Membangun Jaringan Sensor Nirkabel di Rumah Anda

Tutorial ini akan mengajarkan anda cara membuat jaringan hemat biaya, modul sensor nirkabel. Banyak modul nirkabel yang sudah jadi bisa terlalu mahal untuk digunakan dalam banyak unit sensor. Meskipun modul Wi-Fi dan Zigbee populer dan mudah digunakan, biayanya dapat membuat penggunaannya dalam berbagai sensor tidak praktis. Namun demikian, modul RF biaya rendah tanpa semua fitur mahal yang akan bekerja dengan baik tujuan ini. Platform Arduino dapat menggunakan modul radio low-end untuk berkomunikasi dengan mudah dan andal.

• PC / Mac dengan IDE pemrograman Arduino diinstal
• Kabel USB untuk pemrograman papan Arduino
• Keyboard dan Mouse USB. Baik digabungkan atau dengan hub sehingga keduanya dapat digunakan dengan port USB tunggal.
• Paket sumber yang terkait dengan tutorial ini di workstation pemrograman anda

Merakit Pemancar

Pemancar sendiri adalah sirkuit yang relatif sederhana. Hanya satu pin yang digunakan untuk mengambil informasi dari sensor suhu dan kelembaban dan satu pin digunakan untuk mengirim data ke pemancar RF. Diagram papan roti ditampilkan di bawah ini.

Catu daya 9V akan menempel pada konektor laras yang membuat rel bawah 9V. Pengatur daya di Arduino akan menghasilkan 5V yang aman digunakan untuk radio dan sensor, rel kekuatan atas diagram.

Sensor dilengkapi dengan resistor ohm 10k yang menghubungkan pin data ke daya sebagai resistor pull-up sementara kabel lain menghubungkannya ke GPIO D3.

Hati-hati untuk mengikuti pengaturan di bawah dan pastikan anda memeriksa kembali datasheet untuk sensor dan modul RF untuk memastikan bahwa komponen diposisikan di papan breadboard dengan benar dan pin daya, ground, dan sinyal terhubung ke pin yang tepat.   Diagram fritzing termasuk dalam paket sumber untuk lebih detail.

Antena adalah bagian penting dari papan karena modul RF tidak memiliki antena yang dibangun. Saya menggunakan kawat jumper female ke male 6-inci yang ditancapkan ke papan breadboard dan itu bekerja cukup baik untuk memungkinkan penerimaan dari semua bagian rumah saya dan sedikit di luar. Seperti yang tercantum pada diagram, 6,5 inci optimal untuk antena ini jika anda memerlukan rentang tambahan.

Catatan tentang penggunaan RF. Ada berbagai hukum dan aturan tentang penggunaan frekuensi di berbagai negara. Pastikan anda mematuhi aturan ini sebelum menyiarkan. Dikatakan demikian, sinyal dari modul ini hampir tidak cukup kuat untuk melewati luar rumah anda. Namun dalam kondisi yang sempurna, modul-modul ini dapat disiarkan hingga 500 kaki.

Unduh library untuk Komponen

Pemancar menggunakan dua pustaka yang tidak dipaketkan dengan Arduino IDE. Unduh pustaka seperti yang dijelaskan di bawah ini dan tanpa kompresi mereka ke direktori sketsa Anda dalam subdirektori bernama Libraries.

• Unduh paket source VirtualWire untuk tutorial ini dan unzip folder sketsa wirelesstransmitter ke dalam folder sketsa Arduino anda
• Dalam folder wirelesstransmitter buat folder bernama Libraries
• Unduh versi terbaru dari VirtualWire code, 1.23 pada tulisan ini, dari halaman proyek
• Ekstrak folder VirtualWire ke dalam folder wirelesstransmitter/Libraries/ sehingga anda memiliki subfolder lain bernama VirtualWire
• Unduh sensor DHT library dari halaman github proyeknya
• Ekstrak folder DHT ke dalam folder Libraries juga. Anda sekarang harus memiliki dua folder pustaka yang diperlukan DHT dan VirtualWire di folder wirelesstransmitter/Libraries anda.

Memprogram Papan Arduino

Tutorial ini mengasumsikan anda memiliki pengalaman dengan Arduino dan cara memprogramnya menggunakan Arduino IDE. Jika tidak, ada instruksi yang sangat bagus di situs Arduino resmi.

