Compacte weersensor met GPRS (simkaart) datalink - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

project samenvatting

Dit is een weersensor op batterijen op basis van een BME280 temperatuur/druk/vochtigheidssensor en een ATMega328P MCU. Hij werkt op twee 3,6 V lithium-thionyl AA-batterijen. Het heeft een ultralaag slaapverbruik van 6 µA. Het stuurt elk half uur gegevens via GPRS (met behulp van een SIM800L GSM-module) naar ThingSpeak, bestuurd door een DS3231 realtime klok. De geschatte levensduur van één set batterijen is >6 maanden.

Ik gebruik een ASDA pay-as-you-go simkaart, die zeer goede voorwaarden biedt voor de doeleinden van dit project, aangezien het een zeer lange vervaltijd voor krediet heeft (180 dagen) en slechts 5p/MB datavolume in rekening brengt.

Motivatie: Ontwikkeling van een economische, onderhoudsvrije, autonome, batterijgevoede omgevingssensor die in het wild kan worden geplaatst om weers- of andere gegevens te verkrijgen en via GSM/GPRS-netwerk naar een IoT-server te verzenden.

Fysieke afmetingen: 109 x 55 x 39 mm (inclusief kastflenzen). Gewicht 133 gram. IP-classificatie 54 (geschat).

Materiaalkosten: Ca. € 20 per stuk.

Montagetijd: 2 uur per stuk (handsolderen)

Stroombron: twee lithium-thionyl AA-batterijen, niet-oplaadbaar (3,6 V, 2,6 Ah).

Netwerkprotocol: GSM GPRS (2G)

Mogelijk gebruik: elke externe locatie met GSM-signaaldekking. Bossen, vuurtorens, boeien, privéjachten, caravans, kampeerplaatsen, berghutten, onbewoonde gebouwen

Betrouwbaarheidstest: een eenheid ondergaat sinds 30.8.20 langdurige tests zonder toezicht. Afgezien van één softwarecrash, verzendt het elke 30 minuten betrouwbaar gegevens.

Stap 1: Vereiste onderdelen

• Op maat gemaakte printplaat. Gecomprimeerde Gerber-bestanden hier (instructables.com lijkt uploads van ZIP-bestanden te blokkeren). Ik raad jlcpcb.com ten zeerste aan voor PCB-productie. Voor mensen die in het VK wonen, stuur ik je graag een reserve-printplaat voor een minimale bijdrage aan materiaal- en verzendkosten - stuur me een bericht.
• ATMega328P-AU
• Gewijzigde DS3231 Realtime Clock (zie onderstaande paragraaf)
• BME280 Breakout-bord, zoals deze
• SIM800L GSM GPRS-module
• Diverse SMD onderdelen volgens gedetailleerde lijst.
• Hammond 1591, zwarte ABS-behuizing, IP54, flens, 85 x 56 x 35 mm, van RS Components UK

Wijziging van DS3231

Het in rood omcirkelde viervoudige weerstandsnetwerk moet worden losgesoldeerd. Andere, meer destructieve methoden zijn ook OK, maar vermijd overbrugging van de pads op de binnenste rij van 4 pads (richting de zijkant van de MCU). De andere 4 pads zijn sowieso verbonden door PCB-sporen. Deze aanpassing is essentieel om de SQW-pin als alarm te laten functioneren. Zonder de weerstanden te verwijderen, zal het niet werken totdat u een VCC-voeding op de module aansluit, wat het doel van een RTC met een zeer laag vermogen verslaat.

Stap 2: Schematische principes

De topprioriteiten voor het ontwerp waren:

• Batterijwerking met laag slaapstroomverbruik
• Compact ontwerp

Stroomvoorziening

Twee 3.6V Saft Lithium thionyl AA batterijen. Een P-kanaal MOSFET voor bescherming tegen omgekeerde polariteit.

