Nuovo strato di sensori IOT wireless per il sistema di monitoraggio ambientale domestico: 5 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Questo Instructable descrive un livello di sensore IOT wireless alimentato a batteria a basso costo per il mio precedente Instructable: LoRa IOT Home Environmental Monitoring System. Se non hai già visto questo Instructable precedente, ti consiglio di leggere l'introduzione per una panoramica delle capacità del sistema che ora sono estese a questo nuovo livello di sensori.

L'originale LoRa IOT Home Environmental Monitoring System ha raggiunto gli obiettivi che mi ero prefissato quando è stato pubblicato nell'aprile 2017. Tuttavia, dopo aver utilizzato il sistema di monitoraggio per un certo numero di mesi per monitorare la temperatura e l'umidità su ogni piano della casa, ho voluto aggiungere altri 11 sensori in punti particolarmente vulnerabili della casa; tra cui, sei sensori posizionati strategicamente nel seminterrato, sensori in ogni bagno e un sensore in soffitta, lavanderia e cucina.

Piuttosto che aggiungere altri sensori basati su LoRa dal precedente Instructable, che sono piuttosto costosi e alimentati tramite adattatori CA, ho deciso di aggiungere uno strato di sensori a batteria a basso costo utilizzando trasmettitori di collegamento RF a 434 MHz. Per mantenere la compatibilità con il sistema di monitoraggio ambientale domestico IOT LoRa esistente, ho aggiunto un bridge wireless per ricevere i pacchetti a 434 MHz e ritrasmetterli come pacchetti LoRa a 915 MHz.

Il nuovo livello di sensori è costituito dai seguenti sottosistemi:

1. Telecomandi wireless a 434 MHz - sensori di temperatura e umidità a batteria
2. Wireless Bridge: riceve pacchetti da 434 MHz e li ritrasmette come pacchetti LoRa.

I telecomandi wireless a 434 MHz utilizzano una potenza di trasmissione inferiore e protocolli meno robusti rispetto alle radio LoRa, quindi la posizione del ponte wireless in casa viene scelta per garantire una comunicazione affidabile con tutti i telecomandi wireless a 434 MHz. L'utilizzo del bridge wireless consente di ottimizzare la comunicazione con i telecomandi wireless a 434 MHz senza imporre alcun vincolo sulla posizione del gateway IOT LoRa.

I telecomandi wireless a 434 MHz e il bridge wireless sono realizzati utilizzando moduli hardware prontamente disponibili e alcuni singoli componenti. Le parti possono essere ottenute da Adafruit, Sparkfun e Digikey; in molti casi, le parti Adafruit e Sparkfun sono disponibili anche da Digikey. Sono necessarie competenze di saldatura competenti per assemblare l'hardware, in particolare il cablaggio punto a punto dei telecomandi wireless a 434 MHz. Il codice Arduino è ben commentato per la comprensione e per consentire una facile estensione delle funzionalità.

Gli obiettivi di questo progetto includevano i seguenti:

• Trova una tecnologia wireless a basso costo adatta agli ambienti domestici.
• Sviluppa un sensore wireless alimentato a batteria in grado di funzionare per un certo numero di anni con un set di batterie.
• Non richiede alcuna modifica all'hardware o al software del gateway IOT LoRa dal mio precedente Instructable.

Il costo totale delle parti per i telecomandi wireless a 434 MHz, escluse le batterie 3xAA, è di $ 25, di cui il sensore di temperatura e umidità SHT31-D rappresenta più della metà (14 $).

Come con i telecomandi LoRa del mio precedente Instructable, i telecomandi wireless a 434 MHz rilevano la temperatura e l'umidità e riferiscono al gateway IOT LoRa, tramite il bridge wireless, ogni 10 minuti. Gli undici radiocomandi a 434 MHz sono stati messi in funzione nel dicembre 2017 utilizzando 3 batterie AA che forniscono nominalmente 4,5 V. Le letture della batteria degli undici sensori a dicembre 2017 variavano da 4,57 V a 4,71 V, sedici mesi dopo, a maggio 2019, le letture della batteria andavano da 4,36 V a 4,55 V. L'uso di parti con un ampio intervallo di tensione operativa dovrebbe garantire il funzionamento dei sensori per un altro anno o più, a condizione di mantenere l'affidabilità del collegamento RF poiché la potenza di trasmissione viene ridotta con tensioni della batteria inferiori.

