WiFi IoT temperatuur- en humiditeitsensor. Deel: 8 IoT, tuisautomatisering: 9 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:27

Aanhef

Hierdie artikel beskryf die praktiese versterking en verdere ontwikkeling van 'n vroeër Instructable: 'Pimping' van u eerste IoT WiFi -toestel. Deel 4: IoT, tuisautomatisering, insluitend al die nodige sagtewarefunksionaliteit om die suksesvolle implementering in 'n huishoudelike huisomgewing moontlik te maak.

Inleiding

Soos hierbo genoem, beskryf hierdie Instructable die saamvoeging van 'n vroeëre IoT -voorbeeld met 'n betroubare stelselontwerp wat die suksesvolle hantering van praktiese gebruiksgevalle moontlik maak; Katastrofiese kragverlies, MQTT -makelaarfout, WiFi N/W -mislukking, herkonfigurasie van afstandsbedieners, konfigureerbare rapporteringstrategie om netwerkverkeer te verminder en sensorkalibrasie op maat.

'N Totaal van 6 toestelle is gemaak (sien foto 1 hierbo) en versprei in my huis om my eerste IoT -sensornetwerk te vorm.

The Instructable sien ook 'n hersiening van die MQTT -naamkonvensie, soos gebruik in die aanvanklike IoT Home Automation -reeks, wat plek maak vir 'n meer gebalanseerde, praktiese struktuur wat eenvoudiger ontfouting van IoT -verkeer in 'n multi -IoT -apparaatomgewing moontlik maak.

Hierna volg volledige ontwerpbesonderhede van die IoT -sensor, insluitend; konstruksie, bronkode, toetsstrategie en OpenHAB -konfigurasies.

Watter onderdele het ek nodig?

1. 1 afslag ESP8266-01,
2. 2 af 1 uF elektrolitiese kondensators,
3. 3 af 10K weerstande,
4. 1 af 330R weerstand,
5. 1 af 3 mm dia. LED,
6. 1 afslag LD1117-33v, 3v3 LDO VReg. (Farnell hier),
7. 1 afslag DHT22 temperatuur-/humiditeitsensor,
8. 1 af Dual 4way 0.1 "-aansluiting,
9. 1 afslag CAMDENBOSS RX2008/S-5 Plastic omhulsel, potbak, ABS, 38 mm, 23 mm (Farnell hier),
10. 1 uit DC -aansluiting, prop, 1 A, 2 mm, paneelmontering (Farnell hier),
11. 1 af TO-220 Heatsink 24,4 ° C/W (Farnell hier),
12. Verskeie krimpbuise (geel, Ebay hier),
13. Lintkabel van verskillende lengtes,
14. Koelbakverbinding,
15. Veroboard,
16. ESP8266-01 programmeertoestel. Sien hier; Praktiese stroombaan konstruksie met strookbord, stap 9 en verder.

Watter sagteware het ek nodig?

1. Arduino IDE 1.6.9
2. Arduino IDE is gekonfigureer om die ESP8266-01 te programmeer. Sien hier; Die opstel van die Arduino IDE om die ESP8266-01 te programmeer

Watter gereedskap het ek nodig?

1. Soldeerbout,
2. Boor en verskillende stukkies,
3. Lêers,
4. Ystersaag,
5. Stewige skroef,
6. Hittegeweer,
7. DMM.

Watter vaardighede het ek nodig?

1. 'N minimale greep op elektronika,
2. Kennis van Arduino en sy IDE,
3. Rudimentêre vervaardigingsvaardighede (soldeer, haksaag, vyl, boor, ens.),
4. Bietjie geduld,
5. Beter begrip van u tuisnetwerk.

Onderwerpe gedek

1. Kringoorsig
2. Sagteware stelsel oorsig
3. Sagteware Oorsig
4. Sensor kalibrasie
5. MQTT -onderwerpbenoemingskonvensie
6. OpenHAB -opset
7. Die ontwerp toets
8. Afsluiting
9. Verwysings gebruik

Reeksskakels

Deel 7: Studieligte -kontroleerder (herwerk). Deel 7: IoT, tuisautomatisering

Tot deel 9: IoT -hoofbeheerder. Deel 9: IoT, tuisautomatisering

Stap 1: Kringoorsig

Foto 1 hierbo toon die volledige stroombaanontwerp vir die IoT -sensor.

