Ну что-ж - вижу у Вас все продумано. Насчет BAT54 - может от производителя зависит(?) Я смотрел ДШ у NXP, где нормируется только максимум прямого падения в 0.8В при токе 0.1А. Наконец-то я понял причину установки сенсора давления на передающем конце, а также зачем Вам нужен датчик освещенности. А фразу "датчик начинает вести себя аномально" относится только к датчику освещённости? С этим я не работал, а с другими никогда аномальностей не наблюдал и ресет не делал. И вообще, как определить аномально датчик себя ведет или нет, и вообще что значит аномально?

Давление достаточно измерять с фиксированным интервалом в 15 минут. У меня на станции так и делается и график практически никогда не прыгает более чем на 2мм.рт.ст. в соседних измерениях. При такой частоте вклад в токопотребление незаметный. Передавать данные , вероятно, придётся чаще, чтобы новый пользователь их сразу получил (?) Хотя, при быстром 2.4ггц радио и периоде передачи, скажем, 1мин, +/- 2 байта в пакете тоже погоду не сделают.

Статья по батарейкам грандиозная! Жаль только что нет данных в условиях малого разряда. Ваш датчик по среднему токопотреблению сравним с саморазрядом щелочных батарей. Запитывайте схему двумя литиевыми 2хААА и не нужно никакого конвертера, силовых ключей в обход и прочего гемора. Насчет контроля напряжения - его тоже проводить следует с периодом не чаще нескольких минут, тогда он тоже особого вклада не сделает. В любом случае, вместо прожорливого АЦП можно контроль вести компаратором.

Мне особенно интересен будет Ваш опыт по NRF24L01. У меня они (точнее СС25хх) себя показали гораздо хуже Sub1G в условиях конкуренции с WiFi соседей (около дома я вижу не менее десятка точек доступа). Но главное - я с этим модулем ещё не работал. Предполагаете использовать модуль на нём или сами модуль из голого чипа делать будете? Какую антенну? Если из голого, я-бы к Вам подключился. Тем более, что к этой микре третьи компании балуны делают. Будут проблемы с балуном - смогу прислать в подарок.

На данный момент могу отрапортовать, что "задача решена в малом", как любили говорить советские конструкторы. После долгой возни с радио, все наконец-то заработало близко к тому, как это задумывалось с самого начала. Нет, никакого устройства еще нет, но будучи собранной на беспаеченой макетке, схема отрабатывает значительную часть запланированного функционала.



Помещено это все на открытую лоджию, где температура воздуха приблизительно соответствует уличной. Схема передает собранную с датчиков информацию по радио (NRF24L01+) в тестовом режиме с периодичностью раз в пять секунд. Разумеется, раз в пять секунд -- это слишком часто для нормального режима эксплуатации подобных устройств, но столь малый интервал выбран исключительно, чтобы не сидеть долго в ожидании результатов. Находясь через две стены у себя в комнате, я принимаю данные с использованием ардуины и визуализирую их при помощи небольшого скетча, набросанного на скорую руку:



Наблюдается заметный разнобой с измерениями температуры разными датчиками, но с этим разбираться буду позже.

Так как у меня предполагается устройство работающее в режиме радио-маячка, т.е. отсылка данных происходит без оглядки на конкретного получателя, схема гарантированной доставки пакета, которая применяется для NRF24L01, когда доставку подтверждает приемная сторона, здесь недоступна. С учетом же того, что риск потери пакета при передаче несколько выше нуля, подумываю о дублировании передачи несколько раз, как это делают те же блютуз-маячки.

Эксперименты с передачей пакета максимальной длины (32 байта) показали, что в таком режиме, для конкретно моих условий, число успешно переданных пакетов становится намного меньше, чем потерянных. При использовании модулей в штатном режиме, когда передатчик с приемником образуют пару (правда на несколько иных условиях, чем делают это блютуз-устройства), вопрос с надежностью передачи решается за счет многочисленных ретрансмиссий и квитирования успешной доставки. В моем случае полагаться на гарантированную доставку не приходится, но существенно снизить потери пакетов представляется возможным за счет сокращения объема передаваемых данных. Первоначально я планировал использовать для пакета данных весь имеющийся объем payload чипа NRF24L01, т.е. 32 байта, но из-за вышеописанных ограничений, решил уплотнить передаваемые данные, главным образом за счет отбрасывания неиспользуемых битов в стандартных типах данных. То есть, если известно, что показатель влажности воздуха является числом от 0 до 100, то для представления его значения достаточно семи бит, против 16-и бит выдаваемых датчиком, а напряжение до 5.12в без знака возможно представлять девятью битами вместо двенадцати бит АЦП МК. Вот так по битику-другому от каждого значения и пакет передаваемых данных уменьшился до 10 байт. Тут весьма оказались кстати пакованные структуры и битовые поля, которые являются штатным средством языка си. В очередной раз порадовался, что не пишу на ассемблере. Там все манипуляции по запаковке/распаковке, а так же корректному обращению знаковых величины пришлось бы описывать вручную, считая офсеты и отслеживая выравнивания, а тут компилятор сам позаботится, чтобы нигде никакой знак минуса случайно не отпал, например. В общем, с десятью байтами против тридцати двух, дела с передачей пошли намного веселее.

Китайские модули NRF24L01 в определенном смысле меня порадовали и в не самых лучших условиях сходу показали передачу десятибайтовых пакетов с потерями не больше 8-9% от их общего числа на скорости 1мбит. 8-9% -- это, конечно, тоже не мало, но я еще не экспериментировал ни с выбором скорости передачи, ни с подбором канала, ни с настройками мощности, да и расположение передатчика так же никак не менялось в целях улучшения качества связи. Не известно, способно ли это что-то дать, но к этому вопросу я обязательно планирую еще вернуться.

Схемы, собранные на беспаечной макетке, склонны к "шевеленке", что и у меня наблюдается время от времени. Заканчивается обычно все срабатыванием ватчдога, хотя пару раз было, что и ватчдог не помог. На данный момент меня это не особо печалит, т.к. со стабильностью буду разбираться, когда устройство выйдет на стадию прототипа.

Датчик освещенности BH1750 вообще устройство весьма чуднОе. Начать с того, что для нормальной работы ему требуется "правильное" включение. По утверждениям мануала, сначала должно подаваться напряжение питания и лишь спустя какое-то время выставляться рабочие уровни на интерфейсе I2C. Такая последовательность в мануале называется асинхронным сбросом и если ее не выполнить, то датчик работать отказывается. Китайцы напаяли на модуль какую-то схему, которая, по видимому, должна обеспечивать "правильное" включение в любом случае, но вот насколько она справляется со своими функциями, для меня вопрос.

Во время моих многочисленных экспериментов с испытаниями работы схемы на разных напряжениях, несколько раз случалось, что bh1750 впадал в какое-то пространное состояние, когда начинал либо возвращать нули, либо какое-то постоянное значение, никак не зависящее от условий освещенности. У меня сложилось впечатление, что какая-то часть bh1750 тупо повисала, в то время, как интерфейс продолжал работать, а не пострадавшая часть устройства, отзываться на команды. Однако, программный сброс датчик не оживлял, отчего и возникла мысль с передергиванием питания всей группы датчиков. К слову сказать, другие датчики не были замечены ни в чем крамольном, а решение передергивать питание еще и им -- это скорее из соображений "чтоб уж заодно".

Насчет самостоятельного проектирования и изготовления радио-интерфейсов, боюсь, моей квалификации не хватит на что-то большее, чем повторение референсного дизайна. Задача теряет свою привлекательность тем более, что китайцы продают модули порой даже дешевле, чем отдельные чипы. И хотя модули, скорее всего, собраны на поддельных китайских же чипах, тем не менее они обеспечивают некоторый необходимый функционал, чтобы не связываться еще и с изготовлением передатчиков.

Насчет повышающего преобразователя -- исключить его совсем было бы может и привлекательно для упрощения схемы, но я пока так и не выяснил до какой нижней границы напряжения питания схема будет устойчиво работать. Из-за все той же "шевеленки", например, порой можно наблюдать картину, когда питающее напряжение само собой вдруг "уплывает" вниз на несколько соток, а потом, бац, и возвращается обратно через некоторое время. МК эту ситуацию отслеживает и сначала включает преобразователь, потом выключает, если величина VCC перескакивает через порог. В ходе экспериментов было установлено, что до ~1.95в схема работает вроде без замечаний, но нельзя исключать, что где-то в это время "искрил провод" и реально можно спуститься еще ниже. Или, наоборот, нельзя работать даже на 1.95. В общем, я пока решил регулятор оставить и он будет присутствовать в печатной версии прототипа, а там будет видно. Если ниже 1.95 опуститься не удастся, то регулятор останется в схеме на законных основаниях, т.к. по моим представлениям, в батарейках все же остается какой-никакой остаток, на котором можно будет протянуть еще какое-то время.

