Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Bmp280

Per aspera ad astra, или как я строил ракету. Часть 2. Собираем альтиметр на STM32 и BMP280

26.09.2020 16:11:14 | Автор: admin


Всем привет!

В предыдущей части я остановился на том, что мои ракеты удачно взлетели и приземлились, а на одной даже был установлен альтиметр. В этой статье я и расскажу о том как сделать простой высотомер на основе STM32 Nucleo L031K6 и датчика давления BMP 280 , который к тому же хранит все данные во Flash памяти.

Выбор железа


Основные требования к альтиметру:
  1. Высокая скорость считывания высоты, так как ракета в апогее находится не слишком долго, а я хотел узнать именно максимальную высоту;
  2. Низкое энергопотребление, чтобы не ставить большой аккумулятор;
  3. Небольшие размеры всей конструкции.

Исходя из них в качестве микроконтроллера взял STM32 Nucleo L031K6 (высокая скорость работы, низкое потребление тока, малый размер). Высоту решил измерять с помощью барометра BMP280 (те же резоны, что и у МК). Также добавил кнопку, при нажатии которой начиналась запись высоты. Ну и питала всю электронику батарейка CR2032, подключенная через адаптер. В итоге получилась такая схема:


Использованные модули

STM32 Nucleo L031K6


BMP280


Адаптер для CR2032

Разработка кода


Код вы можете найти на моем гитхабе . Пины STM32 были сконфигурированы в CubeMX под IAR. Для работы с BMP280 использовал вот эту библиотеку, добавил в нее функцию расчета высоты над уровнем моря с помощью барометрической формулы и инициализацию датчика с нужными мне параметрами частоты считывания, фильтрации и тд. Так как я хотел измерить высоту полета относительно земли, мне нужно было сначала вычислить высоту над уровнем моря в моей местности, взять ее за ноль и относительно нее измерять высоту полета. Частота измерений равнялась 10 Гц.

Запись во Flash память происходила следующим образом так:
Организация памяти в STM32 L031K6


  • Для всех измерений выделил 8 Кбайт с 0x08006000 по 0x08007FFF адреса
  • На одно измерение выделил 2 байта
  • Во Flash записывал по 4 байта, то есть сразу два измерения
  • Максимальное количество измерений 4096, этого хватало на запись примерно 7-ми минут полета
  • Высоту записывал в сантиметрах для большей точности

А происходила запись следующим образом:
  1. Если итератор записи четный, то в переменную с данными для записи во Flash сохраняем текущую высоту в младшую половину слова;
  2. Если итератор записи нечетный, то в переменную с данными для записи во Flash добавляем текущую высоту в старшую половину слова и сохраняем эту переменную в ячейку Flash

В итоге алгоритм работы программы следующий:
  1. После включения 5 секунд ждем нажатия кнопки для старта измерений высоты.
  2. Если кнопка не была нажата, то зажигаем встроенный светодиод и начинаем передачу по UART данных о высоте, записанных во Flash памяти
  3. Если кнопка была нажата, то два раза моргаем встроенным светодиодом и вычисляем высоту местности.
  4. После вычисления нуля два раза моргаем встроенным светодиодом и записываем во Flash-память высоту ракеты над землей.
  5. Когда выполнили передачу по UART или завершили измерения высоты, бесконечно моргаем встроенным светодиодом;
  6. Ждем пока нас найдут люди и выключат.


При питании STMки от CR2032 через пин 3.3V обнаружил, что код не работает. Проблема была в том, что при подаче питания через эту ногу необходимо было отпаять SB9 (расположен рядом с выводами RX и TX на обратной стороне МК) иначе плата постоянно перезагружалась.

Теперь необходимо было проверить точность работы альтиметра. Взяв рулетку, я стал поднимать альтиметр на разные высоты и смотреть, что он измеряет. Результаты тестов лежат в соответствующей папке на гитхабе. В текстовых файлах сырые данные с STMки, а в Excelевских таблицах находятся красивые графики всех тестов. Точность соответствовала заявленной 10см. Следует помнить, что высоту я измерял в сантиметрах, поэтому в таблице такие большие числа.

Сборка альтиметра


Так как во время приземления ракета может сильно ударится о землю, необходимо было хорошо зафиксировать всю электронику, чтобы при тряске не отваливались проводки, или, того хуже, сами модули. Альтиметр разместил в головном обтекателе (места там было достаточно, и стабильности за счет смещения центра тяжести к головному обтекателю прибавилось) в 3D-печатном креплении. STMка стояла вертикально, BMP280 контактами вверх и под крепление приклеил адаптер для CR2032. Из-за того, что он не помещался в корпус ракеты, пришлось немного сточить контакты минуса. Рядом с контактами в боковой стенке 3D-печатного крепления проточил вертикальную канавку, чтобы протянуть через нее минус от CR2032, а под плюсом просверлил отверстие и пустил провод через него. Думал крепить альтиметр к головному обтекателю с помощью самореза, поэтому в корпусе есть отверстие, но потом от этой идеи отказался.


