Lớp cảm biến IOT không dây mới cho hệ thống giám sát môi trường gia đình: 5 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Có thể hướng dẫn này mô tả lớp cảm biến IOT không dây chạy bằng pin, chi phí thấp hơn cho Hệ thống giám sát môi trường tại nhà IOT có thể hướng dẫn của tôi: LoRa. Nếu bạn chưa xem phần Có thể hướng dẫn này trước đó, tôi khuyên bạn nên đọc phần giới thiệu để biết tổng quan về các khả năng của hệ thống hiện được mở rộng cho lớp cảm biến mới này.

Hệ thống giám sát môi trường tại nhà IOT của LoRa ban đầu đã đạt được các mục tiêu mà tôi đã đề ra khi nó được xuất bản vào tháng 4 năm 2017. Tuy nhiên, sau khi sử dụng hệ thống giám sát trong một số tháng để theo dõi nhiệt độ và độ ẩm trên từng tầng của ngôi nhà, tôi muốn bổ sung thêm 11 cảm biến tại các vị trí đặc biệt dễ bị tổn thương trong nhà; bao gồm, sáu cảm biến được đặt ở vị trí chiến lược trong tầng hầm, cảm biến trong mỗi phòng tắm và một cảm biến ở tầng áp mái, giặt là và nhà bếp.

Thay vì thêm nhiều cảm biến dựa trên LoRa từ Có thể hướng dẫn trước đó hơi đắt tiền và được cấp nguồn qua bộ điều hợp AC, tôi quyết định thêm một lớp cảm biến hoạt động bằng pin, chi phí thấp hơn sử dụng Bộ phát liên kết RF 434 MHz. Để duy trì khả năng tương thích với Hệ thống giám sát môi trường tại nhà LoRa IOT hiện có, tôi đã thêm một cầu nối không dây để nhận các gói 434 MHz và truyền lại chúng dưới dạng gói LoRa ở 915 MHz.

Lớp cảm biến mới bao gồm các hệ thống con sau:

1. Điều khiển từ xa không dây 434 MHz - cảm biến nhiệt độ và độ ẩm hoạt động bằng pin
2. Cầu nối không dây - Nhận các gói 434 MHz và truyền lại chúng dưới dạng gói LoRa.

Điều khiển không dây 434 MHz sử dụng công suất truyền thấp hơn và giao thức kém mạnh mẽ hơn so với radio LoRa, vì vậy vị trí Cầu nối không dây trong nhà được chọn để đảm bảo giao tiếp đáng tin cậy với tất cả Điều khiển không dây 434 MHz. Sử dụng Cầu nối không dây cho phép tối ưu hóa giao tiếp với Điều khiển từ xa không dây 434 MHz mà không đặt bất kỳ ràng buộc nào về vị trí đặt Cổng IOT LoRa.

Điều khiển từ xa không dây và Cầu nối không dây 434 MHz được xây dựng bằng cách sử dụng các mô-đun phần cứng có sẵn và một vài thành phần riêng lẻ. Các bộ phận có thể được lấy từ Adafruit, Sparkfun và Digikey; trong nhiều trường hợp, các bộ phận Adafruit và Sparkfun cũng có sẵn từ Digikey. Cần có kỹ năng hàn có năng lực để lắp ráp phần cứng, đặc biệt là đi dây điểm-điểm của Điều khiển từ xa không dây 434 MHz. Mã Arduino được nhận xét tốt để hiểu và cho phép dễ dàng mở rộng chức năng.

Các mục tiêu cho dự án này bao gồm những điều sau:

• Tìm một công nghệ không dây có chi phí thấp hơn phù hợp với môi trường hộ gia đình.
• Phát triển cảm biến không dây chạy bằng pin có thể hoạt động trong nhiều năm trên một bộ pin.
• Không yêu cầu sửa đổi phần cứng hoặc phần mềm LoRa IOT Gateway từ Thiết bị hướng dẫn trước đó của tôi.

Tổng chi phí các bộ phận cho Điều khiển từ xa không dây 434 MHz, không bao gồm pin 3xAA, là 25 đô la, trong đó cảm biến nhiệt độ và độ ẩm SHT31-D chiếm hơn một nửa (14 đô la).

