Multisensor kabelloser Mikro DIY Sensor

DIY, wie die Wikipedia sagt, ist schon lange eine Subkultur. In diesem Artikel möchte ich über mein DIY-Projekt eines kleinen kabellosen Multisensor-Datenmessgeräts berichten, und dies wird mein kleiner Beitrag zu dieser Subkultur sein.

Die Geschichte dieses Projekts begann mit dem Gehäuse, das klingt etwas dumm, aber so begann das Projekt tatsächlich. Das Gehäuse wurde auf der Website AliExpress gekauft. Es ist zu beachten, dass die Qualität des Kunststoffgusses dieses Gehäuses ausgezeichnet ist. Nach einem kurzen Schriftwechsel mit dem Verkäufer wurde die Zeichnung per E-Mail gesendet, und dieses Projekt begann.

Die Zeichnung selbst war sehr schlecht maßstabgerecht und die Hälfte der Maße für die Grenzen, Ausschnitte und Techniköffnungen der zukünftigen Leiterplatte musste mit einem Messschieber gemacht werden. Nachdem ich alle Innenmaße des Gehäuses erhalten hatte, wurde klar, dass der Radiochip direkt auf der Leiterplatte „verlegt“ werden musste, da der Abstand von der Oberkante der Leiterplatte zur Innenfläche des Gehäuses 1,8 mm betrug, während die minimale Höhe eines durchschnittlichen Radiomoduls normalerweise 2 mm (ohne Bildschirm) beträgt.

Für den Sensor wurde das SoC nRF52 im QFN48-Gehäuse ausgewählt. In diesem Gehäuse 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 mich entschieden, den Sensor multisensorisch zu gestalten, damit er für verschiedene Aufgaben verwendet werden kann. Aus diesem Grund musste die Anordnung des Chips so kompakt wie möglich gemacht werden, wobei zu berücksichtigen war, dass die minimalen Abmessungen der Komponenten nicht kleiner als 0603 sein sollten, damit das Gerät manuell gelötet werden kann. Nachdem der Chip auf der Platine angeordnet war, begann ich mit der Auswahl der Sensoren. Hauptsächlich orientierte ich mich bei der Auswahl an den Abmessungen des Sensors und der Möglichkeit, den Sensor unter Heimbedingungen mit einem minimalen Gerätesatz (Lötkolben und Heißluftgebläse) zu löten.

Für den Sensor wurden die folgenden Sensoren ausgewählt: SHT20, SHT21, Si7020, Si7021, HTU21D (Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor), alle diese Sensoren haben das gleiche Gehäuse und dieselben Pin-Anschlüsse. Der HDC2080 (Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor) hat ebenfalls ein ähnliches Gehäuse wie die zuvor genannten, bietet jedoch einen zusätzlichen Interrupt-Ausgang und ist energieeffizienter. BME280 (Temperatur-, Luftfeuchtigkeits- und Drucksensor), LMT01 (Temperatursensor), TMP117 (hochpräziser Temperatursensor) mit hoher Energieeffizienz, Interrupt-Ausgang und die Möglichkeit, obere und untere Temperaturlimits festzulegen. LIS2DW12 (Beschleunigungssensor) mit hoher Energieeffizienz, einer der besten in seinem Segment oder LIS2DH12.

In der ersten Version des Sensors war auch ein Reed-Schalter enthalten, wurde jedoch in den späteren Revisionen entfernt, da der Reed-Sensor mit einem Durchmesser von 1,6 cm in einem Glaskolben nicht genügend Platz hatte. Ich habe ein paar solcher Sensoren zerbrochen, als ich die fertige Platine ins Gehäuse einbaute. Auch aufgrund der quadratischen Form des Gehäuses und seiner geringen Höhe war das Gerät nicht besonders geeignet, um als Magnetkontakt für das Öffnen und Schließen zu fungieren.

Neben den Sensoren sind am Sensor 2 LEDs angebracht, eine davon ist eine RGB-LED, die sich auf der Unterseite des Sensors befindet. Zwei SMD-Buttons, einer ist für Reset, der andere ist ein 'Benutzer'-Button zur Umsetzung bestimmter Betriebs-Szenarien des Sensors. Das Gehäuse des Sensors besteht aus drei Teilen: einem Hauptgehäuse, einer inneren Einlage mit einer Öffnung zur Halterung der Batterie, die mit vier Schrauben am Hauptgehäuse befestigt ist, und einem unteren Deckel, der in die Öffnungen der inneren Einlage eingeklickt wird. Außerdem sind 4 analoge Pins, 2 digitale Pins sowie zwei weitere Pins, die entweder als NFC-Antenne oder als digitale Pins dienen können, sowie der SWD-Port herausgeführt.

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

Das Gerät hat zwei Revisionen überstanden. Zuvor war an der Stelle des TMP117-Sensors der Beleuchtungssensor MAX44009 installiert, der später durch den Temperatursensor ersetzt wurde. Beide Sensoren haben das gleiche Gehäuse, jedoch unterschiedliche Pin-Anschlüsse. Es könnte bedauert werden, dass der Wechsel stattgefunden hat; vielleicht ist es besser, ihn zurückzubringen.

Aktuell 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 Stoßsensor, der auf dem Beschleunigungssensor LIS2DW12 (nRF52810) basiert, und der Sensor zur Temperaturüberwachung verwendet den Sensor LMT01 (nRF52810).

Der drahtlose Sensor läuft mit einer Batterie cr2032, der Verbrauch im Schlafmodus beträgt 1,8 µA für nRF52810, nRF52811 und 3,7 µA für nRF52832. Der Verbrauch im Datenübertragungsmodus beträgt 8 mA.

Die Beschreibung des verwendeten Protokolls und die Entwicklung von Software für diesen Sensor unter verschiedenen Nutzungsszenarien denke ich, gehen über den Rahmen dieses Artikels hinaus.

Eine Testarbeit des Sensors mit dem Smart Home-System kann in dem kleinen Video unten angesehen werden.

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

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, alles Gute!

Quelle: habr.com