Cảm biến thời tiết nhỏ gọn với liên kết dữ liệu GPRS (thẻ SIM): 4 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:30

Tóm tắt dự án

Đây là cảm biến thời tiết chạy bằng pin dựa trên cảm biến nhiệt độ / áp suất / độ ẩm BME280 và MCU ATMega328P. Nó chạy bằng hai pin lithium thionyl AA 3,6 V. Nó có mức tiêu thụ khi ngủ cực thấp là 6 µA. Nó gửi dữ liệu nửa giờ qua GPRS (sử dụng mô-đun SIM800L GSM) đến ThingSpeak, được điều khiển bởi đồng hồ thời gian thực DS3231. Dịch vụ ước tính trên một bộ pin là> 6 tháng.

Tôi sử dụng thẻ SIM trả tiền khi sử dụng ASDA, cung cấp các điều kiện cực kỳ tốt cho mục đích của dự án này, vì thẻ này có thời gian hết hạn tín dụng rất dài (180 ngày) và chỉ tính phí dung lượng dữ liệu 5p / MB.

Động lực: Phát triển cảm biến môi trường tiết kiệm, không cần bảo trì, tự động, chạy bằng pin, có thể được đặt trong môi trường tự nhiên để thu thập dữ liệu thời tiết hoặc các dữ liệu khác và truyền qua mạng GSM / GPRS tới máy chủ IoT.

Kích thước vật lý: 109 x 55 x 39 mm (bao gồm cả mặt bích hộp). Trọng lượng 133 g. Xếp hạng IP 54 (ước tính).

Chi phí vật liệu: Xấp xỉ. £ 20 mỗi đơn vị.

Thời gian lắp ráp: 2 giờ mỗi đơn vị (hàn tay)

Nguồn điện: Hai pin Lithium thionyl AA, không thể sạc lại (3.6V, 2.6Ah).

Giao thức mạng: GPRS GSM (2G)

Khả năng sử dụng: Bất kỳ vị trí từ xa nào có vùng phủ sóng tín hiệu GSM. Rừng, ngọn hải đăng, phao, du thuyền tư nhân, đoàn lữ hành, địa điểm cắm trại, túp lều lánh nạn trên núi, tòa nhà không có người ở

Kiểm tra độ tin cậy: Một đơn vị đã trải qua quá trình kiểm tra dài hạn mà không được giám sát kể từ ngày 30.8.20. Ngoài một sự cố phần mềm, nó đã gửi dữ liệu một cách đáng tin cậy sau mỗi 30 phút.

Bước 1: Các bộ phận bắt buộc

• PCB sản xuất theo yêu cầu. Các tệp Gerber đã nén ở đây (directables.com dường như chặn tải lên tệp ZIP). Tôi rất khuyến khích jlcpcb.com để sản xuất PCB. Đối với những người sống ở Vương quốc Anh, tôi rất vui được gửi cho bạn một PCB dự phòng để đóng góp tối thiểu chi phí vật chất và bưu phí - hãy nhắn cho tôi.
• ATMega328P-AU
• Đồng hồ thời gian thực DS3231 được sửa đổi (xem đoạn bên dưới)
• Bảng đột phá BME280, chẳng hạn như bảng này
• Mô-đun GPRS SIM800L GSM
• Các bộ phận SMD khác nhau theo danh sách chi tiết.
• Hammond 1591, Vỏ ABS màu đen, IP54, Mặt bích, 85 x 56 x 35mm, từ Linh kiện RS Vương quốc Anh

Sửa đổi DS3231

Mạng bốn điện trở được khoanh đỏ cần phải được hủy bán. Các phương pháp khác phá hủy hơn cũng được, nhưng tránh bắc cầu các miếng đệm ở hàng bên trong của 4 miếng đệm (về phía bên của MCU). 4 miếng đệm khác được kết nối bằng dấu vết PCB. Việc sửa đổi này là cần thiết để cho phép chân SQW hoạt động như một báo động. Nếu không tháo các điện trở, nó sẽ không hoạt động cho đến khi bạn kết nối nguồn cung cấp VCC với mô-đun, điều này làm mất đi mục đích có RTC công suất rất thấp.

Bước 2: Nguyên tắc sơ đồ

Các ưu tiên hàng đầu cho thiết kế là:

• Hoạt động bằng pin với mức tiêu thụ dòng điện ở chế độ ngủ thấp
• Thiết kế nhỏ gọn

Nguồn cấp

Hai pin AA 3.6V Saft Lithium thionyl. MOSFET kênh P để bảo vệ phân cực ngược.

