Clever Geek Handbook

家の最適な枩床、たたはサヌモスタットを奥の郚屋にワむダレスで蚭眮する方法







倚くの人にずっお、毎週のサヌモスタットなどのデバむスが、暖房に費やされる゚ネルギヌ資源を節玄するこずに加えお、家の最適な宀枩を確保するのに圹立぀こずは、決しお秘密ではありたせん。 デバむスが正垞に動䜜するためには、通垞、枩床が最も䜎い最も遠い郚屋に眮かれたす。 しかし、ほずんどのサヌモスタットは制埡のためにボむラヌぞの有線接続を必芁ずし、これらのワむダヌを敷蚭するこずは垞に可胜ずはほど遠いです。 この問題の解決策に぀いおは、この蚘事で説明したす。 猫を求めるこずに興味がある人は誰でも...



私は同様の仕事に盎面しなければなりたせんでした。 私の家の蚭蚈は非垞に長く、サヌモスタットは正しく蚭眮されおいたため、修理を枈たせた状態で50 m以䞊のケヌブルを郚屋に通す必芁がありたした。 さらに、ケヌブルを通りからボむラヌに぀なぐこずも問題であり、十分な䜙分なものがなければ、正面の景色を別のワむダヌで台無しにしたくありたせんでした。 ボむラヌ自䜓はキッチンに蚭眮されおおり、蛇口の隣にサヌモスタットを眮くこずは悪い考えでした。 その結果、サヌモスタットはただ遠い郚屋に移動しなければならず、信号は空䞭に送信する必芁があるずいう結論に達したした。 私の次のクラフトを開発するプロセスは、問題の声明からい぀ものように始たりたした。 それでは始めたしょう...



TK



問題を解決するためのデバむスの芁件を定矩したす。





ハヌドりェア



基本的な芁件を決定したら、蚭蚈に移りたしょう。 ハヌドりェアから始めたしょう。

技術仕様に基づいお、芁玠ベヌスの基本芁件は次のずおりです。1.8〜3ボルトの電圧範囲で動䜜する胜力。 スリヌプモヌドに切り替えたり、必芁のないずきに呚蟺をオフにする機胜もありたす。 トランシヌバヌを遞択しお、遞択パスを開始するこずにしたした。 MX-FS-03VおよびMX-05Vモゞュヌルの圢匏で最も単玔な゜リュヌションを怜蚎したした。䟡栌は確かに非垞に魅力的ですが、レビュヌの質はひどく、通信範囲はそれほど熱くありたせん。 そしお、私の堎合、4぀の壁を介しお信号を送信する必芁がありたした。 さらに、圌はもずもずディスパッチの確認を行うこずを意図しおいたため、2組の接続が必芁な双方向の接続が必芁でした。 LoRaモゞュヌルおよびさたざたなHCシリヌズモゞュヌルも怜蚎されたした。 範囲はただロヌカルで販売されるものに制限されおいたした。 その結果、利甚可胜なすべおのオプションを考慮しお、既補のSI4432モゞュヌルを遞択するこずにしたした。 䟡栌性胜比に関しおは、私の意芋では、それらが最高でした。

このモゞュヌルには幅広い技術的胜力があり、蚭定が正しく遞択されおいるため非垞に経枈的です。 出力電力を制埡する機胜も非垞に䟿利です。 最適なものを遞択しお、バッテリヌの消費電力を削枛できたす。 以䞋は、ドキュメントの仕様を蚘茉した衚です。









衚のさたざたなモヌドでの゚ネルギヌ消費の指暙をより詳现に怜蚎しおみたしょう。 デバむスのバッテリヌ寿呜を蚈算するには、このデヌタが埌で必芁になりたす。







私たちの堎合、シャットダりン機胜による完党なシャットダりンは蚀うたでもなく、スリヌプモヌドを䜿甚するこずはすでに受け入れられおいたす。

圓初、私はATMega 8を䞭倮凊理装眮ずしお䜿甚するこずになっおいたしたが、ドキュメントを詳现に調べたずころ、電圧範囲に収たらないこずがわかりたした。 その結果、私はATMega 328Pを遞択したした。 圌女は私の芁件をすべお満たしおいたした。 今埌、圌女のために既補のブヌトロヌダヌを芋぀けたずいう事実がありたすが、それに぀いおは埌で詳しく説明したす。

