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+++ title = "IoT: Hardware" +++
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Entwurf
Knoten (= Sensoren oder Aktoren)
Brainstroming
- ESP8266-01 (billigster Typ), ggf. Whitty Cloud Modul (schick)
- Batterieversorgung Alkaline / Eneloop (ggf. ergänzt durch PV)
- Jumper für Dauerstrom (Platz für Low Drop Regler vorsehen?)
- Stromsparen durch
- Deepsleep (~ 200 µA)
- oder separater Attiny zum Aufwecken (Interrupt on Port change) (~ 0,2 µA)
- oder Taster in der Vcc Leitung, der von MOSFET durch ESP überbrückt wird (vermutlich << 0,1 µA)
- ESP Module möglichst ohne Modifikation verwenden (Ausser LED für Betriebsspannungsanzeige auslöten)
- Einfache Gehäusemontage (Tropfenlöcher zum Einhängen o.Ä.)
- Vorhandene Gehäuse? Diese zweiteiligen Schraubdosen von DMB?
- Einfacher Batterietausch
Schaltung
Funktion
In einem ersten Muster haben wir den ESP in Ruhe im Sleep Mode betrieben, und über seine Reset Leitung geweckt (In Messungen Details zur Akkulaufzeit). An einer Tür ist dazu ein Schleifkontakt nötig, der sowohl bei geschlossener als auch bei offener Tür nicht aktiviert ist, und nur z.B. während der Öffnungsbewegung ein mal aktiviert wird, und den ESP damit weckt.
Nachteil: Der ESP weiss nicht, ober die Tür nach dem schließen des Kontaktes offen oder geschlossen ist. Gut geeignet ist diese Methode jedoch zb. als Einbruchsalarm. Leider kann man den ESP nicht über Port Change Interrupts wecken. Deswegen haben wir den Attiny vorgesehen, der sowohl bei steigender als auch bei fallender Flanke geweckt wird, und dem ESP die aktuelle Schalterstellung melden kann. Als weiteren Vorteil bekommen wir so einen deutlich geringeren Ruhestromverbrauch, da der ESP komplett abgeschaltet werden kann - nur der Attiny bleibt im Deep Sleep an der Batterie.
Betriebszustände
Ruhezustand:
- Der Attiny befindet sich im Sleep-Mode
- ESP ist abgeschaltet
Aufwachen:
- Attiny wird durch Interrupt on Port Change aufgeweckt
- und schaltet über den Mosfet den ESP ein
Daten übertragen:
- Der ESP stellt mit einer festen IP-Adresse (Schneller als DNS) eine Verbindung zum Access Point her
- und überträgt die aktuelle Schalterstellung des Sensors, die er über SWITCH_STATE vom Attiny gemeldet bekommt, zum Server
- Am Ende der Übertragung prüft der Attiny, ob die Schalterstellung noch mit jener zu Beginn des Aufwachzyklus identisch ist
- Wenn ja: Schlafen. Wenn nein (d.h., die Tür wurde nur ganz kurz geöffnet und sofort wieder geschlossen) wird 5 sec gewartet und die dann herrschende Schalterstellung erneut übertragen. So wird inkonsistente Information über Türzustand vermieden
Abschalten / schlafen gehen
- Nach erfolgreicher Übertragung bittet der ESP den Attiny über die Leitung SHUTDOWN, ihn abzuschalten
- Attiny schaltet den Mosfet und damit den ESP ab
- und legt sich selber wieder schlafen
Bestückungs- und Funktionsvarianten
- ESP in Ruhe abgeschaltet:
- Jumper 1 Pwr_Ctrl: 2-3 gesteckt
- Jumper 2: offen
- Jumper 5: RST via Attiny offen
- ESP in Ruhe im Sleep Mode
- Jumper 1 Pwr_Ctrl: 1-2 gesteckt
- Jumper 2: gesteckt
- Jumper 5: RST via Attiny gesteckt
ESP in Ruhe abgeschaltet: Geringer Ruhestromverbrauch (ca. 0,2 µA), jedoch längere Zeit beim Verbindungsaufbau. Geeignet bei selten betätigten Knoten.
