لایه حسگر بی سیم IOT جدید برای سیستم نظارت بر محیط زیست در خانه: 5 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:55

این دستورالعمل یک لایه حسگر بی سیم IOT بی سیم با هزینه کمتر و باتری را برای دستورالعمل قبلی من توصیف می کند: سیستم نظارت بر محیط زیست LoRa IOT Home. اگر قبلاً این Instructable قبلی را مشاهده نکرده اید ، توصیه می کنم مقدمه را برای مرور کلی قابلیتهای سیستم که اکنون به این لایه جدید حسگر گسترش یافته است ، مطالعه کنید.

سیستم اصلی نظارت بر محیط زیست LoRa IOT Home به اهدافی رسید که در آوریل 2017 منتشر شده بود. با این حال ، پس از استفاده از سیستم نظارت چند ماه برای نظارت بر دما و رطوبت در هر طبقه از خانه ، می خواستم اضافه کردن 11 سنسور دیگر در مکانهای بسیار آسیب پذیر خانه. شامل شش سنسور استراتژیک در زیرزمین ، حسگر در هر حمام و یک حسگر در اتاق زیر شیروانی ، لباسشویی و آشپزخانه.

به جای افزودن سنسورهای LoRa بیشتر از دستورالعمل قبلی که تا حدودی گران هستند و از طریق آداپتورهای AC تغذیه می شوند ، تصمیم گرفتم با استفاده از فرستنده های پیوند RF 434 مگاهرتز ، لایه ای از حسگرهای کم هزینه و باتری را اضافه کنم. برای حفظ سازگاری با سیستم مانیتورینگ محیطی LoRa IOT Home ، من یک پل بی سیم برای دریافت بسته های 434 مگاهرتز و ارسال مجدد آنها به عنوان بسته های LoRa با سرعت 915 مگاهرتز اضافه کردم.

لایه جدید حسگر شامل زیر سیستم های زیر است:

1. ریموت های بی سیم 434 مگاهرتز - سنسورهای دما و رطوبت باتری
2. پل بی سیم - بسته های 434 مگاهرتز را دریافت می کند و آنها را به عنوان بسته های LoRa ارسال می کند.

ریموت های بی سیم 434 مگاهرتز در مقایسه با رادیوهای LoRa از قدرت انتقال کمتر و پروتکل های قوی تری استفاده می کنند ، بنابراین مکان پل بی سیم در خانه برای اطمینان از ارتباط مطمئن با همه ریموت های بی سیم 434 مگاهرتز انتخاب شده است. استفاده از پل بی سیم به شما امکان می دهد ارتباط با ریموت های بی سیم 434 مگاهرتز را بدون محدودیت در محل LoRa IOT Gateway بهینه کنید.

کنترل از راه دور بی سیم 434 مگاهرتز و پل بی سیم با استفاده از ماژول های سخت افزاری به راحتی در دسترس و چند جزء جداگانه ساخته شده است. قطعات را می توان از Adafruit ، Sparkfun و Digikey تهیه کرد. در بسیاری از موارد ، قطعات Adafruit و Sparkfun نیز از Digikey موجود است. برای مونتاژ سخت افزار ، به ویژه سیم کشی نقطه به نقطه ریموت های بی سیم 434 مگاهرتز ، مهارت های لحیم کاری مناسب لازم است. کد آردوینو برای درک و امکان افزایش آسان عملکرد کاملاً توضیح داده شده است.

اهداف این پروژه شامل موارد زیر بود:

• فناوری بی سیم کم هزینه مناسب برای محیط های خانگی پیدا کنید.
• یک حسگر بی سیم مجهز به باتری ایجاد کنید که بتواند چندین سال با یک مجموعه باتری کار کند.
• بدون نیاز به تغییر سخت افزار یا نرم افزار LoRa IOT Gateway از دستورالعمل قبلی خود.