Модель крепления, напечатанного на 3D-принтере

Собранный блок альтиметра

Вид сверху


Вид снизу

Кнопку приклеил рядом с BMP280, установил остальные модули в свои места, припаял все провода и замотал все синей изолентой залил для надежности термоклеем.

В обтекатель ракеты альтиметр плотно вставлялся. Для того, чтобы он никуда не отлетел после удара, протянул через отверстие в креплении резинку, соединяющую корпус ракеты и обтекатель.


Собранный альтиметр. Вид спереди


Вид сзади. Видна резинка, соединяющая альтиметр с ракетой

Альтиметр был готов! Теперь предстояло его испытать, а это значит, что я снова отправился на полигон!

Запуск альтиметра и результаты измерений


К сожалению первый запуск был с неисправными двигателями, о которых я писал в прошлой статье.

В итоге график получился таким:


По горизонтали номер измерения. Каждые 10 измерений 1 секунда. По вертикали высота в сантиметрах

Ракета взлетела на 15м, затем устремилась в землю. После прохождения апогеячерез 1 секунду началась какая-то аномалия: после значения 12м почему-то показания упали до -8м. Это произошло в момент второго запуска двигателя (которого не должно было быть), так что не исключаю, что неисправный двигатель как-то повлиял на альтиметр. Во всех остальных тестах он работал отлично, так что это была проблема явно не в электронике. В общем, те испытания альтиметра были успешными лишь наполовину, так как во вторую половину полета произошла аномалия. Сам график вы можете найти на гитхабе, он называется rocket_flight_fall_test.

После ремонта ракеты я снова отправился на полигон и в этот раз испытания прошли успешно. Полет был отличным, показания альтиметра были стабильными и соответствовали полету. График полета получился вот такой:


По горизонтали номер измерения. Каждые 10 измерений 1 секунда. По вертикали высота в сантиметрах

Ракета поднялась на 150м и успешно приземлилась. Таким образом это испытание было полностью успешным. Я удостоверился в том, что альтиметр работает и приступил к разработке новой бортовой аппаратуры.

Заключение


В итоге, я полностью собрал компактный альтиметр, который помещается в небольшую модель ракеты. Испытания прошли успешно, электроника пережила взлет и посадку и измерила высоту полета. На этом проект разработки альтиметра я закончил, возможно в будущем использую его в одной из ракет, потому что знать высоту полета иногда очень полезно (например, если вы запускаете ракеты ради достижения максимальной или какой-нибудь определенной высоты). Сейчас, как я уже говорил, я занимаюсь разработкой бортовой камеры с радиопередатчиком, потому что ракету с такой серьезной электроникой я терять не намерен.

Спасибо за внимание!
Подробнее..

Снова о автономной Arduino-метеостанции на батарейках

03.03.2021 00:13:52 | Автор: admin

Еще донедавна мне не удавалось найти в Интернете любительскую метеостанцию с питанием от батареек. Я имею ввиду бытовую автономную метеостанцию с измерениями параметров в помещении, на улице и отображением информации на дисплее метеостанции. Любители не заморачиваются на этой проблеме, а питают свои автономные девайсы от солнечных батарей, аккумуляторов и т.п. Уточню проблема касается только одного из узлов метеостанции базы, а первые проекты малогабаритных беспроводных автономных выносных датчиков на Ардуино появились 10 лет назад. Вместе с тем, промышленные устройства такого плана бытовые метеостанции, комнатные термостаты годами работают от пары батареек АА и этот факт является той целью, которой хотелось бы достичь.


Это было донедавна. Несколько дней назад меня поразил очередной проект @Berkseo, как поражают все его проекты: "Беспроводная мини погодная станция с e-paper экраном на батарейках". Тут все на уровне промышленного продукта. Удивляет единственное в устройстве нет внешнего датчика.


Год назад разместил статью Автономная метеостанция на контроллере ATMEGA328P и питанием от батареек с беспроводным выносным датчиком. Хотя прототип и выполнял свои функции, но имел серьезные недостатки слишком малая частота обновления данных и большое энергопотребление. Ниже другой вариант метеостанции с новым алгоритмом, элементной базой и кодом с низкоуровневыми вставками. Все это позволило выйти на время работы метеостанции от одного комплекта батареек даже несколько больше, чем гарантируют производители некоторых товаров такого плана.



Что сделано:


Датчики DHT22 и DS18B20, которые использовались в предыдущем проекте, заменены энергосберегающим модулем это датчик температуры и влажности HTU21D. Период измерений, отправки/приема данных уменьшен с 15-ти мин до 53,5 сек. Сделан переход на устойчивую частоту работы контроллера (8 МГц) при напряжении питания ниже 3В. Для уменьшения объемов занимаемой памяти в скетчах использованы некоторые функции С/С++. И главное, принципиально изменен алгоритм передачи пакетов с выносного датчика и алгоритм приема этих пакетов базой метеостанции. Теперь для обеспечения надежного приема пакетов с выносного датчика в нем формируется и отправляется с интервалом около 0,3 сек не один, а три пакета с данными о параметрах воздуха на улице и состоянии батареек. Только после отправки третьего пакета контроллер в. датчика вместе с периферией уходит в сон. База метеостанции уходит спать после приема одного из 6-ти пакетов с выносного датчика и просыпается за полсекунды до поступления очередной серии пакетов с выносного датчика.


