Custom universele low-power LoRa-sensor
Een zelf ontworpen LoRa-sensor: een zuinige sensor- en controlprint met groot bereik, jaren batterijduur en Arduino-achtige programmeerbaarheid.
Achtergrond
Draadloze sensoren zijn praktisch voor home automation en monitoring, maar ze lopen vaak tegen twee beperkingen aan: bereik en stroomverbruik. Na experimenten met LoRa besloot ik daarom mijn eigen LoRa-sensorprint te ontwerpen en bouwen.
De belangrijkste doelen waren:
- laag stroomverbruik en batterijduur van meerdere jaren
- communicatie over grote afstand, in open veld meer dan 1 km
- programmeerbaar zoals een Arduino
- eenvoudige maar robuuste hardware voor meerdere toepassingen
- volledige controle over firmware zonder vendor lock-in
Dit project is onderdeel van mijn Home Automation System.
Hardwareontwerp
De sensorprint is volledig vanaf nul ontworpen met focus op efficientie, flexibiliteit en betrouwbaarheid.
Kerncomponenten:
- ATmega328P microcontroller
- RFM95W LoRa-transceiver
- geintegreerde temperatuurmeting
- meerdere schakel- en digitale inputs
- relay / SSR control outputs
- voeding op basis van een enkele 18650 Li-Ion cel
De print is volledig programmeerbaar en gedraagt zich als een standaard Arduino Pro Mini. Daardoor blijft firmwareontwikkeling snel en kan bestaande tooling gebruikt worden.
Ultra-low-power concept
Laag stroomverbruik was de belangrijkste ontwerpvoorwaarde. Elk deel van het systeem is geoptimaliseerd om standby-verbruik te minimaliseren:
- standaard deep sleep
- delen van de print kunnen automatisch uitgeschakeld worden
- LoRa-module volledig uit tussen transmissies
- timing en spanningsinstellingen zorgvuldig afgestemd
De gemeten sleep current is 5.3 µA.
In een test met een energiemeter-pulsteller, die elke drie minuten het verbruik verstuurde, heeft de sensor buiten ongeveer drie jaar gewerkt op een 3500 mAh batterij.
De werkelijke batterijduur hangt sterk af van verzendinterval, payloadgrootte, temperatuur en batterijveroudering. In echte toepassingen blijft conservatieve firmware belangrijk.
Typische toepassingen
De print is bedoeld voor plekken waar bekabeling lastig of onpraktisch is:
- temperatuurmonitoring op afstand
- deur- en raamsensoren
- uitlezen van energiemeters
- brievenbusmonitoring
- weerstationmonitoring
Omdat de firmware volledig programmeerbaar is, kan dezelfde hardware voor veel verschillende toepassingen gebruikt worden.
Projecten op basis van deze print
Ik heb onder andere deze toepassingen op basis van deze print gebouwd:
- temperatuurmonitoring op afstand
- deur- en raamstatus
- energiemeteruitlezing
- mailboxmonitoring
- hot tub temperatuurmonitoring
- pool temperatuurmonitoring
- vriezertemperatuurmonitoring
- weerstationmonitoring
- testgateway
Het systeem is niet afhankelijk van een specifieke cloudomgeving en kan met een eigen LoRa-gateway of receiver geintegreerd worden.
De USB LoRa-gateway
Het netwerk van LoRa-sensoren kan via een USB LoRa-gateway gemonitord en aangestuurd worden:
De LoRa2MQTT-service staat hier:
Resultaat
Het resultaat is een compacte, zuinige en flexibele LoRa-sensor die langdurig autonoom kan werken op plekken die anders lastig te monitoren zijn.
De kracht zit in flexibiliteit, laag stroomverbruik en groot draadloos bereik. De belangrijkste engineering-uitdaging blijft de juiste balans vinden tussen responsiviteit en batterijduur.