Nueva capa de sensor IOT inalámbrico para el sistema de monitoreo ambiental doméstico: 5 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Este Instructable describe una capa de sensor IOT inalámbrico a batería de menor costo para mi Instructable anterior: LoRa IOT Home Environmental Monitoring System. Si aún no ha visto este Instructable anterior, le recomiendo leer la introducción para obtener una descripción general de las capacidades del sistema que ahora se extienden a esta nueva capa de sensor.

El Sistema de Monitoreo Ambiental del Hogar LoRa IOT original logró los objetivos que me había propuesto cuando se publicó en abril de 2017. Sin embargo, después de usar el sistema de monitoreo durante varios meses para monitorear la temperatura y la humedad en cada piso de la casa, quería agregar 11 sensores más en lugares particularmente vulnerables de la casa; incluyendo, seis sensores colocados estratégicamente en el sótano, sensores en cada baño y un sensor en el ático, lavandería y cocina.

En lugar de agregar más sensores basados en LoRa del Instructable anterior, que son algo caros y se alimentan a través de adaptadores de CA, decidí agregar una capa de sensores operados por batería de menor costo que utilizan transmisores de enlace de RF de 434 MHz. Para mantener la compatibilidad con el Sistema de Monitoreo Ambiental del Hogar LoRa IOT existente, agregué un puente inalámbrico para recibir los paquetes de 434 MHz y retransmitirlos como paquetes LoRa a 915 MHz.

La nueva capa de sensores consta de los siguientes subsistemas:

1. Controles remotos inalámbricos de 434 MHz: sensores de temperatura y humedad que funcionan con baterías
2. Puente inalámbrico: recibe paquetes de 434 MHz y los retransmite como paquetes LoRa.

Los controles remotos inalámbricos de 434 MHz utilizan una potencia de transmisión más baja y protocolos menos robustos en comparación con las radios LoRa, por lo que la ubicación del puente inalámbrico en la casa se elige para garantizar una comunicación confiable con todos los controles remotos inalámbricos de 434 MHz. El uso del puente inalámbrico permite optimizar la comunicación con los controles remotos inalámbricos de 434 MHz sin imponer ninguna restricción sobre la ubicación de la puerta de enlace LoRa IOT.

Los controles remotos inalámbricos de 434 MHz y el puente inalámbrico se construyen utilizando módulos de hardware fácilmente disponibles y algunos componentes individuales. Las piezas se pueden obtener de Adafruit, Sparkfun y Digikey; en muchos casos, las piezas Adafruit y Sparkfun también están disponibles en Digikey. Se necesitan habilidades de soldadura competentes para ensamblar el hardware, en particular, el cableado punto a punto de los controles remotos inalámbricos de 434 MHz. El código Arduino está bien comentado para su comprensión y para permitir una fácil extensión de la funcionalidad.

Los objetivos de este proyecto incluyeron los siguientes:

• Encuentre una tecnología inalámbrica de menor costo adecuada para entornos domésticos.
• Desarrolle un sensor inalámbrico alimentado por batería capaz de funcionar durante varios años con un juego de baterías.
• No requiere ninguna modificación en el hardware o software de LoRa IOT Gateway de mi Instructable anterior.

El costo total de las piezas para los controles remotos inalámbricos de 434 MHz, excluyendo las baterías 3xAA, es de $ 25, de los cuales el sensor de temperatura y humedad SHT31-D representa más de la mitad ($ 14).

Al igual que con los controles remotos LoRa de mi Instructable anterior, los controles remotos inalámbricos de 434 MHz toman lecturas de temperatura y humedad e informan a la puerta de enlace LoRa IOT, a través del puente inalámbrico, cada 10 minutos. Los once mandos a distancia inalámbricos de 434 MHz se pusieron en funcionamiento en diciembre de 2017 con 3 pilas AA que proporcionan nominalmente 4,5 V. Las lecturas de la batería de los once sensores en diciembre de 2017 variaron de 4.57V a 4.71V, dieciséis meses después, en mayo de 2019, las lecturas de la batería variaron de 4.36V a 4.55V. El uso de piezas con un amplio rango de voltaje de operación debe garantizar el funcionamiento de los sensores durante otro año o más, sujeto a mantener la confiabilidad del enlace de RF ya que la potencia de transmisión se reduce con voltajes de batería más bajos.

