Stavba vysílací jednotky WeatherDuino Pro2/Pro2 PLUS

Transkript

1 Stavba vysílací jednotky WeatherDuino Pro2/Pro2 PLUS Ing. Zdeněk Hornych, 15. srpna 2017 Náš volný seriál článků pokračuje dalším dílem stavbou vysílací jednotky. Nepopíšeme si jen samotnou stavbu, i když v obecných rysech ano, ale spíše se budeme věnovat některým praktickým doporučením, jak takováto podobná zařízení s úspěchem realizovat v amatérských podmínkách. Pro čtenáře, kteří nezachytili některý z předchozích dílů, popisujících systém WeatherDuino Pro2, jenom v rychlosti připomeňme, že celá meteo stanice se skládá z několika hlavních částí: TX = vysílací jednotka (až 4 v systému) RX = přijímací jednotka (počet bez omezení, typicky 1 ks) Volitelná komponenta: WD = wireless displej pro místní zobrazení hlavních měřených údajů (počet bez omezení) Další volitelné komponenty: CumulusMX = meteo aplikace, obvykle běžící na Raspberry Pi Web = webové sídlo aplikace CumulusMX, rozšířené vlastní tvorbou webových stránek Sítě meteo stanic = data lze předávat do řady různých sítí, např. Weather Underground apod. EI2C = extender sběrnice I2C pro vzdálené sensory (např. teplota a vlhkost země a listů) Sensory = celá řada dalších nezávislých sensorů, např. BIOS, Auriol, PM2.5, Pro detailnější popis odkazuji čtenáře na dříve publikované zdroje viz seznam zdrojů v závěru článku. Vysílací jednotka WeatherDuino Pro2 Vysílací jednotky (TX unit) obou systémů tedy WeatherDuino Pro2 a WeatherDuino Pro2 PLUS - se od sebe nijak neliší, jsou naprosto totožné. Jinými slovy TX jednotka je univerzální pro různá nasazení i pro oba systémy. Neliší se nijak dokonce ani svou programovou výbavou! Pouze a jenom při počáteční konfiguraci definujeme skutečná osazení sensory, tím se od sebe navzájem TX jednotky liší. Tato fáze je velmi důležitá proto, aby TX jednotka nevysílala zbytečně prázdná data a nezamořovala okolí zbytečným RF rušením bez jakéhokoliv významu. Každá datová zpráva víceméně náleží k danému typu sensoru a posílá se samostatně v určitých časových intervalech. Pokud není sensor, nemá tedy ani smysl posílat data. Samotná stavba je z pohledu elektroniky velmi jednoduchá, až banální. Protože se však jedná o zařízení, umístěné obvykle venku a vystavené veškerým povětrnostním vlivům, zaměříme se spíše obecněji na to, jak postavit podobné zařízení tak, aby dokázalo přežít řadu let a přitom ještě správně fungovat.

