Bagong Wireless IOT Sensor Layer para sa Home Environmental Monitoring System: 5 Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:13

Inilalarawan ng Instructable na ito ang isang mas mababang gastos, pinapatakbo ng baterya na wireless na layer ng IOT sensor para sa aking naunang Masusukat: LoRa IOT Home Environmental Monitoring System. Kung hindi mo pa ito tiningnan nang mas maagang Maaaring maituro, inirerekumenda kong basahin ang panimula para sa isang pangkalahatang-ideya ng mga kakayahan ng system na ngayon ay pinalawig sa bagong layer ng sensor.

Ang orihinal na LoRa IOT Home Environmental Monitoring System ay nakamit ang mga layuning itinakda ko noong na-publish ito noong Abril 2017. Gayunpaman, pagkatapos magamit ang monitoring system sa loob ng maraming buwan upang masubaybayan ang temperatura at halumigmig sa bawat palapag ng bahay, nais kong magdagdag ng 11 pang mga sensor sa partikular na mahina lokasyon sa bahay; kasama na, anim na sensor na madiskarteng inilagay sa silong, mga sensor sa bawat banyo, at isang sensor sa attic, labahan, at kusina.

Sa halip na magdagdag ng higit pang mga sensor batay sa LoRa mula sa naunang Instructable na medyo mahal at pinalakas sa pamamagitan ng mga adaptor ng AC, nagpasya akong magdagdag ng isang layer ng mas mababang gastos, mga sensor na pinapatakbo ng baterya gamit ang 434-MHz RF Link Transmitters. Upang mapanatili ang pagiging tugma sa mayroon nang LoRa IOT Home Environmental Monitoring System, nagdagdag ako ng isang wireless na tulay upang matanggap ang mga 434-MHz packet at muling ipadala ito bilang mga LoRa packet sa 915-MHz.

Ang bagong layer ng sensor ay binubuo ng mga sumusunod na subsystem:

1. 434-MHz Wireless Remotes - ang nagpapatakbo ng baterya na temperatura at mga sensor ng halumigmig
2. Wireless Bridge - Nakatanggap ng 434-MHz packet at muling nai-transfer ang mga ito bilang mga LoRa packet.

Ang 434-MHz Wireless Remotes ay gumagamit ng mas mababang lakas ng pagpapadala at hindi gaanong matatag na mga protokol kumpara sa mga radio ng LoRa, kaya't ang lokasyon ng Wireless Bridge sa bahay ay pinili upang matiyak ang maaasahang komunikasyon sa lahat ng 434-MHz Wireless Remotes. Pinapayagan ng paggamit ng Wireless Bridge ang komunikasyon sa 434-MHz Wireless Remotes na ma-optimize nang hindi inilalagay ang anumang pagpilit sa kung saan matatagpuan ang LoRa IOT Gateway.

Ang 434-MHz Wireless Remotes at Wireless Bridge ay binuo gamit ang madaling magagamit na mga module ng hardware at ilang mga indibidwal na sangkap. Ang mga bahagi ay maaaring makuha mula sa Adafruit, Sparkfun, at Digikey; sa maraming mga kaso, ang mga bahagi ng Adafruit at Sparkfun ay magagamit din mula sa Digikey. Karampatang mga kasanayan sa paghihinang ay kinakailangan upang tipunin ang hardware, sa partikular, ang point-to-point na mga kable ng 434-MHz Wireless Remotes. Ang Arduino code ay mahusay na nagkomento para sa pag-unawa at upang paganahin ang madaling extension ng pag-andar.

Ang mga layunin para sa proyektong ito ay kasama ang mga sumusunod:

• Maghanap ng isang mas mababang gastos na wireless na teknolohiya na angkop para sa mga kapaligiran sa sambahayan.
• Bumuo ng isang baterya na pinapatakbo ng wireless sensor na maaaring gumana nang maraming taon sa isang hanay ng mga baterya.
• Hindi nangangailangan ng pagbabago sa hardware o software ng LoRa IOT Gateway mula sa aking naunang Instructable.

Ang kabuuang halaga ng mga bahagi para sa 434-MHz Wireless Remotes, hindi kasama ang mga 3xAA na baterya, ay $ 25, kung saan ang temperatura ng SHT31-D at sensor ng kahalumigmigan ay umabot ng higit sa kalahati ($ 14).

