People have been interested in climate change and weather conditions for centuries, as they produce different changes in our daily lives. For this… [302722]

Summary

1.[anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat], pressure, etc.

Being in an era of speed and continuous development of the technology in which we try to do everything faster and simplify our lives. [anonimizat].

[anonimizat] (WSNs), which refer to a group of scattered and dedicated sensors for monitoring and recording Physical conditions of the environment. [anonimizat], medicine, etc. A [anonimizat], [anonimizat]. These nodes are independent from a [anonimizat] a unit when a [anonimizat].

There is a need for a communication route and WiFi is one of the world's favorite ways to access the Internet. And it's not a surprise, because a wireless connection is set in the shortest time and allows for high transmission speeds and because virtually any device comes with a WiFi module or can be supplemented with a wireless USB client. [anonimizat], [anonimizat] a [anonimizat]. WiFi is a wireless connection to a device, it is not the internet itself. It also provides access to a [anonimizat], [anonimizat] a video stream from cameras connected via WiFi without having to be physically connected to them.

[anonimizat], [anonimizat], pressure, [anonimizat]. and motors data.

2. Theoretical Fundamentals

2.1 The sensors

Sensors are devices that react and respond to a signal or stimulus in the environment. [anonimizat]. To be able to acquire information about a [anonimizat] a numeric value.

2.1.1 Temperature sensors

Temperature measurement is one of the most common measurement processes. [anonimizat] "feel" [anonimizat]. As we know there are temperature sensors that operate on different principles. [anonimizat], [anonimizat] a potential difference on the basis of a difference in thermal potential.

Another type of temperature sensors are the thermistor type that represents a type of resistance whose resistance varies significantly with temperature. Thermistors are widely used as power limiters, temperature sensors, overcurrent protection. The material used in a thermistor is generally ceramic or polymer. Thermistors typically achieve greater accuracy in a limited temperature range typically from-90 °c to 130 °c. The high sensitivity of a thermistor (usually-44.000 ppm/°c at 25 °c) allows it to detect minimal temperature variations that cannot be seen with other types of sensors.

2.1.2 Humidity Sensors

Just like the temperature, humidity is also an important parameter for the environment. Humidity indicates the amount of water vapor contained in an air volume. There are three ways of expressing moisture: the absolute humidity that represents the mass of water vapour contained in 1m3 air [g/M3], the relative humidity meaning the ratio of water vapour pressure relative to the Maximum pressure x100 at a certain temperature [% RH] and the specific humidity.

Moisture sensors are also based on various operating principles such as, modification of electrical resistance with moisture of some ceramic resistors or organic macromolecules, modification of the impedance with the humidity of an electrolyte with polymer or Modification of electrical capacity with the humidity of some capacitors.

2.1.3 Atmospheric Pressure sensor

By definition the pressure is a scalar physical size, defined by the ratio between the applied force and the area on which it is applied. The pressure is expressed by several units of measure such as Pascal [Pa], millimeters column of Mercury [mmHg], millimeters of water [mmH2O], physical atmosphere [ATM], technical atmosphere [at], etc.

Atmospheric pressure is caused by the gravitational attraction of the planet on atmospheric gases on the surface and is a function of the mass of the planet, the radius of the surface and the amount of gas and its vertical distribution in the atmosphere. It changes with the rotation movement of the earth and the local effects, such as wind speed, variations in density due to temperature and variations in composition.

2.1.4 Wind direction sensor

Reed switches are a popular choice in low-power applications and batteries for four key reasons. The reed mechanical switch delivers "zero" power consumption, high sensitivity and low cost. This switch is composed of two ferromagnetic blades that are hermetically sealed in a capsule or glass tube. When a magnet enters the switch area, meaning a magnetic field is applied, the contacts are approaching, performing the switching function.

Reed switches have found their place in a wide range of products. Applications include consumer electronics, metering, security, medical equipment, robotics and automation equipment. Although Reed Switches are common among these types of applications, many designers also acknowledge that these reed switches have some disadvantages. Such as quality problems caused by breaking, both in the manufacturing process and in shock and vibration applications, limited life as a mechanical breaker, dimension issues and reliability issues due to the triggering effect.

2.3 Sensor network topology

The topology of a computer network refers to its structure, the placement of the components on the network, including the location of interconnection equipment and communication media. The distances between nodes, physical connections, transmission rates or communication technologies may differ between two networks, although their topologies may be identical. There are several types of network topologies, such as bus, star, mesh and ring topology.

2.4 WeMos D1 mini

WeMos D1 Mini, is a development board produced by WEMOS Electronics, which is based on a microcontroller ESP8266EX. With the help of this microcontroller the board can connect to an Internet network over Wi-Fi, can transmit information to a database or make requests to different servers to obtain the information needed by the user. In addition to some situations it can even transform it into an access point so providing the possibility that other modules ESP8266 connect to it via Wi-Fi signal thus becoming a master who can communicate with several Slavs.

Of all the development plates to incorporate a ESP8266, WeMos D1 Mini is among the most popular, thanks largely to its attractive price of about $6, but also due to the fact that the antenna is integrated and does not require the presence of an external antenna, which usually is quite voluminous, this development board has relatively small size (25 X 35 mm) compared to other development boards with Wi-Fi such as Arduino Uno REV2 (69 X 53 mm).

2.5 Raspberry Pi

In this project development Board Raspberry Pi 3B + will be used as a data broker to receive data from nodes and transmit them where desired. This module is the equivalent of a personal mini-computer and has the dimensions of 86mm x54 mm and holds all the necessary components to be used as a regular personal computer. Raspberry Pi 3B + is the latest product in the RaspberryPi 3 series, offering an updated quad core 64-bit processor running at 1.4 GHz, Wireless LAN on 2.4 GHz and 5 GHz, Bluetooth Low Energy v 4.2, faster Ethernet (300 Mbps), 4 USB Ports 2.0 , 40 pins of the type GPIO, HDMI port in normal size, port display MIPI DSI, Port MIPI CSI room. The power required for this development board is 5V/2.5 A DC via microUSB or GPIO.

2.6 Wi-Fi

Wi-Fi is a popular wireless network technology, the term "Wi-Fi" means "wireless fidelity" and is the name of a radio family technology that is most often used for local wireless networks (WLAN-Wireless Local Area Network) that are based On IEEE 802.11 standards. Devices that can use Wi-Fi technologies are computers, laptops, smartphones and tablets, smart TVs, printers, digital audio players, digital cameras, cars, and even drones. Compatible devices can connect with each other via Wi-Fi via a wireless access point (AP), as well as via connected Ethernet devices that you can use to access the Internet. Such an access point (or hotspot) has a coverage of about 20 meters inside and much larger outdoors.

3.Implementation

Following the theoretical justification, were made 3 nodes with different functionalities that transmit the data via WiFi with the help of WeMos D1 Mini Development Board, towards the central node represented by the Development Board Raspberry Pi 3B +, which acts as a broker data, the information collected is graphically represented in Grafana. The 3 nodes are autonomous being powered by a 9V battery. The first node handles temperature and humidity measurement, the second measures atmospheric pressure, and the last indicates the direction of the wind. In Figure…is presented the block diagram of a node.

3.1 Microcontroller+Transmitter

The microcontroller used is the one on the WeMos D1 Mini Development Board that also has an antenna microstrip antenna that allows it to communicate with other wireless devices on distances of up to 50 m outside buildings. The microcontroller used contains an internal ADC (Analog-to-Digital Converter) with which it can read analog signals smaller than 3.2 V. The ADC used has a 10-bit resolution, the smallest value that can be read by 3.12 mV. The board has a total of 16 pins, 11 pins of the type GPIO, an analog input (AO), 10 of the pins can be used for external interruptions, PWN signals, communication through the I2C or One-Wire protocol. The operating voltage is 3.3V or 5V, has a Flash memory of 4 MBytes and allows communication with other devices through the SPI protocol.

For each node is required a 5V power supply and with the help of a LM7805, a fixed voltage regulator we obtain the desired power from a 9V battery. LM7805 has internal current limitation and internal thermal protection, is delivered in a TO220 capsule, has the range of input voltage from 7V to 35V, the maximum current being 1A.

3.2 Temperature and Humidity Node

For this node was chosen the DHT22 digital sensor due to the resolution and high accuracy. The temperature measuring range is from-40 to + 120 °c with accuracy of + 0.5 °, and the humidity measuring range from 0 to 100% with accuracy of 2-5%. It consists of two parts, the first part shows the capacitive humidity sensor, and the second one thermistor (NTC) for temperature measurement. This sensor operates at a power supply from 3.3 V to 5.5 V.

The communication between the microcontroller and the sensor is type 1-Wire, so the data pin used for this communication is maintained in the "high" state using a pull-up resistance of 4.7 K. This "high" state continues to produce "idle" status when no communication occurs. The microcontroller acts as a master device and therefore is responsible for initiating communication. The DHT22 sensor will always remain as a slave device and will respond to data when the microcontroller sends the "START" signal.

3.3 Atmospheric Pressure Node

The atmospheric pressure node is based on the module GY-BMP280, which contains a BMP280 sensor from Bosch, which can measure both atmospheric pressure and temperature. This sensor has high accuracy and low cost, making it an ideal solution for pressure measurements with an accuracy of up to ± 1hPa and a temperature of up to ± 1°C. The module operates at the supply voltage of 3,3V. It can communicate both I2C and SPI but in this project it is used in I2C configuration

3.4 Wind direction node

Reed switches were chosen for the wind direction node. The Reed switches can be considered the simplest magnetic sensors, being electromagnetic switches used to control the flow of electricity from a circuit. They provide a direct output signal usable in control systems. The field of the switching current is between 0.1 and 0.2A at a voltage ranging from 100 to 200V.

For practical implementation it took 8 reed switches, Meder KSK-1A87-1015, positioned at an angle of 45 °. The 8 sensors form the rose of the winds, indicating 8 directions: North, North-East, East, South-East, South, South-West, West and North-West.

The magnet that activates the reed switches is attached to a movable component that can achieve a continuous rotation movement horizontally. The mobile component is made of wood and is found schematized in Figure 1. In the first block is the magnet caught by the mobile element from block 2, which is placed perpendicular to the bearing from block 3 that makes the movement possible, the bearing is placed on a supporting table also made of wood. To indicate wind direction, must be used some aerodynamic elements, as a result the flat elements from the block 4.1 and 4.2 help rotate the system, they are made of tin.

