Inleiding

betrouwbaar, goedkoop en energiezuinig meten van waterpeilen en draadloze verzenden van meetdata via LoRaWAN naar The Things Network.

Meetprincipe

Er is gekozen voor een gescheiden opbouw van timer- en meetschakeling. Dit eliminieert ongewenste ruststroom door ultrasoonsensor en LoRaWAN-module tussen twee metingen.
Timer- en meetschakeling werken met een Atmega328P microcontroller zonder externe componenten. Gebruik van de interne oscillator (8MHz) en een voedingsspanning van 3,3V resulteert in een laag stroomverbruik.
Door toepassing van de P-versie van de HC-SR04 ultrasoonsensor neemt deze ook genoegen met 3,3V. De gebruikte LoRA-WAN module (RFM95) werkt ook op 3,3V. Door toepassing van één voedingsspanning is ook maar één spanningsregelaar nodig.

Voor een correcte werking van de HC-SR04 heeft deze vóór het inschakelen een aardeverbinding nodig. Daarvoor is een high-side switch nodig tussen timer- en meetschakeling. Hiervoor is een P-channel MOSFET of een optocoupler te gebruiken. In dit geval is gekozen voor een MOSFET omdat deze een hogere belasting kan schakelen dan een optocoupler.

Gebruikte componenten
  • Atmega328P (2x) zonder externe componenten (werkt op interne 8MHz oscillator)
  • RFM95W LoRaWAN module
  • HC-SRO4P ultrasoonsensor (VCC 3,0-5,5V)
  • MCP1700-3302E/TO of MCP1702-3302E/TO spanningsregelaar (ruststroom ca 2µA)
  • ontkoppelcondensator 1 µF (2x)
  • P-channel MOSFET NDP6020P
Voorbereiding Atmega328P

Een Atmega328P is te gebruiken zonder externe 16MHz oscillator. Daarvoor is wel een andere bootloader nodig. Ook het uploaden van een sketch wijkt af van de standaardmethode.

(Installatie Arduino IDE in Ubuntu)

Stap 1
Neem een Arduino Uno en upload de sketch ArduinoISP.ino (in Arduino IDE: File > Examples > ArduinoISP).

Arduino IDE > Tools:
Board: Arduino Uno/Genuino Uno
Programmer: AVRISP mkII

Stap 2
Nieuw board toevoegen aan Arduino IDE: File > Preferences > Additional Boards Manager URLs > https://mesom.de/atflash/package_atflash_index.json
In Tools: Board > Boards Manager > atflash > Install

Stap 3
Verbind de in stap 2 geprepareerde Uno met een tweede Uno waarin je de te programmeren Atmega 328P plaatst.

Of met een ‘luxere’ versie waarbij beide UNO’s permanent zijn verbonden. De Atmega is nu eenvoudiger te plaatsen.

Atmega programmer Multiflexmeter

Atmega programmer Multiflexmeter

Stap 4
Arduino IDE > Tools:
Board: ATmega328P (ISP)(Int.8 MHz)(Shift!)
Programmer: Arduino as ISP

Tools > Burn Bootloader (duurt ca 8 s).

Stap 5
Download alle benodigde libraries.
Pak deze ZIP-file uit en voeg de complete inhoud toe aan de Arduino libraries map: …\Gebruiker\Documenten\Arduino\libraries

Stap 6
Upload de timer sketch naar een Atmega 328P.
Upload de meet sketch naar een tweede Atmega 328P.
Let op: gebruik Upload in combinatie met de Shift-toets.

Tijdens het uploaden:
Uno programmer: RX en TX knipperen en ON brandt continu
Uno ontvanger: L led knippert

Breadboard opstelling

Multiflexmeter HC-SR04 LoRaWAN

Multiflexmeter peil versie2 breadboard

Energieverbruik

Om het energieverbruik te minimaliseren dient de meettijd zo kort mogelijk te zijn.
Een meettijd van 100 ms blijkt lang genoeg te zijn voor meten en verzenden. Na meten/verzenden blijft het systeem 15 minuten in rust.

Tijdens meten/verzenden bedraagt het stroomgebruik 17,4 mA (gemeten over een 6,5V voedingsbron).
Tussen twee metingen bedraagt het stroomgebruik 7,2 µA.

Gemiddeld stroomverbruik: [(0,1 x 17,4) + (900 x 0,0072)]/900,1 = 0,0091 mA = 9,1 µA.
Gemiddeld opgenomen vermogen: 9,1 x 6,5 = 59,2 µW.
Minimale voedingsspanning: 2,92 V.
De schakeling werkt dus ook met een 3V knoopcel. Een nieuwe CR2032 levert 3,26 V.

PCB

Bovenstaand schema is verwerkt in 2-laags Printed Circuit Board (PCB).
PCB past in de sleuven van de waterdichte behuizing (Velleman G340MF).
Er is gekozen voor een through hole PCB. Alle gebruikte componenten zijn beschikbaar in through hole versie. Dit vereenvoudigt het handmatig solderen van prototypes.
Beide Atmega-IC’s zijn zodanig gepositioneerd dat deze gemakkelijk zijn te (de)monteren voor het uploaden van een sketch.
De LoRa-module is voorzien van male-headers en wordt in female sockets geplaatst.

PCB Multiflexmeter Peil 2.0

PCB Multiflexmeter Peil 2.0

Geassembleerde Multiflexmeter-Peil in de Velleman G340MF behuizing:

Multiflexmeter-waterpeil in Velleman G340MF behuizing

Voeding via 4 oplaadbare AA batterijen (penlites) van het type GP ReCyko+ AA 2100mAh.
Deze batterijen zijn geselecteerd op basis van hun lage zelfontlading en gunstige prijs/kwaliteit-verhouding.