เลเยอร์เซ็นเซอร์ IOT ไร้สายใหม่สำหรับระบบตรวจสอบสภาพแวดล้อมภายในบ้าน: 5 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:05

คำแนะนำนี้อธิบายเลเยอร์เซ็นเซอร์ IOT ไร้สายที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ในราคาประหยัดสำหรับคำแนะนำก่อนหน้าของฉัน: LoRa IOT Home Environmental Monitoring System หากคุณยังไม่ได้ดู Instructable ก่อนหน้านี้ เราขอแนะนำให้คุณอ่านบทนำเพื่อดูภาพรวมความสามารถของระบบ ซึ่งตอนนี้ได้ขยายไปยังเลเยอร์เซ็นเซอร์ใหม่นี้แล้ว

ระบบตรวจสอบสภาพแวดล้อมภายในบ้าน LoRa IOT ดั้งเดิมบรรลุวัตถุประสงค์ที่ฉันกำหนดไว้เมื่อเผยแพร่ในเดือนเมษายน 2017 อย่างไรก็ตาม หลังจากใช้ระบบตรวจสอบเป็นเวลาหลายเดือนเพื่อตรวจสอบอุณหภูมิและความชื้นในแต่ละชั้นของบ้าน ฉันอยากจะ เพิ่มเซ็นเซอร์อีก 11 ตัวในพื้นที่เสี่ยงโดยเฉพาะอย่างยิ่งในบ้าน ซึ่งรวมถึงเซ็นเซอร์หกตัวที่วางไว้อย่างมีกลยุทธ์ในห้องใต้ดิน เซ็นเซอร์ในห้องน้ำแต่ละห้อง และเซ็นเซอร์หนึ่งตัวในห้องใต้หลังคา ห้องซักรีด และห้องครัว

แทนที่จะเพิ่มเซ็นเซอร์ที่ใช้ LoRa จาก Instructable รุ่นก่อนซึ่งค่อนข้างแพงและใช้พลังงานจากอะแดปเตอร์ AC ฉันตัดสินใจเพิ่มชั้นของเซ็นเซอร์ที่ใช้แบตเตอรี่ในราคาที่ต่ำกว่าโดยใช้เครื่องส่งสัญญาณ RF Link 434-MHz เพื่อรักษาความเข้ากันได้กับ LoRa IOT Home Environmental Monitoring System ที่มีอยู่ ฉันได้เพิ่มบริดจ์ไร้สายเพื่อรับแพ็กเก็ต 434-MHz และส่งข้อมูลใหม่เป็นแพ็กเก็ต LoRa ที่ 915-MHz

เลเยอร์เซ็นเซอร์ใหม่ประกอบด้วยระบบย่อยต่อไปนี้:

1. รีโมทไร้สาย 434-MHz - เซ็นเซอร์อุณหภูมิและความชื้นที่ใช้แบตเตอรี่
2. Wireless Bridge - รับแพ็กเก็ต 434-MHz และส่งใหม่เป็นแพ็กเก็ต LoRa

รีโมทไร้สาย 434 เมกะเฮิรตซ์ใช้พลังงานในการส่งต่ำกว่าและโปรโตคอลที่ทนทานน้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับวิทยุ LoRa ดังนั้นจึงเลือกตำแหน่งสะพานไร้สายในบ้านเพื่อให้แน่ใจว่าการสื่อสารที่เชื่อถือได้กับรีโมทไร้สาย 434 เมกะเฮิรตซ์ทั้งหมด การใช้ Wireless Bridge ช่วยให้สามารถสื่อสารกับรีโมทไร้สาย 434-MHz ได้อย่างเหมาะสมโดยไม่ต้องวางข้อจำกัดใดๆ เกี่ยวกับตำแหน่งของ LoRa IOT Gateway