2 Úvodem Jak již bylo řečeno, TX jednotek bývá typicky v celém systému více a to podle zaměření jejich připojených sensorů. Vezměme za příklad systém autora článku: TX0 umístěno nad hřebenem střechy ve výšce 10 m nad okolním terénem. Měří rychlost a nárazy větru, intenzitu slunečního záření a UV index. Přídavné sensory měří napětí akumulátoru, teplotu uvnitř a vně boxu. TX1 v zahradě, na speciálním stožáru. Hlavní měření teploty a vlhkosti vzduchu (sensor ve větraném radiačním krytu), množství a intenzity dešťových srážek. Větrání termometru je zajištěno logikou TX jednotky, vstupem je měření rychlosti větru nahoře na stožáru (cca 7 m nad terénem). Přídavné sensory: teplota a vlhkost vzduchu ve výšce 1 m nad terénem, napětí akumulátoru, teplota uvnitř boxu. TX2 ve stejném boxu s TX1. Zajišťuje měření parametrů půdy a listů teplota půdy v hloubce 5, 50 a 100 cm. Vlhkost půdy v hloubce 5 cm. Teplota a vlhkost listů ve výšce 150 cm nad terénem. Přídavné sensory: teplota a vlhkost vzduchu ve výšce 2,4 m a 5 cm (= přízemní teplota) nad terénem. BIOS použita vysílací část původního sensoru pro měření teploty a vlhkosti půdy pro měření teploty ve vodovodní revizní šachtě (varování v systému proti zamrznutí potrubí). Pracuje na frekvenci 433 MHz, WeatherDuino je připraveno pro jeho využití. Auriol Rain Collector část meteo stanice, prodávané v Čechách v prodejnách Lidl. Je citlivější, než rain collector FineOffset. Pracuje autonomně na frekvenci 433 MHz, WeatherDuino je připraveno pro dekódování signálu. Autor článku míval svého času speciální TX jednotku pro vlastní vývoj nebo testování. V tuto chvíli však obě činnosti provádí na stávajících TX jednotkách (obvykle TX2). Z uvedeného je zřejmé, jak široké možnosti použití a odpovídající konstrukce se nám nabízejí. Proto se pokusíme popsat stavbu jakési univerzální TX jednotky vše čistě pro inspiraci při vlastní stavbě nebo konstrukci podobného zařízení. Použité Arduino Základem TX jednotky je Arduino Nano ve v3.0 nebo jeho klony. I když doporučuji nákup originálu, sám používám téměř výhradně klony z různých čínských e-shopů. Cenou jsme pak schopni dostat se až někam pod 60,- Kč za 1 kus a to už je opravdu citelný rozdíl v ceně. Vzhledem k přece jen občasné nižší kvalitě těchto výrobků je pak dobře nakoupit větší počet kusů a tím kompenzovat případné ztráty (zatím jsem však nikdy za 3 roky o žádné Arduino nepřišel a to ani při špatné manipulaci s nimi). Na co doporučuji dávat pozor je UART chip. U originálů Arduino se pravděpodobně setkáte s FTDI UARTem. To je špičkové řešení. Pro jeho využití je třeba instalovat odpovídající driver. U starších klonů byl použit i klon tohoto čipu, výrobce však proti plagiátům začal bojovat nefunkčností svého driveru. Proto se u novější klonů Arduino Nano setkáme snad bezvýhradně s čipy CH340, CH341 apod. a ty jsou opět bez problémů, pod Windows 10 probíhá instalace driveru automaticky a bez problémů. Obrázek ukazuje takový klon s již zapájenými řadovými lištami 2,54 mm (součást balení při nákupu).

3 Skříňka a mechanická konstrukce Skříň je klíčové zařízení při použití ve venkovním prostředí. Doporučuji proto na skříňce nešetřit a nepoužívat žádná náhradní polovičatá řešení (plastová krabička na svačinu apod.). Sám obvykle používám skříňky z výroby spol. Legrand, některé z nich již fungují ve venkovním prostředí 19 let a chrání svůj obsah velmi dobře. Na obrázcích je taková skříňka po přibližně 15 letech používání (po demontáži jiného RF zařízení) navíc ale s již připravenými průchodkami pro kabely. Zobrazená skříňka je schopna pojmout nejen desku TX jednotky, ale také Pb akumulátor a regulátor dobíjení ze slunečního kolektoru. Při přípravě skříňky doporučuji podobné průchodky rozhodně použít. Přitom však vůbec nemusíme skříňku vzduchotěsně uzavřít. Naopak autorovi článku se osvědčilo nechat kolem vstupujících kabelů nějaký prostor pro částečné odvětrání skříňky. Pak zůstává pouze starost ohlídat skříňku před pavouky, těm se však obvykle dovnitř moc nechce Povšimněte si, prosím, základní montážní desky. Je skvělá, protože nám umožní provést celou montáž mimo skříň a zařízení pak vložit najednou. Protože se však jedná o drobnou elektroniku, může být přímá montáž na tuto nosnou desku komplikovaná obtížné nalezení míst pro vrtání sloupků, možné problémy se zkraty, apod.