Вообще, контроль и управление электропитанием для данного устройства является отдельной, довольно интересной инженерной задачей. С одной стороны, абсолютно верно, что задачу эту можно исключить из списка значимых, просто установив литиевые элементы питания. С другой стороны, интересно отказаться от не очень распространенных и дорогих батарей, выжав все по максимуму из дешевых. Вопрос снижения стоимости расходников наполняет задачу определенным смыслом, а поиски грамотных решений обещают стать интересным делом сами по себе. Неспроста я, как только заработало радио, потащил "шевелящуюся" схему на мороз, т.к. мне просто не терпится скорее начать наблюдение за работой схемы и поведением батарей на морозе. Можно было спокойно развести плату, не торопясь спаять и только потом выдвигаться на "полевые испытания". Вместо этого я сейчас сочетаю одно интересное дело с другим -- в одном окне рисую плату, а в другом наблюдаю реальную работу устройства и изучаю поведение батарей при низких температурах. В первую очередь хочется выяснить, как и насколько падает напряжение в зависимости от температуры окружающей среды. Это может иметь весьма существенное значение именно в связи с использованием в схеме регулятора. Я пока еще не имею четкого представления, но вполне возможно, что при сильных морозах напряжение начнет просаживаться гораздо ниже допустимых для нормальной работы пределов с последующим "возвратом", когда морозы отступят. Если такое предположение подтвердится, то присутствие регулятора в схеме обретает дополнительный смысл -- на нем можно "пересидеть" морозы, а не бежать за новыми батарейками еще до исчерпания старых лишь только потому, что старых уже не хватает на именно морозы. Хотя может выясниться и обратное -- у батареек на морозе могут деградировать все параметры, в том числе и выдаваемая мощность, что не может быть скомпенсировано использованием повышающего преобразователя. Вообще, какого-либо подробного описания поведения химических источников электрической энергии при низких температурах мне отыскать не удалось и единственной возможностью выяснить, как и что с происходит с ними на морозе, остается эксперимент.

Поздравляю с первыми успехами! Идея с уплотнением битов в пакете весьма трезвая. Глядя на Вас, я тоже решил дать NRF-кам ещё один шанс. Пару лет назад я тестировал передачу пакетов на 2.4 с модулями от Anaren на CC25xx чипах в здании на кэмпусе, напичканным WiFi траффиком. Дальность уверенной передачи получилась около 20м. Но дома ситуация в плане конкуренции на диапазоне другая. Прежде чем делать свои модули для приёмного и передающего концов я решил что будет проще в начале, если хотя-бы на одном из концов будет заведомо работающее устройство. Поэтому заказал для начала радиомодули на NRF-ках, завтра приедут. Надо будет ещё разобраться как их готовить. Что мне не нравися в этих модулях, это что в большинстве из них антенна печатная. По мнению специалистов, у нее хуже эффективность чем у чиповой, а у последней хуже чем у просто штыревой на 1/4 волны. К тому-же мне нужна круговая диаграмма, поэтому и свой модуль сделать хочу.

Кстати, я не понял на что именно собираетесь принимать свой маяк? У NRF-ки свои эксклюзивные параметры радиотракта и пакета, поэтому и принять ее можно лишь на что-то подобное эксклюзивное типа такой-же NRF-ки. Или я ошибаюсь? Точнее, я хотел сказать, что на радио от мобильника/компа или BT поймать NRF-ку не получится, а что ещё работает на 2.4г (телефон?) Или знаете как добиться приёма переконфигурировав радиотракт фабричных устройств? Или ставить стек стандартного протокола на NRF-ку?

С сенсором света МАХ44009 я в свое время тоже намучался. Время от времени он решал откушать больше тока чем в среднем, к чему моя схема со встроенным в МК DC-DC в режиме микропотребления не была готова и сбрасывалась. Т.к. время поджимало, пришлось поставить постоянно работающую charge pump на TPS6012 (кстати, очень рекомендую - с ней маяк можно будет просто от одной 1.5в батарейки запитать). С ней все проблемы отпали, в устройстве батарейку до сих порне менял, правда используется оно всего несколько дней в летнем сезоне. У Вас таких проблем не должно быть. Еще интересный сенсор OPТ3001. С ним я, правда, не работал, но он хотя-бы не китайская разработка и свободен от подобных закидонов с подачей питания. На Digikey все 3 сенсора стоят примерно одинаково.

PCBWay - всего $5 за 10 печатных плат, первый заказ для новых клиентов БЕСПЛАТЕН

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

Онлайн просмотровщик Gerber-файлов от PCBWay + Услуги 3D печати

Мммда... Модули я получил, но не сообразил вовремя что у них выводы с шагом 1.27мм. Такую гребёнку и "маму" под неё мне нужно будет заказать отдельно. Пока отложу всё это, т.к. занят другими вещами. Помимо этого, в плане ознакомления с новой (для меня) продукцией поползал по сайту Нордека и обнаружил там несколько интересных штук, которые тоже хотел-бы попробовать. Подписался на их университетскую программу и попросил прислать один из их Китов. Может выгорит, т.к. это то, чем мы сейчас занимаемся. Обещали ответить в течении 3-4 недель. Подождём...

Организация питания на основе надежных литиевых аккумуляторов EVE и микросхем азиатского производства

Качественное и безопасное устройство, работающее от аккумулятора, должно учитывать его физические и химические свойства, профили заряда и разряда, их изменение во времени и под влиянием различных условий, таких как температура и ток нагрузки. Мы расскажем о литий-ионных аккумуляторных батареях EVE и нескольких решениях от различных китайских компаний, рекомендуемых для разработок приложений с использованием этих АКБ. Представленные в статье китайские аналоги помогут заменить продукцию западных брендов с оптимизацией цены без потери качества.

Подробнее>>

Макетку на балконе благополучно засыпало снегом и оно перестало работать. Продолжать экспериментировать в таком виде показалось бессмысленным, в результате чего родился более "твердый" прототип. Т.к. это совсем не окончательный вариант, то особо над конструктивом не задумывался и кое-где кое-что получилось кое-как.



Потянуло почистить и причесать исходники, что ожидаемо привело к полной их неработоспособности. Сижу потихоньку возвращаю функционал. Пишу новый код, т.к. старый проще выбросить, чем привести в надлежащий вид. Писал наотмашь, лишь бы быстрее проверить/получить результат, теперь придется делать по нормальному. Оно конечно проще, чем с нуля, но тоже повозиться придется.

По поводу NRF24 и вайфая: когда модули приехали из Китая, я взялся их проверять и не мудрствуя прицепил к ардуине. В одной из ардуиновских библиотек есть сканер каналов, с помощью которого можно посмотреть, что творится в эфире. Вайфая в округе полно, в числе которого и мой домашний. Нельзя исключать, что и блютузы какие-нибудь проскакивают время от времени. Сканер показал, что эфир обитаем, но и не занятые участки тоже наличествуют. Мне думается, что отстроиться можно.

Печатные антенны на модулях конечно звезд с неба не хватают, но в условиях квартиры пробивают через стены терпимо. Я, честно говоря, ожидал, что будет хуже. В интернетах попадались картинки, как народ паяет к этим "печаткам" куски провода в четверть волны и уверяет, что это помогает. Ничего сказать не могу на этот счет, т.к. сам не проверял.

Nordic для своих модулей использует оригинальный протокол связи, но частота, тип модуляции и еще некоторые параметры идентичны BLE. В сети попадались свидетельства, как китайцы пытались с их помощью эмулировать блютуз. Насколько я понял, что-то у них даже получилось, но затык случился из-за аппаратной фичи NRF, когда модуль немедленно падает в сон, закончив передачу, а вот поднять его обратно требуется время, чего блютузы страшно пугаются и думают, что другой конец умер. Сейчас глянул в гугл, да, что-то похожее и пишут. Так что параллельные миры кое-где пересекаются, но на контакт идут неохотно.

Для своих целей на данный момент я планирую использовать только модули NRF24L01, что не мешает мне покрасть кое-какие идеи у блютуз устройств. Не имея никаких представлений о том, что такое NRF и с чем их едят, я, тем не менее, рассчитывал, что с их помощью удастся изобразить бродкаст для неизвестного числа приемников. При знакомстве поближе выяснилось, что режим передачи без подтверждения приемной стороной успешности приема существует и на его основе можно организовать маячковую схему. Есть пока еще полностью не оформившиеся мысли, "бродкастить" с дублированием либо на одном канале, либо на нескольких, а может и то и другое вместе. Вроде бы у NRF есть такая фишка (RELOAD), когда уже загнанный в буфер чипа пакет можно перепосылать повторно в "ручном" режиме, если в том возникает нужда. Еще не проверял, но если при это есть возможность менять канал, то вот она и блютузно-маячковая схема, пусть и с NRF-ной спецификой.

Новый аккумулятор EVE серии PLM для GSM-трекеров, работающих в жёстких условиях (до -40°С)

Компания EVE выпустила новый аккумулятор серии PLM, сочетающий в себе высокую безопасность, длительный срок службы, широкий температурный диапазон и высокую токоотдачу даже при отрицательной температуре. Эти аккумуляторы поддерживают заряд при температуре от -40/-20°С (сниженным значением тока), безопасны (не воспламеняются и не взрываются) при механическом повреждении (протыкание и сдавливание), устойчивы к вибрации. Они могут применяться как для автотранспорта (трекеры, маячки, сигнализация), так и для промышленных устройств мониторинга, IoT-устройств.

