Wi-Fi/小電力/ワイヤレス温湿度計

SwitcBot Bluetooth 温湿度計

SwitchBotのワイヤレス温度計は、LCD表示器が付いているのでスタンドアロンとしても使えるし、Bluetoothでスマートフォンと接続するとワイヤレス温度計となりログも取れる。
これで価格が2千円以下なのだからお買い得と言える。

今回はこれを水槽用の温度計に改造する。
温室の温度も測っているが、温室の場合はこの温度計を置くだけである。
しかし水温を測るとなればそうは行かない。
スタンドアロンの温度計であれば防水ケースに入れて水に沈める事も出来るが、それではBluetooth接続が出来なくなる。

同軸ケーブルでアンテナ端子だけを引っ張り出す手もあるのだが、それはエレガントではない。
電池寿命が長い(半年以上は余裕で使える)とは言っても乾電池は交換しなければならないし、そもそも水槽の中で邪魔でしょ。

使われている温度センサ

この温度計の温湿度センサにはSHTC3が使われている。
これは温湿度センサとI2Cインタフェースを備えたインテリジェントデバイスだ。
温度精度は5℃～60℃で±0.2℃、湿度精度は±2%が規格値となっている。
毎秒1回の計測を行った時の平均消費電力は、高分解能モードでも6μA以下と少ない。
スリープ時の消費電流は300pA、ハイレゾリューション計測時のピーク電流が478μAとなっている。

温度センサはバンドギャップ式であり、平たく言うとPN接合部の順方向電圧降下の温度傾斜を使う。
これはリニアリティが良く無調整で精度が高いが、精度を確保するためには精度の高い定電流源が必要になる。
IC内に組み込む温度センサとしての精度は±0.1℃程度が得られる。

湿度センサは静電容量式だと思う。
静電容量式湿度センサは高分子感湿材を誘電体としたコンデンサ構造になっていて、乾湿材が空気中の水分を吸収する事によって誘電率が変化し、容量が変わる。
これも計算によって湿度が算出出来るため、校正を行わずに高精度の計測が出来る。

SwitchBot温度計の中身

ケースを開けるとLCDドライバとスイッチ、温度センサが見える。

デバイスはFN(Flat Non-leaded)パッケージなので半田ごてでの取り外しは難易度が高い。
と言っても取り外ししてみたんだけど。

取り外す事は出来るが、このパッケージに線を付けるのは結構大変だ。
足のピッチは1mmと広いものの、線を付けられる面積が小さい。
変換基板というか、手持ちの基板にデバイスを裏返しに乗せてみた。
端子の小ささが分かるだろうか。

温度センサを移植してみる

うまく半田が乗れば使えそうだ。
試しに半田付けし、線を付けてみる。

線がやたら太く見えるのだが、これはUSBケーブルを切ったものである。
頑張って付けたのだが、接触していないのか上手く動作させる事は出来なかった。

本体基板側はI2Cインタフェースのランドがあるので、そこに線を半出付けすれば良い。
赤黒の線は電源である。
電源を配線したのはLCDドライバのICだ。

温度センサ以外の構成部品

基板の裏面にはBluetooth機能内蔵のマイクロコントローラとEEP-ROMが載っている。
水晶振動子はTCXO?いや、TCXOはコスト的に無理か。

マイクロコントローラはnRF51822で、Bluetoothの2.4GHz帯出力は+4dBmだ。
規格的には1mW(0dBm)～100mW(+20dBm)まである。
電流問題はあるが、もう少しパワーを上げたい所だ。

アンテナはチップ型である。

設定値や温湿度データはEEP-ROMに書き込まれる。
このEEP-ROMは512kbitでI2Cインタフェースを持っている。

基板の表側にはLCDドライバがある。

LCDとはゴムコネクタで結合されている。

移植に失敗したのでセンサを買う

センサの移植に失敗したので、新たにセンサを買う事にした。
センサ単体では又取り付けが面倒なので、Arduino用として売られているものを買った。
Amazonでも買えるが、中国発送のようなのでAliexpressで買った。
Aliexpressでの価格は178円だった。
これは12月初旬に届けられる予定だったのだが、予定の納期より3週間近く遅れて届いた。
温度センサの到着を待っていたので、記事の公開が遅くなった。