In die hart van die IoT-toestel is die ESP8266-01 wat via 'n 10K optrekweerstand aan GPIO2 gekoppel is aan 'n DHT22 temperatuur-/humiditeitsensor. 'N Eksterne 5v word verkry deur 'n skakelaartoevoer en word aan die toestel gevoer deur 'n 2 mm DC-paneelaansluiting en plaaslik gereguleer met 'n LD1117-33v, 3v3 LDO spanningsreguleerder gemonteer aan 'n eksterne koellichaam met 'n BZP M3-panskroef en moer.

Die ontwerp bevat 'n rooi LED van 3 mm wat gekoppel is aan GPIO0, wat gebruik word om die plaaslike aanduiding te gee van die status van die IoT -toestel tydens die aanvang of van enige daaropvolgende fouttoestand. Dit kan ook gebruik word om die toestel te identifiseer deur handmatig te aktiveer via die openHAB -koppelvlak.

Die volledige ontwerp pas netjies in 'n ABS -pot, soos hierbo in foto 2 getoon, en is spesifiek uiteengesit om te verseker dat die sensor so ver as moontlik van die reguleerder af is om vooroordeel te voorkom as gevolg van plaaslike verwarmingseffekte (prent 7 hierbo).

Die printplaat is 'n enkele stuk bord wat in vorm gesny is en in die omhulsel pas (foto 3 hierbo). Hierdie bord is vasgemaak met 'n M3 -versinkte nylonskroef en twee moere wat op die onderkant van die sensor pas, sodat dit op 'n plat oppervlak kan sit.

Foto's 4 … 6 toon verskillende konstruksietoestande.

Stap 2: Oorsig van sagteware stelsel

Hierdie IoT -temperatuur- en humiditeitswaarnemingsapparaat bevat ses belangrike sagtewarekomponente soos in prent 1 hierbo getoon.

SPIFFS

Dit is die ingeboude SPI Flash Filing System en word gebruik om die volgende inligting te bewaar (sien prent 2 hierbo);

• Ikone en 'Sensorkonfigurasie -tuisblad' html: Word bedien deur die IoT -toestel as dit nie met u IoT WiFi -netwerk kan koppel nie (gewoonlik as gevolg van verkeerde veiligheidsinligting) en bied die gebruiker 'n manier om die sensor op afstand op te stel sonder dat dit nodig is om nuwe SPIFFS-inhoud te herprogrammeer of op te laai.
• Beveiligingsinligting: dit bevat die inligting wat deur die IoT -toestel gebruik word om aan te sluit op u IoT WiFi -netwerk en MQTT Broker. Inligting wat via die 'Sensor Configuration Home Page' ingedien word, word na hierdie lêer geskryf ('secvals.txt').
• Kalibrasie-inligting: Die inligting in hierdie lêer ('calvals.txt') word gebruik om die temperatuur-/humiditeitsensor aan boord te kalibreer indien nodig. Kalibrasie -konstantes kan slegs na die IoT -toestel geskryf word via MQTT -opdragte van 'n MQTT -makelaar.

Opmerking: sien die volledige inligting oor hoe u SPIFFS met die Arduino IDE kan gebruik om die toestel aanvanklik op te stel.

mDNS -bediener

Hierdie funksie word gebruik wanneer die IoT -toestel nie as 'n WiFi -stasie met u WiFi -netwerk kon koppel nie en in plaas daarvan 'n WiFi -toegangspunt geword het, soortgelyk aan 'n huishoudelike WiFi -router. In die geval van so 'n router sou u tipies daarby konnekteer deur die IP -adres van iets soos 192.168.1.1 (gewoonlik gedruk op 'n etiket op die boks) direk in die URL -balk van u blaaier in te voer, waarna u 'n aanmeldingsbladsy sou ontvang om in te voer die gebruikersnaam en wagwoord sodat u die toestel kan instel.

