ESP32 Weathercloud meteorološka stanica: 16 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:33

Prošle godine objavio sam svoju najveću Instructable do sada pod nazivom Arduino Weathercloud Weather Station. Rekao bih da je bio jako popularan. Bio je predstavljen na početnoj stranici Instructables, Arduino blogu, Wiznet muzeju, Instructables Instagramu, Arduino Instagramu te na Twitteru Weathercloud. Čak je bio i jedan od 100 najboljih instruktora 2018.! A to je bila velika stvar za male proizvođače poput mene. Bilo mi je drago vidjeti toliko pozitivnih reakcija i pažljivo sam pročitala svaki komentar i savjet. Otprilike 8 mjeseci radim na ovoj novoj, poboljšanoj postaji. Popravljao sam i poboljšavao razne stvari. Pokušao sam ga učiniti manjim, jednostavnijim, pametnijim, hladnijim i ostaviti prihvatljivu cijenu od 150 € (165 $). Postaja je postavljena na robotskoj farmi u blizini Seneca u Slovačkoj. Evo trenutnih podataka.

Pokušat ću ovdje objasniti cijeli moj proces razmišljanja, pa ako samo želite započeti s izradom, samo prijeđite na treći korak.

Značajke:

• mjerenje 12 meteoroloških vrijednosti
• korištenje 8 različitih senzora
• IoT - podaci su javni u oblaku
• Rad 5V 500mA
• komunikacija putem Wi-Fi-ja
• potpuno otporan na vremenske uvjete
• izgleda cool
• to je DIY

Puno hvala Lab Cafe makerspaceu na pružanju prostora i podrške pri izgradnji ove postaje. Idite ih provjeriti!

Fotografija: ME (naravno) + Viktor Demčák

Ažuriraj 18.7.2020.: Pozdrav svima! Prošlo je dugo vremena. Mnogi od vas pisali su mi o više problema s hardverom i softverom. Novi hardver bit će spreman za samo nekoliko tjedana, ali do tada objavljujem novi firmver. Ovaj će softver pomoći u uklanjanju nekih problema. Idite na korak 12 da biste saznali više. I što je najvažnije, uživajte!

Korak 1: Dizajn

Dizajniranje meteorološke postaje dug je i promišljen proces. Imate toliko mnogo mogućnosti za izabrati. Ovo su glavne stvari o kojima biste trebali razmišljati pri projektiranju meteorološke postaje (ili sam barem ja to učinio):

1) PRORAČUN. Ovo je samo po sebi razumljivo.

2) LOKACIJA. To je vrlo važno jer utječe na instalaciju, kao i na komunikacijsku tehnologiju i potrebni izvor napajanja. Udaljenim vremenskim postajama potrebni su odašiljači velikog dometa i samoodrživi izvor energije, poput solarne ploče.

3) MJERENE PROMJENE. Želite li samo izmjeriti temperaturu ili vlagu? Tada možete postaviti sondu gotovo bilo gdje. No, ako želite mjeriti padaline, vjetar, sunčevo zračenje, UV indeks ili druge stvari povezane sa suncem ili oborinama, tada senzori ne mogu biti u sjeni i ne mogu se blokirati ni odozgo ni sa strane.

4) TOČNOST. Želite li da vaša mjerenja budu točno kalibrirana i usporediva s nacionalnim meteorološkim institutom ili su vam radije amaterske vrijednosti?

Dakle, do sada biste trebali imati prilično dobru sliku o tome što želite. Pa prijeđimo na ploču za crtanje! Evo nekih osnovnih pravila o kojima sam razmišljao:

1) ZAŠTITITE TEMPERATURNI SENZOR. To apsolutno morate učiniti. Toplina može putovati na toliko načina da može zračiti i provoditi kroz strukturu same stanice. Zato pokušajte premazati sve metalne dijelove i staviti senzor temperature u štitnik od zračenja. Znam, moja stanica za zračenje nije savršena, ali pomaže.

2) POSTAVITE OSJETNIK VJETRA VIŠE. Senzori vjetra trebali bi biti postavljeni 10 metara visoko prema međunarodnim standardima. Nemam ni novca za kupnju stupa od 10 metara pa mi je dovoljna cijev od 2 metra iznad krova.

3) ČISTO PODRUČJE OKO I IZNAD STANICE. Ako želite mjeriti sunčevu svjetlost, senzor ne možete imati u sjeni. Ako želite mjeriti oborine, ne možete imati nešto što blokira kapljice. Stoga provjerite je li područje oko i iznad postaje očišćeno.

Nastavimo. Stoga sam za svoju stanicu odlučio izmjeriti ove varijable: temperaturu zraka, temperaturu tla, relativnu vlažnost, atmosferski tlak, indeks topline, točku rose, hladnoću vjetra, oborine, sunčevo zračenje, UV indeks, brzinu vjetra i smjer vjetra. Ovo je ukupno 8 senzora od kojih postoje 3 mala modula, montirana na PCB-u i 5 vanjskih sondi. Trebat će mi 2 zasebna mikrokontrolera, jedan za rukovanje samo mjerenjima padalina, a drugi za sve ostalo.

