Meteostanice ESP32 Weathercloud: 16 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:19

Loni jsem vydal svůj dosud největší Instructable s názvem Arduino Weathercloud Weather Station. Řekl bych, že to bylo velmi populární. Byl uveden na domovské stránce Instructables, blogu Arduino, muzeu Wiznet, Instructables Instagram, Arduino Instagram a také na Twitteru Weathercloud. Byl to dokonce jeden ze 100 nejlepších pokynů roku 2018! A to byl pro malého výrobce, jako jsem já, velmi velká věc. Potěšilo mě, že jsem viděl tolik pozitivních reakcí, a pečlivě jsem si přečetl každý jeden komentář a tip. Asi 8 měsíců jsem pracoval na této nové, rafinované stanici. Opravil jsem a vylepšil různé věci. Snažil jsem se to zmenšit, zjednodušit, chytřeji, chladněji a ponechat přijatelné náklady 150 EUR (165 $). Stanice je umístěna na robotické farmě poblíž Senci na Slovensku. Zde jsou aktuální údaje.

Pokusím se zde vysvětlit celý svůj myšlenkový proces, takže pokud se chcete dostat přímo na stavbu, přeskočte přímo na krok 3.

Funkce:

• měření 12 meteorologických hodnot
• použití 8 různých senzorů
• IoT - data jsou v cloudu veřejná
• Provoz 5V 500mA
• komunikace přes Wi-Fi
• zcela odolný proti povětrnostním vlivům
• vypadá skvěle
• je to DIY

Velice děkujeme společnosti Lab Cafe makerspace za poskytnutí prostoru a podpory při stavbě této stanice. Běž se na ně podívat!

Fotografický kredit: ME (samozřejmě) + Viktor Demčák

AKTUALIZACE 18.7.2020: Ahoj všichni! Už je to dlouho. Mnoho z vás mi psalo o mnoha problémech s hardwarem a softwarem. Nový hardware bude připraven za pár týdnů, ale do té doby vydávám nový firmware. Tento software pomůže odstranit některé problémy. Přejděte ke kroku 12, kde se dozvíte více. A hlavně si to užijte!

Krok 1: Design

Navrhování meteorologické stanice je dlouhý a promyšlený proces. Na výběr máte tolik možností. Toto jsou hlavní věci, na které byste měli při navrhování meteorologické stanice myslet (nebo alespoň já jsem to udělal):

1) ROZPOČET. To je docela samozřejmé.

2) POLOHA. To je velmi důležité, protože to ovlivňuje instalaci, komunikační technologii a požadovaný zdroj energie. Vzdálené meteorologické stanice potřebují vysílače s dlouhým dosahem a soběstačný zdroj energie, jako je solární panel.

3) MĚŘENÉ VARIABILY. Chcete pouze měřit teplotu nebo vlhkost? Pak můžete sondu umístit téměř kamkoli. Ale pokud chcete měřit srážky, vítr, sluneční záření, UV index nebo jiné věci související se sluncem nebo srážkami, pak senzory nemohou být ve stínu a nemohou být blokovány ani z horní strany, ani ze stran.

4) PŘESNOST. Chcete, aby vaše měření byla přesně kalibrovaná a srovnatelná s národním meteorologickým ústavem, nebo vám stačí spíše amatérské hodnoty?

Nyní byste tedy měli mít docela dobrý obraz o tom, co chcete. Pojďme tedy k rýsovacímu prknu! Zde je několik základních pravidel, o kterých jsem přemýšlel:

1) CHRAŇTE ČIDLO TEPLOTY. To absolutně musíte udělat. Teplo může cestovat mnoha způsoby, které může vyzařovat a vést strukturou samotné stanice. Zkuste tedy potáhnout všechny kovové části a teplotní senzor umístit do radiačního štítu. Vím, moje radiační stanice není dokonalá, ale pomáhá.

2) ZVYŠTE SNÍMAČ VĚTRU. Podle mezinárodních standardů mají být větrné senzory umístěny ve výšce 10 m. Nemám ani peníze na nákup 10m sloupku, takže mi stačí 2m potrubí nad střechou.

3) VYMAZEJTE OKOLO A NAD STANICI. Pokud chcete měřit sluneční světlo, nemůžete mít senzor ve stínu. Pokud chcete měřit srážky, nemůžete mít něco, co blokuje kapičky. Ujistěte se tedy, že oblast kolem a nad stanicí je vyklizena.

