Huishoudelijke temperatuurstroom in kaart brengen met goedkope sensoren

Verhaal

Wat ik wil doen

•  Selecteer de meest goedkope, schaalbare en gemakkelijk te configureren componenten die beschikbaar zijn
• Programmeer en implementeer zoveel mogelijk temperatuursensoren en maak verbinding met een webgateway
• Gebruik deze gegevens voor efficiëntere automatiseringen via slimme thermostaat, raamcontroller, aanwezigheidsdetectie, slimme verlichting, pelletkachelcontroller, enz...
• Maak een master-energierecord met behulp van gelogde temperatuurgegevens geïntegreerd met slimme meter-API, weergeschiedenis enz...

Achtergrond

Zelfs voor degenen onder ons die gewend zijn om in koud weer te leven, werd het afgelopen decennium gekenmerkt door een combinatie van extreme kou en ongewoon hoge verwarmingsprijzen. Het is dan ook niet verwonderlijk dat er veel vraag is naar alternatieve brandstoffen zoals houtpellets en energiebesparende apparaten zoals de Nest Thermostat.

In feite werd mijn eigen interesse in de IOT en OSHW als geheel gedeeltelijk geïnspireerd door de wens om de efficiëntie te maximaliseren van een kleine pelletbrander die ik een paar jaar geleden in mijn kelder had geïnstalleerd. Terwijl mijn interesse in het IOT zich in nieuwe richtingen heeft vertakt, merk ik dat ik terugkeer naar het oorspronkelijke project wanneer het weer kouder begint te worden.

Kortom, er wordt enorm veel energie verspild aan het koelen of verwarmen van individuele huishoudens en wanneer bewoners proberen de ventilatie of isolatie te verbeteren, berust het proces meer op intuïtie dan op wetenschappelijke gegevens.

Is dit niet waar een thermostaat voor dient?

Of het nu de standaard oude "domme" modellen zijn, of de programmeerbare "lerende" modellen zoals de NEST, een thermostaat kan alleen een algemene temperatuurmeting geven op basis van zijn directe omgeving. Om nauwkeurig in kaart te brengen hoeveel warmte bijvoorbeeld van de kelder naar een slaapkamer op de derde verdieping gaat, heb je meerdere sensoren door het hele huis nodig. Persoonlijk is de gemiddelde prijs van een slimme thermostaat van $ 250 misschien meer gerechtvaardigd dan andere 'Connected Home'-gadgets zoals de Phillips Hue, maar het is nog steeds meer dan mijn inkomen toestaat ... Op een gegeven moment hoop ik er echter een te bemachtigen, dus de workflow is ontworpen om te werken met of zonder een programmeerbare thermostaat.

Als kwantiteit een geheel eigen kwaliteit heeft.

Ruwe data is als wapenproductie in de Tweede Wereldoorlog...  In die zin is kwaliteit direct gerelateerd aan kwantiteit. In dit specifieke geval heb ik vastgesteld dat ik in het hele huis minimaal vijf afzonderlijke sensoren nodig heb om de gegevens relevant te maken.

In voorgaande jaren vormden de kosten of toegankelijkheid van beschikbare draadloze netwerkcomponenten het belangrijkste obstakel. Ik heb in het verleden geprobeerd XBee-modules en individuele WiFi-clients te gebruiken, maar na het optellen van de Microcontroller (Arduino Pro Mini =$ 7), temperatuursensor ($ 4) en draadloze module (XBee =$ 17) zijn de totale kosten per sensor nooit toegestaan voor implementaties op de benodigde schaal. Gecombineerd met de kosten van de gateway en de server, zou een minimale installatie gemakkelijk meer dan $ 250 kunnen kosten voordat rekening wordt gehouden met tijd en kosten voor het opzetten van de server en webservices. Verschillende RF-modules zoals de nrf24l01 waren beschikbaar tegen zeer lage kosten, maar configuratie bleek altijd te ingewikkeld met behulp van software en codebibliotheken die op dat moment beschikbaar waren.

De kans.

Verschillende recente ontwikkelingen hebben een dergelijk netwerk veel haalbaarder dan ooit gemaakt.

