Nytt trådløst IOT -sensorlag for hjemmemiljøovervåkingssystem: 5 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

Denne instruksjonsboken beskriver et billigere, batteridrevet trådløst IOT-sensorlag for mitt tidligere Instructable: LoRa IOT Home Environmental Monitoring System. Hvis du ikke allerede har sett dette tidligere Instructable, anbefaler jeg å lese introduksjonen for en oversikt over mulighetene til systemet som nå er utvidet til dette nye sensorlaget.

Det opprinnelige LoRa IOT Home Environmental Monitoring System oppnådde målene jeg hadde satt meg da det ble publisert i april 2017. Etter å ha brukt overvåkingssystemet i flere måneder for å overvåke temperatur og fuktighet i hver etasje i huset, ønsket jeg imidlertid å legge til 11 flere sensorer på spesielt sårbare steder i huset; inkludert seks sensorer strategisk plassert i kjelleren, sensorer på hvert bad og en sensor på loftet, vaskerom og kjøkken.

I stedet for å legge til flere LoRa-baserte sensorer fra den tidligere Instructable som er noe dyre og drives via AC-adaptere, bestemte jeg meg for å legge til et lag med lavere kostnader, batteridrevne sensorer ved bruk av 434-MHz RF Link-sendere. For å opprettholde kompatibilitet med det eksisterende LoRa IOT Home Environmental Monitoring System, la jeg til en trådløs bro for å motta 434 MHz-pakkene og sende dem på nytt som LoRa-pakker på 915 MHz.

Det nye sensorlaget består av følgende delsystemer:

1. 434 -MHz trådløse fjernkontroller - batteridrevne temperatur- og fuktighetssensorer
2. Wireless Bridge - Mottar 434 -MHz -pakker og sender dem på nytt som LoRa -pakker.

434-MHz trådløse fjernkontroller bruker lavere sendeeffekt og mindre robuste protokoller sammenlignet med LoRa-radioer, så Wireless Bridge-stedet i huset er valgt for å sikre pålitelig kommunikasjon med alle 434-MHz trådløse fjernkontroller. Ved bruk av Wireless Bridge kan kommunikasjon med 434-MHz trådløse fjernkontroller optimaliseres uten å sette noen begrensning på hvor LoRa IOT Gateway er plassert.

434-MHz trådløse fjernkontroller og Wireless Bridge er bygget med lett tilgjengelige maskinvaremoduler og noen få individuelle komponenter. Delene kan fås fra Adafruit, Sparkfun og Digikey; i mange tilfeller er Adafruit og Sparkfun deler også tilgjengelig fra Digikey. Kompetente loddeferdigheter er nødvendig for å montere maskinvaren, spesielt punkt-til-punkt-ledningene til 434 MHz trådløse fjernkontroller. Arduino -koden er godt kommentert for å forstå og for å muliggjøre enkel utvidelse av funksjonalitet.

Målene for dette prosjektet inkluderte følgende:

• Finn en trådløs teknologi som er rimeligere for husholdningsmiljøer.
• Utvikle en batteridrevet trådløs sensor som kan fungere i flere år på ett sett med batterier.
• Krever ingen endring av LoRa IOT Gateway -maskinvaren eller -programvaren fra min tidligere Instructable.

Den totale delkostnaden for 434-MHz trådløse fjernkontroller, unntatt 3xAA-batteriene, er $ 25, hvorav SHT31-D temperatur- og fuktighetssensor står for mer enn halvparten ($ 14).

Som med LoRa-fjernkontrollene fra min tidligere Instructable, tar de 434 MHz trådløse fjernkontrollene temperatur- og fuktighetsavlesninger, og rapporterer til LoRa IOT Gateway, via Wireless Bridge, hvert 10. minutt. De elleve 434-MHz trådløse fjernkontrollene ble satt i drift i desember 2017 ved bruk av 3 x AA-batterier som nominelt gir 4,5V. Batteriavlesningene fra de elleve sensorene i desember 2017 varierte fra 4,57V til 4,71V, seksten måneder senere i mai 2019 varierer batterimålingene fra 4,36V til 4,55V. Bruken av deler med et bredt spenningsområde bør sikre at sensorene fungerer i ytterligere ett år eller mer, forutsatt at RF -linkens pålitelighet opprettholdes ettersom sendeeffekten reduseres med lavere batterispenninger.

Påliteligheten til 434-MHz sensorlaget har vært utmerket i hjemmet mitt. Det nye sensorlaget er distribuert over 4 200 kvadratmeter ferdig plass og 1 800 kvadratmeter uferdig kjellerplass. Sensorer skilles fra Wireless Bridge med en kombinasjon av 2 - 3 innvendige vegger og gulv/tak. LoRa IOT Gateway fra min tidligere Instructable sender et SMS -varsel hvis kommunikasjonen går tapt med en sensor i mer enn 60 minutter (6 tapte ti minutters rapporter). En sensor, på gulvet i et hjørne ytterst i kjelleren bak stablete esker, vil forårsake et tapt kontaktvarsel nå og da, men i alle tilfeller gjenopprettes kommunikasjonen med sensoren uten inngrep.

