Lapisan Sensor IOT Tanpa Wayar Baru untuk Sistem Pemantauan Alam Sekitar Rumah: 5 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:09

Instructable ini menerangkan lapisan sensor IOT tanpa wayar berkuasa bateri yang lebih rendah untuk Sistem Pemantauan Alam Sekitar Rumah LoRa IOT saya yang terdahulu. Sekiranya anda belum melihat ini Instructable sebelumnya, saya sarankan membaca pengenalan untuk gambaran keseluruhan mengenai kemampuan sistem yang kini diperluas ke lapisan sensor baru ini.

Sistem Pemantauan Alam Sekitar Rumah LoRa IOT yang asli mencapai objektif yang telah saya tetapkan semasa ia diterbitkan pada bulan April 2017. Namun, setelah menggunakan sistem pemantauan selama beberapa bulan untuk memantau suhu & kelembapan di setiap tingkat rumah, saya ingin tambahkan 11 lagi sensor di lokasi yang sangat terdedah di rumah; termasuk, enam sensor ditempatkan secara strategis di ruang bawah tanah, sensor di setiap bilik mandi, dan sensor di loteng, dobi, dan dapur.

Daripada menambah lebih banyak sensor berdasarkan LoRa dari Instructable terdahulu yang agak mahal dan dikuasakan melalui penyesuai AC, saya memutuskan untuk menambah lapisan sensor yang dikendalikan bateri dengan kos lebih rendah menggunakan Pemancar RF 434-MHz. Untuk mengekalkan keserasian dengan Sistem Pemantauan Alam Sekitar Rumah LoRa IOT yang ada, saya menambahkan jambatan tanpa wayar untuk menerima paket 434-MHz dan menghantarnya semula sebagai paket LoRa pada 915-MHz.

Lapisan sensor baru terdiri daripada subsistem berikut:

1. Remote Wireless 434-MHz - sensor suhu dan kelembapan yang dikendalikan oleh bateri
2. Wireless Bridge - Menerima paket 434-MHz dan menghantarnya semula sebagai paket LoRa.

Remote Wireless 434-MHz menggunakan daya transmisi yang lebih rendah dan protokol yang kurang kuat dibandingkan dengan radio LoRa, jadi lokasi Wireless Bridge di rumah dipilih untuk memastikan komunikasi yang dapat dipercayai dengan semua Remote Wireless 434-MHz. Menggunakan Jambatan Tanpa Wayar membolehkan komunikasi dengan Remote Wireless 434-MHz dioptimumkan tanpa meletakkan kekangan di mana LoRa IOT Gateway berada.

Remote Wireless 434-MHz dan Wireless Bridge dibina menggunakan modul perkakasan yang tersedia dan beberapa komponen individu. Bahagiannya boleh didapati dari Adafruit, Sparkfun, dan Digikey; dalam banyak kes, bahagian Adafruit dan Sparkfun juga tersedia dari Digikey. Kemahiran pematerian yang kompeten diperlukan untuk memasang perkakasan, khususnya, pendawaian titik-ke-titik pada Remote Wireless 434-MHz. Kod Arduino dikomentari dengan baik untuk memahami dan untuk membolehkan peluasan fungsi yang mudah.

Objektif untuk projek ini merangkumi yang berikut:

• Cari teknologi tanpa wayar kos rendah yang sesuai untuk persekitaran rumah tangga.
• Kembangkan sensor wayarles berkuasa bateri yang dapat beroperasi selama beberapa tahun pada satu set bateri.
• Tidak memerlukan pengubahsuaian pada perkakasan atau perisian LoRa IOT Gateway dari Instructable saya yang terdahulu.

Jumlah kos bahagian untuk Remote Wireless 434-MHz, tidak termasuk bateri 3xAA, adalah $ 25, di mana sensor suhu dan kelembapan SHT31-D menyumbang lebih daripada separuh ($ 14).

Seperti pada remote LoRa dari Instructable saya yang terdahulu, Remote Wireless 434-MHz mengambil bacaan suhu dan kelembapan, dan melapor ke LoRa IOT Gateway, melalui Wireless Bridge, setiap 10 minit. Sebelas Remote Wireless 434-MHz telah mula beroperasi pada bulan Disember 2017 menggunakan 3 x AA bateri yang memberikan 4.5V. Bacaan bateri dari sebelas sensor pada bulan Disember 2017 berkisar antara 4.57V hingga 4.71V, enam belas bulan kemudian pada bulan Mei 2019 bacaan bateri berkisar antara 4.36V hingga 4.55V. Penggunaan bahagian dengan julat voltan operasi yang luas harus memastikan pengoperasian sensor selama satu tahun atau lebih, tertakluk kepada mengekalkan kebolehpercayaan pautan RF kerana daya penghantaran dikurangkan dengan voltan bateri yang lebih rendah.