هزینه کل قطعات برای ریموت های بی سیم 434 مگاهرتز ، بدون احتساب باتری های 3xAA ، 25 دلار است که سنسور دما و رطوبت SHT31-D بیش از نیمی از آن (14 دلار) را شامل می شود.

مانند ریموت های LoRa از دستورالعمل قبلی من ، ریموت های بی سیم 434 مگاهرتز دما و رطوبت را می خوانند و هر 10 دقیقه از طریق پل بی سیم به Gateway LoRa IOT گزارش می دهند. یازده ریموت بی سیم 434 مگاهرتز در دسامبر 2017 با استفاده از 3 باتری AA به طور اسمی 4.5 ولت ولت کار کرد. خوانش باتری از یازده سنسور در دسامبر 2017 از 4.57V تا 4.71V متغیر بود ، شانزده ماه بعد در مه 2019 قرائت باتری از 4.36V تا 4.55V متغیر بود. استفاده از قطعات با طیف وسیعی از ولتاژ کار باید عملکرد سنسورها را برای یک سال یا بیشتر تضمین کند ، البته با رعایت قابلیت اطمینان اتصال RF ، زیرا قدرت انتقال با ولتاژهای کمتر باتری کاهش می یابد.

قابلیت اطمینان لایه حسگر 434 مگاهرتز در محیط خانه من عالی بوده است. لایه جدید حسگر در 4 ، 200 SqFt فضای آماده و 1 ، 800 SqFt فضای زیرزمین ناتمام مستقر شده است. سنسورها با ترکیبی از 2 تا 3 دیوار داخلی و کف/سقف از پل بی سیم جدا می شوند. در صورت از بین رفتن ارتباط با سنسور بیش از 60 دقیقه (6 گزارش ده دقیقه ای از دست رفته) ، LoRa IOT Gateway از دستورالعمل قبلی من پیام هشدار ارسال می کند. یک سنسور ، در طبقه ای در گوشه ای در انتهای زیرزمین در پشت جعبه های چیده شده ، هر از گاهی باعث هشدار تماس از دست رفته می شود ، اما در همه موارد ، ارتباط با سنسور بدون هیچ دخالتی دوباره برقرار می شود.

با تشکر از بازدید شما از این دستورالعمل ، و لطفاً برای اطلاعات بیشتر مراحل زیر را مشاهده کنید.

1. طراحی سنسور بی سیم باتری
2. سخت افزار از راه دور بی سیم 434 مگاهرتز
3. نرم افزار کنترل از راه دور بی سیم 434 مگاهرتز
4. سخت افزار پل بی سیم
5. نرم افزار پل بی سیم

مرحله 1: طراحی سنسور بی سیم باتری

طراحی ریموت بی سیم 434 مگاهرتز از قسمت های زیر استفاده می کند:

• میکروکنترلر AVR 8 بیتی ATtiny85
• Sensirion SHT31 -D - تخته شکست سنسور دما و رطوبت
• فرستنده پیوند RF Sparkfun 434 مگاهرتز
• مقاومت 10 کیلو اهم

یکی از تصمیمات اولیه طراحی اجتناب از دستگاه هایی بود که به 3.3 ولت یا 5 ولت تنظیم شده نیاز داشتند و قطعاتی را انتخاب می کردند که در محدوده وسیعی از ولتاژ کار می کنند. این امر نیازی به تنظیم کننده های ولتاژ که هدر دهنده قدرت در طراحی باتری هستند ، از بین می برد و عمر مفید سنسورها را افزایش می دهد زیرا با کاهش ولتاژ باتری در طول زمان ، عملکرد آنها بیشتر می شود. محدوده ولتاژ کار برای قطعات انتخاب شده به شرح زیر است:

• ATtiny85: 2.7 ولت تا 5.5 ولت
• SHT31-D: 2.4 ولت تا 5.5 ولت
• RF Link Tx: 1.5 ولت تا 12 ولت

با کمی حاشیه ، ریموت های بی سیم 434 مگاهرتز باید از نظر عملکرد تا ولتاژ باتری 3 ولت کار کنند. همانطور که قبلاً ذکر شد ، باید دید که چگونه قابلیت اطمینان اتصال RF با حفظ قدرت انتقال با ولتاژهای کمتر باتری حفظ می شود.