Vir die ESP8266 in AP -modus (toegangspuntmodus) is die toestel standaard die IP -adres 192.168.4.1, maar as die mDNS -bediener werk, hoef u slegs die mensvriendelike naam 'SENSORSVR.local' in die URL -balk van die blaaier in te voer om die 'Sensorkonfigurasie -tuisblad'.

MQTT -kliënt

Die MQTT -kliënt bied al die nodige funksies aan; maak verbinding met u IoT -netwerk MQTT -makelaar, teken in op die onderwerpe van u keuse en publiseer vragvragte vir 'n gegewe onderwerp. Dit bied kortliks IoT -kernfunksies.

HTTP -webbediener

Soos hierbo genoem, sal die toestel 'n toegangspunt word as die IoT -toestel nie kan koppel aan die WiFi -netwerk waarvan die SSID, P/W, ens. Gedefinieer is in die lêer vir sekuriteitsinligting nie. As u eenmaal gekoppel is aan die WiFi -netwerk wat deur die toegangspunt verskaf word, kan u met die teenwoordigheid van 'n HTTP -webbediener direk aan die toestel koppel en die konfigurasie daarvan verander deur die gebruik van 'n HTTP -webblaaier, met die doel om die 'Sensor Configuration Home' te bedien Bladsy 'webblad wat ook in SPIFFS gehou word.

WiFi -stasie

Hierdie funksie gee die IoT -toestel die moontlikheid om aan te sluit op 'n huishoudelike WiFi -netwerk met behulp van die parameters in die veiligheidsinligtinglêer, sonder dat u IoT -toestel nie op die MQTT Broker kan inteken/publiseer nie

WiFi -toegangspunt

Die vermoë om 'n WiFi -toegangspunt te word, is 'n manier waarmee u met die IoT -toestel daaraan kan koppel en konfigurasieveranderings kan aanbring via 'n WiFi -stasie en 'n blaaier (soos Safari op die Apple iPad).

Hierdie toegangspunt stuur 'n SSID = "SENSOR" + die laaste 6 syfers van die MAC -adres van die IoT -toestel uit. Die wagwoord vir hierdie geslote netwerk word op 'n verbeeldingryke wyse 'PASSWORD' genoem

Stap 3: Sagteware -oorsig

Om hierdie bronkode suksesvol saam te stel, benodig u die volgende ekstra biblioteke;

PubSubClient.h

• Deur: Nick O'Leary
• Doel: stel die toestel in staat om MQTT -onderwerpe met 'n gegewe makelaar te publiseer of in te teken
• Van:

DHT.h

• Deur: Adafruit
• Doel: Biblioteek vir DHT -temperatuur-/humiditeitsensor
• Van:

Kode Oorsig

Die sagteware maak gebruik van die staatsmasjien soos op foto 1 hierbo getoon (volledige afskrif van die bron hieronder). Daar is 5 hoof state soos hieronder;

• INIT

  Hierdie inisialiseringstoestand is die eerste toestand wat ingeskryf is nadat dit aangeskakel is

• NOCONFIG

  Hierdie toestand word ingeskryf as 'n ongeldige of ontbrekende secvals.txt -lêer na aanskakeling opgespoor word

• Hangende NW

  Hierdie toestand is van tydelike aard, aangegaan terwyl daar geen WiFi -netwerkverbinding bestaan nie

• Hangende MQTT

  Hierdie toestand is van tydelike aard, aangegaan nadat 'n WiFi -netwerkverbinding tot stand gekom het, en alhoewel daar geen verbinding met 'n MQTT -makelaar op die netwerk bestaan nie

• AKTIEF

  Dit is die normale bedryfstoestand wat aangegaan is sodra beide 'n WiFi -netwerkverbinding en 'n MQTT Broker -verbinding tot stand gekom het. Gedurende hierdie toestand word die temperatuur- en humiditeitsfunksie van die sensor aan die MQTT Broker gepubliseer

