Cách xây dựng một trạm cảm biến giám sát tiện nghi: 10 bước (có hình ảnh)
Cách xây dựng một trạm cảm biến giám sát tiện nghi: 10 bước (có hình ảnh)
Anonim
Cách xây dựng một trạm cảm biến giám sát tiện nghi
Cách xây dựng một trạm cảm biến giám sát tiện nghi
Cách xây dựng một trạm cảm biến giám sát tiện nghi
Cách xây dựng một trạm cảm biến giám sát tiện nghi
Cách xây dựng một trạm cảm biến giám sát tiện nghi
Cách xây dựng một trạm cảm biến giám sát tiện nghi
Cách xây dựng một trạm cảm biến giám sát tiện nghi
Cách xây dựng một trạm cảm biến giám sát tiện nghi

Tài liệu hướng dẫn này mô tả thiết kế và xây dựng của cái gọi là Trạm giám sát tiện nghi CoMoS, một thiết bị cảm biến kết hợp cho các điều kiện môi trường xung quanh, được phát triển tại khoa Môi trường xây dựng tại TUK, Technische Universität Kaiserslautern, Đức.

CoMoS sử dụng bộ điều khiển ESP32 và các cảm biến cho nhiệt độ không khí và độ ẩm tương đối (Si7021), vận tốc không khí (vòng quay của cảm biến gió C của Thiết bị Hiện đại) và nhiệt độ địa cầu (DS18B20 trong bóng đèn đen), tất cả trong một thiết bị nhỏ gọn, dễ sử dụng xây dựng trường hợp với phản hồi trực quan thông qua chỉ báo LED (WS2812B). Ngoài ra, một cảm biến độ rọi (BH1750) được bao gồm để phân tích tình trạng hình ảnh cục bộ. Tất cả dữ liệu cảm biến được đọc định kỳ và gửi qua Wi-Fi đến máy chủ cơ sở dữ liệu, từ đó nó có thể được sử dụng để giám sát và điều khiển.

Động lực đằng sau sự phát triển này là để có được một giải pháp thay thế chi phí thấp nhưng rất mạnh mẽ cho các thiết bị cảm biến trong phòng thí nghiệm, thường ở mức giá trên 3000 €. Ngược lại, CoMoS sử dụng phần cứng có tổng giá khoảng 50 € và do đó có thể được triển khai toàn diện trong các tòa nhà (văn phòng) để xác định thời gian thực về tình trạng nhiệt và hình ảnh của từng cá nhân tại từng khu vực làm việc hoặc tòa nhà.

Để biết thêm thông tin về nghiên cứu của chúng tôi và công việc được kết nối tại bộ phận, hãy xem trang web chính thức về không gian văn phòng thông minh Living Lab hoặc liên hệ trực tiếp với tác giả tương ứng qua LinkedIn. Tất cả các liên hệ của các tác giả được liệt kê ở cuối hướng dẫn này.

Lưu ý về cấu trúc: Hướng dẫn này mô tả thiết lập ban đầu của CoMoS, nhưng nó cũng cung cấp thông tin và hướng dẫn cho một số biến thể mà chúng tôi đã phát triển gần đây: Bên cạnh vỏ máy ban đầu được xây dựng từ các bộ phận tiêu chuẩn, còn có một tùy chọn in 3D. Và bên cạnh thiết bị gốc có kết nối máy chủ cơ sở dữ liệu, còn có một phiên bản độc lập thay thế với bộ nhớ thẻ SD, điểm truy cập WIFi tích hợp và một ứng dụng di động ưa thích để hiển thị các kết quả cảm biến. Vui lòng kiểm tra các tùy chọn được đánh dấu trong các chương tương ứng và tùy chọn độc lập trong chương cuối cùng.

Lưu ý cá nhân: Đây là hướng dẫn đầu tiên của tác giả, và nó bao gồm một thiết lập khá chi tiết và phức tạp. Vui lòng liên hệ qua phần nhận xét của trang này, qua e-mail hoặc qua LinkedIn, nếu có bất kỳ chi tiết hoặc thông tin nào bị thiếu trong các bước.

Bước 1: Nền - Thoải mái về Nhiệt và Thị giác

Bối cảnh - Thoải mái về nhiệt và thị giác
Bối cảnh - Thoải mái về nhiệt và thị giác
Bối cảnh - Thoải mái về nhiệt và thị giác
Bối cảnh - Thoải mái về nhiệt và thị giác

Sự thoải mái về nhiệt và thị giác ngày càng trở thành chủ đề quan trọng hơn, đặc biệt là trong môi trường văn phòng và nơi làm việc, cũng như trong khu vực dân cư. Thách thức chính trong lĩnh vực này là nhận thức về nhiệt của các cá nhân thường khác nhau trong một phạm vi rộng. Một người có thể cảm thấy nóng trong một điều kiện nhiệt nhất định trong khi người khác cảm thấy lạnh trong cùng một điều kiện. Đó là bởi vì nhận thức nhiệt của cá nhân bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm các yếu tố vật lý của nhiệt độ không khí, độ ẩm tương đối, vận tốc không khí và nhiệt độ bức xạ của các bề mặt xung quanh. Ngoài ra, quần áo, hoạt động trao đổi chất và một khía cạnh cá nhân về tuổi tác, giới tính, khối lượng cơ thể, v.v., ảnh hưởng đến nhận thức nhiệt.