電力消費ずコアクロッキングの芳点から、コントロヌラヌをより詳现に怜蚎しおください。

最初にタむミングを扱いたしょう。 なぜなら 最倧3ボルトの動䜜電圧範囲があり、氎晶振動子の遞択も制限されおいたす。次のグラフはこれを瀺しおいたす









8 MHzで芋るように、安定した動䜜を埗るこずができないため、4 MHzでクォヌツを䜿甚したす。

次に、さたざたな動䜜モヌドでの消費電力を芋おみたしょう。 これは、消費電力特性を説明するドキュメントの衚です。









したがっお、コントロヌラヌをパワヌダりンモヌドに移行するず、圓然のこずながら、マむクロコントロヌラヌ自䜓の消費は44 uAに䞋がりたす。

すでに遞択されおいる芁玠に加えお、動䜜電流が1 mAの赀色LEDを远加したす。

これで、受信機ず送信機の共通コンポヌネントが完成したした。

受信機の远加コンポヌネントを怜蚎しおください。

埓来の宀内サヌモスタットの出力は、優れたスむッチング胜力250 V 5 Aを備えたリレヌ接点であるため、䜕を制埡するかは関係ありたせん。 しかし、最小のリレヌのコむルでも数十ミリアンペアを消費するため、オンモヌドでリレヌの䜎消費電力を確保する方法ず、工堎のサヌモスタットは、少なくずも2぀の加熱シヌズンの間、誇匵するこずなく通垞のバッテリヌのセットで動䜜したす。 私はこのタスクを数日間考えたしたが、デバむスの1぀の修理䞭に突然思い぀きたした。単玔に双安定リレヌがありたす。 そしお、なぜ修理䞭に、しかし、圌らは修理されおいるデバむスで䜿甚されおいるため。 このタむプのリレヌは、゚ネルギヌを消費せずに無限にその状態を維持できたす。 リレヌの状態を倉曎するには、2぀の巻線リレヌの堎合は必芁なコむルにパルスを、1぀の巻線のリレヌの堎合は逆極性のパルスを印加するだけで十分です。 したがっお、リレヌのタむプを決定したしたが、特定のモデルをどうすればよいでしょうか むンタヌネットで少し怜玢した結果、䜎電圧リレヌを入手するこずが問題になるずの結論に達したした。24VリレヌTakamisawa ALD24W-Kを䜿わなければなりたせんでした。 しかし、この゜リュヌションは新しい問題を提起したした-24 Vを取埗する堎所

答えはすぐに芋぀かりたした。おそらく最も正確ではないかもしれたせんが、それでもです。 私は、昇圧コンバヌタヌを取り付けお電圧を20 Vに䞊げるこずにしたした。これは、リレヌを確実に切り替えるのに十分です。 コンバヌタヌは、MT3608に基づいたかなり䞀般的なモゞュヌルを採甚しおいたす。 これは、電動ドラむバヌの蚭蚈を含む、私が耇数回テストした実甚的な゜リュヌションですHabréでこちらで読むこずができたす。 EN出力により、コンバヌタの動䜜を制埡できるため、消費電力が倧幅に削枛されたす。 実際には、ここにドキュメントからのデヌタがありたす。









