Las instrucciones para control del pluviómetro y sensores complementarios se encuentran segmentadas por bloques:
- Bloque principal
- Sensores
- Envío de tramas
- Recepción de tramas
[ sensores ] [ envía ] [ recibe ] [ principal ]
…
Sensores
El bloque de sensores se simplifica por partes de control y comunicación acorde al tipo de sensor:
- pulsos: Pluviómetro
- Analógicos: batería
- I2C: humedad, temperatura y presión atmosférica
Pulsos: pluviómetro
El pluviómetro se centra en medir el vaciado de la «doble cubeta basculante».
Para la detección se usa un interruptor magnético que marca el cambio de estado mediante un pulso (pulse) conectado al pin asignado (pluvioPin). Para que la detección sea independiente del estado del dispositivo se usa una interrupción de instrucciones (pulse_tip) que cuenta el pulso (pulse) en flanco de subida (RISING)y marca el evento (pulse_flag).
attachInterrupt(pluvioPin, pulse_tip, RISING);
El dispositivo cuenta los pulsos generados durante un minuto (sample_period) y los almacena en una lista (pulse_list) hasta la transmisión de los datos hacia el gateway LoRa.
Analógicos: Batería
El sensor de estado de batería es un ADC que toma una lectura del estado de la batería antes de cada transmisión LoRa.
I2C: humedad, temperatura y presión atmosférica
Los sensores de humedad, temperatura y presión son de tipo I2C que se activan solo al ser leídos en cada ciclo de transmisión mediante el pin Vext, Posterior a la lectura apagan para optimizar el ahorro de energía.
Antes de cada lectura, se realiza una verificación de estado de conexión al sensor optimizando el tiempo de éste proceso en caso de fallas del sensor expuesto a condiciones ambientales.
// sensors block
// pluviometer pulse counter at interrupt
void pulse_tip(){
if (pulse<=255){pulse = pulse + 1;}
pulse_flag = true;
}
void pulse_check(){
if (pulse_flag==true){
if (pulse>255){pulse=255;}
pulse_flag = false;
tipfree = 0;
if (serial_msg){
Serial.print("_|_: ");Serial.println(pulse);
}
turnOnRGB(128,200);turnOffRGB();
}
}
void minute_check(){
int i = 0;
pulse_list[i_minute] = pulse;
if (i_minute>=n_minute){
// pluviometer update
for (i = 0; i < n_minute; i = i + 1) {
pluviometer[i] = pulse_list[i];
pulse_list[i] = 0;
}
i_minute = 0;
loop_0 = false;
sensor_flag = true;
tx_done = false;
}
if (serial_msg){
Serial.print("i_minute:");Serial.print(i_minute);
Serial.print(" ; pulse_list:");
for (i = 0; i < n_minute; i = i + 1) {
Serial.print(" "); Serial.print(pulse_list[i]);
}
Serial.print(" ; pluviometer:");
for (i = 0; i < n_minute; i = i + 1) {
Serial.print(" "); Serial.print(pluviometer[i]);
}
Serial.print(" ; tipfree "); Serial.println(tipfree);
}
}
void read_sensors(){
batteryVoltage = getBatteryVoltage();
// sensors check i2c on
byte sensor_error, address;
digitalWrite(Vext, LOW); delay(300);
Wire.begin();
humitemp_active = false;
Wire.beginTransmission(0x40);
sensor_error = Wire.endTransmission();
if (sensor_error == 0){humitemp_active = true;}
prestemp_active = false;
Wire.beginTransmission(0x77);
sensor_error = Wire.endTransmission();
if (sensor_error == 0){prestemp_active = true;}
if (humitemp_active){hdc1080.begin(0x40);}