Метеостанция состоит из двух автономных узлов с питанием от двух батареек AA: базы и выносного датчика. Назовем их для простоты анализатором (по-другому база) и беспроводным в.датчиком (выносным датчиком).


Анализатор, построен на контроллере ATMEGA328P, измеряет температуру и влажность (датчик температуры и влажности HTU21D) в помещении, а также измеряет и анализирует величину напряжения питания узла, которое обеспечивают две батарейки АА 1,5 В. На контроллер также поступает сигнал с приемника LoRa, который по эфиру принимает информацию с выносного датчика. Вся инфа с контроллера выводится на ЖК-дисплей NOKIA 5110.


В в.датчике, тоже собранном на контроллере ATMEGA328P, измеряется температура и влажность воздуха на улице (модуль HTU21D), а также напряжение питания выносного узла, организованного на двух батарейках АА 1,5 В. Передатчик LoRa этого узла передает инфу о температуре, влажности и состоянии батарейки на анализатор. С в.датчика выполняется отправка 3-х пакетов с интервалом около 0,3 сек, затем контроллер ATMEGA328P, передатчик LoRa и модуль HTU21D для экономного расходования заряда батареек переводятся в режим сна. Измерения и отправка данных с в.датчика выполняется с циклом несколько меньше 1-ой минуты.


Работа анализатора построена по следующему алгоритму:


Вначале, при включении обеих узлов метеостанции, контроллер анализатора подает команды на измерение температуры и влажности внутри помещения и выводит эти параметры на дисплей, затем устанавливает приемник LoRa в режим прослушивания эфира. После приема сигнала с в.датчика и успешной дешифрации принятых данных контролер подает команду на повторное измерение температуры, влажности и выводит инфу в полном объеме на экран. Затем анализатор уходит в сон, просыпаясь примерно за полсекунды до планируемого поступления сигнала с в.датчика. Приняв и дешифровав один из трех пакетов с в.датчика, повторно выполняет свои измерения, выводит информацию на экран и снова уходит спать. Если по каким-то причинам сигнал с в.датчика отсутствует около одной минуты (например, сели батарейки), что по времени соответствует отправке 6-ти пакетов с в.датчика, анализатор проводит измерения только в помещении, изредка сканируя эфир: а вдруг в.датчик появился в эфире?! Это сделано для того, чтобы постоянно работающий на прием модуль LoRa не посадил за короткое время батарейки анализатора.


Для сборки устройства понадобятся радиодетали:


  1. Контроллер ATMEGA328P-PU 2 шт.
  2. Датчик влажности и температуры HTU21D/SHT21/Si7021 2 шт.
  3. ЖК-дисплей NOKIA 5110 1 шт.
  4. Приемник-передатчик LoRa Rа-01 2 шт.
  5. Макетная плата (стеклотекстолит), монтажные провода, батарейки АА, кварцевые резонаторы 8 МГц, резисторы, конденсаторы, другие мелочи.

Ориентировочная стоимость компонентов по ценам AliExpress примерно $25.


Для работы с контроллерами ATMEGA328P в качестве программатора я использую плату Arduino UNO. На Youtube есть хорошее видео по установке загрузчика и загрузки скетчей в контроллер ATMEGA328P с помощью платы Arduino UNO.


На этот раз мы не будем устанавливать новые фьюзы программой SinaProg, а воспользуемся, на мой взгляд, более универсальным способом созданием новых конфигураций плат в платформе Arduino IDE.


В новые контроллеры надо установить загрузчик Arduino as ISP и надо учитывать то, что контроллеры ATMEGA328P поступают в продажу с заводской настройкой фьюз для мониторинга (контроля) напряжения питания не ниже 2,7 В. Мы же будем работать от батареек, напряжение на которых при разряде может быть ниже установленного заводского порога 2,7 В, и с кварцем 8 МГц. Установим загрузчик и изменим фьюзы под наши условия, используя в качестве программатора плату Arduino UNO, в такой последовательности:


  1. Найти по адресу c:\Program Files\Arduino\hardware\arduino\avr\ файл boards.txt и открыть его текстовом редакторе с форматированием, например, AkelPad.
  2. Дополнить файл блоком, который приведен под спойлером, и сохранить файл.

