गृह पर्यावरण निगरानी प्रणाली के लिए नई वायरलेस आईओटी सेंसर परत: 5 कदम (चित्रों के साथ)

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:21

यह इंस्ट्रक्शनल मेरे पहले के इंस्ट्रक्शनल: लोरा आईओटी होम एनवायरनमेंटल मॉनिटरिंग सिस्टम के लिए कम लागत वाली, बैटरी से चलने वाली वायरलेस IOT सेंसर परत का वर्णन करता है। यदि आपने पहले से ही इस निर्देश को पहले से नहीं देखा है, तो मैं सिस्टम की क्षमताओं के अवलोकन के लिए परिचय पढ़ने की सलाह देता हूं जो अब इस नई सेंसर परत तक विस्तारित हैं।

मूल लोरा आईओटी होम एनवायरनमेंटल मॉनिटरिंग सिस्टम ने अप्रैल 2017 में प्रकाशित होने पर मेरे द्वारा निर्धारित उद्देश्यों को प्राप्त किया। हालांकि, घर के प्रत्येक तल पर तापमान और आर्द्रता की निगरानी के लिए कई महीनों तक निगरानी प्रणाली का उपयोग करने के बाद, मैं चाहता था कि घर में विशेष रूप से कमजोर स्थानों पर 11 और सेंसर जोड़ें; सहित, छह सेंसर रणनीतिक रूप से तहखाने में रखे गए, प्रत्येक बाथरूम में सेंसर, और अटारी, कपड़े धोने और रसोई में एक सेंसर।

पहले के इंस्ट्रक्शनल से अधिक लोरा आधारित सेंसर जोड़ने के बजाय, जो कुछ महंगे हैं और एसी एडेप्टर के माध्यम से संचालित होते हैं, मैंने 434-मेगाहर्ट्ज आरएफ लिंक ट्रांसमीटर का उपयोग करके कम लागत, बैटरी संचालित सेंसर की एक परत जोड़ने का फैसला किया। मौजूदा लोरा आईओटी होम एनवायरनमेंटल मॉनिटरिंग सिस्टम के साथ संगतता बनाए रखने के लिए, मैंने 434-मेगाहर्ट्ज पैकेट प्राप्त करने के लिए एक वायरलेस ब्रिज जोड़ा और उन्हें 915-मेगाहर्ट्ज पर लोरा पैकेट के रूप में पुनः प्रेषित किया।

नई सेंसर परत में निम्नलिखित सबसिस्टम शामिल हैं:

1. 434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट - बैटरी संचालित तापमान और आर्द्रता सेंसर
2. वायरलेस ब्रिज - 434-मेगाहर्ट्ज पैकेट प्राप्त करता है और उन्हें लोरा पैकेट के रूप में पुनः प्रेषित करता है।

434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट लोरा रेडियो की तुलना में कम ट्रांसमिट पावर और कम मजबूत प्रोटोकॉल का उपयोग करते हैं, इसलिए घर में वायरलेस ब्रिज स्थान को सभी 434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट के साथ विश्वसनीय संचार सुनिश्चित करने के लिए चुना जाता है। वायरलेस ब्रिज का उपयोग करने से 434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट के साथ संचार को लोरा आईओटी गेटवे स्थित होने पर कोई बाधा डाले बिना अनुकूलित किया जा सकता है।

434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट और वायरलेस ब्रिज आसानी से उपलब्ध हार्डवेयर मॉड्यूल और कुछ व्यक्तिगत घटकों का उपयोग करके बनाए गए हैं। भागों को Adafruit, Sparkfun, और Digikey से प्राप्त किया जा सकता है; कई मामलों में, डिजिके से एडफ्रूट और स्पार्कफुन भाग भी उपलब्ध हैं। हार्डवेयर को इकट्ठा करने के लिए सक्षम सोल्डरिंग कौशल की आवश्यकता होती है, विशेष रूप से, 434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट की पॉइंट-टू-पॉइंट वायरिंग। Arduino कोड को समझने और कार्यक्षमता के आसान विस्तार को सक्षम करने के लिए अच्छी तरह से टिप्पणी की गई है।

इस परियोजना के उद्देश्यों में निम्नलिखित शामिल थे:

• घरेलू वातावरण के लिए उपयुक्त कम लागत वाली वायरलेस तकनीक खोजें।
• एक बैटरी चालित वायरलेस सेंसर विकसित करें जो बैटरी के एक सेट पर कई वर्षों तक काम कर सके।
• लोरा आईओटी गेटवे हार्डवेयर या सॉफ्टवेयर में मेरे पहले के इंस्ट्रक्शनल से कोई संशोधन की आवश्यकता नहीं है।

