433MHz зурвасын хямд өртөгтэй утасгүй мэдрэгчийн сүлжээ: 5 алхам (зурагтай)

2024 Зохиолч: John Day | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-30 11:02

Энэхүү нийтлэл дэх нийтлэлүүдийнхээ өгөгдлийг ашиглахыг зөвшөөрсөнд Тереза Ражба надад маш их баярлалаа

* Дээрх зурган дээр - миний туршихад ашиглаж байсан мэдрэгч илгээгч таван нэгж

Утасгүй мэдрэгчийн сүлжээ гэж юу вэ?

Энгийн тодорхойлолт нь: утасгүй мэдрэгчийн сүлжээ гэдэг нь хүрээлэн буй орчны өгөгдлийг хянах, бүртгэх зориулалттай, тодорхой төвшинд тарааж, боловсруулж, хадгалах төвийн байршил руу утасгүй дамжуулдаг цахим төхөөрөмжийг хэлнэ.

Өнөө үед утасгүй мэдрэгчийн сүлжээг хэд хэдэн хэлбэрээр ашиглаж болох бөгөөд доорх хэдхэн жишээ дурдъя.

• Ой, гол, нуур, тэнгис, далайд экологийн тандалт хийх газар;
• Террорист, химийн, биологийн, тахлын халдлага гарсан тохиолдолд сэрэмжлүүлэг өгөх боломж;
• Хүүхэд, өндөр настан, өвчтөн эсвэл онцгой хэрэгцээтэй хүмүүст зориулсан хяналтын систем;
• Хөдөө аж ахуй, хүлэмжинд тавих хяналтын систем;
• Цаг агаарын урьдчилсан мэдээний хяналтын систем;
• Хотын замын хөдөлгөөн, сургууль, автомашины зогсоолын хяналт;

Мөн бусад олон програмууд.

Энэ нийтлэлд би температур, чийгшлийн өгөгдлийг хянахад ашиглаж байсан утасгүй мэдрэгчийн сүлжээний туршилтын үр дүнг удаан, харьцангуй урьдчилан таамаглах боломжтой хувилбараар харуулахыг хүсч байна. Энэхүү туршилтын хувьд би боломжийн модулиудыг ашиглан өөрийн гараар бүтээсэн мэдрэгч илгээгчдийг ашиглахаар шийдсэн. Хүлээн авагч нь мөн DIY, харилцаа холбоо нь нэг чиглэлтэй (433 МГц радио зурвас дээр) бөгөөд энэ нь мэдрэгч нь зөвхөн өгөгдлийг дамжуулдаг бөгөөд төв байрлалыг зөвхөн хүлээн авдаг гэсэн үг юм. Мэдрэгч ба хүлээн авагчаас мэдрэгч хооронд ямар ч холбоо байдаггүй.

Гэхдээ яагаад олон дамжуулагч, ганцхан хүлээн авагч ашиглахаар шийдсэн юм бэ? Мэдээжийн хэрэг эхний шалтгаан нь "үүнийг хялбарчлах" явдал юм. Угсрах нь илүү энгийн бөгөөд бүтэлгүйтэх магадлал багатай бөгөөд эвдрэл гарсан тохиолдолд нэг бүрэлдэхүүн хэсгийг засах, солих нь илүү хялбар байдаг. Цахилгаан зарцуулалт бага, батерей нь удаан үргэлжлэх болно (мэдрэгч нь хяналт, хүлээн авах үед л зарцуулагдах болно, үлдсэн хугацаанд төхөөрөмж гүн унтах горимд байх болно). Энгийн байгаа нь төхөөрөмжийг хямдхан болгодог. Анхаарах ёстой өөр нэг тал бол хамрах хүрээ юм. Яагаад? Мэдрэгч хүлээн авагч, мэдрэгч болон төвийн модульд хүчирхэг дамжуулагчтай байхаас илүү мэдрэмтгий хүлээн авагчийг бүтээх, ашиглах нь хамаагүй хялбар байдаг (энэ нь хоёр талт харилцаа холбоо сайтай байх шаардлагатай). Мэдрэмтгий, чанартай хүлээн авагчийн тусламжтайгаар алсын зайнаас өгөгдөл хүлээн авах боломжтой боловч ижил зайд өгөгдөл ялгаруулахын тулд өндөр ялгаруулалт шаардагддаг бөгөөд энэ нь өндөр өртөг, цахилгааны хэрэглээ, мөн үүнийг мартаж болохгүй. 433 МГц зурвасын хууль ёсны хамгийн их дамжуулагч хүч. Дунд зэргийн чанартай, хямд боловч өндөр чанартай антенн (DIY хүртэл), сайн чанарын антентай хямд дамжуулагчийг ашигласнаар бид одоо байгаа утасгүй мэдрэгчийн сүлжээний үнээс бага хэмжээгээр маш сайн үр дүнд хүрч чадна.

