Аннотация
ВВЕДЕНИЕ 1
1. Т еоретическая часть 3
1.1. DS18B20 4
1.1.1. 1-Wire 4
1.1.2. Система команд 7
1.2. HIH-5031 10
1.2.1. Аналогово-цифровой преобразователь 11
1.3. Системы на чипе ESP32 11
1.4. Wi-Fi 12
1.4.1. ESP-WIFI-MESH 14
1.5. HTTP протокол 20
1.5.1. Структура HTTP-сообщения 21
1.6. JSON 23
1.6.1. Вид отправляемых пакетов сетью 24
2. Практическая часть 26
2.1. Создание аппаратной части устройства 26
2.2. Среда разработки ESP-IDF 28
2.3. Алгоритм работы устройства 30
2.4. Платформа для разработки ESP-WROOM-32 31
2.5. Настройка ESP-WIFI-MESH 32
2.6. Формирование и отправка HTTP запроса 34
2.7. Результат работы 36
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 38
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 39
Развитие микропроцессоров вместе с уменьшением их стоимости привело к большему внедрению техники на их основе в повседневное окружение человека. С учетом также широкого распространения интерфейсов беспроводной передачи данных и реализации данных интерфейсов на недорогих модулях появилась возможность создавать экономически эффективные сети из устройств, которые могут получать данные с датчиков и других устройств, обрабатывать их и передавать друг другу. Такого рода сети получили широкое распространение в домашней автоматизации, т.н. «умных домах», а также во многих других областях и носят название - Интернет Вещей (IoT - Internet of Things).
Одним из применений таких сетей может быть сеть мониторинга температурных полей и относительной влажности в таких помещениях как, теплицы. В современных теплицах необходимо несколько точек для отслеживания локальных параметров климата в разных частях большой теплицы с целью корректной работы системы контроля климата. Провода делают систему измерения дорогой и уязвимой. Более того, проводные точки измерения сложно переместить после монтажа. Поэтому выбор Интернета Вещей в виде беспроводной сети небольших измерительных устройств является привлекательным и экономичным решением для построения измерительной сети.
Для мониторинга климатических параметров теплицы используются устройства реализующие соединения по различным беспроводным сетям. Примерами таких сетей является соединение устройств по сети Wi-Fi [4], BLE, LoRa WAN или других технологиях беспроводной передачи данных [1]. Данные решения объединяет тип соединения устройств сети в виде звезды, когда есть главное устройство сети и остальные устройства сети подключаются к нему. Такое соединение устройств позволяет расположить датчики только в зоне досягаемости сигнала главного устройства, которая зачастую не охватывает всю площадь теплицы. Таким образом появляется необходимость установки нескольких таких сетей в теплице для получения полной информации о ее климатических параметрах.
Альтернативой такому соединению являются беспроводные ячеистые сети, имеющие зачастую также главное устройство, к которому подключаются остальные устройства сети, но, в данном случае, устройства также имеют возможность передавать информацию не через главное устройство, то есть друг через друга. Данная особенность позволяет масштабировать сети на большие площади, так как расположение устройств больше не зависит от зоны досягаемости главного устройства. Таким образом, используя лишь одну сеть можно получать информацию о климатических параметрах со всей теплицы.
Беспроводные ячеистые сети на данный момент зачастую реализуются с помощью современной технологии BLE MESH [5]. Альтернативой данной технологии является ESP- WIFI-MESH - технология ячеистой сети, построенная на Wi-Fi соединении и созданная разработчиком микроконтроллера ESP32 Espressif Systems. Ввиду использования в основе сети Wi-Fi, данная технология уступает по энергоэффективности BLE MESH, но обладает более гибкой и простой настройкой сети. В данной работе будет рассмотрено использование технологии ESP-WIFI-MESH для построения ячеистой IoT сети.
Целью данной работы является создание устройства, основанного на современном микроконтроллере ESP32. Задачей данного устройства будет формирование ячеистой IoT сети ESP-WIFI-MESH, получение показаний с датчиков и передача полученных данных на сервер.
В результате выполнения данной задачи были изучены следующие технологии:
• Беспроводная сеть Wi-Fi;
• Беспроводная mesh-сеть ESP-WIFI-MESH;
• Интерфейс передачи данных 1-Wire;
• Аналогово-цифровое преобразование в микроконтроллерах;
• Формат передачи данных JSON;
• Стандартный протокол передачи данных для сети «интернет» HTTP;
Был создан прототип рассматриваемого устройства, который имеет возможность получения данных, сбора этих данных в ESP-WIFI-MESH сети и отправка данного пакета на сервер.
Результаты работы показали, что возможно использование EWM в качестве технологии для формирования ячеистой сети для сбора данных о температурном и влажностном поле теплицы, но целесообразность такого решения весьма ограничена слишком большим потреблением энергии беспроводной сетью Wi-Fi, на которой основан EWM, что является недостатком по отношению к другим похожим решениям, например, на основе BLE или LoRa, которые имеют гораздо меньшее энергопотребление. Но если использовать данное устройство в теплицах с освещением, как, например, в теплицах с огурцами освещение активно 20 часов в сутки, то подключение солнечной панели к устройству позволяет значительно увеличить время его эксплуатации.