䞀緒に受信したすべおの情報を収集したら、䞡方のデバむスの図を描きたした。

送信機







受信機













プロゞェクトのハヌドりェアを䜿い終わったら、アルゎリズムずその゜フトりェアの実装に移りたしょう。



アルゎリズム



たず、デバむスの䞀般的な䜜業コンセプトずアルゎリズムを開発したす。 次の図は、プロセスに関係するすべおのデバむスの䞀般的なシヌケンス図を瀺しおいたす。









ご芧のように、アルゎリズムは耇雑ではありたせん。物語のプレれンテヌションを行いたすたあ、フロヌチャヌトを描くのが面倒だから、すみたせん。 送信機から始めたしょう。 アルゎリズムの芳点からは最も簡単です。 トランスミッタヌのマむクロコントロヌラヌは、次のシヌケンスを実行したす。

-バッテリヌの充電状態をチェックしたす。充電量が少ない堎合、内蔵LEDによっお攟電が瀺されたす。

-入力ステヌタスを問い合わせたす。

-この状態を無線で送信したす。

-送信機をスリヌプモヌドにし、1分間スリヌプ状態にしたす。

-サむクルは最初から繰り返されたす。



受信機では、物事はもう少し耇雑です。 マむクロコントロヌラヌは、次のアルゎリズムに埓っお動䜜したす。

-バッテリヌの充電状態をチェックしたす。充電量が少ない堎合、内蔵LEDによっお攟電が瀺されたす。

-送信機からのパケットを埅っおいたす。2分以内に信号が受信されない堎合、59秒間スリヌプ状態になり、その埌サむクルが最初から始たりたす。

-パケットが到着するず、新しいリレヌ状態を取埗したす。

-リレヌの新しい状態が以前に保存された状態ず異なる堎合は、ブヌストコンバヌタヌをオンにしお、リレヌを目的の状態に切り替えたす。

-59秒間眠りに萜ちる

-最初にサむクルを繰り返したす

したがっお、最初に受信機の電源を入れるず、送信機からの信号を埅機し、それを受信するずすぐに、リレヌの状態を倉曎し、送信機よりも1秒短くスリヌプしたす。 その結果、新しい送信の時点たでに、受信者はすでに動䜜䞭であり、新しい送信を埅っおいたす。 送信機によっお同期されおいるかのようです。 その結果、゚ネルギヌ消費を十分に節玄するこずができたした。 送信機からの信号が受信されない堎合、最倧2分間埅機したす。そのような間隔は、送信機がオンになっおいる時間に関係なく信号がキャッチされるこずを保蚌するために遞択されたす。 ただし、これは非垞に䞍経枈であり、デバむスの同期のみを目的ずしおいたす。



ラむフタむム



アルゎリズムで明らかになったら、バッテリヌ寿呜を蚈算しおみたしょう。

バッテリヌのセットからセンサヌの動䜜時間を蚈算する際に正確な数倀を取埗するために必芁な理論に぀いお少し説明したしょう。

そのため、最初に、い぀どのような電気を䜿甚するかを怜蚎しおください。

送信手順をより詳现に怜蚎しおください。

リレヌの状態を送信するには、パケットを圢成しお空䞭に送信する必芁がありたす。 䞀般に、このようなパッケヌゞの構造は次のずおりです。









デフォルトの送信機パラメヌタ、぀たり FSK、マンチェスタヌなし、Rb = 2.4kbs、Fd = 36kHz。 パケットで送信されるデヌタの量は3バむトです。 プリアンブルは、衚に基づいおサむズが40ビットになりたす。









モゞュヌル構成ずラむブラリ操䜜のゞャングルを掘り䞋げないために、残りのパラメヌタヌを最倧蚱容倀ずしお受け入れたす。 その結果、5バむト+ 4バむト+ 4バむト+ 1バむト+ 3バむト+ 2バむト= 19バむトの合蚈パケットサむズが埗られたす。 152ビット。 2400 bpsの速床では、送信時間は玄64ミリ秒になりたす。

蚘事の冒頭にあるモゞュヌルの゚ネルギヌ消費量の衚に目を向け、13 dBmの出力で送信䞭の電流の倀を取埗したす。 したがっお、デヌタを送信するずき、モゞュヌルは30 mAを消費したす。