3.5 Chosen topology

For these nodes, following the analysis of several sensor topologies presented in the theoretical fundamentals chapter, was chosen the star-type topology, because it involves a central node that collects the data from each node, and because nodes are independent of each other if one of the nodes fails the others are not affected. An important feature of this topology is also scalability, meaning adding multiple nodes easily to existing ones. In this project the role of the central node has the data broker, meaning the Raspberry Pi Development Board, and the three nodes are connected to this broker via WiFi.

3.6 Monitoring Data

The Grafana platform was chosen to monitor the data. Grafana displays temporary serial data. It can get a graphical presentation of the situation of a company or organization from a lot of data collected. The sensors retrieve the information from the environment, the microcontroller processes the data and transmits it using the MQTT protocol to the data broker (Raspberry Pi), then using the Telegraph that connects to the broker retrieves the data and transmit to the InfluxDB database from where they will be viewed in Grafana with the help of queries. So, in Figure 2. is presented the block diagram of data monitoring

4.Experimental results

4.1 PCB Layout

This part presents the way for the PCB to be produced until the data is monitored in Grafana. PCB Layout of circuits it was realized in Eagle v8.6.0, shown in Figure 4, 5 and 6. The boards after population are presented in Figure 6, 7 and 8A,B.

4.2 Broker configuration

For the collection of data from nodes, a few settings were required on the development board, Raspberry Pi 3B+, for the data to be transmitted to Grafana. As previously presented this board is a minicomputer, therefore it is necessary to install an operating system. The Raspbian operating system, made available by the RaspberryPi Foundation, was installed. Then it will be used the command line to transform the Raspberry Pi into the access point for nodes. This step is followed by the installation of the MQTT protocol, the InfluxDB database, the Telegraph and the activation of the Grafana server.

In Figure , the data from nodes is graphics in Grafana.

Print din grafana

5. Conclusions

The purpose of this work is to deploy a digital weather station consisting of a wireless sensor network. Each node on the network consists of acquiring information from the environment, the data processing part using a microcontroller and their transmission through an antenna, the operation being possible with power individual batteries.

The implementation consisted of acquiring data using sensor modules, aiming at cost efficiency and optimization of circuits. Processing and transmission of data was carried out with the WeMos D1 Mini development board presenting both a microcontroller, ESP8266 and a printed antenna through which is made a communication via WiFi. The power required for each node has a 5V value that is obtained with a voltage regulator and a 9V battery, making it possible for a longer operating time. Data from each node is transmitted to a central node, consisting of a Raspberry Pi3B + that deals with storing and representing them in a web server.

The continuation of this project consists in the implementation of several nodes in the sensor network for measuring several parameters, it aims to transmit the data wirelessly via multiple methods such as the LoRa protocol or Bluetooth. The addition of solar panels is a plus for cost efficiency using their renewable energy.

In conclusion, was made a wireless sensor network consisting of 3 data acquisition nodes for digital weather stations and monitoring them in the Grafana Web server.

Planificarea activității

Stadiul actual

Oamenii au fost interesați de variațiile climatice și condițiile meteorologice de secole, deoarece acestea produc diferite schimbări în viața noastră de zi cu zi. Din acest motiv se dorește monitorizarea mai multor parametrii din mediu, cum ar fi, temperatura, umiditatea, presiunea, etc.

Aflându-ne într-o eră a vitezei și de dezvoltare continuă a tehnologiei în care încercăm să facem totul mai repede și să ne simplificăm viața. Un mod prin care am reușit ca viața noastră să devină mai ușoară îl reprezintă senzorii, cu ajutorul cărora se pot măsura diferite mărimi fizice. Senzorii fiind dispozitive care reacționează și răspund unui semnal sau stimul din mediul înconjurător.

Datorită avansării în ceea ce presupune comunicația fără fir este posibilă dezvoltarea unor rețele de senzori wireless (WSNs—Wireless Sensor Networks), care se referă la un grup de senzori răspândiți și dedicați pentru monitorizarea și înregistrarea condițiilor fizice ale mediului. S-au dezvoltat astfel de rețele pentru majoritatea domeniilor, de la domeniul militar până la agricultură, medicină, etc. O rețea de senzori este alcătuită din mai multe noduri, fixe sau mobile, de obicei slabe în resurse hardware, cu alimentare limitată pe baterie și bineînțeles cu capacitate de comunicare fără fir. Aceste noduri sunt independente, din punct de vedere hardware, dar funcționează ca un tot unitar atunci când este realizată o cale fiabilă de comunicație cu celelalte noduri, abia acum arătând adevăratul lor rol.

În funcție de mediul înconjurător aceste rețele de senzori wireless sunt de mai multe tipuri:

Rețele de senzori wireless terestre

Rețele de senzori wireless subterane

Rețele de senzori wireless subacvatice

Rețele de senzori wireless multimedia

Rețele de senzori wireless mobile

Rețelele terestre sunt capabile să comunice eficient cu stațiile de bază și pot fi compuse din sute până la mii de noduri de senzori fără fir implementate fie în mod nestructurat (ad-hoc), fie structurat (pre-planificat). Într-un mod nestructurat, nodurile senzorilor sunt distribuite aleatoriu în zona țintă aleasă după un plan. Modul pre-planificat sau structurat ia în considerare destinația de plasare optimă și amplasarea sistemului. În această rețea, puterea bateriei este limitată; cu toate acestea, bateria poate fi echipată cu celule solare ca sursă secundară de alimentare. Conservarea energiei acestor WSN-uri se realizează prin utilizarea unor operațiuni cu ciclu de funcționare redus, minimizarea întârzierilor și rutarea optimă, etc.

Rețelele subterane de senzori wireless sunt mai scumpe decât cele terestre în ceea ce privește implementarea, întreținerea, echipamentele și necesită o planificare atentă. Acest tip de rețea constă într-un număr de noduri de senzori care sunt ascunse în sol pentru a monitoriza condițiile subterane. Pentru a transmite informații de la noduri la stația de bază, nodurile suplimentare sunt situate deasupra solului. Nodurile de alimentare a acestor rețele sunt echipate cu o putere limitată a bateriei și sunt greu de reîncărcat. În plus, mediul subteran face comunicarea wireless să fie o provocare datorită nivelului ridicat de atenuare și pierderii semnalului.

Mai mult de 70% din pământ este ocupat cu apă. Rețelele subacvatice constau într-un număr de noduri de senzori și vehicule desfășurate sub apă. Vehiculele subacvatice autonome sunt utilizate pentru colectarea datelor de pe aceste noduri de senzori. Provocările comunicării subacvatice sunt întârzierea de propagare lungă, erorile de bandă și erorile senzorilor. Rețelele subacvatice sunt echipate cu o baterie limitată care nu poate fi reîncărcată sau înlocuită. Problema de conservare a energiei pentru WSN-urile subacvatice implică dezvoltarea de tehnici de comunicare subacvatică.

S-au propus rețelele de senzori wireless multimedia pentru a permite urmărirea și monitorizarea evenimentelor sub formă de multimedia, ca imagini, video și audio. Aceste rețele sunt alcătuite din noduri de senzori cu costuri reduse echipate cu microfoane și camere de luat vederi. Aceste noduri sunt interconectate unele cu altele printr-o conexiune fără fir pentru comprimarea datelor, recuperarea și corelarea datelor. De asemenea și acest tip de rețea de senzori vine cu provocarea consumului ridicat de energie, necesitatea lățimii de bandă ridicată pentru ca informațiile să fie livrate corect și ușor, plus tehnici de prelucrare și comprimare a datelor.

Iar ultimul tip de rețea de senzori wireless este rețeaua mobilă ce constă într-o colecție de noduri de senzori ce pot fi mutate pe cont propriu și pot interacționa cu mediul fizic. Nodurile având, evident, capacitatea de a evalua informațiile și de a le comunica. Rețelele de senzori wireless mobile sunt mult mai versatile decât rețelele de senzori statici. Avantajele față de rețelele statice sunt acelea că includ o acoperire mai largă, o eficiență energetică mai bună și o capacitate superioară a canalelor de transmisie.

Apare necesitatea unei căi de comunicare iar WiFi-ul este unul din modurile preferate ale lumii pentru accesarea Internetului. Și nu este o surpriză, deoarece o conexiune wireless este stabilită în cel mai scurt timp și permite viteze ridicate de transmisie și pentru că practic orice dispozitiv vine cu un modul WiFi sau poate fi suplimentat cu un client USB wireless. Deși WiFi-ul este utilizat în mod obișnuit pentru a accesa internetul pe dispozitive portabile, cum ar fi smartphone-uri, tablete sau laptop-uri, în realitate, WiFi-ul în sine este folosit pentru conectarea la un router sau alt punct de acces, care la rândul său oferă acces la internet. De asemenea, oferă acces la o rețea locală de dispozitive conectate, motiv pentru care, de exemplu, se pot imprima imagini wireless sau se poate viziona un flux video de la camere conectate prin WiFi fără a fi nevoie să existe conexiune fizică la acestea.

Mai nou în atenția noastră a apărut conceptul de Internet of Things(IOT) ce prevede realizarea unei planete inteligente prin conectarea împreună a mai multor dispozitive, servicii și sisteme automate, formând astfel o rețea. Conform conceptului IBM, o planeta mai inteligentă ar putea fi construită pe următorii 3 piloni. Primul pilon fiind reprezentat de echipamentele folosite care se referă la utilizarea senzorului de la distanță pentru captarea informațiilor acolo unde există. Al doilea pilon, interconectarea, însemnând că informația colectată dintr-un punct să poată fi transmisă în alt punct unde poate fi prelucrată. Iar cel de-al treilea pilon se referă la inteligența tehnologiilor, ceea ce ar presupune procesarea și analizarea informațiilor asupra cărora se acționează pentru a obține cunoștințe. O schematizare abstractă a conceptului Internet of Things se poate observa în Figura 1.

Odată cu apariția internetului de mare viteză, din ce în ce mai mulți oamenii din întreaga lume sunt interconectați. Internet of Things(IoT) este cu un pas înainte și conectează nu numai oamenii, ci și dispozitivele electronice care pot ”vorbi” între ele. Datorită costurilor scăzute ale dispozitivelor cu Wi-Fi acest concept avansează.