تصمیم گرفته شد از 3 باتری AA برای تامین ولتاژ شروع اسمی 4.5 ولت استفاده شود. پس از 16 ماه کار ، کمترین ولتاژ اندازه گیری شده 4.36 ولت است.

تایمینگ ساعت سنج ATtiny85 (WDT) برای نگه داشتن کنترل از راه دور بی سیم 434 مگاهرتز در حالت Sleep در اکثر مواقع استفاده می شود. ATtiny85 توسط WDT هر 8 ثانیه بیدار می شود تا شمارنده 10 دقیقه ای افزایش یابد. با رسیدن به فاصله 10 دقیقه ، اندازه گیری انجام می شود و یک بسته داده منتقل می شود.

برای به حداقل رساندن مصرف برق ، SHT31-D و RF Link Transmitter از یک پین دیجیتال ورودی/خروجی در ATtiny85 به عنوان خروجی پیکربندی می شوند. هنگامی که پین ورودی/خروجی بالا (1) هدایت می شود ، قدرت اعمال می شود و هنگامی که پین ورودی/خروجی پایین (0) رانده می شود ، برق مصرف می شود. از طریق نرم افزار ، هر 10 دقیقه به مدت 1 تا 2 ثانیه در حالی که اندازه گیری ها انجام شده و منتقل می شوند ، به این لوازم جانبی نیرو وارد می شود. برای توضیح نرم افزار مربوطه به نرم افزار کنترل از راه دور بی سیم 434 مگاهرتز مراجعه کنید.

تنها قطعه دیگر مورد استفاده در کنترل از راه دور بی سیم 434 مگاهرتز یک مقاومت 10 کیلو اهم است که برای بالا کشیدن پین Reset در ATtiny85 استفاده می شود.

در طراحی اولیه از تقسیم کننده ولتاژ مقاومتی روی باتری استفاده شد تا یک پین ADC در ATTINY85 برای اندازه گیری ولتاژ باتری فعال شود. این تقسیم کننده ولتاژ اگرچه کوچک است ، اما بار ثابت روی باتری وارد می کند. برخی تحقیقات ترفندی را ارائه کردند که از ولتاژ مرجع شکاف باند ATtiny85 داخلی برای اندازه گیری Vcc (ولتاژ باتری) استفاده می کند. با تنظیم ولتاژ مرجع ADC روی Vcc و اندازه گیری ولتاژ مرجع داخلی 1.1 ولت ، می توان برای Vcc حل کرد. ولتاژ مرجع داخلی ATtiny85 1.1V تا Vcc> 3V ثابت است. برای توضیح نرم افزار مربوطه به نرم افزار کنترل از راه دور بی سیم 434 مگاهرتز مراجعه کنید.

ارتباط بین ATtiny85 و SHT31-D از طریق گذرگاه I2C است. برد شکست Adafruit SHT31-D شامل مقاومت های کششی برای گذرگاه I2C است.

ارتباط بین ATtiny85 و فرستنده RF Link از طریق یک پین ورودی/خروجی دیجیتالی به عنوان خروجی پیکربندی شده است. کتابخانه RadioHead Packet Radio RH_ASK برای کلید روشن و خاموش (OOK / ASK) فرستنده پیوند RF از طریق این پین ورودی / خروجی دیجیتالی استفاده می شود.

