IoT Water Alarm: 5 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:07

ฉันเพิ่งมีประสบการณ์การสำรองข้อมูลท่อระบายน้ำในห้องครัว ถ้าฉันไม่ได้อยู่ที่บ้านในตอนนั้น มันจะทำให้พื้นและผนังแห้งในอพาร์ตเมนต์ของฉันเสียหาย โชคดีที่ฉันทราบปัญหาแล้วและพร้อมที่จะตักน้ำออกด้วยถัง เรื่องนี้ทำให้ฉันนึกถึงการซื้อสัญญาณเตือนน้ำท่วม ฉันค้นพบผลิตภัณฑ์ราคาไม่แพงมากมายใน Amazon แต่ผลิตภัณฑ์ที่มีการเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตมีคะแนนรีวิวเชิงลบอย่างมาก ส่วนใหญ่เป็นเพราะปัญหาเกี่ยวกับบริการแจ้งเตือนที่เป็นกรรมสิทธิ์ นั่นเป็นเหตุผลที่ฉันตัดสินใจสร้างสัญญาณเตือนน้ำ IoT ของตัวเองซึ่งจะใช้วิธีการแจ้งเตือนที่น่าเชื่อถือตามที่ฉันเลือก

ขั้นตอนที่ 1: หลักการทำงาน

สัญญาณเตือนมีไมโครคอนโทรลเลอร์ AVR ATtiny85 เป็นสมอง ใช้การอ่านค่าแรงดันไฟฟ้าจากแบตเตอรี่และเซ็นเซอร์น้ำ และเปรียบเทียบกับค่าที่กำหนดไว้ล่วงหน้าเพื่อตรวจจับว่ามีน้ำหรือสภาพแบตเตอรี่เหลือน้อย

เซ็นเซอร์น้ำเป็นเพียงสายสองเส้นที่วางห่างกันประมาณ 1 มม. สายไฟเส้นหนึ่งเชื่อมต่อกับ 3.3 V และอีกสายหนึ่งเชื่อมต่อกับหมุดตรวจจับบนไมโครคอนโทรลเลอร์ ซึ่งเชื่อมต่อกับกราวด์ด้วยตัวต้านทาน 0.5 MOhm โดยปกติ ความต้านทานระหว่างสายเซ็นเซอร์จะสูงมาก (มากกว่า 10 MOhm) ดังนั้นหมุดตรวจจับจะถูกดึงลงไปจนสุดที่ 0 V อย่างไรก็ตาม เมื่อมีน้ำอยู่ระหว่างสายไฟ ความต้านทานจะลดลงเหลือน้อยกว่า 1 MOhm และหมุดตรวจจับเห็นแรงดันไฟฟ้า (ในกรณีของฉันประมาณ 1.5 V) เมื่อ ATtiny85 ตรวจพบแรงดันไฟฟ้านี้บนหมุดตรวจจับ มันจะเปิดใช้งาน MOSFET เพื่อเปิดเสียงกริ่ง และส่งสัญญาณปลุกไปยังโมดูล ESP8266 ซึ่งมีหน้าที่ในการส่งการแจ้งเตือน (อีเมลและการแจ้งเตือนแบบพุช) หลังจากส่งเสียงหึ่งๆ หนึ่งนาที นาฬิกาปลุกจะปลดอาวุธ และสามารถรีเซ็ตได้ด้วยการหมุนเวียนพลังงานเท่านั้น

หน่วยนี้ใช้เซลล์อัลคาไลน์หรือ NiMH สองเซลล์ ไมโครคอนโทรลเลอร์มักหลับใหลเพื่อประหยัดแบตเตอรี่ ตื่นขึ้นเป็นระยะเพื่อตรวจสอบเซ็นเซอร์น้ำและแรงดันไฟของแบตเตอรี่ หากแบตเตอรี่เหลือน้อย ไมโครคอนโทรลเลอร์จะปลุกโมดูล ESP8266 เพื่อส่งคำเตือนแบตเตอรี่เหลือน้อย หลังจากการเตือน สัญญาณเตือนจะถูกปลดอาวุธเพื่อป้องกันการคายประจุแบตเตอรี่มากเกินไป