受信モヌドでは、モゞュヌルは同じ衚に基づいお静的に18.5 mAを消費したす。

モゞュヌルをシャットダりンモヌドに倉換できたせんでした。䜕らかの理由で、それをreason睡状態から抜け出すこずができたせんでした。その結果、モゞュヌルが1 uAを消費するスリヌプモヌドに制限されたした。

たた、パケットの送受信䞭に、1kΩの抵抗を介しお3.3ボルトに接続された赀色のLEDをオンにするず、玄1 mAを消費したす。

りェむクモヌドのマむクロコントロヌラヌは2.4 mAを消費し、スリヌプモヌドではWDTがオン-44 uAです。 䞊蚘の衚から取埗したデヌタ。

サヌモスタットがグランドぞのプルアップ抵抗を介しお閉じられおいる堎合トランスミッタヌ図を参照、レシヌバヌには寄生リヌク電流もあるため、3.3 V / 10 kOhm = 33 uAが流れたす。 これは私にはかなりの量に思えたので、回路では抵抗倀を100 kOhmに倉曎したしたが、鉄ではただ10 kOhmで組み立おられおいるため、そのたた䜿甚したす。

受信者の消費者が増えおいたす。 たず、20ボルトのブヌストコンバヌタヌです。 スリヌプモヌドでは、1 uAを消費したす。 アむドル動䜜では、消費電力は2.2 mAになりたす。プログラムでは、コンバヌタヌを起動するために100ミリ秒埅機したす。 リレヌコむルは私たちにずっお負荷ずしお機胜したす。その特性は以䞋のずおりです。









したがっお、20ボルトの電圧のコむルは20 V / 1920オヌム= 11 mAを消費するこずがわかりたす。 次に、負荷の消費電流に察する効率の䟝存性のグラフに目を向け、リレヌコむルが接続されたコンバヌタの総消費量を評䟡したす。









ご芧のように、このような消費では、グラフは効率を反映しおいたせんが、盎線的に䞋に移動するず仮定したす。最悪の堎合、効率は玄85になりたす。 その結果、消費電流は11 mA / 0.85 = 13 mAになりたす。 実際、コンバヌタの起動時のピヌク電流は少なくずも1Aであり、操䜜ず起動プロセスは耇雑であり、それらを正しく述べるこずができる人ではないこずを認識しおおく䟡倀がありたす。

リレヌの切り替えによっお生成されるパルス時間は20 msです。

誰がどのくらいの゚ネルギヌを消費しおいるかがわかったので、単䞉電池の理論䞊の寿呜を蚈算したす。 繰り返したすが、受信機ず送信機を別々に怜蚎しおください。

い぀ものように送信機から始めたしょう。 䞊蚘の䜜業のアルゎリズムを基瀎ずしおみたしょう。 コントロヌラヌのりェむク時間は送信時間よりもわずかに長くなり、モゞュヌルのセットアップのコストを考慮しお、入力ポヌリングずバッテリヌ電圧の枬定は70ミリ秒になり、コントロヌラヌは1分間スリヌプモヌドになりたす。 したがっお、1回の操䜜サむクルで、コントロヌラヌは0.07 s *30 mAトランスミッタ+ 1 mA LED + 2.4 mA MK+ 60 s *44 uA MK + 1 uAトランスミッタ+ 33 uA入力抵抗= 2.338 mA * sを消費したす+ 4.68 mA * s = 7.018 mA * s。 取埗した倀を60.07秒で陀算しお、1秒間の平均電流倀-0.117 mAを取埗したす。 1぀のAAサむズのバッテリヌの平均容量は2800 mA * hです盎列に接続した堎合、突然誰かが知らない堎合、バッテリヌの合蚈容量は増加したせん-これは2800 * 3600 = 10080000 mA * sです。 その結果、1組のバッテリヌからのトランスミッタヌの理論的な動䜜時間は10080000 mA * s / 0.117 mA / 3600 s / 24時間= 997日です。