4 Proto sám obvykle používám další nosnou desku z plastů, nejlépe průhlednou (podobně jako v předchozím článku o RX jednotce). Viz obrázek: (V této nosné desce o tloušťce alespoň 5 až 7 mm pak lehce vyvrtáme díry a vyřízneme závity pro různé distanční sloupky pro montáž elektroniky.) V železné/kovové desce tedy nejprve vyvrtáme 4 díry průměr 3,2 mm, do nich uchytíme kovové distanční sloupky, např. délky 7 mm, na jedné straně šroub M3, na druhé závit M3. Na takto upevněné sloupky pak přišroubujeme plastovou desku zapuštěnými šrouby. Dbáme na to, aby všechny kovové díly měly kvalitní povrchovou úpravu (kadmium, nikl apod.). V plastové desce pak vrtáme díry průměr 2,5 mm, do nich vyřízneme závitníkem do plechu závit M3. Uchycení plastových sloupků je pak už velmi jednoduché. Veškerý montážní materiál je možné sehnat např. na ebay nebo v čínských e-shopech, obvykle za zlomek ceny proti nákupu v kamenných obchodech. Obrázky asi napoví více než tisíc slov

5 Celá montáž tímto způsobem postupuje velmi rychle s využitím akumulátorového šroubováku a malé stolní vrtačky. Jak vidno z obrázku, doporučuji použití nějakého managementu kabelů, celá montáž vypadá mnohem lépe a profesionálněji, nemluvě o zvýšení spolehlivosti celého řešení. Deska plošných spojů Desku plošných spojů seženeme stejně jako všechny ostatní desky WeatherDuino u jejich autora po přihlášení do fóra MeteoCercal, registraci a objednávce pomocí private message.

6 Desky jsou zpracovány profesionálně ve špičkové kvalitě (včetně prokovených děr apod.). I když by bylo teoreticky možné postavit celé WeatherDuino např. na univerzálních deskách, vřele doporučuji jejich nákup. Uvedená deska TX v3.12 stojí cca 12 a zhruba 8 poštovné. Osazení Osazení desky začneme největšími mechanickými díly, jako jsou např. konektory. Výstupy pro sensory můžeme osadit různými typy konektorů, např. autor desky dříve doporučoval typ KF2510 (na obrázku 3pinový konektor vpravo nahoře), dnes se komunita kolem WeatherDuina kloní spíše ke šroubovacím typům podle obrázku: Upozornění: pokud byste chtěli použít podobné konektory pro integrované obvody, případně pro Arduino, jako na obrázku (jedná se o tzv. přesné typy), předem si vyzkoušejte použitelnost s protikusem! Konektory RJ12 dostanete jako součást balení desky plošného spoje. A vyobrazený anténní konektor SMA je opět pouze příkladem pro zde publikovanou konstrukci. Vždy zvažte vhodnost tvaru konektoru pro dané použití a vyberte ten nepříhodnější.

7 Zvláštní upozornění si zaslouží ještě výběr rezistorů R4 a R5 v obrázku desky vpravo nahoře. Na jejich absolutní hodnotě tolik nezáleží jako spíše na jejich vzájemném poměru slouží pro měření výstupního napětí z akumulátoru. Na správném poměru tohoto napěťového děliče pak tedy záleží přesnost měření. Na konstrukci samotné desky už pak není asi nic moc zajímavého. Co je však velmi důležité, je ošetření osazené desky plošných spojů po pájení. A to se týká i případně pájené desky klonu Arduino Nano. V teplém a vlhkém prostředí mohou velmi rychle pájené spoje degradovat díky růstu whiskerů nebo dendritů, způsobenému především tzv. elektromigrací. Teorií se nemusíme mnoho zabývat, jevy jsou dostatečně detailně popsány v mnoha zdrojích, dostupných na internetu (v Čechách se tím zabývá i mnoho diplomových prací). Zde pouze ukázkové obrázky: První je z webu o elektromigraci v elektronice. Další pak z webu NASA: A konečně poslední přímo z fóra WeatherDuino 433Mhz-module-problems?page=2&highlight=whisker