مرحله 2: سخت افزار از راه دور بی سیم 434 مگاهرتز

فهرست قطعات:

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

1 عدد نگهدارنده باتری 3 سلول AA ، Digikey PN BC3AAW-ND

1 عدد Adafruit Sensiron SHT31-D Breakout Board، Digikey PN 1528-1540-ND

1 x فرستنده پیوند Sparkfun RF (434 مگاهرتز) ، Digikey PN 1568-1175-ND

1 عدد میکروکنترلر ATtiny85 ، Digikey PN ATTINY85-20PU-ND

1 عدد سوکت DIP 8 پین ، Digikey PN AE10011-ND

1 x 10K اهم ، مقاومت 1/8W ، Digikey PN CF18JT10K0CT-ND

6.75 اینچ / طول 17 سانتی متر سیم مسی میناکاری شده 18AWG

1 عدد نوار فوم دو طرفه

سیم پیچ 18 / 45 سانتی متری سیم

یک سوکت برای ATtiny85 استفاده می شود زیرا برنامه نویسی در مدار پشتیبانی نمی شود.

تخته شکست SHT31-D ، فرستنده RF Link ، سوکت DIP 8 پین و سیم آنتن همانطور که در عکس بالا نشان داده شده است روی تخته نان لحیم می شوند. قبل از لحیم کاری به تخته نان ، مینای دندان را از 1/4 اینچ سیم آنتن 18AWG بردارید.

مقاومت 10 کیلو اهم روی تخته نان بین پایه های 1 و 8 سوکت DIP 8 پین لحیم می شود.

سیم پیچشی سیم در پشت تخته نان لحیم می شود تا پیوند بین اجزا مطابق نمودار شماتیک Wireless Remote نشان داده شده در مرحله قبل ایجاد شود.

سرنخ های مثبت و منفی نگهدارنده باتری به ترتیب روی یک تخته اتوبوس "+" و "-" روی تخته نان لحیم می شوند.

ریموت بی سیم 434 مگاهرتز با Wireless Bridge و LoRa IOT Gateway آزمایش شده است. ریموت بی سیم 434 مگاهرتز هر بار که باتری ها را وارد می کنید ، بلافاصله یک بسته را ارسال می کند و پس از آن هر 10 دقیقه. با دریافت یک بسته بی سیم از لایه حسگر 434 مگاهرتز ، LED سبز روی پل بی سیم با 0.5 ثانیه پوند چشمک می زند. اگر شماره ایستگاه ، دما و رطوبت ایستگاه باید توسط LoRa IOT Gateway نمایش داده شود ، اگر شماره ایستگاه کنترل از راه دور بی سیم 434 مگاهرتز در دروازه ارائه شده باشد.

هنگامی که کنترل از راه دور بی سیم با ATtiny85 برنامه ریزی شده خوب آزمایش می شود ، از قطعه ای از نوار فوم دو طرفه که به اندازه ورق برش بریده شده است ، برای اتصال تخته نان کامل به نگهدارنده باتری استفاده می شود.

مرحله 3: نرم افزار کنترل از راه دور بی سیم 434 مگاهرتز

نرم افزار کنترل از راه دور بی سیم 434 مگاهرتز با این مرحله ضمیمه شده و کاملاً توضیح داده شده است.

من میکروکنترلرهای ATtiny85 را با استفاده از Sparkfun Tiny AVR Programmer و Arduino IDE برنامه ریزی کردم. Sparkfun یک آموزش گسترده در مورد نحوه راه اندازی درایورها و غیره و نحوه کار برنامه نویس با Arduino IDE دارد.

من یک سوکت ZIF (Zero Insertion Force) را به Tiny AVR Programmer اضافه کردم تا افزودن و حذف تراشه ها از برنامه نویس آسان شود.