Cũng như các điều khiển từ xa LoRa từ Thiết bị điều khiển không dây trước đó của tôi, Điều khiển không dây 434 MHz ghi các kết quả đo nhiệt độ và độ ẩm và báo cáo với Cổng IOT LoRa, thông qua Cầu nối không dây, cứ 10 phút một lần. 11 Điều khiển từ xa không dây 434 MHz đã được đưa vào hoạt động vào tháng 12 năm 2017 sử dụng 3 x pin AA cung cấp danh nghĩa 4,5V. Các chỉ số pin từ mười một cảm biến vào tháng 12 năm 2017 dao động từ 4,57V đến 4,71V, mười sáu tháng sau vào tháng 5 năm 2019, các chỉ số pin từ 4,36V đến 4,55V. Việc sử dụng các bộ phận có dải điện áp hoạt động rộng phải đảm bảo hoạt động của cảm biến trong một năm hoặc hơn, tùy thuộc vào việc duy trì độ tin cậy của liên kết RF vì công suất phát bị giảm với điện áp pin thấp hơn.

Độ tin cậy của lớp cảm biến 434 MHz rất tuyệt vời trong môi trường gia đình của tôi. Lớp cảm biến mới được triển khai trên 4, 200 SqFt của không gian đã hoàn thiện và 1, 800 SqFt của không gian tầng hầm chưa hoàn thiện. Bộ cảm biến được tách biệt khỏi Cầu không dây bằng sự kết hợp của 2 - 3 bức tường bên trong và sàn / trần nhà. Cổng IOT LoRa từ Thiết bị hướng dẫn trước đó của tôi sẽ gửi Cảnh báo qua SMS nếu mất liên lạc với cảm biến trong hơn 60 phút (6 báo cáo mười phút bị bỏ lỡ). Tuy nhiên, một cảm biến trên sàn ở một góc ở cuối tầng hầm phía sau các hộp xếp chồng lên nhau, thỉnh thoảng sẽ gây ra cảnh báo mất liên lạc, tuy nhiên, trong mọi trường hợp, giao tiếp với cảm biến được thiết lập lại mà không có bất kỳ sự can thiệp nào.

Cảm ơn bạn đã truy cập hướng dẫn này, và vui lòng xem các bước sau để biết thêm thông tin.

1. Thiết kế cảm biến không dây hoạt động bằng pin
2. Phần cứng từ xa không dây 434 MHz
3. Phần mềm Từ xa Không dây 434 MHz
4. Phần cứng cầu nối không dây
5. Phần mềm cầu nối không dây

Bước 1: Thiết kế cảm biến không dây hoạt động bằng pin

Thiết kế cho Điều khiển từ xa không dây 434 MHz sử dụng các phần sau:

• Bộ vi điều khiển AVR 8-bit ATtiny85
• Sensirion SHT31-D - Bảng đột phá cảm biến nhiệt độ & độ ẩm
• Bộ phát liên kết RF Sparkfun 434 MHz
• Điện trở 10K Ohm

Một trong những quyết định thiết kế ban đầu là tránh các thiết bị yêu cầu 3.3V hoặc 5V được quy định và chọn các bộ phận hoạt động trên dải điện áp rộng. Điều này giúp loại bỏ nhu cầu về bộ điều chỉnh điện áp là bộ tiêu hao điện năng trong thiết kế hoạt động bằng pin và kéo dài tuổi thọ hoạt động của cảm biến vì chúng sẽ tiếp tục hoạt động lâu hơn khi điện áp pin giảm theo thời gian. Dải điện áp hoạt động cho các bộ phận được chọn như sau:

• ATtiny85: 2,7V đến 5,5V
• SHT31-D: 2,4V đến 5,5V
• Liên kết RF Tx: 1.5V đến 12V

Cho phép một số chênh lệch, Điều khiển từ xa không dây 434 MHz sẽ hoạt động theo chức năng ở mức điện áp pin 3V. Như đã lưu ý, vẫn còn phải xem độ tin cậy của liên kết RF được duy trì như thế nào khi công suất phát giảm với điện áp pin thấp hơn.

Quyết định được đưa ra là sử dụng 3 x pin AA để cung cấp điện áp khởi động danh định là 4,5V. Sau 16 tháng hoạt động, điện áp thấp nhất của pin đo được là 4,36V.

ATtiny85 Watch Dog Timer (WDT) được sử dụng để giữ Điều khiển từ xa không dây 434 MHz ở chế độ Ngủ trong hầu hết thời gian. ATtiny85 được WDT đánh thức sau mỗi 8 giây để tăng bộ đếm 10 phút; khi đạt khoảng thời gian 10 phút, một phép đo được thực hiện và một gói dữ liệu được truyền đi.

Để giảm thiểu mức tiêu thụ điện hơn nữa, SHT31-D và Bộ phát liên kết RF được cấp nguồn từ chân cổng I / O kỹ thuật số trên ATtiny85 được định cấu hình làm đầu ra. Nguồn được cấp khi chân I / O được điều khiển ở mức Cao (1) và được loại bỏ khi chân I / O được điều khiển ở mức Thấp (0). Thông qua phần mềm, nguồn điện chỉ được cấp cho các thiết bị ngoại vi này cứ sau 10 phút trong 1-2 giây trong khi các phép đo được thực hiện và truyền đi. Tham khảo Phần mềm Từ xa Không dây 434-MHz để biết mô tả về phần mềm liên quan.