Tulad ng Remote ng LoRa mula sa aking naunang Instructable, ang 434-MHz Wireless Remotes ay kumukuha ng pagbabasa ng temperatura at halumigmig, at nag-uulat sa LoRa IOT Gateway, sa pamamagitan ng Wireless Bridge, bawat 10 minuto. Ang labing-isang 434-MHz Wireless Remotes ay inilagay noong Disyembre 2017 gamit ang 3 x AA na baterya na nominally na nagbibigay ng 4.5V. Ang mga pagbabasa ng baterya mula sa labing-isang sensor noong Disyembre 2017 ay mula sa 4.57V hanggang 4.71V, labing-anim na buwan sa paglaon noong Mayo 2019 ang mga pagbabasa ng baterya ay mula sa 4.36V hanggang 4.55V. Ang paggamit ng mga bahagi na may malawak na saklaw ng boltahe ng operating ay dapat tiyakin na ang pagpapatakbo ng mga sensor para sa isa pang taon o higit pa, napapailalim sa pagpapanatili ng pagiging maaasahan ng link ng RF habang ang kapangyarihan ng paghahatid ay nabawasan na may mas mababang mga boltahe ng baterya.

Ang pagiging maaasahan ng layer ng sensor ng 434-MHz ay naging mahusay sa kapaligiran ng aking sambahayan. Ang bagong layer ng sensor ay na-deploy sa 4, 200 SqFt ng tapos na puwang at 1, 800 SqFt ng hindi natapos na espasyo sa basement. Ang mga sensor ay pinaghiwalay mula sa Wireless Bridge sa pamamagitan ng isang kumbinasyon ng 2 - 3 panloob na pader at sahig / kisame. Ang LoRa IOT Gateway mula sa aking naunang Instructable ay nagpapadala ng isang Alerto sa SMS kung ang komunikasyon ay nawala sa isang sensor nang higit sa 60 minuto (6 napalampas na sampung minutong ulat). Ang isang sensor, sa sahig sa isang sulok sa pinakadulo ng basement sa likod ng mga naka-stack na kahon, ay magdudulot ng isang nawala na alerto sa contact tuwing ngayon, gayunpaman, sa lahat ng mga kaso ang komunikasyon sa sensor ay muling itinatag nang walang anumang interbensyon.

Salamat sa pagbisita sa itinuturo na ito, at mangyaring tingnan ang mga sumusunod na hakbang para sa karagdagang impormasyon.

1. Disenyo ng Wireless Sensor na Pinapatakbo ng Baterya
2. 434-MHz Wireless Remote Hardware
3. 434-MHz Wireless Remote Software
4. Wireless Bridge Hardware
5. Wireless Bridge Software

Hakbang 1: Disenyo ng Wireless Sensor na Pinapatakbo ng Baterya

Ang disenyo para sa 434-MHz Wireless Remote ay gumagamit ng mga sumusunod na bahagi:

• ATtiny85 8-bit AVR Microcontroller
• Sensirion SHT31-D - Temperatura at Humidity Sensor Breakout Board
• Sparkfun 434-MHz RF Link Transmitter
• 10K Ohm risistor

Ang isa sa mga maagang pagpapasya sa disenyo ay upang maiwasan ang mga aparato na nangangailangan ng kinokontrol na 3.3V o 5V, at pumili ng mga bahagi na nagpapatakbo sa isang malawak na saklaw ng boltahe. Tinatanggal nito ang pangangailangan para sa mga regulator ng boltahe na kung saan ay mga waster ng kuryente sa isang disenyo na pinapatakbo ng baterya, at pinapalawig ang buhay ng pagpapatakbo ng mga sensor dahil magpapatuloy silang gumana nang mas matagal habang ang boltahe ng baterya ay bumababa sa paglipas ng panahon. Ang mga saklaw ng boltahe ng operating para sa mga napiling bahagi ay ang mga sumusunod:

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

Pinapayagan para sa ilang mga margin, ang 434-MHz Wireless Remotes ay dapat na function na gumana pababa sa isang boltahe ng baterya ng 3V. Tulad ng nabanggit na, nananatili lamang itong makita kung gaano kahusay na mapanatili ang pagiging maaasahan ng link ng RF habang ang lakas ng paghahatid ay nabawasan na may mas mababang mga boltahe ng baterya.

Napagpasyahan na gumamit ng 3 x AA na baterya upang magbigay ng isang nominal na panimulang boltahe na 4.5V. Pagkatapos ng 16 buwan na pagpapatakbo, ang pinakamababang boltahe ng baterya na sinusukat ay 4.36V.