Pokračujme. Takže pro moji stanici jsem se rozhodl změřit tyto proměnné: teplotu vzduchu, teplotu země, relativní vlhkost, atmosférický tlak, tepelný index, rosný bod, chladný vítr, srážky, sluneční záření, UV index, rychlost větru a směr větru. Jedná se celkem o 8 senzorů, ze kterých jsou 3 malé moduly montovatelné na PCB a 5 externích sond. Budu potřebovat 2 samostatné mikrokontroléry, jeden pro zpracování měření srážek a druhý pro všechno ostatní.

Rozhodl jsem se dát vše, co mohu, na jednu desku plošných spojů. DPS jsem vložil do krabice IP65 s průhledným krytem, takže sluneční světlo může procházet senzory slunečního záření a UV indexu. Všechny ostatní senzory budou připojeny k hlavní ovládací skříňce kabelem. Takže to je pro můj návrh vše.

Krok 2: Weathercloud

"Meteorologická stanice ESP32 Weathercloud" Co je Weatherclud? Weathercloud je velká síť meteorologických stanic, které v reálném čase hlásí data z celého světa. Je zdarma a je k němu připojeno více než 10 000 meteorologických stanic. Za prvé, měl jsem vlastní webovou stránku HTML, kam byla odeslána všechna data, ale vytvořit vlastní webovou stránku a grafiku je obtížné a je mnohem jednodušší odeslat všechna data na velkou cloudovou platformu, která má pěknou grafiku a stabilní servery. Hledal jsem, jak posílat data do weathercloud a zjistil jsem, že toho můžete snadno dosáhnout jednoduchým GET voláním. Jediným problémem Weathercloud je, že s účtem zdarma vám umožňuje odesílat data pouze každých deset minut, ale to by neměl být problém pro většinu použití. Aby to fungovalo, musíte si vytvořit účet Weathercloud. Poté budete muset na jejich webových stránkách vytvořit profil stanice. Když vytvoříte profil meteorologické stanice na Weathercloud, dostanete ID Weathercloud a KEY Weathercloud. Ponechejte si je, protože Arduino je bude potřebovat, aby věděly, kam posílat data.

Krok 3: Seznam dílů

Dobře, takže pro tento projekt budete potřebovat všechny věci, které jsou úhledně uvedeny v mém kusovníku Dokumentů Google přímo zde.

ODHADOVANÉ CENY PROJEKTU: 150 €/165 $

Krok 4: Nástroje

Tyto nástroje by se mohly hodit (i když většina z nich je naprosto nezbytná):

Laserová řezačka

Svářeč

Ocelová pila

Odstraňovač drátů

Elektrická vrtačka

Akumulátorová vrtačka

Páječka

Kleště

Šroubováky

Tavná pistole

Multimetr

Vrták do stromu

Krok 5: Návrh řídicí desky

Šel jsem s velmi centralizovanou architekturou. To znamená, že vše, co může být, není pouze v jedné krabici, ale na jedné desce plošných spojů. Nedávno jsem se naučil navrhovat PCB, což je velmi cenná a užitečná dovednost. Všechny projekty jsou mnohem úhlednější a přesnější a svým způsobem dokonce elegantní. Je to také velmi výhodné: pošlete své soubory do Číny a oni provedou veškeré elektroinstalační práce a dodají vám kompletní desku. Poté už jen připájíte součástky na místo a máte hotovo.

PCB obsahuje oba mikrokontroléry v této stanici: ESP32 (hlavní řídicí jednotka) a Arduino NANO (procesor srážek). Obsahuje také některá ze senzorů, mezi něž patří: BME280, BHT1750 a ML8511. Pak je tu modul DS3231 RTC. V neposlední řadě jsou zde některé odpory a šroubové konektory.

Desku jsem navrhl v Autodesk Eagle. Stačí stáhnout přiložený soubor Gerber s názvem „ESP32 meteorologická stanice.zip“a nahrát jej do JLC PCB. Nebo pokud jej chcete upravit, můžete si stáhnout soubory „meteorologická stanice ESP32 schematic.sch“a „meteorologická stanice ESP32 board.brd“a upravit je v Eagle. Důrazně doporučuji nejprve zaregistrovat třídu návrhu obvodové desky z Instructables.

Krok 6: Pájení

Dobře, všichni, pravděpodobně jste to už někdy udělali. Tato krásná deska, kterou jsem navrhl, má vytištěné pěkné stopy po sítotisku. Když to máte, pájení by mělo být hračkou, protože přesně vidíte, kam co jde. Existují pouze komponenty THT se standardním roztečí 0,1 . Takže pokračujte a pájte desku, protože jste chytří a zvládnete to sami! Nemělo by vám to trvat déle než půl hodiny.

UPDATE 18. 7. 2020: Modul RTC již není vyžadován. Není nutné jej montovat na desku. Více se můžete dozvědět v kroku 12.