Acest concept vine cu noi provocări și obstacole, cum ar fi prelucrarea informațiilor colectate de senzori, iar acest proiect măsoară parametrii din mediul înconjurător, cum ar fi temperatura, umiditatea, presiunea, iradierea solară etc și motorizează datele.

Fundamentare teoretică

Scopul acestei lucrări este de a descrie o stație meteo inteligentă, deoarece odată cu progresele tehnologice din ultimii ani s-au dezvoltat noi metode și echipamente pentru a monitoriza vremea și a colecta informații meteo. Cu această nouă tehnologie este posibil să se facă prognoze mai precise pentru perioade mai lungi de timp. Astăzi, unul dintre cele mai frecvent utilizate tipuri de echipamente sunt stațiile meteorologice digitale care constau de obicei în mai mulți senzori de monitorizare a vremii și un computer care achiziționează date de la senzori. De exemplu, poate oferi detalii despre temperatura din jur, presiunea atmosferică, umiditate, etc.

2.1 Piranometrul

Piranometrul este un dispozitiv cu ajutorul căruia se măsoară iradierea solară pe o suprafață, Figura 2.1, și este proiectat pentru a măsura densitatea liniilor de forță [] de la un câmp vizual de 180⁰ într-o lungime de undă cuprinsă între 300nm și 3000nm.

Soarele emite continuu și în toate direcțiile o cantitate de energie sub formă de radiații. Radiația solară reprezintă totalitatea radiațiilor emise de soare în spațiu și care pătrund în atmosfera terestră, se propagă sub formă de unde electromagnetice cu o viteză de 300000 km/s.

Radiația solară este alcătuită din radiația solară directă, radiația solară difuză și radiația solară globală.

Radiația solară directă (DNI) reprezintă o parte din radiația solară care trece prin atmosfera Pământului și ajunge nemodificată la suprafața terestră, sub forma unui flux de raze paralele. În componența sa intră radiațiile spectrului cuprinse între lungimea de undă de 290nm și 500nm. Intensitatea radiației solare directe depinde de înălțimea soarelui deasupra orizontului, de transparența aerului, de nebulozitate, de altitudine si de latitudine. De exemplu, soarele are o înălțime diferită deasupra orizontului la mijlocul zilei, în ziua solstițiului de iarnă și de vară. Se măsoară cu un pirheliometru care are nevoie de un dispozitiv de urmărire solară.

Radiația solară difuză (DHI) face parte din radiația solară directă care întâlnește moleculele aerului, vaporii de apă, pulberile din atmosferă și este deviată de la direcția rectilinie de propagare fiind difuzată în toate direcțiile. Această radiație se măsoară cu un piranometru și cu ajutorul unui dispozitiv de umbrire.

Radiația solară globală (GHI) reprezintă suma radiației solare directe și a radiației solare difuze, care ajung simultan la suprafața terestră, aceasta fiind mărimea de ieșire de la piranometru.

2.2 Senzori

Senzorii sunt dispozitive care reacționează și răspund unui semnal sau stimul din mediul înconjurător. Noțiunea de senzor o întâlnim astăzi la tot pasul, fiind prezenți în toate dispozitivele apărute pe piață. Pentru a putea achiziționa informații despre o anumită mărime fizică trebuie utilizați senzori care au capacitatea de a oferi o mărime de ieșire ce poate fi citită de către un observator sau poate fi convertită într-o valoare numerică.

2.2.1 Senzori de temperatură

Măsurarea temperaturii constituie una dintre cele mai uzuale procese de măsurare. Senzorii de temperatură măsoară cantitatea de energie termică sau chiar răcirea generată de un obiect sau sistem, permițându-ne să "simțim" sau să detectăm orice schimbare fizică la acea temperatură, producând fie o ieșire analogică sau digitală. După cum știm există senzori de temperatură care funcționează pe principii diferite. De exemplu, variația rezistenței electrice a metalelor cu temperatura este principiul care stă la baza senzorilor termorezistivi(RTD), iar senzorii de tip termocuplu funcționează pe baza efectului Seebeck, care conduce la formarea unei diferențe de potențial electric pe baza unei diferențe de potențial termic.

Un alt tip de senzori de temperatură sunt cei de tip termistor ce reprezintă un tip de rezistență a cărui rezistență variază semnificativ cu temperatura, se pot vedea în Figura 2.2. . Termistorii sunt utilizați pe scară largă ca limitatori de curent, senzori de temperatură, protecție la supracurent. Materialul utilizat într-un termistor este în general ceramic sau polimer. Termistorii ating în mod obișnuit o precizie mai mare într-un interval de temperatură limitat de obicei de la -90°C până la 130°C. Sensibilitatea ridicată a unui termistor (de obicei – 44.000ppm /°C la 25°C) îi permite să detecteze variațiile minime ale temperaturii care nu pot fi observate cu alte tipuri de senzori.

Termistorii pot avea un coeficient de variație al rezistenței cu temperatura negativ (NTC) sau pozitiv (PTC). Ca și senzori de temperatură se folosesc mai mult termistorii NTC, figura…. , deoarece termistorii PTC, figura…., se folosesc mai mult în aplicații de protecție, coeficientul negativ păstrându-se într-un domeniu foarte îngust de temperatură.

Descrierea precisă a dependenței dintre temperatură și rezistența termistorului se realizează cu ecuația dată de Steinhart-Hart (1) :

,

unde T este temperatura [⁰K], A, B și C sunt coeficienții dependenți de modelul termistorului și de domeniul de temperatură de interes sau se mai numesc parametrii Steinhart-Hart, RT este rezistența termistorului la temperatura T care se poate afla din relația (2) :

.

2.2.2 Senzori de umiditate

La fel ca și temperatura, umiditatea este de asemenea un parametru important pentru mediu. Umiditatea indică cantitatea de vapori de apă conținută într-un volum de aer. Există trei modalități de exprimare a umidității: umiditatea absolută care reprezintă masa vaporilor de apă conținută de 1m3 de aer [g/m3], umiditatea relativă însemnând raportul dintre presiunea vaporilor de apă raportat la presiunea maximă x100, la o anumită temperatură [%RH] și umiditatea specifică.

Senzorii de umiditate se bazează și ei pe diferite principii de funcționare cum ar fi, modificarea rezistenței electrice cu umiditatea a unor rezistoare cu ceramică sau macromolecule organice, modificarea impedanței cu umiditatea a unui electrolit cu polimer sau modificarea capacității electrice cu umiditatea unor condensatoare.

Senzorii de umiditate rezistivi reprezintă un tip de senzori de umiditate care măsoară rezistența (impedanța) sau conductivitatea electrică. Acești senzori de bazează pe faptul că în conductorii nemetalici conductivitatea depinde de conținutul lor de apă. Senzorii de umiditate rezistivi sunt formați, de obicei, din materiale cu rezistivitate relativ scăzută și această rezistivitate se modifică semnificativ odată cu modificarea umidității. Relația dintre rezistență și umiditate fiind exponențială inversă.

Senzorii de umiditate capacitivi au doi electrozi cu substrat de menținere a umidității (de obicei o sare sau un polimer din plastic conductiv) între ei. Ionii sunt eliberați din substrat, deoarece vaporii de apă sunt absorbiți de acesta, ceea ce la rândul lor mărește conductivitatea dintre electrozi. Schimbarea rezistenței dintre cei doi electrozi este proporțională cu umiditatea relativă. Umiditatea relativă mai mare duce la scăderea rezistența dintre electrozi, în timp ce umiditatea relativă mai mică duce la creșterea rezistenței dintre electrozi.

2.2.3 Senzor de presiune atmosferică

În anul 1643, italianul Torricelli a constatat că aerul are greutate iar până astăzi s-au efectuat continuu cercetări cu privire la forța cu care acesta apasă asupra suprafeței terestre și implicit asupra tuturor ființelor și obiectelor ce se găsesc pe ea. Această presiune se numește presiune atmosferică sau presiune a aerului.

Prin definiție presiunea este o mărime fizică scalară, definită prin raportul dintre forța aplicată și suprafața pe care este aplicată. Presiunea este exprimată prin mai multe unități de măsură cum ar fi Pascalul [Pa], milimetri coloană de mercur [mmHg], milimetri coloană de apă [mmH2O], atmosferă fizică [atm], atmosferă tehnică [at], etc.

Presiunea atmosferică este cauzată de atracția gravitațională a planetei asupra gazelor atmosferice pe suprafață și este o funcție a masei planetei, a razei suprafeței și a cantității de gaz și a distribuției sale verticale în atmosferă. Se modifică odată cu mișcarea de rotație a Pământului și efectele locale, cum ar fi viteza vântului, variațiile de densitate datorate temperaturii și variațiilor în compoziție.

Printre senzorii de presiune cu dezvoltare accentuată sunt senzorii realizați în tehnologia MEMS(Micro-Electro-Mechanical-Systems). Fie că sunt senzori de tip capacitiv, de tip piezorezistiv sau piezoelectric, acești senzori au cunoscut o dezvoltare exponențială.

Senzorii de presiune capacitivi, Figura 2.3. Cele două armături ale condensatorului sunt plasate una pe membrana elastică și cealaltă în partea de jos, iar sub acțiunea unei presiuni P membrana se curbează modificând capacitatea electrică a senzorului.

Senzorii piezorezistivi sunt utilizați pe scară largă în aplicațiile biomedicale, în industria de automobile și în aparatele de uz casnic. Materialul de detectare dintr-un senzor de presiune piezorezistiv este o diafragmă formată pe un substrat de siliciu, care se îndoaie atunci când există presiune, așadar apare o deformare în latura cristalină a diafragmei datorită acestei încovoieri. Această deformare determină o schimbare în structura benzii piezorezistorilor plasați pe diafragmă, ducând la o schimbare a rezistivității materialului. Această schimbare poate reprezenta o creștere sau o scădere în funcție de orientarea rezistențelor.

2.2.4 Senzor de direcție a vântului

Un senzor care să indice direcția vântului poate fi realizat în mai multe moduri, cu senzori Hall, cu magnetometru digital, senzori mr sau cu ajutorul unor comutatoare reed prezentate în Figura 2.4.