3xAA बैटरी को छोड़कर, 434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट के लिए कुल भागों की लागत $25 है, जिसमें से SHT31-D तापमान और आर्द्रता सेंसर आधे से अधिक ($14) के लिए खाते हैं।

जैसा कि लोरा मेरे पहले के इंस्ट्रक्शनल से रिमोट करता है, 434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट तापमान और आर्द्रता रीडिंग लेता है, और हर 10 मिनट में वायरलेस ब्रिज के माध्यम से लोरा आईओटी गेटवे को रिपोर्ट करता है। ग्यारह ४३४-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट्स को दिसंबर २०१७ में ४.५ वी प्रदान करने वाली ३ x एए बैटरी का उपयोग करके परिचालन में लाया गया था। दिसंबर 2017 में ग्यारह सेंसर से बैटरी रीडिंग 4.57V से 4.71V तक थी, सोलह महीने बाद मई 2019 में बैटरी रीडिंग 4.36V से 4.55V तक थी। एक विस्तृत ऑपरेटिंग वोल्टेज रेंज वाले भागों का उपयोग एक और वर्ष या उससे अधिक के लिए सेंसर के संचालन को सुनिश्चित करना चाहिए, आरएफ लिंक विश्वसनीयता बनाए रखने के अधीन, क्योंकि कम बैटरी वोल्टेज के साथ संचार शक्ति कम हो जाती है।

मेरे घरेलू वातावरण में 434-मेगाहर्ट्ज सेंसर परत की विश्वसनीयता उत्कृष्ट रही है। नई सेंसर परत को 4, 200 वर्ग फुट के तैयार स्थान और 1, 800 वर्ग फुट के अधूरे बेसमेंट स्थान में तैनात किया गया है। सेंसर को वायरलेस ब्रिज से 2 - 3 आंतरिक दीवारों और फर्श/छत के संयोजन से अलग किया जाता है। लोरा आईओटी गेटवे मेरे पहले के निर्देश से एक एसएमएस अलर्ट भेजता है यदि संचार 60 मिनट से अधिक के लिए सेंसर के साथ खो जाता है (6 मिस्ड दस मिनट की रिपोर्ट)। स्टैक्ड बक्सों के पीछे बेसमेंट के दूर छोर पर एक कोने में फर्श पर एक सेंसर, हर बार एक खोए हुए संपर्क अलर्ट का कारण बनेगा, हालांकि, सभी मामलों में सेंसर के साथ संचार बिना किसी हस्तक्षेप के फिर से स्थापित हो जाता है।

इस निर्देश पर जाने के लिए धन्यवाद, और कृपया अधिक जानकारी के लिए निम्नलिखित चरण देखें।

1. बैटरी संचालित वायरलेस सेंसर डिजाइन
2. 434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट हार्डवेयर
3. 434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट सॉफ्टवेयर
4. वायरलेस ब्रिज हार्डवेयर
5. वायरलेस ब्रिज सॉफ्टवेयर

चरण 1: बैटरी संचालित वायरलेस सेंसर डिजाइन

434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट के लिए डिज़ाइन निम्नलिखित भागों का उपयोग करता है:

• ATtiny85 8-बिट AVR माइक्रोकंट्रोलर
• सेंसरियन SHT31-D - तापमान और आर्द्रता सेंसर ब्रेकआउट बोर्ड
• स्पार्कफुन 434-मेगाहर्ट्ज आरएफ लिंक ट्रांसमीटर
• 10K ओम रोकनेवाला

प्रारंभिक डिजाइन निर्णयों में से एक उन उपकरणों से बचना था जिन्हें विनियमित 3.3V या 5V की आवश्यकता होती है, और उन भागों का चयन करें जो एक विस्तृत वोल्टेज रेंज पर काम करते हैं। यह वोल्टेज नियामकों की आवश्यकता को समाप्त करता है जो बैटरी संचालित डिजाइन में बिजली की बर्बादी हैं, और सेंसर के परिचालन जीवन को बढ़ाते हैं क्योंकि वे लंबे समय तक कार्य करना जारी रखेंगे क्योंकि समय के साथ बैटरी वोल्टेज में गिरावट आती है। चुने गए भागों के लिए ऑपरेटिंग वोल्टेज रेंज इस प्रकार हैं:

• ATtiny85: 2.7V से 5.5V
• SHT31-D: 2.4V से 5.5V
• आरएफ लिंक टीएक्स: 1.5V से 12V

कुछ मार्जिन के लिए अनुमति देते हुए, 434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट को कार्यात्मक रूप से 3V के बैटरी वोल्टेज तक संचालित करना चाहिए। जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, यह देखा जाना बाकी है कि आरएफ लिंक विश्वसनीयता कितनी अच्छी तरह से बनी रहती है क्योंकि कम बैटरी वोल्टेज के साथ संचारण शक्ति कम हो जाती है।

4.5V का नाममात्र का प्रारंभिक वोल्टेज प्रदान करने के लिए 3 x AA बैटरी का उपयोग करने का निर्णय लिया गया था। 16 महीने के ऑपरेशन के बाद, मापा गया सबसे कम बैटरी वोल्टेज 4.36V है।

ATtiny85 वॉच डॉग टाइमर (WDT) का उपयोग 434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट को ज्यादातर समय स्लीप मोड में रखने के लिए किया जाता है। ATtiny85 को WDT द्वारा हर 8 सेकंड में 10 मिनट के काउंटर को बढ़ाने के लिए जगाया जाता है; 10 मिनट के अंतराल पर पहुंचने पर, एक माप लिया जाता है और एक डेटा पैकेट प्रसारित किया जाता है।

बिजली की खपत को और कम करने के लिए, SHT31-D और RF लिंक ट्रांसमीटर एक आउटपुट के रूप में कॉन्फ़िगर किए गए ATtiny85 पर एक डिजिटल I/O पोर्ट पिन से संचालित होते हैं। पावर तब लागू होती है जब I/O पिन उच्च (1) संचालित होता है, और I/O पिन कम (0) संचालित होने पर हटा दिया जाता है। सॉफ़्टवेयर के माध्यम से, इन बाह्य उपकरणों पर केवल 1 - 2 सेकंड के लिए हर 10 मिनट में बिजली लागू की जाती है, जबकि माप लिया जा रहा है और प्रसारित किया जा रहा है। संबंधित सॉफ्टवेयर के विवरण के लिए 434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट सॉफ्टवेयर देखें।

434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट में उपयोग किया जाने वाला एकमात्र अन्य घटक एक 10K ओम अवरोधक है जिसका उपयोग ATtiny85 पर रीसेट पिन को खींचने के लिए किया जाता है।

एक प्रारंभिक डिज़ाइन ने बैटरी वोल्टेज को मापने के लिए ATTINY85 पर ADC पिन को सक्षम करने के लिए बैटरी में एक प्रतिरोधक वोल्टेज विभक्त का उपयोग किया। हालांकि छोटा, इस वोल्टेज डिवाइडर ने बैटरी पर एक निरंतर भार रखा। कुछ शोधों ने एक तरकीब निकाली जो Vcc (बैटरी वोल्टेज) को मापने के लिए ATtiny85 आंतरिक 1.1V बैंड गैप रेफरेंस वोल्टेज का उपयोग करती है। ADC संदर्भ वोल्टेज को Vcc पर सेट करके और आंतरिक 1.1V संदर्भ वोल्टेज का माप लेकर, Vcc के लिए हल करना संभव है। ATtiny85 आंतरिक 1.1V संदर्भ वोल्टेज Vcc> 3V तक स्थिर रहता है। संबंधित सॉफ्टवेयर के विवरण के लिए 434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट सॉफ्टवेयर देखें।

ATtiny85 और SHT31-D के बीच संचार I2C बस के माध्यम से होता है। Adafruit SHT31-D ब्रेकआउट बोर्ड में I2C बस के लिए पुल-अप रेसिस्टर्स शामिल हैं।

ATtiny85 और RF लिंक ट्रांसमीटर के बीच संचार एक आउटपुट के रूप में कॉन्फ़िगर किए गए डिजिटल I/O पिन के माध्यम से होता है। रेडियोहेड पैकेट रेडियो लाइब्रेरी RH_ASK का उपयोग इस डिजिटल I/O पिन के माध्यम से RF लिंक ट्रांसमीटर को ऑन-ऑफ की (OOK / ASK) करने के लिए किया जाता है।

चरण 2: 434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट हार्डवेयर

हिस्सों की सूची:

१ एक्स एडफ्रूट १/४ आकार का ब्रेडबोर्ड, डिजिके पीएन १५२८-११०१-एनडी

1 x बैटरी होल्डर 3 x AA सेल, Digikey PN BC3AAW-ND

1 एक्स एडफ्रूट सेंसिरॉन एसएचटी31-डी ब्रेकआउट बोर्ड, डिजिके पीएन 1528-1540-एनडी

1 एक्स स्पार्कफुन आरएफ लिंक ट्रांसमीटर (434-मेगाहर्ट्ज), डिजिके पीएन 1568-1175-एनडी