เนื่องจากโมดูล ESP8266 มีหน้าที่ส่งทั้งคำเตือนแบตเตอรี่ต่ำและการแจ้งเตือนน้ำท่วม จึงจำเป็นต้องมีสัญญาณควบคุมจาก ATiny85 เนื่องจากพินที่มีอยู่มีจำกัด สัญญาณควบคุมนี้จึงถูกสร้างขึ้นโดยพินเดียวกันที่รับผิดชอบสำหรับการแสดงไฟ LED ของแบตเตอรี่ ระหว่างการทำงานปกติ (สัญญาณเตือนติดอาวุธและชาร์จแบตเตอรี่แล้ว) ไฟ LED จะกะพริบเป็นช่วงๆ เมื่อตรวจพบสภาวะแบตเตอรี่ต่ำ LED จะเปิดขึ้นเพื่อให้สัญญาณสูงไปยังขา RX ของโมดูล ESP หากตรวจพบน้ำ ไฟ LED ของแบตเตอรี่จะดับขณะที่ ESP8266 ทำงานอยู่..

ขั้นตอนที่ 2: การออกแบบและการประกอบ

ฉันออกแบบวงจรให้สร้างขึ้นบนโปรโตบอร์ด 4x6 ซม. สองด้าน โดยใช้ชิ้นส่วน SMD 0805 เป็นส่วนใหญ่ แผนผังที่นำเสนอขึ้นอยู่กับโครงสร้างนี้ แต่สามารถปรับได้อย่างง่ายดายสำหรับส่วนประกอบรูเจาะ (เคล็ดลับ: เพื่อลดพื้นที่ ให้บัดกรีตัวต้านทานรูทะลุในแนวตั้ง)

จำเป็นต้องใช้ชิ้นส่วนต่อไปนี้:

- ตัวต้านทาน: 330 Ω x 1; 470 Ω x 1; 680 Ω x 1; 1 kΩ x 1; 10 kΩ x 3; 470 kΩ x 3; - ตัวเก็บประจุเซรามิกขนาด 10 µF หนึ่งตัว- MOSFET N-channel N-channel ระดับลอจิกหนึ่งตัว (เช่น RFP30N06LE หรือ AO3400)- LED สีแดงและสีเหลืองหนึ่งดวง (หรือสีอื่น ๆ หากคุณต้องการ)- ขั้วต่อขั้วต่อสกรูสองสาย x 3 (ไม่ใช่ จำเป็นจริงๆ แต่ช่วยให้เชื่อมต่อและตัดการเชื่อมต่ออุปกรณ์ต่อพ่วงได้ง่ายขึ้นในระหว่างการทดสอบ)- เสียง Piezo ที่ดังซึ่งเหมาะสำหรับ 3.3 V- ไมโครคอนโทรลเลอร์ ATtiny85 (เวอร์ชัน PDIP)- ซ็อกเก็ต PDIP 8 พินสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์- โมดูล ESP-01 (สามารถแทนที่ด้วยโมดูลที่ใช้ ESP8266 อื่นได้ แต่จะมีการเปลี่ยนแปลงมากมายในเลย์เอาต์ในกรณีนั้น)- ตัวแปลงเพิ่ม DC-DC 3.3 V ที่สามารถส่งกระแส 200 mA (500 mA ระเบิด) ที่ 2.2 V ป้อนข้อมูล. (ฉันแนะนำ https://www.canton-electronics.com/power-converter… เนื่องจากกระแสไฟนิ่งต่ำเป็นพิเศษ) - ส่วนหัวตัวเมีย 3 พินหนึ่งตัว- ส่วนหัวตัวเมีย 4 พินสองตัวหรือส่วนหัว 2x4 หนึ่งตัว- 22 AWG สายแข็ง สำหรับเซ็นเซอร์น้ำ - ลวดเกลียว 22 AWG (หรือลวดบาง ๆ แบบบาง ๆ เพื่อสร้างร่องรอย)

