شبكة مستشعر لاسلكي منخفضة التكلفة على نطاق 433 ميجاهرتز: 5 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

شكراً جزيلاً لتيريزا راجبا على التكرم بإعطائي موافقتها على استخدام البيانات من منشوراتهم في هذه المقالة

* في الصورة أعلاه - وحدات جهاز الاستشعار الخمس التي استخدمتها للاختبار

ما هي شبكات الاستشعار اللاسلكية؟

قد يكون التعريف البسيط هو: تشير شبكات الاستشعار اللاسلكية إلى مجموعة من الأجهزة الإلكترونية الموزعة على منطقة معينة لمراقبة وتسجيل البيانات البيئية ، والتي يتم إرسالها لاسلكيًا إلى موقع مركزي لتتم معالجتها وتخزينها.

في الوقت الحاضر ، يمكن استخدام شبكات الاستشعار اللاسلكية بعدة طرق ، فيما يلي بعض الأمثلة:

• مناطق المراقبة البيئية للغابات والأنهار والبحيرات والبحار والمحيطات ؛
• إمكانية التنبيه في حالة وقوع هجمات إرهابية أو كيميائية أو بيولوجية أو وبائية ؛
• أنظمة المراقبة للأطفال وكبار السن والمرضى وذوي الاحتياجات الخاصة ؛
• أنظمة المراقبة في الزراعة والصوبات الزراعية ؛
• نظام مراقبة الطقس.
• مراقبة حركة المرور في المدن والمدارس ومواقف السيارات ؛

والعديد والعديد من التطبيقات الأخرى.

في هذه الورقة ، أود أن أعرض نتائج تجربة مع شبكات الاستشعار اللاسلكية التي تم استخدامها لمراقبة بيانات درجة الحرارة والرطوبة ، مع اختلاف بطيء ويمكن التنبؤ به نسبيًا. بالنسبة لهذه التجربة ، اخترت استخدام أجهزة إرسال أجهزة الاستشعار التي أنشأتها بنفسي باستخدام وحدات ميسورة التكلفة. جهاز الاستقبال هو أيضًا DIY ، يكون الاتصال أحادي الاتجاه (على نطاق راديو 433 ميجاهرتز) ، مما يعني أن المستشعرات تنقل البيانات فقط ويستقبل الموقع المركزي فقط. لا يوجد اتصال بين المستشعرات ومن المتلقي إلى المستشعرات.

ولكن لماذا تختار استخدام أجهزة إرسال متعددة وجهاز استقبال واحد فقط؟ من الواضح أن السبب الأول سيكون "تبسيط الأمر". كلما كان التجميع أبسط ، قل احتمال تعرضه للفشل ، ومن المؤكد أنه من الأسهل بكثير إصلاح واستبدال المكونات الفردية في حالة حدوث أعطال. استهلاك الطاقة أقل أيضًا ، وستستمر البطاريات لفترة أطول (ستستهلك المستشعرات فقط أثناء المراقبة والاستقبال ، أما باقي الوقت فسيكون الجهاز في وضع السكون العميق). حقيقة أنه بسيط يجعل الجهاز رخيصًا أيضًا. جانب آخر يجب أخذه في الاعتبار هو منطقة التغطية. لماذا ا؟ من الأسهل بكثير بناء واستخدام جهاز استقبال حساس من امتلاك جهاز استقبال حساس وجهاز إرسال قوي في كل من أجهزة الاستشعار والوحدة المركزية (وهذا ضروري لاتصال ثنائي الاتجاه جيد). مع جهاز استقبال حساس وعالي الجودة ، من الممكن استقبال البيانات من مسافة بعيدة ، لكن إرسال البيانات على نفس المسافة يتطلب طاقة انبعاث عالية وهذا يأتي بتكاليف عالية واستهلاك للكهرباء و (دعونا لا ننسى) إمكانية تجاوز قوة الإرسال القصوى القانونية على نطاق 433 ميجا هرتز. باستخدام جهاز استقبال متوسط الجودة ورخيص ولكن بهوائي عالي الجودة (حتى DIY) وأجهزة إرسال رخيصة بهوائي عالي الجودة ، يمكننا تحقيق نتائج ممتازة بجزء بسيط من تكلفة شبكات الاستشعار اللاسلكية الحالية.