รีโมทไร้สาย 434 เมกะเฮิรตซ์และสะพานไร้สายสร้างขึ้นโดยใช้โมดูลฮาร์ดแวร์ที่พร้อมใช้งานและส่วนประกอบบางส่วน ชิ้นส่วนสามารถรับได้จาก Adafruit, Sparkfun และ Digikey; ในหลายกรณี ชิ้นส่วน Adafruit และ Sparkfun ก็มีจำหน่ายจาก Digikey ด้วย ทักษะการบัดกรีที่มีความสามารถเป็นสิ่งจำเป็นในการประกอบฮาร์ดแวร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การเดินสายแบบจุดต่อจุดของรีโมทไร้สาย 434-MHz โค้ด Arduino ได้รับการแสดงความคิดเห็นอย่างดีเพื่อความเข้าใจและเพื่อให้สามารถขยายฟังก์ชันการทำงานได้ง่าย

วัตถุประสงค์ของโครงการนี้มีดังต่อไปนี้:

• ค้นหาเทคโนโลยีไร้สายราคาประหยัดที่เหมาะกับสภาพแวดล้อมในครัวเรือน
• พัฒนาเซ็นเซอร์ไร้สายที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ซึ่งสามารถทำงานได้นานหลายปีด้วยแบตเตอรี่เพียงชุดเดียว
• ไม่ต้องดัดแปลงฮาร์ดแวร์หรือซอฟต์แวร์ LoRa IOT Gateway จาก Instructable ก่อนหน้าของฉัน

ค่าอะไหล่ทั้งหมดสำหรับรีโมทไร้สาย 434-MHz ไม่รวมแบตเตอรี่ 3xAA คือ 25 ดอลลาร์ ซึ่งเซ็นเซอร์อุณหภูมิและความชื้น SHT31-D คิดเป็นมูลค่ามากกว่าครึ่ง (14 ดอลลาร์)

เช่นเดียวกับรีโมต LoRa จาก Instructable รุ่นก่อนหน้าของฉัน รีโมทไร้สาย 434-MHz จะอ่านค่าอุณหภูมิและความชื้น และรายงานไปยัง LoRa IOT Gateway ผ่าน Wireless Bridge ทุกๆ 10 นาที รีโมทไร้สาย 434 เมกะเฮิรตซ์ 11 ตัวถูกนำไปใช้งานในเดือนธันวาคม 2560 โดยใช้แบตเตอรี่ AA 3 ก้อนที่ให้พลังงาน 4.5V ในนาม การอ่านค่าแบตเตอรี่จากเซ็นเซอร์ 11 ตัวในเดือนธันวาคม 2017 อยู่ในช่วง 4.57V ถึง 4.71V สิบหกเดือนต่อมาในเดือนพฤษภาคม 2019 การอ่านค่าแบตเตอรี่มีตั้งแต่ 4.36V ถึง 4.55V การใช้ชิ้นส่วนที่มีช่วงแรงดันไฟในการทำงานที่กว้างควรรับประกันการทำงานของเซ็นเซอร์ไปอีกหนึ่งปีหรือมากกว่านั้น โดยขึ้นอยู่กับการรักษาความน่าเชื่อถือของลิงค์ RF เนื่องจากกำลังส่งจะลดลงด้วยแรงดันแบตเตอรี่ที่ต่ำลง

ความน่าเชื่อถือของเลเยอร์เซ็นเซอร์ 434-MHz นั้นยอดเยี่ยมมากในสภาพแวดล้อมในบ้านของฉัน เลเยอร์เซ็นเซอร์ใหม่นี้ใช้กับพื้นที่สำเร็จรูป 4, 200 SqFt และ 1,800 SqFt ของพื้นที่ชั้นใต้ดินที่ยังไม่เสร็จ เซ็นเซอร์ถูกแยกออกจาก Wireless Bridge ด้วยการผสมผสานระหว่างผนังภายในและพื้น/เพดาน 2 - 3 ตัว LoRa IOT Gateway จาก Instructable ก่อนหน้าของฉันจะส่ง SMS Alert หากการสื่อสารหายไปด้วยเซ็นเซอร์นานกว่า 60 นาที (รายงาน 6 พลาดสิบนาที) เซ็นเซอร์หนึ่งตัวที่อยู่บนพื้นตรงมุมที่ปลายสุดของห้องใต้ดินด้านหลังกล่องที่ซ้อนกัน จะทำให้การแจ้งเตือนขาดการติดต่อเป็นระยะๆ อย่างไรก็ตาม การสื่อสารกับเซ็นเซอร์จะสร้างใหม่โดยไม่มีการแทรกแซงใดๆ ในทุกกรณี

