مستشعر الطقس المضغوط مع وصلة بيانات GPRS (بطاقة SIM): 4 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:36

ملخص المشروع

هذا مستشعر طقس يعمل بالبطارية يعتمد على مستشعر درجة الحرارة / الضغط / الرطوبة BME280 و ATMega328P MCU. يعمل على بطاريتين ليثيوم ثيونيل AA بقوة 3.6 فولت. لديها استهلاك نوم منخفض للغاية يصل إلى 6 µA. يرسل البيانات كل نصف ساعة عبر GPRS (باستخدام وحدة SIM800L GSM) إلى ThingSpeak ، التي يتم التحكم فيها بواسطة ساعة DS3231 في الوقت الفعلي. الخدمة المقدرة لمجموعة واحدة من البطاريات هي> 6 أشهر.

أستخدم بطاقة SIM ASDA للدفع أولاً بأول ، والتي توفر ظروفًا جيدة للغاية لأغراض هذا المشروع ، نظرًا لوقت انتهاء صلاحيته الطويل جدًا للائتمان (180 يومًا) ولا يتقاضى سوى 5 بنسات / ميجابايت من حجم البيانات.

الدافع: تطوير مستشعر بيئي اقتصادي بدون صيانة ومستقل يعمل بالبطارية يمكن وضعه في البرية للحصول على بيانات الطقس أو بيانات أخرى ونقلها عبر شبكة GSM / GPRS إلى خادم إنترنت الأشياء.

الأبعاد المادية: 109 × 55 × 39 مم (بما في ذلك حواف العلبة). الوزن 133 جرام. تصنيف IP 54 (تقديري).

تكلفة المواد: تقريبًا. 20 جنيهًا إسترلينيًا للوحدة.

وقت التجميع: ساعتان لكل وحدة (لحام يدوي)

مصدر الطاقة: بطاريتان ليثيوم ثيونيل AA ، غير قابلة لإعادة الشحن (3.6 فولت ، 2.6 أمبير).

بروتوكول الشبكة: GSM GPRS (2G)

الاستخدامات المحتملة: أي مكان بعيد مع تغطية إشارة GSM. غابات ، منارات ، عوامات ، يخوت خاصة ، كرفانات ، مواقع تخييم ، أكواخ جبلية ، مباني غير مأهولة

اختبار الموثوقية: خضعت وحدة واحدة لاختبارات طويلة الأمد دون رقابة منذ 30.8.20. بصرف النظر عن تعطل أحد البرامج ، كان يرسل البيانات بشكل موثوق كل 30 دقيقة.

الخطوة 1: الأجزاء المطلوبة

• PCB حسب الطلب. ملفات Gerber المضغوطة هنا (يبدو أن موقع Instructables.com يحظر تحميلات ملفات ZIP). أوصيت بشدة بـ jlcpcb.com لإنتاج ثنائي الفينيل متعدد الكلور. بالنسبة للأشخاص الذين يعيشون في المملكة المتحدة ، يسعدني أن أرسل لك ثنائي الفينيل متعدد الكلور احتياطيًا لأدنى قدر من المساهمة في تكلفة المواد والطوابع البريدية - أرسل لي رسالة.
• ATMega328P-AU
• ساعة الوقت الحقيقي DS3231 المعدلة (انظر الفقرة أدناه)
• لوحة الاختراق BME280 ، مثل هذه
• وحدة SIM800L GSM جي بي آر إس
• أجزاء SMD مختلفة حسب القائمة التفصيلية.
• Hammond 1591 ، حاوية ABS سوداء ، IP54 ، ذات حواف ، 85 × 56 × 35 مم ، من RS Components UK

تعديل DS3231

يجب أن تكون شبكة المقاومة الرباعية المحاطة بدائرة باللون الأحمر غير ملحومة. طرق أخرى أكثر تدميرا لا بأس بها أيضا ، ولكن تجنب سد الوسادات على الصف الداخلي من 4 منصات (نحو جانب MCU). 4 منصات أخرى متصلة بأي حال من خلال آثار ثنائي الفينيل متعدد الكلور. هذا التعديل ضروري للسماح لمسمار SQW بالعمل كإنذار. بدون إزالة المقاومات ، لن تعمل حتى تقوم بتوصيل مصدر VCC بالوحدة ، مما يلغي الغرض من وجود RTC منخفض الطاقة للغاية.

الخطوة 2: مبادئ التخطيط

كانت أهم أولويات التصميم:

• تشغيل البطارية مع استهلاك تيار سكون منخفض
• تصميم مضغوط

مزود الطاقة

بطاريتان من نوع Saft Lithium thionyl AA بقوة 3.6 فولت. MOSFET P-channel لحماية القطبية العكسية.

