CC BY
12
Научни трудове на Съюза на учените в България - Пловдив Серия В. Техника и технологии, том XIII., Съюз на учените, сесия 5 - 6 ноември 2015 Scientific Works of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series C. Technics and Technologies, Vol. XIII., Union of Scientists, ISSN 1311-9419, Session 5 - 6 November 2015.
ИНТЕЛИГЕНТЕН СЕНЗОРЕН ВЪЗЕЛ ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА ТЕМПЕРАТУРА И БЕЗЖИЧНЕ ПРЕДАВАНЕ НА ДАННИ Димитър Токмаков, Надежда Кафадарова, Венцислав Начев Пловдивски Университет „Паисий Хилендарски"
INTELIGENT SENSOR NODE FOR MEASURMENT OF TEMPERATURE AND WSRELERS TRANSIMISSON OF COLLECTED DATATO REMOTE WEB SERVER Dimitar Tokmakov, Nadezhda Kafadarova , Vencislav Nachev University of Plovdiv "Paisii Hilendarski", Plovdiv, Bulgaria
Abstrct: This paper presents the design and practical realization of intelligent wireless sensor node for measurement of temperature and transmission of collected data to remote server using Wi-Fi and Internet as communication media. We present the block diagram of the sensor node and place requirements for battery power operation. We choose the proper elements and present the sensor node schematic diagram. We show the development of server side software for collecting data from the intelligent wireless sensor node using PHP, MySQL with Node.js technologies. Finally, we provide results of the study of the whole communication system.
Keywords: Battery operated wi-fi sensor node, server side software.
Въведение: Съвременното развитие на информационните и комуникационните технологии, както и използването на концепцията „Интернет на нещата",дават възможност за разработване и практическа реализация на батерийно захранвани миниатюрни сензорни възли за измерване на физични величини, събиране на данни от измерванията и безжичното им предаване към компютърна информационна система за мониторинг, последваща обработка и архивиране. Един възможен метод за предаване на данните към отдалечен сървър е използване на Wi-Fi модул и Интернет като свързваща медия. Изборът на Wi-Fi и Интернет не е случаен, тъй-като в градовете, големите урбанизирани райони и индустриални центрове има наличие на множество Wi-Fi мрежи, даващи възможност за свързване на измервателни сензорни възли. Целта на настоящата публикация е да представи оригинално авторско решение на разработена цялостна система от безжичен интелигентен сензорен възел за измерване на температура, Wi-Fi модул за предаване на данните от измерванията, модул осигуряващ батерийно захранване от 3.7V Li-Ion 18650 батерия и сървърен софтуер за събиране, обработка и визуализиране на данните.
Материали и методи: Съществуват редица методи за измерване на температура: контактни, безконтактни и радиационни. Като сензори най-често се използват термодвойки, терморезистивни преобразуватели, термистори, термодиоди, термотранзистори и цифрови полупроводникови сензори в интегрално изпълнение. В настоящата разработка на безжичен 218
интелигентен сензорен възел за измерване на температура използваме DHT22(AM2302), който представлява капацитивен цифров сензор за измерване на температура и относителна влажностДНТ22 измерва температура от -40° до 80° C и относителна влажност на въздуха в диапазон 0% - 99%. Има предварително калибриран цифров изход и се отличава с голяма надеждност и стабилност. Захранващотонапрежение е 3.3V-5V, консумацията на ток 500иА,точността на измерване при влажност е +/- 2%, а при температура +/- 0.5%. Интерфейсът на сензора е 1-Wire, честотата на опресняване е 1Hz.
На фиг.1 е показана блоковата схема на интелигентния сензорен възел. Цифровият сензор за температура и относителна влажност е свързан чрез 1-Wire интерфейс към микроконтролера ATMEGA328. Микроконтролерът изпраща данните към сървър в Интернет чрез Wi-Fi модула ESP8266 свързан чрез сериен интерфейс, като комуникацията се осъществява чрез Rx и Tx сигнали. Захранващия блок, преобразува напрежението на Li-Ion батерия тип 18650 в стабилизирано 3.3V , чрез което се захранват сензора, микроконтролера и Wi-Fi модула.
Фиг.1 Блокова схема на безжичен интелигентен сензорен възел
Използваният 8-битов микроконтролерATMEGA328 е със стандартна AVR архитектура, с възможност за изпълнение на 32kB код, с 16 входно-изходни шини от които 6 аналогови и вграден 10-битов АЦП.
Wi-Fi модулът ESP8266 v.01 представлява чип с висока степен на интеграция притежаващ следните параметри: 32-битов процесор Tensilica L106 на 80MHz, 512Kb флаш памет, 32Kb RAM памет, 17 входно-изходни шини, от които 1 аналогова с 10-битов АЦП, UART интерфейс, вграден Wi-Fi 802.11 интерфейс поддържащ стандартите b/g/n/d/e/i/k/r, TCP/IP стек с възможност на 5 конкурентни TCP връзки.