L'affidabilità del livello del sensore a 434 MHz è stata eccellente nel mio ambiente domestico. Il nuovo livello di sensori è distribuito su 4.200 piedi quadrati di spazio finito e 1.800 piedi quadrati di spazio seminterrato non finito. I sensori sono separati dal Wireless Bridge da una combinazione di 2 - 3 pareti interne e pavimento/soffitto. Il gateway IOT LoRa del mio precedente Instructable invia un SMS di avviso se la comunicazione con un sensore viene persa per più di 60 minuti (6 rapporti persi di dieci minuti). Un sensore, a terra in un angolo in fondo al seminterrato dietro a scatole impilate, di tanto in tanto causerà un avviso di perdita di contatto, tuttavia, in tutti i casi, la comunicazione con il sensore si ristabilirà senza alcun intervento.

Grazie per aver visitato questa istruzione e per ulteriori informazioni, consulta i passaggi seguenti.

1. Design del sensore wireless a batteria
2. Hardware remoto wireless a 434 MHz
3. Software remoto wireless a 434 MHz
4. Hardware per bridge wireless
5. Software per bridge wireless

Passaggio 1: progettazione del sensore wireless a batteria

Il design del telecomando wireless a 434 MHz utilizza le seguenti parti:

• ATtiny85 Microcontrollore AVR a 8 bit
• Sensirion SHT31-D - Scheda di breakout del sensore di temperatura e umidità
• Trasmettitore di collegamento RF Sparkfun 434-MHz
• Resistenza da 10K Ohm

Una delle prime decisioni di progettazione è stata quella di evitare dispositivi che richiedono 3,3 V o 5 V regolati e selezionare parti che funzionano in un ampio intervallo di tensione. Ciò elimina la necessità di regolatori di tensione che sono dissipatori di energia in un design a batteria e prolunga la durata operativa dei sensori poiché continueranno a funzionare più a lungo man mano che la tensione della batteria diminuisce nel tempo. Le gamme di tensione di esercizio per le parti scelte sono le seguenti:

• ATtiny85: da 2,7 V a 5,5 V
• SHT31-D: da 2,4 V a 5,5 V
• Collegamento RF Tx: da 1,5 V a 12 V

Lasciando un certo margine, i telecomandi wireless a 434 MHz dovrebbero funzionare funzionalmente fino a una tensione della batteria di 3 V. Come già notato, resta solo da vedere come viene mantenuta l'affidabilità del collegamento RF poiché la potenza di trasmissione viene ridotta con tensioni della batteria più basse.

È stata presa la decisione di utilizzare 3 batterie AA per fornire una tensione di avviamento nominale di 4,5 V. Dopo 16 mesi di funzionamento, la tensione di batteria più bassa misurata è 4,36V.

Il Watch Dog Timer (WDT) ATtiny85 viene utilizzato per mantenere il telecomando wireless a 434 MHz in modalità Sleep per la maggior parte del tempo. L'ATtiny85 viene svegliato dal WDT ogni 8 secondi per incrementare un contatore di 10 minuti; al raggiungimento di un intervallo di 10 minuti, viene eseguita una misurazione e trasmesso un pacchetto di dati.

Per ridurre ulteriormente il consumo energetico, l'SHT31-D e il trasmettitore di collegamento RF sono alimentati da un pin della porta I/O digitale sull'ATtiny85 configurato come uscita. L'alimentazione viene applicata quando il pin I/O è impostato su High (1) e rimossa quando il pin I/O è impostato su Low (0). Tramite il software, l'alimentazione viene applicata a queste periferiche solo ogni 10 minuti per 1 - 2 secondi durante l'esecuzione e la trasmissione delle misurazioni. Fare riferimento a Software remoto wireless a 434 MHz per la descrizione del software correlato.