الخطوة الأولى: الاعتبارات النظرية

خطرت لي فكرة بناء شبكة استشعار لاسلكية لمراقبة درجة حرارة ورطوبة الهواء والتربة في مناطق مختلفة من الدفيئة منذ زمن بعيد ، أي ما يقرب من 10 سنوات. كنت أرغب في بناء شبكة من سلك واحد واستخدام مستشعرات درجة الحرارة والرطوبة بسلك واحد. لسوء الحظ ، قبل 10 سنوات كانت مستشعرات الرطوبة نادرة ومكلفة (على الرغم من أن أجهزة استشعار درجة الحرارة كانت منتشرة على نطاق واسع) ومنذ أن نشر الأسلاك في جميع أنحاء الدفيئة لم يكن يبدو خيارًا ، فقد تخلت عن الفكرة بسرعة كبيرة.

ومع ذلك ، فقد تغير الوضع الآن بشكل جذري. نحن قادرون على العثور على أجهزة استشعار رخيصة وذات جودة عالية (درجة الحرارة والرطوبة) ، ولدينا أيضًا إمكانية الوصول إلى أجهزة الإرسال والاستقبال الرخيصة على النطاق 433 ميجا هرتز. هناك مشكلة واحدة فقط: إذا كان لدينا المزيد من أجهزة الاستشعار (دعنا نقول 20) كيف يمكننا حل التصادمات (يرجى أن تضع في اعتبارك أن هذا اتصال أحادي الاتجاه) ، بمعنى ، تداخل انبعاث 2 أو أكثر من أجهزة الاستشعار؟ أثناء البحث عن حل ممكن ، صادفت هذه الأوراق الشيقة للغاية:

يلقي المستشعر اللاسلكي المصبوب بناءً على إجراءات التشغيل العشوائية - بواسطة RAJBA و T. و RAJBA و S.

و

احتمالية حدوث تصادمات في شبكة المستشعرات اللاسلكية مع الإرسال العشوائي - بواسطة RAJBA S. و RAJBA. تي

في الأساس ، يوضح المؤلفون لنا أنه يمكن حساب احتمال حدوث تصادمات في شبكة أجهزة الاستشعار اللاسلكية إذا تم إصدار الحزم في نقاط زمنية معينة وفقًا لتوزيع بواسون (أسي).

يسرد مقتطف من الورقة أعلاه خصائص الشبكة المدروسة.

• عدد كبير جدًا من وحدات جهاز الاستشعار - المرسل N ؛
• تظل وحدات جهاز الاستشعار - المرسل مستقلة تمامًا ولا يؤثر تشغيلها أو إيقاف تشغيلها على تشغيل الشبكة ؛
• قد تكون جميع وحدات جهاز الاستشعار المرسل (أو جزء منها) متحركة بشرط أن تكون موجودة داخل النطاق الراديوي لمحطة الاستقبال ؛
• تخضع المعلمات الفيزيائية المتغيرة ببطء للقياسات مما يعني أنه لا توجد حاجة لنقل البيانات بشكل متكرر (على سبيل المثال كل عدة دقائق أو عدة عشرات من الدقائق) ؛
• يكون الإرسال من نوع أحادي الاتجاه ، أي من وحدة المرسل المستشعر حتى نقطة الاستقبال عند متوسط فترات زمنية T. يتم إرسال المعلومات في البروتوكول على t_ص مدة الوقت
• يبدأ أي جهاز استشعار محدد في الإرسال بشكل عشوائي في أوقات Poisson. سيتم استخدام PASTA (وصول بواسون انظر المتوسطات الزمنية) لتبرير إرسال المجسات في عهود بواسون ؛
• تظل جميع وحدات أجهزة الاستشعار المرسلة مستقلة بشكل عشوائي وستقوم بنقل المعلومات في لحظة محددة عشوائيًا من الزمن_ص المدة ومتوسط وقت التكرار ؛
• إذا بدأ واحد أو أكثر من أجهزة الاستشعار في الإرسال أثناء بروتوكول t_ص المدة التي يتم نقلها من مستشعر آخر ، تسمى هذه الحالة التصادم. يجعل الاصطدام من المستحيل على المحطة الأساسية المركزية تلقي المعلومات بطريقة صحيحة.

