Nyt trådløst IOT -sensorlag til hjemmemiljøovervågningssystem: 5 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

Denne instruktionsbog beskriver et billigere, batteridrevet trådløst IOT-sensorlag til mit tidligere Instructable: LoRa IOT Home Environmental Monitoring System. Hvis du ikke allerede har set dette tidligere Instructable, anbefaler jeg at læse introduktionen for en oversigt over systemets muligheder, som nu er udvidet til dette nye sensorlag.

Det originale LoRa IOT Home Environmental Monitoring System nåede de mål, jeg havde sat mig, da det blev offentliggjort i april 2017. Efter at have brugt overvågningssystemet i et antal måneder til at overvåge temperatur og fugtighed på hver etage i huset, ville jeg dog tilføj 11 flere sensorer på særligt sårbare steder i huset; herunder seks sensorer strategisk placeret i kælderen, sensorer i hvert badeværelse og en sensor på loftet, vasketøj og køkken.

I stedet for at tilføje flere LoRa-baserede sensorer fra den tidligere Instructable, som er noget dyre og drives via vekselstrømsadaptere, besluttede jeg at tilføje et lag med lavere omkostninger, batteridrevne sensorer ved hjælp af 434-MHz RF Link-transmittere. For at opretholde kompatibilitet med det eksisterende LoRa IOT Home Environmental Monitoring System tilføjede jeg en trådløs bro til at modtage 434-MHz-pakkerne og videresende dem som LoRa-pakker ved 915-MHz.

Det nye sensorlag består af følgende undersystemer:

1. 434 -MHz trådløse fjernbetjeninger - batteridrevne temperatur- og fugtighedsfølere
2. Wireless Bridge - Modtager 434 -MHz -pakker og videresender dem som LoRa -pakker.

434-MHz trådløse fjernbetjeninger bruger lavere sendeeffekt og mindre robuste protokoller sammenlignet med LoRa-radioer, så Wireless Bridge-placeringen i huset er valgt for at sikre pålidelig kommunikation med alle 434-MHz trådløse fjernbetjeninger. Brug af Wireless Bridge gør det muligt at optimere kommunikation med 434-MHz trådløse fjernbetjeninger uden at lægge nogen begrænsning på, hvor LoRa IOT Gateway er placeret.

434-MHz trådløse fjernbetjeninger og Wireless Bridge er bygget ved hjælp af let tilgængelige hardwaremoduler og et par individuelle komponenter. Delene kan fås hos Adafruit, Sparkfun og Digikey; i mange tilfælde er Adafruit og Sparkfun dele også tilgængelige fra Digikey. Kompetente loddefærdigheder er nødvendige for at samle hardware, især punkt-til-punkt-ledningerne til 434-MHz trådløse fjernbetjeninger. Arduino -koden er godt kommenteret for at forstå og muliggøre let udvidelse af funktionalitet.

Målene for dette projekt omfattede følgende:

• Find en billigere trådløs teknologi, der er velegnet til husholdningsmiljøer.
• Udvikle en batteridrevet trådløs sensor, der kan fungere i et antal år på et sæt batterier.
• Kræver ingen ændringer af LoRa IOT Gateway -hardware eller -software fra min tidligere Instructable.

De samlede deleomkostninger til 434-MHz trådløse fjernbetjeninger, eksklusive 3xAA-batterierne, er $ 25, hvoraf SHT31-D temperatur- og fugtighedsføler tegner sig for mere end halvdelen ($ 14).

Som med LoRa-fjernbetjeninger fra min tidligere Instructable, tager 434-MHz trådløse fjernbetjeninger temperatur- og fugtighedsmålinger og rapporterer til LoRa IOT Gateway, via Wireless Bridge, hvert 10. minut. De elleve 434-MHz trådløse fjernbetjeninger blev sat i drift i december 2017 ved hjælp af 3 x AA-batterier, der nominelt gav 4,5V. Batterilæsningerne fra de elleve sensorer i december 2017 varierede fra 4,57V til 4,71V, seksten måneder senere i maj 2019 spænder batteriets aflæsninger fra 4,36V til 4,55V. Anvendelse af dele med et bredt driftsspændingsområde bør sikre, at sensorerne fungerer i endnu et år eller mere, forudsat at RF -forbindelsens pålidelighed opretholdes, da sendeeffekten reduceres med lavere batterispændinger.

Pålideligheden af 434-MHz sensorlaget har været fremragende i mit husholdningsmiljø. Det nye sensorlag indsættes på tværs af 4, 200 kvadratmeter færdigt rum og 1 800 kvadratmeter ufærdigt kælderrum. Sensorer adskilles fra Wireless Bridge ved en kombination af 2 - 3 indvendige vægge og gulv/lofter. LoRa IOT Gateway fra min tidligere Instructable sender en SMS -advarsel, hvis kommunikationen går tabt med en sensor i mere end 60 minutter (6 ubesvarede ti minutters rapporter). En sensor på gulvet i et hjørne i den yderste ende af kælderen bag stablede kasser vil forårsage en mistet kontaktvarsel nu og da, men i alle tilfælde genopretter kommunikationen med sensoren uden nogen indgriben.