Подробнее>>

Красивая получилась плата! Прочитал с интересом статью по Вашей ссылке и оригинал. Действительно любопытная штука эта NRF-ка. Для работы в режиме маяка только на передачу на BLE каналах 37-39 должна подойти. Можно сделать трансляцию только на одном канале - любой сканер обнаружит такое устройство. Я начал потихоньку писать вторую часть к той статье на Изи, посвящённую примеру реализации стандартного BLE GATT профиля "Environmental Sensing". Может кого-то и заинтересует...

С коммутацией батареи в обход преобразователя (чтобы схема могла быть запитана напрямую с батареи, а не через диод преобразователя) напортачил, что привело к неработоспособности узла в целом. Желание одной ногой МК управлять и разрешающим работу DC-DC пином и ключом на полевиках привело к тому, что в момент переключения возникает конфликт устройств и линия питания оказывается в состоянии близком к закорачиванию на землю. Убрал совсем, чтобы в следующей версии сделать раздельное управление.

Переписал весь софт, существенно упростив и сократив его, попутно соптимизировав алгоритм, не забывая ложить процессор в сон везде, где это только возможно. Раньше sleep использовался только во время ожидания окончания процесса преобразования датчиков, теперь процессор спит даже в моменты, пока идет передача данных по интерфейсам (I2C и SPI). Т.е. записал регистр на передачу, сформировал условия старта и в слип. Ядро спит, периферия работает. Пришел ответ от устройства, процессор проснулся и либо прочитал ответ, либо зарядил новую передачу. Весь цикл работы по опросу трех датчиков (+замеры напряжений силами самого МК), формированию пакета для отправки и самой передачи данных занял приблизительно 200 миллисекунд. Это время могло бы быть намного меньше (почти в десять раз), если бы не главный тормоз -- датчик освещенности. Пока размышляю над тем, стоит ли его опрашивать каждый раз или есть смысл делать пропуски в циклах измерений. И у того и у того решения есть свои "за" и "против". Если делать пропуски, то цикл измерений существенно сократится. С другой стороны, 200мс измерений на фоне минутного стендбая между измерениями -- это совсем немного, чтобы серьезно озабочиваться этим вопросом.

В CubeMX есть простенький калькулятор потребляемой мощности, где довольно грубо можно прикинуть, сколько МК станет жрать в полном цикле для моих условий. Усредненное энергопотребление вписывается в пределы 20-30мка, причем считал я так, что все неопределенности и двусмысленности трактовались в пользу повышения энергопотребления. Так данная версия калькулятора умеет считать слип только для режимов, когда вся периферия либо включена, либо выключена. У меня в слипе работает только одно периферийное устройство, но в расчет я заносил данные, будто вся периферия активна. То же самое относится и к датчикам. Считал грубо, что на весь цикл преобразований они потребляют по максимуму, хотя это не так. В конечном итоге оно насчитало мне, что даже с пары солевых батареек АА оно должно работать более полутора лет. Не сильно доверяя этим данным, просто принял к сведению, что утройство теоретически может проработать больше двух-трех месяцев и от этих элементов, что меня вполне устраивает.

Дальше провел натурные испытания по замеру потребления в условиях комнатной температуры. Здесь пошли неожиданности. Неожиданности для меня, но закономерности, если смотреть на схему беспристрастно, как потом выяснилось. Главная "неожиданность" заключалась в том, что даже при переходе устройства в стендбай потребление не падало ниже 1.6ма, что было на несколько порядков больше ожидаемого. После недолгих поисков с отключением частей схемы был найден и виновник. Им оказался передатчик NRF24L01+. После изъятия этого модуля из схемы потребление резко снижалось, что оказывалось даже меньше моих первоначальных ожиданий. Первая мысль была обвинить китайцев насчет их безыскусных подделок, но решил сначала все же разобраться.

На время замеров я использовал для питания устройства пару NiMH аккумуляторов, выдававших в сумме около 2.5в, что при выключенном DC-DC и с учетом падения на диоде, давало где-то 2.25-2.3в на линиях питания датчиков и МК. На таком питании все устройство функционировало без проблем и замер китайским тестером (чья точность, конечно, тоже под большим вопросом, но больше измерить нечем) тока потребления показывал значения в 5-6 микроампер в стендбае. Включение DC-DC приводило к тому, что напряжение на линиях питания датчиков и МК становилось 3.39в, а потребление увеличивалось до 16-19мка (речь опять про периоды, когда устройство спит). Попробовал питать преобразователь с одного элемента АА. Все запускается и работает без каких-либо проблем, но ток с батареи тянет уже значительно больший -- 40-60мка (стендбай). Смысл возникающей разницы в цифрах, думаю, понятен.

Возвращаюсь к "чудесам" с передатчиком. Как известно, любое самое необъяснимое чудо имеет в своей природе самое простое и незамысловатое объяснение, если разобраться. Так и тут. Выяснилось, что передатчик, повешенный на длинных проводах, очень отзывчив на наводки, возникающие в этих самых проводах, после того, как МК ушел в стендбай и вывесил все свои ноги (SPI-интерфейс и управляющие линии) в отключенном состоянии. Чего уж там с ним происходит понять снаружи сложно, но потребление устройства в целом меняется, даже если просто приближать или удалять руку. Так как в мыслях у меня было, что передатчик в конечной конструкции может находиться на некотором удалении от основной платы, то совсем отказываться от проводов мне не хотелось. Ладно, уменьшил длину и выполнил соединение экранированным проводом. Потребление упало до 300-500мка, но это все равно получалось очень много. Думал-думал, но лучше, чем подтянуть через сопротивления CE и CSN к земле и питанию (один туда, другой туда), ничего не придумал. Потребление еще упало, но все равно оказывалось повышенным. Здесь мне не совсем понятна суть явления, т.к. CSN, подтянутый к плюсу обязан полностью отключать SPI, а CE на землю -- вырубить радио, но факт остается фактом -- целиком проблему это не решило. Подтянул к земле и все три линии интерфейса SPI. Наконец-то все пришло в норму.

Забыл сказать, что перед испытаниями датчики в виде китайских модулей подверглись доработке, в результате которых с них были сняты LDO и схема трансляции уровней с модуля SI7021. Доработки простейшие, но чтобы избавить от траты времени на разглядывание дорожек на модулях, если кто-то возьмется делать то же самое, помещаю здесь фотки модулей, чтобы сразу было видно, что и как там должно быть.

Несмотря на то, что используемый мной DC-DC несколько шумноват, лишенные стабилизаторов модули не показывают признаков нестабильности, в чем я специально убедился, проведя серию замеров с включенным преобразователем и выключенным. Никакой разницы мне обнаружить не удалось.

Пришло время приступить к первым натурным экспериментам. Я старался поторапливаться, т.к. дело идет к весне и очень бы хотелось посмотреть, как оно все работает при отрицательных температурах. В этой спешке я допустил ряд мелких оплошностей, которые, тем не менее, особо не сказались на результатах. Чтобы имитировать ускорение времени, я задумал выставить частоту опроса датчиков и передачи данных в шесть раз большую, чем планируется использовать при нормальной работе сенсора. По недосмотру получилось, что не в шесть, а чуть больше, т.ч. круглых цифр не вышло, но это и не повлияло ни на что особо. Длительность рабочего цикла вместо 10с вышла 8.64с. С такой периодичностью сенсор выходит из режима сна, делает замеры, отправляет результаты и снова погружается в сон. Работа в таком режиме в течении пяти суток соответствует 34-м суткам, как если бы замеры производились раз в минуту. Ровно пять суток и проводился натурный эксперимент.

Основной целью эксперимента было посмотреть, как поведут себя батарейки на холоде, в условиях приближенных к боевым. Чтобы еще больше усложнить жизнь источнику питания, было решено использовать вместо двух, только одну батарейку. Это в какой-то мере должно было изображать подсевшую пару батарей в условиях работы при включенном преобразователе (самый нагруженный режим для батарей). Использование одной батарейки, с замерами снижения напряжения на ней по ходу эксперимента, так же преследовало цель соотнести в некотором смысле полученные результаты с графиками тестирования батареек в интернете. В случае с двумя батарейками, сколь-нибудь правдоподобное соотнесение выполнить было бы сложнее. В общем, для участия в эксперименте была отыскана в хозяйстве Duracell Alkaline Battery, неизвестной степени истощенности, но выдающая напряжение в 1.6 вольта -- совсем, как новая. Плата сенсора, датчики и отсек с единственной батареей, соединенные в соответствии со схемой, были помещены на лоджию, на открытый воздух, где находились во включенном состоянии в течение пяти суток без какого либо вмешательства извне. Ватчдог в программе был выключен для упрощения отслеживания аварийных ситуаций или нештатной работы. Впрочем, нештатных ситуаций не случилось даже тогда, когда на последние полтора суток все это хозяйство замело снегом, а устройство не имело ни влагозащиты, ни даже корпуса -- просто плата с датчиками на проводах с разъемами. Так оно и производило радиовещание из под снега, уж не знаю, правда, насколько точно можно под снегом измерять, например, влажность.