Ang ATtiny85 Watch Dog Timer (WDT) ay ginagamit upang mapanatili ang 434-MHz Wireless Remote sa isang Sleep mode sa halos lahat ng oras. Ang ATtiny85 ay ginising ng WDT bawat 8 segundo upang madagdagan ang isang 10 minutong counter; sa pag-abot sa isang 10 minutong agwat, isang pagsukat ang kinuha at isang data packet na nailipat.

Upang higit na mabawasan ang pagkonsumo ng kuryente, ang SHT31-D at RF Link Transmitter ay pinalakas mula sa isang digital I / O port pin sa ATtiny85 na naka-configure bilang isang output. Ang kapangyarihan ay inilapat kapag ang I / O pin ay hinihimok Mataas (1), at tinanggal kapag ang I / O pin ay hinihimok Mababa (0). Sa pamamagitan ng software, ang kapangyarihan ay inilalapat lamang sa mga peripheral na ito bawat 10 minuto sa loob ng 1 - 2 segundo habang ang mga pagsukat ay kinukuha at naililipat. Sumangguni sa 434-MHz Wireless Remote Software para sa paglalarawan ng kaugnay na software.

Ang nag-iisang ibang sangkap na ginamit sa 434-MHz Wireless Remote ay isang resistor na 10K ohm na ginamit upang hilahin ang Reset pin sa ATtiny85.

Ang isang maagang disenyo ay gumamit ng resistive voltage divider sa baterya upang paganahin ang isang ADC pin sa ATTINY85 upang masukat ang boltahe ng baterya. Bagaman maliit, ang divider ng boltahe na ito ay naglagay ng isang pare-pareho na pag-load sa baterya. Ang ilang pananaliksik ay nakabukas ng isang trick na gumagamit ng ATtiny85 panloob na 1.1V band gap voltage voltage upang sukatin ang Vcc (boltahe ng baterya). Sa pamamagitan ng pagtatakda ng boltahe ng sanggunian ng ADC sa Vcc at pagkuha ng isang sukat ng panloob na boltahe ng sangguniang 1.1V, posible na malutas ang Vcc. Ang ATtiny85 panloob na 1.1V sanggunian na boltahe ay pare-pareho hangga't Vcc> 3V. Sumangguni sa 434-MHz Wireless Remote Software para sa paglalarawan ng kaugnay na software.

Ang komunikasyon sa pagitan ng ATtiny85 at SHT31-D ay sa pamamagitan ng I2C bus. Ang Adafruit SHT31-D breakout board ay may kasamang pull-up resistors para sa I2C bus.

Ang komunikasyon sa pagitan ng ATtiny85 at ng RF Link Transmitter ay sa pamamagitan ng isang digital I / O pin na naka-configure bilang isang output. Ang RadioHead Packet Radio library na RH_ASK ay ginagamit upang On-Off Key (OOK / ASK) ang RF Link Transmitter sa pamamagitan ng digital I / O pin na ito.

Hakbang 2: 434-MHz Wireless Remote Hardware

Listahan ng Mga Bahagi:

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

1 x Holder ng Baterya 3 x AA Cells, Digikey PN BC3AAW-ND

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

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

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

1 x 8-Pin DIP Socket, Digikey PN AE10011-ND

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

6.75 / 17cm Haba ng 18AWG Enameled Copper Wire

1 x Piece Double-sided Foam Tape

18 / 45cm Wire Wrapping Wire

Ang isang socket ay ginagamit para sa ATtiny85 dahil ang in-circuit na programa ay hindi suportado.

Ang SHT31-D breakout board, RF Link Transmitter, 8-Pin DIP socket, at antenna wire ay solder sa breadboard tulad ng ipinakita sa larawan sa itaas. Alisin ang enamel mula sa 1/4 ng 18AWG antenna wire bago maghinang sa breadboard.

Ang 10K ohm risistor ay solder sa breadboard sa pagitan ng mga pin 1 at 8 ng 8-Pin DIP socket.

Ang wire wrapping wire ay solder sa likuran ng breadboard upang gawin ang mga link sa pagitan ng mga bahagi alinsunod sa diagram ng Wireless Remote skematik na ipinakita sa nakaraang hakbang.

Ang positibo at negatibong mga lead mula sa may hawak ng baterya ay solder sa isang hanay ng mga "+" at "-" bus, ayon sa pagkakabanggit, sa breadboard.