L'unico altro componente utilizzato nel telecomando wireless a 434 MHz è un resistore da 10K ohm utilizzato per sollevare il pin di ripristino sull'ATtiny85.

Un primo progetto utilizzava un divisore di tensione resistivo attraverso la batteria per consentire a un pin ADC sull'ATTINY85 di misurare la tensione della batteria. Sebbene piccolo, questo partitore di tensione caricava costantemente la batteria. Alcune ricerche hanno scoperto un trucco che utilizza la tensione di riferimento del gap di banda interno di 1,1 V ATtiny85 per misurare Vcc (tensione della batteria). Impostando la tensione di riferimento dell'ADC su Vcc e misurando la tensione di riferimento interna di 1,1 V, è possibile risolvere per Vcc. La tensione di riferimento interna di 1,1 V dell'ATtiny85 è costante finché Vcc > 3 V. Fare riferimento a Software remoto wireless a 434 MHz per la descrizione del software correlato.

La comunicazione tra ATtiny85 e SHT31-D avviene tramite bus I2C. La scheda breakout Adafruit SHT31-D include resistori pull-up per il bus I2C.

La comunicazione tra ATtiny85 e il trasmettitore di collegamento RF avviene tramite un pin I/O digitale configurato come uscita. La libreria RadioHead Packet Radio RH_ASK viene utilizzata per il tasto On-Off (OOK / ASK) del trasmettitore di collegamento RF tramite questo pin I/O digitale.

Passaggio 2: hardware remoto wireless a 434 MHz

Elenco delle parti:

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

1 x portabatteria 3 x celle AA, Digikey PN BC3AAW-ND

1 x scheda breakout Adafruit Sensiron SHT31-D, Digikey PN 1528-1540-ND

1 x trasmettitore di collegamento RF Sparkfun (434 MHz), Digikey PN 1568-1175-ND

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

1 x presa DIP a 8 pin, Digikey PN AE10011-ND

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

6,75 / 17 cm di lunghezza del filo di rame smaltato 18AWG

1 x pezzo di nastro biadesivo in schiuma

Cavo di avvolgimento del filo da 18 / 45 cm

Viene utilizzata una presa per ATtiny85 poiché la programmazione in-circuit non è supportata.

La scheda breakout SHT31-D, il trasmettitore di collegamento RF, la presa DIP a 8 pin e il cavo dell'antenna sono saldati sulla breadboard come mostrato nella foto sopra. Rimuovere lo smalto da 1/4 del cavo dell'antenna 18AWG prima di saldare alla breadboard.

Il resistore da 10K ohm è saldato sulla breadboard tra i pin 1 e 8 della presa DIP a 8 pin.

Il filo di avvolgimento del filo è saldato sul retro della breadboard per realizzare i collegamenti tra i componenti in conformità con il diagramma schematico del telecomando wireless mostrato nel passaggio precedente.

I cavi positivo e negativo dal supporto della batteria sono saldati a un set di bus "+" e "-", rispettivamente, sulla breadboard.

Il telecomando wireless a 434 MHz è testato con il bridge wireless e il gateway IOT LoRa. Il telecomando wireless a 434 MHz invierà immediatamente un pacchetto ogni volta che le batterie vengono inserite e successivamente ogni ~10 minuti. Dopo aver ricevuto un pacchetto wireless dal livello del sensore a 434 MHz, il LED verde sul bridge wireless lampeggia per ~0,5 secondi. Il nome della stazione, la temperatura e l'umidità dovrebbero essere visualizzati dal gateway IOT LoRa se il numero della stazione remota wireless a 434 MHz è stato fornito nel gateway.

Una volta che il telecomando wireless è stato testato correttamente con un ATtiny85 programmato, un pezzo del nastro biadesivo in schiuma, tagliato della stessa dimensione della breadboard, viene utilizzato per fissare la breadboard completata al supporto della batteria.

Passaggio 3: software remoto wireless a 434 MHz

Il software del telecomando wireless a 434 MHz è allegato a questo passaggio ed è ben commentato.

Ho programmato i microcontrollori ATtiny85 utilizzando un programmatore Sparkfun Tiny AVR e l'IDE Arduino. Sparkfun ha un ampio tutorial su come impostare driver e così via e come far funzionare il programmatore con l'IDE Arduino.