Раскуривая по второму разу NRF24L01+, я полностью переписал работу с радиомодулем, теперь уже без оглядки на библиотеку от maniacbug-a, как это было сделано для первой версии. Для сигнализирования о возможных проблемах, был задействован режим с динамической длиной пакета, что позволяло дополнять "телеметрию" отладочными данными по мере необходимости. Так же за счет уплотнения первоначального формата, удалось выцарапать дополнительные четыре бита из десятибайтового пакета. Это позволило "нумеровать" пакеты передаваемых данных, облегчая отслеживание потерь при передаче. Проблема, как сохранять хоть какие-нибудь данные внутри МК, когда он выходит из стендбая и все содержимое регистров и памяти обуляется, была решена посредством задействования неиспользуемых полей регистра "будильника" (дата, час, суб-секунды), которые переживают любое событие в неизменном виде, за исключением прекращения подачи питания. Так стало возможным запоминать, какой номер пакета был в прошлый раз и сохранять между сеансами кое-какие флаги состояний.

Более внимательный анализ потерь пакетов при передаче показал, что для моих конкретных условий теряется не 10%, как в прошлый раз, а меньше 1%. Правда, тут нужно добавить, что я поднял скорость передачи до 2мбит и мощность до полной (вроде для китайских версий NRF24L01+ она составляет 2-3db, против 0db у оригинала).

За полные пять суток, которые, по идее, должны соответствовать работе устройства в течение одного месяца (чуть больше, если точнее), в условиях температур от -3 до -8, батарейка "подсела" на 50 милливольт. По данным замеров средствами МК, напряжение упало с 1.6 вольт до 1.55 вольта. Разрядный график током 100ма (что намного больше, чем в моем случае) именно для использованной мной Duracell Alkaline Battery был найден на просторах интернета и представляет собой следующее:



Не совсем корректно сравнивать данные с этого графика и полученные мной результаты скорости разряда, но некоторые предположения, из попытки приблизительного сопоставления данных, сделать все-таки можно. По графику видно, что период, в течение которого батарея "разряжается" на 50 милливольт, относится к периоду полного разряда, как очень малая величина к величине довольно большого значения. Речь, скорее всего, может идти о нескольких десятках раз. Это позволяет осторожно надеяться, что заложенный мной самим в ТЗ срок между заменами батарей -- одни раз в год, окажется существенно большим, даже с учетом всех припусков и толковании нестыковок не в мою пользу. Начинает потихоньку вырисовываться, что беспроводной сенсор на обычных батарейках не лишен перспектив стать долгоиграющим устройством.

К настоящему моменту переразвел плату с учетом всех изменений в схеме, но работу переосмысленного "обходного" коммутатора питания еще не проверял на макетке. Без этой проверки собирать устройство несколько преждевременно, т.к. особого смысла в еще одном промежуточном прототипе уже нет и следующий вариант, скорее всего, будет окончательным. Соответственно, он должен быть полностью рабочим, чтобы уже можно было показывать схему.

Совершенно не зная, может это кому-то показаться интересным или полезным, планирую все результаты моих поисков выложить сюда. Мне они уже вряд ли когда-нибудь понадобятся, т.к. я почти никогда не возвращаюсь к пройденной теме, а кто-то может и подсмотрит для себя что-нибудь любопытное. Так мне, во всяком случае, хотелось бы думать.

Вернулись, не совсем ожидаемо для конца марта, холода (-8..-10С) и решил я еще немного "поморозить" сенсор, но теперь уже с самыми дешевыми, какие смог найти, солевыми батарейками. Батарейки оказались настолько дешевыми во всех смыслах, что даже пачкают руки остатками какой-то технологической грязи или смазки и вид имеют крайне затрапезный. Называется оно "MINAMOTO Heavy Duty" и отношение к этому самому Heavy Duty таково, что пара батареек потеряла 150 милливольт выдаваемого напряжения за первые же сутки испытаний, хотя, про какое-либо Heavy при таких щадящих условиях эксплуатации и заикаться вроде бы стыдно. Было 2.99в, стало 2.84. Это довольно сильно отличается от темпов "просаживания" алкалиновой батарейки, участвовавшей в предыдущих тестах. А учесть, что передатчик теперь работает на минимально-возможной мощности, против максимальной в прошлых экспериментах, получается, батарейки совсем уж "кислые" и ждать каких-то приличных результатов от них пока не приходится.

Отдельно по мощности передатчика. Для повышения энергоэффективности радиопередающего устройстойства, разумно и очевидно использовать минимальную мощность, обеспечивающую приемлемые условия для безошибочной передачи данных. Я и в прошлых экспериментах пытался уходить вниз с настроек максимальной мощности, но это вызывало либо рост объемов потерянных при передачи данных, либо связь прекращалась вовсе. Мне вроде бы и не так далеко эти данные передавать нужно, но препятствия между передатчиком и приемником в виде бетонных стен накладывают свои ограничения. Причем, я затрудняюсь даже сказать, сколько этих стен всего -- одна или две. Передатчик и приемник располагаются примерно так:



Передатчик (TX) находится на подоконнике открытой лоджии, приемник (RX) у меня на столе, на возвышении примерно 50см от его (стола) крышки.

Поигравшись с мощностями и выяснив, что ничего хорошего меня тут не ждет, стал задумываться, что, по идее, если применить вместо модулей с печатными антеннами, точно такие же, но имеющие разъем под внешнюю антенну, то можно будет попробовать подправить ситуацию за счет использования более эффективных антенн. Пошерстил магазины китайцев на али, но модули такие встречаются редко, да и стоят они, как две пары обычных. Опять же, ждать долго, пока они прибудут. Начал копать интернет на предмет, экспериментировал ли кто с модификацией стандартных модулей под стандартный разъем RP-SMA. В процессе довольно долгих поисков нашел, что существуют несколько модов с подпайкой проводка вместо печатной антенны и только один материал с запайкой разъема.

Параллельно с этим у меня возник спор на ардуиновском форуме, где моя озвученная идея насчет запайки разъема, вызвала резкую критику у лиц, позиционирующих себя, как радиолюбители с обширным опытом в части радиопередающих устройств. С их слов выходило, что без многолетнего опыта в этой сфере и обширнейших знаний в области радиоприема, туда вообще лучше не соваться, т.к. отрезать и припаять, конечно, можно, но вот то, что работать ничего не будет, можно не сомневаться. Я хоть и не великий знаток радиопередающих устройств, но позволил себе засомневаться. У меня имеется некоторой опыт в области близкой к этой, еще со времен бурного пришествия вайфая. Приходилось и с теорией немного знакомиться и конструированием несложных антенн заниматься. В общем, разозлился я, отрезал и запаял, благо нужные разъемы имелись у меня еще с вайфайных времен.









Форум ограничивает число прикладываемых файлов, т.ч. продолжение в следующем сообщении.

Окончательно модуль приобрел вот такой вид и первая же проверка показала, что работает он ничуть не хуже, чем оригинальный.



Использовалась стандартная вайфайная антенна типа "штырь" и с учетом, что ее рабочая частота тоже 2.4ггц, проблем никаких не возникло.

Получалось, что скептики были посрамлены, а я получил новые возможности для экспериментов, к каковым сразу же и приступил. К сожалению, у меня отыскался только один разъем RP-SMA для монтажа на край платы, а иного вида разъемы хоть и наличествовали, но мало подходили для модификации модулей. Пришлось экспериментировать в комбинации: один модуль с внешней антенной, один с печатной.

В ходе экспериментов быстро выяснилось, что улучшение связи, если и есть, то оно весьма не велико. При работе на передачу модифицированный модуль демонстрировал результаты, неотличимые от не модифицированного. На прием картина менялась, но все, чего мне удалось добиться -- это кое-как наладить передачу на мощности -6дб и хотя бы "увидеть" передатчик на мощности -12дб. Такой результат, конечно, тоже результат, но ожидания были немного повыше. Забегая немного вперед, скажу, что ожидание чудес здесь с моей стороны было несколько самонадеянно, т.к. позже, раскопав в интернете параметры печатной антенны модуля и сравнив их с параметрами "штыря", вышло, что 1.62dBi "усиления" печатной антенны я "улучшил" до 2dBi и полученный таким образом выигрыш составил десятка два-три процентов, чего категорически мало, чтобы отчетливо различать невооруженным глазом. И теперь, после всевозможных экспериментов с разными внешними антеннами и изучения характеристик печатных антенн, я подозреваю, что основной выигрыш от применения внешней "резиновой" вайфайной антенны получался не за счет ее выдающихся качеств, а исключительно за счет "выноса" антенны в условия чуть более благоприятные для приема, чем те, в которых работала печатная антенна.

Так как скромность полученных результатов не особо располагала к возникновению чувства глубокого удовлетворения, было решено двинуться дальше по пути совершенствования "антенно-фидерного хозяйства". Со времен вайфай-строительства у меня в отдельном ящике хранились разные антенны, начиная от самопальных банок и биквадратов и заканчивая денадцати-элементной ягой, фабрично-китайского изготовления и прочих "продвинутых" антенн, навроде патча на 20dBi, который при заявленных китайцами параметрах, под вайфаем работал хуже самопального биквадрата.