Алхам 1: Онолын үндэслэлүүд

Хүлэмжийн янз бүрийн хэсэгт агаар, хөрсний температур, чийгшлийг хянах утасгүй мэдрэгчийн сүлжээг бий болгох санаа эрт дээр үеэс, бараг 10 жилийн өмнө төрсөн. Би 1 утастай сүлжээ байгуулж, 1 утастай температур, чийгшлийн мэдрэгч ашиглахыг хүссэн. Харамсалтай нь 10 жилийн өмнө чийгшил мэдрэгч ховор, үнэтэй байсан (хэдийгээр температур мэдрэгч өргөн тархсан байсан), хүлэмжинд утас тараах нь миний санаанаас хурдан бууж өгсөн сонголт биш юм шиг санагдсан.

Гэсэн хэдий ч одоо нөхцөл байдал эрс өөрчлөгдсөн байна. Бид хямд, сайн чанарын мэдрэгч (температур, чийгшил) олох боломжтой бөгөөд 433 МГц зурвасын хямд дамжуулагч, хүлээн авагчтай болно. Ганцхан асуудал байна: хэрэв бид илүү олон мэдрэгчтэй бол (20 гэж хэлье) бид мөргөлдөөнийг хэрхэн шийдвэрлэх вэ (энэ нь нэг талын харилцаа гэдгийг санаарай), өөрөөр хэлбэл 2 ба түүнээс дээш тооны мэдрэгчийн ялгарал давхцаж байна уу? Боломжит шийдлийг хайж байхдаа би маш сонирхолтой баримтуудтай таарлаа.

Утасгүй мэдрэгчийг санамсаргүй ажиллагааны горимд үндэслэн нэгтгэдэг - RAJBA, T., RAJBA, S.

ба

Утасгүй мэдрэгчийн сүлжээнд санамсаргүй илгээсэн тохиолдолд мөргөлдөх магадлал - RAJBA S. ба RAJBA. Т.

Зохиогчид утасгүй мэдрэгчийн сүлжээнд мөргөлдөх магадлалыг пооссон (экспоненциал) хуваарилалтын дагуу тодорхой хугацааны цэгт ялгаруулдаг бол тооцоолж болохыг бидэнд харуулжээ.

Дээрх баримт бичгийн ишлэлд судлагдсан сүлжээний шинж чанарыг жагсаасан болно.

• маш олон тооны мэдрэгч илгээгч нэгж N;
• мэдрэгч дамжуулагч төхөөрөмжүүд нь бүрэн бие даасан хэвээр байгаа бөгөөд асаах, унтраах нь сүлжээний ажиллагаанд ямар ч нөлөө үзүүлэхгүй;
• мэдрэгч илгээгч бүх нэгжүүд (эсвэл тэдгээрийн нэг хэсэг) нь хүлээн авах станцын радио долгионы хүрээнд байрладаг тохиолдолд хөдөлгөөнт байж болно;
• аажмаар өөрчлөгдөж буй физик параметрүүдийг хэмжилт хийдэг бөгөөд энэ нь өгөгдлийг байнга дамжуулах шаардлагагүй (жишээлбэл, хэдэн минут эсвэл хэдэн арван минут тутамд);
• дамжуулалт нь нэг талын хэлбэртэй, өөрөөр хэлбэл мэдрэгч дамжуулагч төхөөрөмжөөс хүлээн авах цэг хүртэл T дундаж хугацааны интервалаар. Мэдээллийг t хаягаар протоколоор дамжуулдаг_х үргэлжлэх хугацаа;
• сонгосон аливаа мэдрэгч Пуассоны үед санамсаргүй байдлаар дамжуулж эхэлдэг. PASTA (Poisson Arrivals See Time Averages) -ийг Пуассоны эрин үед туршилт явуулахыг зөвтгөхийн тулд ашиглах болно;
• мэдрэгч илгээгчийн бүх нэгжүүд санамсаргүй байдлаар бие даасан хэвээр байгаа бөгөөд мэдээллийг t-ийн санамсаргүй байдлаар сонгосон мөчид дамжуулах болно_х давталтын үргэлжлэх хугацаа ба дундаж хугацаа;
• Хэрэв нэг буюу хэд хэдэн мэдрэгч t -ийн протоколыг дамжуулж эхэлбэл_х үргэлжлэх хугацааг өөр мэдрэгчээс дамжуулдаг тул ийм нөхцөл байдлыг мөргөлдөөн гэж нэрлэдэг. Мөргөлдөөн нь төв суурин станц мэдээллийг үнэн зөв хүлээн авах боломжгүй болгодог.