if (prestemp_active){bmp.begin();}
if (humitemp_active){
ht_temp = hdc1080.readTemperature();
ht_humi = hdc1080.readHumidity();
}
float bar_alti = 0, bar_sea_pres = 0, bar_sea_alt = 0;
if (prestemp_active){
bar_temp = bmp.readTemperature();
bar_pres = bmp.readPressure();
bar_alti = bmp.readAltitude();
bar_sea_pres = bmp.readSealevelPressure();
bar_sea_alt = bmp.readAltitude(100800);
}
// sensors I2C off
Wire.end();
digitalWrite(Vext, HIGH);
if (serial_msg){
Serial.print("Battery = ");Serial.print(batteryVoltage);
Serial.print(" ; --- sensor ");
Serial.print("hum_temp: "); Serial.print(humitemp_active);
Serial.print(" ; bar_temp: "); Serial.println(prestemp_active);
if (humitemp_active){
Serial.print("HDC1080 Temperature = ");
Serial.print(ht_temp); Serial.print(" C ; Humidity = ");
Serial.print(ht_humi);Serial.println(" %");
}
if (prestemp_active){
Serial.print("BMP180 Temperature = ");
Serial.print(bar_temp);Serial.println(" C");
Serial.print(" Pressure = ");
Serial.print(bar_pres);Serial.print(" Pa ; Altitude = ");
Serial.print(bar_alti);Serial.println(" meters");
Serial.print(" SeaLevel(calc)= ");
Serial.print(bar_sea_pres); Serial.print(" Pa ; Altitude = ");
Serial.print(bar_sea_alt); Serial.println(" meters");
}
Serial.println("");
}
}
void onSleep(){
Serial.print("\n i_minute:");Serial.print(i_minute);
Serial.printf(" ;Going into lowpower mode, %d ms later wake up.\r\n",timetillwakeup);
lowpower = 1;
//timetillwakeup ms later wake up;
timetillwakeup = sample_period*1000 - (millis()-sample_ti);
TimerSetValue( &wakeUp, timetillwakeup );
TimerStart( &wakeUp );
}
void onWakeUp(){
Serial.println(" ... Woke up by time");//, %d ms later into lowpower mode.\r\n",timetillsleep);
lowpower = 0;
sleep_flag = false;
sleep_done = true;
//timetillsleep ms later into lowpower mode;
//TimerSetValue( &sleep, timetillsleep );
//TimerStart( &sleep );
}
Adicionalmente existen dos procedimientos usados para el control del modo de ahorro de energía: onSleep() y onWakeup(), que junto a la instrucción lowPowerHandler() permiten un mayor ahorro de energía en los ciclos donde no se han producido pulsos del pluviómetro. Esto minimiza el uso de batería ante los periodos sin lluvia y manteniendo aún el registro por minuto durante largos periodos.
Básicamente, se usa el modo de ahorro de energía si no han ocurrido eventos de conteo del pluviómetro durante al menos un ciclo de n_minute, caso contrario se mantiene el controlador activo.
[ sensores ] [ envía ] [ recibe ] [ principal ]
…
LoRaWan – Envia trama
La trama se configura usando los parámetros obtenidos en el dispositivo para cada sensor.
- Rssi Downlink (1 byte)
- Snr Downlink (1 byte)
- Datarate Downlink (1 byte)
- Voltaje de batería (2 bytes)
- sensores (15 bytes)
/* Prepares the payload of the frame */
static void prepareTxFrame( uint8_t port ) {
unsigned char *puc;
signed char *pucs;
// trama
appDataSize = 15 + n_minute; // 15+pluvio_list size
appData[0] = ack_rssi; //Ack leido en dispositivo
appData[1] = ack_snr;
appData[2] = ack_datarate;
appData[3] = (uint8_t)batteryVoltage;
appData[4] = (uint8_t)(batteryVoltage>>8);
// convierte float a bytes
int ht_temp_int = round(ht_temp*100);