После, чистки, починки и устранения погнутостей и искривлений, первой была опробована баночная антенна, которая для вайфая в свое время показала себя неплохо.



С ее помощью было более-менее точно определено направление на передатчик и итогом экспериментов стала относительно-надежная передача данных при мощности передатчика -12db. Передатчиком оставался штатный модуль с печатной антенной, т.к. работать с довольно габаритной и шаткой "банкой" в качестве передающей антенны на лоджии оказалось проблематично. В ходе экспериментов с банкой на приеме, ниже по мощности спуститься не удалось, т.к. на -18db, если какие пакеты и долетали, то крайне эпизодически.

На этом этапе мне стало интересно, а что будет, если теперь поместить оригинальный, не модифицированный модуль NRF24L01 примерно в то же место и покрутить его различным образом в поисках лучшего положения для приема. Теоретически, антенна модуля могла обладать сколь-нибудь выраженной направленностью и эту мысль захотелось проверить. На -18db печатная антенна не поймала ничего, а вот на -12db в одном из положений прием иногда случался, но только, что "иногда".

После того, как печатная антенна и банка были испытаны в одинаковых условиях и показали совершенно разные результаты, стало окончательно ясно, что эксперимент относительно чистый и хотя инструментальные измерения отсутствуют, можно определенно утверждать, что направление в целом выбрано правильно. Применение внешней направленной антенны в целях работы на пониженных мощностях (а равно снижение общего потребления передающего устройства) позволяет получить некоторые выгоды, хотя и ценой усложнения конструкции.

Следующей была восстановлена антенна типа "двойной квадрат", но двойной квадрат она только по типу, а саму конструкцию в буржуинии называют Biloop, а у нас никак не называют. Мне, во всяком случае, не удалось выяснить ее короткого названия, а встречающееся название в виде почти полного описания конструкции неудобно употреблять. Поэтому она будет или биквадратом или билупом, хотя это никакой и не "двойной квадрат", если быть скрупулезным или оценивать ее по внешнему виду.



Антенна изготовлена не по канону и часть размеров не оптимальна. В свое время она делалась на скорую руку, т.ч. страдает некоторыми огрехами. При восстановлении были припаяны ранее отбитые очки, а самим очкам была придана форма, близкая к первоначальной. Протереть от пыли забыл, а канифоль поленился отмывать, т.ч. некоторая зачуханность присутствует.

Сначала испытал биквадрат на передачу. То ли я не смог его "прицелить" на точку приема, то ли на передачу он сам по себе (в следствие упомянутой ущербности) плох, но кроме нескольких "случайно" пойманных пакетов, организовать передачу не удалось. Тогда я продолжил с ним на приеме.



Проверив связь на -12db и убедившись, что она даже чуть лучше, чем с использованием банки, проверил и -18db. Кое-как, пропуская пакеты десятками, оно в каком-то смысле заработало, но сколь-нибудь осмысленно использовать такой канал передачи не представилось возможным. И тут мне пришла очередная очевидная мысль, которая ранее никак не приходила, что даже подозрительно. Раз печатная антенна имеет разные способности к приему в зависимости от положения, то подобная же картина должна, по идее, наблюдаться и при передаче. И пришлось мне много-много раз сбегать на лоджию, чтобы "покрутить антенну", а потом бежать обратно и наблюдать статистику приема. И выяснилась весьма неожиданная для меня вещь: печатная антенна, которую я по простоте душевной считал ненаправленной, оказалась отчетливо-направленной и в зависимости от ее положения, канал связи мог либо работать почти с оценкой хорошо (для описанных мной условий), либо не работать совсем. Именно в процессе этого "тюнинга" я добился, что на биквадрате "ожил" линк при мощности передачика -18db и глянув сейчас в соседнее окно на рабочем столе компа, я вижу, что потери составляют 4% при почти шести тысячах принятых пакетов.



Как по мне, так с этим вполне можно жить. Когда использовал модули в оригинальном виде, думал, что они, возможно ловят переотраженный сигнал. Сейчас, когда антенна "смотрит" прямо сквозь стену, удивляюсь, как 2.4ггц ухитряется пробиваться сквозь железобетон.

Получив устраивающие меня результаты, мне захотелось все же выяснить параметры антенны печатного модуля. Найдя в одном из апноутов практически-идентичную антенну, правда у другого устройства, я узнал, что модуль "светит" весьма неравномерно в разных направлениях, а то направление, которое я раньше интуитивно считал основным, таковым, на самом деле, не является. В определенной мере это вполне сочетается и с моими собственными результатами "кручения антенны" и выставления подходящего угла для улучшения приема. Сейчас я уже наверное не буду погружаться в эту тему, но возможно к ней еще вернусь позже, т.к. в процессе изучения вопроса, у меня сложилось ощущение, что никто ничего толком не знает про эти модули и как их нужно готовить.

Похоже вам нужен простейший приемник прямого усиления на 433 МГц. Без АРУ, без ничего. Ну и передатчик на одном транзисторе. Тогда можно будет в реальном времени настраивать и слушать.

А что я таким образом буду настраивать и, главное, слушать, если я решаю конкретную задачу -- минимизацию энергопотребления беспроводного сенсора ?

Интересные эксперименты, спасибо за пост. По-моему если на батарейке написано Heavy Duty, то она по идее должна быть оптимизирована на работы с большими токами. У таких либо внутреннее сопротивление снижено, либо емкость повышена или все вместе. Для Вашего приложения в условиях потребления нескольких мА, применять Heavy Duty, мне кажется, нет смысла. Я-бы не слишком доверял всяким рекламным надписям на дешевых батарейках непонятных производителей. Вообще, я не понимаю зачем для подобных устройств применять алкалиновые/солевые батарейки. Стремление максимально удешевить эксплуатацию устройства мне, конечно, понятна. Но по-моему при этом не берется в рассчет обслуживание (затрата времени, сил, и нервов) на их смену. Может для кого-то эта стоимость близка к нулю, но лично я предпочитаю поставить более "дорогую" 3.6В литиевую батарейку с символической стоимостью 2-3$ и забыть про нее лет на 5 минимум. Для производителя изделий не надо будет тратиться на повышающие конвертеры и т.п. Об этом я уже писал выше, не буду повторяться.

Насчет минимизации мощности также непонятна цель. Точнее, понятно желание снизить токопотребление, но опять-же для каких условий? Чисто "академический" интерес в данных экспериментов безусловно имеется. Я не критикую, просто пытаюсь понять конечную цель экспериемнтов, которая с момента создания темы уже могла поменаться. Если передавать данные раз в минуту на полной мощности, то согласно посчетам выше в теме, среднее потребление модуля будет уже микроамперным. Если-же цель сделать БТ устройство на основе этого модула, то будет-ли это broadcaster или к нему можно будет подсоединиться? В первом случае при передаче раз, скажем, в 2-4 секунду, среднее токопотребление хорошо спроектированного BLE модуля уже будет микроамперным (около 25). В любом случае следует учитывать не только токопотребление самого передатчика, но и еще работу управляющего МК с БЛЕ стеком. Если-же предполагается принимать сигналы датчика на смартфон, интересны были-бы эксперименты с ним в плане потери пакетов. Или хотя-бы с USB dongle для приема BT/BLE.

Обычные батарейки, на мой взгляд, не заслуживают того, чтобы думать о них совсем уж плохо. На mysensor.org есть отчет, где у пары алкалиновых АА, за год эксплуатации в беспроводном сенсоре на атмеге, емкость снизилась со 100% до 63%. С одной стороны, столь небольшую "утруску" можно объяснить довольно редкими сеансами связи, когда сенсор передает данные 100-150 раз в сутки, но с другой стороны, повышающий преобразователь там включен постоянно и это должно составлять заметную долю потребления. Цифры, может и не страдают особой достоверностью, но, как некий ориентир, все же сгодятся.

Пальчиковые батарейки подолгу ходят в электро-механических часах. Приходилось не раз слышать/читать, что замена батарейки в них случается раз в полтора-два года. Висящим у меня на стене Casio лет десять. Убей гром не вспомню, когда я там в последний раз менял батарейку. Помню, что было дело несколько раз, но когда точно, не скажу при всем желании. Только на основании этого я могу сделать вывод, что периодичность замены батарей в устройствах с низким потреблением не представляет существенного неудобства.

Малоизученным мне представляется вопрос об эксплуатации обычных батареек при низких температурах и низких же разрядных токах. Все, что мне удалось откопать в интернете на этот счет -- опыты по нагрузке батарейки током порядка 100-200ма (сколько точно не вспомню, пишу по памяти) с помещением этого дела в морозильную камеру с -15С. В результате таких опытов батарейка быстро отдавала концы, из чего делался вывод, что характеристики такого источника на морозе деградируют. А если ток будет на три-четыре порядка ниже? А как изменяется ток саморазряда при снижении температуры? Не может оказаться, что и саморазряд уменьшится? Вопрос любопытный с той стати, что саморазряд подобного источника для устройств с малым потреблением составляет весьма ощутимую долю расходования емкости. Если вдруг окажется, что саморазряд на морозе уменьшается, то запросто может получиться, что жизнь обычной батарейки окажется более долгой, чем при эксплуатации при комнатной температуре.