يتناسب بشكل مثالي تقريبًا مع شبكة المستشعرات التي أرغب في اختبارها …

تقريبيا.

أنا لا أقول إنني فهمت الرياضيات تمامًا في الورقة ، ولكن على أساس البيانات المقدمة وعلى الاستنتاجات ، تمكنت من فهم ما تدور حوله بعض الشيء. الشيء الوحيد هو أن القيمة المستخدمة في الورق جعلتني أشعر بالقلق قليلاً:). إنه المتغير t_ص - مدة إرسال البيانات المفترض أن تكون 3.2x10^-5 س. لذا فإن وقت إرسال البيانات التي تم جمعها سيكون 3.2 لنا! لا يمكن القيام بذلك على نطاق 433 ميجاهرتز. أريد استخدام إما rcswitch أو radiohead لبرمجة أجهزة استشعار جهاز الإرسال. عند دراسة رموز المكتبتين ، توصلت إلى استنتاج مفاده أن أصغر وقت إرسال سيكون 20 مللي ثانية ، أي أعلى بكثير من قيمة 3.2 لنا. مع أجهزة الإرسال 2.4 جيجاهرتز ، من الممكن أن يكون_ص الوقت صغير جدًا … لكن هذه قصة أخرى.

إذا طبقنا الصيغة التي اقترحها مؤلفو هذه الورقة ، فستكون النتيجة:

البيانات الأولية (مثال):

• عدد المستشعرات N = 20 ؛
• مدة نقل البيانات t_ص= 20 × 10^-3 ق (0.020 ثانية)
• متوسط فترة الإرسال T = 180 ثانية

الصيغة:

احتمالية الاصطدام على الفاصل الزمني T هي

إذا أخذنا في الاعتبار البيانات الأولية ، فإن احتمال الاصطدام على الفاصل الزمني T سيكون 0.043519

هذه القيمة ، التي تشير إلى احتمال حدوث 4.35 تصادمًا لكل 100 قياس ، هي ، في رأيي ، جيدة جدًا. يمكن أن يتحسن الاحتمال إذا قمنا بزيادة متوسط وقت الإرسال ، لذلك عند قيمة 300 ثانية سيكون لدينا احتمال 0.026332 ، أي 2.6 تصادم لكل 100 قياس. إذا اعتبرنا أنه يمكننا توقع فقدان بيانات الحزمة على أي حال أثناء تشغيل النظام (اعتمادًا على ظروف الطقس على سبيل المثال) ، فهذا الرقم ممتاز حقًا.

كنت أرغب في إجراء محاكاة لهذا النوع من الشبكات ولكن أيضًا نوعًا من مساعد التصميم ، لذلك قمت بإنشاء برنامج صغير في C ، يمكنك العثور على الكود المصدري على github (وهو أيضًا ثنائي مترجم يعمل في سطر أوامر Windows - إفراج).

ادخال البيانات:

• sensor_number - عدد أجهزة الاستشعار على الشبكة ؛
• عدد القياسات - عدد القياسات المطلوب محاكاتها ؛
• Average_transmission_interval - متوسط الوقت بين عمليات إرسال البيانات المتتالية ؛
• وقت الإرسال - المدة الفعلية لنقل البيانات.