今、受信機に぀いお。 䞊蚘の操䜜アルゎリズムも基本ずしたすが、1぀の泚意点がありたすが、受信機ず送信機の䞡方をほが同時にオンにするため、受信機はすぐに送信機ず同期したす。

そのため、最倧コントロヌラりェむク時間はパケット埅機時間の合蚈になりたすパケットが完党に受信された埌にのみモゞュヌルによっお割り蟌みが生成されるため、受信も入力されたす。モゞュヌルからそれを削陀し、コンバヌタを起動しお新しいリレヌ状態を蚭定し、枬定したすバッテリヌ電圧。 すべおのデヌタを合蚈するず、-1.126秒になり、コントロヌラヌは59秒間スリヌプモヌドになりたす。 しかし、以来 䜜業サむクルは受信機よりも耇雑なので、蚈算はより倚くの状態で構成されたす。 1サむクルの動䜜では、コントロヌラヌは1.006 s *18.5 mAレシヌバヌ+ 2.4 mA MK+ 0.1 *0.1 s *18.5 mAレシヌバヌ+ 1 mA LED + 2.4 mA MK + XX䞊の2.2 mAコンバヌタヌ+ 0.02 s *18.5 mAレシヌバヌ+ 1 mA LED + 2.4 mA MK + 13 mAコンバヌタヌ+ 59 s *44 uA MK + 1 uAレシヌバヌ+ 1 uAコンバヌタヌ= 21.0254 mA + 0.1 *2.41 mA + 0.698 mA+ 2.714 mA = 24.0502 mA * s。 係数0.1は、10サむクルのうち1サむクルでリレヌを切り替えるずいう事実を反映しおいたす。 取埗した倀を60.126秒で陀算しお、1秒間の平均電流倀-0.4 mAを取埗したす。 バッテリヌ寿呜を蚈算したす。 その結果、1セットのバッテリヌからのレシヌバヌの理論的な動䜜時間は、10分ごずにリレヌの状態を倉曎する堎合、10080000 mA * s / 0.4 mA / 3600 s / 24 h = 291日です。

これらの蚈算では、バッテリヌデバむスの化孊的特性のために、2幎以䞊のすべおの時間が実珟されないこずは明らかです。 単䞉電池は、容量が十分であるべきずいう事実にもかかわらず、わずかな電流であっおも、デバむスの定電力䟛絊では2幎以䞊動䜜できたせん。 しかし、2幎未満のものはすべお容量の制限になりたす。 残念ながら、受信機の寿呜の蚈算結果は技術仕様に完党には適合しおいたせんが、この状況では譲歩したした。



コヌド実装



正盎なずころ、私はArduinoずその類䌌のIDEに懐疑的です。 私はCでのマむクロコントロヌラヌのプログラミングを理解し始めたした。レゞスタヌの操䜜は、高レベルの関数のベヌル化された呌び出しよりも理解しやすく、予枬可胜です。 党䜓ずしお、私はプラットフォヌム自䜓ずいく぀かの小さなプロゞェクトを研究したしたが、私はただそれをやっおいたす。 だから、今回はあたりにも怠lazが優勢だった。 Arduino甚のSI4432モゞュヌル甚の既補ラむブラリヌの入手可胜性に賄われおおり、CVAVRに移怍しようずしお時間を無駄にしたくありたせんでした。 そしお、残りのコヌドは非垞に簡単です。 いく぀かの倜を費やしお、モゞュヌルを操䜜するためのラむブラリヌずマむクロコントロヌラヌの䌑止モヌドを研究し、レシヌバヌずトランスミッタヌのスケッチの最初のバヌゞョンはすぐに準備できたした。 次に、ハヌドりェアを組み立お、すでに実際のハヌドりェアで開発を継続する必芁がありたした。



生きおいたす...



EasyEDAオンラむンサヌビスは、回路ずプリント基板を䜿甚したプロゞェクトを開発したした。 私は䞡面ボヌドを気にしたせんでしたので、私は裏偎にゞャンパヌを眮きたした。

これが完成したトランスミッタヌボヌドの写真です...









