Введение

Smart_U - студенческий проект по созданию метеодатчиков для контроля микроклимата в различных помещениях. В статье рассказывается о разработке проекта, используемых технологиях, возникших ошибках и т.д. Сразу скажу, что набор компонентов довольно банален: микроконтроллеры Atmegа328(168), датчик температуры и влажности HTU21D, датчик интенсивности света MAX44009/BH1750, LoRa для передачи данных и в качестве эксперимента - ёмкостной датчик влажности почвы.

Идея создания метеодатчиков возникла по причине отсутствие в одном из производственных зданий каких-либо систем контроля температуры в помещениях: батареи отопления - чугунные, без возможности их регулировки, а существующий контроль сводился только к контролю температуры теплоносителя на входе и выходе из здания. Из-за этого создавался существенный перекос температуры по помещениям здания: 30 градусов тепла в ближайших помещениях к теплоузлу, а в удаленных 18. Понятно, что с помощью датчиков температуры эту проблему не решить, но сбор статистики и аналитики вполне возможен. С небольшой группой студентов под чутким руководством преподавателя приступили к поиску решения.

Схема устройства

Заранее определили показатели, которые хотелось фиксировать:

• температура;

• влажность;

• освещённость;

• в тестом варианте был также добавлен датчик качества воздуха (tvOC);

• далее в качестве эксперимента был добавлен ёмкостной датчик влажности почвы.

Для беспроводной передачи данных протокол выбрали LoRa на 433 МГц, на максимально разрешённой мощности в России 10 мВт, позволяющий передавать данные на относительно большие расстояния внутри зданий. Сами метеодатчики должны быть компактными и энергоэффективными. В качестве источника питания остановились на 2АА батарейках с теоретической емкостью 1500мАч до напряжения 2 вольта (минимальное напряжение при котором микроконтроллер и передатчик стабильно работали).

За основу на этапе разработки метеостанции выбрали стандартный набор компонентов:

• Arduino mini (в разработанной плате перешли на ATmega328P-AU/ATmega168P-AU серии picoPower);

• Датчик температуры и влажности HTU21D в виде модуля (на готовой плате использовали только сам чип HTU21D);

• Датчик освещённости MAX44009 (который в дальнейшем был заменён на датчик BH1750);

• Lora Ra-01 на 443 МГц;

• Датчик качества воздуха CSS811 - только в первой версии.

Создание и проектирование платы

Тестовый вариант собрали навесным монтажом с использованием макетной платы, провода МГТФ и готовых модулей. Все работало, но судя по показаниям мультиметра потребляло около 50 мА, что давало нам 40 часов работы.

Полный размер

Устройство хотелось сделать миниатюрным, дешевым и энергоэффективным, поэтому решили создавать свою плату с минимальным числом элементов и использовать "голые" компоненты. Среди участников проекта не было специалистов по разработке платы, поэтому насмотревшись видеороликов начали «творить» в Easyeda. Для начала просто соединили все устройства между собой и добавили необходимую обвязку согласно даташитам, подключили к нужным ногам микроконтроллера. Использовать решили внутренний тактовый генератор Atmega на частоте 8 МГц(использовали модифицированное ядро от AlexGyver). Дальше добавили конденсаторы по питанию, увидев такие рекомендации в интернете. Вывели дополнительные контакты для прошивки и питания микроконтроллера. Изготовление плат заказали в JLCPCB, обошлось в 2$ + 8$ доставка (3 раза).

1. Первый вариант плат сразу ушёл в мусорку, т.к. мы решили использовать транзистор для управления питанием внешних устройств, но ошиблись с трассировкой и сожгли 2 датчика освещённости, пока поняли в чем дело. В следующих вариантах от транзистора отказались, питаясь напрямую от батареек. 

   

2. Второй вариант плат оказался работоспособен, добавили тестовые точки для замера напряжений и сопротивлений, которые очень сильно упростили отладку в поиске коротких замыкании и неправильного подключения компонентов. Но без ошибок опять не обошлось: ошиблись с размером разъёма для прошивки - вместо шага 2.54мм установили что-то меньшего размера. Также оказалось, что Lora модуль мешает прошивки Atmega с использованием ISP программатора. Погуглив, нашли решения в виде 3 резисторов на 500 Ом по шинам MOSI, MISO, SCK. На основе этих плат было создано 3 устройства, которые сейчас продолжают работать в тестовом режиме уже более 5 месяцев. 

