طبقة مستشعر إنترنت الأشياء اللاسلكي الجديدة لنظام مراقبة البيئة المنزلية: 5 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:39

يصف Instructable طبقة مستشعر IOT اللاسلكية منخفضة التكلفة والتي تعمل بالبطارية من أجل Instructable سابقًا: LoRa IOT Home Environmental Monitoring System. إذا لم تكن قد شاهدت هذا Instructable سابقًا ، فإنني أوصي بقراءة المقدمة للحصول على نظرة عامة على إمكانيات النظام التي تمتد الآن إلى طبقة المستشعر الجديدة هذه.

حقق نظام المراقبة البيئية الأصلي LoRa IOT Home الأهداف التي حددتها عندما تم نشره في أبريل 2017. ومع ذلك ، بعد استخدام نظام المراقبة لعدة أشهر لمراقبة درجة الحرارة والرطوبة في كل طابق بالمنزل ، أردت إضافة 11 مستشعرًا إضافيًا في المواقع المعرضة للخطر بشكل خاص في المنزل ؛ بما في ذلك ، ستة أجهزة استشعار موضوعة بشكل استراتيجي في الطابق السفلي ، وأجهزة استشعار في كل حمام ، وجهاز استشعار في العلية ، والغسيل ، والمطبخ.

بدلاً من إضافة المزيد من المستشعرات القائمة على LoRa من Instructable السابقة والتي تكون باهظة الثمن إلى حد ما ويتم تشغيلها عبر محولات التيار المتردد ، قررت إضافة طبقة من أجهزة الاستشعار التي تعمل بالبطارية منخفضة التكلفة باستخدام أجهزة إرسال RF Link 434-MHz. للحفاظ على التوافق مع نظام مراقبة البيئة المنزلي LoRa IOT الحالي ، أضفت جسرًا لاسلكيًا لتلقي حزم 434 ميجا هرتز وإعادة إرسالها كحزم LoRa عند 915 ميجا هرتز.

تتكون طبقة المستشعر الجديدة من الأنظمة الفرعية التالية:

1. أجهزة التحكم عن بعد اللاسلكية 434 ميجا هرتز - أجهزة استشعار درجة الحرارة والرطوبة التي تعمل بالبطارية
2. جسر لاسلكي - يستقبل حزم 434 ميجا هرتز ويعيد إرسالها كحزم LoRa.

تستخدم أجهزة التحكم عن بعد اللاسلكية 434 ميجاهرتز طاقة إرسال أقل وبروتوكولات أقل قوة مقارنة بأجهزة راديو LoRa ، لذلك يتم اختيار موقع الجسر اللاسلكي في المنزل لضمان اتصال موثوق به مع جميع أجهزة التحكم عن بعد اللاسلكية 434 ميجاهرتز. يسمح استخدام الجسر اللاسلكي بتحسين الاتصال بوحدات التحكم عن بعد اللاسلكية 434 ميجاهرتز دون وضع أي قيود على موقع LoRa IOT Gateway.

تم تصميم أجهزة التحكم عن بعد اللاسلكية 434 ميجاهرتز والجسر اللاسلكي باستخدام وحدات الأجهزة المتاحة بسهولة وعدد قليل من المكونات الفردية. يمكن الحصول على الأجزاء من Adafruit و Sparkfun و Digikey ؛ في كثير من الحالات ، تتوفر أجزاء Adafruit و Sparkfun أيضًا من Digikey. هناك حاجة إلى مهارات لحام كفؤة لتجميع الأجهزة ، على وجه الخصوص ، الأسلاك من نقطة إلى نقطة لأجهزة التحكم عن بعد اللاسلكية 434 ميجاهرتز. تم التعليق على كود Arduino جيدًا لفهمه ولتمكين الامتداد السهل للوظائف.

تضمنت أهداف هذا المشروع ما يلي:

• اعثر على تقنية لاسلكية منخفضة التكلفة ومناسبة للبيئات المنزلية.
• قم بتطوير مستشعر لاسلكي يعمل بالبطارية قادر على العمل لعدد من السنوات على مجموعة واحدة من البطاريات.
• لا تتطلب أي تعديل على أجهزة أو برامج LoRa IOT Gateway من Instructable السابقة الخاصة بي.