Tak fordi du besøgte denne instruktive, og se venligst følgende trin for yderligere information.

1. Batteridrevet trådløs sensordesign
2. 434-MHz trådløs fjernbetjent hardware
3. 434-MHz trådløs fjernbetjeningssoftware
4. Trådløs bro hardware
5. Wireless Bridge -software

Trin 1: Batteridrevet trådløs sensordesign

Designet til 434-MHz trådløs fjernbetjening bruger følgende dele:

• ATtiny85 8-bit AVR-mikrokontroller
• Sensirion SHT31 -D - Temperatur- og luftfugtighedsføler
• Sparkfun 434-MHz RF Link-sender
• 10K Ohm modstand

En af de tidlige designbeslutninger var at undgå enheder, der kræver reguleret 3.3V eller 5V, og vælge dele, der fungerer over et bredt spændingsområde. Dette eliminerer behovet for spændingsregulatorer, der er strømspildere i et batteridrevet design, og forlænger sensorernes levetid, da de fortsat vil fungere længere, efterhånden som batterispændingen falder over tid. Driftsspændingsområderne for de valgte dele 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 fjernbetjeninger bør fungere ned til en batterispænding på 3V, hvilket giver en vis margin. Som allerede bemærket er det bare at se, hvor godt RF -linkets pålidelighed opretholdes, da sendeeffekten reduceres med lavere batterispændinger.

Beslutningen blev taget om at bruge 3 x AA -batterier til at levere en nominel startspænding på 4,5V. Efter 16 måneders drift er den laveste målte batterispænding 4,36V.

ATtiny85 Watch Dog Timer (WDT) bruges til at holde 434-MHz trådløs fjernbetjening i dvaletilstand for det meste af tiden. ATtiny85 vækkes af WDT hvert 8. sekund for at øge en tæller på 10 minutter; ved at nå et 10 minutters interval, foretages en måling, og en datapakke sendes.

For yderligere at minimere strømforbruget drives SHT31-D og RF Link Transmitter fra en digital I/O-portstift på ATtiny85, der er konfigureret som en udgang. Strøm tilføres, når I/O -stiften køres højt (1), og fjernes, når I/O -stiften drives lav (0). Gennem software anvendes der kun strøm til disse perifere enheder hvert 10. minut i 1-2 sekunder, mens målinger foretages og transmitteres. Se 434-MHz trådløs fjernbetjeningssoftware for beskrivelse af den relaterede software.

Den eneste anden komponent, der bruges i 434-MHz trådløs fjernbetjening, er en 10K ohm-modstand, der bruges til at trække Reset-stiften på ATtiny85 op.

Et tidligt design brugte en resistiv spændingsdeler på tværs af batteriet for at muliggøre en ADC -pin på ATTINY85 til at måle batterispænding. Selvom den var lille, lagde denne spændingsdeler en konstant belastning på batteriet. Nogle undersøgelser viste et trick, der bruger ATtiny85 interne 1.1V -båndgapreferencespænding til at måle Vcc (batterispænding). Ved at indstille ADC -referencespændingen til Vcc og foretage en måling af den interne 1.1V -referencespænding, er det muligt at løse for Vcc. ATtiny85 interne 1.1V referencespænding er konstant, så længe Vcc> 3V. Se 434-MHz trådløs fjernbetjeningssoftware for beskrivelse af den relaterede software.

Kommunikation mellem ATtiny85 og SHT31-D sker via I2C-bus. Adafruit SHT31-D breakout board indeholder pull-up modstande til I2C bussen.

Kommunikation mellem ATtiny85 og RF Link -senderen sker via en digital I/O -pin, der er konfigureret som en udgang. RadioHead Packet Radio-biblioteket RH_ASK bruges til On-Off Key (OOK / ASK) RF Link-senderen via denne digitale I / O-pin.

Trin 2: 434-MHz trådløs fjernbetjent hardware

Liste over dele:

1 x Adafruit 1/4 størrelse brødbræt, 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-benet DIP-fatning, Digikey PN AE10011-ND

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

6,75 / 17cm længde på 18AWG emaljeret kobbertråd

1 x stykke dobbeltsidet skumbånd

18 / 45cm Wire Wrapping Wire

Der bruges en stikkontakt til ATtiny85, da programmering uden kredsløb ikke understøttes.

SHT31-D breakout board, RF Link Transmitter, 8-Pin DIP-stik og antenneledning er loddet på brødbrættet som vist på billedet ovenfor. Fjern emaljen fra 1/4 af 18AWG antennekablet før lodning til brødbrættet.

10K ohm-modstanden er loddet på brødbrættet mellem ben 1 og 8 i 8-benet DIP-stikket.