Special Line-YWトラッキング

一番下が発送になり、一番上が最新になる。

• 【日本】処理センターを退所Dec 16 2021 01:00 am2021-12-16T01:00:00+08:00
• 海外輸入税関リリースDec 16 2021 12:59 am
• 海外輸入税関は、検査のために残されていますDec 15 2021 09:00 am
• 海外輸入税関に引き渡すDec 15 2021 08:59 am
• 到着地処理センターに到着Dec 15 2021 01:40 am· Kawasaki
• 到着地に到着Dec 14 2021 03:22 pm· Kawasaki
• 航空会社が受信しますDec 06 2021 02:58 pm
• 運送業者に引き渡されたDec 04 2021 08:31 pm
• 到着【東関国際郵便交換駅】Dec 04 2021 08:23 pm
• 【東関国際郵便処理センター】を出発、次の駅【東関国際郵便交換所】Dec 04 2021 08:21 pm
• 【東関国際郵便処理センター】直封を輸出しましたDec 04 2021 03:48 pm
• 【東関国際郵便処理センター】返品、備考:保安検査の返却Dec 04 2021 03:47 pm
• 広州国際郵便交換所を出発し、次の駅「広州国際郵便処理センター」を出発(経由)Dec 02 2021 01:00 am
• 【広州国際郵便交換所】返却Dec 01 2021 11:12 pm
• 運送業者に引き渡されたDec 01 2021 11:11 pm
• 広州国際郵便処理センターを出発し、次の駅「広州国際郵便交換所」を出発(経由)Nov 28 2021 01:57 am
• 【東関国際郵便処理センター】を出発し、次の駅「広州国際郵便処理センター」を出発Nov 27 2021 08:30 pm
• 【東関国際郵便処理センター】直封を輸出しましたNov 27 2021 11:04 am
• 【東関国際郵便処理センター】返品、備考:保安検査の返却Nov 27 2021 11:03 am
• 広州国際郵便交換所を出発し、次の駅「広州国際郵便処理センター」を出発(経由)Nov 24 2021 06:32 am
• 【広州国際郵便交換所】返却Nov 23 2021 11:03 pm
• 運送業者に引き渡されたNov 23 2021 11:02 pm
• 広州国際郵便処理センターを出発し、次の駅「広州国際郵便交換所」を出発(経由)Nov 18 2021 01:55 am
• 広州国際郵便処理センター(経由)に到着Nov 17 2021 11:20 pm
• 【東関国際郵便処理センター】を出発し、次の駅「広州国際郵便処理センター」を出発Nov 17 2021 09:05 pm
• 【東関国際郵便処理センター】直封を輸出しましたNov 17 2021 10:51 am
• ラストマイル=>チャイナポスト、番号LP151208838CNNov 17 2021 08:46 am
• 【東関国際郵便処理センター】に到着Nov 16 2021 09:00 pm
• 【東関国際営業部】を退社し、次の駅「東関国際」へNov 16 2021 08:58 pm
• 受信したパッケージ データNov 16 2021 06:40 pm· 东莞市
• 情報入力の処理Nov 16 2021 12:30 am
• ヤンウェンピックアップスキャンNov 15 2021 12:30 pm

日本に入ってきたようなので、こちらのサイトで新たなトラッキング番号を取得する。
aftershipでトラッキングしていたPRxxxxxxxxxYPの番号を上記サイトに入力すると、LPxxxxxxxxxCNの番号が得られる。
これをJPで見ると通関・配達状況が分かる。