8 Nás by měla zajímat především ochrana proti těmto jevům. Zde se neobejdeme bez řádného a správného ošetření pájených spojů vhodnými chemickými přípravky. Naprosto selhává časté doporučení omytí desky čistým lihem, to už vhodnější se zdá být omytí desky vodou vhodné však pouze pro pájecí pasty, ředitelné vodou. Na trhu je vhodných přípravků celá řada, obvykle pod názvem flux remover. Autor článku nejraději používá produkt společnosti DCT pod názvem FLUX REMOVER 4. V balení spreje se speciálním štětečkem stojí 400 ml necelých 300,- Kč. K tomu je vhodné použít i čistící utěrky pod názvem Speciální ESD utěrky, balení 50 ks asi za 930,- Kč. Na českém trhu je distributorem např. spol. MP elektronik technologie. Dalším velkým dodavatelem podobného zboží je např. zásilkový obchod Conrad: Sprej na čištění DPS Cramolin stojí asi 300,- Kč. Po řádném odvětrání a oschnutí desky je třeba ji nalakovat, tzn. na dlouhou dobu ochránit před povětrnostními vlivy. Autor článku si velmi oblíbil sprej Ochranný lak na DPS CRC Kontakt Chemie Plastik 70, balení 200 ml je za asi 300,- Kč. Za dávných dob, nedostupných přípravků, jsme podobnou ochranu prováděli lakem na vlasy, vyhovoval ten nejlevnější Lybar (ostatní lepily), ale dnešní řešení je opravdu o několik stupínků výše. Uvedené ošetření desek je naprosto nezbytné pouze u desek vystavených povětrnosti, např. u sensoru slunečního záření apod. V případě TX jednotky, umístěné v popisované skříňce je toto ošetření nanejvýš vhodné, na druhou stranu jednotka určitě i tak přežije několik let bez řádného ošetření. Sám jsem však zvyklý danou proceduru provést na všech svých pájených deskách její provedení oceníte i za několik let při případné opravě.

9 Ještě jednu poznámku k obrázku s konektory: z pohledu vf a z pohledu vyšší spolehlivosti by bylo daleko lepší zapájet RF modul a Arduino přímo do desky. Ale: zejména u RF modulu už jsem se několikrát setkal s jeho poruchou s konektorem je výměna vteřinová záležitost. A všechna Arduina jsem zvyklý dávat vždy do slotu, protože jejich výměna by byla při poruše už dost náročná. Ještě pohled na jednu z desek, osazených autorem článku (chybí Arduino, RF modul a IO): Solární napájení Napájení slunečním kolektorem je v dnešní době banálně jednoduché, trochu problém je pouze s naší zeměpisnou šířkou v Čechách. V létě je slunečního svitu nadbytek, krizové měsíce jsou však pozdě na podzim, případně počátkem zimy nejhorší měsíc podle mých zkušeností je listopad (i celý jeden týden bez slunce). Proto si trochu popíšeme různé možné varianty napájení s využitím slunečního kolektoru. 1. Nejjednodušší a nejlevnější varianta Využívá sluneční kolektor - doporučuji 2 kusy polykrystalických solárních panelů o výkonu 40 Wp. Na trhu jsou k dispozici např. panely od spol. GWL/Power s 36 buňkami, výstup nepřesahuje 25 V. Mají hliníkový rám, odolnost proti běžnému krupobití, kompaktní rozměry. Zcela ve stínu dávají 5 % výkonu, při částečně zatažené obloze cca 20 W. Prodejce: i4wifi, cena cca 1.000,- Kč. Oba panely spojíme paralelně a pro připojení k TX jednotce použijeme např. levný PWM regulátor, alespoň pro 20A. Na obrázku výše je použit typ CMTP02, v e- shopech prodávaný kolem 215 Kč.

10 Pro ukládání elektrické energie je nelevnější použít olověný zatěsněný akumulátor, v popisované jednotce je použit z výroby Avacom 12 V, 12 Ah, cena na trhu cca 770,- Kč. 2. Kvalitní akumulátor Pokud bychom chtěli použít v tuto chvíli asi nejvhodnější akumulátor s lepšími vlastnostmi než má uvedený Pb, můžeme použít již zcela běžně dostupné LiFePo4. Příkladem může být akumulátor od již zmíněného výrobce GWL/Power 12 V, 12 Ah s integrovaným PCM a s Bluetooth monitoringem. Jeho cena na trhu je pod 3.000,- Kč, distributor např. opět i4wifi. PCM ochranný modul zajistí, že v TX jednotce už nemusíme nic měnit, přesto by si však takový modul zasloužil lepší regulátor, např. poměrně levný typ WINCONG SL02 (kolem 550,- Kč), tj. PWM 20 A: 3. Síťové dobíjení Uvedený způsob napájení již pravděpodobně postačí i v ČR po téměř celý rok, kromě několika málo dnů (listopad). Pokud však chceme zajistit skutečně bezvýpadkové napájení a přitom máme k dispozici síť 230 V, což je zejména při venkovních instalacích často nedostupné, můžeme použít následující systém. V TX jednotce klidně necháme Pb akumulátor, ale PWM regulátor nahradíme solární nabíječkou s možností vstupu dalšího druhého napájení. Takové zařízení je např. TP-SCPOE-1212 pro 12 V, 8 A, a PoE 12 V, 2,5 A. Solární vstup je schopen přijmout příkon až 130 W, což by mělo s uvedenými solárními panely vyhovět. Toto zařízení již bohužel vyjde trochu dráž cca 1.800,- Kč v ČR, kde je distributorem i4wifi. Sám jsem jej kupoval přes ebay přímo od TYCON Power z USA, kde je levnější, ale platíte zase dopravu a DPH, takže se ve výsledku skoro neušetří.

