Sensor Suhu dan Kelembapan IoT WiFi. Bahagian: 8 IoT, Automasi Rumah: 9 Langkah

2025 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2025-01-23 15:01

Mukadimah

Artikel ini mendokumentasikan praktik kasar dan pengembangan seterusnya dari Instructable yang terdahulu: 'Memasukkan' Peranti WiFi IoT pertama anda. Bahagian 4: IoT, Automasi Rumah termasuk semua fungsi perisian yang diperlukan untuk membolehkan penerapan berjaya dalam persekitaran rumah domestik.

Pengenalan

Seperti yang disebutkan di atas, Instructable ini menjelaskan penyatuan contoh IoT sebelumnya dengan reka bentuk sistem yang boleh dipercayai yang memungkinkan untuk berjaya menangani kes penggunaan praktikal seperti; Kehilangan kuasa bencana, kegagalan MQTT Broker, kegagalan WiFi N / W, konfigurasi sensor jauh, strategi pelaporan yang dapat dikonfigurasi untuk mengurangkan lalu lintas rangkaian dan penentukuran sensor yang dipesan lebih awal.

Sebanyak 6 peranti mati dibuat (lihat gambar 1 di atas) dan diedarkan di sekitar rumah saya untuk membentuk rangkaian sensor IoT pertama saya.

The Instructable juga melihat tinjauan konvensyen penamaan MQTT seperti yang digunakan dalam siri IoT Home Automation awal yang memberi jalan kepada struktur praktikal yang lebih seimbang yang memungkinkan penyahpepijatan trafik IoT yang lebih mudah di persekitaran peranti multi IoT.

Yang berikut adalah butiran reka bentuk lengkap sensor IoT termasuk; pembinaan, kod sumber, strategi ujian dan konfigurasi OpenHAB.

Bahagian apa yang saya perlukan?

1. 1 diskaun ESP8266-01,
2. 2 dari 1uF Kapasitor Elektrolitik,
3. 3 dari 10K perintang,
4. 1 dari perintang 330R,
5. 1 diskaun 3mm dia. LED,
6. 1 diskaun LD1117-33v, 3v3 LDO VReg. (Farnell di sini),
7. 1 off Sensor Suhu / Kelembapan DHT22,
8. 1 diskaun Dual 4way 0.1 "Connector,
9. 1 potongan CAMDENBOSS RX2008 / S-5 Plastik, Kotak Pot, ABS, 38 mm, 23 mm (Farnell di sini),
10. 1 off DC Power Connector, Plug, 1 A, 2 mm, Panel Mount (Farnell di sini),
11. 1 dari TO-220 Heatsink 24.4 ° C / W (Farnell di sini),
12. Pelbagai tiub penyusutan haba (kuning, Ebay di sini),
13. Kabel pita IDC pelbagai panjang,
14. Sebatian Heatsink,
15. Papan kenyataan,
16. Perisian pengaturcaraan ESP8266-01. Lihat di sini; Pembinaan Litar Praktikal dengan Papan Jalur, Langkah 9 dan seterusnya.

Perisian apa yang saya perlukan?

1. Arduino IDE 1.6.9
2. Arduino IDE dikonfigurasi untuk memprogram ESP8266-01. Lihat di sini; Menyiapkan Arduino IDE untuk Program ESP8266-01

Alat apa yang saya perlukan?

1. Besi pematerian,
2. Bor & pelbagai bit,
3. Fail,
4. Hacksaw,
5. Naib tegas,
6. Pistol haba,
7. DMM.

Apakah kemahiran yang saya perlukan?

1. Pengetahuan elektronik yang minimum,
2. Pengetahuan mengenai Arduino dan IDE,
3. Kemahiran fabrikasi asas (solder, hack-sawing, filing, drilling etc.),
4. Kesabaran,
5. Sebilangan pemahaman mengenai rangkaian rumah anda.