Die gebeure wat oorgange tussen state beheer, word in prent 1 hierbo beskryf. Oorgange tussen state word ook beheer deur die volgende SecVals -parameters;

• 1ste MQTT Broker IP -adres. In gestippelde desimale vorm AAA. BBB. CCC. DDD
• 2de MQTT -makelaarshawe. In heelgetalvorm.
• 3de MQTT -makelaarverbinding probeer maak voordat u van STA -modus na AP -modus oorskakel. In heelgetalvorm.
• 4de WiFi -netwerk SSID. In vrye vorm teks.
• 5de WiFi -netwerkwagwoord. In vrye vorm teks.

Soos hierbo genoem, kan die IoT -toestel 'n toegangspunt word as die IoT -toestel nie as 'n WiFi -stasie kan koppel aan die WiFi -netwerk nie, wie se SSID en P/W gedefinieer is in secvals.txt in SPIFFS. Sodra dit aan hierdie toegangspunt gekoppel is, sal dit die 'Sensorkonfigurasie -tuisblad' vertoon soos hierbo in Pic 2 getoon (deur óf 'SENSORSVR.local' óf 192.168.4.1 in die URL -adresbalk van u blaaiers in te voer). Hierdie tuisblad laat die herkonfigurasie van die sensor toe via 'n HTTP -blaaier.

Toegang op afstand in die aktiewe toestand

Sodra dit aan die MQTT-makelaar gekoppel is, is dit ook moontlik om die toestel te herkalibreer en te herkonfigureer via MQTT-onderwerppublikasies. Die lêer calvals.txt het R/W -toegang en secvals.txt het slegs toegang tot skryf.

Ontfout van gebruikers

Tydens die opstartvolgorde gee die IoT -toestel -LED die volgende ontfoutingterugvoer

• 1 Kort flits: geen Config -lêer in SPIFFS (secvals.txt)
• 2 Kort flitse: IoT -toestel probeer om aan te sluit op 'n WiFi -netwerk
• Deurlopende beligting: IoT -toestel probeer om aan te sluit by MQTT Broker
• Af: Toestel is aktief
• Opmerking 1: Die 'Sensorkonfigurasie -tuisblad' gebruik nie veilige voetstukke nie en maak dus staat daarop dat u netwerk veilig is.
• Opmerking 2: Om elke IoT -toestel te programmeer, moet die MQTT -string gewysig word voordat dit afgelaai word. Dit is omdat die nommer van die sensor ingebed is in die MQTT -onderwerpreeks. ie. 'WFD/THSen/100/HumdStatus/1' vir my 6 toestelle is hulle onderskeidelik 1 … 6 genommer.

Stap 4: Sensorkalibrasie

As die IoT -toestel aanskakel, word 'n lêer met die naam 'cavals.txt' as deel van die opstartvolgorde van SPIFFS gelees. Die inhoud van hierdie lêer is kalibrasie -konstantes soos hierbo in prent 1 aangedui. Daar is nog 'n waarde wat 'n verslagdoeningstrategie vir die toestel definieer en word hieronder beskryf saam met die prosedure wat gevolg word om die sensors te kalibreer.

Verslagdoeningstrategie Hierdie parameter bepaal hoe die afstandsensor enige omringende parametriese veranderings daarby aanmeld. As 'n waarde van 0 gekies word, publiseer die afstandsensor elke verandering wat dit in die temperatuur- of humiditeitswaardes sien, elke keer as die sensor gelees word (ongeveer elke 10 sekondes). Enige ander waarde sal die publikasie van 'n verandering met 1 … 60 minute vertraag. Deur hierdie parameter te verander, word die MQTT -netwerkverkeer geoptimaliseer.