• Buka sketsa wirelesstransmitter dari arsip sumber di Arduino IDE dan simpan salinannya secara lokal
• Pastikan Arduino TIDAK terhubung ke daya melalui konektor barrel
• Hubungkan papan ke stasiun workstaiton pemrograman anda dengan kabel USB yang sesuai
• Atur jenis papan ke papan Arduino pilihan anda di bawah menu Tools > Board
• Atur port serial ke port yang terdeteksi saat anda menyambungkan papan Arduino di bawah menu Tools > Port
• Pastikan bahwa MYID mendefinisikan diatur ke 1 dan TRANSPIN dan DHTPIN diatur dengan benar ke pin yang terhubung ke modul pemancar RF dan sensor DHT. Jika anda membangun papan anda per diagram di atas ini semua harus sudah diatur. Lihat contoh kode di bawah ini.
• Pastikan bahwa UNIT diatur dengan benar untuk preferensi Anda Fahrenheit atau Celcius.
  

1

#define MYID 1      //the ID number of this board.  Change this for each board you flash.

2

                    //The ID will be transmitted with the data so you can tell which device is transmitting

3

#define TRANSPIN 3  //what pin to transmit on

4

#define DHTPIN 4     // what pin the DHT is connected to

5

#define UNIT 0      // 0 for Fahrenheit and 1 for Celsius

The MYID define adalah ID numerik yang digunakan pemancar untuk mengidentifikasi dirinya secara unik. Karena anda akan memiliki banyak pemancar di lokasi yang berbeda, penting untuk memiliki ID unik untuk masing-masing. Nomor ini akan digunakan lagi saat anda mengatur skrip penerima.

• Verifikasi kode dengan menekan Control-R untuk memastikan pustaka disertakan dan dikompilasi dengan benar.
• Dorong kode ke papan dengan mengklik tombol Upload pada bilah alat.
• Buka jendela Serial Monitor dengan menekan Control-Shift-M

Jendela Serial Monitor menyetel ulang Arduino sehingga anda akan melihat baris kode di layar yang terlihat seperti:

1

Humidity: 44.00 %    Temperature: 60.80 *F

2

Sending Message: ID:1:TS:23143:TF:60.79:RH:44.00

Pesan terdiri dari Pasangan Nama:nilai yang akan ditangan penerima. Pemancar akan membaca dan menyiarkan sinyalnya pada interval acak yang panjang. Sensor tidak banyak berubah atau sering, sehingga penyiaran lebih sering dari sekali setiap menit tidak menambah nilai. Waktu tunggu acak adalah untuk memungkinkan beberapa sensor hidup berdampingan.

Bahkan jika ada penggandaan dan sinyal dari kedua pemancar hilang, interval acak akan memastikan bahwa siaran berikutnya tidak akan tumpang tindih. Benih acak untuk interval ini diatur dari analogRead pada port analog yang tidak digunakan yang akan mengembalikan nilai acak untuk memastikan tidak ada dua pemancar berada pada pola yang sama.

Contoh kode yang menghasilkan output di atas diatur untuk menggunakan Fahrenheit. Anda dapat melihat TF: 60,79 identifier dalam string pesan yang menunjukkan bahwa lab saya memang hanya rambut di bawah 61 derajat. Namun kelembaban relatif RH: 44,00 adalah 44% yang nyaman. Orang mungkin menyimpulkan dari lingkungan basah yang dingin bahwa lab saya berada di ruang bawah tanah saya. Mungkin ada yang benar.

Pemancar diatur untuk menunggu 2 hingga 5 menit antara siaran secara default. Jika anda ingin mempercepat ini untuk keperluan debugging kemudian memodifikasi nilai delay() di akhir sketsa menjadi lebih seperti 5000 (ms). Sangat disarankan agar anda mengubah ini kembali dan unggah ulang kode ke pemancar anda ketika anda siap untuk penggunaan penuh waktu.

• Membangun papan pemancar kedua
• Ubah sketsa pemancar sehingga definisi MYID diatur ke 2
• Unggah kode ke papan kedua
• Buka jendela Serial Monitor dengan menekan Control-Shift-M dan verifikasi bahwa output terlihat seperti papan pemancar pertama dengan pengecualian bahwa pesan yang dikirim dimulai dengan ID: 2

Bangun Papan Penerima

Papan penerima akan bertanggung jawab untuk menerima pesan siaran pada komponen RF Receiver dan mengirim pesan itu melalui kabel serial ke Raspberry Pi. Papan Arduino digunakan untuk menerima sinyal untuk beberapa alasan yang sangat penting. Kode VirtualWire menggunakan sifat Arduino yang real time untuk mengelola modulasi dan demodulasi sinyal.