Thành phần khác duy nhất được sử dụng trong Điều khiển từ xa không dây 434 MHz là một điện trở 10K ohm được sử dụng để kéo chân Reset trên ATtiny85 lên.

Thiết kế ban đầu đã sử dụng bộ chia điện trở trên pin để cho phép chân ADC trên ATTINY85 đo điện áp của pin. Mặc dù nhỏ, bộ chia điện áp này đặt một tải không đổi lên pin. Một số nghiên cứu đã chỉ ra một thủ thuật sử dụng điện áp tham chiếu khoảng cách bên trong 1,1V ATtiny85 để đo Vcc (điện áp pin). Bằng cách đặt điện áp tham chiếu ADC thành Vcc và thực hiện phép đo điện áp tham chiếu bên trong 1,1V, có thể giải cho Vcc. Điện áp tham chiếu 1.1V bên trong ATtiny85 không đổi miễn là Vcc> 3V. Tham khảo Phần mềm Từ xa Không dây 434-MHz để biết mô tả về phần mềm liên quan.

Giao tiếp giữa ATtiny85 và SHT31-D thông qua bus I2C. Bảng đột phá Adafruit SHT31-D bao gồm các điện trở kéo lên cho bus I2C.

Giao tiếp giữa ATtiny85 và Bộ phát liên kết RF thông qua chân I / O kỹ thuật số được định cấu hình làm đầu ra. Thư viện RadioHead Packet Radio RH_ASK được sử dụng để Bật-Tắt Khóa (OOK / ASK) Bộ phát liên kết RF thông qua chân I / O kỹ thuật số này.

Bước 2: Phần cứng từ xa không dây 434 MHz

Danh sách các bộ phận:

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

1 x Giá đỡ pin 3 x Cells AA, Digikey PN BC3AAW-ND

1 x Bảng đột phá Adafruit Sensiron SHT31-D, Digikey PN 1528-1540-ND

1 x Bộ phát liên kết RF Sparkfun (434-MHz), Digikey PN 1568-1175-ND

1 x Vi điều khiển ATtiny85, Digikey PN ATTINY85-20PU-ND

1 x Ổ cắm DIP 8 chân, Digikey PN AE10011-ND

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

Chiều dài 6,75 / 17cm của dây đồng tráng men 18AWG

1 x Băng xốp hai mặt

Dây quấn dây 18 / 45cm

Một ổ cắm được sử dụng cho ATtiny85 vì lập trình trong mạch không được hỗ trợ.

Bo mạch đột phá SHT31-D, Bộ phát liên kết RF, ổ cắm DIP 8 chân và dây ăng-ten được hàn trên bảng mạch như thể hiện trong ảnh ở trên. Loại bỏ lớp men từ 1/4 của dây ăng-ten 18AWG trước khi hàn vào bảng mạch.

Điện trở 10K ohm được hàn trên bảng mạch giữa các chân 1 và 8 của ổ cắm DIP 8 chân.

Dây quấn dây được hàn ở mặt sau của breadboard để tạo liên kết giữa các thành phần phù hợp với sơ đồ Điều khiển từ xa không dây được hiển thị trong bước trước.

Các dây dẫn dương và âm từ giá đỡ pin được hàn vào một bộ bus "+" và "-" tương ứng trên bảng mạch.

Điều khiển từ xa không dây 434 MHz được thử nghiệm với Cầu nối không dây và Cổng IOT LoRa. Điều khiển từ xa không dây 434 MHz sẽ ngay lập tức gửi một gói tin mỗi khi lắp pin vào và cứ sau ~ 10 phút sau đó. Khi nhận được gói không dây từ lớp cảm biến 434 MHz, đèn LED màu xanh lục trên Cầu không dây sẽ nhấp nháy trong ~ 0,5 giây. Tên trạm, nhiệt độ và độ ẩm sẽ được LoRa IOT Gateway hiển thị nếu số trạm Điều khiển Từ xa Không dây 434 MHz đã được cung cấp trong cổng.

Khi Điều khiển từ xa không dây được kiểm tra ổn với ATtiny85 được lập trình, một miếng băng keo hai mặt, được cắt theo cùng kích thước với bảng mạch, được sử dụng để gắn bảng mạch hoàn chỉnh vào giá đỡ pin.