Trong khi các yếu tố riêng lẻ vẫn là một yếu tố không chắc chắn về điều khiển sưởi ấm và làm mát, các yếu tố vật lý có thể được xác định chính xác bằng các thiết bị cảm biến. Nhiệt độ không khí, độ ẩm tương đối, vận tốc không khí và nhiệt độ toàn cầu có thể được đo và sử dụng làm đầu vào trực tiếp cho các điều khiển của tòa nhà. Hơn nữa, trong một cách tiếp cận chi tiết hơn, chúng có thể được sử dụng làm đầu vào để tính toán cái gọi là chỉ số PMV, trong đó PMV là viết tắt của Dự đoán Trung bình Bỏ phiếu. Nó mô tả cách mọi người ở mức trung bình có khả năng đánh giá cảm giác nhiệt của họ trong các điều kiện phòng xung quanh nhất định. PMV có thể nhận các giá trị từ -3 (lạnh) đến +3 (nóng), với 0 là trạng thái trung tính.

Tại sao chúng ta lại đề cập đến PMV-điều đó ở đây? Vâng, bởi vì trong lĩnh vực tiện nghi cá nhân, nó là một chỉ số thường được sử dụng có thể dùng làm tiêu chí chất lượng cho tình hình nhiệt trong một tòa nhà. Và với CoMoS, tất cả các thông số môi trường xung quanh cần thiết để tính toán PMV đều có thể được đo lường.

Nếu bạn quan tâm, hãy tìm hiểu thêm về tiện nghi nhiệt, bối cảnh của toàn cầu và nhiệt độ bức xạ trung bình, chỉ số PMV và tiêu chuẩn ASHRAE đang triển khai tại

Wikipedia: Thoải mái về Nhiệt

ISO 7726 Công thái học của môi trường nhiệt

ASHRAE NPO

Nhân tiện: Đã có từ lâu, nhưng cũng có rất nhiều tiện ích mới được phát triển trong lĩnh vực môi trường cá nhân hóa để cung cấp sự thoải mái về nhiệt và hình ảnh cho từng cá nhân. Quạt máy tính để bàn nhỏ là một ví dụ nổi tiếng. Ngoài ra, các thiết bị làm ấm chân, ghế sưởi và thông gió, hoặc vách ngăn văn phòng để sưởi ấm và làm mát bằng bức xạ hồng ngoại đang được phát triển hoặc thậm chí đã có sẵn trên thị trường. Tất cả những công nghệ này đều ảnh hưởng đến điều kiện nhiệt cục bộ, tại nơi làm việc, và chúng cũng có thể được điều khiển tự động dựa trên dữ liệu cảm biến cục bộ, như được minh họa trong hình ảnh của bước này.

Thông tin thêm về các tiện ích của môi trường được cá nhân hóa và nghiên cứu đang diễn ra có sẵn tại

Không gian văn phòng thông minh Living Lab: Môi trường cá nhân hóa

đại học California, Berkeley

Báo cáo của ZEN về việc sưởi ấm cá nhân một thiết bị làm mát [PDF]

SBRC Đại học Wollongong

Bước 2: Sơ đồ hệ thống

Lược đồ hệ thống
Lược đồ hệ thống
Lược đồ hệ thống
Lược đồ hệ thống

Một trong những mục tiêu chính trong quá trình phát triển là tạo ra một thiết bị cảm biến không dây, nhỏ gọn và rẻ tiền để đo điều kiện môi trường trong nhà của ít nhất mười nơi làm việc riêng lẻ trong một không gian văn phòng mở nhất định. Do đó, trạm sử dụng ESP32-WROOM-32 với kết nối WiFi trên bo mạch và với nhiều loại chân kết nối và loại bus được hỗ trợ cho tất cả các loại cảm biến. Các trạm cảm biến sử dụng IoT-WiFi riêng biệt và gửi dữ liệu đọc của chúng đến cơ sở dữ liệu MariaDB thông qua tập lệnh PHP chạy trên máy chủ cơ sở dữ liệu. Theo tùy chọn, bạn cũng có thể cài đặt đầu ra trực quan Grafana dễ sử dụng.

Sơ đồ trên cho thấy sự sắp xếp của tất cả các thành phần ngoại vi như một cái nhìn tổng quan về thiết lập hệ thống, nhưng hướng dẫn này tập trung vào chính trạm cảm biến. Tất nhiên, tệp PHP và mô tả kết nối SQL sau này cũng được bao gồm để cung cấp tất cả thông tin cần thiết để xây dựng, kết nối và sử dụng CoMoS.

Lưu ý: ở cuối tài liệu hướng dẫn này, bạn có thể tìm thấy hướng dẫn về cách tạo phiên bản CoMoS độc lập thay thế với bộ nhớ thẻ SD, điểm truy cập WiFi nội bộ và ứng dụng web dành cho thiết bị di động.