11 Řadič pak funguje tak, že přednostně dobíjí akumulátor ze solárních kolektorů, v případě nedostatečného napájení/dobíjení však přejde na dobíjení ze sítě. Řádné nabití Aku je tak zajištěno nepřetržitě, za každého počasí. Z vlastní zkušenosti po více než 1 ročním provozu tohoto řadiče v kombinaci s LiFePo4 12 Ah mohu potvrdit, že neznám lepší kombinaci (i když dost drahou). Má jednotka TX0 (na střeše) je vybavena kombinací tohoto řadiče s Pb akumulátorem již více než 2 roky, po tu dobu napájení nevypadlo. RF spoj WeatherDuino využívá pro spojení mezi jednotkami volné pásmo 433 MHz. Signál v tomto pásmu se ve volném terénu šíří až na stovky metrů, bohužel při našem použití, kdy určitě bude RX jednotka uvnitř domu, se bude jednat vždy o průchod alespoň jednou zdí. To může úroveň přijímaného signálu zeslabit natolik, že nebude už použitelný. Ke snížení kvality dále významně přispívá i rušení okolními vysílači. Pásmo není nijak koordinováno, proto je důležité, aby se každý choval dostatečně ohleduplně jak to ostatně nařizuje příslušný předpis. Abychom dosáhli co nejvyšší úrovně signálu i bez překročení povoleného vysílacího výkonu, je třeba zkrátit cestu vf signálu po kabelech na nezbytné minimum. Protože stavíme TX jednotku do nekovové skříňky, není vždy nutné, aby anténa byla umístěna vně skříňky. Díky tomu odpadne útlum na případném pigtailu i přechodový útlum alespoň jednoho konektoru. Desku plošných spojů pak ale musíme umístit tak, aby bylo možné natočit vysílací anténu do potřebného úhlu. V našem popisovaném případě tomu tak nebylo, proto skříňka obsahuje i pigtail a anténa je umístěna vně skříňky. Náklon antény: obvykle používáme antény typu vertikálního zářiče. To je ve své podstatě degradovaný půlvlnný dipól, jeho zisk je cca 2 dbi (i = izotropní zářič se ziskem 0). Druhou polovinu zářiče tvoří zem. Některá tykadla mají i větší zisk, až asi 6 dbi, to je však na úkor jejich všesměrovosti - charakteristika je výrazně plošší, to však za předpokladu, že dodavatel vysloveně o zisku nelže na to pozor.

12 Je jasné, že takový typ antény má největší dosah ve svém vertikálním postavení. To však také znamená, že RX i TX jednotky musí ležet v jedné vodorovné rovině, tím přesněji, čím výkonnější antény použijeme. Protože to v praxi tak není např. TX0 je 10 m vysoko, případně přímo nad RX jednotkou, je třeba antény naklonit obvykle nejlépe se sklonem 45, všechny stejně a stejným směrem. Vyzařovací roviny všech TX jednotek by se měly protnout právě v místě příjmu antény RX jednotky. Ztrácíme tím sice výkon a dosah, ale s danými anténami to prostě jinak nejde. Existuje sice možnost použít jiné typy antén, naštěstí se však daří většinu instalací vyřešit s těmito základními. Další možností, která nám může pomoci zvýšit dosah, je použití RF repeateru. Autor článku podobné řešení s úspěchem testuje již asi půl roku a v podstatě úspěšně. Je třeba však myslet na napájení repeateru přes UPS pro případ výpadku napájení a uvědomit si, že jsme do daného prostoru umístili další vysílač. Repeater v každém případě snižuje propustnost spoje na 50%, s tím však obvykle problémy nejsou. Na obrázku je zmíněný repeater v modifikaci pro 315 MHz, tj. v Čechách zakázané pásmo Nákup podobných zařízení na internetu nese klíčové úskalí naprosto neznáme skutečný výkon repeateru, takže snadno můžeme překročit povolený vyzařovaný výkon!