Принципната схема на интелигентния сензорен възел е показана на фиг.2. Захранващия блок е изграден на базата на LT1763, която представлява DC-DCпреобразувател с нисък ток на покой 30uA, широк диапазон на входното напрежение 1.8V-20V и максимален изходен ток от 500mA. Големината на изходното стабилизирано напрежение се определя от резисторите R1 и R2, като в случая е 3.3V , с което се захранват микроконтролера ATMEGA328, температурния сензор DHT22 и Wi-Fi модула ESP8266.
За измерване на напрежението на батерията 18650 се използва делителя R3/R4, който се е свързан към аналогов вход ADC0 на микроконтролера и се комутира към батериятапосредством аналоговия ключ ADG719.Комутирането на делителя към батерията се налага, за да се избегне високата консумация на делителя от 300uA, съизмерима с тока на
консумация в sleep режим на микроконтролера с оглед консервиране на енергията в батерията.
I
I
ИД Mill II Ш: r^illiiiiill
1ilil Ч Iffl li
tL ill..- i.....Щ I
rut 1
I.L ..
Ё ЦШ
щь
" slii-i.
wm«u i>i
-■I: J-II: M ■ - С ||< ::
и гН'п, ,
\i l# I
ml
11Ш
fHlihrnWl
1 '>-. !.!■ I,
I - ! f ■ 1 -
Ifilfl
1,1 ЩШ
1Ш :
Фиг.2 Принципна схема на интелигентен безжичен сензорен възел
Температурният сензор DHT22 е свързан към PB2 на микроконтролера който осигурява софтуерен 1-Wire интерфейс.
Чрез бутона SW2 се определя режимът на работа на сензорния възел - режим на програмиране на параметрите на Wi-Fi връзката и честотата на измерванията и предаването на данните и работния режим на измерване и предаване на данните. Светодиодът LED1 индицира режимът на работа.
Wi-Fi модулът ESP8266 е свързан към микроконтролера посредством UART инртерфейса на микроконтролера чрез сигналите Rxи Tx. Чрез PC0 се управлява от микроконтролера Wi-Fi модулът, като при ниско ниво на RST входа се поставя в режим deep sleep, при който консумацията е от порядъка на 170иА.Консумацията на ток при З.ЗУзахранващо напрежение е 170mA в режим на предаване на данни и около 2mA в режим на заспиване (sleep).
Програмно осигуряване: Програмното осигуряване на систематавключва фърмуеъри за микроконтролера ATMEGA328 и Wi-Fi модула ESP8266, както и сървърен web-базиран софтуер за събиране, обработка и съхранение на данните реализиран чрез технологиите PHP, MySQL и Node.js.
Управляващата програма (firmware) за микроконтролера ATMEGA328 включва няколко подпрограми организирани в главен безкраен цикъл - за измерване на данни чрез
сензора DHT22, за измерване на напрежението на батерията, за определяне режима на работа на сензорния възел и режима на работа на Wi-Fi модула - Acess point и Station, както и подпрограма осигуряваща режим на заспиване.
Фърмуеърът на Wi-Fi модула включва подпрограми за хостване на собствен Web сървър в режим Acess Point за настройка на параметрите на измерване и параметрите на комуникация на WiFi мрежата, както и подпрограми за осъществяване на TCP/IP сесия към отдалечения Web сървър за събиране, архивиране и обработка на събраните данни от измерванията.
Резултати и обсъждане: На фиг. 3 са показани графично данните изпращани от интелигентния сензорен възел, температура, относителна влажност и напрежението на батерията на всяка 1 минута.
Irrihj^iflturK
Л1|-|М|*4.1|Н| ¿■It'll'-p If t* Н I4W41 111.1 нрп
* I
1 J'л 1И11РЧ11
ПК
Фиг.3 Резултати от изпратените на сървъра данни за температурата на всеки 60сек.
С така разработения интелигентен сензорен възел, бяха проведени експерименти за продължително предаване на данни към сървъра във формат - измерване на температура, относителна влажност и напрежение на батерията на всеки 10секунди, опаковане на данните в масив и изпращането им на 1 минута. С този протокол, автономната работа на интелигентния сензорен възел с 2600mAh батерия тип 18650 е 73 часа. Възможно е комуникационния протокол да се оптимизира с цел консервиране на енергията в батерията.
Заключение:Интелигентният сензорен възел може да се използва за безжично измерване и предаване на данните от измерванията на различни физични величини, както в бита, така и в индустрията, образованието и медицината. Съществува възможност да се добавят както цифрови, така и аналогови сензори за физични величини които се измерват едновременно, данните се опаковат в масиви и се изпращат към отдалечен сървър, като се използва интернет за преносна среда.
Авторите изказват благодарност за финансовата подкрепа на договор №НИ15-ФФИТ-005/23.04.2015 Фонд "НИ" на ПУ.
Използвана литература:
[1].Kolban's book on ESP 8266, Neil Kolban, November 2015, http ://neilkolban. com/tech/esp8266/
[2].Li Li, Hu Xiaoguang,Chen Ke,He Ketai, "The applications of WiFi-based Wireless Sensor Network in Internet of Things and Smart Grid" Industrial Electronics and Applications (ICIEA), 2011 6th IEEE Conference on, 21-23 June 2011