ここまで来ると、配達まで後2～3日である。
ただしJPは土曜の配達を中止した事、日曜は従来から配達がない事、普通郵便は翌日配達はしない(翌日配達出来る場所でも郵便局で1日寝かせる)ので、国際交換局から出るのが木曜になった場合は、早くても月曜の配達になる可能性が高い。
今回は国際eパケットライトなるもので12月17日に配達された。

センサが到着したので改造再開

やっとセンサが配達されてきた。
随分と長旅というか、後から頼んだスマートリモコンよりもゆっくりと到着したわけだ。

ものさえあれば接続は簡単である。

I2Cバスの延長とケーブル長

前回はUSBケーブルを切って使ったが、今回は電話用のモジュラケーブルを切ってみた。
電話用ケーブルの方がしなやかかなと思ったのだが、余り変わらなかった。
またUSBケーブルでSDAとSCLをツイスト線のペアにつなぐのが、多少嫌な感じがしたと言う事もある。
最近は柔らかい(プルプルするような感触の)電話用コードは余り見かけず、少し硬めのものが多いのは4芯だからか。
これを温度計側に配線するが、線が固くてやりにくかった。

センサ側にも配線する。
I2Cで特に電池動作機器の場合はプルアップ抵抗値が大きい。
線が長いと線間容量で波形が鈍り、ノイズの影響も受ける。
今回は1.5m程の線で接続したが、余り長い線を使うと通信出来なくなる可能性がある。

外来ノイズ抑制という点ではシールド付きのツイストペアケーブル、Cat.6のLANケーブルや信号線がシールドされたUSBケーブルなどを使うのが良い。
なおLANケーブルの線間容量は51pF/m程度なので、これによる波形の鈍りに注意する必要がある。
USBケーブルはLANケーブルより少しインピーダンスが低いので、線間容量は多いと思う。

I2Cの仕様上の容量正負荷は400pFまでとなっている。
ただし線間容量が仕様で言う容量性負荷の全てになるわけではない。
例えば50Ωの同軸ケーブルの線間容量は100pF/m程度あるが、だからと言って1mの同軸ケーブルを接続した事が、アンテナコネクタに100pFのコンデンサを接続した事にはならないのと同じだ。

I2Cバスドライバの仕様では、100Ω～150Ωのインピーダンスの線での接続が推奨されている。
バスドライバもいくつかあるが、長距離伝送用としてはSDA/SCLを差動信号に変換するものがある。
これを使用すると100m程度までの延長が可能だそうだ。

ツイストペアを使用する場合は、1つのペア(ツイスト同士)をSDA-GND、もう1つのペアをSCL-GND(或いはSCL-Vcc)として使う。

今回使用した電話用の線は平行ケーブルでSDAとSCLを隣り合わせに配線している。
これは相互のクロストーク面から言えば良いとは言えない。
クロストーク(主に線間容量)によって、SDAとSCLの波形の微分成分が互いに影響するようなノイスが乗り、通信が出来なくなる。
クロストークの防衛としては、SDA-GND-SCL-Vccのように配線した方が良いのだが、電池動作機器で信号周波数も低いであろうという事で、配線色優先で(!)つないでしまっている。

配線を確認して電池を入れると正常に動作した。
やはりFNパッケージの半田付けは難しいというか、もしかしたら熱で壊れたのかも知れないなと思った。

センサユニット基板を見てみる。

センサユニットは3個買った。
I2Cインタフェースなので何か使い道があるかも知れないし、防水加工失敗で水没させてしまうかも知れない。
内部を見ると2つの半導体デバイスが付いている。

3端子の662kと印字のあるものはXC6206、3.3V出力のLDOである。
温度センサは1.62V～3.6Vで動作するので、3.3Vを作っている。
今回は乾電池動作なので3.6Vを超える事はなく、また電池電圧が3VなのでLDOで多少のドロップが起きる。
ただLDOを短絡しなくても動作した(消費電流1mAでは殆ど電圧はドロップしない)ので、このまま使った。