Krok 7: Vytvoření radiačního štítu

Když jsem to stavěl, řekl jsem si „Dobře, už jsi to udělal dvakrát, není šance, že to teď pokazíš.“A já ne.

Štít proti slunečnímu záření je velmi běžná věc používaná v meteorologických stanicích k blokování přímého slunečního záření, a proto snižuje chyby v měřené teplotě. Slouží také jako držák teplotního čidla. Radiační štíty jsou velmi užitečné, ale obvykle jsou vyrobeny z oceli a jsou drahé, proto jsem se rozhodl postavit si vlastní štít. Vytvořil jsem Instructable, který ukazuje, jak vytvořit radiační štít takto.

Krok 8: Ovládací box

Hlavní částí této stanice je evidentně ovládací skříňka. Obsahuje primární a sekundární mikrokontroléry, některé senzory, RTC a některé pasivní komponenty. To vše v praktickém balení IP65. Krabice má průsvitný kryt, takže sluneční světlo může procházet senzory UV a slunečního záření.

Než budeme moci namontovat desku plošných spojů, musíme připravit krabici na kabely. Do krabice vstupuje pět napájecích a datových kabelů. Abychom udrželi vodotěsné vlastnosti stanice, budeme potřebovat vodotěsné kabelové průchodky. Konkrétně jeden PG7 pro napájecí kabel, druhý PG7 pro snímače větru a srážek a třetí PG11 pro oba snímače teploty. Větší žlázu (PG11) jsem vložil do středu jedné stěny krabice a dvě menší žlázy (PG7) do protější stěny. Proces změny boxu je tedy následující:

1) Označte střed každého otvoru značkou.

2) Vyvrtejte malou díru tenkým vrtákem.

3) Pomalu zvětšujte velikost otvoru vrtákem do stromu.

4) Vyčistěte otvory.

5) Vložte a zajistěte kabelovou průchodku do každého z otvorů.

Krok 9: Montáž na DPS

Protože mám pouze studentskou zkušební verzi Autodesk Eagle, nemohu navrhovat desky plošných spojů větší než 8 cm. Na tuto desku se všechno hodí, takže je to v pořádku. Jediný problém je s ovládací skříňkou. Otvory pro montáž na desku, které jsou součástí balení, jsou od sebe vzdáleny 14 cm. To znamená, že budeme potřebovat držák na DPS. Může to být deska (dřevěná/plastová/kovová), na kterou budeme montovat DPS. Poté připevníme desku držáku na ovládací skříňku. Tímto způsobem bude PCB zajištěna k řídicí skříni.

Držák si můžete vyrobit, jak chcete. Můžete si ji vyrobit ručně z desky ze dřeva nebo oceli, můžete ji řezat laserem (jako já) nebo ji dokonce můžete vytisknout 3D. Zahrnuji rozměry desky, takže volba je na vás. Pokud máte přístup k laserové řezačce, pak je řezání laserem nejjednodušší možností. Soubory laserových řezaček zde najdete ve formátu.pdf i.svg.

Jak vidíte, prošel jsem několika variantami držáku. Nakonec jsem šel s akrylovým, protože na něj nepůsobí vlhkost (jako dřevo) a nepřitahuje teplo (jako ocel).

Krok 10: Sestavení + zapojení

Bude to docela snadné, ale docela těžké vysvětlit, protože existuje mnoho malých kroků. Pojďme tedy rovnou na to:

1) Vložte všechny kabely do jejich určeného otvoru. Kabelové průchodky ještě nezajistěte.

2) Připojte všechny vodiče od senzorů větru, senzoru deště a od napájecího kabelu podle přiloženého schématu zapojení. Zatím nepřipojujte kabely od snímačů teploty.

3) Pokud je namontován, vyjměte držák desky plošných spojů. Poté otočte desku plošných spojů tak, aby kabely vedly po její spodní straně. Zajistěte držák desky plošných spojů tak, aby byly kabely zajištěny v sendviči mezi deskou plošných spojů a držákem.

4) Vložte a našroubujte držák desky plošných spojů s deskou plošných spojů.

5) Zajistěte dvě menší kabelové průchodky (PG7). Větší zatím nezajišťujte.

6) Připojte a připojte kabely od teplotních čidel podle přiloženého schématu zapojení.

7) Nasaďte horní kryt a přišroubujte jej.

Krok 11: Buďte šťastní

Tento krok je jakýmsi kontrolním bodem. V tuto chvíli jste si měli udělat něco, co vypadá jako to, co vidíte na obrázku. Pokud je to správné, buďte rádi. Pokračujte, dejte si svačinu a odpočiňte si, protože to není jen malý krok pro muže, ale obrovský skok pro lidstvo. Pokud ne, prohlédněte si předchozí kroky a vyhledejte problém. Pokud to nepomůže, napište mi komentář nebo zprávu.