تبلغ التكلفة الإجمالية لقطع غيار أجهزة التحكم عن بعد اللاسلكية 434 ميجاهرتز ، باستثناء بطاريات 3xAA ، 25 دولارًا ، منها أكثر من النصف (14 دولارًا) من مستشعر درجة الحرارة والرطوبة SHT31-D.

كما هو الحال مع أجهزة التحكم عن بعد LoRa من Instructable السابقة ، فإن أجهزة التحكم عن بعد اللاسلكية 434 ميجاهرتز تأخذ قراءات درجة الحرارة والرطوبة ، وتقدم تقريرًا إلى LoRa IOT Gateway ، عبر الجسر اللاسلكي ، كل 10 دقائق. تم تشغيل 11 جهاز تحكم عن بعد لاسلكي 434 ميجا هرتز في ديسمبر 2017 باستخدام 3 بطاريات AA توفر اسميًا 4.5 فولت. تراوحت قراءات البطارية من أجهزة الاستشعار الأحد عشر في ديسمبر 2017 من 4.57 فولت إلى 4.71 فولت ، وبعد ستة عشر شهرًا في مايو 2019 تتراوح قراءات البطارية من 4.36 فولت إلى 4.55 فولت. يجب أن يضمن استخدام الأجزاء ذات النطاق الواسع لجهد التشغيل تشغيل المستشعرات لمدة عام آخر أو أكثر ، مع مراعاة الحفاظ على موثوقية ارتباط التردد اللاسلكي حيث يتم تقليل طاقة الإرسال مع انخفاض الفولتية للبطارية.

كانت موثوقية طبقة المستشعر 434 ميجاهرتز ممتازة في بيئتي المنزلية. يتم نشر طبقة المستشعر الجديدة على مساحة 4 ، 200 قدم مربع من المساحة النهائية و 1800 قدم مربع من مساحة الطابق السفلي غير المكتملة. يتم فصل المستشعرات عن الجسر اللاسلكي بمزيج من 2 - 3 جدران داخلية وأرضية / أسقف. ترسل بوابة LoRa IOT من Instructable السابقة الخاصة بي تنبيهًا عبر الرسائل النصية القصيرة في حالة فقد الاتصال بجهاز استشعار لأكثر من 60 دقيقة (6 تقارير فائتة عشر دقائق). أحد المستشعرات ، على الأرض في زاوية في الطرف البعيد من الطابق السفلي خلف الصناديق المكدسة ، سوف يتسبب في فقد تنبيه الاتصال بين الحين والآخر ، ومع ذلك ، في جميع الحالات ، يتم إعادة الاتصال مع المستشعر دون أي تدخل.

شكرًا لك على زيارة هذا الدليل ، ويرجى الاطلاع على الخطوات التالية للحصول على مزيد من المعلومات.

1. تصميم مستشعر لاسلكي يعمل بالبطارية
2. جهاز تحكم عن بعد لاسلكي 434 ميجا هرتز
3. برنامج التحكم عن بعد اللاسلكي 434 ميجا هرتز
4. أجهزة الجسر اللاسلكي
5. برنامج الجسر اللاسلكي

الخطوة 1: تصميم مستشعر لاسلكي يعمل بالبطارية

يستخدم تصميم جهاز التحكم عن بعد اللاسلكي 434 ميجا هرتز الأجزاء التالية:

• متحكم ATtiny85 8 بت AVR
• Sensirion SHT31-D - لوح تفريق لمستشعر درجة الحرارة والرطوبة
• جهاز الإرسال Sparkfun 434-MHz RF Link
• 10 كيلو أوم المقاوم

كان أحد قرارات التصميم المبكرة هو تجنب الأجهزة التي تتطلب تنظيمًا 3.3 فولت أو 5 فولت ، واختيار الأجزاء التي تعمل على نطاق جهد واسع. هذا يلغي الحاجة إلى منظمات الجهد التي تعمل على إهدار الطاقة في تصميم يعمل بالبطارية ، ويطيل عمر تشغيل المستشعرات حيث ستستمر في العمل لفترة أطول مع انخفاض جهد البطارية بمرور الوقت. نطاقات جهد التشغيل للأجزاء المختارة هي كما يلي:

