Nytt trådlöst IOT -sensorlager för hemmiljöövervakningssystem: 5 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:44

Denna instruktionsbok beskriver ett billigare, batteridrivet IOT-sensorlager för mitt tidigare Instructable: LoRa IOT Home Environmental Monitoring System. Om du inte redan har tittat på detta tidigare Instructable, rekommenderar jag att du läser introduktionen för en översikt över systemets funktioner som nu utvidgas till detta nya sensorlager.

Det ursprungliga LoRa IOT Home Environmental Monitoring System uppnådde de mål jag hade satt upp när det publicerades i april 2017. Men efter att ha använt övervakningssystemet i ett antal månader för att övervaka temperatur och luftfuktighet på varje våning i huset, ville jag lägg till ytterligare 11 sensorer på särskilt utsatta platser i huset; inklusive sex sensorer strategiskt placerade i källaren, sensorer i varje badrum och en sensor på vinden, tvättstugan och köket.

Istället för att lägga till fler LoRa-baserade sensorer från den tidigare Instructable som är något dyra och drivs via nätadaptrar, bestämde jag mig för att lägga till ett lager med lägre kostnad, batteridrivna sensorer med 434-MHz RF Link-sändare. För att bibehålla kompatibiliteten med det befintliga LoRa IOT Home Environmental Monitoring System lade jag till en trådlös brygga för att ta emot 434-MHz-paketen och sända dem som LoRa-paket vid 915-MHz.

Det nya sensorskiktet består av följande delsystem:

1. 434 -MHz trådlösa fjärrkontroller - batteridrivna temperatur- och fuktsensorer
2. Wireless Bridge - Tar emot 434 -MHz -paket och sänder dem igen som LoRa -paket.

434-MHz trådlösa fjärrkontroller använder lägre sändningseffekt och mindre robusta protokoll jämfört med LoRa-radioer, så Wireless Bridge-platsen i huset är vald för att säkerställa tillförlitlig kommunikation med alla 434-MHz trådlösa fjärrkontroller. Genom att använda Wireless Bridge kan kommunikationen med de 434-MHz trådlösa fjärrkontrollerna optimeras utan att begränsa var LoRa IOT Gateway är placerad.

434-MHz trådlösa fjärrkontroller och Wireless Bridge är byggda med lättillgängliga hårdvarumoduler och några enskilda komponenter. Delarna kan erhållas från Adafruit, Sparkfun och Digikey; i många fall är Adafruit och Sparkfun delar också tillgängliga från Digikey. Kompetenta lödkunskaper behövs för att montera hårdvaran, i synnerhet punkt-till-punkt-kabeldragning av 434-MHz trådlösa fjärrkontroller. Arduino -koden är väl kommenterad för förståelse och för att möjliggöra enkel förlängning av funktionalitet.

Målen för detta projekt inkluderade följande:

• Hitta en billigare trådlös teknik som är lämplig för hushållsmiljöer.
• Utveckla en batteridriven trådlös sensor som kan fungera i ett antal år på en uppsättning batterier.
• Kräver ingen ändring av LoRa IOT Gateway -hårdvaran eller -programvaran från min tidigare Instructable.

Den totala delkostnaden för 434-MHz trådlösa fjärrkontroller, exklusive 3xAA-batterierna, är $ 25, varav SHT31-D temperatur- och fuktighetssensor står för mer än hälften ($ 14).

Precis som med LoRa-fjärrkontrollerna från min tidigare Instructable, tar de 434-MHz trådlösa fjärrkontrollerna temperatur- och luftfuktighetsavläsningar och rapporterar till LoRa IOT Gateway, via Wireless Bridge, var 10: e minut. De elva 434-MHz trådlösa fjärrkontrollerna togs i drift i december 2017 med 3 x AA-batterier som nominellt gav 4,5V. Batteriavläsningarna från de elva sensorerna i december 2017 varierade från 4,57V till 4,71V, sexton månader senare i maj 2019 sträcker sig batterimätningarna från 4,36V till 4,55V. Användning av delar med ett brett driftspänningsintervall bör säkerställa att sensorerna fungerar i ytterligare ett år eller mer, förutsatt att RF -länkens tillförlitlighet upprätthålls eftersom sändningseffekten reduceras med lägre batterispänningar.

Tillförlitligheten för 434-MHz sensorlagret har varit utmärkt i min hushållsmiljö. Det nya sensorskiktet distribueras över 4 200 kvadratmeter färdigt utrymme och 1 800 kvadratmeter oavslutat källarutrymme. Sensorer separeras från Wireless Bridge med en kombination av 2 - 3 innerväggar och golv/tak. LoRa IOT Gateway från min tidigare Instructable skickar ett SMS -meddelande om kommunikationen försvinner med en sensor i mer än 60 minuter (6 missade tio minuters rapporter). En sensor, på golvet i ett hörn längst ut i källaren bakom staplade lådor, kommer att orsaka en förlorad kontaktvarning då och då, men i alla fall återupprättas kommunikationen med sensorn utan ingripande.