    блок установок 1
    ##############################################################

    amega.name=Mega Low (8 MHz, >1.8V)

    amega.upload.tool=avrdude
    amega.upload.protocol=arduino
    amega.upload.maximum_size=32256
    amega.upload.maximum_data_size=2048
    amega.upload.speed=57600

    amega.bootloader.tool=avrdude
    amega.bootloader.low_fuses=0xFF
    amega.bootloader.high_fuses=0xDA
    amega.bootloader.extended_fuses=0xFE
    amega.bootloader.unlock_bits=0x3F
    amega.bootloader.lock_bits=0x0F
    amega.bootloader.file=optiboot/optiboot_atmega328.hex

    amega.build.mcu=atmega328p
    amega.build.f_cpu=8000000L
    amega.build.board=AVR_UNO
    amega.build.core=arduino
    amega.build.variant=standard

  3. В плату Arduino UNO загрузить скетч ArduinoISP.ino из примеров платформы Arduino IDE (Файл > Примеры > ArduinoISP).
  4. Собрать схему (плата Arduino UNO, контроллер ATMEGA328P, кварц 16 МГц) для установки в контроллер загрузчика ArduinoISP (инструкции тут), подключить ее компьютеру и записать в контроллер бутлоадер Arduino as ISP.
  5. Заменить кварц в схеме 16 МГц на 8 Мгц. В меню ИНСТРУМЕНТ выбрать из списка плату Mega Low (8 MHz, >1.8V), которая появилась в меню после дополнения файла boards.txt новым блоком, выбрать тут же Программатор: Arduino as ISP и, нажав Записать загрузчик изменить фьюзы и другие установки в контроллере.
  6. Далее загружаем в контроллер необходимый скетч, используя ту же схему, что и для установки загрузчика (п.4), через Скетч > Загрузить через программатор.

Выносной датчик


В.датчик построен на контроллере ATMEGA328P. В нем осуществляется прием данных с HTU21D по протоколу I2C, измерение и анализ величины напряжения питания узла и управление передатчиком LoRa.


скетч в.датчика
/*   Снова о автономной Arduino-метеостанции на батарейках, выносной датчик   http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/post/544936/*/#include <avr/io.h>#include <util/delay.h>#include <SPI.h>#include <LoRa.h>#include <LowPower.h>#include <Wire.h>#include <avr/power.h>#include "HTU21D.h"#define VccHTU 8  //питание и подтяжка HTU21D (pin 14 AtMega328P, D8)HTU21D myHTU21D;float Tout; // температураint Hout;  // влажностьunsigned int sleepCounter, sleepCounter0; // счетчик, задающий время снаint pct;  //счетчик числа пакетов перед уходом в сонString messageOut; // LoRa-сообщениеfloat BatOut; // напряжение батареекconst int batteryPin = A0; // pin 23 (Atmega328P), к которому подключена батарея для измерения напряженияconst float typVbg = 1.132; //калибровачная константа, 1.0 - 1.2int counter = 0;// измерение опорного напряженияfloat readVcc() {  byte i;  float result = 0.0;  float tmp = 0.0;  for (i = 0; i < 1; i++) {    // Read 1.1V reference against AVcc    // set the reference to Vcc and the measurement to the internal 1.1V reference#if defined(__AVR_ATmega32U4__) || defined(__AVR_ATmega1280__) || defined(__AVR_ATmega2560__)    ADMUX = _BV(REFS0) | _BV(MUX4) | _BV(MUX3) | _BV(MUX2) | _BV(MUX1);#elif defined (__AVR_ATtiny24__) || defined(__AVR_ATtiny44__) || defined(__AVR_ATtiny84__)    ADMUX = _BV(MUX5) | _BV(MUX0);#elif defined (__AVR_ATtiny25__) || defined(__AVR_ATtiny45__) || defined(__AVR_ATtiny85__)    ADMUX = _BV(MUX3) | _BV(MUX2);#else    // works on an Arduino 168 or 328    ADMUX = _BV(REFS0) | _BV(MUX3) | _BV(MUX2) | _BV(MUX1);#endif    _delay_ms(3); // Wait for Vref to settle    ADCSRA |= _BV(ADSC); // Start conversion    while (bit_is_set(ADCSRA, ADSC)); // measuring    uint8_t low  = ADCL; // must read ADCL first - it then locks ADCH    uint8_t high = ADCH; // unlocks both    tmp = (high << 8) | low;    tmp = (typVbg * 1023.0) / tmp;    result = result + tmp;    _delay_ms(5);  }  return result;}void Measurement () {  // измерение температуры и влажности  Hout = myHTU21D.readHumidity();  Hout = 62;  //delete!  float Tout_p = myHTU21D.readTemperature();  Tout = 0.1 * int(Tout_p * 10 + 0.5);  //округление до десятых  // измерение напряжения батареек  BatOut = 0.1 * int(readVcc() * 10 + 0.5);  if (BatOut < 2.2) {    BatOut = 0.0;  } else {    BatOut = 2.2;  }}void SendMessage () {  // отправка данных (температура, влажность, состояние батареек)  if (BatOut > 2.1) {    messageOut = String(Tout) + "#" + String(Hout) + "$" + String("BGood");  }  else {    messageOut = String(Tout) + "#" + String(Hout) + "$" + String("BLow");  }  LoRa.beginPacket();  LoRa.print(messageOut);  LoRa.endPacket();}void setup() {  Serial.begin(9600);  Serial.println("Power ON");  analogReference(DEFAULT);  pinMode(VccHTU, OUTPUT);  digitalWrite(VccHTU, 1);  _delay_ms(200);  myHTU21D.begin();  int counter = 0;  while (!LoRa.begin(433E6) && counter < 10) {    Serial.println("Не удалось найти LoRa-передатчик!");    counter++;    _delay_ms(500);  }  LoRa.setTxPower(4); //мощность передатчика, 2...20 дБ  LoRa.setSyncWord(0xF3);}void loop() {  digitalWrite(VccHTU, 1);  if (pct < 3)  { // измерения, отправка пакетов    Serial.println(messageOut);    Measurement ();    SendMessage ();  } else {// измерения, отправка пакета и длительный сон    Serial.println(messageOut);    Serial.println("sleep ...");    Measurement ();    SendMessage ();    for (sleepCounter = 6; sleepCounter > 0; sleepCounter--)    {      digitalWrite(VccHTU, 0);      digitalWrite(VccHTU, 1);      LoRa.sleep ();      LowPower.powerDown(SLEEP_8S, ADC_OFF, BOD_OFF);    }    pct = 0;  }  pct++;  if (pct >= 3) pct = 3; //защита от переполнения счетчика}int main() {  init();  setup();  for (;;) {    loop();  }}