Bước 3: Danh sách cung cấp

Danh sách cung cấp
Danh sách cung cấp
Danh sách cung cấp
Danh sách cung cấp

Thiết bị điện tử

Cảm biến và bộ điều khiển, như trong hình:

  • ESP32-WROOM-32 mikrocontroller (espressif.com) [A]
  • Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm Si7021 hoặc GY21 (adafruit.com) [B]
  • Cảm biến nhiệt độ DS18B20 + (adafruit.com) [C]
  • Cảm biến vận tốc không khí Rev C. (moderndevice.com) [D]
  • Đèn LED trạng thái WS2812B 5050 (adafruit.com) [E]
  • Cảm biến độ rọi BH1750 (amazon.de) [F]

Các bộ phận điện khác:

  • Điện trở kéo lên 4, 7k (adafruit.com)
  • Dây tiêu chuẩn 0, 14 mm² (hoặc tương tự) (adafruit.com)
  • 2x đầu nối nối nhỏ gọn Wago (wago.com)
  • Cáp micro USB (sparkfun.com)

Bộ phận vỏ máy (Tìm thêm thông tin chi tiết về các bộ phận và kích thước này trong Bước tiếp theo. Nếu bạn có sẵn máy in 3D, bạn chỉ cần một quả bóng bàn. Bỏ qua Bước tiếp theo và tìm tất cả thông tin và tệp để in ở Bước 5.)

  • Tấm acrylic tròn 50x4 mm [1]
  • Thép tấm tròn 40x10 mm [2]
  • Ống acrylic 50x5x140 mm [3]
  • Tấm acrylic tròn 40x5 mm [4]
  • Ống acrylic 12x2x50 mm [5]
  • Bóng bàn [6]

Điều khoản khác

  • Phun sơn trắng
  • Phun sơn đen mờ
  • Một số băng
  • Một chút len cách nhiệt, một miếng bông hoặc bất cứ thứ gì tương tự

Công cụ

  • Máy khoan điện
  • Khoan trộm 8 mm
  • Khoan gỗ / nhựa 6 mm
  • Máy khoan gỗ / nhựa 12 mm
  • Cưa tay mỏng
  • Giấy nhám
  • Kìm cắt dây
  • Thợ thoát y dây
  • Hàn sắt và thiếc
  • Keo điện hoặc súng bắn keo nóng

Phần mềm và thư viện (Các con số cho biết phiên bản thư viện mà chúng tôi đã sử dụng và kiểm tra phần cứng. Các thư viện mới hơn cũng sẽ hoạt động, nhưng đôi khi chúng tôi gặp một số vấn đề khi thử các phiên bản khác / mới hơn.)

  • Arduino IDE (1.8.5)
  • Thư viện lõi ESP32
  • Thư viện BH1750FVI
  • Thư viện Adafruit_Si7021 (1.0.1)
  • Thư viện Adafruit_NeoPixel (1.1.6)
  • Thư viện DallasTempether (3.7.9)
  • Thư viện OneWire (2.3.3)

Bước 4: Thiết kế và Thi công tình huống - Phương án 1

Thiết kế và xây dựng trường hợp - Phương án 1
Thiết kế và xây dựng trường hợp - Phương án 1
Thiết kế và xây dựng trường hợp - Phương án 1
Thiết kế và xây dựng trường hợp - Phương án 1
Thiết kế và xây dựng trường hợp - Phương án 1
Thiết kế và xây dựng trường hợp - Phương án 1

Thiết kế của CoMoS đặc trưng với một vỏ máy mỏng, dọc với hầu hết các cảm biến được gắn ở khu vực trên cùng, chỉ có cảm biến nhiệt độ và độ ẩm được gắn ở gần phía dưới. Vị trí và cách sắp xếp của cảm biến tuân theo các yêu cầu cụ thể của các biến được đo:

  • Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm Si7021 được gắn bên ngoài vỏ, gần đáy của nó, để cho phép không khí lưu thông tự do xung quanh cảm biến và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiệt thải do bộ vi điều khiển phát ra bên trong vỏ.
  • Cảm biến độ rọi BH1750 được gắn trên mặt phẳng của vỏ máy để đo độ chiếu sáng trên bề mặt nằm ngang theo yêu cầu của các tiêu chuẩn chung về chiếu sáng nơi làm việc.
  • Cảm biến gió Rev. C cũng được gắn ở trên cùng của hộp, với các thiết bị điện tử của nó được giấu bên trong vỏ, nhưng các thiết bị của nó, mang máy đo nhiệt độ và cảm biến nhiệt độ thực tế, tiếp xúc với không khí xung quanh phía trên.
  • Cảm biến nhiệt độ DS18B20 được gắn trên đỉnh của trạm, bên trong một quả bóng bàn sơn đen. Vị trí trên cùng là cần thiết để giảm thiểu các yếu tố quan sát và do đó ảnh hưởng bức xạ của chính trạm cảm biến đến phép đo nhiệt độ toàn cầu.

Các tài nguyên bổ sung về nhiệt độ bức xạ trung bình và việc sử dụng quả bóng bàn màu đen làm cảm biến nhiệt độ địa cầu là:

Wang, Shang & Li, Yuguo. (2015). Sự phù hợp của Nhiệt kế quả cầu acrylic và đồng cho các thiết lập ngoài trời trong ngày. Tòa nhà và Môi trường. 89. 10.1016 / j.buildenv.2015.03.002.

de Thân mến, Richard. (Năm 1987). Nhiệt kế quả cầu bóng bàn cho nhiệt độ bức xạ trung bình. H & Eng.,. 60. 10-12.