Bước 3: Phần mềm từ xa không dây 434 MHz

Phần mềm Điều khiển Từ xa Không dây 434 MHz được đính kèm với bước này và được nhận xét tốt.

Tôi đã lập trình vi điều khiển ATtiny85 bằng cách sử dụng Lập trình AVR Sparkfun Tiny và Arduino IDE. Sparkfun có một hướng dẫn chuyên sâu về cách thiết lập trình điều khiển, v.v. và cách để lập trình viên làm việc với Arduino IDE.

Tôi đã thêm một ổ cắm ZIF (Zero Insertion Force) vào Trình lập trình AVR Tiny để giúp dễ dàng thêm và xóa các chip khỏi trình lập trình.

Bước 4: Phần cứng cầu nối không dây

Danh sách các bộ phận:

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 Bo mạch thu phát vô tuyến Adafruit RFM9W LoRa (915-MHz), Digikey PN 1528-1667-ND

1 x Bộ thu liên kết RF Sparkfun (434-MHz), Digikey PN 1568-1173-ND

1 x Ổ cắm DIP 8 chân, Digikey PN AE10011-ND

Chiều dài 6,75 / 17cm của dây đồng tráng men 18AWG

Chiều dài 3,25 / 8,5cm của dây đồng tráng men 18AWG

Dây quấn dây 24 / 61cm

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

Nguồn điện 1 x 5V 1A cổng USB, Adafruit PID 501

Lắp ráp tấm chắn tạo mẫu theo hướng dẫn trên Adafruit.com.

Lắp ráp bo mạch thu phát RFM95W LoRa theo hướng dẫn trên Adafruit.com. Chiều dài 3,25 "/ 8,5cm của dây 18AWG được sử dụng cho ăng-ten, và được hàn trực tiếp vào bảng thu phát sau khi loại bỏ 1/4" lớp men khỏi dây.

Cẩn thận cắt nửa chiều dài ổ cắm DIP 8 chân để tạo ra hai bộ ổ cắm SIP 4 chân.

Hàn hai ổ cắm SIP 4 chân vào tấm chắn tạo mẫu như hình minh họa. Chúng sẽ được sử dụng để cắm Bộ thu liên kết RF, vì vậy hãy đảm bảo chúng ở đúng lỗ để khớp với Bộ phát liên kết RF trước khi hàn.

Hàn bo mạch thu phát RFM9W LoRa vào tấm chắn tạo mẫu như hình minh họa.

Các kết nối sau được thực hiện giữa Arduino Uno và bo mạch thu phát RFM9W bằng cách sử dụng dây quấn ở mặt trên của bảng tạo mẫu:

RFM9W G0 Arduino Digital I / O Pin 2, thư viện RadioHead sử dụng Ngắt 0 trên chân này

Đầu cắm RFM9W SCK Arduino ICSP, chân 3

Đầu cắm RFM9W MISO Arduino ICSP, chân 1

Đầu cắm RFM9W MOSI Arduino ICSP, chân 4

RFM9W CS Arduino Digital I / O Pin 8

RFM9W RST Arduino Digital I / O Pin 9

Các kết nối sau được thực hiện ở mặt dưới cùng của bảng tạo mẫu:

RFM9W VIN Prototyping board 5V bus

Xe buýt mặt đất (GND) của bảng mạch nguyên mẫu RFM9W GND

Liên kết RF Rx Chân 1 (GND) Bus nối đất (GND) của bảng nguyên mẫu

RF Link Rx Pin 2 (Đầu ra dữ liệu) Arduino Digital I / O Pin 6

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) Bảng nguyên mẫu Xe buýt 5V

Bảng mạch Proto Đèn LED xanh Arduino Digital I / O Chân 7

Thông tin về mã pin cho bộ thu liên kết RF có tại www.sparkfun.com.

Tách lớp men từ 1/4 'chiều dài 6,75 của dây 18AWG và chèn nó vào lỗ bảng tạo mẫu ngay gần với RF Link Rx Pin 8 (Ăng-ten). Sau khi đã lắp vào lỗ, uốn cong phần đầu đã tước để nó làm tiếp xúc với RF Link Rx Pin 8 và hàn nó tại chỗ.

Lập trình Arduino Uno với bản phác thảo được cung cấp trong bước tiếp theo. Sau khi đặt lại hoặc bật nguồn, đèn LED màu xanh lục sẽ nhấp nháy hai lần trong 0,5 giây. Khi nhận được gói không dây từ lớp cảm biến 434 MHz, đèn LED màu xanh lá cây sẽ nhấp nháy trong ~ 0,5 giây.

Bước 5: Phần mềm cầu nối không dây

Phần mềm Wireless Bridge được đính kèm với bước này và được nhận xét tốt.