Comutatoarele de tip Reed sunt o alegere populară în aplicații cu consum redus de energie și baterii pentru patru motive-cheie. Comutatorul mecanic Reed oferă consum de energie "zero", sensibilitate ridicată și cost redus. Acest comutator alcătuit din două lamele feromagnetice care sunt etanșate ermetic într-o capsulă sau tub de sticlă, Figura 2.5. Atunci când un magnet intră în aria comutatorului, adică se aplică un câmp magnetic, contactele se apropie, realizând funcția de comutare.

Comutatoarele Reed si-au găsit locul într-o gamă largă de produse. Aplicațiile includ electronică de consum, contorizare, securitate, echipamente medicale, robotică și echipamente de automatizare. Cu toate că switch-urile Reed sunt comune printre aceste tipuri de aplicații, mulți proiectanți recunosc, de asemenea, că aceste comutatoare reed au unele dezavantaje. Cum ar fi probleme de calitate cauzate de rupere, atât în procesul de fabricație, cât și în aplicațiile de șoc și vibrații, de viață limitată ca întrerupător mecanic, probleme de dimensiune și probleme de fiabilitate datorate efectului de declanșare.

Senzorii cu efect de Hall, Figura 2.6, au început să înlocuiască comutatoarele Reed în aplicațiile alimentate de baterii, cum ar fi telefoanele mobile, laptopurile, etc. Acest lucru a fost determinat de proiectanții care continuă să ceară o fiabilitate mai mare și performanțe mai ridicate. La fel ca și comutatorul Reed, senzorul cu efect Hall acționează atunci când un magnet se află în raza dispozitivului. Unul dintre cele mai mari avantaje ale senzorilor Hall este că sunt solizi și imuni la uzură, șocuri și vibrații. Declanșarea nu este o problemă, deoarece nu există părți în mișcare. Deși senzorii cu efect Hall sunt mai robuști și mai compacți, aceștia nu pot înlocui comutatoarele Reed în toate aplicațiile deoarece nu îndeplinesc cerințele ridicate de sensibilitate și de putere extrem de reduse necesare pentru multe dispozitive acționate de baterii.

2.3 Topologie rețea senzori

Topologia unei rețele de calculatoare se referă la structura acesteia, la modul de plasare al componentelor din rețea, inclusiv localizarea echipamentelor de interconectare și a mediilor de comunicație. Distanțele dintre noduri, conexiunile fizice, ratele de transmisie sau tehnologiile de comunicație pot diferi între două rețele, deși topologiile lor pot fi identice.

Există mai multe tipuri de topologii de rețea, cum ar fi topologia de tip magistrală (bus), stea (star), plasă (mesh), inel (ring).

2.3.1 Topologia de tip magistrală (bus)

În această topologie, există un nod care trimite un mesaj către alt nod din rețea, prima dată trimite un mesaj pe care toate celelalte noduri îl văd, dar mesajul este acceptat și procesat doar de nodul care are adresa specificată în mesaj. O schema a acestei tipologii se poate observa în Figura 2.7.

Avantajele acestei topologii sunt acelea că este o topologie simplă, eficientă în rețelele mici, dar la conectarea mai multor dispozitive se pierde din capacitatea de transmitere a informațiilor. De asemenea este și foarte ușor de utilizat, iar fiecare dispozitiv din această topologie are acces egal la resurse. Totuși, într-o astfel de rețea apariția unui defect este foarte dificil de reparat, de exemplu, un cablu defect sau un dispozitiv care nu funcționează corespunzător poate crea probleme în întreg sistemul.

2.3.2 Topologia de tip stea (star)

Această topologie de rețea este una dintre cele mai utilizate și presupune conectarea mai multor dispozitive, în acest caz senzori, la un nod central comun care direcționează toate informațiile. Dacă un dispozitiv dorește să comunice sau să trimită date unui alt dispozitiv, mai întâi trebuie să trimită date controllerului central. Apoi, controllerul central transmite datele către destinația dorită. Figura 2.8 ilustrează topologia de tip stea.

Software-ul este concentrat în nodul central, de aceea funcționarea sistemului depinde în cea mai mare măsură de acest nod, așadar orice pierdere în nodul central poate duce la inoperabilitatea întregului sistem. Este ușor de instalat și utilizat, având și costuri reduse de implementare. Scalabilitatea, este o caracteristică importantă a acestei topologii, adică nodul central permite adăugarea cu ușurință unor noi dispozitive, dar depinde de capacitatea acestuia (dacă are porturi disponibile). Fiecare legătură este independentă, ceea ce înseamnă că dacă una dintre legături se defectează sau este eliminată celelalte nu sunt afectate.

2.3.3 Topologie de tip plasă (mesh)

Topologia de tip plasă se referă la o structură intercalată, presupune conectarea oricărui dispozitiv din sistem cu alt dispozitiv, astfel existând mai multe căi pe care poate circula informația. Se numește rețea integrală atunci când fiecare nod este conectat direct la toate celelalte noduri din rețea. În schimb, o rețea parțială este atunci când numai unele noduri sunt conectate la toate celelalte, iar unele sunt conectate doar cu nodurile cu care schimbă cele mai multe date. Cele două tipuri de topologii plasă se pot observa în Figura 2.9.

Această topologie poate gestiona cantități mari de trafic, deoarece mai multe dispozitive pot transmite date simultan, iar dacă un nod nu mai funcționează, rețeaua are capacitatea de a redirecționa informația prin alte noduri. De asemenea adăugarea unor dispozitive suplimentare nu întrerupe transmiterea datelor între alte dispozitive. Dezavantajele acestui tip sunt costurile mai mari pentru implementare față de celelalte topologii de rețea, iar instalarea și configurarea sunt dificile dacă sunt conectate multe dispozitive.

2.3.4 Topologie de tip inel (ring)

În Figura 2.10 se poate observa topologia de tip inel care presupune conectarea unui nod la alte două noduri adiacente, formând o buclă închisă. Cel mai întâlnit tip de topologie inel este cel unidirecțional în care informația circulă doar într-un singur sens. Fiecare dispozitiv verifică dacă informația îi este adresată, astfel ori îl procesează ori îl trimite mai departe.

Dacă informația circulă într-o singură direcție se evită intercalarea pachetelor de date, date care pot circula la viteze mari de lucru. Această topologie este lentă deoarece informația trebuie să treacă prin fiecare dispozitiv dintre sursă și destinație, dezavantajul major fiind acela că dacă unul dintre dispozitive se defectează este afectat întregul sistem.

2.4 Procesarea datelor

2.4.1 WeMos D1 mini

WeMos D1 mini, prezentat în Figura 2.11, este o placă de dezvoltare produsă de firma WEMOS Electronics, care are la bază un microcontroler ESP8266EX. Cu ajutorul acestui microcontroler placa se poate conecta la o rețea de internet prin Wi-Fi, poate să transmită informații într-o bază de date sau să facă request-uri la diferite servere pentru a obține informații necesare utilizatorului. În plus în unele situații se poate transforma chiar ea într-un acces point oferind astfel posibilitatea ca alte module ESP8266 să se conecteze la ea prin semnal Wi-Fi devenind astfel un master care poate să comunice cu mai multe slave-uri.

Dintre toate plăcile de dezvoltare pentru a încorpora un ESP8266, WeMos D1 mini este printre cele mai populare, datorită în mare parte prețului său atractiv de aproximativ 6 dolari, dar și datorită faptului că antena este integrată și nu necesită prezența unei antene externe, care de obicei este destul de voluminoasă, această placă de dezvoltare are dimensiunii relativ mici (25 X 35 mm) comparativ cu alte placi de dezvoltare cu Wi-Fi cum ar fi Arduino Uno REV2 (69 X 53 mm). Placa are 16 pini, 11 intrări/ieșiri digitale care suportă întreruperi, PWM și I2C, o intrare analogică suplimentară, reset și pinii de alimentare.

WeMos este singura placă care suportă o tensiune de intrare de 3.3V pentru intrarea analogică (mulțumită divizorului de tensiune rezistiv amplasat pe intrarea analogică de maxim 1V a cipului ESP8266). Microcontrolerul funcționează la 160Mhz și ca și alte platforme pentru ESP8266, aceasta are 4MB de memorie flash și un convertor USB to Serial, CH340G. Sursa de alimentare de la 5V la 3.3V este obținută datorită regulatorul ME6211, oferind un curent de ieșire de max. 500mA, iar atunci când se face comunicarea prin Wi-Fi consumul de energie al plăcuței D1 mini este de peste 70 mA, ceea ce face ca această placă să fie la fel de potrivită pentru aplicațiile cu baterii.

Marele avantaj adus de această placă îl reprezintă interfața serială de tip microUSB. Folosind această interfață, un cablu USB-microUSB și un computer cu mediul de programare Arduino IDE, aproape oricine poate să creeze aplicații hardware de tip IoT (Internet of Things).

2.4.2 Raspberry Pi 3B+

În acest proiect placa de dezvoltare Raspberry Pi 3B+, Figura 2.12, va fi utilizată ca broker de date având rolul de a recepționa datele de la noduri și de a le transmite unde se dorește. Acest modul este echivalentul unui mini-calculator personal și are dimensiunile de 86mm x54 mm și deține toate componentele necesare pentru a putea fi folosit ca un computer personal obișnuit. Raspberry Pi 3B+ este cel mai recent produs din gama RaspberryPi 3, oferind un procesor pe 64-biți quad core actualizat care rulează la 1,4 GHz, Wireless LAN pe bandă dublă 2.4GHz și 5 GHz, Bluetooth Low Energy v4.2, Ethernet mai rapid (300 mbps), 4 porturi USB 2.0, 40 de pini de tip GPIO, port HDMI în dimensiunea normală, port display MIPI DSI, port cameră MIPI CSI. Puterea necesară acestei plăci de dezvoltare este de 5V/2.5A DC prin microUSB sau GPIO. Componentele hardware cele mai importante ale minicomputer-ului Raspberry Pi 3B+ se pot observa în Figura 2.13.