Ini berarti bahwa unit penerima harus beroperasi pada frekuensi yang sama. Selain itu, ada sedikit ruang untuk jitter pada prosesor penerima, yang Raspberry Pi rentan, karena sistem operasi preemptive, non real-time. Membandingkan biaya Arduino Pro Mini ditambah modul penerima RF dengan modul Zigbee yang dapat berbicara langsung dengan Raspberry Pi mengungkapkan bahwa menggunakan Arduino eksternal masih cukup ekonomis.

Bangun papan penerima per diagram Fritzing di bawah ini.

Pada titik ini TIDAK lampirkan 5V dan ground leads dari Pi ke breadboard. Jaga kabel jumper praktis, tetapi anda tidak ingin menyalakan Arduino dari port USB dan Raspberry Pi.

Perhatikan bahwa pengonversi tingkat logika dalam daftar bahan di atas tidak persis sama dengan yang ada di pustaka Fritzing, tetapi pin yang keluar diberi label yang baik, hanya di tempat yang berbeda. Pastikan kabel yang benar terhubung ke pin yang benar pada konverter tingkat logika yang sebenarnya.

Komponen ini diperlukan untuk mengkonversi sinyal serial Arduino 5V ke sinyal serial Raspberry Pi 3.3V dan tidak merusak Pi. Lihat gambar di bawah ini untuk bantuan tambahan.

Perhatikan bahwa kabel RX dan TX melewati konverter tingkat logika sehingga TX dari Arduino masuk ke RX dari Pi. Langkah selanjutnya melibatkan pengaturan Pi, Anda akan kembali memprogram Arduino nanti.

Siapkan Raspberry Pi

Ada beberapa panduan untuk membeli dan menginstal OS di Raspberry Pi anda. Instal sistem operasi Raspbian terbaru. Langkah-langkah berikut menggambarkan menghubungkan periferal ke Pi dan mengkonfigurasi

1

sudo pico /etc/inittab

1

#Spawn a getty on Raspberry Pi serial line

2

#T0:23:respawn:/sbin/getty -L ttyAMA0 115200 vt100

1

sudo pico /boot/cmdline.txt

1

sudo apt-get install python-serial python-setuptools

2

sudo easy_install pip

3

sudo pip install --pre xively-python

4

mkdir ~/scripts

1

chmod u+x wirelessnetwork.py

1

#some defines for Xively 

2

FEED_ID = "FEED ID HERE"  #enter your feed ID number here

3

API_KEY = "API KEY HERE"  #set your API key here

4

# initialize api client

5

api = xively.XivelyAPIClient(API_KEY)

6

7

#Create mapping from transmitter ID number to names. This could be a DB some day

8

DEV={'1':'Bedroom', '2':'Basement'}

9

10

DEBUG = True

Saat anda mengedit skrip, pastikan untuk mengedit variabel DEV. Variabel ini adalah pemetaan nama untuk ID yang akan dikirimkan modul sensor. Dalam contoh ini ketika modul sensor dengan ID 1 mengirim pesan, skrip akan memposting ke saluran Xively dengan Nama Bedroom yang ramah alih-alih ID1. Dengan cara yang sama, modul sensor dengan ID 2 akan dilaporkan ke saluran Basement.

Program Penerima Arduino

Raspberry Pi sekarang siap menerima data menggunakan skrip wirelessnetwork.py. Arduino harus diprogram dengan sketsa wirelessreceiver.

• Buka sketsa wirelessreceiver dari paket sumber dan simpan salinannya secara lokal
• Salin pustaka VirtualWire dari direktori wirelesstransmitter/Library ke direktori Library di bawah direktori wirelessreceiver baru
• Pasang receiver Arduino ke workstation pemrograman anda dan pastikan jenis port dan board diatur dengan benar.
• Pastikan bahwa RXPIN mendefinisikan diatur ke nomor pin yang terhubung ke modul penerima RF. Jika dibangun per diagram sketsa harus baik-baik saja tanpa perubahan.
• Verifikasi dan unggah sketsa ke Arduino
• Buka jendela Serial Monitor dengan menekan Control-Shift-M. Jika pemancar tidak berjalan anda tidak akan melihat keluaran.
• Colokkan salah satu modul pemancar ke daya menggunakan adaptor dinding 9V dan konektor barrel pada papan. Anda sekarang harus melihat pesan yang diterima di Arduino. Ini akan terlihat seperti data di bawah ini.