Литий-тионилхлоридные источники питания имеют заслуженную славу, которую они получили за многие годы использования. Только вот годы те не отличались особыми успехами в создании электронных устройств с микропотреблением (или я об этом просто недостаточно знаю). Неоткуда взяться опыту и результатам сколь-нибудь длительной эксплуатации устройств на обычных батарейках. Обычные батарейки вследствие высокого энергопотребления быстро дохли на морозе, т.ч. никому и в голову не приходило использовать их для таких целей. Но ситуация несколько поменялась и для выяснения всех деталей требуется дополнительное изучение вопроса.

Сейчас я подумал, что в конструкции окончательной версии датчика, пожалуй, предусмотрю возможность работы устройства с любого источника питания. Можно будет на выбор питать от "пальчиков" или тионил-хлорида. С точки зрения схематики и конструктива -- это не представляет никаких проблем. Если идея с дешевыми батарейками почему-либо не оправдается, всегда можно будет вернуться к проверенным решениям.

По поводу передатчика. Если рассматривать вопрос лишь с точки зрения экономии батарей, то эффект от эксплуатации передатчика на минимальной мощности не слишком велик. При работе на скорости в два мегабита, устройство затрачивает на выдачу в эфир 1 байта преамбулы + 5 байт адреса + 9 бит служебных данных +10 байт информационного пакета (полезной нагрузки) + 1 байта контрольной суммы, ровно 32.5 микросекунды. При следовании сеансов 1 раз в минуту и работе на полной мощности (11.3ма потребления передатчиком), это выливается в дополнительные 0.367мка усредненного потребления. Копейки. Почти ничего. Работа на минимальной мощности при 7ма потребления передатчиком и вовсе выльется в какие-то микроскопические 0.228мка. Однако, если просуммировать все потребление такого рода за полный срок эксплуатации с одного комплекта батарей, то цифры становятся чуть более различимы. Предположим, что 2000ма суммарной емкости батарей полностью израсходуются за год. В таком случае, передатчик работавший на полной мощности откусит себе 193ма, а работавший на минимальной -- 119ма. 74ма разницы. Много это или мало? Это дополнительные две недели полноценной работы устройства. А если батареи протянут полтора года, то "прибавок" составит 20 дней. Только батареи ведь могут и дольше продержаться. Так доли микроамперов оборачиваются пусть и не в большое, но в целом заметное увеличение срока эксплуатации.

Но не только в этих дополнительных днях автономной работы дело. Результаты экспериментов с внешними антеннами показывают, что существует довольно эффективный способ увеличения дальности связи и улучшения стенопробойности без существенного увеличения стоимости оборудования (этого же можно добиться на модулях с усилителем, но выйдет дороже) и сохранения энергопотребления на невысоком уровне (что в случае использования модулей с усилителем уже не светит). Да, возможно придется делать антенны самостоятельно, но в этом нет никакой проблемы, т.к. в интернетах полно описаний конструкций вайфайных антенн, от простейших до весьма и весьма продвинутых.

Сейчас у меня нет ссылки под рукой, но мне удалось найти единственное описание опытов с внешней антенной, когда какой-то импортный перец поднял на модуле с разъемом (но без усилителя) и внешним самопальным биквадратом "линк" на два километра при стабильной скорости 256 килобит. К сожалению, кроме этой информации он более ничего не сообщает, т.ч. ценность данного опыта резко снижается.

Информации о использовании модулей NRF24L01 каким-либо образом, отличным от самого примитивного, в открытых источниках исчезающе мало. Проводки к антенне кое-где пают и это, пожалуй, самое большее на что сподабливаются. Из-за того, что информации об этом нет, а из копеешного модуля можно выжать чуть больше ништяков, чем кажется на первый взгляд, я и взялся осветить этот вопрос по мере сил. Я охотно допускаю, что где-то информации на этот счет существует бездна, но так как я такого места не нашел, то, как мне кажется, исправляю ситуацию.

Кроме собственно, расчётного усиления к изотропному излучателю , есть ещё параметр "эффективность" ,
который производители печатных и чиповых антенн всегда замалчивают.
Давно антеннами не занимался , по памяти могу сказать - у печатной F антенны на FR4 на 2.4ГГц
кпд будет от силы 50% - отнимайте тройку от этого 1.62.
И да , у F- антенны есть провалы по азимуту , в отличие от штыря.
И они зависят от конфигурации земли , на что китайцы обычно кладут.
Поляризация тоже отличается , может влиять на растространение по квартире .

Попробуйте из штыря сделать 3-х элементную Яги - должно дать эффект.
google -> dipol to yagi wifi

- это решетка 6х4. Врядли там такое внутри.

К усредненному потреблению передатчика следует добавить постоянный саморазряд алкалиновых батареек около 10 мкА + остальная часть схемы. На этом фоне выигрыш при рабите с малой мощностью невелик. С литиевой батарейкой следует рассчитывать на смену батарей не чаще чем раз в 5 лет. При этом +/- 1 лишний месяц работы погоды в бюджете не делает. У меня датчик на улице уже третий год работает, пережив уже 3 зимы. Вполне может быть, что саморазряд алкалиновых батареек на морозе уменьшается. Смутно помнится что читал где-то рекомендацию хранить батарейки в холодильнике, но не знаю действительно-ли это помогает снизить саморазряд. У меня тоже нет надежных данных об использовании алкалиновых батареек на микротоках. Устройства мои на них работают также годами и тоже не помню когда в них батарейки менял. Но все эти устройства аходятся у меня дома при комнатной температуре. Поэтому опыты Ваше мне интересны, даже если для многих стран они не актуальны. Решение с литиевой батарейкой Xeno для улицы меня вполне устраивает, т.к. она стоит не дороже пачки 2xDuracell. А где купить существенно более дешевые батарейки еще следует поискать. В местных магазинах засилие Duracell и Energizer. И это где клиенты будут их для замены искать. Наверняка есть места где продают копеечные батарейки, но мне они на глаза не попадались. Не по Интернету-же их заказывать.

Насчет информации по модулям можно попробовать посмотреть форум на фирме изготовителе и позадавать там вопросы. Как правило на них отвечаят инженеры фирм. Однако и там они вряд-ли использовали свои изделия в "нестандартных" режимах. Сейчас во время раскрутки IoT модули на рынке появляются как грибы,буквально каждые пару месяцев. Не скажы, что они постоянно лучше становятся, просто много альтернатив. Цена на некоторые "некитайские" уже упала до 5$ в единичных. МОжно и самому из дискретные деталей модули собрать. Например, у BLE RSoC Cypress даже большая часть балуна упрятана в чит и он требует всего 2 навесные детали.

Как-то я забыл показать, в каком виде нынче существует прототип сенсора. Исправляюсь.



Два датчика "сидят" в разъемах платы, один (влажность+температура) спущен наружу вдоль стены.

Антенна модуля NRF24L01 сориентирована в направлении, обеспечивающем лучшие условия для передачи. При этом, модуль повернут "лицом" не точно к приемнику, а немного в сторону.

Источник, откуда я взял эту цифру не уточняет, расчетное это значение или измеренное. Но судя по тому, что расчетные значения для печатных антенн такого вида обычно лежат в диапазоне 2.8 - 3.5dbi, это, скорее всего, уже "очищенное" значение. Насчет эффективности, я читал про значения 60 - 80% для печатных антенн.



Почти точная копия антенны на китайских модулях NRF24L01 описывается в кипарисовском апноуте AN91445. Сергей, наверное, его видел, т.к. имел дело с кипарисовскими блютуз-модулями.



Там приведено большинство параметров этой антенны, в том числе и измеренные диаграммы направленности.





Насчет того, что китайцы неумело это дело скопировали и не учли землю, я испытываю сомнения, т.к. кипарис у себя на сайте выкладывает полные герберы, бери и приделывай куда хочешь, не задумываясь, где там земли и какие должны быть размеры.


Я с такими игрался во времена увлечения вайфаем. Оно действительно эффективно, не смотря на совершенно обескураживающий вид.



Это фотка не моя, просто привел, чтобы читающие поняли, о чем я. У меня яга есть фабричная, но ей не удобно пользоваться для экспериментов. Банка и биквадрат умеют стоять сами, т.ч. выбор в их пользу был продиктован именно этим.



Я давно не бывал на lan123.ru Недавно заглянул посмотреть и зачитался описанием конструкций антенн, которые народ нынче собирает.

Например, 15dbi патчи совершенно просты для повторения, но при этом обеспечивают очень неплохие характеристики:



про нее пишут:

КУ около 15дБи (по паспорту 15, замеры на стенде подтвердили)
КСВ - ИДЕАЛЬНЫЙ ВО ВСЕЙ ПОЛОСЕ! На 2,3 не мерил, на 2,4-1 на 2,48-1,2!!!

или такое:



Те же 15dbi. Пишут, что переплевывает двойной хеликс.

Есть и более мощные антенны. 18dbi:



Немного громоздко, но с такими антеннами датчики можно выносить за километры.

