Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
MetalWorkMetalWork
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz

ex-or 06 Feb 2019 15:43 2079 4
  • Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz

    Zwykle przy przeglądaniu nagromadzonych skarbów w postaci części el. przychodzą mi do głowy pomysły ich wykorzystania. Tak było i tym razem. Z jakiegoś starego projektu została mi para nadajnik/odbiornik 434MHz OOK, attiny13 i kilka DS18B20, pomyślałem że na tej bazie zmajstruję prosty bezprzewodowy termometr: nadajnik z jednym czujnikiem, który będzie można wetknąć w jakieś zacienione miejsce na zewnątrz plus, potem, jakiś odbiornik.

    Już po pierwszych przymiarkach okazało się, że nawet przy bardzo okrojonych założeniach i radykalnych cięciach w sofcie kod nadajnika jednak nie chce się zmieścić do procka. Trzeba było wybrać innego µC. Po krótkich poszukiwaniach procka posiadającego pożądane funkcje (pomiar ADC napięcia odniesienia i temperatury struktury, watchdog z przerwaniem, niewielka obudowa) wybór padł na rodzinę attiny24/44/84. Z tej rodziny wybrałem t84, różnica w cenie między najmniejszym i największym prockiem w serii jest prawie żadna a większa ilość FLASH i RAM daje jednak spory komfort w programowaniu. Duży FLASH pozwolił także, oprócz zasadniczej funkcjonalności, wepchnąć trochę kodu diagnostyczno-debugowego.

    W elektronicznej dłubaninie najgorszą rzeczą dla mnie są kwestie obudowy. Znalezienie odpowiedniej obudowy wśród tego co jest dostępne na rynku przypomina zwykle podróż przez senne koszmary. Co gorsze nie można zacząć konstruowania na poważnie przed jej pozyskaniem, bo PCB trzeba zrobić pod obudowę. A bez zmontowanego PCB nie można rozpocząć poważnych prac nad firmwarem. I tak wszystko leży z powodu kawałka plastiku :-( Tak było i tym razem - potrzebowałem szczelnej, ale otwieralnej, obudowy z jakimiś uchami do mocowania i przepustem kablowym. Kolejne godziny mijały bezowocnie na wertowaniu oferty TME, Kradexa itp. :-( W końcu któregoś dnia myszkując w markecie Jula natrafiłem na puszkę połączeniową Spelsberg, która w większości spełniała założenia, za wyjątkiem sposobu mocowania (otwory na śruby na wylot dna puszki) ale który stosunkowo niewielkim wysiłkiem można było zaadaptować do potrzeb. Konkretnie jest to puszka ABox 040 1)

    Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz


    Mając obudowę, można było wreszcie wykonać PCB. Płytka została wykonana domowym przemysłem metodą fotochemiczną (laminat jednostronny + folia foto) i pocynowana (Bisan LB3 + kuchenka gazowa).

    Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz

    Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz

    Początkowo zakładałem, że µC będzie taktowany wewnętrznym oscylatorem co korzystnie wpłynie na zużycie energii. Jako że urządzenie miało zostać zamontowane na zewnątrz postanowiłem sprawdzić zachowanie wewnętrznego oscylatora w niskiej temperaturze. W zamrażalniku domowej lodówki dokonałem pomiarów zmiany częstotliwości oscylatora w temperaturze poniżej zera. Pomierzyłem także częstotliwości w temp. pokojowej oraz temp. pośredniej. Na podstawie tych pomiarów wyznaczyłem funkcję zmiany częstotliwości względem temperatury. Okazało się, że wpływ temperatury na częstotliwość oscylatora jest znacznie większy (ok 2x większy) niż wykazany w nocie katalogowej. Było to trochę za dużo dla nadajnika - zastosowany algorytm kodowania ma dosyć szeroką tolerancję częstotliwości, jednak w tym wypadku niewystarczającą. Pomyślałem że firmware może korygować częstotliwość w trakcie pracy na postawie odczytanej temperatury procesora. Tak więc wyznaczyłem funkcję i zastanawiałem się nad jej oprogramowaniem...ale przypomniałem sobie, że wewnętrzny oscylator jest też czuły na zmiany napięcia zasilania. A przecież napięcie baterii z biegiem czasu będzie spadać :-/ To już było ponad moją cierpliwość. Machnąłem ręką na oszczędności i zamontowałem rezonator kwarcowy. Na szczęście, na wszelki wypadek, na PCB przewidziałem dla niego miejsce.