pucs = (signed char *)(&ht_temp_int);
appData[5] = pucs[0];
appData[6] = pucs[1];
// convierte float a bytes
int ht_humi_int = round(ht_humi*100);
puc = (unsigned char *)(&ht_humi_int);
appData[7] = puc[0];
appData[8] = puc[1];
// convierte float a bytes
int bar_temp_int = round(bar_temp*100);
pucs = (signed char *)(&bar_temp_int);
appData[9] = pucs[0];
appData[10] = pucs[1];
// convierte float a bytes
puc = (unsigned char *)(&bar_pres);
appData[11] = puc[0];
appData[12] = puc[1];
appData[13] = puc[2];
appData[14] = puc[3];
for (int i = 0; i < n_minute; i = i + 1) {
appData[15+i] = pluviometer[i];
}
// if (serial_msg){
// Serial.print("send pluviometer:");
// for (int i = 0; i < n_minute; i = i + 1) {
// Serial.print(" ");
// Serial.print(pluviometer[i]);
// }
// Serial.println("");
// }
for (int i = 0; i < n_minute; i = i + 1) {
pluviometer[i]=0;
}
}
[ sensores ] [ envía ] [ recibe ] [ principal ]
…
LoRaWan – Recibe trama
Manejo de tramas recibidas por el dispositivo para control o recibo de recibidos (Ack)
//downlink data handle and downLink Ack Handle functions
void downLinkDataHandle(McpsIndication_t *mcpsIndication) {
// revisa parametros
Serial.print("\nLlegó un mensaje para dispositivo...");
// Serial.print("Rssi: ");
// Serial.println(mcpsIndication->Rssi);
// Serial.printf("+REV DATA:%s,RXSIZE %d,PORT %d\r\n",
// mcpsIndication->RxSlot ? "RXWIN2" : "RXWIN1",
// mcpsIndication->BufferSize, mcpsIndication->Port);
// Serial.print("+REV DATA:");
// for (uint8_t i = 0; i < mcpsIndication->BufferSize; i++) {
// Serial.printf("%02X", mcpsIndication->Buffer[i]);
// }
// parametros de recepcion
ack_rssi = uint8_t(abs(mcpsIndication->Rssi));
ack_snr = uint8_t(mcpsIndication->Snr);
ack_datarate = uint8_t(mcpsIndication->RxDoneDatarate);
// recibido de trama
Up_rssi = uint8_t(mcpsIndication->Buffer[0]);
//
Serial.print("Rx ack_Rssi:-"); Serial.print(ack_rssi);
Serial.print(", ack_Snr:");Serial.print(ack_snr);
Serial.print(", ack_Datarate: ");Serial.println(ack_datarate);
Serial.print(" Up_rssi:");
Serial.print(-1*Up_rssi);
Serial.printf(" +REV DATA:%s,RXSIZE %d,PORT %d\r",mcpsIndication->RxSlot?"RXWIN2":"RXWIN1",mcpsIndication->BufferSize,mcpsIndication->Port);
Serial.println();
}
void downLinkAckHandle(McpsIndication_t *mcpsIndication){
ack_rssi = uint8_t(abs(mcpsIndication->Rssi));
ack_snr = uint8_t(mcpsIndication->Snr);
ack_datarate = uint8_t(mcpsIndication->RxDoneDatarate);
tx_done = true;
// if (serial_msg){
// Serial.println(' ');
// Serial.print(" ack received(rssi,snr,datarate): -");
// Serial.print(ack_rssi);Serial.print(" ,");
// Serial.print(ack_snr);Serial.print(" ,");
// Serial.println(ack_datarate);
// }
}
[ sensores ] [ envía ] [ recibe ] [ principal ]
…
LoRaWan – Bloque principal
El bloque principal se basa en el esquema básico de LoRaWan usado para sensores, cambiando la parte de ahorro de energía entre transmisiones DEVICE_STATE_SLEEP a una controlada por periodos de muestreo del pluviómetro con los procedimientos onSleep() y onWakeUp() descritos en la parte de sensores. Se controla las actividades de Lectura de sensores y modos de ahorro de energía por la sucesión de cada evento.