2.4.3 Wi-Fi

Wi-Fi este o tehnologie populară de rețea fără fir, termenul "Wi-Fi" înseamnă "wireless fidelity" și este denumirea unei familii de radio tehnologii care este cel mai des utilizată pentru rețelele locale fără fir (WLAN-Wireless Local Area Network) care se bazează pe standardele IEEE 802.11. Dispozitivele care pot utiliza tehnologii Wi-Fi sunt calculatoarele, laptop-urile, smartphone-urile și tabletele, televizoarele inteligente, imprimantele, playerele audio digitale, camerele digitale, mașinile și chiar și dronele. Dispozitivele compatibile se pot conecta între ele prin Wi-Fi prin intermediul unui punct de acces fără fir (AP), precum și prin intermediul dispozitivelor Ethernet conectate care se pot utiliza pentru a accesa internetul. Un astfel de punct de acces (sau hotspot) are o acoperire de aproximativ 20 de metri în interior și mult mai mare în aer liber. Acoperirea hotspot poate fi la fel de mică ca o cameră dacă pereții acesteia blochează undele radio, sau se poate întinde pe kilometri pătrați prin utilizarea punctelor de acces multiple suprapuse. Poate funcționa pe distanțe scurte și lungi, poate fi blocat și securizat sau deschis și liber. Este incredibil de versatil și destul de ușor de utilizat deoarece este găsit în cele mai populare dispozitive de consum.

Rețeaua Wi-Fi constă în două componente importante, clienți, cum ar fi laptop-urile și telefoanele mobile, infrastructură sau puncte de acces (AP). Punctul de acces este conectat la rețeaua cablată și în general la internet. Fiecare client poate comunica unul cu altul sau se poate conecta la internet printr-un punct de acces. Acest concept este prezentat în Figura 2.14. Cu toate acestea, doi sau mai mulți clienți pot vorbi unul cu celălalt direct fără un punct de acces, iar această rețea numită rețea ad-hoc este ilustrată în Figura 2.16.

2.4.4 WLAN (Wireless Local Area Networks) și IEEE 802.11

Rețelele locale fără fir (WLAN) sunt un sistem care conectează două dispozitive împreună wireless în interiorul și în apropierea unei singure clădiri. Utilizarea principală a rețelelor WLAN este de a conecta computerele personale și utilizatorii de dispozitive electronice la internet sau de a conecta acele dispozitive împreună pentru a partaja resursele. WLAN-urile pot fi găsite în casă, birou, cantină, aeroport și oriunde este nevoie de conexiune la internet. Aceste rețele WLAN pe plan mondial folosesc același standard numit IEEE 802.11 sau numele popular este Wi-Fi și funcționează în banda ISM fără licență la 2,4 și 5 GHz. Benzile industriale, științifice și medicale (ISM) reprezintă o bandă de frecvențe care poate fi utilizată fără licență. Cele mai populare tehnologii wireless, cum ar fi WiFi, Bluetooth, Near Field Communication (NFC) operează în această bandă. Însemnând că banda ISM este aglomerată cu o mulțime de date de transmisie de către dispozitivele care utilizează aceste tehnologii wireless.

Au fost aduse modificări standardului original 802.11 care a fost anunțat pentru prima dată în 1997. Ratele de date au fost de 1 și 2 Mbps. Acesta a funcționat în banda ISM de 2,4 GHz și a utilizat 2 tehnici numite salt de frecvență și spectru de secvență directă pentru transmiterea informațiilor. Evident, viteza originalului 802.11 nu era suficientă și s-a cerut o viteză mai mare. Apoi, în 1999, au fost lansate primele două modificări aduse la 802.11, adică 802.11a și 802.11b. 802.11a a folosit tehnica de multiplicare prin divizarea frecvenței ortogonale (OFDM) adică o metodă de codare a datelor digitale pe mai multe frecvențe purtătoare, pentru transmiterea informațiilor în banda ISM de 5 GHz. În schimb, 802.11b a continuat să utilizeze tehnica spectrului de frecvențe împrăștiate, iar rata maximă a datelor a fost de 11 Mbps. Varianta 802.11b a intrat pe piață și a devenit destul de populară. Apoi, 802.11a a fost anunțat și furniza o rată de date de până la 54 Mbps, iar aproape în fiecare an apar diferite variante îmbunătățite si adaptate noilor tehnologii.

2.4.3 Protocolul I2C

I2C este un protocol serial pentru interfața cu două fire foarte popular deoarece este simplu de utilizat și este puternic folosit pentru comunicarea dintre un dispozitiv master (sau mai multe dispozitive master) și unul sau mai multe dispozitive slave. Sunt necesare numai două fire cu rezistențe de pull-up pentru a conecta un număr nelimitat de dispozitive I2C.

Figura 2.16 ilustrează câte periferice diferite poate partaja când este conectat la un procesor prin doar două fire ceea ce reprezintă unul dintre cele mai mari beneficii pe care le poate furniza magistrala I2C în comparație cu alte interfețe. Figura 2.16 prezintă o magistrală I2C pentru un sistem embedded, unde sunt folosite mai multe dispozitive slave. Microcontrolerul este dispozitivul master și controlează perifericele care pot fi senzori, memorii EEPROM, convertoare A/D sau D/A și multe altele. Toate acestea fiind controlate prin doar 2 pini de la dispozitivul master.

Figura 2.16 Sistem embedded prin comunicare I2C

I2C utilizează numai două fire: SCL (serial clock) și SDA (serial data). Ambele au nevoie de o rezistență de pull-up la +Vdd. Există, de asemenea, schimbători de nivel I2C care pot fi utilizați pentru conectarea la două magistrale I2C cu tensiuni diferite.

Comunicarea de bază I2C face transferuri de 8 biți sau octeți. Fiecare dispozitiv slave I2C are o adresă pe 7 biți care trebuie să fie unică pe magistrală. Unele dispozitive au adresa I2C fixă, în timp ce altele au câteva linii de adresă care determină biții inferiori ai adresei I2C. Acest lucru face foarte ușor ca toate dispozitivele I2C de pe magistrală să aibă adresa I2C unică. Există, de asemenea, dispozitive care au adresa de 10 biți, acest lucru fiind permis de specificații. Adresa pe 7 biți reprezintă biții 7 până la 1, în timp ce bitul 0 este folosit pentru a semnala citirea de pe dispozitiv sau pentru a scrie. Dacă bitul 0 (în octetul de adresă) este setat la ”1”, atunci dispozitivul principal va citi de pe dispozitivul slave I2C. Dispozitivul master nu are nevoie de nici o adresă deoarece generează clock-ul (prin SCL) și se adresează dispozitivelor slave I2C.

După cum se poate observa în Figura 2.17 în stare normală, ambele linii (SCL și SDA) sunt în starea ”high”. Comunicarea este inițiată de dispozitivul master. Acesta generează starea de Start (S) urmată de adresa dispozitivului slave (D1). Dacă bitul ”0” al octetului de adresă a fost setat ”0”, dispozitivul principal va scrie dispozitivului slave (D2). În caz contrar, următorul octet va fi citit de pe dispozitivul slave. După citirea sau scrierea tuturor octeților, dispozitivul master (Dn) generează o condiție de Stop (P). Aceasta semnalizează altor dispozitive din magistrală că s-a încheiat comunicarea și un alt dispozitiv poate utiliza magistrala.

I2C este utilizat de multe circuite integrate și este ușor de implementat. Orice microcontroler poate comunica cu dispozitivele I2C chiar dacă nu are interfață specială I2C. Specificațiile I2C sunt flexibile – magistrala I2C poate comunica cu dispozitive lente și poate utiliza și moduri de mare viteză pentru a transfera cantități mari de date. Datorită acestor avantaje, I2C va rămâne una dintre cele mai populare interfețe seriale pentru conectarea circuitelor integrate.

2.4.4 Protocolul 1-Wire

Baza tehnologiei 1-Wire este un protocol serial care utilizează o singură linie de date plus o referință la sol pentru comunicare. Un master 1-Wire inițiază și controlează comunicația cu unul sau mai multe dispozitive slave de pe magistrala 1-Wire. Fiecare dispozitiv slave are un ID unic, inalterabil, programat pe 64 de biți (număr de identificare) programat din fabrică, care servește ca adresă a dispozitivului pe magistrala 1-Wire. Codul familiei pe 8 biți, un subset al ID-ului pe 64 de biți, identifică tipul și funcționalitatea dispozitivului. În mod obișnuit, dispozitivele 1-Wire slave funcționează pe domeniul de tensiune de la 2,8 V (min) la 5,25 V (max).

2.4.5 RS-485

RS-485 a fost dezvoltat pentru a furniza date de mare viteză, este capabil să furnizeze o rată a datelor de 10 Mbps la distanțe de până la 15m, dar distanța pot fi extinsă până la 1200m, cu o viteză mai mică de 100 kbps.

Utilizând RS-485, se poate construi o rețea de comunicații de date cu mai multe noduri. Standardul specifică faptul că pot fi utilizate până la 32 de drivere sau transmițătoare, împreună cu 32 de receptoare într-un sistem. Aceasta înseamnă că pot exista 32 de noduri capabile să transmită și să primească. Permite mai multor dispozitive să partajeze rețeaua, în funcție de distribuitor, până la 247 de dispozitive care împart un bus bidirecțional paralel cu două fire, dar există posibilitate de implementare și cu patru fire.

2.4.6 Modbus

Modbus este un protocol de rețea utilizat cel mai bine pentru sistemele de automatizare industrială, special pentru conectarea echipamentelor electronice. Folosește standardul IEC 61158.

Protocolul de informații asigură faptul că un dispozitiv master (de obicei, un computer) și unul sau mai multe dispozitive slave sunt conectate unul la celălalt. Transferul de date se face prin trei moduri de transmisie diferite ASCII, RTU și TCP, fiecare dintre acestea fiind adaptate scopurilor diferite. Sistemul de transmisie poate fi Ethernet sau varianta mai veche a conexiunii seriale.

Modul ASCII este caracterizat în special prin faptul că datele sale sunt trimise în ASCII (în loc de codul binar), astfel încât acestea să poată fi citite de oameni.