    Po uruchomieniu układu i zmontowaniu na stykówce odbiornika przyszedł czas na testy połączenia radiowego. Początkowe testy wykazały, że połączenie jest raczej zawodne, procent utraconych pakietów był bardzo duży (na dystansie ok 10-15m przez kilka ścian z cegły, różne odbiorniki prądu wokół). Poczytałem trochę o antenach 2)(bardzo obszerny temat) i poeksperymentowałem z kilkoma. Bez większego powodzenia. Trochę mnie to zniechęciło. Potem przypadkiem przełączyłem odbiornik na zasilanie z zasilacza (wcześniej był zasilany z USB laptopa) i nagle poziom błędów transmisji radykalnie spadł do akceptowalnego poziomu :-). A więc przez niedocenianie problemów związanych z zasilaniem straciłem trochę czasu. Z drugiej strony dowiedziałem się trochę o antenach co z pewnością przyda się przy konstrukcji odbiornika.

    Nadajnik pracuje nieco ponad miesiąc, w tym czasie obserwowałem niezawodność łącza, i stwierdzam, że działa to zadowalająco. Zaniki zdarzają się często, ale ponieważ każdy pakiet nowych danych jest powtarzany jeszcze dwukrotnie całkowita utrata danych zdarza się dosyć rzadko. Sporadycznie zdarzają się dni w których zakłócenia powodują przerwy w odbiorze długości 0.5-1 godziny, tak jak i dni z niemal zerowymi przerwami. Przeważnie procent całkowicie utraconych pakietów to ok. 5% czyli średnio jest to ok 3 minutowa przerwa raz na godzinę. Zakładam, że temperatura zewnętrzna zmienia się dosyć powoli, przyjąłem więc, że dane odczytane do 15 minut wstecz są wciąż aktualne, a miedzy 15 a 30 minut nadal wystarczająco dobre. Uważam więc, że jakość łącza w tym przypadku jest wystarczająca.

    W momencie gdy przyszedł czas na montaż nadajnika uświadomiłem sobie, że jako iż czujnik ma wisieć na kilkumetrowym kablu, przydała by się jakaś ochrona portu przed przepięciami, czego w ogóle nie uwzględniłem w konstrukcji. Na płytce nie za bardzo było miejsce na przeróbki, a nie chciałem się bawić w robienie kolejnej więc na pająka plus dużo termogluta zamontowałem dwie diody schotkego i rezystor, przy czym rezystor już się nie zmieścił i znalazł miejsce już za złączem (czyli na przewodzie) :-(. Zaktualizowany schemat tego fragmentu po przeróbce:

    Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz

    Firmware jest napisane w jęz. C i liczy 2365 linii kodu (z komentarzami) w tym 1248 kod osób trzecich. Wykorzystano oprogramowanie obce:
    Obsługa UART (tylko Tx) wg Atmel Application Note AVR305 (z własnymi modyfikacjami) 115 LOC
    Biblioteka OneWire oraz DS18B20 autorstwa Martin Thomas (ta druga z dużymi modyfikacjami) 851 LOC
    Biblioteka VirtualWire autorstwa Mike McCauley (mikem@airspayce.com) (z dużymi modyfikacjami) 292 LOC

    Urządzenie jest zasilane baterią 3 ogniw AAA. Teoretyczne obliczenia zużycia energii (bez uwzględnienia samorozładowania) wykazały, że energii powinno wystarczyć na blisko 4,5 roku pracy. W zużyciu energii udział transmisji radiowej to 32,5% całego zużycia, konwersji wykonywanej przez czujnik - 30,6%. Konwersja jest wykonywana z pełną rozdzielczością, gdyby zmniejszyć rozdzielczość to teoretycznie czas pracy zostałby wydłużony do:
    5,2 lat przy rozdzielczości 11 bitów (przy 18% udziale w zużyciu energii),
    5.8 lat przy 10 bitach (9,9% udziału)
    6,1 lat przy 9 bitach (5,2% udziału)

    I to mniej więcej tyle na temat nadajnika.

    Jeszcze tylko podsumowanie kosztów.
    Części elektroniczne, laminat: 45,90 zł.
    Obudowa, przewód, podstawa: 41,16 zł.
    Razem 87,06.