Trong đoạn mạch có hai bộ điều chỉnh điện áp:

• Bộ điều chỉnh nấc 2 Amp của Texas Instruments TPS562208 để cấp nguồn cho SIM800L ở xung quanh 4,1V. Điều này có thể chuyển đổi từ ATMega và được đưa vào chế độ tắt hầu hết thời gian thông qua Kích hoạt pin 5.
• Bộ điều chỉnh MCP1700 3.3V cho ATMega và BME280. Đây là bộ điều chỉnh độ sụt thấp cực kỳ hiệu quả với dòng điện tĩnh chỉ khoảng 1 µA. Vì nó chỉ chịu được đầu vào tối đa 6V, tôi đã thêm hai điốt chỉnh lưu (D1, D2) mắc nối tiếp để giảm nguồn cung cấp 7.2V xuống mức chấp nhận được xung quanh 6V. Tôi đã quên thêm tụ phân tách 10 µF thông thường trên PCB cho nguồn điện trên ATMega. Do đó, tôi đã nâng cấp tụ điện đầu ra thông thường trên MCP1700 từ 1 lên 10 µF và nó hoạt động tốt.
• Giám sát điện áp pin qua ADC0 trên ATMega (thông qua bộ chia điện áp)

Đồng hồ thời gian thực

DS3231 đã được sửa đổi, đánh thức ATMega theo những khoảng thời gian xác định để bắt đầu một chu kỳ đo và truyền dữ liệu. Bản thân DS3231 được cấp nguồn bằng pin lithium CR2032.

BME280

Tôi đã thử sử dụng mô-đun Bosch BME280 ban đầu của riêng nó, mô-đun này gần như không thể hàn do kích thước nhỏ của nó. Do đó, tôi đang sử dụng bảng đột phá có sẵn rộng rãi. Vì điều này có bộ điều chỉnh điện áp không cần thiết, tiêu tốn năng lượng, tôi bật nó bằng MOSFET kênh N ngay trước khi đo.

SIM800L

Mô-đun này đáng tin cậy nhưng có vẻ khá thất thường nếu nguồn điện không chắc chắn. Tôi thấy rằng điện áp cung cấp 4,1V hoạt động tốt nhất. Tôi đã tạo dấu vết PCB cho VCC và GND cho SIM800L cực dày (20 triệu).

Bình luận về sơ đồ / PCB

• Nhãn mạng "1" - được liệt kê là "SINGLEPIN" trong danh sách bộ phận chỉ đơn giản là đề cập đến một pin tiêu đề nam.
• Hai chân tiếp giáp với công tắc trượt cần được nối với một jumper để hoạt động bình thường, nếu không, đường VCC sẽ mở ở đây. Chúng được dùng cho các phép đo hiện tại nếu cần.
• Tụ điện 100 µF (C12) cho mô-đun SIM800L là không cần thiết. Nó đã được thêm vào như một biện pháp phòng ngừa (tuyệt vọng) trong trường hợp các vấn đề về ổn định dự kiến

Các bước lắp ráp được đề xuất

1. Lắp ráp tất cả các thành phần cung cấp điện ở phần dưới bên trái của PCB. Chân Enable (chân 5) của TPS562208 phải ở mức cao logic để thử nghiệm, nếu không mô-đun đang ở chế độ tắt và bạn sẽ có đầu ra 0V. Để kéo chân Enable lên cao để kiểm tra, một dây tạm thời từ pad 9 của ATMega (trên PCB được nối với PIN 5 của bộ điều chỉnh điện áp) có thể được kết nối với điểm VCC; điểm gần nhất sẽ là chân dưới của R3, nằm trên đường VCC.
2. Kiểm tra đầu ra từ TPS562208 giữa các chân dưới cùng của C2, C3 hoặc C4 và GND. Bạn nên có khoảng 4,1V.
3. Kiểm tra đầu ra từ MCP1700, giữa chân trên bên phải của U6 và GND. Bạn nên có 3,3V.
4. Hàn ATMega328P; quan sát điểm đánh dấu ghim 1 ở góc trên cùng bên trái. Một số thực hành cần thiết, nhưng không quá khó.
5. Ghi bootloader vào ATMega328 - hướng dẫn cho điều này ở những nơi khác. Bạn không nhất thiết phải sử dụng tiêu đề pin để kết nối với MOSI, MISO, SCK và RST. Trong vài giây cần để ghi bộ nạp khởi động, bạn có thể sử dụng dây Dupont và sử dụng một chút góc cạnh để đạt được tiếp xúc tốt.
6. Đính kèm tiêu đề pin cái 5x cho DS3231.
7. Hàn SIM800L qua đầu ghim nam
8. Hàn BME280
9. Tải lên mã trong Arduino IDE bằng bộ điều hợp USB2TTL (chọn Arduino Uno / Genuino làm đích).

Bước 3: Mã Arduino

Xem mã nguồn Arduino trong tệp đính kèm.

Bước 4: Kiểm tra thế giới thực

Tôi đã khoan hai lỗ nhỏ ở phía bên phải của hộp chỉ sâu về phía trước. Tôi che chúng từ bên trong bằng các miếng dán Goretex để cho phép trao đổi không khí nhưng loại trừ nước. Tôi đã thêm một số bảo vệ mưa bổ sung với một ít mái nhựa. Sau đó, tôi lắp cụm hoàn chỉnh vào hộp với các thành phần hướng về phía trước và pin hướng về phía nắp. Tôi thêm một chút mỡ silicon vào vỏ để bảo vệ thêm sự xâm nhập của nước.

Đơn vị hiện đang được "cài đặt" bên cạnh một con sông nhỏ. Đây là nguồn cấp dữ liệu trực tiếp.