// LoRaWan Pluviometer, temperature, humidity and barometric pressure
// 2023 April
// http://blog.espol.edu.ec/girni/lorawan-pluviometro-ino/
#include "LoRaWan_APP.h"
#include "Arduino.h"
#include <Wire.h>
#include <HDC1080.h>
#include <BMP180.h>
/* set LoraWan_RGB to Active,the RGB active in loraWan
* red |sending; purple | joined done;
* blue |RxWindow1; yellow | means RxWindow2;
* green | received done;
*/
/* LoRaWan: OTAA parameters*/
uint8_t devEui[] = { 0x2e, 0x4f, 0xa4, 0xdd, 0xf0, 0x2f, 0x06, 0xeb };
uint8_t appEui[] = { 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00 };
uint8_t appKey[] = { 0x13, 0xb9, 0xd1, 0x66, 0x30, 0x2a, 0xeb, 0x53,
0x46, 0x6c, 0x0d, 0x2d, 0xa2, 0x31, 0x6b, 0xf0 };
/* ABP parameters*/
uint8_t nwkSKey[] = { 0xe2, 0x28, 0x89, 0xe0, 0x73, 0x22, 0xcb, 0xd1,
0xa7, 0x95, 0x64, 0x2e, 0xdb, 0xe5, 0x94, 0x42 };
uint8_t appSKey[] = { 0x1a, 0xfc, 0x10, 0xc5, 0x6f, 0xb8, 0xba, 0x86,
0x0d, 0xf3, 0xcf, 0xc5, 0xd2, 0xdb, 0x44 ,0xb8 };
uint32_t devAddr = ( uint32_t )0x01d06174;
/*LoraWan channelsmask, default channels 0-7*/
uint16_t userChannelsMask[6]={ 0x00FF,0x0000,0x0000,0x0000,0x0000,0x0000 };
/*Select in arduino IDE tools*/
LoRaMacRegion_t loraWanRegion = ACTIVE_REGION;
DeviceClass_t loraWanClass = LORAWAN_CLASS;
bool overTheAirActivation = LORAWAN_NETMODE;
bool loraWanAdr = LORAWAN_ADR;
bool keepNet = LORAWAN_NET_RESERVE;
bool isTxConfirmed = LORAWAN_UPLINKMODE;
// sample period
uint8_t sample_min = 0;
uint8_t sample_seg = 5;
uint32_t sample_period = (sample_min*60 + sample_seg);
uint32_t appTxDutyCycle = (sample_min*60 + sample_seg)*1000; // min*seg*ms
uint8_t appPort = 4; /* Application port */
/* trials to transmit frame, if didn't receive ack.
* The MAC performs a datarate adaptation,
* Tx nb|Data Rate
* -----|----------
* 1 |DR * 5 | max(DR-2,0)
* 2 |DR * 6 | max(DR-2,0)
* 3 |max(DR-1,0) * 7 | max(DR-3,0)
* 4 |max(DR-1,0) * 8 | max(DR-3,0)
*/
uint8_t confirmedNbTrials = 4;
// Ack reception parameters
uint8_t ack_rssi = 0;
uint8_t ack_snr = 0;
uint8_t ack_datarate = 0;
uint8_t Up_rssi = 0;
// serial print messages
bool serial_msg = true;
// time variables and control check
unsigned long sample_t0 = 0;
unsigned long sample_ti = 0;
unsigned long sample_dt = 0;
bool pluvio_flag = false;
bool sensor_flag = false;
unsigned long tx_t0 = 0;
bool tx_flag = false;
bool tx_done = false;
uint8_t tipfree = 0;
bool loop_0 = true;
bool sleep_flag = false;
bool sleep_done = true;
uint8_t i_minute = 0;
const uint8_t n_minute = 5;
uint8_t pulse_list[n_minute];
uint8_t pluviometer[n_minute];
uint8_t pulse = 0;
bool pulse_flag = false;
const uint8_t pluvioPin = GPIO5;
#define timetillsleep 60*60*1000
int timetillwakeup = sample_period*1000;
static TimerEvent_t sleep;
static TimerEvent_t wakeUp;
uint8_t lowpower=1;
//sensors libraries
HDC1080 hdc1080; // humidity and temperature sensor
BMP085 bmp; // barometer and temperature sensor
// sensors I2C active check and value variables
bool humitemp_active = false;
bool prestemp_active = false;
float ht_temp = 0, ht_humi = 0;