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

1 एक्स 8-पिन डीआईपी सॉकेट, डिजिके पीएन एई 10011-एनडी

1 x 10K ओम, 1/8W रोकनेवाला, Digikey PN CF18JT10K0CT-ND

6.75 / 17cm लंबाई 18AWG Enameled कॉपर वायर

1 एक्स टुकड़ा दो तरफा फोम टेप

18 / 45 सेमी वायर रैपिंग वायर

ATtiny85 के लिए एक सॉकेट का उपयोग किया जाता है क्योंकि इन-सर्किट प्रोग्रामिंग समर्थित नहीं है।

SHT31-D ब्रेकआउट बोर्ड, RF लिंक ट्रांसमीटर, 8-पिन DIP सॉकेट, और एंटीना तार ब्रेडबोर्ड पर टांका लगाया जाता है जैसा कि ऊपर की तस्वीर में दिखाया गया है। ब्रेडबोर्ड में टांका लगाने से पहले 18AWG एंटीना तार के 1/4 से तामचीनी को हटा दें।

8-पिन डीआईपी सॉकेट के पिन 1 और 8 के बीच ब्रेडबोर्ड पर 10K ओम रोकनेवाला मिलाप किया जाता है।

पिछले चरण में दिखाए गए वायरलेस रिमोट योजनाबद्ध आरेख के अनुसार घटकों के बीच लिंक बनाने के लिए वायर रैपिंग वायर को ब्रेडबोर्ड के पीछे सोल्डर किया जाता है।

बैटरी धारक से सकारात्मक और नकारात्मक लीड को ब्रेडबोर्ड पर क्रमशः "+" और "-" बसों के एक सेट में मिलाया जाता है।

434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट का वायरलेस ब्रिज और लोरा आईओटी गेटवे के साथ परीक्षण किया जाता है। 434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट हर बार बैटरी डालने पर तुरंत एक पैकेट भेजेगा, और उसके बाद हर ~ 10 मिनट में। ४३४-मेगाहर्ट्ज सेंसर परत से एक वायरलेस पैकेट प्राप्त करने पर, वायरलेस ब्रिज पर हरी एलईडी ~ ०.५ के लिए चमकती है। यदि गेटवे में 434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट स्टेशन नंबर का प्रावधान किया गया है तो स्टेशन का नाम, तापमान और आर्द्रता लोरा आईओटी गेटवे द्वारा प्रदर्शित किया जाना चाहिए।

एक बार प्रोग्राम किए गए ATtiny85 के साथ वायरलेस रिमोट का ठीक से परीक्षण करने के बाद, डबल-पक्षीय फोम टेप का एक टुकड़ा, जिसे ब्रेडबोर्ड के समान आकार में काटा जाता है, का उपयोग पूर्ण ब्रेडबोर्ड को बैटरी धारक से जोड़ने के लिए किया जाता है।

चरण 3: 434-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट सॉफ्टवेयर

४३४-मेगाहर्ट्ज वायरलेस रिमोट सॉफ्टवेयर इस चरण के साथ जुड़ा हुआ है और अच्छी तरह से टिप्पणी की गई है।

मैंने स्पार्कफुन टिनी AVR प्रोग्रामर और Arduino IDE का उपयोग करके ATtiny85 माइक्रोकंट्रोलर को प्रोग्राम किया। स्पार्कफुन में ड्राइवरों और आदि को कैसे सेट किया जाए और प्रोग्रामर को Arduino IDE के साथ कैसे काम करना है, इस पर एक व्यापक ट्यूटोरियल है।

मैंने टाइनी एवीआर प्रोग्रामर में एक ZIF (ज़ीरो इंसर्शन फोर्स) सॉकेट जोड़ा, जिससे प्रोग्रामर से चिप्स जोड़ना और निकालना आसान हो गया।

चरण 4: वायरलेस ब्रिज हार्डवेयर

हिस्सों की सूची:

1 x Arduino Uno R3, Digikey PN 1050-1024-ND

1 x Adafruit Proto Shield Arduino Stack V. R3, Digikey PN 1528-1207-ND

१ एक्स एडफ्रूट आरएफएम९डब्लू लोरा रेडियो ट्रांसीवर बोर्ड (९१५-मेगाहर्ट्ज), डिजिके पीएन १५२८-१६६७-एनडी