• ATtiny85: 2.7 فولت إلى 5.5 فولت
• SHT31-D: 2.4 فولت إلى 5.5 فولت
• RF Link Tx: 1.5 فولت إلى 12 فولت

للسماح ببعض الهامش ، يجب أن تعمل أجهزة التحكم عن بعد اللاسلكية 434 ميجاهرتز وظيفيًا حتى جهد بطارية 3 فولت. كما لوحظ بالفعل ، يبقى أن نرى مدى جودة الحفاظ على موثوقية ارتباط التردد اللاسلكي حيث يتم تقليل طاقة الإرسال مع انخفاض الفولتية للبطارية.

تم اتخاذ القرار باستخدام 3 بطاريات AA لتوفير جهد بدء اسمي 4.5 فولت. بعد 16 شهرًا من التشغيل ، يكون أقل جهد بطارية تم قياسه هو 4.36 فولت.

يستخدم ATtiny85 Watch Dog Timer (WDT) للحفاظ على جهاز التحكم عن بعد اللاسلكي 434 ميجاهرتز في وضع السكون لمعظم الوقت. يتم إيقاظ ATtiny85 بواسطة WDT كل 8 ثوانٍ لزيادة عداد 10 دقائق ؛ عند الوصول إلى فاصل زمني مدته 10 دقائق ، يتم إجراء قياس وإرسال حزمة بيانات.

لتقليل استهلاك الطاقة بشكل أكبر ، يتم تشغيل SHT31-D و RF Link Transmitter من طرف منفذ إدخال / إخراج رقمي على ATtiny85 تم تكوينه كإخراج. يتم تطبيق الطاقة عندما يتم دفع دبوس الإدخال / الإخراج عاليًا (1) ، وإزالته عندما يكون دبوس الإدخال / الإخراج منخفضًا (0). من خلال البرنامج ، يتم تطبيق الطاقة فقط على هذه الأجهزة الطرفية كل 10 دقائق لمدة 1-2 ثانية أثناء أخذ القياسات وإرسالها. راجع برنامج التحكم عن بعد اللاسلكي 434 ميجا هرتز للحصول على وصف للبرنامج ذي الصلة.

المكون الآخر الوحيد المستخدم في جهاز التحكم عن بعد اللاسلكي 434 ميجاهرتز هو المقاوم 10 كيلو أوم المستخدم لسحب دبوس إعادة التعيين على ATtiny85.

استخدم التصميم المبكر مقسم جهد مقاوم عبر البطارية لتمكين دبوس ADC على ATTINY85 لقياس جهد البطارية. على الرغم من صغر حجم مقسم الجهد هذا ، فقد وضع حملًا ثابتًا على البطارية. كشفت بعض الأبحاث عن خدعة تستخدم الجهد المرجعي لفجوة النطاق الداخلي ATtiny85 1.1 فولت لقياس Vcc (جهد البطارية). من خلال ضبط الجهد المرجعي ADC على Vcc وأخذ قياس الجهد المرجعي الداخلي 1.1V ، من الممكن حل Vcc. الجهد المرجعي الداخلي 1.1 فولت ATtiny85 ثابت طالما Vcc> 3V. راجع برنامج التحكم عن بعد اللاسلكي 434 ميجا هرتز للحصول على وصف للبرنامج ذي الصلة.

يتم الاتصال بين ATtiny85 و SHT31-D عبر ناقل I2C. تشتمل لوحة الكسر Adafruit SHT31-D على مقاومات سحب لحافلة I2C.

يتم الاتصال بين ATtiny85 وجهاز إرسال RF Link عبر منفذ إدخال / إخراج رقمي تم تكوينه كإخراج. تُستخدم مكتبة RadioHead Packet Radio RH_ASK لمفتاح On-Off Key (OOK / ASK) بجهاز إرسال RF Link عبر دبوس الإدخال / الإخراج الرقمي هذا.