انتاج:

• وقت القياس الأقصى المحسوب ؛
• قائمة الاصطدامات بين جهازي استشعار ؛
• عدد الاصطدامات
• الاحتمال النظري للتصادمات.

النتائج مثيرة للاهتمام:)

بما يكفي مع النظرية ، لا أريد الإصرار أكثر على الجزء النظري ، فالمقالات وشفرة المصدر بليغة تمامًا ، لذلك من الأفضل أن أذهب إلى التنفيذ العملي والفعال لشبكة المستشعرات اللاسلكية وإلى نتائج الاختبار.

الخطوة 2: التنفيذ العملي - الأجهزة

بالنسبة لمستشعرات أجهزة الإرسال ، سنحتاج إلى المكونات التالية:

• متحكم ATtiny85 1.11 دولار ؛
• مقبس الدائرة المتكاملة 8DIP 0.046 دولار ؛
• مستشعر درجة الحرارة / الرطوبة DHT11 0.74 دولار ؛
• 433 ميجا هرتز H34A وحدة الإرسال 0.73 دولار ؛
• حامل بطارية 4xAA مع مفتاح 1 دولار ؛

المجموع 3.63 دولار ؛

جهاز الاستقبال المستخدم للاختبارات هو Arduino UNO (للاختبار فقط) ووحدة استقبال H3V4F (0.66 دولار) بهوائي قوس رخيص (0.32 دولار).

مخططات المرسل الاستشعار

يتم تشغيل وحدات استشعار المرسل ببطاريات 3xAA ، 1.5 فولت (يوجد في الحجرة الرابعة من حامل البطارية التجميع الإلكتروني). كما ترى ، يتم توصيل مصدر طاقة جهاز الإرسال ومستشعر درجة الحرارة والرطوبة بدبوس PB0 في وحدة التحكم الدقيقة (يتم تشغيل جهاز الإرسال والمستشعر عند ضبط الدبوس على HIGH). لذلك عندما يكون الميكروكونترولر في وضع السكون العميق ، يمكن أن يصل إلى الاستهلاك الحالي 4.7uA. بالنظر إلى أن وقت تنبيه جهاز الاستشعار المرسل سيكون حوالي 3 ثوانٍ (القياس والإرسال وما إلى ذلك) ومتوسط الوقت بين عمليات الإرسال 180 ثانية (كما في المثال في الفصل السابق) ، يجب أن تقاوم البطاريات كثيرًا. مع بعض البطاريات القلوية عالية الجودة (مثل 2000 مللي أمبير) ، يمكن أن يكون الاستقلالية أكثر من 10 أشهر كما هو محسوب على omnicalculator.com (حيث يكون إجمالي الاستهلاك الحالي: المستشعر - 1.5 مللي أمبير ، وحدة الإرسال - 3.5 مللي أمبير و ATtiny85 متحكم - 5 مللي أمبير ، إجمالي 10 مللي أمبير).

في الصورة أدناه ، يمكنك رؤية تجميع المرسل والمستشعر شبه المكتمل.

يوجد أدناه صورة لوحدة مستقبل الاختبار.

الخطوة 3: التنفيذ العملي - البرمجيات

الغرض من البرنامج الذي تم تحميله يعمل على متحكم attiny85 ، المكون الرئيسي لوحدات مرسل المستشعر ، هو قراءة البيانات المقدمة من المستشعر ، وتحويلها ليتم إرسالها عن طريق الراديو ، ونقلها ضمن الأطر الزمنية لـ Poisson (التوزيع الأسي أو PASTA - الوافدون من بواسون انظر المتوسطات الزمنية). أيضًا ، باستخدام وظيفة بسيطة ، فإنه يراقب حالة البطاريات ويعطي تحذيرًا إذا لم يعد الجهد المطلوب لجهاز الاستشعار متوفرًا. كود المصدر متاح على جيثب. رمز جهاز استقبال الاختبار بسيط للغاية ، فأنا أنشره أدناه.