ขอบคุณสำหรับการเยี่ยมชมคำแนะนำนี้และโปรดดูขั้นตอนต่อไปนี้สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม

1. การออกแบบเซนเซอร์ไร้สายที่ใช้แบตเตอรี่
2. ฮาร์ดแวร์รีโมทไร้สาย 434-MHz
3. ซอฟต์แวร์รีโมทไร้สาย 434-MHz
4. ฮาร์ดแวร์บริดจ์ไร้สาย
5. ซอฟต์แวร์บริดจ์ไร้สาย

ขั้นตอนที่ 1: การออกแบบเซ็นเซอร์ไร้สายที่ใช้แบตเตอรี่

การออกแบบสำหรับรีโมทไร้สาย 434-MHz ใช้ส่วนต่าง ๆ ดังต่อไปนี้:

• ATtiny85 8 บิต AVR ไมโครคอนโทรลเลอร์
• Sensirion SHT31-D - บอร์ดฝ่าวงล้อมเซนเซอร์อุณหภูมิและความชื้น
• Sparkfun 434-MHz RF Link ทรานสมิตเตอร์
• ตัวต้านทาน 10K โอห์ม

หนึ่งในการตัดสินใจในการออกแบบในช่วงแรกๆ คือการหลีกเลี่ยงอุปกรณ์ที่ต้องใช้ 3.3V หรือ 5V ที่ได้รับการควบคุม และเลือกชิ้นส่วนที่ทำงานในช่วงแรงดันไฟฟ้ากว้าง วิธีนี้ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าซึ่งเป็นตัวสิ้นเปลืองพลังงานในการออกแบบที่ใช้แบตเตอรี่ และยืดอายุการใช้งานของเซ็นเซอร์ เนื่องจากจะทำงานได้ยาวนานขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลดลงเมื่อเวลาผ่านไป ช่วงแรงดันไฟฟ้าสำหรับชิ้นส่วนที่เลือกมีดังนี้:

• ATtiny85: 2.7V ถึง 5.5V
• SHT31-D: 2.4V ถึง 5.5V
• RF ลิงค์ Tx: 1.5V ถึง 12V

เว้นระยะขอบไว้บ้าง รีโมทไร้สาย 434-MHz ควรทำงานที่แรงดันแบตเตอรี่ 3V ดังที่ระบุไว้แล้ว ยังคงต้องดูว่าความน่าเชื่อถือของลิงค์ RF นั้นรักษาไว้ได้ดีเพียงใด เนื่องจากกำลังส่งลดลงด้วยแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ที่ต่ำลง

ตัดสินใจใช้แบตเตอรี่ AA 3 ก้อนเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าเริ่มต้น 4.5V เพียงเล็กน้อย หลังจากใช้งานมา 16 เดือน แรงดันแบตเตอรี่ต่ำสุดที่วัดได้คือ 4.36V

ATtiny85 Watch Dog Timer (WDT) ใช้เพื่อให้รีโมทไร้สาย 434 MHz อยู่ในโหมดสลีปเป็นส่วนใหญ่ ATtiny85 ถูกปลุกโดย WDT ทุกๆ 8 วินาทีเพื่อเพิ่มตัวนับ 10 นาที; เมื่อถึงช่วง 10 นาที จะมีการวัดและส่งข้อมูลแพ็กเก็ต

