Sensor Cuaca Ringkas Dengan Tautan Data GPRS (Kartu SIM): 4 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:53

Ringkasan proyek

Ini adalah sensor cuaca bertenaga baterai berdasarkan sensor suhu/tekanan/kelembaban BME280 dan MCU ATMega328P. Ini berjalan pada dua baterai lithium thionyl AA 3,6 V. Ini memiliki konsumsi tidur yang sangat rendah sebesar 6 A. Ini mengirimkan data setengah jam melalui GPRS (menggunakan modul GSM SIM800L) ke ThingSpeak, dikendalikan oleh jam waktu nyata DS3231. Estimasi servis satu set baterai >6 bulan.

Saya menggunakan kartu SIM ASDA pay-as-you-go, yang menawarkan kondisi yang sangat baik untuk keperluan proyek ini, karena memiliki waktu kedaluwarsa yang sangat lama untuk kredit (180 hari) dan hanya membebankan volume data 5p/MB.

Motivasi: Pengembangan sensor lingkungan yang ekonomis, tanpa perawatan, otonom, bertenaga baterai yang dapat ditempatkan di alam liar untuk memperoleh cuaca atau data lain dan mengirimkan melalui jaringan GSM/GPRS ke server IoT.

Dimensi fisik: 109 x 55 x 39 mm (termasuk flensa casing). Berat 133 gram. Peringkat IP 54 (perkiraan).

Biaya bahan: Perkiraan. £20 per unit.

Waktu perakitan: 2 jam per unit (penyolderan tangan)

Sumber daya: Dua baterai Lithium thionyl AA, tidak dapat diisi ulang (3.6V, 2.6Ah).

Protokol jaringan: GSM GPRS (2G)

Potensi penggunaan: Setiap lokasi terpencil dengan jangkauan sinyal GSM. Hutan, mercusuar, pelampung, kapal pesiar pribadi, karavan, tempat berkemah, pondok perlindungan gunung, bangunan tak berpenghuni

Uji keandalan: Satu unit telah menjalani pengujian jangka panjang tanpa pengawasan sejak 30.8.20. Terlepas dari satu kerusakan perangkat lunak, ia telah mengirim data dengan andal setiap 30 menit.

Langkah 1: Bagian yang Diperlukan

• PCB yang dibuat khusus. Zip file Gerber di sini (instructables.com tampaknya memblokir unggahan file ZIP). Saya sangat merekomendasikan jlcpcb.com untuk produksi PCB. Untuk orang-orang yang tinggal di Inggris, saya dengan senang hati mengirimi Anda PCB cadangan dengan kontribusi minimal untuk biaya bahan dan ongkos kirim - pesan saya.
• ATMega328P-AU
• Jam Realtime DS3231 yang dimodifikasi (lihat paragraf di bawah)
• Papan breakout BME280, seperti yang ini
• Modul GPRS GSM SIM800L
• Berbagai bagian SMD sesuai daftar terperinci.
• Hammond 1591, Kandang ABS Hitam, IP54, Bergelang, 85 x 56 x 35mm, dari RS Components UK

Modifikasi DS3231

Jaringan resistor empat kali lipat yang dilingkari merah harus tidak disolder. Metode lain yang lebih merusak juga tidak masalah, tetapi hindari menjembatani bantalan di baris dalam 4 bantalan (menuju sisi MCU). 4 bantalan lainnya tetap terhubung dengan jejak PCB. Modifikasi ini penting untuk memungkinkan pin SQW berfungsi sebagai alarm. Tanpa melepas resistor, itu tidak akan berfungsi sampai Anda menghubungkan suplai VCC ke modul, yang mengalahkan tujuan memiliki RTC berdaya sangat rendah.

Langkah 2: Prinsip Skema

Prioritas utama untuk desain adalah:

• Pengoperasian baterai dengan konsumsi arus tidur rendah
• Desain kompak

Sumber Daya listrik

Dua baterai 3.6V Saft Lithium thionyl AA. MOSFET P-channel untuk perlindungan polaritas terbalik.