Энэ нь миний туршихыг хүсч буй мэдрэгчийн сүлжээнд бараг төгс нийцэж байна …

Бараг л.

Би цаасан дээрх математикийг бүрэн ойлгосон гэж хэлээгүй, гэхдээ танилцуулсан өгөгдөл, дүгнэлт дээр үндэслэн энэ нь юу болохыг бага зэрэг ойлгож чадсан юм. Ганц зүйл бол цаасан дээр ашигласан үнэ цэнэ намайг бага зэрэг санаа зовоосон:). Энэ нь t хувьсагч юм_х - 3.2x10 гэж тооцсон өгөгдөл дамжуулах хугацаа^-5 с. Тиймээс цуглуулсан өгөгдлийг дамжуулах хугацаа нь 3.2 байх болно! Үүнийг 433 МГц зурвас дээр хийх боломжгүй. Би rcswitch эсвэл radiohead ашиглан дамжуулагчийн мэдрэгчийг програмчлахыг хүсч байна. Хоёр номын сангийн кодыг судалж үзээд хамгийн бага дамжуулах хугацаа нь 20ms байх ёстой гэсэн дүгнэлтэд хүрсэн бөгөөд энэ нь бидний 3.2 утгаас хамаагүй дээр юм. 2.4 GHz давтамжтай дамжуулагчийн тусламжтайгаар энэ нь боломжтой_х цаг маш бага … гэхдээ энэ бол өөр түүх.

Хэрэв бид энэ нийтлэлийн зохиогчдын санал болгосон томъёог ашиглавал дараах үр дүн гарна.

Анхны өгөгдөл (жишээ):

• Мэдрэгчийн тоо N = 20;
• Мэдээлэл дамжуулах хугацаа t_х= 20х10^-3 сек (0.020 сек)
• Дамжуулах дундаж интервал T = 180s

Томъёо:

T интервал дээр мөргөлдөх магадлал нь

Хэрэв бид анхны өгөгдлийг харгалзан үзвэл T интервал дээр мөргөлдөх магадлал 0.043519 болно

100 хэмжилт тутамд 4.35 мөргөлдөх магадлалыг харуулсан энэ утга нь миний бодлоор маш сайн үзүүлэлт юм. Хэрэв бид дамжуулах дундаж хугацааг нэмэгдүүлэх юм бол магадлал сайжирч магадгүй тул 300 секундын утгаар бид 0.026332, өөрөөр хэлбэл 100 хэмжилт тутамд 2.6 мөргөлдөх магадлалтай байх болно. Хэрэв бид системийн ажиллагааны явцад (жишээ нь цаг агаарын нөхцөл байдлаас шалтгаалан) өгөгдлийн пакет алдагдах болно гэж бодож байгаа бол энэ тоо үнэхээр гайхалтай байна.

Би ийм төрлийн сүлжээний симуляци хийхээс гадна дизайны туслах маягаар хийхийг хүсч байсан тул би C програм дээр жижиг програм хийсэн бөгөөд та github дээрх эх кодыг олж болно (мөн Windows командын мөрөнд ажилладаг хөрвүүлсэн хоёртын файлыг олж болно) суллах).

