Ev Ortam İzleme Sistemi için Yeni Kablosuz IOT Sensör Katmanı: 5 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:19

Bu Eğitilebilir Tablo, daha önceki Eğitilebilir: LoRa IOT Ev Çevresel İzleme Sistemim için daha düşük maliyetli, pille çalışan bir kablosuz IOT sensör katmanını açıklar. Bu daha önce Eğitilebilir Tabloyu henüz görmediyseniz, şimdi bu yeni sensör katmanına genişletilen sistemin yeteneklerine genel bir bakış için girişi okumanızı tavsiye ederim.

Orijinal LoRa IOT Ev Çevresel İzleme Sistemi, Nisan 2017'de yayınlandığında belirlediğim hedeflere ulaştı. Ancak, evin her katındaki sıcaklık ve nemi izlemek için izleme sistemini birkaç ay kullandıktan sonra, evin özellikle hassas noktalarına 11 sensör daha ekleyin; bodrum katına stratejik olarak yerleştirilmiş altı sensör, her banyoda sensör ve tavan arasında, çamaşırhanede ve mutfakta bir sensör dahil.

Daha önceki Instructable'dan biraz pahalı olan ve AC adaptörlerle çalışan daha fazla LoRa tabanlı sensör eklemek yerine, 434 MHz RF Bağlantı Vericileri kullanarak daha düşük maliyetli, pille çalışan sensörler katmanı eklemeye karar verdim. Mevcut LoRa IOT Ev Ortam İzleme Sistemi ile uyumluluğu korumak için 434 MHz paketleri almak ve bunları 915 MHz'de LoRa paketleri olarak yeniden iletmek için bir kablosuz köprü ekledim.

Yeni sensör katmanı aşağıdaki alt sistemlerden oluşur:

1. 434-MHz Kablosuz Uzaktan Kumandalar - pille çalışan sıcaklık ve nem sensörleri
2. Kablosuz Köprü - 434 MHz paketleri alır ve bunları LoRa paketleri olarak yeniden iletir.

434 MHz Kablosuz Uzaktan Kumandalar, LoRa telsizlere kıyasla daha düşük iletim gücü ve daha az sağlam protokoller kullanır, bu nedenle evdeki Kablosuz Köprü konumu, tüm 434 MHz Kablosuz Uzaktan Kumandalarla güvenilir iletişim sağlamak için seçilir. Kablosuz Köprünün kullanılması, LoRa IOT Ağ Geçidinin bulunduğu yere herhangi bir kısıtlama getirmeden 434 MHz Kablosuz Uzaktan Kumandalarla iletişimin optimize edilmesini sağlar.

434-MHz Kablosuz Uzaktan Kumandalar ve Kablosuz Köprü, hazır donanım modülleri ve birkaç bağımsız bileşen kullanılarak oluşturulmuştur. Parçalar Adafruit, Sparkfun ve Digikey'den temin edilebilir; çoğu durumda Adafruit ve Sparkfun parçaları da Digikey'den temin edilebilir. Donanımı, özellikle de 434 MHz Kablosuz Uzaktan Kumandaların noktadan noktaya kablolarını monte etmek için yetkin lehimleme becerilerine ihtiyaç vardır. Arduino kodu, anlaşılması ve işlevselliğin kolay genişletilmesini sağlamak için iyi yorumlanmıştır.

Bu projenin hedefleri aşağıdakileri içeriyordu:

• Ev ortamlarına uygun daha düşük maliyetli bir kablosuz teknoloji bulun.
• Tek bir pil setinde birkaç yıl çalışabilen, pille çalışan bir kablosuz sensör geliştirin.
• Daha önceki Instructable'ımdan LoRa IOT Gateway donanımında veya yazılımında herhangi bir değişiklik gerektirmiyor.

3xAA piller hariç 434 MHz Kablosuz Uzaktan Kumandaların toplam parça maliyeti 25$'dır, bunun yarısından fazlasını SHT31-D sıcaklık ve nem sensörü oluşturur (14$).