RTU (remote terminal unit) transmite coduri binare. Această metodă are o performanță considerabil mai bună a datelor. Fiecare cod Modbus RTU începe cu o pauză lungă de cel puțin 3,5 caractere, dar variază în funcție de viteza de transmisie. Acesta este apoi urmat de adresa receptorului, care este reprezentată în 8 biți, precum și codul funcției care este, de asemenea, compus din 8 biți. În cazul unei transmisii corecte, câmpurile sunt trimise de la master către slave și apoi trimise din nou înapoi neschimbate. În cazul unor erori, apar schimbări de cod. Următorul câmp de date îi dă posibilitate dispozitivului slave să poată trimite datele măsurate dispozitivului master. Întregul mesaj este verificat prin CRC (Cyclic redundancy check). Sfârșitul fiecărui mesaj RTU se caracterizează printr-un alt timp de așteptare de cel puțin 3,5 caractere. Pentru a primi complet informațiile solicitate, în general nu trebuie să apară întreruperi în fluxul informațional. Modbus RTU transmite datele printr-o interfață serială.

TCP (Transmission Control Protocol) acesta este destinat în mod special pentru Ethernet. Este foarte similar cu modul RTU, deoarece transmite și coduri binare, dar nu trebuie să se calculeze nici un byte de control. Ca atare, driverele TCP pot fi manipulate și implementate mai ușor. Cu toate acestea, structura protocolului diferă puțin de structura codului RTU. La începutul fiecărui mesaj TCP, există numărul de tranzacție care este de 2 octeți. Acesta este urmat de caracterul protocolului. Are întotdeauna aceeași structură: 0x0000. Apoi urmează ceilalți octeți, precum și adresa și câmpul de funcții. În general, portul TCP 502 este rezervat pentru Modbus TCP. Modbus TCP are mai multă viteză, mai multe dispozitive pe un fir și poate partaja rețeaua cu alte protocoale și standarde care circulă pe TCP/IP.

2.4.7 Ethernet

Ethernet este o tehnologie a rețelei de calculatoare care este utilizată în rețele de diferite domenii, cum ar fi LAN (local area networks), MAN (metroplitan area networks), WAN (wide area networks). Ethernet conectează calculatoarele împreună prin cablu, astfel încât computerele pot partaja informații. În cadrul fiecărei ramuri principale a rețelei, "Ethernet" se pot conecta până la 1024 calculatoare personale și stații de lucru.

Ethernet oferă servicii pe stratul fizic (Stratul 1) și pe stratul legăturii de date (Stratul 2) al modelului de referință OSI. Stratul de legătură de date este la rândul său împărțit în două substraturi care sunt controlul logic al legăturilor (LLC) și controlul accesului media (MAC) care pot fi utilizate pentru a stabili căile de transmisie și pentru a formata datele înainte de a fi transmise pe același segment de rețea. Sistemele care utilizează Ethernet își împart datele în pachete, cunoscute și sub denumirea de cadre. Aceste cadre mai conțin adresă sursă și destinație, pentru a detecta erorile din datele și cererile de retransmisie

Implementarea soluției adoptate

În urma fundamentării teoretice, s-au realizat 3 noduri cu funcționalități diferite care transmit datele prin WiFi, cu ajutorul plăcii de dezvoltare WeMos D1 mini, spre nodul central reprezentat de placa de dezvoltare Raspberry Pi 3B+ care acționează datele, informațiile colectate fiind reprezentate grafic în Grafana. Cele 3 noduri sunt autonome fiind alimentate de la o baterie de 9V. Primul nod se ocupă de măsurarea temperaturii și umidității, cel de-al doilea măsoară presiunea atmosferică, iar ultimul indică direcția vântului.

3.1 Schema bloc a unui nod

În Figura 3.1 regăsim schema bloc a unui nod care este compusă dintr-un transmițător cu antenă internă, un microcontroler, un circuit de condiționare a senzorului și alimentare.

3.2 Microcontroler + Modul de transmitere wireless

După cum s-a prezentat și în capitolul anterior, WeMos D1 mini are la bază un microcontroler WiFi, ESP8266EX, care are încorporat la suprafața PCB-ului pe care este montat, o antenă de tip microstrip care ii permite să comunice cu alte dispozitive prin wireless pe distanțe de până la 50 m în afara clădirilor. Microcontrolerul folosit conține un ADC (Analog-to-Digital Converter) intern cu care poate să citească semnale analogice mai mici de 3.2V. ADC-ul folosit are o rezoluție de 10 biți, cea mai mică valoare care poate fi citită fiind de 3.12mV. ESP8266 este capabil să funcționeze corespunzător în medii industriale, datorită domeniului larg de temperatură de funcționare.

În Figura 3.2 se poate observa faptul că placa are în total 16 pini, 11 pini de tip GPIO, o intrare analogică(AO), 10 dintre pini pot fi folosiți pentru întreruperi externe, semnale PWN, comunicare prin protocolul I2C sau One-Wire. Tensiunea de funcționare este de 3,3V sau 5V, are o memorie Flash de 4 MBytes și permite comunicarea cu alte dispozitive prin protocolul SPI.

3.3 Alimentarea

Pentru fiecare nod este nevoie de o alimentare de 5V, iar cu ajutorul unui regulator obținem alimentarea dorită de la o baterie de 9V. A fost ales regulatorul de tensiune fixă LM7805 prezentat în Figura 3.3. Acesta prezintă 3 pini, intrare, ieșire și ground. LM7805 are limitare internă a curentului și protecție termică internă, este livrat într-o capsulă TO220. Domeniul tensiunii de intrare de la 7V la 35V, curentul maxim fiind de 1A.

Această alimentare a fost realizată cu câteva modificări. Regulatorul are nevoie de un condensator de 0.33uF pe partea de intrare și de un condensator de 0,1uF pe partea de ieșire, Figura 3.4. Condensatoarele filtrează intrarea și ieșirea de zgomotul creat de sursa de alimentare. S-au adăugat condensatori mai mari pe ambele părți, pentru a ne menține sursa de alimentare curată și fără zgomot. Circuitul se poate vedea în Figura 3.5.

3.4 Schema bloc a sistemului

În Figura 3.6 este prezentată schema bloc a sistemului, cele 3 noduri transmit datele către nodul central prin WiFi care este conectat prin Ethernet la un router. Nodul central stochează informațiile într-o bază de date prin Telegraf ca mai apoi acestea să fie afișate în interfața grafică.

3.5 Nodul de temperatură și umiditate

Pentru nodul de temperatură și umiditate s-a ales senzorul digital DHT22 datorită rezoluției și acurateței ridicate, Figura 3.7. Domeniul de măsurare a temperaturii este de la -40 la +120℃ cu precizie de +0,5°, iar domeniul de măsurare a umidității de la 0 la 100% cu o acuratețe de 2-5%. Este format din două părți, prima parte prezintă senzorul de umiditate capacitiv, iar a doua un termistor(NTC) pentru măsurarea temperaturii, Figura 3.8. Există, de asemenea, un cip de bază în interior cu ajutorul căruia se face conversia A/D, așadar regăsim la ieșire un semnal digital cu temperatura și umiditatea.

În Figura 3.7 se poate observa că acest senzor este plasat pe un shield care prezintă un condensator și o rezistență de pull-up. Datorită faptului că din cei 4 pini, Figura 3.9, alimentare, date, NC(not connected) și ground, pinul NC nu este conectat shield-ul prezintă doar 3 pini, alimentare, date și ground.

Acest senzor funcționează la o tensiune de alimentare de la 3.3V la 5.5V. Atunci când alimentarea este furnizată senzorului nu trebuie trimisă nici o instrucțiune senzorului în decurs de o secundă pentru a putea ieși din starea inactivă.

Comunicarea dintre microcontroler și senzor este de tip 1-Wire, așadar pinul de date utilizat pentru această comunicare este menținut în starea ”high” folosind o rezistență de pull-up de 4.7K. Această stare ”high” continuă produce starea ”idle” atunci când nu are loc nici o comunicare. Microcontrolerul acționează ca dispozitiv master și, prin urmare, este responsabil pentru inițierea comunicării. Senzorul DHT22 va rămâne întotdeauna ca dispozitiv slave și va răspunde la date când microcontrolerul trimite semnalul de ”start”.

Figura 3.10 reprezintă schematizarea protocolului de comunicare Atunci când linia este în starea ”idle”, microcontrolerul este în starea ”low” timp de 18 ms. Apoi microcontrolerul este în starea ”high” pentru aproximativ 20-40us. DHT22 va detecta acest lucru ca un semnal de ”start” de la microcontroler și va răspunde schimbând linia în starea ”low” pentru 80us. Apoi, tot senzorul va schimba linia în starea ”high” pentru 80us, ceea ce indică faptul că este gata să trimită date sau se "pregătește". Apoi va trimite 40 de biți de date, reprezentând temperatura și umiditatea. Fiecare bit începe în starea ”low” timp de 50us, urmat de 26-28us pentru un bit de "0" sau 70us pentru un bit de "1". După terminarea comunicării, linia se va schimba în starea ”high” datorită rezistenței de pull-up și va intră în starea ”idle”.

Mai jos, în Figura 3.11, găsim schema în Eagle pentru senzorul DHT22, care prezintă o rezistență de pull-up între alimentare și date, pentru a păstra nivelul logic ”1” la intrare în cazul decuplării microcontrolerului și un condensator de decuplare care are rolul de a elimina efectul zgomotului produs la conectarea elementelor din circuit. Denumirea alternativă este de condensator by-pass. Zgomotul eliminat poate fi produs de schimbări de tensiune a sursei de alimentare care pot afecta buna funcționalitate a circuitului. Condensatorul de decuplare funcționează ca element de stocare locală a energiei circuitului. La o cădere de tensiune majoră, curentul din condensator poate înlocui temporar saltul nedorit.

În Figura 3.12 este prezentată schema completă a nodului de temperatură și umiditate, împărțită în 3 blocuri, blocul care conține microcontrolerul și antena încorporate pe placa WeMos D1 mini, blocul ce conține senzorul de temperatură și umiditate și blocul de alimentare.

3.6 Nodul de presiune atmosferică

Nodul de presiune atmosferică se bazează pe modulul GY-BMP280, Figura 3.13 care conține un senzor BMP280 de la Bosch, Figura 3.14, care poate măsura atât presiunea atmosferică, cât și temperatura. Acest senzor are o precizie ridicată și un cost redus, făcându-l o soluție ideală pentru măsurători de presiune cu o precizie de până la ±1hPa și o temperatură de până la ±1°C. Deoarece presiunea este afectată de altitudine, iar ca presiunea să fie redată exact, acest senzor poate fi folosit și ca altimetrul cu o precizie de 1m. Modulul funcționează la tensiunea de alimentare de 3,3V.

