Nova camada de sensor IOT sem fio para sistema de monitoramento ambiental residencial: 5 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Este Instructable descreve uma camada de sensor IOT sem fio alimentada por bateria de baixo custo para o meu Instructable: LoRa IOT Home Environmental Monitoring System. Se você ainda não viu este Instructable anterior, recomendo ler a introdução para uma visão geral dos recursos do sistema que agora estão estendidos para esta nova camada de sensor.

O sistema de monitoramento ambiental residencial LoRa IOT original atingiu os objetivos que eu defini quando foi publicado em abril de 2017. No entanto, depois de usar o sistema de monitoramento por vários meses para monitorar a temperatura e umidade em cada andar da casa, eu queria adicionar mais 11 sensores em locais particularmente vulneráveis da casa; incluindo, seis sensores estrategicamente colocados no porão, sensores em cada banheiro e um sensor no sótão, lavanderia e cozinha.

Em vez de adicionar mais sensores baseados em LoRa do Instructable anterior, que são um pouco caros e alimentados por adaptadores CA, decidi adicionar uma camada de sensores operados por bateria de custo mais baixo usando transmissores de link de RF de 434 MHz. Para manter a compatibilidade com o sistema de monitoramento ambiental residencial LoRa IOT existente, adicionei uma ponte sem fio para receber os pacotes de 434 MHz e retransmiti-los como pacotes LoRa a 915 MHz.

A nova camada de sensor consiste nos seguintes subsistemas:

1. Remotos sem fio de 434 MHz - sensores de temperatura e umidade operados por bateria
2. Wireless Bridge - Recebe pacotes de 434 MHz e os retransmite como pacotes LoRa.

Os controles remotos sem fio de 434 MHz usam menor potência de transmissão e protocolos menos robustos em comparação com os rádios LoRa, portanto, a localização da ponte sem fio na casa é escolhida para garantir uma comunicação confiável com todos os controles remotos sem fio de 434 MHz. O uso da ponte sem fio permite que a comunicação com os controles remotos sem fio de 434 MHz seja otimizada sem colocar qualquer restrição sobre a localização do LoRa IOT Gateway.

Os controles remotos sem fio de 434 MHz e a ponte sem fio são construídos usando módulos de hardware disponíveis e alguns componentes individuais. As peças podem ser obtidas na Adafruit, Sparkfun e Digikey; em muitos casos, peças Adafruit e Sparkfun também estão disponíveis na Digikey. Habilidades de soldagem competentes são necessárias para montar o hardware, em particular, a fiação ponto a ponto dos controles remotos sem fio de 434 MHz. O código do Arduino é bem comentado para compreensão e para permitir fácil extensão de funcionalidade.

Os objetivos deste projeto incluíram o seguinte:

• Encontre uma tecnologia sem fio de baixo custo adequada para ambientes domésticos.
• Desenvolva um sensor sem fio alimentado por bateria capaz de operar por vários anos com um conjunto de baterias.
• Não exija nenhuma modificação no hardware ou software do LoRa IOT Gateway do meu Instructable anterior.

O custo total das peças para os controles remotos sem fio de 434 MHz, excluindo as baterias 3xAA, é de US $ 25, dos quais o sensor de temperatura e umidade SHT31-D responde por mais da metade (US $ 14).

Como com os controles remotos LoRa do meu Instructable anterior, os controles remotos sem fio de 434 MHz fazem leituras de temperatura e umidade e reportam ao LoRa IOT Gateway, por meio da ponte sem fio, a cada 10 minutos. Os onze controles remotos sem fio de 434 MHz foram colocados em operação em dezembro de 2017 usando 3 pilhas AA, fornecendo nominalmente 4,5 V. As leituras da bateria dos onze sensores em dezembro de 2017 variaram de 4,57 V a 4,71 V, dezesseis meses depois, em maio de 2019, as leituras da bateria variam de 4,36 V a 4,55 V. O uso de peças com uma ampla faixa de tensão de operação deve garantir a operação dos sensores por mais um ano ou mais, sujeito à manutenção da confiabilidade do link de RF, pois a potência de transmissão é reduzida com tensões de bateria mais baixas.

A confiabilidade da camada de sensor de 434 MHz tem sido excelente em meu ambiente doméstico. A nova camada de sensor é implantada em 4.200 SqFt de espaço acabado e 1.800 SqFt de espaço de porão não acabado. Os sensores são separados da ponte sem fio por uma combinação de 2 a 3 paredes internas e piso / tetos. O LoRa IOT Gateway do meu Instructable anterior envia um alerta SMS se a comunicação com um sensor for perdida por mais de 60 minutos (6 relatórios de dez minutos perdidos). Um sensor, no chão em um canto na extremidade do porão atrás de caixas empilhadas, causará um alerta de perda de contato de vez em quando, no entanto, em todos os casos a comunicação com o sensor é restabelecida sem qualquer intervenção.

Obrigado por visitar este instrutível e, por favor, consulte as etapas a seguir para obter mais informações.