Еще с момента, как у меня в руках оказались эти модули, меня посетила мысль, что если к ним прикрутить внешнюю антенну, то из них можно будет выжать немного больше, чем если использовать их в оригинальном виде. Эта мысль возможно и дальше бы жила своей жизнью, без малейших шансов на воплощение, если бы не возник спор с моим участием на ардуиновском форуме. В теме про модули я высказал идею о способе увеличения дальности без использования усилителя, на что откуда-то понабежавшие радиолюбительствующие олдфаги подвергли меня обструкции, долго-долго трясли древними учениями про радиосвязь и с укоризной в духе, что без трех высших радиотехнических образований к СВЧ вообще подходит нельзя, вынесли приговор -- неуч. Ну так я взял, отрезал и припаял. Делов-то. Тем более, что еще со времен освоения вайфая знал, что так делать можно. Из этого выросла вся история, описанная мной выше.

Какой практический смысл я вынес из своих чисто-академических изысканий. Первое -- дальность, на которой возможна работа устройств ISM-диапазона, может быть существенно увеличена простым способом. Второе -- с помощью повышенного КУ антенн возможна работа через препятствия, являющимися непреодолимыми для простых передатчиков с печатными антеннами. Третье -- с помощью внешних антенн возможна работа меньшей мощностью без потери качества. В принципе, все это достаточно очевидные вещи и какого-либо открытия здесь нет. Просто я проверил, что все это работает.

Я бы не взялся разводить здесь такую писанину, если бы этот вопрос был хорошо освещен и проработан в интернетах. Отчасти удивительно, но очень похоже, что сообщества вайфай-энтузиастов и любителей, конструирующих устройства передачи данных на МК, никак не пересекаются. Вспоминается тред на одном из буржуйских эмбедерских форумов, где местная тусовка улучшала антенну NRF24L01. Долго судили-рядили, куда паять четверть волны, а когда все-таки правильно припаяли вместо штатной печатной антенны, то неверно поставили эксперимент и ложно истолковали результаты натурных испытаний. Не озаботившись правильной ориентацией приемника и передатчика, разместили их так, что мощность излучения антенны в сторону приемника оказалась далеко не максимальной, а чувствительность на прием с этого направления так же была не наилучшей. Качество связи оказалось посредственным. Естественно, что в случае с проводками картина выглядела лучше. Сделали вывод, что проводок является намного более эффективной антенной, что мягко говоря, не так.


Хотя часто и говорят об усилении антенны, антенна не усиливает сигнал. В зависимости от конструкции, она перераспределяет его в пространстве. Максимум энергии отдается в каком-то определенном направлении, за счет уменьшения излучения во всех других. Если маячок снабдить подобной антенной и повесить на стену, то в сторону стены он может совсем ничего не излучать (зависит от конструкции антенны), а в противоположную сторону отдавать всю энергию. Для приемного устройства находящегося в зоне, куда направлено излучение, все будет выглядеть точно так, как если бы маячок работал на полную мощность, а маячок при этом будет работать частью мощности. Или маячок будет работать на полную мощность, но при этом зона покрытия в одном из направлений у него увеличится. Т.к. антенны обладают свойством обратимости, то лучше излучая в каком-либо направлении, антенна с этого же направления лучше "слышит". И поэтому, хоть бродкастер, хоть устройство для двухсторонней связи, никакой разницы нет.

Я в своих экспериментах использовал антенну на приемной стороне. В этом случае приемники, не имеющие такой же антенны не "услышат" передатчика работающего на минимальной мощности. Я еще не определился, какое решение будет использовано, но возможно, сенсор будет дооборудован компактной направленной антенной, чтобы обычные приемники могли его слушать. Либо, антеннами будет оборудованы приемники, т.к. в моем случае это стационарные устройства, не имеющие жестких ограничений по габаритам. Оба варианта имеют свои за и против. А есть еще и третий вариант, что сенсор будет размещен в более удобном месте, чем предполагаемое сейчас. Я с самого начала хотел так сделать, но проверка показала, что передатчик не добивает. Теперь появились основания перепроверить. Мощность, возможно, придется поднять, но тут я готов этим пожертвовать, т.к. выгоды перевешивают.


Чем черт не шутит, может и до BT когда-нибудь дойдут руки, но пока я не добью этот вариант, за что-то другое не возьмусь.


Нет, я считал немного не так. Предположим, сенсор высасывает батарею емкостью 2000маЧ за год. Соответственно, расход в сутки составляет 2000/365 = 5,45. В год передатчик, работающий на максимальной мощности съест 193ма, а на минимальной -- 119ма. Делим разницу между этими величинами на суточное потребление и получаем 13,5 суток или округленно две недели.

Малые величины в устройствах с микропотреблением -- вещь коварная. Они кажутся совсем незначительными и недостойными внимания. Однако, в годовом исчислении начинают выглядеть несколько иначе. Я пытался посчитать потери вследствие падения напряжения на диоде и вышло, что туда улетает примерно 10% всей емкости источника. Столько же, сколько откушивает передатчик, работая на полной мощности. И если передатчик я нашел, как ограничить, то проблема с этим диодом не дает двинуться дальше. Коммутатор питания в обход преобразователя у меня по прежнему не получается. Либо при включении, либо при выключении преобразователя батарея оказывается скоммутированной на землю. Долгое время уже терзаю LTSpiceIV, но пока без особого успеха.


Самый дешевый литий-тионилхлорид, что я нашел у себя в городе, стоит 375руб. Это вызывает у меня предрассудки, т.к. стоимость батарейки оказывается сравнимой со стоимостью всего остального. Заказывать у китайцев долго, да и немного стремно, т.к. неизвестно, что они пришлют. Кроме того, есть смутные представления, что в некой перспективе данная задумка может трансформироваться в универсальное модульное устройство, где основная часть -- батарея, преобразователь, мк и передатчик, будет выполнена в виде общего конструктива, который может быть использован с произвольным количеством датчиков произвольного типа. Другими словами, из блока наружу вытаскиваются все интерфейсы представляющие интерес, а что туда будет подключено, выбирается при установке датчика на месте. Я пока развожу-переразвожу плату окончательного варианта, на всякий случай уже предусмотрел ввод наружу всего необходимого, включая возможность заливания прошивки через бутлоадер. И в свете этой неожиданно-замаячившей универсализации, существует ненулевая вероятность, что таких устройств в домашнем (и, пожалуй, дачном) хозяйстве когда-то окажется больше одного. Здесь вопрос стоимости, как самого устройства, так и элементов питания, начинает выглядеть немного по-другому, чем если бы речь шла только о единственном экземпляре.

Единственное, с чем я безоговорочно согласен, устройство должно обладать возможностью использовать иные источники автономного питания, нежели пара обычных АА. Здесь я главным образом имею ввиду литий-тионилхлорид.


О! В очередной раз получаю от вас полезную информацию. Сейчас быстро глянул в гугл, действительно про батарейки и аккумуляторы в холодильнике разговор идет. Как раз, что-то о сохранности и консервации. Обязательно изучу этот вопрос.


Пока у меня нет никаких особых вопросов. Документация исчерпывающая, а приставать к ним с вопросами про антенны -- скажут сам рассчитывай и будут правы. Ладно бы речь шла про кочергу из референсного дизайна, так ведь китайцы прикрутили к модулю другую антенну, а с этим уже к нордикам не подъедешь. Единственная непонятка по этим модулям (NRF24L01) возникла, когда в описаниях модулей у продавцов на али узрел "125ch frequency hopping". Причем, не у одного продавца. Удивило, как это я мог такое пропустить. Полез листать даташит, но ничего не нашел. Гугл тоже ничего не сказал. У других продуктов нордика оно есть, есть в блютузах, но чтобы у NRF24L01, как-то мне странно сделалось. Решил, что глючат китайцы.



Я время от времени посматриваю краем глаза в эту сторону, но больше из праздного любопытства. Пока оно не подешевеет, не спустится в массовый сегмент и китайцы не начнут этим торговать, говорить о практическом смысле не приходится.

a5021 - спасибо за интересные новости. Нет, такой антенны как на Вашем рисунке я у Кипарисов не встречал. На "моих" модулях из набора BLE Pioneer Kit стоит похожая зигзаго-образная, но не точно такая. На сайте ТИ есть интересные апноуты про констрикции антенн и их измеренные характеристики. Там тоже подобная зигзаго-образная обсуждается. Однако, на Кипарисовских BLE модулях, с которыми я сейчас работаю, стояит маленькая чиповая антенна. Весь модуль там размером 1х1см, чем он меня и заинтересовал. Конечно эффективность такой антенны не идет не в какое сравнение с Вашими WiFi, но мне хватает. В любом случае, для моих приложений эффективные антенны из Ваших сообщений слишком большие. Вообще, Вы мне ими напомнили студенческие годы и нашу коллективку в МГУ на крыше Зоны В высотки. Тогда мы сами антенны делали и вешали. В мою бытность на станции это были КВ антенны и размеры у них, конечно, другие...

Насчет броадкастера я имел в виду не направленность антенны, а токопотребление. Если устройство предназначено для коннекта, энергетика у него другая. А у BLE броадкастера среднее потребление при передаче раз в несколько секунд уже менее 10 мкА. Если что-то оптимизоровать то скорее для коннектора. Однако, при антенне с ярко выраженной направленностью для приема нужно будет начодиться с мобильником в определенном месте, что неудобно. Однако, при стационарном расположении приемника и передатчика побороться за эффективность антенн, наверное, имеет смысл.