Takk for at du besøkte denne instruksen, og se trinnene nedenfor for ytterligere informasjon.

1. Batteridrevet trådløs sensordesign
2. 434-MHz trådløs ekstern maskinvare
3. 434-MHz trådløs fjernprogramvare
4. Trådløs bro maskinvare
5. Wireless Bridge -programvare

Trinn 1: Batteridrevet trådløs sensordesign

Designet for 434-MHz trådløs fjernkontroll bruker følgende deler:

• ATtiny85 8-biters AVR-mikrokontroller
• Sensirion SHT31 -D - Temperatur- og fuktighetssensorbruddstavle
• Sparkfun 434-MHz RF-lenksender
• 10K Ohm motstand

En av de tidlige designbeslutningene var å unngå enheter som krever regulert 3.3V eller 5V, og velge deler som opererer over et bredt spenningsområde. Dette eliminerer behovet for spenningsregulatorer som er strømforbrukere i en batteridrevet design, og forlenger sensorenes levetid da de vil fortsette å fungere lenger ettersom batterispenningen synker over tid. Driftsspenningsområdene for de valgte delene er som følger:

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

434-MHz trådløse fjernkontroller bør fungere ned til en batterispenning på 3V. Som allerede nevnt gjenstår det bare å se hvor godt RF -link -påliteligheten opprettholdes ettersom sendeeffekten reduseres med lavere batterispenninger.

Beslutningen ble tatt om å bruke 3 x AA -batterier for å gi en nominell startspenning på 4,5V. Etter 16 måneders drift er den laveste batterispenningen målt 4,36V.

ATtiny85 Watch Dog Timer (WDT) brukes til å holde 434-MHz trådløs fjernkontroll i hvilemodus for det meste. ATtiny85 blir vekket av WDT hvert 8. sekund for å øke en teller på 10 minutter; ved å nå et intervall på 10 minutter, blir en måling tatt og en datapakke overført.

For å minimere strømforbruket ytterligere, drives SHT31-D og RF Link-senderen fra en digital I/O-portstift på ATtiny85 som er konfigurert som en utgang. Strøm tilføres når I/O -pinnen drives høyt (1), og fjernes når I/O -pinnen drives lav (0). Gjennom programvare brukes strømmen til disse eksterne enhetene hvert 10. minutt i 1-2 sekunder mens målinger blir tatt og overført. Se 434-MHz trådløs fjernprogramvare for beskrivelse av den relaterte programvaren.

Den eneste andre komponenten som brukes i 434-MHz trådløs fjernkontroll er en 10K ohm motstand som brukes til å trekke opp tilbakestillingspinnen på ATtiny85.

En tidlig design brukte en resistiv spenningsdeler over batteriet for å muliggjøre en ADC -pinne på ATTINY85 for å måle batterispenningen. Selv om den var liten, la denne spenningsdeleren en konstant belastning på batteriet. Noen undersøkelser viste et triks som bruker ATtiny85 interne 1.1V båndgapreferansespenning for å måle Vcc (batterispenning). Ved å sette ADC -referansespenningen til Vcc og ta en måling av den interne 1.1V referansespenningen, er det mulig å løse for Vcc. ATtiny85 interne 1.1V referansespenning er konstant så lenge Vcc> 3V. Se 434-MHz trådløs fjernprogramvare for beskrivelse av den relaterte programvaren.

Kommunikasjon mellom ATtiny85 og SHT31-D er via I2C-buss. Adafruit SHT31-D breakout board inkluderer pull-up motstander for I2C bussen.

Kommunikasjonen mellom ATtiny85 og RF Link -senderen skjer via en digital I/O -pin som er konfigurert som en utgang. RadioHead Packet Radio-biblioteket RH_ASK brukes til On-Off Key (OOK / ASK) RF Link-senderen via denne digitale I / O-pinnen.

Trinn 2: 434-MHz trådløs ekstern maskinvare

Deleliste:

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

1 x batteriholder 3 x AA-celler, 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-pinners DIP-kontakt, Digikey PN AE10011-ND

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

6,75 / 17cm lengde på 18AWG emaljert kobbertråd

1 x stykke dobbeltsidig skumbånd

18 / 45cm Wire Wrapping Wire

En stikkontakt brukes for ATtiny85 ettersom programmering i krets ikke støttes.

SHT31-D breakout board, RF Link Transmitter, 8-Pin DIP socket og antennekabel er loddet på brødbrettet som vist på bildet ovenfor. Fjern emaljen fra 1/4 av 18AWG antennekabelen før du lodder til brødbrettet.

10K ohm-motstanden er loddet på brødbrettet mellom pinnene 1 og 8 i 8-pinners DIP-kontakten.