Мэдээлэл оруулах:

• sensor_number - сүлжээ дээрх мэдрэгчийн тоо;
• хэмжилтийн_тоо - загварчлах хэмжлийн тоо;
• дундаж_ дамжууллын_ интервал -өгөгдөл дамжуулах хоорондох дундаж хугацаа;
• дамжуулах_ цаг - өгөгдөл дамжуулах үр дүнтэй хугацаа.

Гаралт:

• тооцоолсон хамгийн их хэмжих хугацаа;
• хоёр мэдрэгчийн хоорондох мөргөлдөөний жагсаалт;
• мөргөлдөөний тоо;
• мөргөлдөөний онолын магадлал.

Үр дүн нь үнэхээр сонирхолтой юм:)

Онол хангалттай байгаа тул би онолын хэсгийг илүү их шаардахыг хүсэхгүй байна, нийтлэлүүд болон эх кодууд нь маш уран яруу байдаг тул утасгүй мэдрэгчийн сүлжээг практик, үр дүнтэй хэрэгжүүлэх, туршилтын үр дүнг үзэх нь дээр.

Алхам 2: Практик хэрэгжилт - Тоног төхөөрөмж

Дамжуулагч мэдрэгчийн хувьд бидэнд дараах бүрэлдэхүүн хэсгүүд хэрэгтэй болно.

• ATtiny85 микроконтроллер 1.11 $;
• Нэгдсэн хэлхээний залгуур 8DIP 0.046 $;
• Температур/чийгшил мэдрэгч DHT11 0.74 $;
• 433MHz H34A дамжуулагч модуль 0.73 $;
• 1 x шилжүүлэгчтэй 4хАА зай эзэмшигч;

Нийт 3.63 $;

Туршилтанд ашигладаг хүлээн авагч нь Arduino UNO (зөвхөн туршихад зориулагдсан) ба H3V4F хүлээн авах модуль (0.66 $) бөгөөд хямд нуман антентай (0.32 $).

Мэдрэгч дамжуулагчийн схем

Дамжуулагч мэдрэгч төхөөрөмжүүд нь 3хАА, 1.5в батерейгаар тэжээгддэг (зай эзэмшигчийн дөрөв дэх тасалгаанд электрон угсралт байдаг). Таны харж байгаагаар дамжуулагчийн тэжээлийн хангамж ба температур-чийгшлийн мэдрэгч нь микроконтроллерийн PB0 зүүтэй холбогдсон байдаг (зүү нь өндөр байх үед дамжуулагч ба мэдрэгч тэжээгддэг). Тиймээс микроконтроллер гүн нойрны горимд байх үед 4.7uA гүйдлийн хэрэглээнд хүрэх боломжтой. Дамжуулагч-мэдрэгчийн сэрэх хугацаа ойролцоогоор 3 секунд (хэмжилт, дамжуулалт гэх мэт), 180-аад оны дамжуулалтын хоорондох дундаж хугацаа (өмнөх бүлгийн жишээнд дурдсан болно) гэж үзвэл батерей нь маш их эсэргүүцэлтэй байх ёстой. Зарим сайн чанарын шүлтлэг батерейнууд (өөрөөр хэлбэл 2000 мАч), бие даасан байдал нь omnicalculator.com дээр тооцоолсон 10 сараас илүү байж болно (одоогийн нийт хэрэглээ нь: мэдрэгч - 1.5мА, дамжуулагч модуль - 3.5мА ба ATtiny85 микроконтроллер - 5мА, нийт 10мА)).

Доорх зурган дээр бараг дууссан мэдрэгч илгээгчийн угсралтыг харж болно.

Туршилтын хүлээн авах нэгжийн зургийг доор харуулав.

Алхам 3: Практик хэрэгжилт - Програм хангамж

Мэдрэгч дамжуулагч нэгжийн үндсэн бүрэлдэхүүн хэсэг болох attiny85 микроконтроллерт суурилагдсан програм хангамж нь мэдрэгчийн өгсөн өгөгдлийг уншиж, радиогоор дамжуулж хөрвүүлж, Пуассоны хугацаанд (экспоненциал хуваарилалт эсвэл ПАСТА - Пуассон ирсэн хүмүүс цагийн дундажийг харна уу). Мөн энгийн функцийг ашигласнаар батерейны төлөв байдлыг хянаж, мэдрэгчийн шаардлагатай хүчдэлийг өгөхөө больсон тохиолдолд анхааруулга өгдөг. Эх кодыг github дээр авах боломжтой. Туршилтын хүлээн авагчийн код маш энгийн тул би үүнийг доор байрлуулж байна.