• De wet van Moore blijft van toepassing op goedkopere wifi-componenten, zoals de ESP8266 in het bijzonder.
• Open source-communityprojecten zoals http://www.mysensors.org/ hebben goedkope apparaten zoals de NRF24l01 veel gemakkelijker gemaakt om mee te werken.
• IOT-servers zoals NodeRED, home-assistant.io, EasyIOT en nog veel meer kunnen worden geïmplementeerd op een Raspberry Pi (die nu verkrijgbaar is voor slechts $ 5!), voor eenvoudige plug-and-play-netwerken, automatisering en verbinding naar andere webgebaseerde services.
• De markt voor huisautomatisering is eindelijk mainstream geworden, die ondanks schromelijk hoge prijzen voor producten zoals de Phillips Hue of de (iets meer gerechtvaardigde prijs van een) NEST-thermostaat het belang heeft erkend van het bieden van een robuuste API aan programmeurs en hackers.
• /li>

Initiële hardwarevereisten.

Een les die ik heb geleerd van eerdere pogingen, is om te voorkomen dat je afhankelijk bent van een enkel type hardware. Het netwerk moet flexibel genoeg zijn om nieuwe componenten toe te voegen en oude te verwijderen als er nieuwe mogelijkheden beschikbaar komen. Dit geldt zowel voor de verschillende open source-modules die het grootste deel van het netwerk voor hun rekening nemen als voor commerciële apparaten zoals de WINK Hub, 

Op dit moment bestaat mijn netwerk uit de volgende componenten-

• 4x nrf24l01 RF-modules en 1x MySensors Gateway
• 2x ESP8266 wifi-modules
• 5x ds18b20 temperatuursensoren
• 2x TMP36 temperatuursensoren
• 1x Arduino Nano
• 1x Arduino Fio
• 3x Arduino Pro Mini

Temperatuursensoren

Temperatuurgevoelige apparaten zijn er in veel verschillende vormen en hun verschillende verzamelmethoden hebben allemaal voor- en nadelen. Hun nauwkeurigheid kan variëren van eenvoudige analoge thermosisters (bovenste rij midden) die de temperatuur berekenen op basis van elektrische weerstand tot supernauwkeurige contactloze infraroodsensoren zoals de MLX90614 (bovenste rij rechts). Andere populaire opties zijn DHT-11-sensoren (in blauw hieronder) die zowel vochtigheid als temperatuur meten.

Om de beste balans tussen kosten, betrouwbaarheid en nauwkeurigheid te bereiken, heb ik twee primaire sensortypen gebruikt. De DS18b20 digitale temperatuursensor en de TMP36 analoge sensor. Zoals elke sensor hebben beide hun nadelen. De digitale sensor vereist namelijk een complexere code voordat deze kan worden geprogrammeerd, terwijl de analoge sensor moet worden gekalibreerd. De beste plaats om meer te weten te komen over deze sensoren is zoals gewoonlijk via Adafruit-. Een tutorial voor de TMP36 is hier te vinden- https://learn.adafruit.com/tmp36-temperature-sensor terwijl ze veel informatie over de DS18b20 hebben hier- https://learn.adafruit.com/adafruits-raspberry- pi-lesson-11-ds18b20-temperature-sensing

Draadloze modules

Zoals eerder vermeld, was de belangrijkste belemmering voor dit project in voorgaande jaren de draadloze communicatie. Met name twee ontwikkelingen hebben deze drempel aanzienlijk verlaagd.

• De open source online community op mysensors.org heeft het veel gemakkelijker gemaakt om een ​​netwerk te configureren met behulp van supergoedkope rf-modules
• Goedkope wifi-modules, bekend als ESP8266, hebben de kosten voor rechtstreekse communicatie met hardwareapparaten via wifi aanzienlijk verlaagd

Om het netwerk zo flexibel mogelijk te maken, heb ik mijn netwerk zo ontworpen dat het beide benaderingen omvat.

NR24l01 RF-netwerk

Supergoedkope modules die gebruik maken van radiofrequenties zijn altijd al beschikbaar geweest, maar ze waren notoir lastig te configureren en verre van betrouwbaar. RF-modules vervaardigd door Nordic Semiconductor en genaamd NRF24L01 zijn iets eenvoudiger te configureren omdat elke module zowel een RF-signaal kan verzenden als ontvangen.

Dit zorgt voor een iets complexere 'boom'-netwerktopologie, zoals wordt geïllustreerd in de onderstaande schets van mysensors.org.

Bron:Huishoudelijke temperatuurstroom in kaart brengen met goedkope sensoren