Ho aggiunto un socket ZIF (Zero Insertion Force) al Tiny AVR Programmer per semplificare l'aggiunta e la rimozione di chip dal programmatore.

Passaggio 4: hardware del bridge wireless

Elenco delle parti:

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 scheda ricetrasmettitore radio Adafruit RFM9W LoRa (915-MHz), Digikey PN 1528-1667-ND

1 x ricevitore di collegamento RF Sparkfun (434 MHz), Digikey PN 1568-1173-ND

1 x presa DIP a 8 pin, Digikey PN AE10011-ND

6,75 / 17 cm di lunghezza del filo di rame smaltato 18AWG

3,25 / 8,5 cm di lunghezza del filo di rame smaltato 18AWG

Cavo di avvolgimento del filo da 61 cm/24"

1 x cavo USB A / MicroB, 90 cm, Adafruit PID 592

1 x alimentatore porta USB 5V 1A, Adafruit PID 501

Assemblare lo scudo di prototipazione secondo le istruzioni su Adafruit.com.

Assemblare la scheda ricetrasmettitore RFM95W LoRa secondo le istruzioni su Adafruit.com. La lunghezza di 3,25"/8,5 cm del cavo 18AWG viene utilizzata per l'antenna e viene saldata direttamente alla scheda del ricetrasmettitore dopo aver rimosso 1/4" di smalto dal filo.

Tagliare con cura la presa DIP a 8 pin a metà della lunghezza per creare due set di prese SIP a 4 pin.

Saldare le due prese SIP a 4 pin allo scudo di prototipazione come mostrato. Questi saranno usati per collegare il ricevitore del collegamento RF, quindi assicurati che siano nei fori giusti per abbinare il trasmettitore del collegamento RF prima della saldatura.

Saldare la scheda ricetrasmettitore RFM9W LoRa allo scudo di prototipazione come mostrato.

Le seguenti connessioni vengono effettuate tra Arduino Uno e la scheda ricetrasmettitore RFM9W utilizzando il cavo di avvolgimento del cavo sul lato superiore della scheda di prototipazione:

RFM9W G0 Arduino Digital I/O Pin 2, la libreria RadioHead utilizza Interrupt 0 su questo pin

RFM9W SCK Arduino ICSP header, pin 3

RFM9W MISO Intestazione Arduino ICSP, pin 1

RFM9W MOSI Arduino ICSP header, pin 4

RFM9W CS Arduino Digitale I/O Pin 8

RFM9W RST Arduino Digital I/O Pin 9

Sul lato inferiore della scheda di prototipazione vengono effettuati i seguenti collegamenti:

RFM9W VIN Scheda prototipazione bus 5V

RFM9W GND Bus di terra (GND) della scheda di prototipazione

Collegamento RF Rx Pin 1 (GND) Bus di terra (GND) della scheda di prototipazione

Collegamento RF Rx Pin 2 (uscita dati) Arduino Digital I/O Pin 6

Collegamento RF Rx Pin 2 (Vcc) Scheda prototipazione bus 5V

Scheda Proto LED verde Arduino Pin I/O digitale 7

Le informazioni sui pin per il ricevitore del collegamento RF sono disponibili su www.sparkfun.com.

Spellare lo smalto da 1/4' della lunghezza di 6,75 del cavo 18AWG e inserirlo nel foro della scheda di prototipazione immediatamente adiacente al pin 8 (antenna) del collegamento RF Rx. Una volta inserito nel foro, piegare l'estremità spellata in modo che contatto con RF Link Rx Pin 8 e saldarlo in posizione.

Programma Arduino Uno con lo schizzo fornito nel passaggio successivo. Al ripristino o all'accensione, il LED verde lampeggerà due volte per 0,5s. Alla ricezione di un pacchetto wireless dal livello del sensore a 434 MHz, il LED verde lampeggia per ~0,5 secondi.

Passaggio 5: software bridge wireless

Il software Wireless Bridge è allegato a questo passaggio ed è ben commentato.