Daha önceki Instructable'ımdaki LoRa uzaktan kumandalarında olduğu gibi, 434 MHz Kablosuz Uzaktan Kumandalar, sıcaklık ve nem okumalarını alır ve Kablosuz Köprü aracılığıyla her 10 dakikada bir LoRa IOT Ağ Geçidine rapor verir. On bir adet 434 MHz Kablosuz Uzaktan Kumanda, nominal olarak 4,5 V sağlayan 3 adet AA pil kullanılarak Aralık 2017'de devreye alındı. Aralık 2017'de on bir sensörden gelen pil okumaları 4.57V ile 4.71V arasında, on altı ay sonra Mayıs 2019'da pil okumaları 4.36V ile 4.55V arasında değişiyordu. Geniş bir çalışma voltajı aralığına sahip parçaların kullanılması, daha düşük akü voltajları ile iletim gücü azaldığından RF bağlantı güvenilirliğinin korunmasına bağlı olarak sensörlerin bir yıl veya daha fazla çalışmasını sağlamalıdır.

434 MHz sensör katmanının güvenilirliği, ev ortamımda mükemmeldi. Yeni sensör katmanı, 4.200 SqFt bitmiş alan ve 1.800 SqFt bitmemiş bodrum alanı boyunca dağıtılır. Sensörler, 2 - 3 iç duvar ve zemin/tavan kombinasyonu ile Wireless Bridge'den ayrılır. Daha önceki Instructable'ımdaki LoRa IOT Gateway, bir sensörle 60 dakikadan fazla bir süre boyunca iletişim kesilirse bir SMS Uyarısı gönderir (6 cevapsız on dakikalık rapor). Bodrumun en ucunda, yığılmış kutuların arkasındaki bir köşede yerde bulunan bir sensör, arada bir temas kaybı uyarısına neden olur, ancak her durumda, sensörle iletişim herhangi bir müdahale olmaksızın yeniden kurulur.

Bu talimatı ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz ve daha fazla bilgi için lütfen aşağıdaki adımlara bakın.

1. Pille Çalışan Kablosuz Sensör Tasarımı
2. 434-MHz Kablosuz Uzak Donanım
3. 434-MHz Kablosuz Uzak Yazılım
4. Kablosuz Köprü Donanımı
5. Kablosuz Köprü Yazılımı

Adım 1: Pille Çalışan Kablosuz Sensör Tasarımı

434 MHz Kablosuz Uzaktan Kumanda tasarımı aşağıdaki parçaları kullanır:

• ATtiny85 8-bit AVR Mikrodenetleyici
• Sensirion SHT31-D - Sıcaklık ve Nem Sensörü Devre Kartı
• Sparkfun 434-MHz RF Bağlantı Vericisi
• 10K Ohm direnç

İlk tasarım kararlarından biri, regüle edilmiş 3.3V veya 5V gerektiren cihazlardan kaçınmak ve geniş bir voltaj aralığında çalışan parçaları seçmekti. Bu, pille çalışan bir tasarımda güç tüketen voltaj regülatörlerine olan ihtiyacı ortadan kaldırır ve zamanla pil voltajı düştükçe daha uzun süre çalışmaya devam edeceklerinden sensörlerin çalışma ömrünü uzatır. Seçilen parçalar için çalışma voltajı aralıkları aşağıdaki gibidir:

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

Bir miktar pay bırakarak, 434 MHz Kablosuz Uzaktan Kumandalar, 3V'luk bir pil voltajına kadar işlevsel olarak çalışmalıdır. Daha önce belirtildiği gibi, daha düşük pil voltajları ile iletim gücü azaldığından RF bağlantı güvenilirliğinin ne kadar iyi korunduğu görülecektir.

4,5V nominal başlangıç voltajı sağlamak için 3 adet AA pil kullanılmasına karar verildi. 16 aylık çalışmadan sonra ölçülen en düşük akü voltajı 4,36V'dir.

ATtiny85 Watch Dog Timer (WDT), 434 MHz Kablosuz Uzaktan Kumandayı çoğu zaman Uyku modunda tutmak için kullanılır. ATtiny85, 10 dakikalık bir sayacı artırmak için her 8 saniyede bir WDT tarafından uyandırılır; 10 dakikalık bir aralığa ulaşıldığında, bir ölçüm alınır ve bir veri paketi iletilir.

Güç tüketimini daha da azaltmak için, SHT31-D ve RF Bağlantı Vericisi, ATtiny85'te bir çıkış olarak yapılandırılmış bir dijital G/Ç bağlantı noktası pininden güç alır. Güç, G/Ç pimi Yüksek (1) olarak sürüldüğünde uygulanır ve G/Ç pimi Alçak (0) olarak sürüldüğünde çıkarılır. Yazılım sayesinde ölçümler alınırken ve iletilirken bu çevre birimlerine sadece 1 - 2 saniye boyunca her 10 dakikada bir güç verilir. İlgili yazılımın açıklaması için 434-MHz Kablosuz Uzaktan Kumanda Yazılımına bakın.