เพื่อลดการใช้พลังงาน เครื่องส่งสัญญาณ SHT31-D และ RF Link ใช้พลังงานจากพินพอร์ต I/O ดิจิทัลบน ATtiny85 ที่กำหนดค่าเป็นเอาต์พุต กำลังไฟฟ้าจะถูกนำไปใช้เมื่อพิน I/O ถูกขับเคลื่อนด้วย High (1) และถูกถอดออกเมื่อพิน I/O ถูกขับเคลื่อนที่ระดับต่ำ (0) ด้วยซอฟต์แวร์ พลังงานจะถูกนำไปใช้กับอุปกรณ์ต่อพ่วงเหล่านี้ทุก 10 นาทีเป็นเวลา 1 - 2 วินาทีในขณะที่กำลังดำเนินการและส่งการวัด อ้างถึง 434-MHz Wireless Remote Software สำหรับคำอธิบายของซอฟต์แวร์ที่เกี่ยวข้อง

ส่วนประกอบอื่นๆ ที่ใช้ในรีโมตไร้สาย 434-MHz คือตัวต้านทาน 10K ohm ที่ใช้ดึงพินรีเซ็ตบน ATtiny85

การออกแบบในช่วงแรกใช้ตัวแบ่งแรงดันไฟแบบต้านทานทั่วทั้งแบตเตอรี่เพื่อเปิดใช้งานพิน ADC บน ATTINY85 เพื่อวัดแรงดันแบตเตอรี่ แม้ว่าจะมีขนาดเล็ก แต่ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้านี้ทำให้แบตเตอรี่มีภาระคงที่ งานวิจัยบางชิ้นค้นพบเคล็ดลับที่ใช้แรงดันอ้างอิงช่องว่างแบนด์ 1.1V ภายในของ ATtiny85 เพื่อวัด Vcc (แรงดันแบตเตอรี่) โดยการตั้งค่าแรงดันอ้างอิง ADC เป็น Vcc และการวัดแรงดันอ้างอิงภายใน 1.1V จะสามารถแก้ปัญหา Vcc ได้ แรงดันอ้างอิงภายใน 1.1V ของ ATtiny85 จะคงที่ตราบเท่าที่ Vcc > 3V อ้างถึง 434-MHz Wireless Remote Software สำหรับคำอธิบายของซอฟต์แวร์ที่เกี่ยวข้อง

การสื่อสารระหว่าง ATtiny85 และ SHT31-D นั้นใช้บัส I2C บอร์ดฝ่าวงล้อม Adafruit SHT31-D มีตัวต้านทานแบบดึงขึ้นสำหรับบัส I2C

การสื่อสารระหว่าง ATtiny85 และ RF Link Transmitter นั้นผ่านพิน I/O ดิจิทัลที่กำหนดค่าเป็นเอาต์พุต ไลบรารี RadioHead Packet Radio RH_ASK ใช้สำหรับเปิด-ปิด Key (OOK / ASK) เครื่องส่งสัญญาณ RF Link ผ่านพิน I/O ดิจิทัลนี้

ขั้นตอนที่ 2: ฮาร์ดแวร์รีโมทไร้สาย 434-MHz

ส่วนรายการ:

1 x Adafruit 1/4 เขียงหั่นขนมขนาด Digikey PN 1528-1101-ND

1 x ที่ใส่แบตเตอรี่ 3 x เซลล์ AA, Digikey PN BC3AAW-ND

1 x Adafruit Sensiron SHT31-D บอร์ดฝ่าวงล้อม Digikey PN 1528-1540-ND

1 x Sparkfun RF Link Transmitter (434-MHz), Digikey PN 1568-1175-ND

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

1 x ซ็อกเก็ต DIP 8 พิน, Digikey PN AE10011-ND

1 x 10K โอห์ม, ตัวต้านทาน 1/8W, Digikey PN CF18JT10K0CT-ND

6.75 / 17cm ยาว 18AWG เคลือบลวดทองแดง

1 x ชิ้นเทปโฟมสองหน้า

ลวดพันสายไฟ 18 / 45ซม.