Vỏ được thiết kế đơn giản, nhằm giảm thiểu thời gian và công sức chế tạo. Nó có thể dễ dàng được xây dựng từ các bộ phận và thành phần tiêu chuẩn chỉ với một số công cụ và kỹ năng đơn giản. Hoặc, đối với những người may mắn có máy in 3D tại dịch vụ của họ, tất cả các bộ phận của vỏ máy cũng có thể được in 3D. Để in vỏ máy, có thể bỏ qua phần còn lại của Bước này và bạn có thể tìm thấy tất cả các tệp và hướng dẫn cần thiết trong Bước tiếp theo.

Đối với việc xây dựng từ các bộ phận tiêu chuẩn, kích thước phù hợp được chọn cho hầu hết chúng:

  • Phần thân chính là một ống acrylic (PMMA) có đường kính ngoài 50 mm, độ dày thành 5 mm và chiều cao 140 mm.
  • Tấm dưới cùng, đóng vai trò là dây dẫn ánh sáng cho đèn LED trạng thái, là một tấm tròn acrylic có đường kính 50 mm và dày 4 mm.
  • Một vòng thép có đường kính 40 mm và dày 10 mm được lắp đặt làm trọng lượng trên đầu tấm đáy và lắp bên trong đầu dưới của ống thân chính để ngăn đài không bị lật và giữ tấm dưới cùng tại chỗ.
  • Tấm trên cùng cũng phù hợp với bên trong ống thân chính. Nó được làm bằng PMMA và có đường kính 40 mm và dày 5 mm.
  • Cuối cùng, ống nâng trên cùng cũng là PMMA, với đường kính ngoài 10 mm, độ dày thành 2 mm và chiều dài 50 mm.

Quá trình sản xuất và lắp ráp rất đơn giản, bắt đầu với một số lỗ để khoan. Vòng thép cần có lỗ liên tục 8 mm, để lắp đèn LED và dây cáp. Ống thân chính cần một số lỗ 6 mm, làm đường dẫn cáp cho cáp USB và cáp cảm biến, cũng như lỗ thông gió. Số lượng và vị trí của các lỗ có thể thay đổi tùy theo sở thích của bạn. Sự lựa chọn của các nhà phát triển là sáu lỗ ở mặt sau, gần trên cùng và dưới cùng, và hai lỗ ở mặt trước, một trên cùng, một lại dưới cùng, làm tài liệu tham khảo.

Tấm trên cùng là phần khó nhất. Nó cần toàn bộ 12 mm ở giữa, thẳng và liên tục để vừa với ống nâng trên cùng, một lỗ 6 mm lệch tâm khác để lắp cáp cảm biến độ rọi và một khe mỏng có chiều rộng xấp xỉ 1,5 mm và chiều dài 18 mm để phù hợp với gió cảm biến. Xem các hình ảnh để tham khảo. Và cuối cùng, quả bóng bàn cũng cần có đường kính 6 mm để vừa với cảm biến nhiệt độ quả cầu và dây cáp.

Trong bước tiếp theo, tất cả các bộ phận PMMA, ngoại trừ tấm dưới cùng, phải được sơn phun, tham chiếu là màu trắng. Quả bóng bàn phải được sơn màu đen mờ để thiết lập các thuộc tính nhiệt và quang học ước tính của nó.

Vòng thép được dán chính giữa và phẳng vào tấm đáy. Ống nâng trên cùng được dán vào lỗ 12 mm của tấm trên cùng. Quả bóng bàn được dán vào đầu trên cùng của riser, với lỗ của nó khớp với lỗ bên trong của ống riser, do đó, cảm biến nhiệt độ và dây cáp có thể được lắp vào bóng sau đó thông qua ống riser.

Với bước này được thực hiện, tất cả các bộ phận của vỏ máy đã sẵn sàng để lắp ráp bằng cách ghép chúng lại với nhau. Nếu một số vừa vặn quá chặt, hãy chà nhám chúng xuống một chút, nếu quá lỏng, hãy thêm một lớp băng mỏng.

Bước 5: Thiết kế và Thi công tình huống - Phương án 2

Thiết kế và xây dựng trường hợp - Phương án 2
Thiết kế và xây dựng trường hợp - Phương án 2
Thiết kế và xây dựng trường hợp - Phương án 2
Thiết kế và xây dựng trường hợp - Phương án 2
Thiết kế và xây dựng trường hợp - Phương án 2
Thiết kế và xây dựng trường hợp - Phương án 2

Mặc dù Tùy chọn 1 xây dựng trường hợp của CoMoS vẫn là một cách nhanh chóng và đơn giản, nhưng việc để một máy in 3D thực hiện công việc có thể còn dễ dàng hơn. Cũng đối với tùy chọn này, vỏ được chia thành ba phần, trên cùng, thân vỏ và phần dưới để cho phép dễ dàng đấu dây và lắp ráp như được mô tả trong Bước tiếp theo.

Các tệp và thông tin khác về cài đặt máy in được cung cấp tại Thingiverse:

Tệp CoMoS trên Thingiverse

Thực hiện theo hướng dẫn để sử dụng dây tóc màu trắng cho các bộ phận trên cùng và thân vỏ được khuyến khích. Điều này giúp ngăn trường hợp nóng lên quá nhanh dưới ánh sáng mặt trời và tránh sai số đo. Nên sử dụng dây tóc trong suốt cho phần dưới cùng để cho phép đèn báo LED chiếu sáng.

