Метеостанция на Arduino со сверхнизким энергопотреблением

27.03.2020Вольтик.руArduino своими руками, Модули, датчики и сенсоры, Программирование в Arduino IDE, Проекты на Arduino, Умный дом на Arduino1

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.

Применяя эту микросхему, мы исключаем трату энергии на различные компоненты, входящие в состав платы Arduino, и увеличиваем время работы от одного заряда батареи.

Микроконтроллер ATmega328P можно запрограммировать двумя основными способами, при условии, что начальный загрузчик (bootloader) платформы Arduino уже загружен в микросхему.

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.

Для обоих вышеназванных методов важно, чтобы начальный загрузчик платформы Arduino уже был в памяти микроконтроллера. Начальный загрузчик — это код, который упрощает загрузку программ в микросхему ATmega328P посредством среды Arduino IDE.

Чтобы продемонстрировать, как можно использовать микроконтроллер ATmega328P для достижения низкого энергопотребления, мы усовершенствуем один из наших проектов, в котором метеостанция на платформе Arduino должна была продержаться на батарейках типоразмера AA один месяц. Теперь же с помощью ATmega328P мы увеличим время автономной работы до года.

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 нам понадобятся следующие компоненты:

Для проекта понадобятся следующие компоненты:

Схема погодной станции на Arduino

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.

LCD Nokia 5110	Atmega328p
Pin 1(RST)	D13
Pin 2(CE)	D12
Pin 3(DC)	D11
Pin 4(DIN)	D10
Pin 5(CLK)	D9
Pin 6(VCC)	VCC
Pin 7(LIGHT)	GND
Pin 8(GND)	GND

DHT22	Atmega328p
VCC	5 В
GND	GND
Signal	D4

DH1750	Atmega328p
SDA	A4
SCL	A5
GND	GND
VCC	5 В

BMP180	Atmega328p
VCC	5 В
GND	GND
SDA	A4
SCL	A5

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.

Код программы для работы погодной станция со сверхнизким энергопотреблением

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.

//Written by Nick Koumaris 
//info@educ8s.tv 
//educ8s.tv
#include "BH1750.h"
#include "DHT.h"
#include "SFE_BMP180.h"
#include "Wire.h"
#include "LCD5110_Graph.h"
#include "LowPower.h"

//Written by Nick Koumaris

//info@educ8s.tv

//educ8s.tv

#include "BH1750.h"

#include "DHT.h"

#include "SFE_BMP180.h"

#include "Wire.h"

#include "LCD5110_Graph.h"

#include "LowPower.h"

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.

#define DHTPIN 4  

#define DHTTYPE DHT22

#define DHTPIN 4

#define DHTTYPE DHT22

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.

LCD5110 lcd(9,10,11,13,12);

SFE_BMP180 pressure;
extern unsigned char SmallFont[];
extern unsigned char TinyFont[]

LCD5110 lcd(9,10,11,13,12);

SFE_BMP180 pressure;

extern unsigned char SmallFont[];

extern unsigned char TinyFont[]

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

void setup(void) {
  initLCD();
  lightMeter.begin();
  pressure.begin();
}

void setup(void) {

initLCD();

lightMeter.begin();

pressure.begin();

}

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.

void loop() {

 float humidity, pressure; 
 readLight();
 if(lightIntensity>30)
 {
 lcd.disableSleep();
 dht.begin();
 delay(400);
 humidity = dht.readHumidity();
 temperature = dht.readTemperature();
 pressure = readPressure();

 lcd.clrScr(); 
 char tempF[6]; 
 char humF[6];
 char pressF[7];

 dtostrf(temperature, 5, 1, tempF);
 dtostrf(humidity, 5, 1, humF);
 dtostrf(pressure, 5, 1, pressF);

  //Print UI
  lcd.setFont(TinyFont);
  lcd.print("TEMP",LEFT+17,0);
  lcd.print("HUM",LEFT+62,0);
  lcd.print("PRESSURE",CENTER,30);

  lcd.setFont(SmallFont);
  //Printing Temperature
  lcd.print(tempF,LEFT,10);
  lcd.print("~C",LEFT+30,10);

  //Printing Humidity
  lcd.print(humF,LEFT+45,10);
  lcd.print("%",RIGHT,10);

  //Printing Pressure
  lcd.print(pressF,12,40);
  lcd.print(" hPa",48,40);

  lcd.update();

  sleepForTwoMinutes();
 }else
 {
    lcd.enableSleep();
    sleepForTwoMinutes();
 }
}

void loop() {

float humidity, pressure;

readLight();

if(lightIntensity>30)

{

lcd.disableSleep();

dht.begin();

delay(400);

humidity = dht.readHumidity();

temperature = dht.readTemperature();

pressure = readPressure();

lcd.clrScr();

char tempF[6];

char humF[6];

char pressF[7];

dtostrf(temperature, 5, 1, tempF);

dtostrf(humidity, 5, 1, humF);

dtostrf(pressure, 5, 1, pressF);

//Print UI

lcd.setFont(TinyFont);

lcd.print("TEMP",LEFT+17,0);

lcd.print("HUM",LEFT+62,0);

lcd.print("PRESSURE",CENTER,30);

lcd.setFont(SmallFont);

//Printing Temperature

lcd.print(tempF,LEFT,10);

lcd.print("~C",LEFT+30,10);

//Printing Humidity

lcd.print(humF,LEFT+45,10);

lcd.print("%",RIGHT,10);

//Printing Pressure

lcd.print(pressF,12,40);

lcd.print(" hPa",48,40);

lcd.update();

sleepForTwoMinutes();

}else

{

lcd.enableSleep();

sleepForTwoMinutes();

}

Полный код для этого проекта доступен для скачивания по ссылке.

Демонстрация работы погодной станции

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.

Вольтик.ру

Вольтик - это слаженная команда амбициозных и заядлых инженеров. Мы создали этот проект с целью вовлечения вас, талантливых и начинающих профессионалов, в увлекательный мир мейкерской микроэлектроники!

1 комментарий. Оставить новый

neon

28.11.2021 00:55

Добрый день.

Полезная информация.
Спасибо.
Тоже заинтересовался этой темой.
Но с применением связки “ESP-12F WeMos D1 WiFi”, “Arduino UNO” и внешнего приложения.
Рабочее название: «Метеостанция с охранной сигнализацией».
Результат, в целом, удовлетворительный (в рамках поставленных целей).
Если интересно, то можно посмотреть здесь:

https://roamer55.ru/my_projs/arduino_prj/my_ts/005_step/ex_grp_03/ex_03_001.pdf;

https://roamer55.ru/main_programming/arduino/arduino_technosphere_000/arduino_technosphere_000_005/

Ответить