Acest modul are 6 pini, prezentați în Tabelul 3.1, și poate comunica atât SPI cât și I2C. Dar pentru acest proiect a fost aleasă comunicarea I2C.

Microcontrolerul ESP8266 este dispozitivul master iar senzorul are rolul de dispozitiv slave. Atunci când dispozitivul master dorește să recepționeze date, acesta trimite către dispozitivul slave o condiție de START prin care-l înștiințează că dorește date. Dacă dispozitivul slave, adică senzorul, constată că această condiție de START este corespunzătoare, începe să transmită datele către dispozitivul master. După ce a recepționat datele și dacă nu mai dorește altele, dispozitivul master trimite o condiție de STOP către senzor, acesta din urmă intrând în stand-by până la recepționarea unei noi condiții de START.

Tabelul 3.1 Pinii modulului GY-BMP280

Modulul, pe lângă senzorul BMP280, prezintă și un circuit de condiționare al acestuia, Figura 3.15, având patru rezistențe, trei dintre ele fiind de pull-up pentru pinii SCK, SDI, CSB și o rezistență de pull-down pentru pinul SDO și două condensatoare de decuplare care au rolul de a elimina efectul zgomotului produs la conectarea elementelor din circuit.

Senzorul BMP280 de la Bosch este alcătuit dintr-un element de detectare a presiunii piezorezistiv și un semnal-mixt ASIC care efectuează conversii analog-to-digital și furnizează datele printr-o interfață digitală. BMP280 prezintă trei moduri de alimentare și anume sleep, normal și forțat.

Modul sleep în care nu se efectuează nici o măsurare iar consumul de energie este minim.

Modul normal este activ și atunci când nu se cer măsurători.

Modul forțat este cel în care se efectuează o singură măsurătoare. Când măsurătoarea este finalizată senzorul revine în modul sleep.

Figura 3.16 ilustrează schema în Eagle a nodului de presiune atmosferică și aceasta fiind împărțită în trei blocuri principale, WeMos-ul, senzorul BMP280 în configurația corespunzătoare comunicării I2C și alimentarea.

3.7 Nodul de direcție a vântului

Pentru acest proiect direcția vântului va fi indicată cu ajutorul unor comutatoare Reed. La fel ca multe alte invenții utilizate până și astăzi, comutatoarele Reed au fost create la Bell Laboratories, inventate la mijlocul anilor 1930 de către Walter B. Elwood. Cererea sa inițială de brevet pentru un comutator electromagnetic a fost depusă la 27 iunie 1940 și acordată oficial pe 2 decembrie 1941. Această parte din brevetul lui Elwood fac comutatoarele Reed ușor de identificat: "Când o forță magnetică externă este aplicată la această unitate cele două elemente magnetice care fac parte din circuitul magnetic […] sunt deplasate împreună […] deoarece forța magnetică externă acționează pentru a diminua spațiul de aer dintre cele două elemente magnetice menționate."

Comutatorele Reed sunt considerate cei mai simpli senzori magnetici, fiind comutatoare electromagnetice folosite pentru a controla fluxul de energie electrică dintr-un circuit. Ei furnizează un semnal de ieșire direct utilizabil în sistemele de control. Sunt alcătuite dintr-o pereche de lamele flexibile, feromagnetice, pe post de contacte ale întrerupătorului, încapsulate ermetic într-un tub de sticlă umplut cu gaz inert. Lamelele magnetizate de câmpul magnetic orientat longitudinal se atrag, închizând contactul, Figura 3.17. Diferența dintre valoarea maximă a câmpului magnetic la care se închide contactul și valoarea minimă a câmpului la care se deschide contactul fiind mare, dispozitivul este bine imunizat împotriva fluctuațiilor de câmp magnetic. Aceste comutatoare nu au nevoie de întreținere și sunt foarte bine protejate contra prafului. Domeniu curentului de comutare este cuprins între 0,1 și 0,2A la o tensiune cuprinsă între 100 și 200V. Utilizarea contactelor Reed în foarte multe aplicații este asigurată de construcția simplă, prețul mic, siguranța în funcționare și consumul nul de putere.

Există două tipuri de bază, ”normal deschise”, cele folosite aici, și ”normal închise”. Într-un comutator ”normal deschis”, Figura 3.18, cele două lamele, realizate din material feros, cum ar fi aliajul de fier-nichel, sunt poziționate astfel încât să nu se atingă. Dacă se apropie un magnet de comutator, acesta produce un câmp magnetic făcând cele două lamele sa se atingă, astfel închizându-se circuitul. Dacă se înlătură magnetul, comutatorul Reed revine în poziția inițială.

Un comutator ”normal închis”, Figura 3.19, funcționează opus față de cel ”normal deschis”, atunci când nu există câmp magnetic, lamelele sunt în contact, circuitul electric este complet așadar dispozitivul este "pornit". Atunci când un magnet este plasat în apropierea unui comutator, lamelele se desprind.

Există și o a treia configurație care are trei lamele. În această configurație, curentul curge de-a lungul unui fir comun care poate fi comutat între două contacte. Firul comun va fi în contact cu o lamelă atunci când este în poziția sa normală până când nu este introdus un câmp magnetic care va face ca firul comun să fie în contact cu cealaltă lamelă. Când câmpul magnetic este îndepărtat, firul comun revine la poziția inițială.

Figura 3.20 prezintă unul din cele 8 comutatoare Reed din care este alcătuit acest nod. Comutatoarele Reed utilizate sunt Meder KSK-1A87-1015 care au o gamă de măsurare de 10…15AT. În AT (Ampere-Turns) se măsoară sensibilitatea comutatoarelor Reed sau câmpul magnetic necesar pentru a închide cele două lamele. De exemplu, dacă un comutator de 1AT și ar fi dus la Polul Nord acesta s-ar închide automat datorită câmpului magnetic al Pământului. Aceste comutatoare au dimensiunea de 2mm x 10mm și contacte de tipul SPST (single-pole, single-throw).

Pentru implementarea practică a fost nevoie de 8 comutatoare Reed, poziționate la un unghi de 45°. Cei 8 senzori formează roza vânturilor, indicând 8 direcții: nord, nord-est, est, sud-est, sud, sud-vest, vest, nord-vest, Figura 3.21. Magnetul care activează comutatoarele Reed este atașat de o componentă mobilă care poate realiza o mișcare de rotație continuă pe plan orizontal. Componenta mobilă este realizată din lemn și se găsește schematizată în Figura 3.22. În primul bloc se află magnetul prins de elementul mobil, din blocul 2, fiind așezat perpendicular pe rulmentul din blocul 3 care face posibilă mișcarea, rulmentul este așezat pe o plachetă de susținere tot din lemn. Pentru a indica direcția vântului este necesară folosirea unor elemente aerodinamice, drept urmare elementele plane din blocurile 4.1 și 4.2 ajută rotirea sistemului, acestea sunt confecționate din tablă.

În Figura 3.23 este prezentată schema în Eagle a nodului de direcție a vântului care constă în modulul de transmitere prin WiFi, WeMos D1 mini, partea de alimentare și comutatoarele Reed.

3.8 Topologia aleasă

Pentru aceste noduri, în urma analizării mai multor topologii de senzori prezentate și în capitolul de fundamentare teoretică, s-a ales topologia de tip stea, Figura 3.24, deoarece presupune un nod central care colectează datele de la fiecare nod, iar fiindcă nodurile sunt independente între ele dacă unul din noduri se defectează celelalte nu sunt afectate. O caracteristică importantă a acestei topologii fiind și scalabilitatea, adică adăugarea cu ușurință a mai multor noduri pe lângă cele deja existente.

În acest proiect rolul de nod central îl are brokerul de date, adică placa de dezvoltare Raspberry Pi, iar cele trei noduri sunt conectate la acest broker prin WiFi, această idee este schematizată în Figura 3.25.

3.9 Monitorizarea parametrilor

Pentru monitorizarea datelor s-a ales platforma Grafana. Grafana fiind un instrument open source, proiectat și creat în ianuarie 2014 de suedezul Torkel Ödegaard, scris în limbajul de programare Go (creat de Google) și Node.js LTS, împreună cu o puternică interfață de programare a aplicațiilor (API-Application Programming Interface). Aceasta este o aplicație care devine din ce în ce mai populară, cu o comunitate formată din mai mult de 600 de participanți bine integrați. Grafana afișează date seriale temporare. Poate obține o prezentare grafică a situației unei companii sau unei organizații dintr-o mulțime de date colectate.

Datele vor fi preluate de la noduri și plotate în Grafana cu ajutorul protocolului MQTT de pe colectorul de date Mosquitto care este instalat pe broker-ul de date (Raspberry Pi), a bazei de date InfluxDB și a agentului de colectare și raportare al valorilor evenimentelor, Telegraf.

Protocolul de comunicare MQTT este unul dintre cele mai folosite protocoale pentru proiectele de tip Internet of Things (IoT). În plus acesta este un protocol de dimensiuni reduse, care are un consum mic de energie și care minimizează pachetele de date, făcându-l astfel ideal pentru comunicare “machine-to-machine” sau IoT. Protocolul MQTT se bazează pe modelul client/server fiind format dintr-o parte centrală numită ”server” sau se mai găsește sub numele de ”broker”, la care se conectează mai mulți clienți. Serverul are responsabilitatea de a se ocupa de cerințele clientului. Atunci când un client trimite date către broker, operația poartă numele de “publish”, iar atunci când un client cere anumite date de la broker, operația se numește ”subscribe”.

Topicul reprezintă modul prin care un client poate să specifice că dorește să primească anumite informații sau să transmită informații despre un subiect anume. Informațiile transferate de la client la broker și invers se numesc mesaje. În Figura 3.26 este ilustrat un model de rețea ce comunică prin protocolul MQTT.

Senzorul definește topicul despre care se dorește să fie postat, de exemplu topicul ”temp” și se va posta valoarea temperaturi citite reprezentând mesajul(payload). Smartphone-ul și computer-ul personal fac “subscribe” la topicul “temp” și vor primi informații referitoare la temperatură, atunci când senzorul de temperatură o va posta. Dacă smartphone-ul nu ar face ”subscribe” la topicul “temp”, atunci el nu ar primi informații referitoare la temperatură. Rolul broker-ului este de a primi datele și de a le oferi mai departe celor care au nevoie de ele.