Trådinnpakningstråden er loddet på baksiden av brødbrettet for å lage koblingene mellom komponentene i samsvar med skjematisk diagram for trådløs fjernkontroll vist i forrige trinn.

De positive og negative ledningene fra batteriholderen er loddet til ett sett med henholdsvis "+" og "-" busser på brødbrettet.

434-MHz trådløs fjernkontroll er testet med Wireless Bridge og LoRa IOT Gateway. 434-MHz trådløs fjernkontroll sender umiddelbart en pakke hver gang batteriene settes inn, og deretter ~ hvert 10. minutt. Når du mottar en trådløs pakke fra 434 MHz sensorlaget, blinker den grønne LED-en på Wireless Bridge i ~ 0,5 sekunder. Stasjonsnavnet, temperaturen og fuktigheten bør vises av LoRa IOT Gateway hvis 434-MHz trådløs fjernkontrollstasjonsnummer er angitt i gatewayen.

Når den trådløse fjernkontrollen er testet ok med en programmert ATtiny85, brukes et stykke dobbeltsidig skumtape, kuttet til samme størrelse som brødbrettet, for å feste det ferdige brødbrettet til batteriholderen.

Trinn 3: 434-MHz trådløs ekstern programvare

434-MHz trådløs ekstern programvare er vedlagt dette trinnet og er godt kommentert.

Jeg programmerte ATtiny85 -mikrokontrollerne ved hjelp av en Sparkfun Tiny AVR -programmerer og Arduino IDE. Sparkfun har en omfattende opplæring om hvordan du konfigurerer drivere og etc. og hvordan du får programmereren til å jobbe med Arduino IDE.

Jeg la til en ZIF -kontakt (Zero Insertion Force) i Tiny AVR -programmereren for å gjøre det enkelt å legge til og fjerne sjetonger fra programmereren.

Trinn 4: Trådløs bromaskinvare

Deleliste:

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

1 x 8-pinners DIP-kontakt, Digikey PN AE10011-ND

6,75 / 17cm lengde på 18AWG emaljert kobbertråd

3,25 / 8,5 cm lengde på 18AWG emaljert kobbertråd

24 / 61cm Wire Wrapping Wire

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

1 x 5V 1A USB -port strømforsyning, Adafruit PID 501

Monter prototypeskjoldet i henhold til instruksjonene på Adafruit.com.

Monter RFM95W LoRa -mottakerkortet i henhold til instruksjonene på Adafruit.com. Den 3,25 " / 8,5 cm lange 18AWG -ledningen brukes til antennen, og loddes direkte til mottakerbordet etter å ha fjernet 1/4" emalje fra ledningen.

Klipp forsiktig den 8-pinners DIP-kontakten på halv måte for å lage to sett med 4-pinners SIP-kontakter.

Lodd de to 4-pinners SIP-kontaktene til prototypeskjoldet som vist. Disse brukes til å koble til RF Link -mottakeren, så sørg for at de er i de riktige hullene for å passe til RF Link -senderen før lodding.

Lodd RFM9W LoRa -mottakerkortet til prototypeskjoldet som vist.

Følgende tilkoblinger er gjort mellom Arduino Uno og RFM9W -mottakerkortet ved hjelp av trådinnpakningstråd på oversiden av prototypebordet:

RFM9W G0 Arduino Digital I/O Pin 2, RadioHead -biblioteket bruker Interrupt 0 på denne pinnen

RFM9W SCK Arduino ICSP header, pin 3

RFM9W MISO Arduino ICSP topp, pinne 1

RFM9W MOSI Arduino ICSP header, pin 4

RFM9W CS Arduino Digital I/O -pinne 8

RFM9W RST Arduino Digital I/O -pinne 9

Følgende tilkoblinger er gjort på undersiden av prototypebrettet:

RFM9W VIN Prototypebrett 5V buss

RFM9W GND Prototyping board ground (GND) buss

RF Link Rx Pin 1 (GND) Prototypebrettbunn (GND)

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

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) Prototypebrett 5V buss

Proto Board Green LED Arduino Digital I/O Pin 7

Pin -informasjon for RF -linkmottakeren er tilgjengelig på www.sparkfun.com.

Fjern emaljen fra 1/4 'av 6,75 lengden på 18AWG -ledningen og sett den inn i prototypebretthullet like ved RF Link Rx Pin 8 (antenne). Når den er satt inn i hullet, bøy den avisolerte enden slik at den kontakt med RF Link Rx Pin 8 og lodd den på plass.

Programmer Arduino Uno med skissen i neste trinn. Ved tilbakestilling eller oppstart vil den grønne LED -en blinke to ganger i 0,5 sekunder. Ved mottak av en trådløs pakke fra 434-MHz sensorlaget, blinker den grønne LED-en i ~ 0,5 sekunder.

Trinn 5: Wireless Bridge -programvare

Wireless Bridge -programvaren er vedlagt dette trinnet og er godt kommentert.