   

3. Сейчас ждём 3 заказ плат (которые были отправлены в феврале, но, к сожалению, так и не пришли) Получили 3 вариант платы, где датчик MAX44009 был заменён на более дешевый BH1750 и добавлена вся необходимая обвязка для него, а также в качестве эксперимента добавили емкостной датчик для измерения влажности почвы. 

   

Пайка компонентов

Все конденсаторы и резисторы в форм-факторе SMD0805, ATmega328P-AU в корпусе TQFP-32, датчик температуры в DFN, а датчик влажности BH1750 WSOF6I и мы посчитали, что наших "прямых" рук будет недостаточно. Для уверенной пайки этих компонентов приобрели подогреваемый столик: питается от 220 вольт, размер 50x80мм, никаких регулировок не имеет, разогревается до 230-250 градусов. Данный аппарат сделал пайку всех компонентов гораздо проще и быстрее: в нужные места накладываем паяльную пасту, расставляем компоненты, включаем подогрев, ждем когда паста расплавится, выключаем, ждем до полного остывания. Для проверки качества пайки использовали максимально дешевый и простой микроскоп AOMEKIE 20X/40X.

Для удобства прошивки использовали прищепку, на которую выведены 2x4 pogo пина с шагом 2,54 мм. На плате вывели контакты RX, TX, GND, VCC, MOSI, MISO, SCK для прошивки и отладки. Для прошивки применили UsbISP-программатор, для отладки USB-TTL конвертер.

Микроскоп, паяльный столик, пайка

Разработка программного обеспечение

Основная причина выбора Arduino в качестве сердца устройства - это простота разработки, низкий порог вхождения на начальном этапе, наличие большого числа сторонних библиотек. За основу были взяты библиотеки:

1. Arduino LoRa

2. Max44009 - датчик освещенности

3. GyverHTU21D - для работы с датчиком HTU21D

4. ArduinoLowPower - для спящего режима

5. BH1750 - датчик освещенности

6. Хитрая система измерения напряжения батареи

Первый прототип прошивки собрали буквально за 1 вечер, используя готовые модули и примеры кода. Основным недостатком данного варианта стало относительное большое время работы в активном режиме - более 1,5 секунд. Дальше приступили к оптимизации кода.

1. Скачали калькулятор для протокола Lora и начали подбирать оптимальные показатели для передачи на те расстояния, которые у нас были - около 30 метров внутри помещений и минимальное время передачи. Связь односторонняя, без подтверждения приема данных. Подобранные параметры представлены ниже.

   Скриншоты из калькулятора 

   

   

   Также отказались от передачи контрольной суммы, а саму проверку уже организовали на стороне сервера, просто проверяя корректность данных: грубо говоря температура не может быть выше 100 градусов, влажность меньше 0 и т.д.

2. В первом варианте данные передавались в виде строки: 
   "id устройства#температура#влажность#освещенность#заряд батарей" 
   Как потом оказалось, эта строка занимала много байт и долго передавалась. Погуглив, решили использовать структуру (Struct) для передачи пакета информации, также перевели все числа с плавающей запятой в целые числа просто умножив их на 100. В итоге id, температура, влажность, освещённость, влажность почвы и заряд батареи поместился в 11 байт.

3. Также нашли интересную статью о том, что команды DigitalRead, DigitalWrite выполняются продолжительное время и заменили их на управление через регистры.

Данный вариант пока остался окончательным и используется в существующих устройствах. Раз в 3-4 дня приходят некорректные данные, но они успешно отсеиваются на стороне сервера. Ниже представлены осциллограммы до и после оптимизации кода и настроек Lora. 

Энергопотребление

После допиливания прошивки, перешли к измерению энергопотребления с использованием мультиметра и осциллографа. Устройства просыпаются 1 раз в 3 минуты. К сожалению, мультиметр не умеет снимать показания в микроамперметрах и в момент передачи показывает около 30 миллиампер, в спящем режиме показывает нули. По уровню напряжения все устройства калибровались от лабораторного источника питания, а полученные поправочные коэффициенты вносились в Grafana. На осциллограмме видим, что основная часть энергии тратится именно на передачу данных в момент работы Lora и время работы около 500мс. 