Электрическая схема в.датчика:



Питание и подтяжка выводов модуля HTU21D осуществляется с пина 14 контроллера ATMEGA328P. Это сделано для того, чтобы программно обнулить питание HTU21D и перевести этот датчик в режим низкого энергопотребления во время сна.


Изначально в схеме в.датчика планировалось использовать барометр-термометр BMP280, но мне не удалось программно перевести BMP280 в режим низкого потребления во сне. Хотя по даташиту BMP280 для перехода в режим низкого потребление требуется, как и для HTU21D, кратковременное обнуление питания. Разрыв питания BMP280 во время сна снижает потребляемый ток в схеме ATMEGA328P + BMP280 с 130 мкА до 5 мкА, но, повторюсь, смоделировать этот разрыв питания программно у меня пока не получилось.


В в.датчике формируется и отправляется с интервалом около 0,3 сек три пакета с данными о температуре и влажности на улице и состоянии батареек. Если напряжение на батарейках выше установленного порога (2,2 В), то в коде пакета присутствует BGood, а ниже BLow. После отправки третьего пакета контроллер в.датчика вместе с периферией уходят в сон. Цикл отправки серий пакетов 53,5 сек.


Анализатор


Мозг анализатора контроллер ATMEGA328P. Он принимает сигналы с датчика HTU21D по протоколу I2С и по SPI взаимодействует с приемником LoRa и дисплеем NOKIA 5110.