...そしお受信機。







電池に぀いおは、ホルダヌを賌入し、ケヌスも賌入したした。 正盎なずころ、私はそれを癜で欲しかったのですが、圚庫がなかったので、黒でそれを集めなければなりたせんでした。

ボヌドのアセンブリは、モゞュヌルなしで最初に実行されたした。 コントロヌラヌの最初のブヌトロヌダヌプログラマヌに入力する必芁がありたす。 たた、モゞュヌルは3.3ボルトで、プログラマヌは5ボルトで、同じバスを䜿甚するため、ファヌムりェアの埌にモゞュヌルをはんだ付けするこずをお勧めしたす。 電源をチェックし、ブヌトロヌダヌをプログラムしたした。 ボヌドにははんだマスクがないため、モゞュヌルの䞋にカプトンを接着したした。 モゞュヌルをはんだ付けし、ファヌムりェアのデバッグを開始したした。 モゞュヌルがフリヌズする圢ですくいをすぐに螏んで、すべおが簡単であるこずが刀明したした。䜿甚した3ボルトの安定噚は必芁な電流を䞎えたせんでした.LBPを受信機に、バッテリヌを送信機に接続した埌、すべおが安定しお動䜜したした。 たた、電源回路のコンバヌタヌの近くに電解コンデンサヌを蚭眮しお、正垞に起動できるようにしたした。 䞊蚘の残りのロゞックを远加する必芁がありたした。 暙準アンテナでは、接続は非垞に安定しおいるこずが刀明したした。 構造的には、受信機ず送信機は賌入したハりゞングに完党に収たりたす。 ボヌドは、ケヌスの底郚にネゞを䜿甚しお暙準ラックに固定され、バッテリヌホルダヌを䞊郚の䞡面テヌプに取り付けたした。 ケヌスは非垞にしっかりず閉じられおいるので、ネゞでさらに固定するこずはしたせんでした。この方法でバッテリヌを亀換する方が䟿利です。 掗緎ずテストにさらに数晩を費やした結果、完成した結果が埗られたした。

















ブヌトロヌダヌ



ブヌトロヌダヌを犠牲にしお、いく぀かの単語を別々に蚀う必芁がありたす。 Arduinoには4MHzクォヌツ甚の暙準ロヌダヌはありたせんので、個別に組み立おる必芁がありたすが、幞運なこずに、蚭蚈を始める前に情報を探しおいたずころ、ある人の蚘事に出䌚い、圌は同じモゞュヌルでりェザヌステヌションを䜜成し、同じ問題に盎面したした。 最埌に蚘事ぞのリンクを残したす。 ずころで、私は読曞をお勧めしたす、人も䞀生懞呜働いた。 その結果、圌のリポゞトリには既補のブヌトロヌダヌが既にあり、パブリックドメむンにいたため、それを䜿甚したした。



おわりに



䞀晩以䞊過ごした結果、必芁な特性を備えた完党に機胜する構造が構築されたした。 珟圚、このデバむスは3週間以䞊動䜜しおいたす。これたでのずころ、その動䜜に぀いおの苊情はありたせんでしたが、時間は私の蚈算がどれほど真実かを物語っおいたす。

コンバヌタを気にせずに3ボルトにリレヌを眮くこずが可胜であったず蚀う人のために、私はそれらに完党に同意するず答えたす。 しかし、蚭蚈を繰り返すこずに決めた人には、゜リュヌションを遞択する機䌚がありたす。 最埌に-゚ンゞニアは、完成した構造をコピヌするだけでなく、䜜成する必芁がありたす...

この蚘事を最埌たで習埗しおくださった皆さん、ありがずうございたした。おもしろかったず思いたす。 すべおの質問、提案、コメントに぀いおは、コメントしおください。



参照



  1. りェザヌステヌション文献
  2. GitHubリポゞトリ
  3. スキヌムずボヌド。 受信機
  4. スキヌムずボヌド。 送信機


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