Nuwe draadlose IOT -sensorlaag vir huismoniteringstelsel: 5 stappe (met foto's)

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:26

Hierdie instruksie beskryf 'n laer koste, battery-aangedrewe draadlose IOT-sensorlaag vir my vorige Instructable: LoRa IOT Home Environmental Monitoring System. As u dit nog nie vroeër gesien het nie Instructable, beveel ek aan dat u die inleiding lees vir 'n oorsig van die funksies van die stelsel wat nou tot hierdie nuwe sensorlaag uitgebrei word.

Die oorspronklike LoRa IOT Home Environmental Monitoring System het die doelwitte bereik wat ek gestel het toe dit in April 2017 gepubliseer is. Maar nadat ek die moniteringstelsel vir 'n paar maande gebruik het om temperatuur en humiditeit op elke vloer van die huis te monitor, wou ek voeg nog 11 sensors by op veral kwesbare plekke in die huis; insluitend ses sensors wat strategies in die kelder geplaas is, sensors in elke badkamer en 'n sensor op die solder, wasgoed en kombuis.

In plaas daarvan om meer op LoRa gebaseerde sensors van die vroeëre Instructable by te voeg, wat ietwat duur is en via wisselstroomadapters aangedryf word, het ek besluit om 'n laag laer koste, batterybediende sensors by te voeg met behulp van 434-MHz RF Link-senders. Om die verenigbaarheid met die bestaande LoRa IOT Home Environmental Monitoring System te handhaaf, het ek 'n draadlose brug bygevoeg om die 434 MHz-pakkies te ontvang en dit weer as LoRa-pakkies by 915 MHz te stuur.

Die nuwe sensorlaag bestaan uit die volgende subsisteme:

1. 434 -MHz draadlose afstandsbedieners - temperatuur- en humiditeitsensors wat op batterye werk
2. Wireless Bridge - Ontvang pakkies van 434 MHz en stuur dit weer oor as LoRa -pakkies.

Die 434-MHz draadlose afstandsbedienings gebruik laer stuurkrag en minder robuuste protokolle in vergelyking met LoRa-radio's, sodat die Wireless Bridge-ligging in die huis gekies word om betroubare kommunikasie met alle 434-MHz draadlose afstandbeheer te verseker. Deur die Wireless Bridge te gebruik, kan kommunikasie met die 434-MHz draadlose afstandsbedienings geoptimaliseer word sonder om 'n beperking te plaas op waar die LoRa IOT Gateway geleë is.

Die 434-MHz draadlose afstandbeheer en draadlose brug is gebou met behulp van geredelik beskikbare hardeware-modules en 'n paar individuele komponente. Die onderdele kan verkry word by Adafruit, Sparkfun en Digikey; In baie gevalle is Adafruit- en Sparkfun -onderdele ook by Digikey beskikbaar. Bekwame soldeervaardighede is nodig om die hardeware, veral die punt-tot-punt-bedrading van die 434 MHz draadlose afstandsbedienings, te monteer. Daar is goeie kommentaar op die Arduino -kode om dit te verstaan en om die funksie maklik uit te brei.

Die doelwitte vir hierdie projek het die volgende ingesluit:

• Vind 'n goedkoper draadlose tegnologie wat geskik is vir huishoudelike omgewings.
• Ontwikkel 'n battery -aangedrewe draadlose sensor wat 'n aantal jare op een stel batterye kan werk.
• Vereis geen verandering aan die LoRa IOT Gateway -hardeware of sagteware van my vorige Instructable nie.

Die totale onderdele vir die 434-MHz draadlose afstandsbedienings, uitgesluit die 3xAA-batterye, beloop $ 25, waarvan die SHT31-D temperatuur- en humiditeitsensor meer as die helfte uitmaak ($ 14).