1. Projeto de sensor sem fio operado por bateria
2. Hardware remoto sem fio 434 MHz
3. Software remoto sem fio 434 MHz
4. Hardware de ponte sem fio
5. Software de ponte sem fio

Etapa 1: Design de sensor sem fio operado por bateria

O design do controle remoto sem fio de 434 MHz usa as seguintes partes:

• Microcontrolador ATtiny85 AVR de 8 bits
• Sensirion SHT31-D - Placa de interrupção do sensor de temperatura e umidade
• Transmissor de link RF Sparkfun 434 MHz
• Resistor de 10K Ohm

Uma das primeiras decisões de projeto foi evitar dispositivos que exigem 3,3 V ou 5 V regulados e selecionar peças que operam em uma ampla faixa de tensão. Isso elimina a necessidade de reguladores de tensão que são desperdiçadores de energia em um design operado por bateria e estende a vida operacional dos sensores, pois eles continuarão a funcionar por mais tempo, à medida que a tensão da bateria diminui com o tempo. As faixas de tensão de operação para as peças escolhidas são as seguintes:

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

Permitindo alguma margem, os controles remotos sem fio de 434 MHz devem funcionar funcionalmente com uma tensão de bateria de 3 V. Como já foi observado, resta saber como a confiabilidade do link de RF é mantida conforme a potência de transmissão é reduzida com tensões de bateria mais baixas.

A decisão foi feita para usar 3 pilhas AA para fornecer uma tensão inicial nominal de 4,5V. Após 16 meses de operação, a menor tensão da bateria medida é de 4,36V.

O cronômetro de cão de guarda ATtiny85 (WDT) é usado para manter o controle remoto sem fio de 434 MHz em modo de suspensão na maior parte do tempo. O ATtiny85 é ativado pelo WDT a cada 8 segundos para incrementar um contador de 10 minutos; ao atingir um intervalo de 10 minutos, uma medição é feita e um pacote de dados é transmitido.

Para minimizar ainda mais o consumo de energia, o SHT31-D e o transmissor RF Link são alimentados por um pino de porta de E / S digital no ATtiny85 configurado como uma saída. A alimentação é aplicada quando o pino de E / S é conduzido para Alto (1) e removida quando o pino de E / S é conduzido para Baixo (0). Por meio do software, a energia é aplicada apenas a esses periféricos a cada 10 minutos por 1 a 2 segundos enquanto as medições estão sendo feitas e transmitidas. Consulte Software remoto sem fio de 434 MHz para obter a descrição do software relacionado.

O único outro componente usado no controle remoto sem fio de 434 MHz é um resistor de 10K ohm usado para puxar o pino de reinicialização no ATtiny85.

Um dos primeiros projetos usava um divisor de tensão resistivo na bateria para permitir que um pino ADC no ATTINY85 medisse a tensão da bateria. Embora pequeno, este divisor de tensão colocava uma carga constante na bateria. Algumas pesquisas descobriram um truque que usa a voltagem de referência de gap de banda de 1,1 V interno ATtiny85 para medir Vcc (voltagem da bateria). Definindo a tensão de referência do ADC para Vcc e medindo a tensão de referência interna de 1,1 V, é possível resolver para Vcc. A voltagem de referência interna ATtiny85 de 1,1 V é constante enquanto Vcc> 3 V. Consulte Software remoto sem fio de 434 MHz para obter a descrição do software relacionado.

A comunicação entre o ATtiny85 e o SHT31-D é via barramento I2C. A placa de breakout Adafruit SHT31-D inclui resistores pull-up para o barramento I2C.

A comunicação entre o ATtiny85 e o transmissor RF Link é feita por meio de um pino de E / S digital configurado como uma saída. A biblioteca RadioHead Packet Radio RH_ASK é usada para ligar / desligar (OOK / ASK) o transmissor de link de RF por meio deste pino de E / S digital.

Etapa 2: Hardware remoto sem fio de 434 MHz

Lista de peças:

1 x Adafruit Tábua de pão de tamanho 1/4, Digikey PN 1528-1101-ND

1 x suporte de bateria 3 x células AA, Digikey PN BC3AAW-ND

1 x Adafruit Sensiron SHT31-D Breakout Board, Digikey PN 1528-1540-ND

1 x Transmissor de link RF Sparkfun (434 MHz), Digikey PN 1568-1175-ND

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

1 x soquete DIP de 8 pinos, Digikey PN AE10011-ND

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

6,75 / 17 cm de comprimento de fio de cobre esmaltado 18AWG

1 x pedaço de fita de espuma de dupla face

Arame para embrulho de fio 18 / 45 cm

Um soquete é usado para o ATtiny85, pois a programação dentro do circuito não é suportada.

A placa breakout SHT31-D, o transmissor RF Link, o soquete DIP de 8 pinos e o fio da antena são soldados na placa de ensaio, conforme mostrado na foto acima. Remova o esmalte de 1/4 do fio da antena 18AWG antes de soldar à placa de ensaio.

O resistor de 10K ohm é soldado na placa de ensaio entre os pinos 1 e 8 do soquete DIP de 8 pinos.

O fio de enrolamento é soldado na parte traseira da placa de ensaio para fazer as ligações entre os componentes de acordo com o diagrama esquemático remoto sem fio mostrado na etapa anterior.