434-MHz Kablosuz Uzaktan Kumanda'da kullanılan diğer tek bileşen, ATtiny85'teki Sıfırlama pimini yukarı çekmek için kullanılan 10K ohm'luk bir dirençtir.

Erken bir tasarım, akü voltajını ölçmek için ATTINY85'teki bir ADC pinini etkinleştirmek için akü boyunca dirençli bir voltaj bölücü kullandı. Küçük olmasına rağmen, bu voltaj bölücü aküye sabit bir yük yerleştirdi. Bazı araştırmalar, Vcc'yi (pil voltajı) ölçmek için ATtiny85 dahili 1.1V bant aralığı referans voltajını kullanan bir numara ortaya çıkardı. ADC referans voltajını Vcc'ye ayarlayarak ve dahili 1.1V referans voltajının bir ölçümünü alarak Vcc'yi çözmek mümkündür. ATtiny85 dahili 1.1V referans voltajı, Vcc > 3V olduğu sürece sabittir. İlgili yazılımın açıklaması için 434-MHz Kablosuz Uzaktan Kumanda Yazılımına bakın.

ATtiny85 ve SHT31-D arasındaki iletişim, I2C veriyolu üzerinden yapılır. Adafruit SHT31-D devre kartı, I2C veri yolu için çekme dirençleri içerir.

ATtiny85 ve RF Bağlantı Vericisi arasındaki iletişim, çıkış olarak yapılandırılmış bir dijital I/O pini aracılığıyla yapılır. RadioHead Paket Radyo kitaplığı RH_ASK, bu dijital I/O pini aracılığıyla RF Link Vericisini Açma-Kapama Anahtarı (OOK / ASK) için kullanılır.

Adım 2: 434-MHz Kablosuz Uzak Donanım

Parça listesi:

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

1 x Pil Tutucu 3 x AA Hücre, Digikey PN BC3AAW-ND

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

1 x Sparkfun RF Bağlantı Vericisi (434-MHz), Digikey PN 1568-1175-ND

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

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

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

6.75 / 17cm 18AWG Emaye Bakır Tel Uzunluğu

1 x Adet Çift Taraflı Köpük Bant

18 / 45cm Tel Sarma Teli

Devre içi programlama desteklenmediğinden ATtiny85 için bir soket kullanılır.

SHT31-D devre kartı, RF Bağlantı Vericisi, 8-Pin DIP soketi ve anten kablosu yukarıdaki fotoğrafta gösterildiği gibi devre tahtasına lehimlenmiştir. Breadboard'a lehimlemeden önce 18AWG anten kablosunun 1/4 emayesini çıkarın.

10K ohm direnç, 8-Pin DIP soketinin 1 ve 8 pinleri arasına devre tahtasına lehimlenmiştir.

Tel sarma teli, bileşenler arasındaki bağlantıları önceki adımda gösterilen Kablosuz Uzaktan Kumanda şematik diyagramına göre yapmak için devre tahtasının arka tarafına lehimlenmiştir.

Pil tutucudan gelen pozitif ve negatif uçlar, devre tahtasında sırasıyla bir "+" ve "-" veriyolu grubuna lehimlenmiştir.

434-MHz Kablosuz Uzaktan Kumanda, Kablosuz Köprü ve LoRa IOT Ağ Geçidi ile test edilmiştir. 434 MHz Kablosuz Uzaktan Kumanda, piller her takıldığında ve daha sonra her ~10 dakikada bir hemen bir paket gönderir. 434 MHz sensör katmanından bir kablosuz paket alındığında, Kablosuz Köprü üzerindeki yeşil LED ~0.5s yanıp söner. Ağ geçidinde 434 MHz Kablosuz Uzak istasyon numarası sağlanmışsa, istasyon adı, sıcaklık ve nem LoRa IOT Ağ Geçidi tarafından görüntülenmelidir.

Kablosuz Uzaktan Kumanda, programlanmış bir ATtiny85 ile sorunsuz olarak test edildikten sonra, devre tahtası ile aynı boyutta kesilmiş çift taraflı köpük bant parçası, tamamlanmış devre tahtasını pil tutucuya takmak için kullanılır.

Adım 3: 434-MHz Kablosuz Uzak Yazılım

434-MHz Kablosuz Uzaktan Kumanda yazılımı bu adıma eklenmiştir ve iyi yorumlanmıştır.

