IoT-lämpötila- ja kosteusmittarin anturoinnin suunnittelu
Koivistoinen, Juho-Ville (2021)
Kandidaatintyö
2021
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202103177655
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202103177655
Tiivistelmä
Tämä kandidaatintyö on osa IoT-lämpötila- ja kosteusmittarin suunnittelua. Työn tavoitteena oli selvittää, millainen anturointiratkaisu on soveltuva Raspberry Pi -korttitietokoneella toteutettavaan etämittaukseen, kun halutaan mitata lämpötilaa ja ilmankosteutta Suomessa sijaitsevan kesämökin sisätiloista ympärivuotisesti.
Parhaiten mittaukseen soveltuvat anturityypit selvitettiin kirjallisuuskatsauksen avulla. Kirjallisuuskatsauksessa tutkittiin oppikirjoja, tieteellisiä artikkeleita ja kaupallisten anturien datalehtiä. Kirjallisuuskatsauksen perusteella valittiin mittaukseen parhaaksi osoittautunutta anturityyppiä edustavat anturit. Anturointiratkaisun suunnitteluun kuului myös anturien kytkentöjen suunnittelu. Suunnitellun anturointiratkaisun soveltuvuutta käyttökohteeseen haluttiin testata myös käytännössä, joten anturointiratkaisua hyödyntävästä laitteesta rakennettiin prototyyppi, jolle tehtiin käyttöympäristön olosuhteita simuloiva mittaus. Mittaukset suoritettiin Vötsch VC 4018 -sääkaapissa.
Lämpötila-anturityypeistä valittiin keskenään vertailtaviksi vastusanturi (eng. lyhenne RTD), NTC-termistori ja puolijohdeanturit. Kosteusantureista vertailtiin kapasitiivista ja resistiivistä kosteusanturia. Sekä lämpötila- että kosteusantureista osoittautui selkeästi parhaat tyypit mittauskohteeseen, jolloin mittaukseen valittiin lämpötila-anturiksi vastusanturi ja kosteusanturiksi kapasitiivinen anturi. Valinnassa painotettiin anturin stabiilisuutta, joka oli vastusanturilla ja kapasitiivisella kosteusanturilla paras omassa vertailuryhmässään.
Prototyypin mittaaman lämpötilan ja suhteellisen kosteuden huomattiin käyttäytyvän mittauksessa oikein. Siten anturointiratkaisun suunnittelun ja prototyypille tehdyn mittauksen perusteella anturointiratkaisua hyödyntävän laitteen ja anturointiratkaisun voidaan sanoa soveltuvan mittauskohteeseen. This Bachelor’s Thesis is a part of IoT temperature and humidity meter design process. The objective was to design an applicable sensor system for a Raspberry Pi based IoT device. The device measures temperature and humidity year-round in a summer cottage located in Finland.
A literature review was conducted in order to find the best fitting sensor types in the measurement. The literature review consists of books, papers and datasheets of commercial sensors. As a result of the literature review sensors corresponding to the best fitting sensor types were selected. The design of sensor system included also the design of sensor circuits. In order to test the operation of the sensor system in practice, a prototype was built for a measurement that simulated the operating conditions of the summer cottage. The measurements were made in Vötsch VC 4018 climate test chamber.
Resistance Temperature Detector, NTC thermistor and semiconductor sensors were compared between temperature sensors. Capacitive and resistive humidity sensors were compared between humidity sensors. Clearly best fitting sensor types as a temperature sensor and a humidity sensor were found to the measurement. Selected temperature sensor is Resistance Temperature Detector and selected humidity sensor is Capacitive humidity sensor. The stability of a sensor was heavily underlined in the selection process. Both the Resistance Temperature Detector and Capacitive humidity sensor were found as best types in reviewing sensor stability.
The behaviour of measured temperature and humidity was observed correct in the measurement. As a result of the design process of the sensor system and the conducted measurement, the sensor system can be held applicable in the IoT device’s operating conditions.
Parhaiten mittaukseen soveltuvat anturityypit selvitettiin kirjallisuuskatsauksen avulla. Kirjallisuuskatsauksessa tutkittiin oppikirjoja, tieteellisiä artikkeleita ja kaupallisten anturien datalehtiä. Kirjallisuuskatsauksen perusteella valittiin mittaukseen parhaaksi osoittautunutta anturityyppiä edustavat anturit. Anturointiratkaisun suunnitteluun kuului myös anturien kytkentöjen suunnittelu. Suunnitellun anturointiratkaisun soveltuvuutta käyttökohteeseen haluttiin testata myös käytännössä, joten anturointiratkaisua hyödyntävästä laitteesta rakennettiin prototyyppi, jolle tehtiin käyttöympäristön olosuhteita simuloiva mittaus. Mittaukset suoritettiin Vötsch VC 4018 -sääkaapissa.
Lämpötila-anturityypeistä valittiin keskenään vertailtaviksi vastusanturi (eng. lyhenne RTD), NTC-termistori ja puolijohdeanturit. Kosteusantureista vertailtiin kapasitiivista ja resistiivistä kosteusanturia. Sekä lämpötila- että kosteusantureista osoittautui selkeästi parhaat tyypit mittauskohteeseen, jolloin mittaukseen valittiin lämpötila-anturiksi vastusanturi ja kosteusanturiksi kapasitiivinen anturi. Valinnassa painotettiin anturin stabiilisuutta, joka oli vastusanturilla ja kapasitiivisella kosteusanturilla paras omassa vertailuryhmässään.
Prototyypin mittaaman lämpötilan ja suhteellisen kosteuden huomattiin käyttäytyvän mittauksessa oikein. Siten anturointiratkaisun suunnittelun ja prototyypille tehdyn mittauksen perusteella anturointiratkaisua hyödyntävän laitteen ja anturointiratkaisun voidaan sanoa soveltuvan mittauskohteeseen.
A literature review was conducted in order to find the best fitting sensor types in the measurement. The literature review consists of books, papers and datasheets of commercial sensors. As a result of the literature review sensors corresponding to the best fitting sensor types were selected. The design of sensor system included also the design of sensor circuits. In order to test the operation of the sensor system in practice, a prototype was built for a measurement that simulated the operating conditions of the summer cottage. The measurements were made in Vötsch VC 4018 climate test chamber.
Resistance Temperature Detector, NTC thermistor and semiconductor sensors were compared between temperature sensors. Capacitive and resistive humidity sensors were compared between humidity sensors. Clearly best fitting sensor types as a temperature sensor and a humidity sensor were found to the measurement. Selected temperature sensor is Resistance Temperature Detector and selected humidity sensor is Capacitive humidity sensor. The stability of a sensor was heavily underlined in the selection process. Both the Resistance Temperature Detector and Capacitive humidity sensor were found as best types in reviewing sensor stability.
The behaviour of measured temperature and humidity was observed correct in the measurement. As a result of the design process of the sensor system and the conducted measurement, the sensor system can be held applicable in the IoT device’s operating conditions.