مرحله 4: سخت افزار Wireless Bridge

فهرست قطعات:

1 عدد Arduino Uno R3 ، Digikey PN 1050-1024-ND

1 عدد Adafruit Proto Shield Arduino Stack V. R3 ، Digikey PN 1528-1207-ND

1 عدد برد فرستنده گیرنده Adafruit RFM9W LoRa (915-MHz) ، Digikey PN 1528-1667-ND

1 عدد گیرنده پیوند Sparkfun RF (434 مگاهرتز) ، Digikey PN 1568-1173-ND

1 عدد سوکت DIP 8 پین ، Digikey PN AE10011-ND

6.75 اینچ / طول 17 سانتی متر سیم مسی میناکاری شده 18AWG

3.25 اینچ / 8.5 سانتی متر طول 18AWG مفتول سیم مسی

سیم بسته بندی 24 اینچ / 61 سانتی متر

1 عدد کابل USB A / MicroB ، 3 فوت ، Adafruit PID 592

منبع تغذیه 1 x 5V 1A USB ، Adafruit PID 501

طبق دستورالعمل های Adafruit.com سپر نمونه اولیه را جمع آوری کنید.

مطابق دستورالعمل های موجود در Adafruit.com ، برد فرستنده گیرنده RFM95W LoRa را مونتاژ کنید. طول سیم 3.25 اینچ / 8.5 سانتی متر 18AWG برای آنتن استفاده می شود و پس از جدا شدن 1/4 اینچ مینای دندان از سیم ، مستقیماً به برد فرستنده لحیم می شود.

سوکت DIP 8 پینی را با دقت به نصف برش دهید تا دو مجموعه سوکت 4 پین SIP ایجاد شود.

دو سوکت SIP 4 پین را مانند تصویر به سپر نمونه اولیه لحیم کنید. از این دستگاه ها برای اتصال گیرنده RF Link استفاده می شود ، بنابراین قبل از لحیم کاری مطمئن شوید که در سوراخ های مناسب برای مطابقت با فرستنده RF Link قرار دارند.

مطابق شکل ، برد فرستنده گیرنده RFM9W LoRa را به سپر نمونه سازی لحیم کنید.

اتصالات زیر بین Arduino Uno و برد فرستنده گیرنده RFM9W با استفاده از سیم سیم پیچ در بالای صفحه نمونه اولیه ایجاد می شود:

RFM9W G0 Arduino Digital I/O Pin 2 ، کتابخانه RadioHead از وقفه 0 در این پین استفاده می کند

سرصفحه RFM9W SCK Arduino ICSP ، پین 3

سرصفحه RFM9W MISO Arduino ICSP ، پین 1

سرصفحه RFM9W MOSI Arduino ICSP ، پین 4

RFM9W CS Arduino Digital I/O Pin 8

RFM9W RST Arduino Digital I/O Pin 9

اتصالات زیر در قسمت پایینی تخته نمونه سازی ایجاد شده است:

RFM9W VIN نمونه اولیه اتوبوس 5 ولت

RFM9W GND اتوبوس صفحه نمونه اولیه (GND)

RF Link Rx Pin 1 (GND) اتوبوس نمونه اولیه صفحه زمین (GND)

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

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) نمونه اولیه اتوبوس 5V

Proto Board Green LED Arduino Digital I/O Pin 7

اطلاعات پین گیرنده پیوند RF در www.sparkfun.com موجود است.

مینای دندان را از 1/4 'طول 6.75 اینچی سیم 18AWG بردارید و آن را در سوراخ تخته نمونه سازی بلافاصله در مجاورت RF Link Rx Pin 8 (آنتن) قرار دهید. پس از وارد شدن در سوراخ ، انتهای بریده شده را خم کنید تا ایجاد شود با RF Link Rx Pin 8 تماس بگیرید و آن را در جای خود لحیم کنید.

Arduino Uno را با طرح ارائه شده در مرحله بعدی برنامه ریزی کنید. پس از تنظیم مجدد یا روشن شدن ، LED سبز دوبار به مدت 0.5 ثانیه چشمک می زند. با دریافت یک بسته بی سیم از لایه حسگر 434 مگاهرتز ، LED سبز با 0.5 ثانیه پوند چشمک می زند.

مرحله 5: نرم افزار Wireless Bridge

نرم افزار Wireless Bridge با این مرحله ضمیمه شده و کاملاً توضیح داده شده است.