скетч в.датчика
/*   Снова о автономной Arduino-метеостанции на батарейках, анализатор   http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/post/544936/*/#include <avr/io.h>#include <util/delay.h>#include <SPI.h>#include <LoRa.h>#include <LowPower.h>#include "HTU21D.h"#include <LCD5110_Graph.h>#define VccHTU 8  //питание и подтяжка HTU21D(pin 14 AtMega328P, D8)HTU21D myHTU21D;float Tin; // температура в помещенииint Hin;  // влажность в помещенииLCD5110 myNokia(3, 4, 5, 6, 7);extern uint8_t SmallFont[];extern uint8_t MediumNumbers[];float BatIn = 0; // напряжение батареиconst int batteryPin = A0; // pin 23(Atmega328P), к которому подключена батарея для измерения напряженияconst float typVbg = 1.132; //калибровачная константа, 1.0 - 1.2unsigned int sleepCounter;  //счетчик, задающий время снаint r; //счетчик циклов прослушивания эфираint mlc;  //счетчик циклов работы без в.датчикаString LoRaData, Tout_str, Hout_str, BatIn_str, BatOut_str;// измерение напряжения батареекfloat readVcc() {  byte i;  float result = 0.0;  float tmp = 0.0;  for (i = 0; i < 1; i++) {    // Read 1.1V reference against AVcc    // set the reference to Vcc and the measurement to the internal 1.1V reference#if defined(__AVR_ATmega32U4__) || defined(__AVR_ATmega1280__) || defined(__AVR_ATmega2560__)    ADMUX = _BV(REFS0) | _BV(MUX4) | _BV(MUX3) | _BV(MUX2) | _BV(MUX1);#elif defined (__AVR_ATtiny24__) || defined(__AVR_ATtiny44__) || defined(__AVR_ATtiny84__)    ADMUX = _BV(MUX5) | _BV(MUX0);#elif defined (__AVR_ATtiny25__) || defined(__AVR_ATtiny45__) || defined(__AVR_ATtiny85__)    ADMUX = _BV(MUX3) | _BV(MUX2);#else    // works on an Arduino 168 or 328    ADMUX = _BV(REFS0) | _BV(MUX3) | _BV(MUX2) | _BV(MUX1);#endif    _delay_ms(3); // Wait for Vref to settle    ADCSRA |= _BV(ADSC); // Start conversion    while (bit_is_set(ADCSRA, ADSC)); // measuring    uint8_t low  = ADCL; // must read ADCL first - it then locks ADCH    uint8_t high = ADCH; // unlocks both    tmp = (high << 8) | low;    tmp = (typVbg * 1023.0) / tmp;    result = result + tmp;    _delay_ms(5);  }  return result;}void Measurement() {  float Tin0;  // измерение напряжения батареи:  BatIn = readVcc();  // измерение температуры  и влажности в помещении  Hin = myHTU21D.readHumidity();  // Hin = 58; // delete!  float Tin_p = myHTU21D.readTemperature();  Tin = 0.1 * int(Tin_p * 10 + 0.5);  //округление до десятых  //  Tin = 21.4; // delete!}void draw() {  myNokia.enableSleep();  myNokia.clrScr();  //Tin  char chr_Tin [5];  String Tin_str = String(Tin);  myNokia.setFont(SmallFont);  myNokia.print("            C", LEFT, 0);  myNokia.print("In", LEFT, 8);  myNokia.setFont(MediumNumbers);  Tin_str.toCharArray(chr_Tin, 5); //количество знаков+1  myNokia.print(String(chr_Tin), CENTER, 0);  //Tout  char chr_Tout [5];  myNokia.setFont(SmallFont);  myNokia.print("            C", LEFT, 16);  myNokia.print("Out", LEFT, 24);  myNokia.setFont(MediumNumbers);  Tout_str.toCharArray(chr_Tout, 5);  myNokia.print(String(chr_Tout), CENTER, 16);  // Hin, Hout  char chr_Hout [5];  Hout_str.toCharArray(chr_Hout, 4);  myNokia.setFont(MediumNumbers);  myNokia.print(String(Hout_str), RIGHT, 32);  myNokia.setFont(SmallFont);  myNokia.print("    In Out", LEFT, 40);  myNokia.print("      %", LEFT, 32);  myNokia.setFont(MediumNumbers);  myNokia.print(String(Hin), LEFT, 32);  myNokia.setFont(SmallFont);  // Battery Level  if (BatIn < 2.2) {    myNokia.setFont(SmallFont);    myNokia.print("Bat", LEFT, 0);  }  if (BatOut_str == "BLow") {    myNokia.setFont(SmallFont);    myNokia.print("Bat", LEFT, 16);  }  myNokia.disableSleep();  _delay_ms(5);}void drawStart() {  myNokia.enableSleep();  myNokia.clrScr();  //Tin  char chr_Tin [5];  String Tin_str = String(Tin);  myNokia.setFont(SmallFont);  myNokia.print("            C", LEFT, 0);  myNokia.print("In", LEFT, 8);  myNokia.setFont(MediumNumbers);  Tin_str.toCharArray(chr_Tin, 5); //количество знаков+1  myNokia.print(String(chr_Tin), CENTER, 0);  // Battery Level  if (BatIn < 2.2)  {    myNokia.setFont(SmallFont);    myNokia.print("Bat!", RIGHT, 28);  }  //Hin  myNokia.setFont(SmallFont);  myNokia.print("         %", LEFT, 18);  myNokia.print("In", LEFT, 28);  myNokia.setFont(MediumNumbers);  myNokia.print(String(Hin), CENTER, 18);  //No signal!  myNokia.setFont(SmallFont);  myNokia.print("Out - - -", CENTER, 40);  myNokia.update();  myNokia.disableSleep();  _delay_ms(5);}void setup() {  Serial.begin(9600);  pinMode(VccHTU, OUTPUT);  digitalWrite(VccHTU, 1);  Serial.println("Power ON!");  analogReference(DEFAULT);  // инициализация дисплея  myNokia.InitLCD();  myNokia.setFont(SmallFont);  myNokia.clrScr();  myNokia.print(">>>>>", CENTER, 20);  myNokia.update();  _delay_ms(1000);  myNokia.setFont(SmallFont);  myNokia.clrScr();  myNokia.print("))-->", CENTER, 20);  myNokia.update();  if (!LoRa.begin(433E6)) {    Serial.println("Ошибка загрузки LoRa-приемника!");    while (1);    myNokia.setFont(SmallFont);    myNokia.clrScr();    myNokia.print(" ->  ->", CENTER, 20);    myNokia.update();  }  // Диапазон для синхрослова  между "0-0xFF".  LoRa.setSyncWord(0xF3);  Serial.println("Прослушивание эфира. Ожидание пакета с в.датчика ...");  myHTU21D.begin();  Measurement();  drawStart();  digitalWrite(VccHTU, 0);  _delay_ms(1000);  myNokia.clrScr();  myNokia.print("Waiting", CENTER, 10);  myNokia.print("Message from", CENTER, 22);  myNokia.print("OUTSIDE", CENTER, 34);  myNokia.update();}void loop() {  r++;  digitalWrite(VccHTU, 1);  if (r < 600)  // 8 MHz;  {    mlc = 0;    // Прослушивание эфира, прием, дешифрация, если сигнал с в.датчика принят,    // то измерения в помещении, вывод инфы на экран и - в спячку.    {      int packetSize = LoRa.parsePacket();      if (packetSize) {        while (LoRa.available()) {          LoRaData = LoRa.readString();        }        int pos1 = LoRaData.indexOf('#');        int pos2 = LoRaData.indexOf('$');        Tout_str = LoRaData.substring(0, pos1);        Hout_str = LoRaData.substring(pos1 + 1, pos2);        BatOut_str = LoRaData.substring(pos2 + 1, LoRaData.length());        if ((LoRaData).substring(pos1, pos1 + 1) == "#") {          Serial.println("Принято, декодировано! r = " +  String(r));          r = 0;          Measurement();          draw();          digitalWrite(VccHTU, 0);          // sleepCounter = 49; 16 MHz          // sleepCounter = 48; 8 MHz          for (sleepCounter = 48; sleepCounter > 0; sleepCounter--)          {            digitalWrite(VccHTU, 1);            LoRa.sleep ();            LowPower.powerDown(SLEEP_1S, ADC_OFF, BOD_OFF);          }        }      }    }  } else {    r = 600;    if (mlc < 250) //4 часа, время работы без датчика    {      Serial.println("Работа без в.датчика.");      LoRa.sleep ();      Measurement();      drawStart();      digitalWrite(VccHTU, 0);      for (sleepCounter = 6; sleepCounter > 0; sleepCounter--)      {        digitalWrite(VccHTU, 1);        LowPower.powerDown(SLEEP_8S, ADC_OFF, BOD_OFF);      }      mlc++;    } else {      r = 0;      mlc = 0;    }  }  _delay_ms(110); }int main() {  init();  setup();  for (;;) {    loop();  }}