La confiabilidad de la capa del sensor de 434 MHz ha sido excelente en el entorno de mi hogar. La nueva capa de sensores se implementa en 4, 200 pies cuadrados de espacio terminado y 1, 800 pies cuadrados de espacio de sótano sin terminar. Los sensores están separados del Wireless Bridge mediante una combinación de 2 o 3 paredes interiores y suelo / techo. El LoRa IOT Gateway de mi Instructable anterior envía una alerta SMS si se pierde la comunicación con un sensor durante más de 60 minutos (6 informes perdidos de diez minutos). Un sensor, en el piso en una esquina en el extremo más alejado del sótano detrás de cajas apiladas, causará una alerta de pérdida de contacto de vez en cuando, sin embargo, en todos los casos la comunicación con el sensor se restablece sin ninguna intervención.

Gracias por visitar este instructivo, y consulte los siguientes pasos para obtener más información.

1. Diseño de sensor inalámbrico que funciona con pilas
2. Hardware remoto inalámbrico de 434 MHz
3. Software remoto inalámbrico de 434 MHz
4. Hardware de puente inalámbrico
5. Software de puente inalámbrico

Paso 1: Diseño de sensor inalámbrico a batería

El diseño del control remoto inalámbrico de 434 MHz utiliza las siguientes partes:

• Microcontrolador AVR ATtiny85 de 8 bits
• Sensirion SHT31-D - Placa de conexión del sensor de temperatura y humedad
• Transmisor de enlace de RF Sparkfun de 434 MHz
• Resistencia de 10K Ohm

Una de las primeras decisiones de diseño fue evitar los dispositivos que requieren 3.3V o 5V regulados y seleccionar partes que operen en un amplio rango de voltaje. Esto elimina la necesidad de reguladores de voltaje que desperdician energía en un diseño operado por batería y extiende la vida útil de los sensores, ya que continuarán funcionando por más tiempo a medida que el voltaje de la batería disminuya con el tiempo. Los rangos de voltaje de funcionamiento para las piezas elegidas son los siguientes:

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

Dejando algo de margen, los controles remotos inalámbricos de 434 MHz deberían funcionar funcionalmente hasta un voltaje de batería de 3V. Como ya se señaló, solo queda por ver qué tan bien se mantiene la confiabilidad del enlace de RF a medida que se reduce la potencia de transmisión con voltajes de batería más bajos.

Se tomó la decisión de utilizar 3 pilas AA para proporcionar un voltaje de arranque nominal de 4.5V. Después de 16 meses de funcionamiento, el voltaje de batería más bajo medido es de 4,36 V.

El temporizador de vigilancia ATtiny85 (WDT) se utiliza para mantener el control remoto inalámbrico de 434 MHz en modo de suspensión la mayor parte del tiempo. El WDT despierta el ATtiny85 cada 8 segundos para incrementar un contador de 10 minutos; al alcanzar un intervalo de 10 minutos, se toma una medición y se transmite un paquete de datos.

Para minimizar aún más el consumo de energía, el transmisor SHT31-D y RF Link se alimentan desde un pin de puerto de E / S digital en el ATtiny85 configurado como una salida. La alimentación se aplica cuando el pin de E / S está en Alto (1) y se quita cuando el pin de E / S está en Bajo (0). A través del software, solo se aplica energía a estos periféricos cada 10 minutos durante 1 a 2 segundos mientras se toman y transmiten las mediciones. Consulte Software remoto inalámbrico de 434 MHz para obtener una descripción del software relacionado.