الخطوة 2: جهاز تحكم عن بعد لاسلكي 434 ميجا هرتز

قائمة الاجزاء:

1 x Adafruit 1/4 Sized Breadboard، Digikey PN 1528-1101-ND

1 × حامل بطارية 3 × خلايا AA ، Digikey PN BC3AAW-ND

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

1 × Sparkfun RF Link Transmitter (434-MHz) ، Digikey PN 1568-1175-ND

1 × متحكم ATtiny85 ، Digikey PN ATTINY85-20PU-ND

1 x 8-Pin DIP Socket، Digikey PN AE10011-ND

1 × 10 كيلو أوم ، 1/8 واط المقاوم ، Digikey PN CF18JT10K0CT-ND

6.75 بوصة / 17 سم طول سلك نحاسي مطلي بالمينا 18AWG

1 × قطعة شريط رغوة على الوجهين

18 / 45 سم سلك التفاف الأسلاك

يستخدم المقبس لـ ATtiny85 حيث أن البرمجة داخل الدائرة غير مدعومة.

يتم لحام لوحة الفصل SHT31-D وجهاز الإرسال RF Link ومقبس DIP ذي 8 سنون وسلك الهوائي على لوح التجارب كما هو موضح في الصورة أعلاه. قم بإزالة المينا من 1/4 بوصة من سلك الهوائي 18AWG قبل اللحام باللوحة.

يتم لحام المقاوم 10K أوم على اللوح بين المسامير 1 و 8 من مقبس DIP ذي 8 سنون.

سلك التفاف السلك ملحوم على الجانب الخلفي من اللوح لعمل الروابط بين المكونات وفقًا للمخطط التخطيطي للتحكم اللاسلكي الموضح في الخطوة السابقة.

يتم لحام الخيوط الإيجابية والسلبية من حامل البطارية بمجموعة واحدة من حافلات "+" و "-" ، على التوالي ، على لوح التجارب.

يتم اختبار جهاز التحكم عن بعد اللاسلكي 434 ميجا هرتز باستخدام Wireless Bridge و LoRa IOT Gateway. سيرسل جهاز التحكم عن بعد اللاسلكي 434 ميجا هرتز على الفور حزمة في كل مرة يتم فيها إدخال البطاريات ، وكل 10 دقائق تقريبًا بعد ذلك. عند تلقي حزمة لاسلكية من طبقة المستشعر 434 ميجاهرتز ، يومض المصباح الأخضر الموجود على الجسر اللاسلكي لمدة 0.5 ثانية تقريبًا. يجب عرض اسم المحطة ودرجة الحرارة والرطوبة بواسطة LoRa IOT Gateway إذا تم توفير رقم محطة التحكم عن بعد اللاسلكية 434 ميجا هرتز في البوابة.

بمجرد اختبار جهاز التحكم عن بعد اللاسلكي جيدًا باستخدام ATtiny85 مبرمج ، يتم استخدام قطعة من الشريط الرغوي على الوجهين ، مقطوعة بنفس حجم اللوح ، لتوصيل اللوح المكتمل بحامل البطارية.

الخطوة 3: برنامج التحكم عن بعد اللاسلكي 434 ميجا هرتز

يتم إرفاق برنامج التحكم عن بعد اللاسلكي 434 ميجا هرتز بهذه الخطوة ويتم التعليق عليه جيدًا.

لقد قمت ببرمجة المتحكمات الدقيقة ATtiny85 باستخدام Sparkfun Tiny AVR Programmer و Arduino IDE. يحتوي Sparkfun على برنامج تعليمي شامل حول كيفية إعداد برامج التشغيل وما إلى ذلك وكيفية جعل المبرمج يعمل مع Arduino IDE.

أضفت مقبس ZIF (Zero Insertion Force) إلى Tiny AVR Programmer لتسهيل إضافة وإزالة الرقائق من المبرمج.