float bar_temp = 0, bar_pres = 0;
uint16_t batteryVoltage = 0;
void setup() {
Serial.begin(115200);
#if(AT_SUPPORT)
enableAt();
#endif
// OLED display status
//LoRaWAN.displayMcuInit();
pinMode(pluvioPin, INPUT); //OUTPUT_PULLUP);
attachInterrupt(pluvioPin, pulse_tip, RISING);
for (int i = 0; i < n_minute; i = i + 1) {
pulse_list[i] = 0;
pluviometer[i] = 0;
}
// sensors I2C Vcc pin control
pinMode(Vext, OUTPUT);
read_sensors();
// time variables iniciated
sample_t0 = millis();
sample_ti = sample_t0;
tx_t0 = sample_t0;
deviceState = DEVICE_STATE_INIT;
LoRaWAN.ifskipjoin(); //if joinned,skip
// lowpower mode
Radio.Sleep( );
TimerInit( &sleep, onSleep );
TimerInit( &wakeUp, onWakeUp );
onWakeUp();
}
void loop() {
if(lowpower){lowPowerHandler();}
pulse_check();
sample_t0 = millis();
sample_dt = abs(sample_t0-sample_ti);
if (sample_dt>=sample_period*1000){
sample_ti = sample_t0;
i_minute = i_minute + 1;
if (pulse==0){ // tipfree counter do not overflow
if (tipfree<=250){tipfree = tipfree + 1;}
if (tipfree>250){tipfree = 1;}
}
pulse = 0;
minute_check();
}
// read I2C sensors at i_minute=0
if (i_minute==0 && sensor_flag == true){
Serial.println(" reading sensors ...");
read_sensors();
sensor_flag = false;
}
// tx check
if (i_minute==0 && tx_flag==false && tx_done == false && loop_0==false){
tx_t0 = sample_t0;
deviceState = DEVICE_STATE_SEND;
tx_flag = true;
tx_done = false;
}
if (i_minute >= n_minute){tx_flag = false;}
// sleep check
if (i_minute==0 && tipfree>=n_minute && sleep_flag==false && sleep_done==true && tx_done==true){
sleep_flag = true;
sleep_done = false;
lowpower = 1;
//timetillsleep ms later into lowpower mode;
TimerSetValue( &sleep, 1 );
TimerStart( &sleep );
}
if (i_minute > 0 && tipfree>=n_minute && sleep_flag==false && sleep_done==true){
sleep_flag = true;
sleep_done = false;
lowpower = 1;
//timetillsleep ms later into lowpower mode;
TimerSetValue( &sleep, 1 );
TimerStart( &sleep );
}
switch( deviceState ) {
case DEVICE_STATE_INIT: {
#if(LORAWAN_DEVEUI_AUTO)
LoRaWAN.generateDeveuiByChipID();
#endif
#if(AT_SUPPORT)
getDevParam();
#endif
printDevParam();
LoRaWAN.init(loraWanClass,loraWanRegion);
deviceState = DEVICE_STATE_JOIN;
break;
}
case DEVICE_STATE_JOIN: {
//LoRaWAN.displayJoining();
LoRaWAN.join();
break;
}
case DEVICE_STATE_SEND: {
//LoRaWAN.displaySending();
prepareTxFrame( appPort );
LoRaWAN.send();
deviceState = DEVICE_STATE_CYCLE;
break;
}
case DEVICE_STATE_CYCLE: {
// Schedule next packet transmission
//txDutyCycleTime = appTxDutyCycle + randr( 0, APP_TX_DUTYCYCLE_RND );
//LoRaWAN.cycle(txDutyCycleTime);
deviceState = DEVICE_STATE_SLEEP;
break;
}
case DEVICE_STATE_SLEEP: {
//LoRaWAN.displayAck();
if (sleep_flag==true && sleep_done==false){
// if (serial_msg){
// Serial.print(" --- Sleep mode ; deviceState : ");
// Serial.print(deviceState);
// Serial.print(" ; i_minute : "); Serial.println(i_minute);
// }
//LoRaWAN.sleep();
sleep_done = true;
}
break;
}
default: {
deviceState = DEVICE_STATE_INIT;
break;
}
}
}
[ sensores ] [ envía ] [ recibe ] [ principal ]