El único otro componente que se usa en el control remoto inalámbrico de 434 MHz es una resistencia de 10K ohmios que se usa para levantar el pin de reinicio en el ATtiny85.

Uno de los primeros diseños utilizaba un divisor de voltaje resistivo en la batería para permitir que un pin ADC en el ATTINY85 midiera el voltaje de la batería. Aunque pequeño, este divisor de voltaje colocó una carga constante en la batería. Algunas investigaciones descubrieron un truco que utiliza el voltaje de referencia de banda prohibida interna de 1.1V del ATtiny85 para medir Vcc (voltaje de la batería). Al establecer el voltaje de referencia del ADC en Vcc y tomar una medida del voltaje de referencia interno de 1,1 V, es posible resolver Vcc. El voltaje de referencia interno de 1.1V del ATtiny85 es constante siempre que Vcc> 3V. Consulte Software remoto inalámbrico de 434 MHz para obtener una descripción del software relacionado.

La comunicación entre ATtiny85 y SHT31-D se realiza a través del bus I2C. La placa de conexión Adafruit SHT31-D incluye resistencias pull-up para el bus I2C.

La comunicación entre el ATtiny85 y el transmisor de enlace RF se realiza a través de un pin de E / S digital configurado como salida. La biblioteca RH_ASK de RadioHead Packet Radio se utiliza para activar y desactivar (OOK / ASK) el transmisor de enlace de RF a través de este pin de E / S digital.

Paso 2: Hardware remoto inalámbrico de 434 MHz

Lista de partes:

1 x Placa de pruebas de tamaño 1/4 Adafruit, Digikey PN 1528-1101-ND

1 x Soporte de batería 3 x Pilas AA, Digikey PN BC3AAW-ND

1 x Placa de conexión Adafruit Sensiron SHT31-D, Digikey PN 1528-1540-ND

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

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

1 x enchufe DIP de 8 pines, Digikey PN AE10011-ND

1 x 10K ohmios, resistencia 1 / 8W, Digikey PN CF18JT10K0CT-ND

6.75 / 17cm de longitud de alambre de cobre esmaltado 18AWG

1 x cinta de espuma de doble cara

Alambre de envoltura de alambre de 18 / 45 cm

Se utiliza un enchufe para el ATtiny85 ya que no se admite la programación en circuito.

La placa de conexión SHT31-D, el transmisor de enlace RF, el conector DIP de 8 pines y el cable de la antena están soldados en la placa de pruebas como se muestra en la foto de arriba. Retire el esmalte de 1/4 del cable de la antena 18AWG antes de soldar a la placa de pruebas.

La resistencia de 10K ohmios está soldada en la placa de pruebas entre los pines 1 y 8 del zócalo DIP de 8 pines.

El alambre de envoltura de alambre se suelda en la parte posterior de la placa para hacer los enlaces entre los componentes de acuerdo con el diagrama esquemático del control remoto inalámbrico que se muestra en el paso anterior.

Los cables positivo y negativo del soporte de la batería están soldados a un conjunto de buses "+" y "-", respectivamente, en la placa de pruebas.

El control remoto inalámbrico de 434 MHz se prueba con el puente inalámbrico y la puerta de enlace LoRa IOT. El control remoto inalámbrico de 434 MHz enviará inmediatamente un paquete cada vez que se inserten las baterías y, a partir de entonces, cada ~ 10 minutos. Al recibir un paquete inalámbrico de la capa del sensor de 434 MHz, el LED verde en el puente inalámbrico parpadea durante ~ 0,5 s. LoRa IOT Gateway debe mostrar el nombre de la estación, la temperatura y la humedad si el número de estación remota inalámbrica de 434 MHz se ha proporcionado en la puerta de enlace.

Una vez que el control remoto inalámbrico se prueba correctamente con un ATtiny85 programado, se usa un trozo de cinta de espuma de doble cara, cortado del mismo tamaño que la placa de pruebas, para sujetar la placa de pruebas completa al soporte de la batería.