Trådindpakningstråden er loddet på bagsiden af brødbrættet for at lave forbindelserne mellem komponenterne i overensstemmelse med det trådløse fjernbetjeningsskematiske diagram vist i det foregående trin.

De positive og negative ledninger fra batteriholderen er loddet til et sæt henholdsvis "+" og "-" busser på brødbrættet.

434-MHz trådløs fjernbetjening er testet med Wireless Bridge og LoRa IOT Gateway. 434-MHz trådløs fjernbetjening sender straks en pakke hver gang batterierne indsættes og derefter ~ hvert 10. minut. Ved modtagelse af en trådløs pakke fra 434-MHz sensorlaget blinker den grønne LED på Wireless Bridge i ~ 0,5 sek. Stationens navn, temperatur og fugtighed skal vises af LoRa IOT Gateway, hvis 434-MHz trådløs fjernbetjeningsstationsnummer er angivet i gatewayen.

Når den trådløse fjernbetjening er testet okay med en programmeret ATtiny85, bruges et stykke af det dobbeltsidede skumtape, skåret i samme størrelse som brødbrættet, til at fastgøre det færdige brødbræt til batteriholderen.

Trin 3: 434-MHz trådløs fjernbetjeningssoftware

434-MHz trådløs fjernbetjeningssoftwaren er knyttet til dette trin og er godt kommenteret.

Jeg programmerede ATtiny85 -mikrokontrollerne ved hjælp af en Sparkfun Tiny AVR -programmerer og Arduino IDE. Sparkfun har en omfattende vejledning i, hvordan du konfigurerer drivere osv., Og hvordan du får programmereren til at arbejde med Arduino IDE.

Jeg tilføjede et ZIF -stik (Zero Insertion Force) til Tiny AVR -programmereren for at gøre det let at tilføje og fjerne chips fra programmereren.

Trin 4: Trådløs brohardware

Liste over dele:

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-modtager (434-MHz), Digikey PN 1568-1173-ND

1 x 8-benet DIP-fatning, Digikey PN AE10011-ND

6,75 / 17cm længde på 18AWG emaljeret kobbertråd

3,25 / 8,5 cm længde på 18AWG emaljeret kobbertråd

24 / 61cm Wire Wrapping Wire

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

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

Saml prototypeskjoldet i henhold til instruktionerne på Adafruit.com.

Saml RFM95W LoRa -transceiverkortet i henhold til instruktionerne på Adafruit.com. Den 3,25 " / 8,5 cm lange 18AWG -ledning bruges til antennen og loddes direkte på transceiverkortet efter fjernelse af 1/4" emalje fra tråden.

Skær forsigtigt den 8-benede DIP-sokkel i halv længde for at oprette to sæt 4-bens SIP-stik.

Lod de to 4-benede SIP-stik til prototypeskjoldet som vist. Disse bruges til at tilslutte RF Link -modtageren, så sørg for, at de er i de rigtige huller, så de matcher RF Link -senderen, før lodning.

Lod RFM9W LoRa -transceiverkortet til prototypeskjoldet som vist.

Følgende forbindelser foretages mellem Arduino Uno og RFM9W -transceiverkortet ved hjælp af trådindpakningstråd på oversiden af prototypebordet:

RFM9W G0 Arduino Digital I/O Pin 2, RadioHead bibliotek bruger Interrupt 0 på denne pin

RFM9W SCK Arduino ICSP header, pin 3

RFM9W MISO Arduino ICSP header, pin 1

RFM9W MOSI Arduino ICSP header, pin 4

RFM9W CS Arduino Digital I/O Pin 8

RFM9W RST Arduino Digital I/O Pin 9

Følgende forbindelser foretages på undersiden af prototypebordet:

RFM9W VIN Prototypebord 5V bus

RFM9W GND Prototypebord (GND) bus

RF Link Rx Pin 1 (GND) Prototypebord jord (GND) bus

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

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) Prototypebord 5V bus

Proto Board Grøn LED Arduino Digital I/O Pin 7

Pin -oplysninger til RF -linkmodtageren er tilgængelige på www.sparkfun.com.

Fjern emaljen fra 1/4 'af 6,75 længden af 18AWG -ledningen, og indsæt den i prototypebordhullet umiddelbart ved siden af RF Link Rx Pin 8 (antenne). Når den er indsat i hullet, skal du bøje den afisolerede ende, så den får kontakt med RF Link Rx Pin 8 og lod den på plads.

Programmer Arduino Uno med skitsen i det næste trin. Ved nulstilling eller opstart blinker den grønne LED to gange i 0,5 sek. Ved modtagelse af en trådløs pakke fra 434-MHz sensorlaget blinker den grønne LED i ~ 0,5 sek.

Trin 5: Wireless Bridge -software

Wireless Bridge -softwaren er knyttet til dette trin og er godt kommenteret.