// https://github.com/Martin-Laclaustra/rc-switch/tree/protocollessreceiver// хаягаас өөрчилсөн rcswitch номын сан нь анхны rcswitch номын сангийн жишээнүүдээс өөрчлөгдсөн хувилбар юм #include RCSwitch mySwitch = RCSwitch (); гарын үсэг зураагүй урт өгөгдөл = 0; void setup () {Serial.begin (9600); mySwitch.enableReceive (0); // Тасалдал хүлээн авагч 0 => энэ бол зүү #2} void loop () {if (mySwitch.available ()) {unsigned long data = mySwitch.getReceivedValue (); // гаралт (mySwitch.getReceivedValue (), mySwitch.getReceivedBitlength (), mySwitch.getReceivedDelay (), mySwitch.getReceivedRawdata (), mySwitch.getReceivedProtocol ()); int чийгшил = bitExtracted (өгөгдөл, 7, 1); // 1 -р байрнаас бага ач холбогдолтой 7 бит - хамгийн баруун талын эхний температур int = bitExtracted (өгөгдөл, 7, 8); // 8 -р байрнаас баруун тийш дараагийн 7 бит гэх мэт int v_min = bitExtracted (өгөгдөл, 1, 15); int packet_id = bitExtracted (өгөгдөл, 3, 16); // 3 бит - 0 -ээс 7 хүртэлх 8 пакет ID int sens_id = bitExtracted (өгөгдөл, 6, 19); // 64 битийн мэдрэгчийн 6 бит - нийт 24 бит Serial.print (sensor_id); Serial.print (","); Serial.print (packet_id); Serial.print (","); Serial.print (температур); Цуваа.хэв (","); Цуваа.хэв (чийгшил); Serial.println (); mySwitch.resetAvailable (); }} // https://www.geeksforgeeks.org/extract-k-bits-given-position-number/ int bitExtracted (гарын үсэг зураагүй урт тоо, int k, int p) {буцах ((((1 (p- 1)));}

Ойлгоход хялбар болгох үүднээс аль болох олон тайлбар оруулахыг хичээсэн.

Дебаг хийх зорилгоор би програм хангамжийн номын сан болон USBasp програмисттай attiny85 хөгжлийн самбарыг ашигласан (энэ талаар миний зааврыг үзнэ үү). Цуваа холбоосыг хөгжүүлэлтийн самбарын нугалсан тээглүүр (3 ба 4) -тэй холбосон Serial to TTL хөрвүүлэгч (PL2303 чиптэй) ашиглан хийсэн болно (доорх зургийг үзнэ үү). Энэ бүхэн кодыг дуусгахад үнэлж баршгүй тус болсон.

Алхам 4: Туршилтын үр дүн

Би DHT11 мэдрэгчийн хэмжсэн утгыг цуглуулж илгээдэг 5 мэдрэгч илгээгч нэгжийг бүтээсэн. Би хэмжилтийг туршилтын хүлээн авагч болон терминал эмуляцийн програм (foxterm) ашиглан гурван өдрийн турш тэмдэглэж, хадгалсан. Би хичээллэхийн тулд 48 цагийн интервалыг сонгосон. Би заавал хэмжсэн утгыг сонирхож байсангүй (жишээ нь, мэдрэгч 2, энэ нь надад буруу утгыг харуулдаг) гэхдээ мөргөлдөөний тоог сонирхсон юм. Үүнээс гадна пакет алдагдах бусад шалтгааныг арилгахын тулд мэдрэгчийг хүлээн авагч маш ойрхон (4-5 м-ийн зайд) байрлуулсан байв. Туршилтын үр дүнг cvs файлд хадгалж байршуулсан болно (доорх файлыг үзнэ үү). Би бас энэ csv файл дээр үндэслэсэн excel файл байршуулсан. Мөргөлдөөн хэрхэн харагдаж байгааг харуулахын тулд би зарим дэлгэцийн агшинг авсан (миний туршилтын явцад), би дэлгэцийн агшин бүрт тайлбар нэмж оруулав.