Работа анализатора начинается в setup'e с инициализации модулей, измерения параметров воздуха, анализа напряжения на батарейках и вывода этой инфы на дисплей. Далее уже в loop'e прослушивается эфир приемником LoRa. После приема и дешифрации сигнала с в.датчика повторно проводятся измерения, анализа напряжения на батарейках и вывод измеренной и принятой инфы на дисплей. Выполнив эту работу все элементы схемы уходят поспать примерно на полсекунды меньше, чем период отправки пакетов с в.датчика. В следующем цикле контроллер просыпается и включает приемник приблизительно за 0,5 сек до ожидаемого прихода сигнала с в.датчика. Таким образом, контроллер и периферия анализатора работают около полсекунды с периодом (циклом) меньше минуты (53,5 сек). Если радиосигнал с в.датчика не поступает на приемник анализатора на протяжении приблизительно одной минуты (время, достаточное для приема одного из 6-ти пакетов), то анализатор переходит в режим работы без в.датчика на 4 часа, измеряя параметры воздуха и оценивая состояние батареек только в помещении с индикацией на дисплее этих данных. Период обновления данных в режиме работы без в. датчика 56,7 сек. В конце четырехчасового цикла работы анализатора без в.датчика он прослушивает эфир: а вдруг в.датчик снова в эфире?




Для перевода модуля HTU21D в режим низкого энергопотребления во время сна его питание также, как и в в.датчике, организовано с контроллера ATMEGA328P (пин 14).


В целом, на дисплее анализатора видна такая картинка:



Дисплей из-за низкого разрешения и малого размера экрана плотно забит символами. Эта картинка смотрелась бы намного лучше на современном дисплее с электронными чернилами. В будущем в своих проектах буду использовать e-paper дисплей.


Ресурс батареек и другое


Для расчета срока работы батареек понадобится время и потребляемый ток во время выполнения работы (операционное время) и сна. Операционное время и рабочий ток измерялись с использованием тестовых скетчей, идея которых взята отсюда.


Рабочий ток измерялся с использованием тех же тестовых скетчей. Для исключения разрывов цепи питания или значительного увеличения величины выходного сопротивления батареек можно использовать шунт 3,9...5,6 Ом и параллельно подключенный к нему цифровой мультиметр с механическим переключением в режиме вольтметра на диапазоне 2000 мкВ. Это критично при измерении потребления тока сна анализатора, поскольку разрыв питания или значительное ограничение тока приводят к цикличесому ресету анализатора. Да и выносной датчик может переходить в постоянный рестарт. По мере возможности необходимо проверять ток потребления разными способами на разных диапазонах шкал прибора и с батарейками, которые планируется использовать, притом, обязательно без вывода результатов на монитор порта Ардуино. Невыполнение этих правил сказались на результатах измерений тока в предыдущем моем посте на тему метеостанции в одних случаях они занижены, в других завышены.