Takže až budete opět zdraví a fit, můžete přejít k části kódování a ladění.

Krok 12: Kódování a ladění

Yaaaaay, každý miluje kódování! A i když ne, nevadí, protože si můžete jednoduše stáhnout a použít můj kód.

Nejprve musíte do správce desek přidat modul ESP32 dev. Chcete -li to provést, musíte si stáhnout balíček JSON a nainstalovat jej prostřednictvím správce desek. Podívejte se na tento tutoriál od Random Nerd Tutorials.

Nyní si musíte stáhnout všechny základní knihovny. Abyste to měli jednodušší, vytvořil jsem pro vás ZIP archiv „Libraries.zip“. Neimportujte archiv do Arduino IDE jako klasickou knihovnu. Místo toho rozbalte archiv a přesuňte všechny soubory do knihoven Documents/Arduino/. Nyní si můžete stáhnout všechny čtyři mé programy: „Wi-Fi_Weathercloud_API_test.ino“, „System_test.ino“, „ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino“.

Otevřete „Wi-Fi_Weathercloud_API_test.ino“. Budete muset změnit pár věcí. Nejprve budete muset nahradit „SSID“a „KEY“SSID (jméno) a heslo vaší Wi-Fi sítě. Za druhé, budete muset nahradit „WID“a „KEY“vaším Weathercloud ID a KEY, které byste měli mít od kroku 2. To samé budete muset udělat také s „ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino“. Pokračujte a nahrajte kód do ESP32. Měli byste vidět předdefinovaná data přicházející na web Weathercloud. Pokud je to správné, pokračujte.

Nahrajte „System_test.ino“do ESP32 a „I2C_rainfall_sender“do Arduino NANO. Otevřete sériovou konzolu ESP32 na 115200 baudů. Nyní byste měli na obrazovce každých 15 sekund sledovat data senzorů. Hrajte si se senzory. Posviťte si na čidlo slunečního záření, foukejte do čidla rychlosti větru, zahřejte teplotní sondu … Tímto způsobem můžete vyzkoušet, zda vše funguje. Pokud dojdete k závěru, že je vše tak, jak má být, pokračujte.

Nahrajte „ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino“do ESP32. Pokud jste vše udělali správně, měli byste vidět skutečná data ze stanice přicházející na stránku Weathercloud každých 10 minut. Pokud to funguje, znamená to, že vaše stanice je nyní plně funkční a jediné, co musíte udělat, je nainstalovat ji na pěkné místo.

UPDATE 18. 7. 2020: Všechny sekundární/testovací programy zůstávají stejné. Ale hlavní program meteorologické stanice byl aktualizován. Struktura kódu je mnohem přehlednější než dříve. Na začátku kódu můžete nastavit všechny požadované parametry. ESP32 nyní získává čas ze serveru NTP, takže modul RTC již není potřeba. V neposlední řadě nyní ESP32 spouští proceduru hlubokého spánku, když neměří a neposílá data. Tím se sníží spotřeba energie a také to pomůže prodloužit životnost meteorologické stanice. Chcete -li použít nový kód, stačí si stáhnout upgradovaný kód „ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino“a aktualizovaný soubor ZIP s knihovnami (Instructables to nepřijímá, takže zde je odkaz na Disk Google). Užívat si!

Krok 13: Stanice Mount

Poté, co jste potvrdili, že vaše stanice funguje, musíte pro ni navrhnout a vyrobit držák. Bude muset být pevný, odolný, kompaktní a v neposlední řadě bude muset být pěkný. Udělejte tento krok spíše jako doporučení nebo inspiraci než přesné pokyny. Nevím, jak to vypadá, kam to budete montovat. Musíte být trochu kreativnější. Pokud však máte plochou střechu s vyčnívající kovovou trubkou o průměru 5 cm, pokračujte a udělejte to, co jsem udělal. Tato stanice má dva boxy. Rozhodl jsem se tedy oba položit vedle sebe na kovový panel. Musí být namontován na kovovou trubku o průměru 5 cm. Na dno panelu jsem tedy vložil trubku o vnitřním průměru 5 cm. Oba senzory větru musí být daleko od zbytku stanice. Položte tedy dvě 40 cm dlouhé trubky na každou stranu stanice a dvě 10 cm dlouhé trubky na konec každé z nich. Radiační štít by měl být namontován pod panel, aby poskytoval zvláštní stín. Za tímto účelem jsem na tlustou kovovou trubku umístil držák L o rozměrech 7 x 15 cm.