Topik yang dibincangkan

1. Gambaran keseluruhan litar
2. Gambaran Keseluruhan Sistem Perisian
3. Gambaran Keseluruhan Perisian
4. Penentukuran Sensor
5. Konvensyen Penamaan Topik MQTT
6. Konfigurasi OpenHAB
7. Menguji Reka Bentuk
8. Kesimpulannya
9. Rujukan Yang Digunakan

Pautan Seri

Ke Bahagian 7: Pengawal Lampu Kajian (diusahakan semula). Bahagian 7: IoT, Automasi Rumah

Ke Bahagian 9: IoT Mains Controller. Bahagian 9: IoT, Automasi Rumah

Langkah 1: Gambaran Keseluruhan Litar

Gambar 1 di atas menunjukkan reka bentuk litar penuh untuk sensor IoT.

Di jantung peranti IoT adalah ESP8266-01 yang disambungkan ke sensor suhu / kelembapan DHT22 melalui resistor penarik 10K ke GPIO2. 5v luaran bersumber dengan bekalan mod yang dihidupkan dan dimasukkan ke peranti melalui soket pelekap panel DC 2mm dan diatur secara tempatan dengan pengatur voltan LD1117-33v, 3v3 LDO yang dipasang ke pendingin panas luaran dengan skru dan mur kepala pan BZP M3.

Reka bentuknya termasuk LED merah 3mm yang disambungkan ke GPIO0 yang digunakan untuk memberi petunjuk tempatan mengenai status peranti IoT semasa permulaan atau keadaan ralat berikutnya. Ia juga dapat digunakan untuk mengenali perangkat dengan pengaktifan manual melalui antara muka openHAB.

Reka bentuk lengkap sesuai dengan kotak pot ABS seperti yang ditunjukkan di atas pada gambar 2 dan ditata khusus untuk memastikan sensor sejauh mungkin dari pengatur untuk mencegah bias akibat kesan pemanasan tempatan (gambar 7 di atas).

Papan litar adalah sekeping papan kenyataan, dipotong bentuk dan dibuat agar sesuai dengan kandang (gambar 3 di atas). Papan ini dipasang pada kedudukannya dengan skru nilon kaunter M3 dan dua mur yang sesuai dengan bahagian bawah sensor, sehingga membolehkannya duduk di permukaan rata.

Gambar 4… 6 menunjukkan pelbagai keadaan pembinaan.

Langkah 2: Gambaran Keseluruhan Sistem Perisian

Peranti pengesan suhu dan kelembapan IoT ini mengandungi enam komponen perisian utama seperti yang ditunjukkan dalam gambar 1 di atas.

SPIFFS

Ini adalah Sistem Pemfailan Flash SPI on-board dan digunakan untuk menyimpan maklumat berikut (lihat gambar 2 di atas);

• Ikon dan 'Halaman Beranda Konfigurasi Sensor' html: Dilayani oleh peranti IoT apabila tidak dapat menyambung ke rangkaian WiFi IoT anda (biasanya kerana maklumat keselamatan yang salah) dan menyediakan pengguna dengan cara mengkonfigurasi sensor dari jauh tanpa memerlukan untuk memprogram semula atau memuat naik kandungan SPIFFS baru.
• Maklumat Keselamatan: Ini menyimpan maklumat yang digunakan semasa dihidupkan oleh peranti IoT untuk menyambung ke rangkaian WiFi IoT dan Broker MQTT anda. Maklumat yang dihantar melalui 'Halaman Beranda Konfigurasi Sensor' ditulis ke fail ini ('secvals.txt').
• Maklumat Penentukuran: Maklumat yang terdapat dalam fail ini ('calvals.txt') digunakan untuk menentukur sensor suhu / kelembapan di atas kapal sekiranya diperlukan. Pemalar penentukuran hanya boleh ditulis ke peranti IoT melalui perintah MQTT dari broker MQTT.

Catatan: Untuk menyediakan peranti pada mulanya, lihat di sini untuk maklumat lengkap mengenai cara menggunakan SPIFFS dengan Arduino IDE.

Pelayan mDNS

Fungsi ini dipanggil apabila peranti IoT gagal menyambung ke rangkaian WiFi anda sebagai stesen WiFi dan sebaliknya telah menjadi titik akses WiFi yang serupa dengan penghala WiFi domestik. Sekiranya penghala seperti itu, anda biasanya akan menyambungnya dengan memasukkan Alamat IP seperti 192.168.1.1 (biasanya dicetak pada label yang dilekatkan pada kotak) terus ke bar URL penyemak imbas anda di mana anda akan menerima halaman log masuk untuk dimasukkan nama pengguna dan kata laluan untuk membolehkan anda mengkonfigurasi peranti.