ฉันแนะนำค่าตัวต้านทานที่ระบุไว้ข้างต้น แต่คุณสามารถแทนที่ค่าเหล่านี้ส่วนใหญ่ด้วยค่าที่คล้ายกันได้ คุณอาจต้องปรับค่าตัวต้านทานจำกัดกระแสเพื่อให้ได้ความสว่างที่ต้องการ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับประเภทของ LED ที่คุณต้องการใช้ MOSFET สามารถเป็นได้ทั้งรูทะลุหรือ SMT (SOT23) เฉพาะทิศทางของตัวต้านทาน 330 โอห์มเท่านั้นที่ได้รับผลกระทบจากชนิดของ MOSFET แนะนำให้ใช้ฟิวส์ PTC (เช่น พิกัด 1 A) หากคุณกำลังวางแผนที่จะใช้วงจรนี้กับแบตเตอรี่ NiMH อย่างไรก็ตาม ไม่จำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่อัลคาไลน์ เคล็ดลับ: ชิ้นส่วนที่จำเป็นสำหรับการเตือนนี้สามารถซื้อได้ในราคาถูกจาก ebay หรือ aliexpress

นอกจากนี้ คุณจะต้องใช้เขียงหั่นขนม ตัวต้านทาน 10k ทะลุผ่านรูหลายตัว สายจัมเปอร์ตัวผู้-ตัวผู้และตัวเมีย ("ดูปองท์") หลายตัว และอะแดปเตอร์ USB-UART เพื่อตั้งโปรแกรมโมดูล ESP-01

เซนเซอร์น้ำสามารถทำได้หลายวิธี แต่วิธีที่ง่ายที่สุดคือสายไฟ 22 AWG สองเส้นที่มีปลายเปิด (ยาว 1 ซม.) โดยเว้นระยะห่างประมาณ 1 มม. เป้าหมายคือต้องมีความต้านทานน้อยกว่า 5 MΩระหว่างหน้าสัมผัสเซ็นเซอร์เมื่อมีน้ำ

วงจรถูกออกแบบมาเพื่อประหยัดแบตเตอรี่สูงสุด โดยจะดึงพลังงานเพียง 40-60 µA ในระบบการตรวจสอบ (โดยที่ LED เพาเวอร์ถูกถอดออกจากโมดูล ESP-01) เมื่อสัญญาณเตือนเริ่มทำงาน วงจรจะดึง 300-500 mA (ที่อินพุต 2.4 V) เป็นเวลาหนึ่งวินาทีหรือน้อยกว่า และหลังจากนั้นกระแสจะลดลงต่ำกว่า 180 mA เมื่อโมดูล ESP เสร็จสิ้นการส่งการแจ้งเตือน การใช้กระแสไฟจะลดลงเหลือต่ำกว่า 70 mA จนกว่าออดจะปิด จากนั้นสัญญาณเตือนจะปลดอาวุธเอง และการบริโภคในปัจจุบันจะต่ำกว่า 30 µA ดังนั้นชุดแบตเตอรี่ AA จะสามารถจ่ายไฟให้กับวงจรได้นานหลายเดือน (น่าจะมากกว่าหนึ่งปี) หากคุณใช้บูสต์คอนเวอร์เตอร์แบบอื่น เช่น กระแสไฟนิ่ง 500 µA แบตเตอรี่จะต้องเปลี่ยนบ่อยขึ้นมาก

เคล็ดลับการประกอบ:

ใช้มาร์กเกอร์ถาวรเพื่อติดป้ายกำกับและส่วนประกอบทั้งหมดบนโปรโตบอร์ดเพื่อการบัดกรีที่ง่ายขึ้น ฉันขอแนะนำให้ดำเนินการตามลำดับต่อไปนี้:

- ไฟ LED SMT ด้านบนและสะพานลวดหุ้มฉนวน

- MOSFET ด้านบน (หมายเหตุ: หากคุณมี SOT-23 MOSFET ให้วางไว้ในแนวทแยงมุมตามภาพ หากคุณใช้ MOSFET แบบเจาะรู ให้วางในแนวนอนโดยให้หมุดเกทอยู่ที่ตำแหน่ง I3)

- ส่วนบนผ่านส่วนรู (หมายเหตุ: ออดไม่ได้บัดกรีและไม่จำเป็นต้องติดตั้งกับ PCB)