الخطوة 4: أجهزة الجسر اللاسلكي

قائمة الاجزاء:

1 × Arduino Uno R3 ، Digikey PN 1050-1024-ND

1 × Adafruit Proto Shield Arduino Stack V. R3 ، Digikey PN 1528-1207-ND

1 x Adafruit RFM9W LoRa Radio Transceiver Board (915-MHz) ، Digikey PN 1528-1667-ND

1 × Sparkfun RF Link Receiver (434-MHz) ، Digikey PN 1568-1173-ND

1 x 8-Pin DIP Socket، Digikey PN AE10011-ND

6.75 بوصة / 17 سم طول سلك نحاسي مطلي بالمينا 18AWG

3.25 بوصة / 8.5 سم طول سلك نحاسي مطلي بالمينا 18AWG

24 بوصة / 61 سم سلك التفاف الأسلاك

1 × كابل USB A / MicroB ، 3 قدم ، Adafruit PID 592

1 × 5V 1A منفذ USB مزود بالطاقة ، Adafruit PID 501

قم بتجميع درع النماذج الأولية وفقًا للتعليمات الموجودة على Adafruit.com.

قم بتجميع لوحة جهاز الإرسال والاستقبال RFM95W LoRa وفقًا للتعليمات الموجودة على Adafruit.com. يتم استخدام سلك 18AWG بطول 3.25 بوصة / 8.5 سم للهوائي ، ويتم لحامه مباشرة بلوحة جهاز الإرسال والاستقبال بعد نزع 1/4 بوصة من المينا من السلك.

قم بقطع مقبس DIP ذي 8 سنون بعناية بنصف طرق الطول لإنشاء مجموعتين من مآخذ SIP ذات 4 سنون.

قم بلحام مآخذ SIP ذات 4 سنون في درع النماذج الأولية كما هو موضح. سيتم استخدام هذه لتوصيل مستقبل RF Link ، لذا تأكد من وجودها في الفتحات الصحيحة لتتوافق مع RF Link Transmitter قبل اللحام.

قم بتلحيم لوحة جهاز الإرسال والاستقبال RFM9W LoRa بدرع النماذج الأولية كما هو موضح.

يتم إجراء التوصيلات التالية بين Arduino Uno ولوحة جهاز الإرسال والاستقبال RFM9W باستخدام سلك لف الأسلاك على الجانب العلوي من لوحة النماذج الأولية:

RFM9W G0 Arduino Digital I / O Pin 2 ، تستخدم مكتبة RadioHead المقاطعة 0 على هذا الدبوس

RFM9W SCK Arduino ICSP رأس ، دبوس 3

RFM9W MISO Arduino ICSP رأس ، دبوس 1

RFM9W MOSI Arduino ICSP رأس ، دبوس 4

RFM9W CS Arduino Digital I / O Pin 8

RFM9W RST Arduino Digital I / O Pin 9

يتم إجراء التوصيلات التالية على الجانب السفلي من لوحة النماذج الأولية:

RFM9W VIN الحافلة 5V النماذج الأولية

RFM9W GND الحافلة الأرضية للنماذج الأولية (GND)

RF Link Rx Pin 1 (GND) ناقل أرضي للوحة النماذج الأولية (GND)

RF Link Rx Pin 2 (خرج البيانات) Arduino Digital I / O Pin 6

RF Link Rx Pin 2 (Vcc) لوحة النماذج الأولية 5V bus

لوحة Proto Board Green LED Arduino Digital I / O Pin 7

تتوفر معلومات الدبوس لجهاز استقبال رابط الترددات اللاسلكية على www.sparkfun.com.

قم بفصل المينا من 1/4 بوصة من طول السلك 18AWG البالغ 6.75 بوصة وأدخله في فتحة لوحة النماذج الأولية المجاورة مباشرة لـ RF Link Rx Pin 8 (الهوائي). بمجرد إدخاله في الفتحة ، قم بثني الطرف المجرد بحيث يجعل اتصل بـ RF Link Rx Pin 8 وقم بتثبيته في مكانه.

قم ببرمجة Arduino Uno بالرسم المقدم في الخطوة التالية. عند إعادة التعيين أو التشغيل ، سيومض مؤشر LED الأخضر مرتين لمدة 0.5 ثانية. عند تلقي حزمة لاسلكية من طبقة المستشعر 434 ميجاهرتز ، يومض المصباح الأخضر لمدة 0.5 ثانية تقريبًا.

الخطوة 5: برنامج Wireless Bridge

يتم إرفاق برنامج Wireless Bridge بهذه الخطوة ويتم التعليق عليه جيدًا.