Net soos met die LoRa-afstandsbedienings van my vorige Instructable, neem die 434-MHz draadlose afstandsbedienings temperatuur- en humiditeitsmetings en meld elke 10 minute aan by die LoRa IOT Gateway, via die Wireless Bridge. Die elf 434-MHz draadlose afstandbeheerders is in Desember 2017 in gebruik geneem met 3 x AA-batterye wat nominaal 4,5V lewer. Die batterylees van die elf sensors in Desember 2017 het gewissel van 4.57V tot 4.71V, sestien maande later in Mei 2019 wissel die batterylees van 4.36V tot 4.55V. Die gebruik van dele met 'n wye spanningsbereik moet die werking van die sensors vir nog 'n jaar of langer verseker, onderhewig aan die handhawing van die betroubaarheid van die RF -skakel, aangesien die oordragvermoë verminder word met laer batteryspanning.

Die betroubaarheid van die 434-MHz sensorlaag was uitstekend in my huishoudelike omgewing. Die nuwe sensorlaag word ontplooi oor 4, 200 vierkante meter voltooide ruimte en 1 800 vierkante meter onafgewerkte kelderruimte. Sensors word van die Wireless Bridge geskei deur 'n kombinasie van 2 - 3 binnemure en vloer/plafonne. Die LoRa IOT Gateway van my vorige Instructable stuur 'n SMS -waarskuwing as kommunikasie met 'n sensor langer as 60 minute verlore gaan (6 verslae van tien minute gemis). Een sensor, op die vloer in 'n hoek aan die verste punt van die kelder agter gestapelde bokse, sal af en toe 'n verlore kontakwaarskuwing veroorsaak, maar in alle gevalle word kommunikasie met die sensor weer tot stand gebring sonder enige ingryping.

Dankie dat u hierdie instruksies besoek het, en sien die volgende stappe vir meer inligting.

1. Ontwerp deur 'n batterybedrewe draadlose sensor
2. 434-MHz draadlose afstandbeheerde hardeware
3. 434-MHz draadlose afstandsbedieningsagteware
4. Wireless Bridge Hardware
5. Sagteware vir draadlose brug

Stap 1: Ontwerp van die draadlose sensor op batterye

Die ontwerp vir die 434-MHz draadlose afstandsbediening gebruik die volgende dele:

• ATtiny85 8-bis AVR-mikrobeheerder
• Sensirion SHT31 -D - Temperatuur- en humiditeitsensor -uitbreekbord
• Sparkfun 434-MHz RF-skakel sender
• 10K Ohm weerstand

Een van die vroeë ontwerpbesluite was om toestelle wat gereguleerde 3.3V of 5V vereis, te vermy en dele te kies wat oor 'n wye spanningsbereik werk. Dit elimineer die noodsaaklikheid van spanningsreguleerders wat in 'n battery -aangedrewe elektrisiteit vermors word, en verleng die lewensduur van die sensors, aangesien hulle langer sal funksioneer namate die batteryspanning mettertyd afneem. Die werkspanningsreekse vir die gekose dele is soos volg:

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

Met 'n mate van marge moet die 434-MHz draadlose afstandsbedienings funksioneel tot 'n batteryspanning van 3V werk. Soos reeds opgemerk, moet nog gesien word hoe goed die RF -skakelbetroubaarheid gehandhaaf word, aangesien die uitsendingsvermoë verminder word met laer batteryspanning.

Die besluit is geneem om 3 x AA -batterye te gebruik om 'n nominale aanvangsspanning van 4.5V te verskaf. Na 16 maande se werking is die laagste batteryspanning wat gemeet is 4,36V.

Die ATtiny85 Watch Dog Timer (WDT) word gebruik om die 434-MHz draadlose afstandsbediening meestal in 'n slaapmodus te hou. Die ATtiny85 word elke 8 sekondes deur die WDT wakker gemaak om 'n teller van 10 minute te verhoog; na 'n interval van 10 minute, word 'n meting geneem en 'n datapakket oorgedra.

Om die kragverbruik verder te verminder, word die SHT31-D en RF Link-sender aangedryf deur 'n digitale I/O-poortpen op die ATtiny85 wat as 'n uitset gekonfigureer is. Krag word toegepas wanneer die I/O -pen hoog aangedryf word (1) en verwyder word wanneer die I/O -pen laag (0) aangedryf word. Deur middel van sagteware word hierdie randapparatuur slegs elke 10 minute vir 1 - 2 sekondes krag toegedien terwyl metings gedoen en oorgedra word. Raadpleeg 434-MHz draadlose afstandsbedieningsagteware vir 'n beskrywing van die verwante sagteware.