Zde jsou všechny potřebné kovové části po jednom [rozměry v mm]:

1x trubka, vnitřní průměr 50, délka 300

1x panel, 250 x 300, tloušťka 3

1x L držák, 75 a 150 ramen

2x trubka, vnější průměr 12, délka 400

2x trubka, vnitřní průměr 17, délka 100

Když máte všechny tyto kovové části, můžete je přivařit na místo podle 3D modelu, který jsem poskytl. Poté budete muset vyvrtat všechny otvory pro krabice a pro radiační štít. Pak už jen natřete barvou na kov. Doporučuji použít bílou barvu, protože ze všech barev absorbuje nejméně tepla. To je to, že máte staniční držák, na který můžete namontovat svou stanici!

Krok 14: Instalace

Popadněte meteorologickou stanici, držák a všechny nástroje, protože je budete všechny potřebovat. Nasedněte do auta (nebo autobusu, který mě nezajímá) a dostaňte se na budoucí místo vaší stanice. Nakonec můžete připojit stanici.

Zprovoznění meteorologické stanice ve vaší dílně je jedna věc, ale její fungování v drsných podmínkách reálného světa je věc druhá. Postup instalace velmi závisí na budově, na kterou stanici montujete. Ale pokud máte držák z předchozího kroku a silný vrták, mělo by to být v pořádku. Stačí nalepit tlustou trubku z držáku na mírně tenčí trubku na střeše. Poté už jen provrtejte obě trubky a zajistěte je dlouhým šroubem. Namontujte všechny krabice a senzory. A je to. Vaše stanice je nyní úspěšně nainstalována.

Udělali jsme to za deštivého dne. Bylo to velmi obtížné, ale kvůli uzávěrce soutěže jsme neměli jinou možnost.

Krok 15: Napájení, nastavení uplinku a ladění

Vaše stanice je fyzicky nainstalována, ale zatím není online. Udělejme to teď. Stanici musíte nějak napájet. Tady musíte být trochu kreativní. Do domu můžete vložit adaptér a protáhnout kabel oknem. Kabel můžete zakopat pod zemí. Můžete jej napájet přes solární panel. Důležité je pouze to, že na pinech napájecího kabelu vycházejícího z ovládací skříňky je 5V 500mA. Pamatujte, že vše musí být odolné proti povětrnostním vlivům! Když je vaše stanice napájena, můžete přejít k nastavení uplink a ladění.

Uplink Setup v zásadě přiměje ESP32 k připojení k vaší síti Wi-Fi. Pokud je to u vás doma, mělo by to být v pořádku. Pokud je v garáži nebo dále od sebe, možná budete potřebovat prodlužovač Wi-Fi nebo dokonce vlastní síť Wi-Fi. Poté následuje fáze ladění. Můžete pouze nahrát konečný kód a doufat v nejlepší, ale opravdu doporučuji vyzkoušet každý ze senzorů jeden po druhém, abyste se ujistili, že vše funguje správně. V zásadě to samé jako v kroku 12. Pokud vše funguje, jak má, můžete stisknout tlačítko UPLOAD, odpojit USB kabel a zavřít ovládací skříňku.

Krok 16: Žijte šťastně až do smrti

Jejda, to bylo taaaak, kluci na poslední chvíli. Soutěže Senzory jsem si všiml pouhých 10 dní před jejím koncem. Téhož večera jsem potřeboval uskutečnit asi 10 telefonátů, abych zařídil vše potřebné k dokončení stanice. Ještě to nebylo úplně hotové. V den, kdy jsme měli stanici nainstalovat, přišla obrovská bouře, která narušila naše plány. Potřeboval jsem dokončit celý text, než byla stanice dokončena. Stanice byla nakonec nainstalována právě dnes, ve stejný den, kdy jsem vydal tento Instructable.

Určitě existuje mnoho věcí, které by zde mohly být provedeny lépe, ale existuje mnoho užitečných věcí, které se zde můžete naučit a použít je při stavbě vlastní stanice. Pokud jste provedli všechny kroky správně, máte nyní plně funkční cloudovou meteorologickou stanici ESP32. A to je něco! Všechna tvrdá práce se vyplatila (doufám, že ano). Data z mé stanice si můžete prohlédnout zde. Pokud máte nějaké dotazy nebo návrhy, rád je vyslechnu v sekci komentáře níže.

Jo, a pokud se vám tento projekt líbí, velmi bych ocenil, kdybyste pro mě hlasovali v soutěži Senzory. Díky moc a užijte si to !!!

První cena v soutěži Senzory