Ang 434-MHz Wireless Remote ay nasubok sa Wireless Bridge at LoRa IOT Gateway. Ang 434-MHz Wireless Remote ay agad na magpapadala ng isang packet sa tuwing ipinasok ang mga baterya, at bawat ~ 10 minuto pagkatapos. Sa pagtanggap ng isang wireless packet mula sa layer ng sensor ng 434-MHz, ang berdeng LED sa Wireless Bridge ay kumikislap nang ~ 0.5s. Ang pangalan ng istasyon, temperatura, at halumigmig ay dapat ipakita ng LoRa IOT Gateway kung ang numero ng 434-MHz Wireless Remote na istasyon ay nailaan sa gateway.

Kapag ang Wireless Remote ay nasubok na okay sa isang naka-program na ATtiny85, isang piraso ng double-sided foam tape, gupitin sa parehong sukat ng breadboard, ay ginagamit upang ilakip ang nakumpletong breadboard sa may hawak ng baterya.

Hakbang 3: 434-MHz Wireless Remote Software

Ang software na 434-MHz Wireless Remote ay naka-attach sa hakbang na ito at mahusay na nagkomento.

Pinrograma ko ang mga ATtiny85 microcontroller gamit ang isang Sparkfun Tiny AVR Programmer at ang Arduino IDE. Ang Sparkfun ay may malawak na tutorial sa kung paano mag-set up ng mga driver at iba pa at kung paano makikipagtulungan ang programmer sa Arduino IDE.

Nagdagdag ako ng isang socket ng ZIF (Zero Insertion Force) sa Tiny AVR Programmer upang gawing madali ang pagdaragdag at pag-alis ng mga chips mula sa programmer.

Hakbang 4: Wireless Bridge Hardware

Listahan ng Mga Bahagi:

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

1 x 8-Pin DIP Socket, Digikey PN AE10011-ND

6.75 / 17cm Haba ng 18AWG Enameled Copper Wire

3.25 / 8.5cm Haba ng 18AWG Enameled Copper Wire

24 / 61cm Wire Wrapping Wire

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

1 x 5V 1A USB port power supply, Adafruit PID 501

Ipunin ang prototyping Shield alinsunod sa mga tagubilin sa Adafruit.com.

Ipunin ang RFM95W LoRa transceiver board alinsunod sa mga tagubilin sa Adafruit.com. Ang 3.25 "/ 8.5cm haba ng 18AWG wire ay ginagamit para sa antena, at direktang na-solder sa transceiver board pagkatapos na hubarin ang 1/4" ng enamel mula sa kawad.

Maingat na gupitin ang 8-pin DIP socket sa kalahating haba-paraan upang lumikha ng dalawang hanay ng mga 4-pin SIP sockets.

Paghinang ang dalawang 4-pin na mga socket ng SIP sa prototyping kalasag tulad ng ipinakita. Gagamitin ang mga ito upang mai-plug in ang RF Link Receiver, kaya tiyaking nasa tamang butas ang mga ito upang tumugma sa RF Link Transmitter bago maghinang.

Paghinang ng RFM9W LoRa transceiver board sa prototyping shield tulad ng ipinakita.

Ang mga sumusunod na koneksyon ay ginawa sa pagitan ng Arduino Uno at ng RFM9W transceiver board gamit ang wire wrapping wire sa tuktok na bahagi ng prototyping board:

Ang RFM9W G0 Arduino Digital I / O Pin 2, ang library ng RadioHead ay gumagamit ng Interrupt 0 sa pin na ito

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

Ang mga sumusunod na koneksyon ay ginawa sa ilalim na bahagi ng prototyping board:

RFM9W VIN Prototyping board 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) Prototyping board 5V bus

Proto Board Green LED Arduino Digital I / O Pin 7

Ang impormasyon ng pin para sa tatanggap ng link ng RF ay magagamit sa www.sparkfun.com.

Huhubad ang enamel mula sa 1/4 'ng 6.75 haba ng 18AWG wire at ipasok ito sa butas ng prototyping board na agad na katabi ng RF Link Rx Pin 8 (Antenna). Kapag naipasok sa butas, yumuko ang natapos na dulo kaya't ginagawa makipag-ugnay sa RF Link Rx Pin 8 at solder ito sa lugar.

I-program ang Arduino Uno kasama ang sketch na ibinigay sa susunod na hakbang. Sa pag-reset o pag-power up, ang berdeng LED ay mag-flash nang dalawang beses para sa 0.5s. Sa pagtanggap ng isang wireless packet mula sa layer ng sensor ng 434-MHz, ang berdeng LED ay kumikislap nang ~ 0.5s.

Hakbang 5: Wireless Bridge Software

Ang software ng Wireless Bridge ay naka-attach sa hakbang na ito at mahusay na nagkomento.