    I na koniec urządzenie przed zamontowaniem w miejscu pracy.

    Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz



    1) https://www.spelsberg.pl/nc/produktu/an/80490701/
    https://www.jula.pl/catalog/elektryka-i-oswie...ne/puszki-laczeniowe/puszka-odgalezna-403207/

    2) https://wireless.murata.com/media/products/apnotes/antenna.pdf
    https://lowpowerlab.com/guide/rf-best-practices/practical-considerations/
    https://www.instructables.com/id/433-MHz-Coil-loaded-antenna/
    http://www.antenna-theory.com/
    i inne

    Dodano po 14 [minuty]:

    Termometr bezprzewodowy cz. 2. Odbiornik

    Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz

    W tej chwili odbiornik w postaci docelowej jeszcze nie istnieje. Na teraz, na szybkiego, zmajstrowałem na bazie Blue Pilla oraz wyświetlacza od zezłomowanej Nokii 6210 odbiornik tymczasowy. Ponieważ na wyświetlaczu jest trochę miejsca na dodatkowe dane dorzuciłem też czujnik temperatury, wilgotności i ciśnienia BME280, który w konstrukcji docelowej raczej nie jest przewidziany.

    Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz

    Napisane firmware odbiornika jest pierwszą praktyczną, całościową aplikacją napisaną przeze mnie przy wykorzystaniu frameworka QP/C, firmy Quantum Leap. Wcześniej robiłem jakieś testy, ćwieczenia. Tak więc był to swego rodzaju poligon.

    QP/C (Quantum Platform in C) wg materiałów firmowych (tłumaczenie prawie dosłowne) jest "lekkim, open soursowym frameworkiem do budowy reaktywnych aplikacji czasu rzeczywistego jako systemu asynchronicznych, sterowanych zdarzeniowo, obiektów". Szczegółowe informacje i dokumentacja są dostępne na stronach producenta: https://www.state-machine.com/products/ więc nie będę się rozpisywał a tylko napiszę o jakichś swoich wrażeniach.

    Framework jest portowany na sporą ilość procesorów, RTOSów oraz systemów operacyjnych w tym mnie interesujących Cortex-M, AVR, Linuks, pełna lista dostępna pod linkiem wyżej. I już na wstępie było to dla mnie bardzo użyteczne, bo zasadniczy szkielet aplikacji przetestowałem na PC a potem na procesorze docelowym testowałem tylko integrację z modułami niskopoziomowymi.

    Wielką pomocą w budowie aplikacji jest modeler QM. Można w nim opracować cały szkielet aplikacji, a więc zdefiniować zbiór automatów z której ma się składać aplikacja, zdefiniować zbiór sygnałów (eventów) służących zarówno do zmiany stanów automatu jak do komunikacji między automatami (a także niekiedy automatu z sobą samym). Na podstawie zbudowanego modelu generuje się kod źródłowy w jęz. C (lub C++). Wygenerowany kod można potem edytować "z palca" bo jest wystarczająco czytelny (w załączeniu kod dla jednego z automatów), ale lepiej tego nie robić i wszystkie zmiany wprowadzać przez QM. Obsługa modelera jest łatwa, lekka i przyjemna :-). Drobną niedogodnością jest fakt, że program nie posiada takich ficzerów jak kolorowanie składni (tzn. ma raczej ubogie kolorowanie niektórych elementów frameworka) czy podejrzenie deklaracji funkcji. Tak więc uważam, że najwygodniej jest wpisywać w modelerze jak najmniej kodu nie związanego z samym frameworkiem tylko robić to już w zewnętrznym IDE.
    Oto główne okno programu z otwartym modelem omawianego odbiornika.

    Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz

    Po lewej, w sekcji "Model explorer" jest drzewo z elementami modelu. W gałęzi "Events" zdefiniowane są typy różnych sygnałów. W gałęzi AOs są zdefiniowane poszczególne taski, w tym wyświetlony w środkowym oknie task "Sensor" związany z czujnikiem BME280. W gałęzi "balkonowy_rx" są szablony do generowania kodu źródłowego. W okienku "Property Editor" pojawiają się propertiesy zależne od obiektu wybranego w okienku "Model explorer", w tym wypadku jest przełącznik wstawiania w kodzie źródłowym słowników do celów debugowania automatu "Sensor".

    Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz

    Powyższy screen pokazuje budowę automatu "Sensor", hierarchię stanów, przejścia oraz sygnały inicjujące te przejścia. I tak sygnał SNSR_TOUT jest generowany przez prywatny timer taska (każdy task może mieć kilka timerów), a sygnały SNSR_OK i ERR są generowane z zewnątrz wobec frameworka przez driver czujnika BME280.

    Przykładowy kod wygenerowany przez QM dla automatu Sensor:

    Code: c
    Log in, to see the code


    Code: c
    Log in, to see the code


    Jak już wspomniałem framework ma liczne porty. Na poniższych screenach faza testowania programu na PC i symulowany w oknie terminala wyświetlacz LCD.

    Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz

    Uruchamianie jest wpomagane dedykowanymi toolsami: QSpy, QSpyView, QUTest. QSpy pozwala na obserwację wszystkich chyba operacji wykonywanych w programie na poziomie frameworka. Zakres potrzebnych informacji jest mocno konfigurowalny. QSpyView pozwala na interaktywną pracę z QSpy, np. zmianę konfiguracji czy generowanie eventów "on line". QUTest to "test harness" do zautomatyzowanych testów jednostkowych. Narzędzia posiadają obszerną dokumentację https://www.state-machine.com/qtools/index.html. Poniżej kilka screenshotów z pracy narzędzi.

    Informacje emitowane przez QSpy.
    Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz

    Formatka generowania eventu przez QSpyView
    Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz

    Diagram interakcji utworzony na podstawie danych dostarczonych przez QSpy (sam początek diagramu, bo cały diagram byłby baaardzo długi).

    Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz

    Film z działania (odbiór danych z czujnika zewnętrznego i aktualizacja ekranu):
    https://youtu.be/5OsgzFKFDh0

    Kod wygnerowany przez QM został zintegrowany z kodem niższego poziomu oraz z kodem z CubeMX. Integracja z CubeMX zdecydowanie była najgorszym etapem przy pisaniu programu. Kod CubeMX jest strasznie bałaganiarski z inicjacjami poukrywanymi w dziwnych funkcjach a framework wymaga pewnego porządku i kolejności inicjowania. Szczególnie ważne jest ustawienie odpowiednich priorytetów handlerów przerwań i moment ich włączenia. Ale jakoś się udało bo odbiornik działa :-).
    Kodu źródłowego nie zamieszczam bo konfiguracja całości jest dosyć skomplikowana (przynajmniej wg mojej sposobu) ale jak ktoś bardzo by chciał to mogę wstawić.

    Cool! Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ex-or
    Level 25  
    Offline 
    ex-or wrote 511 posts with rating 82, helped 98 times. Been with us since 2017 year.
  • MetalWorkMetalWork
  • #2
    rb401
    Level 37  
    Sam temat pozornie bardzo trywialny. Jeszcze jeden termometr.
    Ale w Twoim starannym wykonaniu i dokładnym opisie pracy i toku rozumowania, to kawał wartościowej pracy badawczej wartej publikacji. Duży plus daję.

    A co do konkretów.
    Jednak nie podzielam Twojego zadowolenia z wyboru tej puszki z Juli.
    Ma wiele wad, z których wymieniłeś to, że mocowanie (śruby) wypadają w przestrzeni, która powinna być hermetyczna. Druga rzecz że przepusty-gumki niby
    może zapewnią jakąś szczelność przejścia kabla ale zupełnie nie trzymają kabla (u Ciebie to robi termoklej na płytce).
    Z własnego doświadczenia powiem, że nie ma sensu w takich konstrukcjach "dziadowanie" z takimi puszkami, jak jest hermetyczny Kradex (przykładowo Z57J lub inne gabaryty) i są dławiki kablowe (seria PG).
    To nawet cenowo nie jest droższe niż te puszki z Juli a o niebo lepsze. Otwory na śruby do mocowania puszki są poza przestrzenią hermetyczną a instalując dławiki PG jest solidne, szczelne przejście. Plastik też lepszy.
    Naprawdę nie wiem co Cię zraziło do Kradexa to są bardzo przyjemne obudowy.
  • MetalWorkMetalWork
  • #3
    niewolno2
    Level 39  
    W zestawie który posiadam udręką były baterie które w warunkach zewnętrznych wytrzymywały bardzo krótki okres szczególnie zima dawała popalić, wprawdzie obudowa nadajnika też pozostawiała dużo do życzenia postanowiłem "wywlec" sam czujnik poza obudowę a sam nadajnik przeniosłem do mieszkania, jedynie dwa cienkie przewody przechodzą przez okiennice ale wcale mi to nie przeszkadza a problem z bateriami rozwiązał się sam.
  • #4
    ex-or
    Level 25  
    Projekt jest oczywiście strasznie banalny, początkowo nawet nie myślałem o publikacji ale pojawiła się akcja z pendrivami i jednak chciwość (jak zawsze) zwyciężyła. ;-)
    rb401 wrote:
    Jednak nie podzielam Twojego zadowolenia z wyboru tej puszki z Juli.