Kebolehpercayaan lapisan sensor 434-MHz sangat baik di persekitaran rumah tangga saya. Lapisan sensor baru digunakan di 4, 200 SqFt ruang siap dan 1, 800 SqFt ruang bawah tanah yang belum selesai. Sensor dipisahkan dari Wireless Bridge dengan gabungan 2 - 3 dinding dalaman dan lantai / siling. LoRa IOT Gateway dari Instructable saya yang terdahulu menghantar Makluman SMS sekiranya komunikasi hilang dengan sensor selama lebih dari 60 minit (6 laporan sepuluh minit terlewat). Satu sensor, di lantai di sudut di hujung ruang bawah tanah di belakang kotak bertumpuk, akan menyebabkan amaran kontak yang hilang sesekali, namun, dalam semua kes, komunikasi dengan sensor kembali berfungsi tanpa campur tangan.

Terima kasih kerana melawat arahan ini, dan sila lihat langkah-langkah berikut untuk maklumat lebih lanjut.

1. Reka Bentuk Sensor Tanpa Wayar Dikendalikan Bateri
2. Perkakasan Jauh Tanpa Wayar 434-MHz
3. Perisian Jauh Tanpa Wayar 434-MHz
4. Perkakasan Jambatan Tanpa Wayar
5. Perisian Jambatan Tanpa Wayar

Langkah 1: Reka Bentuk Sensor Tanpa Wayar Dikendalikan Bateri

Reka bentuk untuk Remote Wireless 434-MHz menggunakan bahagian berikut:

• ATtiny85 Mikrokontroler AVR 8-bit
• Sensirion SHT31-D - Papan Pemecah Sensor Suhu & Kelembapan
• Pemancar Pautan RF Sparkfun 434-MHz
• Perintang 10m Ohm

Salah satu keputusan reka bentuk awal adalah untuk mengelakkan peranti yang memerlukan 3.3V atau 5V yang diatur, dan memilih bahagian yang beroperasi pada jarak voltan yang luas. Ini menghilangkan keperluan pengatur voltan yang merupakan pembazirkan kuasa dalam reka bentuk yang dikendalikan oleh bateri, dan memperpanjang jangka hayat sensor kerana mereka akan terus berfungsi lebih lama kerana voltan bateri menurun dari masa ke masa. Julat voltan operasi untuk bahagian yang dipilih adalah seperti berikut:

• ATtiny85: 2.7V hingga 5.5V
• SHT31-D: 2.4V hingga 5.5V
• RF Link Tx: 1.5V hingga 12V

Memungkinkan untuk beberapa margin, Remote Wireless 434-MHz harus berfungsi sehingga voltan bateri 3V berfungsi. Seperti yang telah disebutkan, masih dapat dilihat sejauh mana kebolehpercayaan pautan RF dikekalkan kerana kuasa penghantaran dikurangkan dengan voltan bateri yang lebih rendah.

Keputusan dibuat untuk menggunakan bateri 3 x AA untuk memberikan voltan permulaan nominal 4.5V. Selepas 16 bulan beroperasi, voltan bateri terendah yang diukur ialah 4.36V.

ATtiny85 Watch Dog Timer (WDT) digunakan untuk menyimpan Remote Wireless 434-MHz dalam mod Tidur untuk sebahagian besar waktu. ATtiny85 dibangunkan oleh WDT setiap 8 saat untuk meningkatkan penghitung 10 minit; setelah mencapai selang 10 minit, pengukuran diambil dan paket data dihantar.

Untuk meminimumkan lagi penggunaan tenaga, SHT31-D dan RF Link Transmitter digerakkan dari pin port I / O digital pada ATtiny85 yang dikonfigurasi sebagai output. Daya diterapkan ketika pin I / O digerakkan Tinggi (1), dan dikeluarkan ketika pin I / O digerakkan Rendah (0). Melalui perisian, daya hanya diterapkan pada periferal ini setiap 10 minit selama 1 - 2 saat sementara pengukuran sedang dilakukan dan dikirimkan. Lihat Perisian Jauh Tanpa Wayar 434-MHz untuk keterangan mengenai perisian yang berkaitan.