Một biến thể khác từ Phương án 1 là vòng kim loại bị thiếu. Để ngăn CoMoS bị lật, bất kỳ loại trọng lượng nào như bi chịu lực hoặc một loạt vòng đệm kim loại phải được đặt vào / trên phần dưới cùng trong suốt. Nó được thiết kế với một cạnh xung quanh để phù hợp và giữ một số trọng lượng. Ngoài ra, CoMoS có thể được dán vào vị trí lắp đặt của nó bằng cách sử dụng băng dính hai mặt.

Lưu ý: Thư mục Thingiverse bao gồm các tệp cho hộp đựng đầu đọc thẻ micro SD có thể được gắn vào hộp CoMoS. Trường hợp này là tùy chọn và là một phần của phiên bản độc lập được mô tả trong bước cuối cùng của tài liệu hướng dẫn này.

Bước 6: Đấu dây và lắp ráp

Hệ thống dây điện và lắp ráp
Hệ thống dây điện và lắp ráp
Hệ thống dây điện và lắp ráp
Hệ thống dây điện và lắp ráp
Hệ thống dây điện và lắp ráp
Hệ thống dây điện và lắp ráp
Hệ thống dây điện và lắp ráp
Hệ thống dây điện và lắp ráp

ESP, cảm biến, đèn LED và cáp USB được hàn và kết nối theo mạch sơ đồ được hiển thị trong các hình ảnh của bước này. Phép gán mã PIN khớp với mã ví dụ được mô tả sau là:

  • 14 - Đặt lại cầu (EN) - [xám]
  • 17 - WS2811 (LED) - [xanh lục]
  • 18 - điện trở pullup cho DS18B20 +
  • 19 - DS18B20 + (Một dây) - [tím]
  • 21 - BH1750 & SI7021 (SDA) - [xanh lam]
  • 22 - BH1750 & SI7021 (SCL) - [màu vàng]
  • 25 - BH1750 (V-in) - [nâu]
  • 26 - SI7021 (V-in) - [nâu]
  • 27 - DS18B20 + (V-in) - [nâu]
  • 34 - Cảm biến gió (TMP) - [lục lam]
  • 35 - Cảm biến gió (RV) - [màu cam]
  • VIN - Cáp USB (+ 5V) - [đỏ]
  • GND - Cáp USB (GND) - [đen]

Các cảm biến Si7021, BH1750 và DS18B20 + được cấp nguồn qua chân IO của ESP32. Điều này có thể thực hiện được vì dự thảo dòng điện tối đa của chúng nằm dưới mức cung cấp dòng điện tối đa của ESP trên mỗi chân và cần thiết để có thể đặt lại các cảm biến bằng cách cắt nguồn cung cấp của chúng trong trường hợp lỗi giao tiếp cảm biến. Xem mã ESP và nhận xét để biết thêm thông tin.

Cảm biến Si7021 và BH1750, giống như cáp USB, phải được hàn với cáp đã được đưa qua các lỗ của vỏ máy chuyên dụng để cho phép lắp ráp trong bước tiếp theo. Các đầu nối nối nhỏ gọn WAGO được sử dụng để kết nối các thiết bị với nguồn điện bằng cáp USB. Tất cả đều được cấp nguồn 5 V DC bằng USB, hoạt động với mức logic của ESP32 là 3, 3 V. Tùy chọn, các chân dữ liệu của cáp micro USB có thể được kết nối lại với phích cắm micro USB và kết nối với micro USB của ESP ổ cắm, làm đầu vào nguồn và kết nối dữ liệu để chuyển mã đến ESP32 trong khi đóng vỏ. Ngoài ra, nếu được kết nối như được hiển thị trong sơ đồ, một cáp micro USB còn nguyên vẹn khác là cần thiết để chuyển mã ban đầu tới ESP trước khi lắp ráp vỏ.

Cảm biến nhiệt độ Si7021 được dán vào mặt sau của vỏ máy, sát với mặt đáy. Điều rất quan trọng là phải gắn cảm biến này gần phía dưới để tránh các kết quả đo nhiệt độ sai do nhiệt phát sinh trong vỏ máy. Xem phần Phần kết để biết thêm Thông tin về vấn đề này. Cảm biến độ rọi BH1750 được dán vào tấm trên cùng, cảm biến gió được lắp vào và lắp vào khe ở phía đối diện. Nếu nó quá vừa vặn, một chút băng dính xung quanh phần trung tâm của cảm biến sẽ giúp giữ cho nó ở đúng vị trí. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 được lắp qua ống nâng trên cùng vào quả bóng bàn, với vị trí cuối cùng ở giữa quả bóng. Bên trong của cửa trên được lấp đầy bằng len cách ly và phần mở dưới được bịt kín bằng băng keo hoặc keo nóng, để ngăn chặn sự truyền nhiệt dẫn điện hoặc đối lưu tới quả cầu. Đèn LED được gắn vào lỗ tròn bằng thép hướng xuống dưới để chiếu sáng tấm đáy.

Tất cả các dây, các đầu nối ghép nối và ESP32 đều đi vào bên trong thùng máy chính và tất cả các bộ phận của thùng máy đều được ghép lại với nhau trong quá trình lắp ráp cuối cùng.