ESP in Ruhe im Sleep Mode: Höherer Ruhestromverbrauch (ca. 200 µA), deutlich kürzere Zeit beim Verbindungsaufbau. Geeignet bei häufig betätigten Knoten.
Stromverbrauch
Der Verwendete Attiy 45V-10SU (Final 25V-10SU) ist spezifiziert mit Power-down Mode: 0,1 μA at 1.8V, Operating Voltage -- 1.8 - 5.5V und Speed Grade 0 -- 4 MHz @ 1.8 - 5.5V, 0 - 10 MHz @ 2.7 - 5.5V.
Stromversorgungsvarianten
Die Schaltung ist für Betrieb mit drei AA Eneloop Zellen konzipiert. Eneloops haben eine sehr geringe Selbstentladung und versprechen nach einem Versuch über knapp 200 Tage einen Betrieb in Jahresfrist ohne Akkuwechsel. Dazu wird die Spannung der Eneloops am Pin BATT_HIGH eingespeist. Eine Schottkydiode in Serie verhindert, dass bei frisch geladenen Zellen Vcc max des ESP überschritten wird.
Alternativ kann die Schaltung mit zwei AA Alkaline-Zellen betrieben werden. Da diese im neuen Zustand nur wenig mehr als 1,5 V je Zelle liefern, ist die Diode unnötig, und die Batteriespannung wird an BATT_LOW eingespeist
Bestückungsplan Hardwareversion 0.41
Material
||<tablewidth="100%">Anzahl ||Bezeichnung ||Preis ||Bestell-Link || ||1 ||ESP8266-01 ||1,41 ||ESP-01 || ||1 ||AO 3413, MOSFET P-CH, 20V, 3A, SOT-23 (Schaltet ESP ein) ||0,21 ||AO 3413 || ||1 ||ATTINY 25V-10 SU :: Atmel AVR-RISC-Controller, SOIC-8 ||1,30 ||ATTINY 25V-10SU || ||1 ||B 140 F, SMD-Schottky-Diode, DO214AC/SMA, 40V, 1A ||0,08 ||B 140 F || ||4 ||12 kOhm, SMD Widerstand 0805, 100 mW, 1% ||0,01 ||RND 0805 1 12K || ||1 ||SMD-Kerko, 1210, 100µF, 6,3V, 20%, MLCC ||0,25 ||X5R 1210 DB 100U || ||3 ||Vielschicht-Kerko, 100nF, 50V (Alternativ in 0603) ||0,02 ||KEM X7R0805 100N || ||0,5 ||2x10pol. Buchsenleiste, gerade, RM 2,54 (Halbiert für ESP Anschluß) ||0,56 ||BL 2X10G 2,54 || ||3 ||Batteriehalter, 1x Mignon "AA" ||0,24 ||HALTER 1XAAK || ||0,1 ||Jumper 40pol. Stiftleiste, gewinkelt, RM 2,54 (Jumper für Aktivierung des Wifi Manager im Betrieb) ||0,22 ||SL 1X40W 2,54 || ||1 ||Kurzschlussbrücke, rot, mit Grifflasche (Jumper für Aktivierung des Wifi Manager im Betrieb) ||0,04 ||JUMPER 2,54GL RT || ||1 ||Stiftleiste 2,54 mm, 2X03, gerade (Für ISP Anschluß) ||0,14 ||MPE 087-2-006 || ||1 ||Stiftleiste 2,54 mm, 1X06, gerade (für Batterie und Schalter Anschluß, die drei Pins für Schalter werden nachträgl. um 90° gebogen) ||0,14 ||MPE 087-1-006 || ||1 ||MPE 094-1-003 :: Buchsenleisten 2,54 mm, 1X03, gerade (Schalter Anschluß, kommt am die Leitung zum Schalter) ||0,13 ||MPE 094-1-003 || || ||1 ||Platine (0,20 Basismaterial, 0,10 Chemie geschätzt) ||0,30 || || || || ||Summe ca. ||5,00 || || ||
Änderungen für kommende Hardware Revision 0.5
- Elko 330 µF ersetzt durch Kerko 100 µF
- Zusätzlicher Kerko 100 nF am Reset Pin Attiny (Fix für Startprobleme)
- Kerko 100 nF an Vcc Attiny ersetzt durch Kerko 10 µF (Fix für Startprobleme)