF, així que assegureu-vos que estiguin als forats adequats perquè coincideixin amb el transmissor d’enllaç RF abans de soldar.

Soldeu la placa de transceptor LoRa RFM9W a l’escut de prototipatge tal com es mostra.

Les connexions següents es realitzen entre l’Arduino Uno i la placa transceptora RFM9W mitjançant un cable d’embolcall de filferro a la part superior de la placa de prototipatge:

RFM9W G0 Arduino Digital E / S Pin 2, la biblioteca RadioHead utilitza Interrupt 0 en aquest pin

Capçalera ICSP RFM9W SCK Arduino, pin 3

Capçalera ICSP RFD9W MISO Arduino, pin 1

Capçalera ICSP Arduino MOSI RFM9W, pin 4

Pin 8 d'E / S digital RFM9W CS Arduino

Pin 9 d'E / S digital RFD9W RST Arduino

Les connexions següents es realitzen a la part inferior de la placa de prototipatge:

Placa de prototipatge VIN RFM9W bus 5V

Bus terra (GND) de la placa de prototipatge RFM9W GND

RF Link Rx Pin 1 (GND) Bus de terra de la placa de prototipatge (GND)

Enllaç RF Rx Pin 2 (sortida de dades) Pin d'E / S digital Arduino 6

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) Tauler de prototipatge bus 5V

Proto Board LED verd Arduino Pin d'E / S digital 7

La informació del pin del receptor d'enllaç RF està disponible a www.sparkfun.com.

Retireu l’esmalt des de 1/4’de la longitud del cable de 18AWG de 6,75 polzades i introduïu-lo al forat de la placa de prototipatge immediat al costat de l’enllaç RF Rx Pin 8 (Antena). Un cop inserit al forat, doblegueu l’extrem pelat per tal de fer-lo poseu-vos en contacte amb RF Link Rx Pin 8 i soldeu-lo al lloc.

Programa l'Arduino Uno amb l'esbós proporcionat al següent pas. Quan es reinicia o s’engega, el LED verd parpellejarà dues vegades durant 0,5 segons. En rebre un paquet sense fils de la capa del sensor de 434 MHz, el LED verd parpelleja durant uns ~ 0,5 segons.

Pas 5: programari de pont sense fils

El programari Wireless Bridge s’adjunta amb aquest pas i és ben comentat.