// تعديل مكتبة rcswitch من https://github.com/Martin-Laclaustra/rc-switch/tree/protocollessreceiver// الكود هو نسخة معدلة من أمثلة مكتبة rcswitch الأصلية # تضمين RCSwitch mySwitch = RCSwitch () ؛ بيانات طويلة بدون توقيع = 0 ؛ إعداد باطل () {Serial.begin (9600) ؛ mySwitch.enableReceive (0) ، // Receiver on interrupt 0 => هذا رقم pin # 2} void loop () {if (mySwitch.available ()) {unsigned long data = mySwitch.getReceivedValue ()؛ // output (mySwitch.getReceivedValue () ، mySwitch.getReceivedBitlength () ، mySwitch.getReceivedDelay () ، mySwitch.getReceivedRawdata () ، mySwitch.getReceivedProtocol ()) ؛ رطوبة int = bitExtracted (بيانات ، 7 ، 1) ؛ // أقل أهمية من 7 بتات من الموضع 1 - درجة حرارة كثافة البتة الأولى اليمنى = bitExtracted (البيانات ، 7 ، 8) ؛ // التالية 7 بت من الموضع 8 إلى اليمين وهكذا. int v_min = bitExtracted (data، 1، 15)؛ int packet_id = bitExtracted (بيانات ، 3 ، 16) ؛ // 3 بت - 8 معرفات حزم من 0 إلى 7 int sensor_id = bitExtracted (data، 6، 19) ؛ // 6 بت لـ 64 معرف مستشعر - إجمالي 24 بت Serial.print (sensor_id) ؛ Serial.print ("،") ؛ Serial.print (packet_id) ؛ Serial.print ("،") ؛ Serial.print (درجة الحرارة) ؛ Serial.print ("،")؛ Serial.print (الرطوبة)؛ Serial.println () ، mySwitch.resetAvailable () ، }} // كود من https://www.geeksforgeeks.org/extract-k-bits-given-position-number/ int bitExtracted (رقم طويل بدون إشارة ، int k ، int p) {return (((1 (p - 1))) ؛}

لقد حاولت تضمين أكبر عدد ممكن من التعليقات لتسهيل فهم الأمر.

لتصحيح الأخطاء ، استخدمت مكتبة softwareserial ولوحة تطوير attiny85 مع مبرمج USBasp (انظر أيضًا إرشاداتي حول هذا الأمر). تم إنشاء الارتباط التسلسلي باستخدام محول Serial to TTL (بشريحة PL2303) متصل بالدبابيس المثنية (3 و 4) بلوحة التطوير (انظر الصورة أدناه). كل هذا كان مفيدًا للغاية لإكمال الكود.

الخطوة 4: نتائج الاختبار

لقد قمت بإنشاء 5 وحدات إرسال حساس تجمع وترسل القيم التي تم قياسها بواسطة مستشعرات DHT11. لقد سجلت القياسات وحفظتها ، بمساعدة جهاز استقبال الاختبار وبرنامج مضاهاة طرفي (foxterm) ، خلال ثلاثة أيام. اخترت فترة 48 ساعة للدراسة. لم أكن مهتمًا بالضرورة بالقيم المقاسة (المستشعر 2 ، على سبيل المثال ، يظهر لي قيمًا خاطئة) ولكن في عدد التصادمات. بالإضافة إلى ذلك ، تم وضع المستشعرات في مكان قريب جدًا (على ارتفاع 4-5 أمتار) بواسطة جهاز الاستقبال للتخلص من الأسباب الأخرى لفقدان الحزم. تم حفظ نتائج الاختبار في ملف السيرة الذاتية وتحميلها (انظر إلى الملف أدناه). لقد قمت أيضًا بتحميل ملف Excel بناءً على ملف CSV هذا. لقد التقطت بعض لقطات الشاشة لأظهر لك كيف يبدو التصادم (في اختباراتي بالطبع) ، أضفت تعليقات أيضًا إلى كل لقطة شاشة.