Bước 7: Phần mềm - Cấu hình ESP, PHP và MariaDB

Phần mềm - Cấu hình ESP, PHP và MariaDB
Phần mềm - Cấu hình ESP, PHP và MariaDB
Phần mềm - Cấu hình ESP, PHP và MariaDB
Phần mềm - Cấu hình ESP, PHP và MariaDB

Bộ điều khiển vi mô ESP32 có thể được lập trình bằng cách sử dụng Arduino IDE và thư viện ESP32 Core do Espressif cung cấp. Có rất nhiều hướng dẫn trực tuyến về cách thiết lập IDE để tương thích với ESP32, ví dụ ở đây.

Sau khi thiết lập, mã đính kèm được chuyển sang ESP32. Nó được bình luận xuyên suốt để dễ hiểu, nhưng một số tính năng chính là:

  • Nó có phần "cấu hình người dùng" ở phần đầu, trong đó các biến riêng lẻ phải được thiết lập, chẳng hạn như ID và mật khẩu WiFi, IP máy chủ cơ sở dữ liệu, các lần đọc và thời gian gửi dữ liệu mong muốn. Nó cũng bao gồm một biến "điều chỉnh gió bằng không" có thể được sử dụng để điều chỉnh các chỉ số tốc độ gió bằng không về 0 trong trường hợp nguồn điện không ổn định.
  • Mã này bao gồm các hệ số hiệu chuẩn trung bình được các tác giả xác định từ hiệu chuẩn của mười trạm cảm biến hiện có. Xem bước Phần kết để biết thêm thông tin và có thể điều chỉnh từng cá nhân.
  • Các xử lý lỗi khác nhau được bao gồm trong một số phần của mã. Đặc biệt là phát hiện và xử lý hiệu quả các lỗi giao tiếp bus thường xảy ra trên bộ điều khiển ESP32. Một lần nữa, hãy xem bước Phần kết để biết thêm thông tin.
  • Nó có một đầu ra màu LED để hiển thị trạng thái hiện tại của trạm cảm biến và bất kỳ lỗi nào. Xem bước Kết quả để biết thêm thông tin.

Tệp PHP đính kèm phải được cài đặt và có thể truy cập trong thư mục gốc của máy chủ cơ sở dữ liệu, tại serverIP / sensor.php. Tên tệp PHP và nội dung xử lý dữ liệu phải khớp với mã hàm gọi của ESP và ở mặt khác, khớp với thiết lập bảng cơ sở dữ liệu, để cho phép lưu trữ các bài đọc dữ liệu. Các mã ví dụ đính kèm được khớp với nhau, nhưng trong trường hợp bạn thay đổi một số biến, chúng phải được thay đổi trong toàn bộ hệ thống. Tệp PHP bao gồm một phần điều chỉnh ở phần đầu, trong đó các điều chỉnh riêng lẻ được thực hiện theo môi trường của hệ thống, đặc biệt là tên người dùng và mật khẩu cơ sở dữ liệu và tên cơ sở dữ liệu.

Cơ sở dữ liệu MariaDB hoặc SQL được thiết lập trên cùng một máy chủ, theo thiết lập bảng được sử dụng trong mã trạm cảm biến và tập lệnh PHP. Trong mã ví dụ, tên cơ sở dữ liệu MariaDB là "cảm biến" với một bảng có tên "dữ liệu", chứa 13 cột cho UTCDate, ID, UID, Temp, Hum, Globe, Vel, VelMin, VelMax, MRT, Illum, IllumMin, và IllumMax.

Một nền tảng phân tích và giám sát Grafana có thể được cài đặt bổ sung trên máy chủ như một tùy chọn để trực quan hóa cơ sở dữ liệu. Đây không phải là một tính năng chính của sự phát triển này, vì vậy nó không được mô tả thêm trong phần hướng dẫn này.

Bước 8: Kết quả - Đọc và Xác minh Dữ liệu

Kết quả - Đọc và Xác minh Dữ liệu
Kết quả - Đọc và Xác minh Dữ liệu

Với tất cả hệ thống dây, lắp ráp, lập trình và thiết lập môi trường được thực hiện, trạm cảm biến sẽ gửi dữ liệu đọc định kỳ đến cơ sở dữ liệu. Khi được cấp nguồn, một số trạng thái hoạt động được biểu thị thông qua màu đèn LED dưới cùng:

  • Trong khi khởi động, đèn LED sáng màu vàng để cho biết kết nối WiFi đang chờ xử lý.
  • Khi và trong khi kết nối, đèn báo có màu xanh lam.
  • Trạm cảm biến chạy các chỉ số cảm biến và gửi đến máy chủ theo định kỳ. Mỗi lần chuyển thành công được biểu thị bằng xung ánh sáng màu xanh lục là 600 ms.
  • Trong trường hợp có lỗi, chỉ báo sẽ có màu đỏ, tím hoặc hơi vàng, tùy theo loại lỗi. Sau một thời gian hoặc một số lỗi nhất định, trạm cảm biến sẽ đặt lại tất cả các cảm biến và tự động khởi động lại, một lần nữa được chỉ báo bằng đèn vàng khi khởi động. Xem mã ESP32 và nhận xét để biết thêm thông tin về các màu chỉ báo.

Khi thực hiện xong bước cuối cùng này, trạm cảm biến sẽ chạy và hoạt động liên tục. Cho đến nay, một mạng lưới gồm 10 trạm cảm biến đã được lắp đặt và chạy trong không gian văn phòng thông minh Living Lab đã đề cập trước đó.