6ピンのデバイスはよく分からないのだが、センサが5VトレラントではないとするとI2Cのレベルコンバータが必要になる。
配線から見てもレベルコンバータデバイスではないかと思う。
これも本来は不要ではあるが、あっても害はなかった。
ただし消費電流が大きい可能性があり、電池の減りが早いようなら対策を考えなくてはいけない。
消費電力の点ではデメリットだが、ドライブ能力としてはメリットになる可能性もある。
なお基板に付けられている集合抵抗は10kΩなので、これがプルアップ抵抗だとすると結構大きな値だ。

基板の裏側にはSHTC3が乗っている。

改造成功

センサをガラス瓶に入れ、水槽に沈めてみた。
最初の方のグラフが乱れている所は防水加工中の部分である。
水槽に入れてからは±0.1℃位しか温度は変化していない。
Maxの36.1℃は、防水加工中のエポキシ系接着剤の発熱で、Min16.7℃は乾燥ガスをガラス瓶に噴射した時の温度だ。

湿度のグラフが以下のようになっている。
少し気になるのは湿度が上昇している事だ。
エポキシといえども多少は水(液体の水は殆ど通さない)を透過するはずだし、水中のガス分も透過するだろう。

この温度計はアプリ上から校正が可能だが、センサ自体が±0.2℃を保証している。
保証値なので、実力としては±0.15℃くらいはあると思う。
従ってこれを校正するには、それ以上の確度の温度計が必要になる。
ところが±0.1℃を保証するとなるとかなり大変で、いわゆる標準温度計(アルコール温度計)の最小分解能が0.1℃しかない事で標準校正がしにくい。

ずっと昔に水晶温度計関係をやっていた事があって、1℃の温度変化で1KHz周波数が変わるものがあった。
1Hz単位で読めば分解能は0.001℃なのだが、校正が出来ない。
シリコンオイルを数十リットル貯めた大型の容器の温度を一定にして温度計を入れても、サンプルする場所によって温度が変わってしまう。
そもそも標準温度計では分解能が足りず、他社の水晶温度計を使ったりした。
製品としての水晶温度計は分解能が0.0001℃くらい、保証制度は±0.05℃位だ。

SwitchBot温度計を1台だけ使うのはHUB代が不経済に感じられるが、3台使えばまあ許容範囲だ。

今回SwitchBotの温度計を改造したが、中華Wi-Fi温湿度計ならトータルコストは安くなる。
ただ機能的はSwitchBotのものと異なるし、IFTTT連携なども異なる。

中華Wi-Fi温湿度計

センサに何が使われているのかは買って分解してみなければ分からない。
安いものなので1台注文した。
照度計付きのもの、照度計ではなく気圧計のものなど数種類があるようだ。
インタフェースもWi-Fi版とZigBee版、両方のインタフェース付きのものもあるようなのだが詳細は不明だ。
この温度計が届くのはまだ先になりそうだ。
他に温度計付きのスマートリモコンが安かったのでそれも買ってみた。

追記
温度計が配達されてきた。
センサはSHTC3だと思われる。
温度/湿度/照度が日/月/年スケールでのログが取れる。
Wi-Fiへの接続もSmatyLifeアプリから簡単にできた。

他に表示部のない、ワイヤレスセンサ部のみのものなど色々売られている。
温度センサ側にメモリが搭載されていてログの取れるものもあり、アプリ側で見る事が出来る。

外部センサ付きでログの取れるものもあるのだが、3千円くらいの価格になっている。
センサが金属ケースなので、そのまま水槽に入れると錆びる可能性がある。

値段が安すぎないか？と思うのだが、温湿度の他に炭酸ガス濃度やVOC(揮発性化合物)、HCHO(ホルムアルデヒド)の測れるものがある。
中華ものに良くある、測っているフリをして実はもっともらしい値を作っているだけみたいな可能性もある。
消費電流が500mA近いので、もしかしたらちゃんとしたセンサが入っているかも知れないけど。