Untuk ESP8266 dalam mod AP (mod Titik Akses) peranti secara lalai ke alamat IP 192.168.4.1, namun dengan pelayan mDNS berjalan, anda hanya perlu memasukkan nama mesra manusia 'SENSORSVR.local' ke dalam bar URL penyemak imbas untuk melihat 'Laman Utama Konfigurasi Sensor'.

Pelanggan MQTT

Pelanggan MQTT menyediakan semua fungsi yang diperlukan untuk; sambungkan ke broker MQTT rangkaian IoT anda, langgan topik pilihan anda dan terbitkan muatan ke topik tertentu. Ringkasnya, ia menyediakan fungsi teras IoT.

Pelayan Web

Seperti disebutkan di atas, jika peranti IoT tidak dapat menyambung ke rangkaian WiFi yang SSID, P / W dll ditentukan dalam fail Maklumat Keselamatan yang disimpan di SPIFFS, peranti akan menjadi Titik Akses. Setelah disambungkan ke rangkaian WiFi yang disediakan oleh Access Point, kehadiran Pelayan Web HTTP membolehkan anda menyambung secara langsung ke peranti dan mengubah konfigurasinya melalui penggunaan Penyemak Imbas Web HTTP yang bertujuan untuk melayani 'Sensor Configuration Home Halaman web halaman yang juga diadakan dalam SPIFFS.

Stesen WiFi

Fungsi ini memberi peranti IoT keupayaan untuk menyambung ke rangkaian WiFi domestik menggunakan parameter dalam fail Maklumat Keselamatan, tanpa ini peranti IoT anda tidak akan dapat melanggan / menerbitkan ke MQTT Broker

Titik Akses WiFi

Keupayaan untuk menjadi WiFi Access Point adalah cara yang membolehkan peranti IoT membolehkan anda menyambung ke sana dan membuat perubahan konfigurasi melalui stesen WiFi dan penyemak imbas (seperti Safari di Apple iPad).

Titik akses ini menyiarkan SSID = "SENSOR" + 6 digit terakhir alamat MAC peranti IoT. Kata laluan untuk rangkaian tertutup ini secara imajinatif dinamakan 'PASSWORD'

Langkah 3: Gambaran Keseluruhan Perisian

Pendahuluan Untuk berjaya menyusun kod sumber ini, anda memerlukan perpustakaan tambahan berikut;

PubSubClient.h

• Oleh: Nick O'Leary
• Tujuan: Membolehkan peranti menerbitkan atau melanggan topik MQTT dengan Broker tertentu
• Dari:

DHT.h

• Oleh: Adafruit
• Tujuan: Perpustakaan untuk Sensor Suhu / Kelembapan DHT
• Dari:

Gambaran Keseluruhan Kod

Perisian ini menggunakan mesin negara seperti yang ditunjukkan dalam gambar 1 di atas (salinan penuh sumber yang diberikan di bawah). Terdapat 5 negeri utama seperti di bawah;

• DI DALAMNYA

  Keadaan inisialisasi ini adalah keadaan pertama yang dimasukkan setelah kuasa dinyalakan

• NOCONFIG

  Keadaan ini dimasukkan sekiranya setelah mengaktifkan fail secvals.txt yang tidak sah atau hilang dikesan

• TUNGGU NW

  Keadaan ini bersifat sementara, dimasukkan sementara tidak ada sambungan rangkaian WiFi

• MQTT PENDING

  Keadaan ini bersifat sementara, dimasukkan setelah sambungan rangkaian WiFi dibuat dan sementara tidak ada hubungan dengan broker MQTT di rangkaian tersebut

• AKTIF

  Ini adalah keadaan operasi biasa yang dimasukkan sebaik sahaja sambungan rangkaian WiFi dan sambungan MQTT Broker terjalin. Dalam keadaan ini, fungsi suhu dan kelembapan sensor diterbitkan kepada MQTT Broker