1 एक्स स्पार्कफुन आरएफ लिंक रिसीवर (434-मेगाहर्ट्ज), डिजिके पीएन 1568-1173-एनडी

1 एक्स 8-पिन डीआईपी सॉकेट, डिजिके पीएन एई 10011-एनडी

6.75 / 17cm लंबाई 18AWG Enameled कॉपर वायर

3.25 / 8.5cm लंबाई 18AWG Enameled कॉपर वायर

24 / 61 सेमी वायर रैपिंग वायर

1 एक्स यूएसबी केबल ए / माइक्रोबी, 3 फीट, एडफ्रूट पीआईडी 592

1 x 5V 1A USB पोर्ट बिजली की आपूर्ति, Adafruit PID 501

Adafruit.com पर दिए निर्देशों के अनुसार प्रोटोटाइप शील्ड को इकट्ठा करें।

Adafruit.com के निर्देशों के अनुसार RFM95W लोरा ट्रांसीवर बोर्ड को असेंबल करें। 18AWG तार की 3.25" / 8.5cm लंबाई का उपयोग एंटीना के लिए किया जाता है, और तार से तामचीनी के 1/4" को अलग करने के बाद सीधे ट्रांसीवर बोर्ड में मिलाया जाता है।

4-पिन एसआईपी सॉकेट के दो सेट बनाने के लिए 8-पिन डीआईपी सॉकेट को आधी लंबाई में सावधानी से काटें।

दिखाए गए अनुसार प्रोटोटाइप शील्ड में दो 4-पिन एसआईपी सॉकेट मिलाएं। इनका उपयोग आरएफ लिंक रिसीवर में प्लग करने के लिए किया जाएगा, इसलिए सुनिश्चित करें कि वे सोल्डरिंग से पहले आरएफ लिंक ट्रांसमीटर के साथ मेल खाने के लिए सही छेद में हैं।

दिखाए गए अनुसार प्रोटोटाइप शील्ड में RFM9W लोरा ट्रांसीवर बोर्ड मिलाएं।

प्रोटोटाइप बोर्ड के शीर्ष पर वायर रैपिंग वायर का उपयोग करके Arduino Uno और RFM9W ट्रांसीवर बोर्ड के बीच निम्नलिखित कनेक्शन बनाए गए हैं:

RFM9W G0 Arduino Digital I/O Pin 2, RadioHead लाइब्रेरी इस पिन पर इंटरप्ट 0 का उपयोग करती है

RFM9W SCK Arduino ICSP हैडर, पिन 3

RFM9W MISO Arduino ICSP हैडर, पिन 1

RFM9W MOSI Arduino ICSP हेडर, पिन 4

RFM9W CS Arduino डिजिटल I/O पिन 8

RFM9W RST Arduino डिजिटल I/O पिन 9

प्रोटोटाइप बोर्ड के नीचे की तरफ निम्नलिखित कनेक्शन बनाए गए हैं:

RFM9W VIN प्रोटोटाइप बोर्ड 5V बस

RFM9W GND प्रोटोटाइप बोर्ड ग्राउंड (GND) बस

आरएफ लिंक आरएक्स पिन 1 (जीएनडी) प्रोटोटाइप बोर्ड ग्राउंड (जीएनडी) बस

आरएफ लिंक आरएक्स पिन 2 (डेटा आउट) Arduino Digital I/O Pin 6

आरएफ लिंक आरएक्स पिन 2 (वीसीसी) प्रोटोटाइप बोर्ड 5 वी बस

प्रोटो बोर्ड ग्रीन एलईडी Arduino Digital I/O Pin 7

आरएफ लिंक रिसीवर के लिए पिन जानकारी www.sparkfun.com पर उपलब्ध है।

18AWG तार की 6.75 लंबाई के 1/4' से तामचीनी को पट्टी करें और इसे RF लिंक Rx पिन 8 (एंटीना) के ठीक बगल में प्रोटोटाइप बोर्ड के छेद में डालें। एक बार छेद में डालने के बाद, स्ट्रिप्ड एंड को मोड़ें ताकि यह बना रहे आरएफ लिंक आरएक्स पिन 8 के साथ संपर्क करें और इसे जगह में मिलाप करें।

अगले चरण में दिए गए स्केच के साथ Arduino Uno को प्रोग्राम करें। रीसेट या पावर अप करने पर, हरी एलईडी 0.5 सेकंड के लिए दो बार फ्लैश करेगी। 434-मेगाहर्ट्ज सेंसर परत से वायरलेस पैकेट प्राप्त करने पर, हरे रंग की एलईडी ~ 0.5s के लिए चमकती है।

चरण 5: वायरलेस ब्रिज सॉफ्टवेयर

वायरलेस ब्रिज सॉफ्टवेयर इस चरण के साथ जुड़ा हुआ है और अच्छी तरह से टिप्पणी की गई है।