Paso 3: Software remoto inalámbrico de 434 MHz

El software de control remoto inalámbrico de 434 MHz se adjunta con este paso y está bien comentado.

Programé los microcontroladores ATtiny85 usando un programador Sparkfun Tiny AVR y el IDE de Arduino. Sparkfun tiene un tutorial extenso sobre cómo configurar controladores, etc. y cómo hacer que el programador trabaje con el IDE de Arduino.

Agregué un zócalo ZIF (Zero Insertion Force) al programador Tiny AVR para facilitar la adición y eliminación de chips del programador.

Paso 4: hardware de puente inalámbrico

Lista de partes:

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

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

1 x enchufe DIP de 8 pines, Digikey PN AE10011-ND

6.75 / 17cm de longitud de alambre de cobre esmaltado 18AWG

3.25 / 8.5cm de longitud de alambre de cobre esmaltado 18AWG

Alambre de envoltura de alambre de 24 / 61 cm

1 x cable USB A / MicroB, 3 pies, Adafruit PID 592

Fuente de alimentación de puerto USB 1 x 5V 1A, Adafruit PID 501

Ensamble el escudo de creación de prototipos de acuerdo con las instrucciones en Adafruit.com.

Monte la placa del transceptor LoRa RFM95W de acuerdo con las instrucciones de Adafruit.com. El cable 18AWG de 3,25 "/ 8,5 cm de longitud se utiliza para la antena y se suelda directamente a la placa del transceptor después de quitar 1/4" de esmalte del cable.

Corte con cuidado el zócalo DIP de 8 pines por la mitad para crear dos juegos de zócalos SIP de 4 pines.

Suelde los dos enchufes SIP de 4 pines al protector de prototipos como se muestra. Estos se utilizarán para conectar el receptor RF Link, así que asegúrese de que estén en los orificios correctos para que coincidan con el transmisor RF Link antes de soldar.

Suelde la placa del transceptor LoRa RFM9W al protector de prototipos como se muestra.

Las siguientes conexiones se realizan entre el Arduino Uno y la placa del transceptor RFM9W utilizando un cable envolvente en la parte superior de la placa de creación de prototipos:

RFM9W G0 Arduino Digital I / O Pin 2, la biblioteca RadioHead usa Interrupt 0 en este pin

RFM9W SCK Arduino ICSP encabezado, pin 3

RFM9W MISO Arduino ICSP header, pin 1

RFM9W MOSI Arduino ICSP header, pin 4

RFM9W CS Arduino E / S digital Pin 8

RFM9W RST Arduino E / S digital Pin 9

Las siguientes conexiones se realizan en la parte inferior de la placa de creación de prototipos:

RFM9W VIN Placa de prototipos de bus de 5 V

RFM9W GND Bus de tierra de la placa de prototipos (GND)

RF Link Rx Pin 1 (GND) Bus de tierra de la placa de prototipos (GND)

RF Link Rx Pin 2 (salida de datos) Pin 6 de E / S digital de Arduino

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) Placa de prototipos Bus de 5 V

Proto Board LED verde Arduino Pin E / S digital 7

La información de los pines del receptor de enlace de RF está disponible en www.sparkfun.com.

Quite el esmalte de 1/4 'de la longitud de 6.75 del cable 18AWG e insértelo en el orificio de la placa de prototipos inmediatamente adyacente al pin 8 (antena) de RF Link Rx. Una vez insertado en el orificio, doble el extremo pelado para que quede contacte con RF Link Rx Pin 8 y suéldelo en su lugar.

Programe el Arduino Uno con el boceto proporcionado en el siguiente paso. Al reiniciar o encender, el LED verde parpadeará dos veces durante 0.5 segundos. Al recibir un paquete inalámbrico de la capa del sensor de 434 MHz, el LED verde parpadea durante ~ 0,5 s.

Paso 5: software de puente inalámbrico

El software Wireless Bridge se adjunta con este paso y está bien comentado.