Результаты измерений сведены в таблицу:


в.датчик анализатор
Операционное время функции измерений параметров воздуха, состояния батареек 0,25 сек 0,39 сек
Операционный ток функции измерений параметров воздуха, состояния батареек 3,4 мА 3,5 мА
Операционное время функции передачи/приема сигнала 42 мсек 83 мсек
Операционный ток функции передачи/приема сигнала 30,0 мА

(4 дБ)


11,5 мА
Ток сна 10 мкА 190 мкА

Что бросается в глаза, глядя на эту таблицу. Операционный ток передачи сигнала 30,0 мА при мощности передатчика LoRa 4 дБ. Для сравнения, ток передачи для модуля nRF24L01 13,5 мА. Вывод очевиден: надо переходить на nRF24L01, но не все так просто.


В режиме приемника в nRF24L01 используется так называемыйLNA (малошумящий усилитель). Разработчик библиотеки предполагает, что нет никакого программного обеспечения, которое могло бы повлиять на режим LNA.В режиме приема модуль постоянно демодулирует сигнал для поиска входящего пакета. Именно по этой причине Berkseo не поставил внешний датчик. У меня задача, вроде, попроще организовать режим сна с библиотекой LowPower.h. Сомневаюсь, что задача имеет решение. Буду благодарен за ваши мнения на этот счет.


Средний ток потребления по данным таблицы в. датчика 0,13 мА. Емкости батареек типа АА GP Litium для выносного датчика должно хватить на 2,5 года.


Средний ток потребления анализатора 0,27 мА. Ресурс батареек АА GP Litium в анализаторе 1,2 года. Для беспроводного комнатного термостата Computherm Q7RF, например, срок действия батареек: около 1 года.


Еще на тему энергопотребления долго копался в этой теме и хочется выговориться.


Составил код на С в Atmel Studio и эмулировал его в Proteus'е для для барометра-термометра.



На картинке ниже показаны результаты сравнения кода для одного и того же устройства на языке С и в среде разработки Arduino IDE.



Объем флеш-памяти, занимаемой в коде в Ардуино 12968 байт, на С 5954 байта и оценочно на Ассемблере не больше 200 байт.


Из этих чисел сделал несколько выводов, в которых убедился на собственном опыте:
Код на Ассемблере уменьшает размер памяти на порядки. Соответственно пиковое потребление падает в сотни раз. С десятков миллиампер при прошивках контроллеров устройств на Ардуино или С, С++ до десятых миллиампера на Ассембере.
Поиск компромисса. Так благодаря использованию компилируемых в Arduino IDE библиотек и функций на С/С++ в некоторых скетчах этого поста удалось уйти от предупреждения: Недостаточно памяти, программа может работать нестабильно. Притом, чем проще код, тем выше соотношение: размер памяти в Arduino IDE к памяти на С/С++. Для простейшего кода мигания светодиодом в несколько строк это соотношение составит 6 раз, а проигрыш в производительности 28 раз.


Не буду скромничать, полученный результат энергопотребление прототипа на уровне промышленных образцов, меня радует, а совершенству нет предела


И, наконец, искренне благодарю AlexanderS, который донес до меня идею виртуальной шкалы времени или синхронизации, а также других участников обсуждения статьи Автономная метеостанция на контроллере ATMEGA328P и питанием от батареек с беспроводным выносным датчиком (ittakir, Javian, smart_alex, Polaris99, gerasimenkoao, igrushkin, enjoyneering) за предложения, конструктивную критику и замечания.


Спасибо, кто дочитал. Всем отличного иммунитета во времена коронавируса и не только.


Ссылки по теме


Узел беспроводного датчика с низким энергопотреблением


Беспроводная мини погодная станция с e-paper экраном на батарейках


Превращаем Arduino в полноценный AVRISP программатор


LoRa и сон


Узнайте о битах конфигурации ATmega328P и о том, как использовать их с внешним кварцевым резонатором


Калькулятор фьюзов AVR


Почему многие не любят Arduino

Подробнее..

Категории

Последние комментарии

  • Имя: Макс
    24.08.2022 | 11:28
    Я разраб в IT компании, работаю на арбитражную команду. Мы работаем с приламы и сайтами, при работе замечаются постоянные баны и лаги. Пацаны посоветовали сервис по анализу исходного кода,https://app Подробнее..
  • Имя: 9055410337
    20.08.2022 | 17:41
    поможем пишите в телеграм Подробнее..
  • Имя: sabbat
    17.08.2022 | 20:42
    Охренеть.. это просто шикарная статья, феноменально круто. Большое спасибо за разбор! Надеюсь как-нибудь с тобой связаться для обсуждений чего-либо) Подробнее..
  • Имя: Мария
    09.08.2022 | 14:44
    Добрый день. Если обладаете такой информацией, то подскажите, пожалуйста, где можно найти много-много материала по Yggdrasil и его уязвимостях для написания диплома? Благодарю. Подробнее..
© 2006-2024, personeltest.ru