温湿度計付きスマートリモコン

温度計付きスマートリモコンが随分早く送られてきた。
早速開けてみると、金属パッケージのワンチップ温湿度センサがあった。
実装は結構凝っていて、温度計に温度が伝わらないような基板構造、ケースにも隔壁を設けるなどしている。
買値は千円ちょっとだったが、セール期間中でないと1,500円位する。

5V電源を使用するためかレスポンスが良く、息を吹きかけたりするとすぐに温湿度が変わっていくのが分かる。
SwitchBotの温度計は電池動作と言う事もあり、サンプリングが遅い。

リモコン部は多くの製品に対応していて、データベースは逐次更新されるそうだ。
学習機能もあるので、対応していない製品の制御も可能である。
スマートリモコンは日本で買うと高額なので、Aliexpressで買った方が良い。

温度センサはI2Cインタフェースのものだと思う。
電源2本と信号線が2本だけだ。

基板は熱的アイソレートが考慮されている。
しかしこの温度計の指示値は他の温度計より正確に1℃低い。
内部発熱か何かの影響で温度が高めになり、だったら演算しちゃえという事で1℃下げたのかも。

SwitchBotの温度計がアプリから校正出来るのに対して、このスマートリモコン温度計は校正が出来ない。

赤外線リモコン用のLEDは7個も付いている。
下の方の黒っぽいデバイスは、赤外線受光素子だ。
既存のリモコンコードを学習するための受光部である。

この温度センサ部分の基板を切り離し、電線で延長して水温計にした。
実験の意味も含め線長は約2mとしてみたが、不具合は起きなかった。
センサはとりあえずガラス瓶に入れてみた。
レスポンスは相当悪いと思うが、これで少し様子を見てみる。

SwitchBotの温湿度計はBluetoothインタフェースになっている。
従って電波伝達距離が短く、距離が離れると通信が成立しなくなる。
SwitchBotのHUBミニを近くに置くとBluetoothをWi-Fiで中継してくれるのだが、アプリの一部機能はBluetooth接続していないと機能しない。
ただしAlexaやGoogleHomeとは(Wi-Fiで)インタフェース出来るようになる。
一方のスマートリモコンはダイレクトにWi-Fi接続が出来、置き場所は自由だ。

2階に置いてある温度計付きスマートリモコンの、SmartLifeアプリでの画面はこんな感じになる。

小電力ワイヤレス温度計

以前に購入し現在も使用している、アラーム付きワイヤレス温度計がこれだ。
ワイヤレスセンサ2チャネルと本体での温度計測が出来る。
サーミスタの温度センスが、通常の抵抗値測定ではないのが面白い。
ワイヤレス3チャネルのタイプもある。

アラームは付いていないが、ワイヤレス3チャネルの温度計は↓である。
たぶん3年以上は使っていて埃が積もってしまっている。
電池交換の度に日付や時間をセットし直すのが面倒だ。

これは現在は販売されていない。

ワイヤレス温度計雑感

ウチでは何台かのワイヤレス温度計を使っている。
水槽の温度監視用は温度アラーム付きのものを購入した。
給湯器や水槽用浄水器の凍結防止というか凍結監視用には3チャネルのワイヤレス温度計を使っている。
子機側(温度計側)は単三乾電池2本が使われていて、電池の寿命は1年程度である。
親機側(温度表示器側)は単四電池で半年くらいの寿命、アラーム付き温度計は電池寿命が短いので、3.3VのLDOを使ってUSBから電源を取るようにしている。

これらのワイヤレス温度計は通信不良もなく、ちゃんと動作している。
手元で各所の温度が分かるのは便利で良い。
このワイヤレス温度計を購入した当時は、Wi-Fiインタフェースの温度計は高額だった。
しかし今は千円くらいで手に入るのだから、ワイヤレス温度計と同じくらいのコストである。
ただし温度はスマートフォンなどで見るとか、AlexaやGoogleHOMEに聞かなければいけない。