ATtiny85 mikro denetleyicilerini Sparkfun Tiny AVR Programmer ve Arduino IDE kullanarak programladım. Sparkfun, sürücülerin vs. nasıl kurulacağı ve programcının Arduino IDE ile nasıl çalıştırılacağı hakkında kapsamlı bir eğitime sahiptir.

Programlayıcıya çip eklemeyi ve çıkarmayı kolaylaştırmak için Tiny AVR Programmer'a bir ZIF (Sıfır Yerleştirme Kuvveti) soketi ekledim.

Adım 4: Kablosuz Köprü Donanımı

Parça listesi:

1 x Arduino Uno R3, Digikey PN 1050-1024-ND

1 x Adafruit Proto Shield Arduino Yığını V. R3, Digikey PN 1528-1207-ND

1 x Adafruit RFM9W LoRa Radyo Alıcı-Verici Kartı (915-MHz), Digikey PN 1528-1667-ND

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

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

6.75 / 17cm 18AWG Emaye Bakır Tel Uzunluğu

3.25 / 8.5cm 18AWG Emaye Bakır Tel Uzunluğu

24 / 61cm Tel Sarma Teli

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

1 x 5V 1A USB bağlantı noktası güç kaynağı, Adafruit PID 501

Adafruit.com'daki talimatlara göre prototipleme kalkanını monte edin.

Adafruit.com'daki talimatlara göre RFM95W LoRa alıcı-verici kartını monte edin. Anten için 3.25" / 8.5cm uzunluğunda 18AWG tel kullanılır ve telden 1/4" emaye sıyrıldıktan sonra doğrudan alıcı-verici kartına lehimlenir.

İki set 4 pimli SIP soketi oluşturmak için 8 pimli DIP soketini dikkatlice yarı uzunlukta kesin.

İki adet 4 pinli SIP soketini gösterildiği gibi prototip kalkanına lehimleyin. Bunlar, RF Bağlantı Alıcısını takmak için kullanılacaktır, bu nedenle lehimlemeden önce RF Bağlantı Vericisi ile eşleşmeleri için doğru deliklerde olduklarından emin olun.

RFM9W LoRa alıcı-verici kartını gösterildiği gibi prototip kalkanına lehimleyin.

Arduino Uno ile RFM9W alıcı-verici kartı arasında, prototipleme kartının üst tarafındaki tel sarma teli kullanılarak aşağıdaki bağlantılar yapılır:

RFM9W G0 Arduino Dijital I/O Pin 2, RadioHead kütüphanesi bu pin üzerinde Interrupt 0 kullanır

RFM9W SCK Arduino ICSP başlığı, pin 3

RFM9W MISO Arduino ICSP başlığı, pin 1

RFM9W MOSI Arduino ICSP başlığı, pin 4

RFM9W CS Arduino Dijital G/Ç Pin 8

RFM9W RST Arduino Dijital G/Ç Pin 9

Prototipleme panosunun alt tarafında aşağıdaki bağlantılar yapılır:

RFM9W VIN Prototipleme kartı 5V veri yolu

RFM9W GND Prototipleme kartı zemin (GND) veriyolu

RF Link Rx Pin 1 (GND) Prototipleme kartı topraklama (GND) veriyolu

RF Link Rx Pin 2 (Veri Çıkışı) Arduino Dijital I/O Pin 6

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) Prototipleme kartı 5V veri yolu

Proto Board Yeşil LED Arduino Dijital I/O Pin 7

RF link alıcısı için pin bilgileri www.sparkfun.com adresinde mevcuttur.

Emayeyi 6,75 uzunluğundaki 18AWG telin 1/4'ünden soyun ve RF Link Rx Pin 8'in (Anten) hemen bitişiğindeki prototipleme panosu deliğine sokun. Deliğe yerleştirildikten sonra, soyulmuş ucu bükün, böylece RF Link Rx Pin 8 ile temas ettirin ve yerine lehimleyin.

Arduino Uno'yu bir sonraki adımda sağlanan çizimle programlayın. Sıfırlama veya güç verme sonrasında yeşil LED 0,5 saniye boyunca iki kez yanıp sönecektir. 434 MHz sensör katmanından bir kablosuz paket alındığında, yeşil LED ~0.5s boyunca yanıp söner.

Adım 5: Kablosuz Köprü Yazılımı

Wireless Bridge yazılımı bu adıma eklenmiştir ve iyi yorumlanmıştır.