Die enigste ander komponent wat in die 434-MHz draadlose afstandsbediening gebruik word, is 'n 10K ohm-weerstand wat gebruik word om die Reset-pen op die ATtiny85 op te trek.

'N Vroeë ontwerp het 'n resistiewe spanningsverdeler oor die battery gebruik om 'n ADC -pen op die ATTINY85 in staat te stel om die batteryspanning te meet. Alhoewel dit klein is, het hierdie spanningsverdeler 'n konstante las op die battery geplaas. Sommige navorsing het 'n truuk gevind wat die ATtiny85 interne 1.1V band gapingsverwysingspanning gebruik om Vcc (batteryspanning) te meet. Deur die ADC -verwysingspanning op Vcc in te stel en die interne 1.1V -verwysingspanning te meet, is dit moontlik om dit op te los vir Vcc. Die ATtiny85 interne 1.1V verwysingspanning is konstant solank Vcc> 3V. Raadpleeg 434-MHz draadlose afstandsbedieningsagteware vir 'n beskrywing van die verwante sagteware.

Kommunikasie tussen die ATtiny85 en SHT31-D geskied via die I2C-bus. Die Adafruit SHT31-D-uitbreekbord bevat optrekweerstands vir die I2C-bus.

Kommunikasie tussen die ATtiny85 en die RF Link -sender is via 'n digitale I/O -pen wat as 'n uitset gekonfigureer is. Die RadioHead Packet Radio-biblioteek RH_ASK word gebruik om die RF Link-sender via hierdie digitale I / O-pen aan te skakel (OOK / ASK).

Stap 2: 434-MHz draadlose afstandsbediening hardeware

Onderdele lys:

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

1 x batteryhouer 3 x AA-selle, Digikey PN BC3AAW-ND

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

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

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

1 x 8-pins DIP-aansluiting, Digikey PN AE10011-ND

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

6,75 / 17 cm lengte van 18AWG geëmailleerde koperdraad

1 x stuk dubbelzijdige skuimband

18 / 45 cm draaddraaddraad

'N Sok word gebruik vir die ATtiny85, aangesien in-kring programmering nie ondersteun word nie.

Die SHT31-D-uitbreekbord, RF Link-sender, 8-pins DIP-aansluiting en antennadraad word op die broodbord gesoldeer, soos op die foto hierbo getoon. Verwyder die emalje van 1/4 van die 18AWG -antennedraad voordat u aan die broodbord soldeer.

Die weerstand van 10K ohm is gesoldeer op die broodbord tussen penne 1 en 8 van die 8-pins DIP-aansluiting.

Die draaddraad word aan die agterkant van die broodbord gesoldeer om die skakels tussen komponente te maak in ooreenstemming met die skematiese diagram van die Wireless Remote in die vorige stap.

Die positiewe en negatiewe leidrade van die batteryhouer word aan een stel "+" en "-" busse op die broodbord gesoldeer.

434-MHz draadlose afstandsbediening word getoets met die Wireless Bridge en LoRa IOT Gateway. Die 434-MHz draadlose afstandsbediening stuur onmiddellik 'n pakkie elke keer as die batterye geplaas word, en daarna elke ~ 10 minute. By ontvangs van 'n draadlose pakkie van die 434-MHz sensorlaag, flikker die groen LED op die Wireless Bridge vir ~ 0.5s. Die naam, temperatuur en humiditeit van die stasie moet deur LoRa IOT Gateway vertoon word as die 434-MHz draadlose afstandsbedieningsnommer in die gateway voorsien is.

Sodra die draadlose afstandsbediening goed getoets is met 'n geprogrammeerde ATtiny85, word 'n stuk van die dubbelzijdige skuimband, in dieselfde grootte as die broodbord gesny, gebruik om die voltooide broodbord aan die batteryhouer te heg.