SwitchBotの温度計は単4乾電池2本で半年以上動作する(半年経過時点で電池残量は91%と表示されていた)し、温湿度のログが取れる。
温度の校正も出来るが、センサ自体が精度の保証されたものなので校正の必要は感じていない。
元々使っている中華ワイヤレス温度計のセンサはサーミスタなので誤差はそれなりである。

SwitchBotの温度計はアプリ或いはIFTTT連携でLINEに通知を飛ばす事が出来る。
水槽水温のみではなく、ペットルームの温度だとか温室の温度や湿度の異常検知で通知が来るのは便利だ。

SwitchBot温度計はメリットも多いのだが、HUBミニを使わないとWi-Fi接続が出来ない。
HUBミニはさほど安くはない(セール時で3.5千円くらい)のが難点である。
ウチではSwitchBotの温度計を3台使っているので、温度計3台に対してHUB1台だと思えば仕方ない出費かなとは思うのだが、中華Wi-Fi温度計なら何台買えるのかと思うと複雑でもある。

ウチの場合は1台のHUBに全ての温度計を接続させているが、温度計の設置場所が離れている場合はBluetoothの伝達距離的にHUBが1台では済まなくなる場合もあるだろう。
SmartLifeを使用する機器もIFTTT連携が出来るものもあるのだが、温度計は出来なかった。
アプリで通知を受けられるのは、デバイスがオフラインになった時のみである。
IFTTT連携が出来ないので、LINEに通知を飛ばす事も現時点では出来ない。

IFTTTも3つ以上のアプレットを使おうとすると(自作は3つまで、既成は制限なし)有料版に加入するしかなくなった。
まあ便利なサービスなので、いつまでも無料というわけには行かないだろうとは思っていた。
無料の代替サービスも存在する訳だが、IFTTTはこの手のサービスのスタンダードでもあり無料版の機能制限は(個人利用者にとっては)厳しい感じもする。

中国の住宅事情とホームオートメーション

中国で環境測定器が多数売られているのは、日本に比較するとホームオートメーション化が遙かに進んでいる事がある。
中国の住宅事情も日本よりかなり良く(都市部では相当高額)、夫婦＋子供1人の住居面積が100平米くらいだそうで、単身者でも40～50平米の部屋に住んでいるそうだ。

いわゆる高価格帯の住宅となると300平米から500平米くらい、高級住宅が1000平米前後と言われる。
一人あたりの住居面積が広い＆部屋数もあり、ホームオートメーションが進む。
温湿度管理とエアコンの連動など、或いはそれを外部から制御するシステムは最もよく使われているという。

数年前まではワイヤレス温度計で温度を見るだけ、それが今ではエアコンやカーテンの開け閉めなどとの連動が普通になっている。
温度計に照度センサが付いているのは、照明の自動制御用だ。

住居の広さと住宅設備などは比例しないというか、特に配水管の品質や基準は日本と大きく異なる。
トイレは水洗ながら、トイレットペーパーを流す事が出来ないのは韓国同様である。
配水管の太さや傾斜などの規格により、トイレットペーパーを流すと排水管が詰まってしまうからだ。
戸建てなどでは戸内の配水管の設計を変えるなどして、トイレットペーパーの流せる住宅も増えているそうだ。

中華料理は強い火力が基本。
となると換気なども重要になり、キッチンの広さや換気性能、窓の大きさなどは重視される。
日本ではキッチンの陽当たりなどは重視されない傾向にあり、北側に面したところに作られるなどする。
しかし中国ではキッチンの場所が重視されるのだとか。

広く綺麗な住宅に住みホームオートメーションを使う都市部の人々と、安い賃金が当たり前の農村部では生活そのものがかなり違っている。
いずれにしてもマーケットの大きさが様々な製品をどんどん生み出すという、まさに経済成長ありきの状態が続いているのが中国なのだ。

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