Multitouch kabellosen Mikro DIY Sensor

DIY, wie Wikipedia sagt, ist seit langem eine Subkultur. In diesem Artikel möchte ich über mein DIY-Projekt eines kleinen kabellosen Multisensors berichten, und das wird mein kleiner Beitrag zu dieser Subkultur sein.

Die Geschichte dieses Projekts begann mit dem Gehäuse, das klingt vielleicht albern, aber genau so hat dieses Projekt angefangen. Das Gehäuse wurde auf AliExpress gekauft, und man muss sagen, dass die Qualität des Kunststoffgusses bei diesem Gehäuse hervorragend ist. Nach kurzer Korrespondenz mit dem Verkäufer wurde eine Zeichnung per E-Mail geschickt, und dieses Projekt begann.

Die Zeichnung selbst war sehr schlecht dimensioniert, und für die Maße der Grenzen, Ausschnitte und technologischen Löcher der zukünftigen Leiterplatte musste ich die Hälfte der Maße mit einem Messschieber durchführen. Nachdem ich alle inneren Maße des Gehäuses erhalten hatte, wurde klar, dass der Radiochip direkt auf der Leiterplatte platziert werden musste, da die Höhe von der Oberseite der Leiterplatte zur inneren Oberfläche des Gehäuses 1,8 mm betrug, während die minimale Höhe eines durchschnittlichen Radio-Moduls normalerweise 2 mm beträgt (ohne Antenne).

Für den Sensor wurde der SoC nRF52 im QFN48-Gehäuse gewählt. In dieser Gehäuseausführung gibt es in der nRF52-Serie von Nordic drei Varianten: nRF52810, nRF52811 (neu), nRF52832. Die Chip-Spezifikationen: 64 MHz Cortex-M4, 2,4 GHz Transceiver, 512/256 KB Flash, 64/32 KB RAM bei nRF52832 und 192 KB Flash, 24 KB RAM bei nRF52810, nRF52811. Die Chips sind multiprotokollfähig und unterstützen Bluetooth Low Energy, Bluetooth Mesh, ESB, ANT, während der nRF52811 zusätzlich Zigbee und Thread sowie Bluetooth Direction Finding unterstützt.

Ich habe entschieden, den Sensor als Multisensor zu gestalten, damit er für verschiedene Anwendungen genutzt werden kann. Aus diesem Grund musste das Layout des Chips so kompakt wie möglich gestaltet werden, wobei zu beachten ist, dass die minimalen Abmessungen der Komponenten nicht kleiner als 0603 sein dürfen, um das Gerät manuell löten zu können. Nachdem der Chip auf der Platine angeordnet war, begann ich mit der Auswahl der Sensoren. Dabei orientierte ich mich vor allem an der Größe des Gehäuses des Sensors und der Möglichkeit, den Sensor mit einem minimalen Satz von Werkzeugen (Lötkolben und Heißluftföhn) zu löten.

Für den Sensor wurden folgende Sensoren ausgewählt: SHT20, SHT21, Si7020, Si7021, HTU21D (Temperatur- und Feuchtigkeitssensor). Alle diese Sensoren haben das gleiche Gehäuse und identische Pin-Anschlüsse. Der HDC2080 (Temperatur- und Feuchtigkeitssensor) hat ebenfalls ein ähnliches Gehäuse wie die zuvor genannten, verfügt jedoch über einen zusätzlichen Interrupt-Ausgang und ist energieeffizienter. Der BME280 (Temperatur-, Feuchtigkeits- und Drucksensor), der LMT01 (Temperatursensor) sowie der TMP117 (hochpräziser Temperatursensor) zeichnen sich durch hohe Energieeffizienz aus und bieten Interrupt-Ausgänge sowie die Möglichkeit zur Einstellung von oberen und unteren Temperaturlimits. Der LIS2DW12 (Accelerometer) ist ebenfalls sehr energieeffizient und gehört zu den besten in seinem Segment, oder der LIS2DH12.

In der ersten Version des Sensors war ein Reed-Schalter im Lieferumfang enthalten, aber in den nachfolgenden Revisionen wurde dieser ausgeschlossen, da der Platz für den Reed-Schalter mit einer Größe von 1,6 cm und dem Glasgehäuse nicht ausreichte. Bei der Installation der fertig montierten Platine im Gehäuse habe ich zwei solcher Sensoren zerbrochen. Aufgrund der quadratischen Form des Gehäuses und seiner geringen Höhe war das Gerät auch nicht besonders geeignet als Magnetöffnungssensor.

Neben den Sensoren sind auf dem Sensor zwei LEDs angebracht, eine davon ist eine RGB-LED, die an der Unterseite des Sensors platziert ist. Zwei SMD-Tasten, eine ist mit Reset verbunden, die andere ist eine "Benutzertaste", um bestimmte Arbeitsabläufe des Sensors zu realisieren. Das Gehäuse des Sensors besteht aus drei Teilen: dem Hauptgehäuse, einer inneren Einlage mit einer Öffnung zur Befestigung der Batterie, die mit vier Schrauben am Hauptgehäuse befestigt ist, und einer unteren Abdeckung, die in die Öffnungen der inneren Einlage einrastet. Zudem sind vier analoge Pins, zwei digitale Pins und zwei weitere Pins ausgeführt, die entweder eine NFC-Antenne oder digitale Pins sein können, sowie ein SWD-Port.

Die RGB-LED und die Tasten sind auf der PCB-Platine so angeordnet, dass sie bei abgenommenem unteren Deckel über Öffnungen in der inneren Einlage zugänglich sind, die für das Einrasten der Rückabdeckung vorgesehen sind.

Das Gerät hat zwei Überarbeitungen überstanden. Zuvor war anstelle des TMP117-Sensors ein Helligkeitssensor MAX44009 installiert, der später durch einen Temperatursensor ersetzt wurde. Beide Sensoren haben dasselbe Gehäuse, aber unterschiedliche Pin-Anschlüsse. Es könnte ein Fehler gewesen sein, den Sensor auszutauschen; vielleicht sollte man ihn zurückbringen.

Jetzt habe ich zu Hause 4 solcher Geräte in Betrieb. Zwei davon sind Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren mit Si7021-Sensoren (einer auf nRF52832, der andere auf nRF52811), einer ist ein Schlag-Sensor, der auf dem Beschleunigungssensor LIS2DW12 basiert (nRF52810), und der letzte ist ein Temperatursensor mit dem Sensor LMT01 (nRF52810).

Der drahtlose Sensor läuft mit einer CR2032-Batterie, der Stromverbrauch im Schlafmodus beträgt 1,8 μA für nRF52810 und nRF52811 und 3,7 μA für nRF52832. Der Verbrauch im Datenübertragungsmodus liegt bei 8 mA.

Die Beschreibung des verwendeten Protokolls und der Softwareentwicklung für diesen Sensor unter verschiedenen Anwendungsszenarien liegt denke ich außerhalb des Rahmens dieses Artikels.

Einen Test zur Funktionsweise des Sensors mit einem Smart-Home-System können Sie im kurzen Video unten sehen.

Das Projekt dieses Sensors ist offen, alle Materialien zum Projekt können Sie auf meiner GitHub.

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, alles Gute!

Quelle: habr.com