Миниатюрный датчик качества воздуха на батарейке с e-ink экраном
▍Внутреннее устройство
Датчик работает на микроконтроллерах nRF52, были разработаны 4 версии плат датчика под радиомодули nRF52 разных производителей. Одна основная и еще три расширенные версии (пояснения будут чуть ниже по тексту).
Используемые в проекте модели радиомодулей:
- основной MINEW MS88SF3 (nRF52833, nRF52840)
- дополнительные: MINEW MS50SFA1 (nRF52810, nRF52811), MINEW MS50SFA2 (nRF52832), EBYTE E73–2G4M08S1C (nRF52840) и EBYTE E73–2G4M08S1E (nRF52833)
Используемые в проекте сенсоры:
- сенсор качества воздуха в помещении для измерения ЛОС — SGP40
- сенсор давления, температуры и влажности — BME280
- сенсор освещенности MAX44009
Позднее, из-за проблем с производством электронных компонентов и невероятном росте цен на многие компоненты, в проект были добавлены сенсоры BMP280 и SHTC3 которые по функционалу способны заменить сенсор BME280. По этой причине, были сделаны три дополнительные модификации плат, так же добавлена поддержка дополнительных радиомодулей, добавлена защита от переполюсовки, доработан дизайн плат.
Устройство может выводить данные на экране и передавать данные в системы Умного Дома, так же может работать в режиме «без сети».
Для вывода информации использовался e-ink дисплей со сверхнизким потреблением и диагональю 2.13 дюймов компании WaveShare.
Характеристики дисплея:
- Разрешение: 250×122
- Диапазон рабочих температур: 0 — 50 C
- Потребление в рабочем режиме: 3 мА
- Потребление в режиме глубокого сна: 1 мкА
- Минимальное время обновления экрана: 0.3 сек.
В ближайшее время в проект будет добавлена поддержка дисплея DES e-Ink 2.13 c рабочим температурным режимом -20C~60C (что такое DES).
❒ Основная версия PCB датчика:
❒ Дополнительные версии:
Основным сенсором в данном проекте является сенсор качества воздуха в помещении SGP40. Можно сказать что это новинка на рынке от компании Sensorion c весьма неплохими характеристиками.
Сенсор измеряет общую концентрации летучих органических веществ (TVOC). В сравнении с предыдущим датчиком этой компании SGP30 потребление было значительно снижено, 48 мА при измерении у SGP30 и 2.6 мА у SGP40. Правда предыдущий датчик мог отдавать уже готовые значения VOC и эквивалента СО2, в то время как новинка отдает сырые данные которые в дальнейшем надо обрабатывать на стороне МК при помощи поставляемой с датчиком библиотеки с алгоритмом расчета качества воздуха. Даташит на датчик SGP40.
Для работы в батарейном и низко потребляющем устройстве пришлось доработать библиотеку Adafruit_SGP40. Была добавлена работа с нагревателем сенсора, получение, сохранение, выгрузка текущих состояний алгоритма для быстрого старта датчика, например после замены батарейки, минуя режим обучения. Почему-то никто не озадачился этими моментами, найти готовую библиотеку поддерживающую полный функционал сенсора мне не удалось. Модифицированная библиотека находится на моем GitHub.
▍Схема устройства:
Передача датчиком данных с сенсоров в системы Умного Дома реализована на открытом проекте MySENSORS.
▍Функционал датчика
Устройство, при подаче питания, осуществляет попытку поиска сети, если сеть не найдена, то устройство переходит в основной режим работы без работы в сети (не шлет данные), но периодически делает короткие запросы на поиск сети (~раз в 2 часа). Интервал опроса сенсора SGP40 — 3 секунды, чтение остальных сенсоров, отправка данных, основное обновление экрана раз в 1 минуту. Обновление экрана и отправка данных (если сеть доступна) происходит при изменении данных уровня качества воздуха (TVOC) на 10 единиц, температуры на 0.5C, влажности на 5%, давления на 1 единицу, при изменении уровня освещенности на 10 люкс, при изменении прогноза по погоде. Интервал опроса батарейки задается пользователем в интервале от 1 часа до 24 часов, по умолчанию опрос один раз в 6 часов.
Так же есть дополнительная подпрограмма для обновления экрана и отправка данных при резком повышении уровня TVOC на 30 единиц, интервал проверки раз в 6 секунд.