- ชิ้นส่วน SMT ด้านหลังและร่องรอย (เช่น เส้นเดี่ยวจากลวด AWG22)

ขั้นตอนที่ 3: เฟิร์มแวร์

รหัส C สำหรับ ATtiny85

Main.c มีรหัสที่ต้องรวบรวมและอัปโหลดไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์ หากคุณกำลังจะใช้บอร์ด Arduino เป็นโปรแกรมเมอร์ คุณสามารถค้นหาแผนภาพการเดินสายได้ในบทช่วยสอนนี้ คุณต้องปฏิบัติตามเฉพาะส่วนต่อไปนี้ (ละเว้นส่วนที่เหลือ):

– การกำหนดค่า Arduino Uno เป็น ISP (การเขียนโปรแกรมในระบบ)

– เชื่อมต่อ ATtiny85 กับ Arduino Uno

ในการรวบรวมและอัปโหลดเฟิร์มแวร์ คุณจะต้องใช้ CrossPack (สำหรับ Mac OS) หรือ AVR toolchain (สำหรับ Windows) ต้องใช้คำสั่งต่อไปนี้เพื่อคอมไพล์โค้ด:

avr-gcc -Os -mmcu=attiny85 -c main.c; avr-gcc -mmcu=attiny85 -o main.elf main.o; avr-objcopy -j.text -j.data -O ihex main.elf main.hex

ในการอัปโหลดเฟิร์มแวร์ ให้รันสิ่งต่อไปนี้:

avrdude -c arduino -p attiny85 -P /dev/cu.usbmodem1411 -b 19200 -e -U แฟลช:w:main.hex

แทนที่จะใช้ "/dev/cu.usbmodem1411" คุณจะต้องเสียบพอร์ตอนุกรมที่ Arduino เชื่อมต่ออยู่ (คุณสามารถหาได้ใน Arduino IDE: Tools Port)

รหัสประกอบด้วยหลายฟังก์ชัน deep_sleep() ทำให้ไมโครคอนโทรลเลอร์เข้าสู่สถานะพลังงานต่ำมากเป็นเวลาประมาณ 8 วินาที read_volt() ใช้สำหรับวัดแรงดันแบตเตอรี่และเซ็นเซอร์ แรงดันแบตเตอรี่ถูกวัดเทียบกับแรงดันอ้างอิงภายใน (2.56 V บวกหรือลบสองสามเปอร์เซ็นต์) ในขณะที่แรงดันของเซ็นเซอร์วัดกับ Vcc = 3.3 V การอ่านจะถูกเปรียบเทียบกับ BATT_THRESHOLD และ SENSOR_THRESHOLD ที่กำหนดเป็น 932 และ 102 ตามลำดับ ซึ่งสอดคล้องกับ ~2.3 และ 0.3 V. คุณอาจสามารถลดค่าเกณฑ์ของแบตเตอรี่เพื่ออายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ดีขึ้น แต่ไม่แนะนำ (โปรดดูข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับแบตเตอรี่สำหรับข้อมูลโดยละเอียด)

activate_alarm() แจ้งเตือนโมดูล ESP เกี่ยวกับการตรวจจับน้ำและส่งเสียงกริ่ง low_batt_notification() แจ้งโมดูล ESP ว่าแบตเตอรี่เหลือน้อยและยังส่งเสียงกริ่ง หากคุณไม่ต้องการถูกปลุกให้ตื่นกลางดึกเพื่อเปลี่ยนแบตเตอรี่ ให้ถอด " | 1< " ใน low_batt_notification()

ร่าง Arduino สำหรับ ESP-01

ฉันเลือกโปรแกรมโมดูล ESP โดยใช้ Arduino HAL (ตามลิงก์เพื่อดูคำแนะนำในการตั้งค่า) นอกจากนี้ ฉันใช้สองไลบรารีต่อไปนี้:

ESP8266 ส่งอีเมลโดย Górász Péter

ESP8266 Pushover โดยทีม Arduino Hannover

ไลบรารีแรกเชื่อมต่อกับเซิร์ฟเวอร์ SMTP และส่งการแจ้งเตือนไปยังที่อยู่อีเมลของคุณ เพียงสร้างบัญชี gmail สำหรับ ESP ของคุณ และเพิ่มข้อมูลประจำตัวลงในโค้ด ห้องสมุดที่สองส่งการแจ้งเตือนแบบพุชผ่านบริการ Pushover (การแจ้งเตือนนั้นฟรี แต่คุณต้องจ่ายเงินครั้งเดียวเพื่อติดตั้งแอปพลิเคชันบนโทรศัพท์/แท็บเล็ตของคุณ) ดาวน์โหลดทั้งสองห้องสมุด ใส่เนื้อหาของไลบรารี Send Email ลงในโฟลเดอร์สเก็ตช์ของคุณ (arduino จะสร้างมันขึ้นมาเมื่อคุณเปิดภาพสเก็ตช์ Arduino เป็นครั้งแรก) ติดตั้งไลบรารี Pushover ผ่าน IDE (Sketch -> รวมไลบรารี -> เพิ่มไลบรารี. ZIP)

ในการตั้งโปรแกรมโมดูล ESP-01 คุณสามารถทำตามบทช่วยสอนต่อไปนี้: https://www.allaboutcircuits.com/projects/breadbo… ไม่จำเป็นต้องยุ่งยากกับการต่อหมุดแถวหนึ่งแถวตามที่แสดงในคู่มือ - เพียงแค่ใช้ดูปองต์ตัวเมีย-ตัวผู้ สายไฟเพื่อเชื่อมต่อหมุดของโมดูลกับเขียงหั่นขนม อย่าลืมว่าตัวแปลงบูสต์และอะแดปเตอร์ USB-UART ต้องแชร์กราวด์ (หมายเหตุ: คุณอาจใช้เอาต์พุต 3.3 V ของอะแดปเตอร์ USB-UART แทนตัวแปลงบูสต์ได้ แต่ส่วนใหญ่จะไม่เป็นเช่นนั้น สามารถจ่ายกระแสไฟได้เพียงพอ)

ขั้นตอนที่ 4: ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับแบตเตอรี่

รหัสเฟิร์มแวร์ที่ให้มานั้นได้รับการกำหนดค่าไว้ล่วงหน้าเพื่อส่งคำเตือนแบตเตอรี่เหลือน้อยและปิดเครื่องที่ ~2.3 V เกณฑ์นี้อิงจากการสันนิษฐานว่าใช้แบตเตอรี่ NiMH สองก้อนเป็นชุด ไม่แนะนำให้ปล่อยเซลล์ NiMH แต่ละเซลล์ที่ต่ำกว่า 1 V สมมติว่าเซลล์ทั้งสองมีความจุและลักษณะการคายประจุเท่ากัน ทั้งคู่จะถูกตัดออกที่ ~ 1.15 V - ภายในช่วงที่ปลอดภัย อย่างไรก็ตาม เซลล์ NiMH ที่ใช้สำหรับรอบการคายประจุหลายรอบมักจะมีความสามารถแตกต่างกัน สามารถยอมรับความแตกต่างของความจุได้ถึง 30% เนื่องจากจะยังคงส่งผลให้มีจุดตัดเซลล์แรงดันต่ำสุดที่ประมาณ 1 V

แม้ว่าจะสามารถลดเกณฑ์แบตเตอรี่เหลือน้อยในเฟิร์มแวร์ได้ แต่การทำเช่นนี้จะลบขอบด้านความปลอดภัย และอาจส่งผลให้แบตเตอรี่คายประจุมากเกินไปและเกิดความเสียหาย ในขณะที่คาดว่าจะมีอายุการใช้งานแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยเท่านั้น (เซลล์ NiMH คือ > 85% คายประจุที่ 1.15 V)