Peristiwa mengawal peralihan antara keadaan dijelaskan dalam gambar 1 di atas. Peralihan antara negeri juga diatur oleh parameter SecVals berikut;

• Alamat IP Broker MQTT ke-1. Dalam bentuk perpuluhan bertanda AAA. BBB. CCC. DDD
• Pelabuhan Broker MQTT ke-2. Dalam bentuk integer.
• Sambungan MQTT Broker ke-3 cuba dilakukan sebelum beralih dari mod STA ke mod AP. Dalam bentuk integer.
• SSID Rangkaian WiFi ke-4. Dalam bentuk teks percuma.
• Kata Laluan Rangkaian WiFi ke-5. Dalam bentuk teks percuma.

Seperti yang disebutkan di atas jika peranti IoT tidak dapat dihubungkan sebagai Stesen WiFi ke rangkaian WiFi siapa SSID dan P / W ditentukan dalam secvals.txt yang diadakan di SPIFFS, peranti IoT akan menjadi Titik Akses. Setelah disambungkan ke titik akses ini, ia akan menyediakan 'Halaman Beranda Konfigurasi Sensor' seperti yang ditunjukkan di atas dalam Pic 2 (dengan memasukkan 'SENSORSVR.local' atau 192.168.4.1 ke bar alamat URL penyemak imbas anda). Halaman utama ini membolehkan penyusunan semula sensor melalui penyemak imbas

Akses Jauh semasa berada dalam keadaan AKTIF

Setelah disambungkan ke MQTT Broker, mungkin juga untuk menentukur semula dan mengkonfigurasi semula peranti melalui penerbitan topik MQTT. Fail calvals.txt mempunyai akses R / W dan secvals.txt mempunyai akses tulis sahaja yang terdedah.

Penyahpepijat pengguna

Semasa urutan boot, peranti IoT yang dipimpin memberikan maklum balas debug berikut

• 1 Kilat pendek: Tiada fail Konfigurasi yang terletak di SPIFFS (secvals.txt)
• 2 Kilat pendek: Peranti IoT cuba menyambung ke rangkaian WiFi
• Pencahayaan berterusan: Peranti IoT cuba menyambung ke MQTT Broker
• Mati: Peranti aktif
• Catatan 1: 'Halaman Beranda Konfigurasi Sensor' tidak menggunakan soket yang selamat dan oleh itu bergantung pada keselamatan rangkaian anda.
• Catatan 2: Untuk memprogram setiap peranti IoT, rentetan MQTT akan memerlukan penyuntingan sebelum memuat turun. Ini kerana bilangan sensor telah dimasukkan ke dalam rentetan topik MQTT. iaitu. 'WFD / THSen / 100 / HumdStatus / 1' untuk 6 peranti saya masing-masing diberi nombor 1… 6.

Langkah 4: Penentukuran Sensor

Apabila peranti IoT dihidupkan, sebagai sebahagian daripada urutan but fail bernama 'cavals.txt' dibaca dari SPIFFS. Isi fail ini adalah pemalar kalibrasi seperti yang ditunjukkan di atas dalam gambar 1. Pemalar penentukuran ini digunakan untuk menyesuaikan pembacaan yang diperoleh dari sensor untuk menyesuaikannya dengan perangkat rujukan. Terdapat satu nilai lebih lanjut yang menentukan strategi pelaporan untuk peranti dan dijelaskan di bawah bersama dengan prosedur yang diikuti untuk menentukur sensor.

Strategi Pelaporan Parameter ini menentukan bagaimana sensor jarak jauh melaporkan sebarang perubahan parametrik sekitarnya. Sekiranya nilai 0 dipilih, sensor jarak jauh akan menerbitkan perubahan yang dilihatnya pada suhu atau kelembapan setiap kali sensor dibaca (kira-kira setiap 10 saat). Nilai lain akan menunda penerbitan perubahan sebanyak 1… 60 minit. Mengubah parameter ini memungkinkan untuk mengoptimumkan lalu lintas rangkaian MQTT.