    Nie jestem zadowolony z tej puszki. Jakoś w TME nie mogłem znaleźć nic odpowiedniego i w końcu, lekko wnerwiony, wziąłem to co się z grubsza nadało. Jakbym na poszukiwanie poświęcił więcej czasu to pewnie bym coś znalazł. Kiedy projekt nadmiernie się wydłuża, a szczególnie gdy stoi na jakimś etapie wstrzymującym całość prac to pojawia się presja na podjęcie decyzji, choćby suboptymalnych.
    niewolno2 wrote:
    W zestawie który posiadam udręką były baterie które w warunkach zewnętrznych wytrzymywały bardzo krótki okres szczególnie zima dawała popalić, wprawdzie obudowa nadajnika też pozostawiała dużo do życzenia postanowiłem "wywlec" sam czujnik poza obudowę a sam nadajnik przeniosłem do mieszkania, jedynie dwa cienkie przewody przechodzą przez okiennice ale wcale mi to nie przeszkadza a problem z bateriami rozwiązał się sam.

    Jednym z powodów podjęcia projektu było właśnie uwolnienie się od kabli :-)
    Początkowo chciałem wstawić pojedyncze ogniwo LiIon, które są odporne na ujemne temperatury, jednak to niebezpieczne zabawki więc w końcu zdecydowałem się na bezpieczniejsze rozwiązanie.
    Max. prąd pobierany to ok. 10mA (w czasie pracy nadajnika), a więc raczej niedużo jak dla tych ogniw. Jaka będzie rzeczywista trwałość baterii się oczywiście dopiero okaże. Przez ostatni miesiąc, kiedy przez ok. tydzień panowały ujemne temperatury a w pozostałym czasie ok 3-7°, napięcie baterii spadło o 0.1V z (4,8 na 4,7). No ale napięcie nowych ogniw spada trochę szybciej więc to nic nie znaczy.
  • #5
    ex-or
    Level 25  
    Termometr bezprzewodowy Attiny84, DS18B20, 434MHz

    Projekt został (wreszcie) ukończony a więc na koniec mały raport.

    1. Około września/października ub.r. (2019), a więc po ok. 10 mies. pracy, zaistniała konieczność otwarcia nadajnika. W środku nie było śladów brudu ani wilgoci więc jak na razie puszka się sprawdza. I oby tak dalej.

    2. Napięcie baterii w tej chwili wynosi 4.4V a więc przez 1.5 roku spadło o 0.4V. Rokowania na osiągnięcie zakładanego czasu pracy są, uważam, dobre.

    3. Odbiornik przyjął formę ostateczną, widoczną na zdjęciu powyżej. Brakuje tylko jakiejś ładnej, najlepiej przyciemnianej szybki. Prowizorycznie wstawiona jest sztywne folia z opakowania jakiejś zabawki. Więcej fotek z wykonania: Link.
    Urządzenie pokazuje temperaturę bieżącą na zewnątrz, a po wciśnięciu przycisku z tyłu obudowy minimalną i maksymalną temperaturę z ostatnich 12 godzin (lub od ostatniego włączenia odbiornika jeśli upłynęło mniej czasu). Wciśniecie przycisku dłużej niż 1s wyświetla napięcie baterii nadajnika. W razie wystąpienia błędów nadajnika lub odbiornika (sygnalizowane przez czerwoną diodę) wciśnięcie przycisku wyświetla kod błędu.
    Użyty µC to STM32F030F4P6, odbiornik radiowy RFM210L. Firmware napisany przy użyciu frameworka QP/C ver. 6.5.1 Link. Kod zajął ponad 12kB flash, a więc jest jeszcze trochę miejsca na modyfikacje.
    Pliki Eagle i kody źródłowe na Githubie: Eagle, kody źródłowe.