ซ็อกเก็ตใช้สำหรับ ATtiny85 เนื่องจากไม่รองรับการเขียนโปรแกรมในวงจร

บอร์ดฝ่าวงล้อม SHT31-D, เครื่องส่งสัญญาณ RF Link, ซ็อกเก็ต DIP 8 พิน และสายเสาอากาศถูกบัดกรีบนเขียงหั่นขนมตามที่แสดงในภาพด้านบน ถอดเคลือบออกจาก 1/4 ของสายเสาอากาศ 18AWG ก่อนบัดกรีไปที่เขียงหั่นขนม

ตัวต้านทาน 10K ohm ถูกบัดกรีบนเขียงหั่นขนมระหว่างพิน 1 และ 8 ของซ็อกเก็ต DIP 8 พิน

ลวดพันลวดถูกบัดกรีที่ด้านหลังของเขียงหั่นขนมเพื่อทำการเชื่อมโยงระหว่างส่วนประกอบตามแผนผัง Wireless Remote ที่แสดงในขั้นตอนก่อนหน้า

ขั้วบวกและขั้วลบจากที่ใส่แบตเตอรี่ถูกบัดกรีเข้ากับบัส "+" และ "-" หนึ่งชุดตามลำดับบนเขียงหั่นขนม

รีโมทไร้สาย 434 MHz ได้รับการทดสอบกับ Wireless Bridge และ LoRa IOT Gateway รีโมทไร้สาย 434 MHz จะส่งแพ็กเก็ตทันทีทุกครั้งที่ใส่แบตเตอรี่ และหลังจากนั้นทุกๆ ประมาณ 10 นาที เมื่อได้รับแพ็กเก็ตไร้สายจากเลเยอร์เซ็นเซอร์ 434-MHz ไฟ LED สีเขียวบน Wireless Bridge จะกะพริบประมาณ 0.5 วินาที ชื่อสถานี อุณหภูมิ และความชื้นควรแสดงโดย LoRa IOT Gateway หากหมายเลขสถานีระยะไกลไร้สาย 434-MHz ได้รับการจัดเตรียมในเกตเวย์

เมื่อรีโมตไร้สายได้รับการทดสอบด้วย ATtiny85 ที่ตั้งโปรแกรมไว้ เทปโฟมสองหน้าที่ตัดให้มีขนาดเท่ากับเขียงหั่นขนม จะถูกใช้เพื่อติดเขียงหั่นขนมที่เสร็จแล้วเข้ากับที่ใส่แบตเตอรี่

ขั้นตอนที่ 3: ซอฟต์แวร์รีโมทไร้สาย 434-MHz

ซอฟต์แวร์รีโมทไร้สาย 434-MHz แนบมากับขั้นตอนนี้และให้ความเห็นเป็นอย่างดี

ฉันตั้งโปรแกรมไมโครคอนโทรลเลอร์ ATtiny85 โดยใช้โปรแกรมเมอร์ Sparkfun Tiny AVR และ Arduino IDE Sparkfun มีบทช่วยสอนที่ครอบคลุมเกี่ยวกับวิธีการตั้งค่าไดรเวอร์และอื่นๆ และวิธีทำให้โปรแกรมเมอร์ทำงานกับ Arduino IDE

ฉันเพิ่มซ็อกเก็ต ZIF (Zero Insertion Force) ให้กับ Tiny AVR Programmer เพื่อให้ง่ายต่อการเพิ่มและนำชิปออกจากโปรแกรมเมอร์

ขั้นตอนที่ 4: ฮาร์ดแวร์บริดจ์ไร้สาย

ส่วนรายการ:

1 x Arduino Uno R3, Digikey PN 1050-1024-ND

1 x Adafruit Proto Shield Arduino Stack VR3, Digikey PN 1528-1207-ND

1 x Adafruit RFM9W LoRa วิทยุ Transceiver Board (915-MHz), Digikey PN 1528-1667-ND

1 x Sparkfun RF Link ตัวรับ (434-MHz), Digikey PN 1568-1173-ND

1 x ซ็อกเก็ต DIP 8 พิน, Digikey PN AE10011-ND

6.75 / 17cm ยาว 18AWG เคลือบลวดทองแดง

3.25 / 8.5cm ยาว 18AWG เคลือบลวดทองแดง

ลวดพันลวดขนาด 24 นิ้ว / 61 ซม.