Би яагаад ThingSpeak гэх мэт өгөгдөл ачаалах үйлчилгээг ашиглаагүйг та гайхаж магадгүй юм. Баримт нь надад олон тооны бүртгэл, олон мэдрэгч, өгөгдөл тогтмол бус интервалтайгаар ирдэг бөгөөд онлайн IoT үйлчилгээ нь зөвхөн тодорхой тооны мэдрэгч дээр өгөгдөл дамжуулах боломжийг олгодог. Би ирээдүйд өөрийн IoT серверээ суулгаж тохируулах талаар бодож байна.

Эцэст нь 5 мэдрэгч илгээгч нэгж (ойролцоогоор 920/мэдрэгч) дээр 4598 хэмжилт хийхэд 48 цагийн хугацаанд нийт 5 удаа мөргөлдсөн (0.5435 мөргөлдөөн/100 хэмжилт). Математик хийх (анхны өгөгдөлтэй wsn_test програмыг ашиглан: 5 мэдрэгч, 180s дундаж хугацаа, дамжуулах хугацаа 110 ms) мөргөлдөх магадлал 0.015185 (1.52 мөргөлдөөн/100 хэмжилт) байх болно. Практик үр дүн нь онолын үр дүнгээс хамаагүй дээр юм, тийм үү?:)

Ямар ч байсан энэ хугацаанд 18 пакет алдагдсан тул мөргөлдөөн нь энэ талаар тийм ч чухал биш юм. Мэдээжийн хэрэг хамгийн найдвартай үр дүнд хүрэхийн тулд туршилтыг илүү удаан хугацаанд хийх ёстой, гэхдээ миний бодлоор ийм нөхцөлд ч гэсэн амжилтанд хүрсэн бөгөөд онолын таамаглалыг бүрэн баталж байна.

Алхам 5: Эцсийн бодол

Шууд өргөдөл

Том хүлэмжинд хэд хэдэн ургац ургадаг. Хэрэв усжуулалтыг цаг уурын хяналтгүйгээр, автоматжуулалтгүйгээр, өгөгдлийн бүртгэлгүйгээр усалгааг хэтрүүлэн ашиглах, услах эрсдэл өндөр, усны хэрэглээг оновчтой болгох нотолгоо байхгүй бол газар тариалангийн хувьд эрсдэлтэй болно. ерөнхий Үүнээс зайлсхийхийн тулд бид утасгүй мэдрэгчийн сүлжээг ашиглаж болно:)

Температур мэдрэгч, агаарын чийгшил мэдрэгч, хөрсний чийгшил мэдрэгчийг хүлэмжийн эргэн тойронд байрлуулж, дамжуулсан өгөгдлийн тусламжтайгаар хэд хэдэн үйлдлийг хийж болно: усны урсгалыг шаардлагатай газарт оруулах цахилгаан хавхлага, цахилгаан сэнсийг эхлүүлэх. өөр өөр бүс дэх температурыг бууруулахын тулд шаардлагатай бол халаагчийг зогсоож, бүх өгөгдлийг архивлаж ирээдүйн шинжилгээнд хамруулж болно. Түүнчлэн, систем нь хаа сайгүй нэвтрэх боломжтой вэб интерфэйс, хэвийн бус тохиолдолд имэйл эсвэл SMS дохиолол өгөх боломжтой.

Дараа нь юу юм?

• Илүү олон тооны мэдрэгч ашиглан туршилт хийх;
• Хамрах хүрээн дэх алсын мэдрэгч бүхий бодит цагийн туршилт;
• Орон нутгийн IoT серверийг суулгах, тохируулах (жишээ нь Raspberry Pi дээр);
• 2.4 ГГц давтамжтай дамжуулагч (дамжуулагч) мэдрэгчтэй туршилтууд.

Тиймээс … үргэлжлүүлэх болно …:)

АНХААРУУЛГА: Танай бүс нутагт 433MHz давтамжийн зурвасыг ашиглах нь радио давтамжийн зохицуулалттай байж болно. Энэ төслийг туршиж үзэхээсээ өмнө хууль ёсны байдлаа шалгаарай

Мэдрэгчдийн тэмцээнд дэд байр эзэлсэн