Tack för att du besöker denna instruerbara och se följande steg för ytterligare information.

1. Batteridriven trådlös sensordesign
2. 434-MHz trådlös fjärrhårdvara
3. 434-MHz trådlös fjärrprogramvara
4. Trådlös brohårdvara
5. Wireless Bridge -programvara

Steg 1: Batteridriven trådlös sensordesign

Designen för 434-MHz trådlös fjärrkontroll använder följande delar:

• ATtiny85 8-bitars AVR-mikrokontroller
• Sensirion SHT31 -D - Temperatur- och fuktighetssensorutbrottskort
• Sparkfun 434-MHz RF-länksändare
• 10K Ohm motstånd

Ett av de tidiga designbesluten var att undvika enheter som kräver reglerad 3.3V eller 5V, och välja delar som arbetar över ett brett spänningsområde. Detta eliminerar behovet av spänningsregulatorer som är strömförbrukare i en batteridriven design och förlänger sensornas livslängd eftersom de kommer att fortsätta att fungera längre när batterispänningen sjunker över tiden. Driftspänningsområdena för de valda delarna är följande:

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

434-MHz trådlösa fjärrkontroller bör fungera funktionellt ner till en batterispänning på 3V. Som redan nämnts återstår det bara att se hur väl RF -länkens tillförlitlighet upprätthålls när sändningseffekten reduceras med lägre batterispänningar.

Beslutet togs att använda 3 x AA -batterier för att ge en nominell startspänning på 4,5V. Efter 16 månaders drift är den lägsta uppmätta batterispänningen 4,36V.

ATtiny85 Watch Dog Timer (WDT) används för att hålla den 434-MHz trådlösa fjärrkontrollen i viloläge för det mesta. ATtiny85 väcks av WDT var 8: e sekund för att öka en 10 minuters räknare; efter att ha nått ett intervall på 10 minuter görs en mätning och ett datapaket överförs.

För att minimera strömförbrukningen drivs SHT31-D och RF Link-sändaren från en digital I/O-portstift på ATtiny85 som är konfigurerad som en utgång. Strömförsörjning sker när I/O -stiftet drivs högt (1) och tas bort när I/O -stiftet drivs lågt (0). Via programvara appliceras strömmen till dessa kringutrustning var 10: e minut i 1-2 sekunder medan mätningar görs och överförs. Se 434-MHz trådlös fjärrprogramvara för beskrivning av den relaterade programvaran.

Den enda andra komponenten som används i 434-MHz trådlös fjärrkontroll är ett 10K ohm-motstånd som används för att dra upp återställningsstiftet på ATtiny85.

En tidig design använde en resistiv spänningsdelare över batteriet för att möjliggöra en ADC -stift på ATTINY85 för att mäta batterispänning. Även om den var liten, lade denna spänningsdelare en konstant belastning på batteriet. Viss forskning visade upp ett trick som använder ATtiny85 interna 1.1V bandgapreferensspänning för att mäta Vcc (batterispänning). Genom att ställa in ADC -referensspänningen till Vcc och ta en mätning av den interna 1.1V -referensspänningen är det möjligt att lösa för Vcc. ATtiny85 interna 1.1V referensspänning är konstant så länge Vcc> 3V. Se 434-MHz trådlös fjärrprogramvara för beskrivning av den relaterade programvaran.

Kommunikation mellan ATtiny85 och SHT31-D sker via I2C-buss. Adafruit SHT31-D breakout board innehåller uppdragningsmotstånd för I2C-bussen.

Kommunikation mellan ATtiny85 och RF -länksändaren sker via ett digitalt I/O -stift som är konfigurerat som en utgång. RadioHead Packet Radio-biblioteket RH_ASK används för att sätta på / av-knappen (OOK / ASK) RF-länksändaren via denna digitala I / O-pin.

Steg 2: 434-MHz trådlös fjärrhårdvara

Reservdelar:

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

1 x batterihållare 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-länksändare (434-MHz), Digikey PN 1568-1175-ND

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

1 x 8-stifts DIP-uttag, Digikey PN AE10011-ND

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

6,75 tum / 17 cm längd på 18AWG emaljerad koppartråd

1 x bit dubbelsidig skumtejp

18 / 45cm Wire Wrapping Wire

Ett uttag används för ATtiny85 eftersom in-kretsprogrammering inte stöds.

SHT31-D-brytbrädan, RF-länksändaren, 8-stifts DIP-uttaget och antennkabeln är lödda på brödbrädet enligt bilden ovan. Ta bort emaljen från 1/4 av 18AWG -antenntråden innan du löds till brödbrädet.