อีกปัจจัยที่ต้องนำมาพิจารณาคือความสามารถของตัวแปลงบูสต์เพื่อให้มีอย่างน้อย 3.0 V (2.5 V ตามหลักฐานพอสมควร) ที่กระแสไฟสูงสุด 300-500 mA สำหรับแบตเตอรี่ต่ำ ความต้านทานภายในที่ต่ำของแบตเตอรี่ NiMH ทำให้เกิดการตกเพียงเล็กน้อยที่ 0.1 V ที่กระแสสูงสุด ดังนั้นเซลล์ NiMH หนึ่งคู่ที่คายประจุเป็น 2.3 V (วงจรเปิด) จะสามารถให้บูสต์คอนเวอร์เตอร์อย่างน้อย 2.2 V อย่างไรก็ตาม มันซับซ้อนกว่าด้วยแบตเตอรี่อัลคาไลน์ ด้วยแบตเตอรี่ AA คู่หนึ่งนั่งที่ 2.2-2.3 V (วงจรเปิด) แรงดันไฟฟ้าตกที่ 0.2-0.4 V เป็นที่คาดหวังที่กระแสสูงสุด แม้ว่าฉันได้ตรวจสอบแล้วว่าวงจรใช้งานได้กับตัวแปลงบูสต์ที่แนะนำโดยมีกระแสไฟสูงสุดเพียง 1.8 V แต่สิ่งนี้อาจทำให้แรงดันเอาต์พุตลดลงต่ำกว่าค่าที่แนะนำโดย Espressiff ชั่วขณะ ดังนั้น ค่าขีดจำกัดการตัดที่ 2.3 V ทำให้เกิดความปลอดภัยเพียงเล็กน้อยเมื่อใช้แบตเตอรี่อัลคาไลน์ เพื่อให้แน่ใจว่าโมดูล ESP จะไม่ผิดพลาดเมื่อแบตเตอรี่อัลคาไลน์เหลือน้อย ฉันขอแนะนำให้เพิ่มแรงดันไฟตัดเป็น 2.4 V (#define BATT_THRESHOLD 973) ที่ 1.2 V (วงจรเปิด) เซลล์อัลคาไลน์จะคายประจุออกประมาณ 70% ซึ่งต่ำกว่าระดับการคายประจุที่ 1.15 V ต่อเซลล์เพียง 5-10 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น

ทั้ง NiMH และเซลล์อัลคาไลน์มีข้อดีและข้อเสียสำหรับการใช้งานนี้ แบตเตอรี่อัลคาไลน์ปลอดภัยกว่า (อย่าติดไฟหากลัดวงจร) และมีอัตราการคายประจุเองที่ต่ำกว่ามาก อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ NiMH รับประกันการทำงานที่เชื่อถือได้ของ ESP8266 ที่จุดตัดที่ต่ำกว่าด้วยความต้านทานภายในที่ต่ำ แต่ท้ายที่สุดแล้ว ทั้งสองประเภทสามารถใช้กับข้อควรระวังบางประการได้ ดังนั้นจึงเป็นเพียงเรื่องของความชอบส่วนบุคคล

ขั้นตอนที่ 5: คำปฏิเสธความรับผิดชอบทางกฎหมาย

วงจรนี้ออกแบบโดยนักอดิเรกที่ไม่ใช่มืออาชีพสำหรับการใช้งานอดิเรกเท่านั้น การออกแบบนี้ใช้ร่วมกันโดยสุจริต แต่ไม่มีการรับประกันใดๆ ใช้และแบ่งปันกับผู้อื่นด้วยความเสี่ยงของคุณเอง การสร้างวงจรขึ้นใหม่แสดงว่าคุณตกลงว่าผู้ประดิษฐ์จะไม่รับผิดชอบต่อความเสียหายใดๆ (รวมถึงแต่ไม่จำกัดเพียงการด้อยค่าของทรัพย์สินและการบาดเจ็บส่วนบุคคล) ที่อาจเกิดขึ้นโดยตรงหรือโดยอ้อมจากการทำงานผิดปกติหรือการใช้งานปกติของวงจรนี้ หากกฎหมายในประเทศของคุณเป็นโมฆะหรือห้ามการสละสิทธิ์รับผิด คุณจะไม่สามารถใช้การออกแบบนี้ได้ หากคุณแบ่งปันการออกแบบนี้หรือวงจรที่ดัดแปลงตามการออกแบบนี้ คุณต้องให้เครดิตผู้ประดิษฐ์ดั้งเดิมโดยระบุ URL ของคำแนะนำนี้