Про диод не понял - какой именно диод? Тот, что в DC/DC конвертере или тот, что переключает источники питания с основного на резервный. Если последний, поставьте "iидеальный диод" на полевике. Кстати, у ТИ недавно вышла специальная микросхема для этих целей - LM74670. Да и у других производителей подобные есть.

Самая компактная из распространенных печатных антенн -- это "Meandered Inverted - F". Я одно время ошибочно предполагал, что она же и одна из самых эффективных. Более подробное изучение вопроса развеяло это заблуждение и выяснилось, что как раз с эффективностью у нее "не очень". Общее правило, что хорошая антенна не может быть маленькой, справедливо и здесь. Однако, китайцы охотно жертвуют эффективностью в угоду компактности. Большинство модулей NRF24L01 и ESP8266 идут как раз с MIFA. И только в одной из последних версий ESP8266 тип антенны сменили,


что нашло отражение в документации, как улучшение параметров радиотракта и это, скорее всего, правда.


Если речь идет о дальности в несколько метров, то тип антенны не играет значительной роли. Керамические чип-антенны имеют эффективность даже ниже печатных, но на небольших расстояниях это никак не сказывается на качестве передачи, а место на плате позволяет немного сэкономить. Компромисс своего рода.

Со времени написания мной предыдущего сообщения, я довольно много экспериментировал со взаимным расположением передатчиков и приемников, что привело к довольно неожиданным результатам. Вооружившись направленными антеннами на обоих сторонах, я задумал вынести передатчик за пределы своей квартиры, а именно в помещение (если его можно так назвать) "общей" сушилки в подъезде. Чтобы было понятнее о чем идет речь, сушилкой в девятиэтажках советской постройки называют отдельные лоджии, расположенные между этажами, вход на которые находится на "промежуточных" лестничных площадках в подъезде. Сушилка имеет одно важное преимущество перед балконом или лоджией квартиры именно для размещения там температурного сенсора -- она находится в стороне от восходящих потоков теплого воздуха из открытых окон и форточек квартир, расположенных ниже. В летнее время это скорее всего не имеет сильного влияния, но в холодные месяцы открытая форточка соседа снизу запросто "повышает" температуру на улице градуса на два-три, если судить об этом по показаниям сенсора на моем подоконнике. Я уже давно это обнаружил, но какого-то простого решения этой проблемы пока на ум не приходило. Можно, конечно, вынести датчик на штанге подальше на улицу от окна/лоджии, но торчащая на улицу штанга нужной длины выглядит как-то мало привлекательно, да и повозиться с ее закреплением тоже придется. Что может произойти, если на длинную штангу свалится сверху какая-нибудь ледяная глыба, легко можно представить. В общем, решение "так себе".

Размещение датчика на открытой сушилке решает проблему "восходящих тепловых потоков", плюс, позволяет сенсору находится "под навесом", но увеличивает расстояние между передатчиком и приемником.
Впрочем, первые же эксперименты с использованием направленных антенн показали, что стены "пробиваются" без особых проблем и я могу видеть передатчик с сушилки из своей комнаты через две с половиной стены. Это меня откровенно обрадовало. Дальше я попробовал убрать одну из антенн, передавая или принимая данные штатным модулем. Полторы стены пробивались относительно неплохо, чего не сказать про две с половиной стены. Попутно я обнаружил, что местоположение приемника и передатчика -- весьма критичный фактор. Особенно приемника. По факту выходило, что в разных частях помещения условия приема разные. Причем, в точке обеспечивающей минимальное расстояние между приемником и передатчиком связи может не быть, а в более удаленной точке эта связь появляется. Что уж тут конкретно влияет, неоднородности стен, прохождение радиосигнала через стыки бетонных панелей, переотражения, мне доподлинно не известно, но факт остается фактом -- помещение имеет малообъяснимые проблемы с "покрытием" -- в одном месте прием есть и он неплох, а в другом месте связи нет совсем.

Определившись с местами наилучшего прима я проверил связь совсем без внешних антенн. На две с половиной стены это не заработало никак, а полторы стены худо-бедно пробивало. До кучи решил еще проверить связь на минимальной мощности. Результат обескуражил -- в определенной позиции приемника эта связь не только возникала, но и качество ее оказалось вполне приемлемым. Правда требования к позиционированию становились довольно жесткими -- удаление приемника от точки наилучшего приема сантиметров на десять прекращало всякую связь. Удивительным это казалось еще и потому, что на том же оборудовании (приемник и передатчик со штатными печатными антеннами) и с той же мощностью передачи, связи между лоджией и комнатой добиться не удалось, а связь между кухней и сушилкой довольно устойчива, хотя условия в последнем случае выглядят, как более худшие. Такие вот нюансы распространения 2.4ггц через бетонные стены.

В одной из промежуточных версий прототип беспроводного сенсора приобрел вот такой вид:



Запайкой углового разъема модуль NRF24L01 был поставлен "на попа", что определенно улучшает качество связи. В таком же положении модуль установлен и на приемнике, но там "на попа" поставлена сама процессорная плата. О приемнике я расскажу чуть позже, а пока еще пару слов о передатчике. Размещение беспроводного сенсора задуманным мной образом имеет определенные особенности, когда датчики должны быть поближе к улице, а передатчик, напротив, поближе к стене. Это очевидное противоречие возможно разрулить, если сделать вынос датчиков на кабеле. На фотке видно, что к нижнему "этажу" прототипа подключен сетевой патч-корд, через который процессорная плата общается с датчиками. Зная, что I2C не является шиной для работы по длинному кабелю, тем не менее, я погуглил и поэкспериментировал на этот счет. В сети имеются описания любительских устройств, где витая пара используется для удлинения I2C без использования дополнительных шинных формирователей. Теоретически, по длине I2C шины есть только ограничение на емкость кабеля в 400 пикофарад. Зная емкость витой пары, получается, что на семь с небольшим метров оно должно работать.

Самым длинным патчем, что оказался у меня под рукой, был кабель с общей длиной 10,5 метров. Работа единственного сенсора BMP180 через этот кабель не вызвала никаких проблем и я опрометчиво переделал сенсорный блок из трех сенсоров для подключения через витую пару. Опрометчиво потому, что сенсоры при таком подключении либо не отзывались совсем, либо работали через пень-колоду. Больше того, даже на трехметровом патче нормальной работы добиться не удалось. Все более-менее работало лишь при питании устройства не выше 2.5 вольт. Сколько я ни экспериментировал, подключая шину, питание и землю к кабелю в разных комбинациях из пар и одиночных жил, никакого значимого результата это не дало. У меня сложилось впечатление, что дело тут не столько в емкости кабеля, сколько в перекрестных наводках SCL и SDA. В пользу этого предположения говорит тот факт, что шина перестает работать, когда растут уровни сигналов (питающее напряжение). А так как шина 400 кгц, да еще и подтягивающие резисторы по 10к (причем, лишь со стороны МК), то понятно, что сделать кашу из сигнала там проще простого. Поразмыслив о том, как бы линии отнести подальше друг от друга, не придумал ничего лучше, чем сделать соединение телефонной лапшой -- такой плоский двужильный телефонный кабель, где жилы отделены друг от друга полиэтиленовой перемычкой миллиметра 3-4. В таком виде "вынос" длиной 3м заработал без проблем, что меня вполне устроило и пока он в таком виде и эксплуатируется.

Так совпало, что место наилучшего приема вполне подходит для размещения там автомата включения ночной подсветки и прототип такого автомата я по быстрому запилил на атмеге8. Автомат коммутирует осветительную сеть с помощью пятивольтового реле и показалось удобнее, чтобы этим реле управлял пятивольтовый МК. Выбор был между STM8 и атмегой, но так как атмеги валяются без дела, то решил, что пусть тоже пользу приносят. В общем, оформилось все в такую простенькую платку:



Процессорная плата была дополнена модулем NRF24L01, блоком питания, блоком реле и прочей электроники, собранными на скорую руку, чисто для экспериментов и отработки нюансов эксплуатации. Получилось довольно аляписто, что мне даже как-то стремно это показывать. Ну разве что могу показать, как платка с атмегой и радиомодулем выглядывает из пластикового контейнера, куда помещен полный макет устройства целиком (не путать с прототипом сенсора, что является другим отдельным устройством).



Оно, конечно, топорно и колхозно, но все, что мне было нужно я на нем отработал и со стабильностью на протяжении почти двухмесячной непрерывной эксплуатации никаких проблем не возникло. С учетом, что там в одной куче трансформаторный БП, импульсный преобразователь, импульсный драйвер светодиодов и реле с коммутацией нагрузки 220 вольт, то полученный на данном этапе результат, когда устройство не перегружается произвольно или в моменты переключения нагрузки, не ловит помехи и не испытывает проблем с приемом радиосигнала, можно назвать вполне удовлетворительным.

В ходе этого длинного повествования остались за кадром мои эксперименты и наблюдения по части питания беспроводного сенсора. Наверное попозже изложу все отдельным постом, т.к. текста тоже обещает набраться не мало.