Temperatuur kalibrasie

Om die sensors te kalibreer, is hulle in 'n fisiese nabyheid met mekaar geplaas, soos hierbo op foto 2 aangedui. Langs hulle het ek 'n DMM geplaas met 'n gekalibreerde termokoppel (Fluke 87 V) en daarna die uitsette van elke toestel gemonitor via die OpenHAB -temperatuur tendensbladsy in die loop van 'n dag om 'n goeie temperatuurskommeling te kry. Ek het beide die statiese offset (verhoogde nul 'C') en die veranderingstempo van elke toestel (versterking of helling van grafiek 'M') opgemerk in verhouding tot die waarde van die gekalibreerde termokoppel. Ek het toe die eenvoudige y = mx+c verwantskap bereken (ek het gevind dat dit voldoende lineêr was om 'n noue benadering tot 'n reguitlyngrafiek te wees) en die nodige korreksies in die kalibrasie -konstantes via MQTTSpy geprogrammeer.

Die toestelle is daarna vir 'n verdere 24 uur gemonitor om te verseker dat die kalibrasie suksesvol was. 'N Aanduiding hiervan was die temperatuurspore op die OpenHAB -temperatuurtendensbladsy, en dit was redelik bo -op mekaar.

As u slegs belangstel in 'n benadering tot die temperatuur, kan u natuurlik al die kalibrasiewaardes as standaard laat.

Kalibrasie van humiditeit

Aangesien ek geen beskikbare middele het om die plaaslike humiditeit akkuraat op te neem of selfs te beheer nie, het ek die sensors gekalibreer, en ek het 'n soortgelyke benadering as dié van die bogenoemde gebruik, deur al die toestelle naby fisiese nabyheid te plaas (foto 2) en bloot hul uitset te monitor via die OpenHAB Humiditeit neig bladsy. Ek het toe toestel nommer 1 as die kalibrasieverwysing gekies en al die toestelle hiermee gekalibreer.

Stap 5: MQTT -onderwerpbenoemingskonvensie

Na baie probeer en foute het ek besluit oor die naamgewingskonvensie vir onderwerpe soos uiteengesit op foto 1 hierbo.

Naamlik 'AccessMethod/DeviceType/WhichDevice/Action/SubDevice'

Dit is nie perfek nie, maar dit maak dit moontlik om nuttige filters toe te pas om alle sensoruitsette vir 'n gegewe parametriese waarde te sien, sodat dit maklik kan vergelyk word soos op foto 2 hierbo met MQTTSpy. Dit ondersteun ook redelik uitbreidbare logiese groeperings van funksies binne 'n gegewe IoT -toestel.

By die implementering van hierdie onderwerpe in sagteware het ek hardgekodeerde onderwerpsnare gebruik met vaste, ingebedde numeriese identifiseerders vir elke toestel, in teenstelling met die dinamiese opwekking van die onderwerpe op tyd, om RAM te bespaar en die prestasie hoog te hou.

Nota: as u nie seker is hoe u MQTTSpy moet gebruik nie, sien hier 'Opstel van 'n MQTT -makelaar. Deel 2: IoT, Home Automation '

Stap 6: OpenHAB -konfigurasie

Ek het die OpenHAB -opset wat in my vorige Instructable (hier) gegee is, gewysig en in individuele inskrywings bygevoeg vir;

• Motorhuis,
• Hall,
• Sitkamer,
• Kombuis
• Gaste Slaapkamer
• Hoofslaapkamer

Sien prent 1 hierbo op die werfkaart.

Vir elk van hierdie inskrywings het ek individuele sitemaps bygevoeg waarin plaaslike omgewingswaardes blootgestel word (sien foto 2 hierbo);

• Temperatuur
• Humiditeit
• Hitte -indeks

Ek het ook 'n skakelaar ingesluit om die plaaslike LED in die sensor te beheer.

Foto's 3 … 5 toon individuele lewendige spore oor die tydperk van 24 uur vir temperatuur, humiditeit en RSSI (Ontvangen seinsterkte -aanduiding, basies 'n maatstaf van hoe goed die sensor die WiFi -netwerk kan sien).

Foto 6 gee 'n voorbeeld van 'n langtermyn humiditeitsneiging oor 'n week.