10K ohm-motståndet är lödt på brödbrädan mellan stift 1 och 8 i 8-stifts DIP-uttaget.

Trådlindningstråden löds på baksidan av brödbrädan för att göra länkarna mellan komponenterna i enlighet med det trådlösa fjärrschemat som visas i föregående steg.

De positiva och negativa ledningarna från batterihållaren löds till en uppsättning "+" respektive "-" bussar på brödbrädan.

434-MHz trådlös fjärrkontroll är testad med Wireless Bridge och LoRa IOT Gateway. 434-MHz trådlös fjärrkontroll skickar omedelbart ett paket varje gång batterierna sätts i och var ~ var 10: e minut därefter. Vid mottagning av ett trådlöst paket från 434-MHz sensorlagret blinkar den gröna lysdioden på Wireless Bridge i ~ 0,5 sekunder. Stationens namn, temperatur och luftfuktighet bör visas av LoRa IOT Gateway om 434-MHz trådlös fjärrstation har angetts i gatewayen.

När den trådlösa fjärrkontrollen har testats okej med en programmerad ATtiny85, används en bit av den dubbelsidiga skumtejpen, skuren till samma storlek som brödbrädan, för att fästa den färdiga brödbrädan på batterihållaren.

Steg 3: 434-MHz trådlös fjärrprogramvara

434-MHz trådlös fjärrprogramvara är ansluten till detta steg och är välkommenterad.

Jag programmerade ATtiny85 -mikrokontrollerna med en Sparkfun Tiny AVR -programmerare och Arduino IDE. Sparkfun har en omfattande handledning om hur du konfigurerar drivrutiner och etc. och hur du får programmeraren att arbeta med Arduino IDE.

Jag lade till ett ZIF -uttag (Zero Insertion Force) till Tiny AVR -programmeraren för att göra det enkelt att lägga till och ta bort chips från programmeraren.

Steg 4: Wireless Bridge Hardware

Reservdelar:

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

1 x 8-stifts DIP-uttag, Digikey PN AE10011-ND

6,75 tum / 17 cm längd på 18AWG emaljerad koppartråd

3,25 / 8,5 cm längd på 18AWG emaljerad koppartråd

24 / 61cm Wire Wrapping Wire

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

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

Montera prototypskölden enligt instruktionerna på Adafruit.com.

Montera RFM95W LoRa -mottagarkortet enligt instruktionerna på Adafruit.com. Den 3,25 " / 8,5 cm långa 18AWG -tråden används för antennen och löds direkt på transceiverkortet efter att ha tagit bort 1/4" emalj från tråden.

Skär försiktigt det 8-poliga DIP-uttaget på halv längd för att skapa två uppsättningar med 4-stifts SIP-uttag.

Löd de två 4-poliga SIP-uttagen till prototypskölden som visas. Dessa kommer att användas för att ansluta RF -länkmottagaren, så se till att de sitter i rätt hål för att matcha RF -sändaren innan lödning.

Löd RFM9W LoRa -mottagarkortet till prototypskölden som visas.

Följande anslutningar görs mellan Arduino Uno och RFM9W -mottagarkortet med hjälp av trådlindningstråd på ovansidan av prototypkortet:

RFM9W G0 Arduino Digital I/O Pin 2, RadioHead -biblioteket använder Interrupt 0 på denna pin

RFM9W SCK Arduino ICSP -huvud, stift 3

RFM9W MISO Arduino ICSP -huvud, stift 1

RFM9W MOSI Arduino ICSP -huvud, stift 4

RFM9W CS Arduino Digital I/O -stift 8

RFM9W RST Arduino Digital I/O -stift 9

Följande anslutningar görs på undersidan av prototypkortet:

RFM9W VIN Prototypbräda 5V buss

RFM9W GND Prototyping board (GND) buss

RF Link Rx Pin 1 (GND) Prototypbräda (GND) buss

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

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

Proto Board Grön LED Arduino Digital I/O Pin 7

Stiftinformation för RF -länkmottagaren finns på www.sparkfun.com.

Avlägsna emaljen från 1/4 'av 6,75 -längden på 18AWG -tråden och sätt in den i prototypbrädans hål omedelbart intill RF Link Rx -stift 8 (antenn). När den har satts in i hålet, böj den avskalade änden så att den gör kontakta RF Link Rx Pin 8 och löd den på plats.

Programmera Arduino Uno med skissen i nästa steg. Vid återställning eller uppstart blinkar den gröna lysdioden två gånger i 0,5 sekunder. Vid mottagning av ett trådlöst paket från 434-MHz sensorlagret blinkar den gröna lysdioden i ~ 0,5 sekunder.

Steg 5: Wireless Bridge -programvara

Wireless Bridge -programvaran är ansluten till detta steg och är välkommenterad.