Расчет показывает, что продолжительность работы на 2AA-батарейках емкостью 1500мАч составит:

0.85*1500/(24*(30мА*0.5сек + 0.01мА*180сек)*20/3600) = 569 дней,

где:

• 0.85 - коэффициент саморазряда;

• 1500 - емкость батареек (мАч);

• 24 - количество часов в сутках;

• 30 - потребление энергии в режиме передачи (мА);

• 0.5 - время работы в режиме передачи (сек.);

• 0.01 - потребление в спящем режим (мА) (очень оптимистичный вариант);

• 180 - время нахождения в спящем режиме (сек.);

• 20 - количество циклов пробуждения в 1 часе;

• 3600 - количество секунд в часе.

Полный размер

Скачок напряжения связан с изменением температуры в серверной с 20 на 16 градусов. 

Скачок напряжения батареи

 Полный размер

Корпус устройства

Изначально решили использовать готовые корпуса для РЭА, купленные в местном магазине радиотоваров. 

А так как в наличии был 3д-принтер, решили попробовать создать корпус самостоятельно. 

И последний вариант, разработанный в рамках акции "ДоброВспышка". 

Сбор данных

В качестве приемника данных используем Arduino Nano c подключенным передатчиком Lora и по UART передает данные по usb-кабелю на компьютер с простеньким python-скриптом, который парсит данные и кладет их в InfluxDB. Дальше уже в Grafana рисуем графики.

Полный размер

Полный размер

Дальность работы

На данный момент с антеннами, сделанными из проволоки дальность внутри помещении - 30 метров с 3 несущими стенами, на улице - 45 метров через 2 стены. Мощность установлена 10 мВт. С приемника мы также забираем показатель SNR (Signal-to-Noise Ratio - отношение между мощностью принятого сигнала и фонового шума) и видим, что он сильно меняется. Пока мы решили, что это сигнализации на ближайших машинах создают дополнительные помехи. 

Полный размер

Датчик влажности почвы

В качества эксперимента на последний вариант платы была добавлена обвязка для емкостного датчика влажности почвы. 

Насколько мы поняли, здесь один из выходов Atmega используется как ШИМ-генератор, а контакты датчика являются обкладками конденсатора, которые вносят изменения в сигнал. При контакте с водой или влажной почвой емкость конденсатора изменяется, эти изменения потом фиксируются с помощью аналогового входа микроконтроллера. Основная проблема возникла с подбором емкостей конденсатора и сопротивления резистора, даже попробовали создать и протестировать схему в Multisim. Сам тестовый датчик промазан лаком, установлен в корпус с экранами Стивенсона (ссылка на модель), в качестве контактов (обкладками конденсатора) является 2 провода, уходящих в землю. Он уже пережил несколько сильных ливней и пока следов попадания влаги не обнаружено. 

Аварийные ситуации

На данный момент работают 5 устройств и дважды уже сигнализировали о температуре. В первом случае, отключился кондиционер в серверной, как назло в праздничный день. В Grafana настроены уведомления о температуры выше 30 градусов. 

Полный размер

Во втором случае была централизованная проблема с отоплением (отключилось) и тоже в праздники. Температура в помещениях опустилась ниже 15 градусов. 

Полный размер

Дальнейшие планы

• Сейчас есть желание все таки установить датчик tvOC CO2 CSS811, проблема в том, что он является энергозатратным и от батареек продержится недолго. В тестовом режиме одновременно работают от сети датчики MH-Z19(с калибровкой раз в сутки) и CSS811. Результаты между ними очень похожи. Только CSS811 нужно 2 суток, чтобы откалиброваться.

  

   Полный размер

• Научиться "высасывать" батарейки до конца используя stepup-преобразователи (хотя в них остается не так уж много, 0.2-0.3 вольта).

• Также хочется увеличить дальность передачи данных, возможно перейти на 868МГц.

• Создание этакой "станции приема данных", которая будет расположена повыше с выносной антенной.

• Возможно перейти на STM32.

• Создать интерактивную web-карту с микроклиматом.

Спасибо за внимание.

Ссылки:

1. Снова о автономной Arduino-метеостанции на батарейках

2. Fast DigitalRead(), DigitalWrite() for Arduino

3. Разводим печатные платы в EasyEDA. Большой гайд - Youtube

4. Модель уличного корпуса датчика

5. GYVERCORE - быстрое и лёгкое ядро для arduino