InfluxDB este o bază de date open source dezvoltată de InfluxData. Aceasta este optimizată având disponibilitate mare și rapidă de stocare a datelor și poate monitoriza diferite date cum ar fi datele senzorilor din aplicațiile de tip Internet of Things, datele unor aplicații de măsurare și oferă și analiză în timp real. Cu această bază de date se poate economisi spațiu din computere prin configurarea aplicației InfluxDB pentru păstrarea datelor pentru o perioadă determinată de timp și expirarea și ștergerea automată a tuturor datelor nedorite din sistem. InfluxDB oferă, de asemenea, un limbaj de interogare asemănător cu SQL pentru interacțiunea cu datele.

Telegraf este un agent de colectare și raportare a datelor care preia informațiile și le pune într-o bază de date, în acest caz în baza de date InfluxDB. Cu ajutorul interogărilor(queries) se cer datele din baza de date pentru a putea fi afișate în platforma web Grafana.

Așadar, în Figura 3.27 este prezentată schema bloc a monitorizării datelor. Senzorii preiau informațiile din mediu înconjurător, microcontrolerul procesează datele și le transmite cu ajutorul protocolului MQTT spre broker-ul de date(Raspberry Pi), apoi cu ajutorul Telegraf-ului care se conectează la broker preia datele și le transmite către baza de date InfluxDB de unde vor fi vizualizate în Grafana cu ajutorul interogărilor.

Rezultate experimentale

4.1 Realizarea plăcilor cu cablaj imprimat

Proiectarea cablajelor a fost realizată cu ajutorul tool-ului Eagle v8.6.0. Cablajele nodurilor sunt prezentate în Figurile 4.1A, 4.2A și 4.3A, iar în Figurile 4.1B, 4.2B și 4.3B se pot observa masca de lipire și găurile de inserție.

Pentru realizarea PCB-urilor au fost utilizate plăci de cupru fotosensibile cu un singur strat. Cablajele din Eagle au fost printate pe folie transparentă și apoi au fost expuse la ultraviolete (UV) timp de aproximativ 6 minute. După expunere plăcile s-au developat în sodă caustică (NaOH) iar la apariția cablajului s-a întrerupt reacția dintre sodă și cupru cu apă, rezultatul se poate observa în Figura 4.4, placa reprezentând nodul de indicare a direcției vântului. În Figura 4.5 se găsește placa după ce a fost pusă în clorură ferică (FeCl3) pentru a se coroda cuprul din jurul traseelor. Aceste proceduri au fost urmate de spălarea corespunzătoare a PCB-ului până traseele ajung să aibă culoarea rose, dacă această spălare nu este corectă nu va fi posibilă lipirea componentelor.

Urmează găurirea și popularea PCB-ului. Placa ce reprezintă nodul de temperatură și umiditate are o dimensiune de 59mm x 46mm, Figura 4.6, iar componentele folosite pentru popularea acesteia se găsesc în Tabelul 4.1.

Tabelul 4.1 Componentele utilizate pentru nodul de temperatură și umiditate

În Figura 4.2 găsim nodul de presiune atmosferică după popularea PCB-ului, care are o dimensiune de 59mm x 44mm, iar în Tabelul 4.2 componentele utilizate pentru acest nod.

Tabelul 4.2 Componentele utilizate pentru nodul de presiune atmosferică

Nodul de indicare a direcției vântului, Figura 4.8, are o dimensiune mai mare față de celelalte noduri, mai exact 124mm x 95mm, deoarece comutatoarele Reed au ocupat mai mult spațiu fiind dispuse în formă de cerc și având nevoie de o gaură pentru elementul mobil. În Tabelul 4.3 putem vedea componentele folosite pentru acest nod.

Tabelul 4.2 Componentele utilizate pentru nodul de indicare a direcției vântului

Placheta electronică ce are rolul de indicare a direcției vântului este prinsă în 4 șuruburi reglabile, pentru a putea poziționa magnetul la distanța dorită față de comutatoarele Reed.

4.2 Configurarea nodului central

Pentru colectarea datelor de la noduri au fost necesare câteva configurări pe placa de dezvoltare Raspberry Pi 3B+ pentru a putea fi transmise datele în Grafana. După cum s-a prezentat anterior această placă este un minicomputer de aceea este nevoie de instalarea unui sistem de operare. A fost instalat sistemul de operare Raspbian, pus la dispoziție de RaspberryPi Foundation. Apoi se va folosi linia de comandă, Figura 4.10, pentru instalarea protocolului MQTT, a bazei de date InfluxDB, a Telegraf-ului și activarea server-ului Grafana. Primul pas după instalarea sistemului de operare este configurarea plăcii ca punct de acces pentru cele 3 noduri.

Pentru a funcționa ca punct de acces, placa Raspberry Pi trebuie să aibă instalat software-ul punctului de acces, împreună cu software-ul serverului DHCP, Figura 4.11 .

Pentru că se configurează o rețea independentă pentru a acționa ca un server, înseamnă că Raspberry Pi trebuie să aibă o adresă IP statică atribuită portului wireless, astfel i se va aloca serverului, adresa IP 192.168.4.1. De asemenea, se presupune că dispozitivul wireless utilizat este wlan0. Așadar în fișierul dhcp.conf, cu comanda din Figura 4.12, se vor scrie aceste comenzi, Figura 4.13, apoi se dă restart la serverul DHCP, Figura 4.14.

Urmează crearea fișierului de configurare DHCP, numit dnsmasq, cu comanda din Figura 4.15, în care vor fi introduse informațiile din Figura 4.16, dhcp-range se referă la faptul că pentru wlan0 s-au furnizat adresele IP de la 192.168.4.2 până la 192.168.4.20. Apoi cu comanda din Figura 4.17 se reîncarcă fișierul pentru a valida modificările.

Se configurează software-ul punctului de acces, numit ”hostapd”, Figura 4.18, introducându-se în fișierul de configurare hostapd.conf informațiile din Figura 4.19, cu mențiunea că numele noului punct de acces este ”Mqtt_net” iar parola ”licenta2019”.

Cu comanda din Figura 4.20 și decomentarea rândului din Figura 4.21 se înștiințează sistemul unde poate găsi acest fișier hastapd. Apoi se activează și se pornește hostapd, Figura 4.22 .

Urmează instalarea broker-ului Mosquitto care implementează protocolul MQTT, cu comenzile din Figura 4.23, iar activarea serviciului se face cu comanda din Figura 4.24.

După configurarea plăcii de dezvoltare Raspberry Pi ca punct de acces și instalarea broker-ului Mosquitto urmează instalarea agentului de colectare și raportare a datelor numit Telegraf, Figura 4.25, care preia informațiile din MQTT și le pune în baza de date InfluxDB.

Se va genera un nou fișier de configurare pentru Telegraf care va conține intrările și ieșirile pe care acesta dorește să le gestioneze cu comanda din Figura 4.26. În acest proiect intrarea provine de la MQTT (mqtt_consumer) și ieșirea este baza de date InfluxDB.

Trebuie adăugate informațiile despre serverul MQTT și un topic, așadar în secțiunea ”Input Plugins” se vor adăuga/modifica datele din Figura 4.27. Figura 4.27 prezintă setarea serverului localhost, deoarece Telegraf rulează pe același server ca Mosquitto. În topice a fost adăugată o subscripție unică către ”/newdevice/#”, ”new device” reprezentând unul din noduri. Semnul ”/” îi spune Telegraf-ului să se aboneze la tot ceea ce este publicat de noduri. Apoi este necesară modificarea secțiunii de configurări MQTT din partea de jos și anume cele două linii din Figura 4.28. Se salvează modificările făcute, dar nu se pornește Telegraf-ul.

Urmează instalarea baze de date InfluxDB care va stoca datele de la noduri cu comenzile din Figura 4.29 și se va realiza pornirea acesteia și a Telegraf-ului cu comenzile din Figura 4.29.

Pentru a vizualiza datele, comenzile din Figura 4.31 instalează Grafana. După finalizarea instalării se poate accesa de la portul 3000 care este predefinit, utilizând https://localhost:3000. Logarea se face cu user-ul și parola ”admin” care se va schimba ulterior.

4.3 Afișarea parametrilor în Grafana

Concluzii

Scopul acestei lucrări este de a implementa un sistem de achiziție și monitorizare de date formată dintr-o rețea de senzori wireless. Fiecare nod din rețea este compus din partea de achiziție a informațiilor din mediul înconjurător, partea de procesare a datelor cu ajutorul unui microcontroler și transmisia acestora prin intermediul unei antene, funcționarea fiind posibilă cu alimentare individuală de la baterii.

Implementarea a constat în colectarea datelor cu ajutorul unor module de senzori. Procesare și transmiterea datelor s-a realizat cu placa de dezvoltare WeMos D1 Mini care prezintă atât un microcontroler, ESP8266, cât și o antenă printată prin intermediul cărora se realizează o comunicare prin WiFi. Alimentarea necesară pentru fiecare nod are o valoare de 5V care se obține cu ajutorul unui regulator de tensiune și a unei baterii de 9V, ceea ce fac posibilă o durată de funcționare mai lungă. Datele de la fiecare nod sunt transmise către un nod central, reprezentat de Raspberry Pi3B+ care se ocupă cu stocarea și reprezentarea lor într-o interfață grafică.

Continuarea acestui proiect constă în implementarea mai multor noduri în rețeaua de senzori pentru măsurarea mai multor parametrii, se urmărește transmiterea wireless a datelor prin metode multiple cum ar fi protocolul LoRa sau Bluetooth. Adăugarea unor panouri solare sunt un plus pentru eficientizarea costurilor utilizând energia regenerabilă a acestora.

În concluzie, s-a realizat un sistem de achiziție utilizând o rețea de senzori wireless formată din 3 noduri care fac achiziția datelor pentru monitorizarea acestora în serverul web Grafana.

Anexe

Anexa 1. Schemele în Eagle

Anexa 2. Schema electrică a nodului de temperatură și umiditate

Anexa 3. Schema electrică a nodului de presiune atmosferică

Anexa 4. Schema electrică a nodul de indicare a direcției vântului

Anexa 5. Datasheet DHT22

Anexa 6. Datasheet BMP280

Anexa 7. Datasheet comutatoare Reed

Anexa 8. Datasheet LM7805

CV