1 x สาย USB A / MicroB, 3 ฟุต, Adafruit PID 592

แหล่งจ่ายไฟพอร์ต USB 1 x 5V 1A, Adafruit PID 501

ประกอบเกราะป้องกันต้นแบบตามคำแนะนำใน Adafruit.com

ประกอบบอร์ดตัวรับส่งสัญญาณ RFM95W LoRa ตามคำแนะนำบน Adafruit.com ลวด 18AWG ยาว 3.25" / 8.5 ซม. ใช้สำหรับเสาอากาศ และบัดกรีโดยตรงไปยังบอร์ดรับส่งสัญญาณหลังจากลอกเคลือบ 1/4" ออกจากลวด

ตัดซ็อกเก็ต DIP 8 พินอย่างระมัดระวังครึ่งทางเพื่อสร้างซ็อกเก็ต SIP 4 พินสองชุด

ประสานซ็อกเก็ต SIP 4 พินสองตัวเข้ากับแผงป้องกันต้นแบบตามที่แสดง สิ่งเหล่านี้จะถูกใช้เพื่อเสียบตัวรับสัญญาณ RF Link ดังนั้นตรวจสอบให้แน่ใจว่าพวกมันอยู่ในรูที่ถูกต้องเพื่อให้เข้ากับตัวส่งสัญญาณ RF Link ก่อนทำการบัดกรี

ประสานบอร์ดตัวรับส่งสัญญาณ RFM9W LoRa กับแผงป้องกันต้นแบบตามที่แสดง

การเชื่อมต่อต่อไปนี้ทำขึ้นระหว่าง Arduino Uno และบอร์ดรับส่งสัญญาณ RFM9W โดยใช้ลวดพันลวดที่ด้านบนของบอร์ดต้นแบบ:

RFM9W G0 Arduino Digital I/O Pin 2, RadioHead library ใช้ Interrupt 0 บนพินนี้

RFM9W SCK Arduino ส่วนหัว ICSP พิน 3

RFM9W ส่วนหัว MISO Arduino ICSP พิน 1

ส่วนหัว RFM9W MOSI Arduino ICSP พิน 4

RFM9W CS Arduino Digital I/O Pin 8

RFM9W RST Arduino Digital I/O Pin 9

การเชื่อมต่อต่อไปนี้ทำขึ้นที่ด้านล่างของบอร์ดต้นแบบ:

RFM9W VIN บอร์ดสร้างต้นแบบ 5V บัส

RFM9W GND ต้นแบบบอร์ดกราวด์ (GND) บัส

RF Link Rx Pin 1 (GND) ต้นแบบบอร์ดกราวด์ (GND) บัส

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

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) บอร์ดสร้างต้นแบบ 5V บัส

Proto Board LED สีเขียว Arduino Digital I/O Pin 7

ข้อมูลพินสำหรับเครื่องรับลิงค์ RF มีอยู่ที่ www.sparkfun.com

ลอกเคลือบออกจาก 1/4' ของความยาว 6.75 ของเส้นลวด 18AWG แล้วสอดเข้าไปในรูบอร์ดต้นแบบที่อยู่ติดกับ RF Link Rx Pin 8 (เสาอากาศ) ทันที เมื่อสอดเข้าไปในรูแล้ว ให้งอปลายที่ลอกออกจนสุด ติดต่อกับ RF Link Rx Pin 8 และประสานเข้าที่

ตั้งโปรแกรม Arduino Uno ด้วยภาพร่างที่ให้ไว้ในขั้นตอนต่อไป เมื่อรีเซ็ตหรือเปิดเครื่อง ไฟ LED สีเขียวจะกะพริบสองครั้งเป็นเวลา 0.5 วินาที เมื่อได้รับแพ็กเก็ตไร้สายจากเลเยอร์เซ็นเซอร์ 434-MHz ไฟ LED สีเขียวจะกะพริบเป็นเวลา ~0.5 วินาที

ขั้นตอนที่ 5: ซอฟต์แวร์บริดจ์ไร้สาย

ซอฟต์แวร์ Wireless Bridge ถูกแนบมากับขั้นตอนนี้และได้รับการแสดงความคิดเห็นเป็นอย่างดี