Метеостанция на Arduino со сверхнизким энергопотреблением

Одним из недостатков плат Arduino является то, что они содержат различные компоненты, которые могут и не понадобиться для конкретного приложения. Такая периферия потребляет большое количество энергии, и это влияет на суммарное энергопотребление создаваемого устройства и на расход заряда батареи.

Вследствие этого платы Arduino не подходят для проектов, в которых необходима длительная работа от батареи, таких как станция слежения за погодой, так как из‑за высокого энергопотребления придётся всё время менять батареи.

Одним из способов решения этой проблемы является непосредственное использование микроконтроллера ATmega328P, который входит в состав платы Arduino Uno. При этом сохраняется «простота использования», присущая платформе Arduino.

• Посредством платы Arduino Uno.
• Посредством преобразователя из USB в последовательный интерфейс (ТТЛ).

Первый — самый простой, поскольку нам будет необходимо только вставить микроконтроллер в плату Arduino Uno, загрузить код и затем установить микроконтроллер в своё устройство.

Второй способ понадобится, если у вас нет платы Arduino. Преобразователь из USB в последовательный интерфейс (пример на рисунке ниже) подключается напрямую к микроконтроллеру для загрузки программы посредством среды Arduino IDE.

Метеостанция содержит датчики BH1750, BMP180, DHT22 и ЖК‑дисплей от телефона Nokia 5110. Датчик BH1750 служит для измерения интенсивность света, BMP180 — атмосферного давления, DHT22 — температуры и влажности. Все измеряемые параметры будут отображаться на дисплее Nokia 5110.

Для проекта понадобятся следующие компоненты:

1. ATmega328 16 МГц
2. Дисплей от Nokia 5110
3. BMP 180
4. BH 1750
5. DHT 22
6. Большая макетная плата
7. FTDI Программатор
8. Проволочные перемычки
9. Мультиметр
10. Провода
11. Arduino Uno
12. Батарейный отсек 4 х АА

Соедините элементы, как показано на нижеследующей схеме, созданной с помощью программы Fritzing (полный обзор программы по ссылке).

Прежде всего подключается кварцевый генератор к выводам x1 и x2 микроконтроллера, затем подключаются остальные компоненты. Схемы соединения выводов различных компонентов и микросхемы ATmega328P показаны ниже.

BH 1750 и BMP 180 — датчики с интерфейсом I²C, поэтому они оба подключаются к одной линии.

После соединения на макетной плате всех компонентов устройство должно выглядеть, как на рисунке ниже.

При проектировании устройств определённый уровень энергопотребления достигают за счёт как аппаратного обеспечения (выбирая компоненты с низким потреблением), так и программного (отключая внутренние периферийные модули микроконтроллера, когда они не нужны). Кроме того, регулируют напряжение питания и частоту, чтобы они соответствовали стандартным требованиям.

Для снижения энергопотребления за счёт ПО мы будем использовать библиотеку платформы Arduino, подключаемую заголовочным файлом low-power.h. Эта библиотека позволяет отключать внутреннюю периферию микроконтроллера, используя время или прерывания.

Также будут использоваться библиотеки для упрощения работы с датчиками BMP180, BH1750 и DHT22 и дисплеем от Nokia 5110.

Приступим к краткому описанию кода. Сначала включаем необходимые библиотеки, упомянутые выше.

Далее мы определяем вывод микросхемы ATmega328P, эквивалентный выводу платы Arduino, к которому подключён датчик DHT. А также уточняем, что будет использоваться именно датчик DHT22; этот идентификатор мы будем передавать в качестве аргумента экземпляру библиотеки датчиков DHT, который создадим позже.

Далее создаём объект класса ЖК‑дисплея (LCD) и передаём ему в качестве аргументов номера выводов микросхемы ATmega328P, эквивалентные выводам платы Arduino, к которым подключён дисплей. Затем создаём объект класса датчика BMP180. После этого создаём пару шрифтов для отображения данных на дисплее.

Следом идёт функция setup(void), в которой мы инициализируем ЖК‑дисплей, датчик интенсивности света и датчик давления.

Функция loop() довольно простая. Сначала мы считываем показание интенсивности света, и если интенсивность превышает 30 люмен (это означает дневное время), то мы собираем показания остальных датчиков и отображаем их на ЖК‑дисплее (LCD). Функция sleepForTwoMinutes() («Заснуть на две минуты») создана с помощью библиотеки низкого энергопотребления. Функция отключает всю аппаратную периферию после получения показаний датчиков, чтобы сохранить заряд батарей.

Полный код для этого проекта доступен для скачивания по ссылке.

Установите микроконтроллер ATmega328P в плату Arduino и загрузите код. После загрузки кода достаньте микроконтроллер из платы и установите его как положено на макетную плату.

Мы не можем ждать целый год, чтобы подтвердить время работы от одного заряда в течение более чем года, но зато можем измерить энергопотребление системы и на основе этих данных примерно оценить время работы.

В режиме сна с отключённым дисплеем ток потребляемый системой был равен 0,19 мА.

В режиме сна с включённым дисплеем ток потребляемый системой был равен 0,41 мА.

При полном включении всей системы и считывании микроконтроллером показаний датчиков потребляемый ток был равен 8,22 мА.

С помощью таблицы Excel, доступной вместе с кодом и электрической схемой в секции закачек, мы можем увидеть, что система продержится целый год на одном заряде батарей, благодаря экономии энергии во время режима сна микроконтроллера.

На этом всё на сегодня. Спасибо, что нашли время прочитать это руководство. Ждём ваших вопросов касательно этого проекта в секции комментариев. И мы постараемся ответить на них.