Satu-satunya komponen lain yang digunakan dalam Remote Wireless 434-MHz adalah perintang 10K ohm yang digunakan untuk menarik pin Reset pada ATtiny85.

Reka bentuk awal menggunakan pembahagi voltan resistif pada bateri untuk membolehkan pin ADC pada ATTINY85 mengukur voltan bateri. Walaupun kecil, pembahagi voltan ini meletakkan beban tetap pada bateri. Beberapa kajian menghasilkan tipu daya yang menggunakan voltan rujukan jurang 1.1V dalaman ATtiny85 untuk mengukur Vcc (voltan bateri). Dengan menetapkan voltan rujukan ADC ke Vcc dan mengambil pengukuran voltan rujukan 1.1V dalaman, adalah mungkin untuk menyelesaikan Vcc. Voltan rujukan 1.1V dalaman ATtiny85 tetap selagi Vcc> 3V. Lihat Perisian Jauh Tanpa Wayar 434-MHz untuk keterangan mengenai perisian yang berkaitan.

Komunikasi antara ATtiny85 dan SHT31-D adalah melalui bas I2C. Papan pelarian Adafruit SHT31-D merangkumi perintang penarik untuk bas I2C.

Komunikasi antara ATtiny85 dan RF Link Transmitter adalah melalui pin I / O digital yang dikonfigurasi sebagai output. Perpustakaan RadioHead Packet Radio RH_ASK digunakan untuk On-Off Key (OOK / ASK) RF Link Transmitter melalui pin I / O digital ini.

Langkah 2: Perkakasan Jauh Tanpa Wayar 434-MHz

Senarai Bahagian:

1 x Adafruit 1/4 Breadboard Berukuran, Digikey PN 1528-1101-ND

1 x Pemegang Bateri 3 x Sel AA, Digikey PN BC3AAW-ND

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

1 x Sparkfun RF Link Transmitter (434-MHz), Digikey PN 1568-1175-ND

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

Soket DIP 1 x 8-Pin, Digikey PN AE10011-ND

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

6.75 / 17cm Panjang Kawat Tembaga Enamel 18AWG

1 x Pita Buih Dua Bahagian Pita

Kawat Pembungkus Kawat 18 / 45cm

Soket digunakan untuk ATtiny85 kerana pengaturcaraan dalam litar tidak disokong.

Papan pelindung SHT31-D, Pemancar RF Link, soket DIP 8-Pin, dan wayar antena disolder di papan roti seperti yang ditunjukkan pada foto di atas. Tanggalkan enamel dari 1/4 wayar antena 18AWG sebelum menyolder ke papan roti.

Perintang 10K ohm dipateri di papan roti antara pin 1 dan 8 soket DIP 8-Pin.

Kawat pembungkus wayar disolder di bahagian belakang papan roti untuk membuat pautan antara komponen sesuai dengan gambarajah skema Jauh Tanpa Wayar yang ditunjukkan pada langkah sebelumnya.

Petunjuk positif dan negatif dari pemegang bateri disolder ke satu set bas "+" dan "-", masing-masing, di papan roti.

434-MHz Wireless Remote diuji dengan Wireless Bridge dan LoRa IOT Gateway. Alat Jauh Tanpa Wayar 434-MHz akan segera menghantar paket setiap kali bateri dimasukkan, dan setiap ~ 10 minit selepas itu. Setelah menerima paket tanpa wayar dari lapisan sensor 434-MHz, LED hijau di Wireless Bridge berkelip selama ~ 0.5s. Nama stesen, suhu, dan kelembapan harus ditunjukkan oleh LoRa IOT Gateway jika nombor stesen Jauh Tanpa Wayar 434-MHz telah disediakan di pintu masuk.

Sebaik sahaja Wireless Remote diuji baik dengan ATtiny85 yang diprogramkan, sekeping pita busa dua sisi, dipotong dengan ukuran yang sama dengan papan roti, digunakan untuk memasang papan roti yang lengkap ke pemegang bateri.

Langkah 3: Perisian Jauh Tanpa Wayar 434-MHz

Perisian Jauh Tanpa Wayar 434-MHz dilampirkan dengan langkah ini dan dikomentari dengan baik.