قد تتساءل عن سبب عدم استخدامي لخدمة محمل البيانات على سبيل المثال ThingSpeak. الحقيقة هي أن لدي العديد من السجلات ، والعديد من أجهزة الاستشعار والبيانات تأتي غالبًا على فترات غير منتظمة ، وخدمات إنترنت الأشياء عبر الإنترنت تسمح فقط بالبيانات عند عدد معين من أجهزة الاستشعار وفقط على فترات كبيرة إلى حد ما. أفكر في المستقبل في تثبيت وتكوين خادم إنترنت الأشياء الخاص بي.

في النهاية ، أسفر 4598 قياسًا على 5 وحدات استشعار مرسلة (حوالي 920 / مستشعر) عن إجمالي 5 تصادمات لمدة 48 ساعة (0.5435 تصادمًا / 100 قياس). القيام ببعض الرياضيات (باستخدام برنامج wsn_test مع البيانات الأولية: 5 أجهزة استشعار ، متوسط الوقت 180 ثانية ، وقت الإرسال 110 مللي ثانية) سيكون احتمال الاصطدام 0.015185 (1.52 تصادم / 100 قياس). النتائج العملية أفضل من النتائج النظرية أليس كذلك؟:)

على أي حال ، هناك أيضًا 18 حزمة مفقودة في هذه الفترة ، لذا فإن الاصطدامات لا تهم كثيرًا في هذا الصدد. بالطبع يجب أن يتم الاختبار على مدى فترة زمنية أطول للحصول على أكثر النتائج حسمًا ولكن في رأيي هو نجاح حتى في ظل هذه الظروف ويؤكد الافتراضات النظرية تمامًا.

الخطوة 5: الأفكار النهائية

التطبيق الفوري

في دفيئة كبيرة تزرع العديد من المحاصيل. إذا تم الري يدويًا دون مراقبة المناخ ، وبدون أي أتمتة ، وبدون سجلات البيانات ، فهناك خطر زيادة أو تحت الري ، وكذلك ارتفاع استهلاك المياه ، ولا يوجد دليل على تحسين استهلاك المياه ، فهناك مخاطر على المحاصيل في جنرال لواء. لتجنب هذا ، يمكننا استخدام شبكة استشعار لاسلكية:)

يمكن وضع مستشعرات درجة الحرارة ، وأجهزة استشعار رطوبة الهواء ، ومستشعرات رطوبة التربة في كل مكان في الدفيئة وبمساعدة البيانات المرسلة ، يمكن إجراء العديد من الإجراءات: بدء - توقف الصمامات الكهربائية للسماح بتدفق المياه عند الحاجة ، وبدء إيقاف تشغيل المراوح الكهربائية لتقليل درجة الحرارة في مناطق مختلفة ، يتم تشغيل السخانات وإيقافها حسب الحاجة ويمكن أرشفة جميع البيانات لتحليلها في المستقبل. أيضًا ، يمكن للنظام توفير واجهة ويب يمكن الوصول إليها في كل مكان وإنذارات عبر البريد الإلكتروني أو الرسائل القصيرة في حالة حدوث حالة غير طبيعية.

ماذا بعد؟

• اختبار مع عدد أكبر من أجهزة الاستشعار ؛
• اختبار في الوقت الحقيقي مع أجهزة الاستشعار عن بعد في منطقة التغطية ؛
• تثبيت وتكوين خادم IoT محلي (على Raspberry Pi على سبيل المثال) ؛
• الاختبارات أيضًا مع أجهزة الاستشعار (جهاز الإرسال والاستقبال) على 2.4 جيجا هرتز.

لذلك … أن يستمر …:)

إخلاء المسؤولية: قد يخضع استخدام نطاق التردد 433 ميجا هرتز في منطقتك إلى لوائح تردد الراديو. يرجى التحقق من شرعيتك قبل تجربة هذا المشروع

الوصيف في مسابقة أجهزة الاستشعار