Penentukuran suhu

Untuk menentukur sensor, mereka diletakkan berdekatan dengan fizikal seperti yang ditunjukkan di atas dalam gambar 2. Di sebelahnya, saya meletakkan DMM dengan termokopel yang dikalibrasi terpasang (Fluke 87 V) dan kemudian memantau output dari setiap peranti melalui suhu OpenHAB halaman trend sepanjang hari untuk mendapatkan perubahan suhu yang baik. Saya perhatikan kedua-dua ofset statik (dinaikkan sifar 'C') dan kadar perubahan setiap peranti (keuntungan, atau cerun graf 'M') berbanding dengan nilai yang berasal dari termokopel yang dikalibrasi. Saya kemudian mengira hubungan y = mx + c yang sederhana (saya dapati hubungannya cukup linier untuk menjadi jarak dekat dengan graf garis lurus) dan memprogram setiap pembetulan yang diperlukan ke pemalar penentukuran melalui MQTTSpy.

Peranti kemudian dipantau selama 24 jam lagi untuk memastikan penentukuran berjaya. Petunjuk yang menunjukkan jejak suhu di halaman trend suhu OpenHAB hampir sama antara satu sama lain.

Sudah tentu jika anda hanya berminat untuk menghitung suhu, anda boleh meletakkan semua nilai penentukuran sebagai lalai.

Penentukuran Kelembapan

Oleh kerana saya tidak mempunyai cara untuk merakam secara tepat atau bahkan mengawal kelembapan persekitaran tempatan, untuk menentukur sensor, saya menggunakan pendekatan yang serupa dengan yang di atas, dengan meletakkan semua peranti berdekatan dengan fizikal (gambar 2) dan hanya memantau outputnya melalui OpenHAB Halaman cenderung kelembapan. Saya kemudian memilih peranti # 1 sebagai rujukan penentukuran dan menentukur semua peranti yang berkaitan dengan ini.

Langkah 5: Konvensyen Penamaan Topik MQTT

Setelah banyak percubaan dan kesilapan saya menyelesaikan konvensyen penamaan topik yang digariskan dalam gambar 1 di atas.

Yaitu, 'AccessMethod / DeviceType / WhichDevice / Action / SubDevice'

Ia tidak sempurna tetapi memungkinkan penapis berguna digunakan untuk melihat semua output sensor untuk nilai parametrik tertentu sehingga memungkinkan perbandingan yang mudah seperti pada gambar 2 di atas dengan MQTTSpy. Ia juga menyokong pengelompokan fungsi logik yang cukup luas dalam peranti IoT tertentu.

Dalam melaksanakan topik-topik ini dalam perisian, saya menggunakan rentetan topik yang dikodkan keras dengan pengecam berangka yang tetap dan tertanam untuk setiap peranti berbanding dengan menghasilkan topik secara dinamik pada masa berjalan sehingga dapat menjimatkan RAM dan mengekalkan prestasi tinggi.

Catatan: Sekiranya anda tidak pasti cara menggunakan MQTTSpy lihat di sini 'Menyiapkan MQTT Broker. Bahagian 2: IoT, Automasi Rumah '

Langkah 6: Konfigurasi OpenHAB

Saya mengubah suai konfigurasi OpenHAB yang diberikan dalam Instructable terdahulu saya (di sini) dan ditambahkan dalam entri individu untuk;

• Garaj,
• Dewan,
• Ruang tamu,
• Dapur
• Bilik tidur tetamu
• Bilik tidur utama

Dalam peta laman web lihat gambar 1 di atas.

Untuk setiap entri ini, saya menambah peta laman individu yang mendedahkan nilai persekitaran tempatan (Lihat gambar 2 di atas);

• Suhu
• Kelembapan
• Indeks Haba

Saya juga memasukkan suis untuk mengawal led tempatan yang dipasang di dalam sensor.

Gambar 3… 5 menunjukkan jejak hidup individu selama 24 jam untuk suhu, kelembapan dan RSSI (Indikasi Kekuatan Isyarat yang Diterima, pada dasarnya ukuran sejauh mana sensor dapat melihat rangkaian WiFi).

Gambar 6 memberikan contoh trend kelembapan jangka panjang dalam jangka masa seminggu.