Er zijn twee spanningsregelaars in het circuit:

• Een Texas Instruments TPS562208 2 Amp step-down regelaar om de SIM800L op ongeveer 4,1V van stroom te voorzien. Deze is schakelbaar vanuit de ATMega en wordt meestal in de afsluitmodus gezet via Enable pin 5.
• Een MCP1700 3.3V regelaar voor de ATMega en BME280. Dit is een uiterst efficiënte low-drop regelaar met een ruststroom van slechts ongeveer 1 µA. Omdat het alleen tolerant is tot 6V-invoer, heb ik twee gelijkrichtdiodes (D1, D2) in serie toegevoegd om de 7,2V-voeding te verlagen tot een acceptabel niveau rond 6V. Ik ben vergeten de gebruikelijke 10 µF ontkoppelcondensator op de print toe te voegen voor de voeding van de ATMega. Daarom heb ik de gebruikelijke uitgangscondensator op de MCP1700 geüpgraded van 1 naar 10 µF en dat werkt prima.
• Accuspanningsbewaking via ADC0 op de ATMega (via een spanningsdeler)

Realtime klok

Een gemodificeerde DS3231, die de ATMega met gespecificeerde intervallen wekt om een cyclus van metingen en gegevensoverdracht te starten. De DS3231 zelf wordt gevoed met een CR2032 lithiumcel.

BME280

Ik heb geprobeerd alleen de originele Bosch BME280-module te gebruiken, die vanwege zijn kleine formaat bijna onmogelijk te solderen is. Daarom gebruik ik het algemeen beschikbare breakout-bord. Omdat deze een onnodige spanningsregelaar heeft, die energie verbruikt, zet ik hem vlak voor metingen aan met een N-kanaals MOSFET.

SIM800L

Deze module is betrouwbaar, maar lijkt nogal temperamentvol te zijn als de voeding niet ijzersterk is. Ik ontdekte dat een voedingsspanning van 4,1 V het beste werkt. Ik heb de PCB-sporen voor VCC en GND naar de SIM800L extra dik gemaakt (20 mil).

Schematische/PCB-opmerkingen

• Het netwerklabel "1" - vermeld als "SINGLEPIN" in de onderdelenlijst verwijst eenvoudigweg naar een mannelijke header-pin.
• De twee pinnen naast de schuifschakelaar moeten voor normaal bedrijf worden overbrugd met een jumper, anders is de VCC-lijn hier open. Ze zijn bedoeld voor stroommetingen indien nodig.
• De 100 µF condensator (C12) voor de SIM800L module is niet nodig. Het is toegevoegd als een (wanhopige) voorzorgsmaatregel in geval van verwachte stabiliteitsproblemen

Aanbevolen montagestappen

1. Monteer alle voedingscomponenten in het linkerondergedeelte van de printplaat. De Enable-pin (pin 5) van de TPS562208 moet logisch hoog zijn om te testen, anders staat de module in de afsluitmodus en heb je 0V-uitgang. Om de Enable-pin hoog te trekken voor het testen, kan een tijdelijke draad van pad 9 van de ATMega (die op de PCB is aangesloten op PIN 5 van de spanningsregelaar) worden aangesloten op een VCC-punt; het dichtstbijzijnde punt is de onderste pin van R3, die op de VCC-lijn ligt.
2. Test de uitvoer van de TPS562208 tussen de onderste pinnen van C2, C3 of C4 en GND. Je zou ongeveer 4.1V moeten hebben.
3. Testuitgang van MCP1700, tussen pen rechtsboven van U6 en GND. Je zou 3.3V moeten hebben.
4. Soldeer ATMega328P; observeer de pin 1-markering in de linkerbovenhoek. Enige oefening vereist, maar niet te moeilijk.
5. Brand bootloader op ATMega328 - tutorials hiervoor elders. Je hoeft niet per se pin headers te gebruiken om verbinding te maken met MOSI, MISO, SCK en RST. Voor de paar seconden die nodig zijn om de bootloader te branden, kun je Dupont-draden gebruiken en een beetje hoek gebruiken om een goed contact te krijgen.
6. Bevestig 5x female pin header voor de DS3231.
7. Soldeer SIM800L via mannelijke pin-headers
8. Soldeer BME280
9. Upload code in Arduino IDE met behulp van een USB2TTL-adapter (selecteer Arduino Uno/Genuino als doel).

Stap 3: Arduino-code

Zie Arduino-broncode in bestandsbijlage.

Stap 4: Test in de echte wereld

Ik heb twee kleine gaatjes aan de rechterkant van de behuizing geboord, net diep aan de voorkant. Ik heb ze van binnenuit bedekt met Goretex-pleisters om luchtuitwisseling mogelijk te maken maar water uit te sluiten. Ik heb wat extra regenbescherming toegevoegd met kleine plastic dakjes. Vervolgens steek ik de complete montage in de behuizing met de componenten naar voren gericht en de batterij naar het deksel gericht. Ik voeg een beetje siliconenvet toe aan de behuizing voor extra bescherming tegen het binnendringen van water.

De unit is momenteel "geïnstalleerd" naast een kleine rivier. Hier is de live datafeed.