Nota 1: As u nie seker is hoe u OpenHAB moet gebruik nie, sien hier 'OpenHAB opstel en konfigureer'. Deel 6: IoT, tuisautomatisering '

Opmerking 2: 'n Afskrif van die aangepaste werfkaart, reëls en items lêers, ikone, ens word hieronder gegee.

Stap 7: Toets die ontwerp

Ek het die IoT -toestel meestal getoets oor die MQTT -verbinding met MQTT Spy, die geleide uitvoer en die ontfoutingsverkeer op die seriële koppelvlak gemonitor. Dit het my in staat gestel om al die beskikbare onderwerpe wat ingeteken is, uit te oefen en die gepubliseerde antwoorde na te gaan. Alhoewel dit met die hand bereik is en soms 'n bietjie vervelig was, het dit 100% dekking moontlik gemaak.

Die hoofstaatsmasjien was egter 'n bietjie moeilik om te toets, aangesien dit gebaseer was op die teenwoordigheid of afwesigheid van 'n WiFi -netwerk, waarvoor spesifieke parameters nodig is. Dit was eenvoudig nie prakties om die tuisnetwerk hiervoor te gebruik nie.

Om hierdie probleem op te los, het ek my eie stel dummy-netwerke geskep met behulp van ESP8266-01 wat as toegangspunte (prent 1) gekonfigureer is met SSID's van 'DummyNet1' en 'DummyNet2' onderskeidelik. Deur die kring in foto 2 hierbo te gebruik, het die LED 'n aanduiding gegee of 'n IoT -toestel daaraan gekoppel is. Alhoewel dit nie 'n perfekte toetsoplossing was nie (dit wil sê, elkeen van hierdie dummy WiFi -netwerke bevat nie 'n MQTT -bediener nie), was dit moontlik om die staatsmasjien volledig te toets.

Ek het 'n afskrif van die bronkode hieronder ingesluit.

Stap 8: Gevolgtrekking

Algemeen

Die sagteware op die IoT -toestelle werk al baie maande lank betroubaar en herstel van huishoudelike kragonderbrekings (hoofsaaklik deur myself veroorsaak). In die algemeen is dit redelik robuuste toestelle wat konsekwente en akkurate data bied.

Verbeterings

By die ontwikkeling van sagteware -roetines om vir SPIFFS te lees en te skryf, het ek kode geskryf wat in die agterkant 'n bietjie meer gevorderd kan wees as wat ek bedoel het, met leidende aanwysings, herskikking en aanwysings na aanwysers. Alhoewel dit baie buigsaam is en die werk goed verrig, kan ek die volgende keer JSON soms op die manier van ConfigFile.ino gebruik om dit 'n bietjie eenvoudiger te hou.

• Arduino GIT HUB -kern

  https://github.com/esp8266/Arduino

• ConfigFile.ino Bron

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

Wenslys

Ek was van plan om 'n mDNS -kliënt te gebruik om met die makelaar te skakel, maar die biblioteek was te flakkerig. Daarom is dit nodig om die MQTT Broker IP -adres te spesifiseer in teenstelling met 'MQTTSVR.local'. As die mDNS -biblioteek in die toekoms meer stabiel word, voeg ek hierdie funksie by die toestel.

Dit sou lekker gewees het om die humiditeit van die omgewing akkuraat te monitor en te beheer om die sensors teen te kalibreer. Dit sê egter dat die gekose kalibreringsmetode goeie relatiewe lesings gee en redelik akkuraat lyk in ooreenstemming met die spesifikasie in die DHT22 -gegewensblad.

Ten slotte, gegewe die kompleksiteit van die sagteware, het ek gevind dat die toets van die kode na 'n groot verandering tydrowend geword het. Ek sal moontlik outomatiese toetse later oorweeg.

Stap 9: Gebruikte verwysings

Ek het die volgende bronne gebruik om hierdie Instructable saam te stel;

PubSubClient.h

• Deur: Nick O'Leary
• Van:

DHT.h

• Deur: Adafruit
• Van:

Gegevensblad DHT22