1

ID:1:TS:23143:TF:60.79:RH:44.00

2

ID:1:TS:24532:TF:60.79:RH:44.00

3

ID:1:TS:29324:TF:60.79:RH:44.00

• Cabut kabel USB dari Arduino
• Pasang jumper ground dan daya dari Raspberry Pi

Uji Script Penerima

Sekarang setelah anda memiliki Arduino menerima data dari modul sensor, anda dapat menguji skrip pada Pi untuk memastikan itu benar membaca data dan mempostingnya ke Xively. Buka sesi SSH atau terminal ke Pi untuk langkah-langkah berikut.

• Aktifkan pemancar nirkabel kedua dengan menghubungkannya dengan adaptor 9V kedua
• Jalankan script wirelessnetwork.py dari direktori /home/pi/scripts dengan perintah berikut

1

cd /home/pi/scripts/

2

./wirelessnetwork.py

• Tinjau keluaran di konsol dan di situs web Xively.

1

2

Received input: ID:1:TS:154075:TF:73.39:RH:39.00

3

Processing data for: Bedroom

4

Posting temp fahrenheit for Bedroom

5

Creating datastream

6

Updating Xively feed with value: 73.39

7

Posting relative humidity for Bedroom

8

Found existing datastream

9

Updating Xively feed with value: 39.00

10

11

Received input: ID:2:TS:522:TF:60.79:RH:44.00

12

Processing data for: Basement

13

Posting temp fahrenheit for Basement

14

Creating datastream

15

Updating Xively feed with value: 60.79

16

Posting relative humidity for Basement

17

Found existing datastream

18

Updating Xively feed with value: 44.00

Skrip akan membuat feed untuk kelembaban dan suhu saat pertama kali dijalankan. Contoh di atas menunjukkan skrip menerima pesan, menguraikannya, dan mempostingnya ke Xiv berhasil. Gunakan Control-C untuk keluar dari skrip sebelum melanjutkan ke langkah berikutnya.

Beralih ke jendela browser tempat anda membuat akun dan perangkat Xively anda. Datastreams baru dan beberapa informasi tentang mereka harus tersedia dan terlihat seperti gambar di bawah ini.

Atur Script untuk Luncurkan pada Boot

Karena Raspberry Pi akan dijalankan tanpa kepala, skrip harus diatur untuk memulai secara otomatis ketika unit diaktifkan.

• Tambahkan baris berikut ke file /etc/rc.local. Gunakan editor favorit Anda, tetapi pastikan untuk sudo perintah edit sebagai /etc/rc.local adalah file yang dimiliki root. Script itu sendiri dapat dijalankan sebagai pengguna pi daripada sebagai root.

1

sudo -u pi /home/pi/scripts/wirelessnetwork.py &

• Boot ulang Pi
• Login ke Pi setelah reboot dan verifikasi bahwa skrip berjalan dengan perintah berikut.

1

ps ax |grep wirelessnetwork

Outputnya akan terlihat seperti kutipan di bawah ini.

1

22000 pts/1 S+ 0:02 /usr/bin/python /home/pi/scripts/wirelessnetwork.py

Ringkasan

Selamat! Anda telah bekerja melalui tutorial yang cukup panjang dan membangun jaringan sensor nirkabel yang sangat fleksibel dan dapat diperluas. Anda telah melatih berbagai keterampilan seperti membangun sirkuit breadboard berbasis Arduino, menghubungkan Arduino ke Raspberry Pi, mengirim dan menerima data serial secara aman antara Arduino dan Pi, dan mengirim Anda data sensor ke layanan Internet of Things Xively.

Ada banyak potensi untuk ekspansi atau eksperimen lebih lanjut dengan proyek ini. Anda dapat memilih untuk membangun modul sensor tambahan atau menambahkan sensor ke modul yang ada. Format pesan radio adalah kunci sederhana: pasangan nilai dan skrip python memiliki komentar tentang cara menambahkan tipe data yang berbeda. Cobalah membangun rumah permanen atau perumahan untuk pemancar. Ada banyak potensi yang menyenangkan dari mana untuk mengambil proyek ini.