Mapeamento do fluxo de temperatura doméstico com sensores baratos

História

O que eu quero fazer

• Selecione os componentes mais baratos, escaláveis ​​e facilmente configuráveis ​​disponíveis
• Programe e implante o máximo possível de sensores de temperatura e conecte-se a um gateway da web
• Use esses dados para automatizações mais eficientes por meio de dispositivo termostato inteligente, controlador de janela, detecção de presença, iluminação inteligente, controlador de fogão a pellets etc ...
• Crie um registro mestre de energia usando dados de temperatura registrados integrados à API do medidor inteligente, histórico do clima, etc ...

Plano de fundo

Mesmo para aqueles de nós acostumados a viver no clima frio, a última década foi marcada por uma combinação de frio extremo e preços de aquecimento incomumente altos. Não é surpreendente, então, que combustíveis alternativos, como pellets de madeira e dispositivos de economia de energia, como o termostato Nest, estejam em alta demanda.

Na verdade, meu próprio interesse na IOT e no OSHW como um todo foi inspirado em parte pelo desejo de maximizar a eficiência de um pequeno queimador de pellets que instalei em meu porão alguns anos atrás. Embora meu interesse na IOT tenha se ramificado em novas direções, pego-me voltando ao projeto original sempre que o tempo começa a ficar mais frio.

Em suma, uma enorme energia é desperdiçada tanto no resfriamento quanto no aquecimento de residências individuais e, quando os residentes tentam melhorar a ventilação ou o isolamento, o processo depende mais da intuição do que de dados científicos.

Não é para isso que serve um termostato?

Quer sejam os velhos modelos “burros” padrão ou os modelos de “aprendizagem” programáveis ​​como o NEST, um termostato só pode fornecer uma leitura geral de temperatura com base em sua vizinhança imediata. Para mapear com precisão quanto calor viaja do porão para um quarto do terceiro andar, por exemplo, você precisará de vários sensores em toda a casa. Em uma nota pessoal, o preço médio do termostato inteligente de US $ 250 pode ser mais justificado do que outros aparelhos de "casa conectada" como o Phillips Hue, mas ainda é mais do que minha renda permite ... Em algum momento, espero conseguir um, no entanto, portanto, o fluxo de trabalho foi projetado para funcionar com ou sem um termostato programável.

Quando a quantidade tem uma qualidade própria.

Os dados brutos são como a produção de armas na segunda guerra mundial ... Nesse sentido, a qualidade é diretamente relativa à quantidade. Neste caso específico, determinei que preciso de pelo menos 5 sensores individuais implantados em toda a casa, para que os dados sejam relevantes.

Nos anos anteriores, o custo ou a acessibilidade dos componentes de rede sem fio disponíveis representavam o principal obstáculo. Eu tentei usar módulos XBee e clientes WiFi individuais no passado, mas depois de adicionar o microcontrolador (Arduino Pro Mini =$ 7), sensor de temperatura ($ 4) e módulo sem fio (XBee =$ 17) o custo total por sensor nunca foi permitido para implantações na escala necessária. Combinado com o custo do gateway e do servidor, uma configuração mínima poderia facilmente custar mais de US $ 250 antes de contabilizar o tempo e as despesas com a configuração do servidor e dos serviços da web. Vários módulos de RF como o nrf24l01 estavam disponíveis a um custo muito baixo, mas a configuração sempre se mostrou muito complicada usando o software e as bibliotecas de código disponíveis na época.

A oportunidade.

Vários desenvolvimentos recentes tornaram essa rede muito mais viável do que nunca.

• A Lei de Moore continua a se aplicar a componentes WiFi mais baratos, como o ESP8266 em particular.
• Projetos de comunidade de código aberto como http://www.mysensors.org/ tornaram os dispositivos de baixo custo como o NRF24l01 muito mais fáceis de trabalhar.
• Servidores IOT, como NodeRED, home-assistant.io, EasyIOT e muitos outros, podem ser implantados em um Raspberry Pi (que agora estão disponíveis por apenas US $ 5!), fornecendo conexão fácil de rede, automação e conexão para outros serviços baseados na web.
• O mercado de automação residencial finalmente se tornou popular, que apesar dos preços extremamente inflacionados de produtos como o Phillips Hue ou o (preço um pouco mais justificado de um) termostato NEST reconheceram a importância de fornecer uma API robusta para programadores e hackers.

Requisitos iniciais de hardware.

Uma lição que aprendi com tentativas anteriores é evitar a dependência de um único tipo de hardware. A rede deve ser flexível o suficiente para adicionar novos componentes e remover os antigos à medida que novas oportunidades se tornam disponíveis. Isso se aplica aos vários módulos de código aberto que representam a maior parte da rede, bem como a dispositivos comerciais como o WINK Hub,

No momento, minha rede consiste nos seguintes componentes-

• 4 módulos RF nrf24l01 e 1 portal MySensors
• 2 módulos WiFi ESP8266
• 5x sensores de temperatura ds18b20
• 2 sensores de temperatura TMP36
• 1x Arduino Nano
• 1x Arduino Fio
• 3x Arduino Pro Mini

Sensores de temperatura

Dispositivos sensíveis à temperatura vêm em muitas formas diferentes e seus vários métodos de coleta, todos têm vantagens e desvantagens. , Sua precisão pode variar de simples termossistores analógicos (linha superior do meio), que calculam a temperatura com base na resistência elétrica, até sensores infravermelhos sem contato superprecisos, como o MLX90614 (linha superior direita). Outras opções populares incluem sensores DHT-11 (em azul abaixo) que medem umidade e temperatura.

A fim de alcançar o melhor equilíbrio entre custo, confiabilidade e precisão, temos usado dois tipos de sensores primários. O sensor de temperatura digital DS18b20 e o sensor analógico TMP36. Como qualquer sensor, ambos têm suas desvantagens. Ou seja, o sensor digital requer um código mais complexo antes de ser programado, enquanto o sensor analógico requer calibração. O melhor lugar para aprender sobre esses sensores é, como de costume, através do Adafruit-. Um tutorial para o TMP36 pode ser encontrado aqui- https://learn.adafruit.com/tmp36-temperature-sensor enquanto eles têm muitas informações sobre o DS18b20 aqui- https://learn.adafruit.com/adafruits-raspberry- pi-lição-11-ds18b20-sensor de temperatura

Módulos sem fio

Conforme mencionado anteriormente, a principal barreira para esse projeto nos anos anteriores havia sido as comunicações sem fio. Dois desenvolvimentos em particular reduziram essa barreira significativamente.

• A comunidade online de código aberto em mysensors.org tornou muito mais fácil configurar uma rede usando módulos rf super baratos
• Módulos wi-fi baratos, conhecidos como ESP8266, reduziram significativamente o custo de comunicação direta com dispositivos de hardware usando wi-fi

Para tornar a rede o mais flexível possível, projetei minha rede para incorporar as duas abordagens.

Rede RF NR24l01

Módulos super baratos usando frequências de rádio sempre estiveram disponíveis, mas eram notoriamente difíceis de configurar e estavam longe de ser confiáveis. Módulos de RF fabricados pela Nordic Semiconductor e chamados NRF24L01 são ligeiramente mais fáceis de configurar porque cada módulo é capaz de transmitir e receber um sinal de RF.

Isso permite uma topologia de rede em “árvore” um pouco mais complexa, conforme ilustrado no esboço abaixo em mysensors.org.

Fonte:Mapeamento do fluxo de temperatura doméstico com sensores baratos