Saya memprogram mikrokontroler ATtiny85 menggunakan Sparkfun Tiny AVR Programmer dan Arduino IDE. Sparkfun mempunyai tutorial yang luas mengenai cara mengatur pemacu & lain-lain dan bagaimana membuat pengaturcara bekerja dengan Arduino IDE.

Saya menambahkan soket ZIF (Zero Insertion Force) ke Tiny AVR Programmer untuk memudahkan menambahkan dan mengeluarkan cip dari programmer.

Langkah 4: Perkakasan Jambatan Tanpa Wayar

Senarai Bahagian:

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 Adafruit RFM9W LoRa Radio Transceiver Board (915-MHz), Digikey PN 1528-1667-ND

1 x Penerima Pautan Sparkfun RF (434-MHz), Digikey PN 1568-1173-ND

Soket DIP 1 x 8-Pin, Digikey PN AE10011-ND

6.75 / 17cm Panjang Kawat Tembaga Enamel 18AWG

3.25 / 8.5cm Panjang Kawat Tembaga Enamel 18AWG

Kawat Pembungkus Kawat 24 / 61cm

1 x kabel USB A / MicroB, 3 kaki, Adafruit PID 592

Bekalan kuasa port USB 1 x 5V 1A, Adafruit PID 501

Pasang pelindung prototaip mengikut arahan di Adafruit.com.

Pasang papan transceiver RFM95W LoRa mengikut arahan di Adafruit.com. Kawat 18AWG sepanjang 3.25 "/ 8.5cm digunakan untuk antena, dan disolder terus ke papan transceiver setelah melepaskan 1/4" enamel dari wayar.

Potong soket DIP 8-pin dengan berhati-hati untuk membuat dua set soket SIP 4-pin.

Pateri dua soket SIP 4-pin ke pelindung prototaip seperti yang ditunjukkan. Ini akan digunakan untuk memasang RF Link Receiver, jadi pastikan mereka berada di lubang yang tepat untuk dipadankan dengan RF Link Transmitter sebelum menyolder.

Pateri papan transceiver RFM9W LoRa ke pelindung prototaip seperti yang ditunjukkan.

Sambungan berikut dibuat antara Arduino Uno dan papan transceiver RFM9W menggunakan wayar pembungkus wayar di bahagian atas papan prototaip:

RFM9W G0 Arduino Digital I / O Pin 2, perpustakaan RadioHead menggunakan Interrupt 0 pada pin ini

Tajuk RFM9W SCK Arduino ICSP, pin 3

Tajuk RFM9W MISO Arduino ICSP, pin 1

Tajuk RFM9W MOSI Arduino ICSP, pin 4

RFM9W CS Arduino Digital I / O Pin 8

RFM9W RST Arduino Digital I / O Pin 9

Sambungan berikut dibuat di bahagian bawah papan prototaip:

Bas 5V papan Prototaip RFM9W VIN

Bas ground prototaip RFM9W GND (GND) bas

Bas Papan Prototaip RF Link Rx Pin 1 (GND) (GND) bas

RF Link Rx Pin 2 (Data Out) Arduino Digital I / O Pin 6

Bus Papan Prototaip RF Link Rx Pin 2 (Vcc) 5V

Proto Board Green LED Arduino Digital I / O Pin 7

Maklumat pin untuk penerima pautan RF boleh didapati di www.sparkfun.com.

Tanggalkan enamel dari 1/4 'dari wayar 18AWG sepanjang 6,75 dan masukkan ke dalam lubang papan prototaip tepat bersebelahan dengan RF Link Rx Pin 8 (Antena). Setelah dimasukkan ke dalam lubang, bengkokkan hujung yang dilucutkan ke atas sehingga membuatnya hubungi dengan RF Link Rx Pin 8 dan pateri di tempatnya.

Program Arduino Uno dengan lakaran yang disediakan pada langkah seterusnya. Setelah diset semula atau dihidupkan, LED hijau akan berkelip dua kali selama 0.5 saat. Setelah menerima paket tanpa wayar dari lapisan sensor 434-MHz, LED hijau berkelip selama ~ 0.5s.

Langkah 5: Perisian Jambatan Tanpa Wayar

Perisian Wireless Bridge dilampirkan dengan langkah ini dan dikomentari dengan baik.