Stap 3: 434-MHz draadlose afstandsbedieningsagteware

Die 434-MHz draadlose afstandsbedieningsagteware word by hierdie stap aangeheg en daar word goeie kommentaar gelewer.

Ek het die ATtiny85 -mikrobeheerders geprogrammeer met 'n Sparkfun Tiny AVR -programmeerder en die Arduino IDE. Sparkfun het 'n uitgebreide handleiding oor hoe om bestuurders en ens op te stel en hoe u die programmeerder met die Arduino IDE kan laat werk.

Ek het 'n ZIF -aansluiting (Zero Insertion Force) by die Tiny AVR -programmeerder gevoeg om dit maklik te maak om skyfies by die programmeerder te voeg en te verwyder.

Stap 4: Wireless Bridge -hardeware

Onderdele lys:

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-ontvangerbord (915-MHz), Digikey PN 1528-1667-ND

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

1 x 8-pins DIP-aansluiting, Digikey PN AE10011-ND

17 cm / 6,75 lengte van 18AWG geëmailleerde koperdraad

3,25 / 8,5 cm lengte van 18AWG geëmailleerde koperdraad

24 / 61 cm draaddraad

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

1 x 5V 1A USB -poortvoeding, Adafruit PID 501

Monteer die prototiperingskerm volgens die instruksies op Adafruit.com.

Monteer die RFM95W LoRa -ontvangerbord volgens die instruksies op Adafruit.com. Die 3,25 " / 8,5 cm lengte van 18AWG -draad word gebruik vir die antenna en word direk aan die transceiverbord gesoldeer nadat 1/4" emalje van die draad gestroop is.

Sny die 8-pins DIP-aansluiting halfpad om twee stelle 4-pins SIP-voetstukke te skep.

Soldeer die twee 4-pins SIP-voetstukke aan die prototiperingskerm soos aangedui. Dit word gebruik om die RF Link -ontvanger aan te sluit, dus maak seker dat hulle in die regte gate is om by die RF Link -sender te pas voordat dit soldeer.

Soldeer die RFM9W LoRa -ontvangerbord aan die prototiperingskerm soos aangedui.

Die volgende verbindings word gemaak tussen die Arduino Uno en die RFM9W -ontvangerbord met behulp van draaddraad aan die bokant van die prototipe bord:

RFM9W G0 Arduino Digital I/O Pin 2, RadioHead -biblioteek gebruik Interrupt 0 op hierdie pen

RFM9W SCK Arduino ICSP kop, pen 3

RFM9W MISO Arduino ICSP kop, pen 1

RFM9W MOSI Arduino ICSP kop, pen 4

RFM9W CS Arduino Digital I/O -pen 8

RFM9W RST Arduino digitale I/O -pen 9

Die volgende verbindings word aan die onderkant van die prototipe -bord gemaak:

RFM9W VIN Prototipe bord 5V bus

RFM9W GND Prototyping board ground (GND) bus

RF Link Rx Pin 1 (GND) Prototyping board ground (GND) bus

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

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) Prototipe bord 5V bus

Proto Board Green LED Arduino Digital I/O Pin 7

Speldinligting vir die RF -skakelontvanger is beskikbaar by www.sparkfun.com.

Trek die emalje van 1/4 'van die 6,75 lengte van die 18AWG -draad af en steek dit in die gat van die prototipe -bord onmiddellik langs RF Link Rx -pen 8 (antenna). Buig die gestroopte einde sodra dit in die gat geplaas is kontak met RF Link Rx Pin 8 en soldeer dit vas.

Programmeer die Arduino Uno met die skets in die volgende stap. By herstel of aanskakel, flikker die groen LED twee keer vir 0,5s. By ontvangs van 'n draadlose pakkie van die 434-MHz sensorlaag, flikker die groen LED vir ~ 0.5s.

Stap 5: Wireless Bridge -sagteware

Die Wireless Bridge -sagteware word by hierdie stap aangeheg en daar word goeie kommentaar gelewer.