Catatan 1: Jika anda tidak pasti cara menggunakan OpenHAB lihat di sini 'Menyiapkan dan Mengkonfigurasi OpenHAB. Bahagian 6: IoT, Automasi Rumah '

Catatan 2: Salinan peta laman web, peraturan dan fail item, Ikon dan lain-lain yang telah diubah diberikan di bawah.

Langkah 7: Menguji Reka Bentuk

Sebahagian besarnya saya menguji peranti IoT melalui sambungan MQTT dengan MQTT Spy, memantau output yang dipimpin dan menyahpepijat lalu lintas pada antara muka bersiri. Ini membolehkan saya menggunakan semua topik langganan yang ada dan memeriksa jawapan yang diterbitkan. Walaupun ini dapat dicapai secara manual dan kadang-kadang menjadi sedikit membosankan, ia memungkinkan liputan 100%.

Namun mesin negara utama terbukti agak sulit untuk diuji kerana bergantung pada kehadiran atau ketiadaan rangkaian WiFi, akses ke mana memerlukan set parameter tertentu. Tidak praktikal menggunakan rangkaian rumah untuk ini.

Untuk menyelesaikan masalah ini, saya membuat rangkaian rangkaian dummy saya sendiri menggunakan ESP8266-01 yang dikonfigurasi sebagai Titik Akses (gambar 1) dengan SSID 'DummyNet1' dan 'DummyNet2' masing-masing. Menggunakan litar dalam gambar 2 di atas led memberi petunjuk jika peranti IoT telah tersambung dengannya. Walaupun ini bukan penyelesaian ujian yang sempurna (mis. Masing-masing rangkaian WiFi palsu ini tidak mengandungi pelayan MQTT) adalah mungkin untuk menguji sepenuhnya mesin negara.

Saya telah menyertakan salinan kod sumber di bawah.

Langkah 8: Kesimpulannya

Am

Perisian dalam peranti IoT telah berfungsi dengan baik selama berbulan-bulan sekarang pulih dari gangguan elektrik isi rumah (terutamanya disebabkan oleh saya sendiri). Secara keseluruhannya adalah peranti yang cukup mantap memberikan data yang konsisten dan tepat.

Penambahbaikan

Dalam mengembangkan rutin perisian untuk membaca dan menulis kepada SPIFFS, saya menulis kod yang pada pandangan belakang mungkin sedikit lebih maju daripada yang saya maksudkan, menggunakan petunjuk kosong, penyusun semula dan petunjuk ke petunjuk. Walaupun sangat fleksibel dan menjalankan tugas dengan baik, lain kali saya mungkin menggunakan JSON someting di sepanjang garis ConfigFile.ino untuk menjadikannya lebih sederhana.

• Arduino GIT HUB Teras

  https://github.com/esp8266/Arduino

• Sumber ConfigFile.ino

  https://github.com/esp8266/Arduino/tree/master/libraries/esp8266/examples/ConfigFile

Daftar keinginan

Saya berhasrat untuk menggunakan klien mDNS untuk menyambung ke Broker tetapi perpustakaan terlalu tidak berfungsi. Inilah sebabnya mengapa perlu menentukan alamat IP MQTT Broker berbanding 'MQTTSVR.local'. Sekiranya perpustakaan mDNS menjadi lebih stabil pada masa akan datang, saya akan menambahkan keupayaan ini ke peranti.

Alangkah baiknya memiliki cara memantau dan mengawal kelembapan persekitaran dengan tepat untuk menentukurkan sensor terhadapnya. Namun demikian, kaedah penentukuran yang dipilih memberikan bacaan relatif yang baik dan nampaknya cukup tepat sesuai dengan spesifikasi dalam lembaran data DHT22.

Akhirnya, memandangkan kerumitan perisian saya dapat menguji kod sepenuhnya setelah perubahan besar menjadi memakan masa. Saya mungkin akan mempertimbangkan ujian automatik di kemudian hari.

Langkah 9: Rujukan Yang Digunakan

Saya menggunakan sumber berikut untuk menyatukan Instructable ini;

PubSubClient.h

• Oleh: Nick O'Leary
• Dari:

DHT.h

• Oleh: Adafruit
• Dari:

Lembaran Data DHT22