Bước 9: Thay thế: Phiên bản độc lập

Thay thế: Phiên bản độc lập
Thay thế: Phiên bản độc lập
Thay thế: Phiên bản độc lập
Thay thế: Phiên bản độc lập
Thay thế: Phiên bản độc lập
Thay thế: Phiên bản độc lập
Thay thế: Phiên bản độc lập
Thay thế: Phiên bản độc lập

Sự phát triển của CoMoS vẫn tiếp tục và kết quả đầu tiên của quá trình liên tục này là một phiên bản độc lập. Phiên bản CoMoS đó không cần máy chủ cơ sở dữ liệu và mạng WiFi để theo dõi và ghi lại dữ liệu môi trường.

Các tính năng chính mới là:

  • Dữ liệu đọc được lưu trữ trên thẻ micro SD bên trong, ở định dạng CSV thân thiện với Excel.
  • Điểm truy cập WiFi tích hợp để truy cập CoMoS bằng bất kỳ thiết bị di động nào.
  • Ứng dụng dựa trên web (máy chủ web nội bộ trên ESP32, không cần kết nối internet) để truy cập dữ liệu trực tiếp, cài đặt và lưu trữ với tải xuống tệp trực tiếp từ thẻ SD, như thể hiện trong hình và ảnh chụp màn hình được đính kèm trong bước này.

Điều này thay thế kết nối WiFi và cơ sở dữ liệu trong khi tất cả các tính năng khác bao gồm hiệu chuẩn và tất cả thiết kế và xây dựng vẫn không bị ảnh hưởng từ phiên bản gốc. Tuy nhiên, CoMoS độc lập đòi hỏi kinh nghiệm và kiến thức sâu hơn về cách truy cập hệ thống quản lý tệp nội bộ "SPIFFS" của ESP32 và một chút nhận thức về HTML, CSS và Javascript để hiểu cách ứng dụng web hoạt động. Nó cũng cần thêm một vài / thư viện khác để hoạt động.

Vui lòng kiểm tra mã Arduino trong tệp zip được đính kèm để biết các thư viện bắt buộc và các tài liệu tham khảo sau để biết thêm thông tin về lập trình và tải lên hệ thống tệp SPIFFS:

Thư viện SPIFFS theo espressif

Trình tải lên tệp SPIFFS của me-no-dev

Thư viện ESP32WebServer của Pedroalbuquerque

Phiên bản mới này sẽ tạo ra một hướng dẫn hoàn toàn mới có thể được xuất bản trong tương lai. Nhưng hiện tại, đặc biệt là đối với những người dùng có kinh nghiệm hơn, chúng tôi không muốn bỏ lỡ cơ hội chia sẻ thông tin và tệp cơ bản mà bạn cần để thiết lập nó.

Các bước nhanh chóng để xây dựng CoMoS độc lập:

  • Xây dựng một trường hợp theo bước trước đó. Theo tùy chọn, in 3D một hộp đựng bổ sung cho đầu đọc thẻ micro SC được gắn vào hộp CoMoS. Nếu bạn không có sẵn máy in 3D, đầu đọc thẻ cũng có thể được đặt bên trong hộp đựng chính của CoMoS, đừng lo lắng.
  • Nối dây tất cả các cảm biến như đã mô tả trước đó, nhưng ngoài ra, hãy lắp và nối dây một đầu đọc thẻ micro SD (amazon.com) và đồng hồ thời gian thực DS3231 (adafruit.com) như được chỉ ra trong sơ đồ đấu dây kèm theo bước này. Lưu ý: Các chân cho điện trở pull-up và oneWire khác với sơ đồ đấu dây ban đầu!
  • Kiểm tra mã Arduino và điều chỉnh các biến điểm truy cập WiFi "ssid_AP" và "password_AP" theo sở thích cá nhân của bạn. Nếu không được điều chỉnh, SSID tiêu chuẩn là "CoMoS_AP" và mật khẩu là "12345678".
  • Chèn thẻ micro SD, tải mã lên, tải nội dung của thư mục "dữ liệu" lên ESP32 bằng trình tải lên tệp SPIFFS và kết nối bất kỳ thiết bị di động nào với điểm truy cập WiFi.
  • Điều hướng đến "192.168.4.1" trong trình duyệt di động của bạn và tận hưởng!

Tất cả ứng dụng đều dựa trên html, css và javascript. Nó là cục bộ, không cần kết nối internet. Nó có menu bên trong ứng dụng để truy cập trang thiết lập và trang bộ nhớ. Trên trang thiết lập, bạn có thể điều chỉnh các cài đặt quan trọng nhất như ngày và giờ cục bộ, khoảng thời gian đọc cảm biến, v.v. Tất cả cài đặt sẽ được lưu trữ vĩnh viễn trong bộ nhớ trong của ESP32 và được khôi phục vào lần khởi động tiếp theo. Trên trang bộ nhớ, danh sách các tệp trên thẻ SD có sẵn. Việc nhấp vào tên tệp sẽ bắt đầu tải xuống trực tiếp tệp CSV vào thiết bị di động.