13 Sensory Klíčovou komponentou každé meteo stanice z pohledu kvality a přesnosti měření jsou její sensory. WeatherDuino má obrovskou výhodu široké škály kompatibilních sensorů. Kromě toho máme možnost mnoho zařízení vyrobit amatérsky typicky např. sensor teploty a vlhkosti, měření sluneční radiace, UV indexu, objemu pevných částic ve vzduchu apod. Protože toto téma se již poměrně dost vzdaluje náplni serveru Arduino.cz, uvedu pouze několik obrázků bez dalších větších popisů ostatně na internetu je informací mnoho a mnoho. Obrázky radiačního krytu pro měření teploty a vlhkosti vzduchu. Doporučuji použít sensor z výroby společnosti Sensirion, SHT31 nebo SHT21. Další obrázek ukazuje vnitřnosti sensoru sluneční radiace a měření UV indexu. Pokud by byl zájem o článek s popisem stavby některého konkrétního sensoru a to jak ze strany čtenářů, tak provozovatelů Arduino.cz, můžeme se k dané problematice vrátit podrobněji. V každém případě je třeba si uvědomit, že při pečlivé stavbě je možné se dostat na úroveň přesnosti kvalitních profesionálních zařízení, přitom za zlomek ceny, a ušetřit tak desítky tisíc korun. Dokončení stavby kompletace a oživení Pravděpodobně vše, čím se vymyká stavba zařízení s Arduinem určená pro venkovní prostředí běžným indoorovým zařízením, již bylo řečeno. Proto již jen krátce k běžným postupům: Po stažení software je třeba provést jeho konfiguraci. To provádím s výhodou tak, že si sw balík otevřu v Arduino IDE a uložím pod novým názvem s dovětkem TX0 (např. WeatherDuino_Pro2_Universal_TX_v3.1_b002-TX0) Po provedení základní konfigurace na stránce Config_TX (soubor s názvem Config_TX.h lze s výhodou editovat např. v Notepadu++) celý balík uložíme. Pak jej znovu uložíme pod novými názvy např. TX1, TX2, apod. Tak jsme si zajistili trochu méně práce při instalaci a hlavně upgradu více jednotek TX, pokud je máme na starosti. Protože jednotku TX0 mám umístěnou na střeše, mám k jejímu Arduino Nano připojen 5m USB kabel, volně visící na půdě, pro snadnější upgrade bez lezení na střechu

14 Arduino IDE používám v současnosti ve verzích až 1.8.3, použití minimální verze je pro WeatherDuino Pro2 povinné. Pro překlad je vždy nezbytné použít přibalené knihovny, pokud jsou v rozporu s oficiálními. Tento rozpor však již autor úspěšně vyřešil novým pojmenováním případně upravených knihoven, takže byste se s problémy v aktuálních verzích sw neměli setkat. Nové verze sw téměř vždy nejprve procházejí testováním vývojářskou a testovací komunitou, takže se s případným bugem setkáte jen zcela výjimečně. Závěrem Článek sice popisuje konkrétní stavbu konkrétního zařízení, snažil jsem se jej však koncipovat tak, aby přinesl alespoň několik obecnějších doporučení i pro zcela odlišné projekty. Pokud jste jej, vážený čtenáři, dočetl až sem, mám z toho osobní radost. A zda se mi podařilo dosáhnout stanoveného cíle přinést něco málo komunitě kolem Arduina to už tedy nechám na vás. Upozornění: Některé z výše uvedených názvů mohou být chráněnými značkami svých majitelů, aniž je to v textu výslovně uvedeno.

15 Odkazy a zdroje