При первом включении устройства, происходит цикл обучения алгоритма расчета качества воздуха, в моей реализации максимальное время обучения 12 часов. После обучения, датчик начинает сохранять в памяти МК текущие состояния алгоритма с четырехчасовым интервалом. При сбросе устройства, при возобновлении работы после выключения устройства, при замене батареек происходит проверка наличия записей состояний алгоритма в памяти, если они есть то эти данные выгружаются, и устройство минует период обучения. Для удаления сохраненных данных, необходимо нажать на кнопку «меню» на устройстве и выбрать соответствующий пункт меню. — сброс устройства.
Доступный функционал кнопки «меню»:
- Инверсия экрана
- Отправка презентации
- Вход в режим конфигурации внешними командами по радио
- Поиск сети
- Сброс устройства
Так же, помимо кнопки «меню», датчик может настраиваться внешними командами из интерфейса УД. Для этого необходимо активировать нужный пункт меню «конфигурация датчика» нажатием кнопки «меню». После активации режима конфигурации, датчик перейдет в режим прослушивания на 20 секунд. В этот интервал необходимо отправить команду. Внешними командами можно настроить интервал проверки батарейки, изменить вывод информации на экран в инверсии, выбор режима работы: LP (чтение сенсора SGP40 раз в 3 секунды) или ULP (чтение сенсора SGP40 раз в 5 секунд).
Датчик умеет анализировать данные атмосферного давления и рассчитывать по ним прогноз погоды, выводить на экран данные о прогнозе погоды и отправлять эти значения в УД. Описание алгоритма расчета прогноза погоды — (NXP Application Note 3914 | John B. Young)
На экране рядом с каждым типом данных выводится индикация направления изменения значений.
Для компиляции нужной версии ПО необходимо сконфигурировать файл aConfig.h.
//#define MY_DEBUG
#define LANG_RU // If this is not used the English localization will be displayed.
#ifndef LANG_RU
#define LANG_EN
#endif
#define SN "eON Air Quality Sensor"
#define SV "0.99"
#define MY_RADIO_NRF5_ESB
#define MY_NRF5_ESB_PA_LEVEL (0x8UL)
//#define MY_PASSIVE_NODE
//#define MY_NODE_ID 151
//#define MY_NRF5_ESB_MODE (NRF5_1MBPS)
#define MY_NRF5_ESB_MODE (NRF5_250KBPS)
#define ESPECIALLY
#define SEND_RESET_REASON
#define MY_RESET_REASON_TEXT
Потребление датчика в режиме сна составляет в среднем 33 мкА (смотрите даташит на SGP40), в режиме считывания сенсоров и обновления экрана 4 мА (среднее), в режиме передачи данных 8 мА (среднее), время передачи одного сообщения 10 мc (идеальные условия).
Датчик работает от батарейки CR2477 (950 мА), среднее расчетное время работы устройства 1 год (зависит от конфигурации прошивки, установленных сенсорах на устройстве, больше сенсоров больше данных нужно будет отправлять, а передача по воздуху это основной потребитель), данных о реальном сроке работы пока нет, устройство пока работает 2 месяца.
Модели разработанного корпуса датчика я печатал на FDM 3D принтере, что бы добиться более или менее приличного вида, корпус после печати шлифовался и полировался. На задней крышке корпуса можно установить магниты.
GitHub проекта — github.com/smartboxchannel/
В файле readme находится инструкция по установке и настройке среды для редактирования и компиляции ПО для датчика.
OPEN SOURCE HARDWARE CERTIFICATION
OSHWA UID: RU000004
В завершении, уже как обычно, сделаю небольшой фото анонс проектов с которыми в скором времени поделюсь и о которых расскажу (Датчики влажности почвы Zigbee, Уличный датчик температуры и влажности Zigbee Long Range, Датчик качества воздуха bme680 c e-ink3.7).
Если вам интересно все, что связано с DIY, вы являетесь DIY разработчиком или хотите только начать, вы заинтересованы в использовании DIY девайсов, а так же хотите узнавать первыми о моих проектах, то приглашаю всех в телеграм чат — DIYDEV.
Если вы как и я, хотите понять что такое Zigbee, попытаться сделать свои первые DIY Zigbee устройства, то приглашаю вас в чат для разработчиков zigbee девайсов/прошивок ZIGDEV
Всем, кто хочет делать устройства, начать строить автоматизацию своего дома, я предлагаю познакомиться с простым в освоении протоколом Mysensors — телеграм-чат MySensors
А тех кто смотрит в будущее IOT приглашаю в телеграм-чат Open Thread (Matter, Project CHIP). (что такое Thread?, что такое Matter?)
Спасибо за внимание, всем добра!