Thiết lập hệ thống này cho phép giám sát cá nhân và từ xa các điều kiện môi trường trong nhà. Tất cả các chỉ số cảm biến được lưu trữ định kỳ trên thẻ SD, với các tệp mới sẽ được tạo cho mỗi ngày mới. Điều này cho phép một hoạt động liên tục trong nhiều tuần hoặc nhiều tháng mà không cần truy cập hoặc bảo trì. Như đã đề cập trước đây, đây vẫn là một nghiên cứu và phát triển liên tục. Nếu bạn muốn biết thêm chi tiết hoặc hỗ trợ, vui lòng liên hệ với tác giả tương ứng thông qua các bình luận hoặc trực tiếp qua LinkedIn.

Bước 10: Phần kết - Các vấn đề đã biết và Triển vọng

Phần kết - Các vấn đề đã biết và Triển vọng
Phần kết - Các vấn đề đã biết và Triển vọng
Phần kết - Các vấn đề đã biết và Triển vọng
Phần kết - Các vấn đề đã biết và Triển vọng

Trạm cảm biến được mô tả trong tài liệu hướng dẫn này là kết quả của một nghiên cứu lâu dài và liên tục. Mục tiêu là tạo ra một hệ thống cảm biến đáng tin cậy, chính xác nhưng chi phí thấp cho các điều kiện môi trường trong nhà. Điều này đã tổ chức và có một số thách thức nghiêm trọng, trong đó chắc chắn nhất cần được đề cập ở đây:

Độ chính xác của cảm biến và hiệu chuẩn

Các cảm biến được sử dụng trong dự án này đều cho độ chính xác tương đối cao với chi phí thấp hoặc vừa phải. Hầu hết đều được trang bị giảm tiếng ồn bên trong và giao diện bus kỹ thuật số để giao tiếp, giảm nhu cầu hiệu chuẩn hoặc điều chỉnh mức. Dù sao, vì các cảm biến được lắp đặt trong hoặc trên một hộp có các thuộc tính nhất định, nên việc hiệu chuẩn toàn bộ trạm cảm biến đã được các tác giả thực hiện, như thể hiện ngắn gọn trong các hình ảnh đính kèm. Tổng cộng có mười trạm cảm biến được xây dựng như nhau đã được thử nghiệm trong các điều kiện môi trường xác định và so sánh với thiết bị cảm biến khí hậu trong nhà chuyên nghiệp TESTO 480. Từ những lần chạy này, các hệ số hiệu chuẩn có trong mã ví dụ đã được xác định. Chúng cho phép bù đắp đơn giản ảnh hưởng của vỏ máy và thiết bị điện tử lên các cảm biến riêng lẻ. Để đạt được độ chính xác cao nhất, nên hiệu chuẩn riêng cho từng trạm cảm biến. Việc hiệu chuẩn hệ thống này là trọng tâm nghiên cứu thứ hai của các tác giả, bên cạnh việc phát triển và xây dựng được mô tả trong tài liệu hướng dẫn này. Nó được thảo luận trong một ấn phẩm bổ sung, được kết nối, vẫn đang trong quá trình đánh giá ngang hàng và sẽ được liên kết tại đây ngay khi nó được đưa lên mạng. Vui lòng tìm thêm thông tin về chủ đề này trên trang web của các tác giả.

ESP32 hoạt động ổn định

Không phải tất cả các thư viện cảm biến dựa trên Arduino được sử dụng trong mã này đều hoàn toàn tương thích với bảng ESP32. Vấn đề này đã được thảo luận rộng rãi tại nhiều điểm trên mạng, đặc biệt là về tính ổn định của giao tiếp I2C và OneWire. Trong quá trình phát triển này, một phát hiện và xử lý lỗi kết hợp mới được thực hiện, dựa trên việc cấp nguồn trực tiếp cho các cảm biến thông qua các chân IO của ESP32 để cho phép cắt nguồn điện của chúng cho mục đích thiết lập lại. Từ quan điểm ngày nay, giải pháp này đã không được trình bày hoặc không được thảo luận rộng rãi. Nó được sinh ra là cần thiết, nhưng cho đến nay vẫn hoạt động trơn tru trong khoảng thời gian hoạt động vài tháng và hơn thế nữa. Tuy nhiên, nó vẫn còn là một chủ đề nghiên cứu.

Quan điểm

Cùng với sự hướng dẫn này, các ấn phẩm viết thêm và các bài thuyết trình hội nghị được các tác giả thực hiện để truyền bá sự phát triển và cho phép ứng dụng mã nguồn mở rộng rãi. Trong khi đó, nghiên cứu vẫn được tiếp tục để cải thiện hơn nữa trạm cảm biến, đặc biệt là về thiết kế và khả năng sản xuất hệ thống cũng như hiệu chuẩn và xác minh hệ thống. Tài liệu hướng dẫn này có thể được cập nhật về những phát triển quan trọng trong tương lai, nhưng để biết tất cả thông tin cập nhật, vui lòng truy cập trang web của tác giả hoặc liên hệ trực tiếp với tác giả qua LinkedIn:

tác giả tương ứng: Mathias Kimmling

tác giả thứ hai: Konrad Lauenroth

cố vấn nghiên cứu: GS Sabine Hoffmann

Tác giả lần đầu tiên
Tác giả lần đầu tiên
Tác giả lần đầu tiên
Tác giả lần đầu tiên

Giải nhì tác giả lần đầu tiên