Ada dua regulator tegangan di sirkuit:

• Regulator step-down Texas Instruments TPS562208 2 Amp untuk memberi daya pada SIM800L sekitar 4.1V. Ini dapat dialihkan dari ATMega dan sebagian besar dimasukkan ke mode shutdown melalui Enable pin 5.
• Regulator 3.3V MCP1700 untuk ATMega dan BME280. Ini adalah regulator low-drop yang sangat efisien dengan arus diam hanya sekitar 1 A. Karena hanya toleran hingga input 6V, saya menambahkan dua dioda penyearah (D1, D2) secara seri untuk menurunkan suplai 7.2V ke tingkat yang dapat diterima sekitar 6V. Saya lupa menambahkan kapasitor decoupling 10 F biasa pada PCB untuk catu daya pada ATMega. Oleh karena itu, saya telah memutakhirkan kapasitor keluaran biasa pada MCP1700 dari 1 menjadi 10 F dan berfungsi dengan baik.
• Pemantauan tegangan baterai melalui ADC0 pada ATMega (melalui pembagi tegangan)

Jam waktu nyata

DS3231 yang dimodifikasi, yang membangunkan ATMega pada interval tertentu untuk memulai siklus pengukuran dan transmisi data. DS3231 sendiri didukung dengan sel lithium CR2032.

BME280

Saya telah mencoba menggunakan modul Bosch BME280 asli sendiri, yang hampir tidak mungkin untuk disolder karena ukurannya yang kecil. Oleh karena itu, saya menggunakan papan breakout yang tersedia secara luas. Karena ini memiliki pengatur tegangan yang tidak perlu, yang menghabiskan energi, saya menyalakannya dengan MOSFET saluran-N sebelum pengukuran.

SIM800L

Modul ini dapat diandalkan tetapi tampaknya cukup temperamental jika catu daya tidak kokoh. Saya menemukan bahwa tegangan suplai 4.1V bekerja paling baik. Saya telah membuat jejak PCB untuk VCC dan GND ke SIM800L ekstra tebal (20 mil).

Komentar skema/PCB

• Label jaringan "1" - terdaftar sebagai "SINGLEPIN" dalam daftar bagian hanya mengacu pada pin header laki-laki.
• Dua pin yang berdekatan dengan sakelar geser perlu dijembatani dengan jumper untuk operasi normal, jika tidak, jalur VCC terbuka di sini. Mereka dimaksudkan untuk pengukuran saat ini jika diperlukan.
• Kapasitor 100 F (C12) untuk modul SIM800L tidak diperlukan. Itu ditambahkan sebagai tindakan pencegahan (putus asa) jika terjadi masalah stabilitas yang diharapkan

Langkah-langkah perakitan yang direkomendasikan

1. Pasang semua komponen catu daya di bagian kiri bawah PCB. Pin Enable (pin 5) dari TPS562208 harus berada pada logika tinggi untuk pengujian, jika tidak modul dalam mode shutdown dan Anda akan memiliki output 0V. Untuk menarik pin Enable tinggi untuk pengujian, kabel sementara dari pad 9 ATMega (yang pada PCB disambungkan ke PIN 5 regulator tegangan) dapat dihubungkan ke titik VCC; titik terdekat adalah ke pin bawah R3, yang terletak pada garis VCC.
2. Uji keluaran dari TPS562208 antara pin bawah baik C2, C3 atau C4 dan GND. Anda harus memiliki sekitar 4.1V.
3. Uji keluaran dari MCP1700, antara pin kanan atas U6 dan GND. Anda harus memiliki 3.3V.
4. Solder ATMega328P; amati penanda pin 1 di pojok kiri atas. Beberapa latihan diperlukan, tetapi tidak terlalu sulit.
5. Bakar bootloader ke ATMega328 - tutorial untuk ini di tempat lain. Anda tidak perlu menggunakan pin header untuk terhubung ke MOSI, MISO, SCK dan RST. Selama beberapa detik yang diperlukan untuk membakar bootloader, Anda dapat menggunakan kabel Dupont dan menggunakan sedikit sudut untuk mencapai kontak yang baik.
6. Pasang 5x female pin header untuk DS3231.
7. Solder SIM800L melalui header pin pria
8. Solder BME280
9. Unggah kode di Arduino IDE menggunakan adaptor USB2TTL (pilih Arduino Uno/Genuino sebagai target).

Langkah 3: Kode Arduino

Lihat kode sumber Arduino di lampiran file.

Langkah 4: Tes Dunia Nyata

Saya mengebor dua lubang kecil di sisi kanan kasing hanya dalam ke sisi depan. Saya menutupinya dari dalam dengan tambalan Goretex untuk memungkinkan pertukaran udara tetapi tidak termasuk air. Saya menambahkan beberapa pelindung hujan tambahan dengan atap plastik kecil. Saya kemudian memasukkan rakitan lengkap ke dalam kasing dengan komponen menghadap ke depan dan baterai menghadap ke tutupnya. Saya menambahkan sedikit minyak silikon ke kasing untuk perlindungan masuknya air tambahan.

Unit saat ini "dipasang" di sebelah sungai kecil. Berikut adalah umpan data langsung.