Os fios positivo e negativo do suporte da bateria são soldados a um conjunto de barramentos "+" e "-", respectivamente, na placa de ensaio.

O controle remoto sem fio de 434 MHz é testado com a ponte sem fio e o LoRa IOT Gateway. O controle remoto sem fio de 434 MHz enviará imediatamente um pacote cada vez que as baterias forem inseridas e a cada 10 minutos a partir de então. Ao receber um pacote sem fio da camada de sensor de 434 MHz, o LED verde na ponte sem fio pisca por ~ 0,5s. O nome da estação, a temperatura e a umidade devem ser exibidos pelo LoRa IOT Gateway se o número da estação remota sem fio de 434 MHz tiver sido fornecido no gateway.

Depois que o controle remoto sem fio é testado com um ATtiny85 programado, um pedaço da fita de espuma de dupla face, cortado no mesmo tamanho da placa de ensaio, é usado para prender a placa de ensaio completa ao suporte da bateria.

Etapa 3: Software remoto sem fio de 434 MHz

O software remoto sem fio de 434 MHz acompanha esta etapa e é bem comentado.

Eu programei os microcontroladores ATtiny85 usando um programador Sparkfun Tiny AVR e o IDE Arduino. Sparkfun tem um extenso tutorial sobre como configurar drivers e etc. e como fazer o programador trabalhar com o IDE do Arduino.

Eu adicionei um soquete ZIF (Zero Insertion Force) ao Tiny AVR Programmer para facilitar a adição e remoção de chips do programador.

Etapa 4: Hardware de ponte sem fio

Lista de peças:

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 placa transceptora de rádio Adafruit RFM9W LoRa (915 MHz), Digikey PN 1528-1667-ND

1 x receptor de link RF Sparkfun (434 MHz), Digikey PN 1568-1173-ND

1 x soquete DIP de 8 pinos, Digikey PN AE10011-ND

6,75 / 17 cm de comprimento de fio de cobre esmaltado 18AWG

3,25 / 8,5 cm de comprimento de fio de cobre esmaltado 18AWG

Arame para embrulho de arame 24 / 61 cm

1 x cabo USB A / MicroB, 3 pés, Adafruit PID 592

Fonte de alimentação da porta USB 1 x 5V 1A, Adafruit PID 501

Monte a proteção de prototipagem de acordo com as instruções em Adafruit.com.

Monte a placa do transceptor RFM95W LoRa de acordo com as instruções em Adafruit.com. O comprimento de 3,25 "/ 8,5 cm do fio 18AWG é usado para a antena e é soldado diretamente à placa do transceptor após a remoção de 1/4" do esmalte do fio.

Corte cuidadosamente o soquete DIP de 8 pinos pela metade para criar dois conjuntos de soquetes SIP de 4 pinos.

Solde os dois soquetes SIP de 4 pinos na blindagem de prototipagem, conforme mostrado. Eles serão usados para conectar o receptor RF Link, portanto, certifique-se de que estão nos orifícios corretos para combinar com o transmissor RF Link antes de soldar.

Solde a placa do transceptor RFM9W LoRa à blindagem de prototipagem, conforme mostrado.

As seguintes conexões são feitas entre o Arduino Uno e a placa do transceptor RFM9W usando fio de enrolamento na parte superior da placa de prototipagem:

RFM9W G0 Arduino Digital I / O Pin 2, a biblioteca RadioHead usa Interrupt 0 neste pino

RFM9W SCK Arduino ICSP cabeçalho, pino 3

Cabeçalho RFM9W MISO Arduino ICSP, pino 1

Cabeçalho RFM9W MOSI Arduino ICSP, pino 4

RFM9W CS Arduino Digital I / O Pin 8

RFM9W RST Arduino Digital I / O Pin 9

As seguintes conexões são feitas na parte inferior da placa de prototipagem:

Placa de prototipagem RFM9W VIN 5V bus

RFM9W GND Barramento de aterramento da placa de prototipagem (GND)

RF Link Rx Pin 1 (GND) Barramento da placa de prototipagem (GND)

RF Link Rx Pino 2 (saída de dados) Arduino Digital I / O Pino 6

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) Placa de prototipagem 5V bus

Proto Board Green LED Arduino Digital I / O Pin 7

As informações sobre o pino do receptor de link RF estão disponíveis em www.sparkfun.com.

Retire o esmalte de 1/4 'do comprimento de 6,75 do fio 18AWG e insira-o no orifício da placa de prototipagem imediatamente adjacente ao RF Link Rx Pino 8 (antena). Depois de inserido no orifício, dobre a extremidade descascada de modo que faça entre em contato com o pino 8 RF Link Rx e solde-o no lugar.

Programe o Arduino Uno com o esboço fornecido na próxima etapa. Ao reiniciar ou ligar, o LED verde piscará duas vezes por 0,5s. Ao receber um pacote sem fio da camada de sensor de 434 MHz, o LED verde pisca por ~ 0,5s.

Etapa 5: Software de ponte sem fio

O software Wireless Bridge acompanha esta etapa e é bem comentado.