يوجد منظمان للجهد في الدائرة:

• منظم تنحي من Texas Instruments TPS562208 2 Amp لتشغيل SIM800L عند حوالي 4.1 فولت. هذا قابل للتحويل من ATMega ويتم وضعه في وضع إيقاف التشغيل معظم الوقت عبر Enable pin 5.
• منظم MCP1700 3.3 فولت لـ ATMega و BME280. هذا منظم منخفض السقوط فعال للغاية مع تيار هادئ يبلغ حوالي 1 A فقط. نظرًا لأنه لا يتسامح إلا مع إدخال 6 فولت ، أضفت صمامين مقومين (D1 ، D2) على التوالي لإسقاط الإمداد 7.2 فولت إلى مستوى مقبول حوالي 6 فولت. لقد نسيت أن أضيف مكثف الفصل المعتاد 10 µF على ثنائي الفينيل متعدد الكلور لتزويد الطاقة على ATMega. لذلك ، قمت بترقية مكثف الإخراج المعتاد على MCP1700 من 1 إلى 10 µF وهو يعمل بشكل جيد.
• مراقبة جهد البطارية عبر ADC0 على ATMega (من خلال مقسم الجهد)

ساعة الوقت الحقيقي

DS3231 معدل ، والذي يوقظ ATMega على فترات زمنية محددة لبدء دورة القياس ونقل البيانات. DS3231 نفسه مزود بخلية ليثيوم CR2032.

BME280

لقد حاولت استخدام وحدة Bosch BME280 الأصلية بمفردها ، والتي يكاد يكون من المستحيل لحامها بسبب حجمها الصغير. لذلك ، أنا أستخدم لوحة الاختراق المتاحة على نطاق واسع. نظرًا لأن هذا يحتوي على منظم جهد غير ضروري ، والذي يستهلك الطاقة ، أقوم بتشغيله باستخدام N-channel MOSFET قبل القياسات مباشرة.

SIM800L

هذه الوحدة موثوقة ولكنها تبدو مزاجية إلى حد ما إذا لم يكن مصدر الطاقة صلبًا. لقد وجدت أن جهد الإمداد 4.1 فولت يعمل بشكل أفضل. لقد قمت بعمل آثار PCB لـ VCC و GND حتى سمك SIM800L إضافي (20 مل).

تعليقات تخطيطية / ثنائي الفينيل متعدد الكلور

• تشير تسمية الشبكة "1" - المدرجة باسم "SINGLEPIN" في قائمة الأجزاء ببساطة إلى دبوس رأس ذكر.
• يجب توصيل المسامير المتجاورة للمفتاح المنزلق بوصلة توصيل للتشغيل العادي ، وإلا فسيكون خط VCC مفتوحًا هنا. وهي مخصصة للقياسات الحالية إذا لزم الأمر.
• المكثف 100 درجة فهرنهايت (C12) لوحدة SIM800L غير ضروري. تمت إضافته كإجراء احترازي (يائس) في حالة مشاكل الاستقرار المتوقعة

خطوات التجميع الموصى بها

1. قم بتجميع جميع مكونات مصدر الطاقة في الجزء السفلي الأيسر من لوحة الدوائر المطبوعة. يجب أن يكون دبوس التمكين (الدبوس 5) في TPS562208 مرتفعًا منطقيًا للاختبار ، وإلا فإن الوحدة في وضع إيقاف التشغيل وسيكون لديك خرج 0 فولت. لسحب دبوس التمكين عاليًا للاختبار ، يمكن توصيل سلك مؤقت من الوسادة 9 من ATMega (والذي يتم توصيله على PCB بـ PIN 5 لمنظم الجهد) بنقطة VCC ؛ ستكون أقرب نقطة إلى الطرف السفلي من R3 ، والذي يقع على خط VCC.
2. خرج الاختبار من TPS562208 بين المسامير السفلية لـ C2 أو C3 أو C4 و GND. يجب أن يكون لديك حوالي 4.1 فولت.
3. خرج الاختبار من MCP1700 ، بين أعلى الدبوس الأيمن من U6 و GND. يجب أن يكون لديك 3.3 فولت.
4. جندى ATMega328P ؛ لاحظ علامة الدبوس 1 في الزاوية اليسرى العليا. مطلوب بعض الممارسة ، ولكن ليس صعبًا جدًا.
5. انسخ برنامج bootloader على ATMega328 - دروس تعليمية لهذا في مكان آخر. لا تحتاج بالضرورة إلى استخدام رؤوس الدبوس للاتصال بـ MOSI و MISO و SCK و RST. في الثواني القليلة التي يستغرقها حرق أداة تحميل التشغيل ، يمكنك استخدام أسلاك Dupont واستخدام القليل من الزوايا لتحقيق اتصال جيد.
6. إرفاق رأس دبوس أنثى 5x لـ DS3231.
7. لحام SIM800L عبر رؤوس دبوس ذكر
8. جندى BME280
9. قم بتحميل الكود في Arduino IDE باستخدام محول USB2TTL (حدد Arduino Uno / Genuino كهدف).

الخطوة 3: كود اردوينو

انظر التعليمات البرمجية المصدر اردوينو في الملف المرفق.

الخطوة 4: اختبار العالم الحقيقي

لقد قمت بحفر فتحتين صغيرتين على الجانب الأيمن من العلبة بعمق إلى الجانب الأمامي. لقد غطيتهم من الداخل ببقع Goretex للسماح بتبادل الهواء ولكن مع استبعاد الماء. أضفت بعض الحماية الإضافية من المطر بأسقف بلاستيكية صغيرة. ثم أقوم بفتح المجموعة الكاملة في العلبة بحيث تكون المكونات متجهة للأمام وتواجه البطارية الغطاء. أضفت القليل من شحم السيليكون إلى العلبة لمزيد من الحماية من دخول الماء.

الوحدة "مُركَّبة" حاليًا بجوار نهر صغير. هنا تغذية البيانات الحية.