Odlučio sam staviti sve što mogu na jednu PCB. Stavio sam PCB u kutiju IP65 s prozirnim poklopcem, tako da sunčeva svjetlost može proći do senzora solarnog zračenja i UV indeksa. Svi ostali senzori bit će spojeni kabelom na glavnu upravljačku kutiju. To je to za moj dizajn.

Korak 2: Vremenski oblak

"ESP32 Weathercloud Weather Station" Što je Weatherclud? Weathercloud je velika mreža vremenskih postaja koje u stvarnom vremenu izvještavaju o podacima iz cijelog svijeta. Besplatno je i s njim je povezano više od 10 000 meteoroloških stanica. Prvo, imao sam svoju HTML web stranicu na koju su poslani svi podaci, ali izrada vlastite web stranice i grafike je teška i mnogo je lakše samo poslati sve podatke na veliku cloud platformu koja ima lijepu grafiku i stabilne poslužitelje. Tražio sam kako poslati podatke na weathercloud i otkrio sam da to možete postići jednostavnim GET pozivom. Jedini problem s Weathercloudom je taj što vam s besplatnim računom omogućuje slanje podataka samo svakih deset minuta, ali to ne bi trebao biti problem za većinu upotreba. Morat ćete napraviti Weathercloud račun kako bi funkcionirao. Tada ćete morati stvoriti profil postaje na njihovoj web stranici. Kad kreirate profil svoje vremenske postaje na Weathercloudu, dobit ćete Weathercloud ID i Weathercloud KLJUČ. Zadržite ih jer će Arduinu trebati da znaju kamo šalju podatke.

Korak 3: Popis dijelova

U redu, pa za ovaj projekt trebat će vam sve stvari koje su uredno navedene u mojoj specifikaciji Google dokumenata upravo ovdje.

PROCJENJENI TROŠKOVI PROJEKTA: 150 €/165 $

Korak 4: Alati

Ovi alati mogli bi vam dobro doći (iako je većina njih apsolutno neophodna):

Laserski rezač

Zavarivač

Čelična pila

Skidač žice

Bušilica

Bušilica za baterije

Lemilica

Kliješta

Odvijači

Pištolj za ljepilo

Multimetar

Svrdlo za drvo

Korak 5: Dizajn upravljačke ploče

Išao sam s vrlo centraliziranom arhitekturom. To znači da sve što može biti ne nalazi se samo u jednoj kutiji već na jednoj ploči. Nedavno sam naučio dizajnirati PCB -e, što je vrlo vrijedna i korisna vještina. Svi su projekti mnogo uredniji i precizniji, pa čak i elegantni na neki način. Također je vrlo zgodno: samo pošaljete svoje datoteke u Kinu i one odrade sve ožičenje i pošalju vam cijelu ploču. Zatim samo zalemite komponente na mjestu i gotovi ste.

PCB sadrži oba mikrokontrolera na ovoj stanici: ESP32 (glavna upravljačka jedinica) i Arduino NANO (procesor oborina). Također sadrži neke od senzora koji uključuju: BME280, BHT1750 i ML8511. Zatim tu je DS3231 RTC modul. Na kraju, ali ne i najmanje važno, postoje neki otpornici i vijčani priključci.

Dizajnirao sam svoju ploču u Autodesk Eagleu. Samo preuzmite priloženu Gerber datoteku pod nazivom "ESP32 weather station.zip" i prenesite je na JLC PCB. Ili, ako ga želite urediti, možete preuzeti datoteke "ESP32 weather station schematic.sch" i "ESP32 weather station board.brd" datoteke i urediti ih u programu Eagle. Snažno savjetujem da prvo upišete klasu dizajna pločastih ploča s instruktora.

Korak 6: Lemljenje

U redu svi, vjerojatno ste to već radili. Na ovoj prekrasnoj ploči koju sam dizajnirao nalaze se lijepi otisci stopala od svile. Kada to imate, lemljenje bi trebalo biti dio kolača jer vidite točno kamo ide što. Postoje samo THT komponente sa standardnim razmakom od 0,1 . Dakle, samo nastavite i lemite ploču jer ste pametni i to možete učiniti sami! Ne bi vam trebalo oduzeti više od pola sata.

AŽURIRAJTE 18.7.2020.: RTC modul više nije potreban. Nema potrebe za postavljanjem na ploču. Više možete saznati u koraku 12.

Korak 7: Izrada radijacijskog štita

Kad sam ovo gradio, rekao sam si "U redu, već si to učinio dva puta, nema šanse da to sada zabrljaš." I nisam.

Štit od sunčevog zračenja vrlo je uobičajena stvar koja se koristi u meteorološkim postajama za blokiranje izravnog sunčevog zračenja i stoga smanjuje pogreške u izmjerenoj temperaturi. Također djeluje kao držač senzora temperature. Štitnici od zračenja su vrlo korisni, ali obično su izrađeni od čelika i skupi su pa sam odlučio izgraditi vlastiti štit. Napravio sam Instructable koji pokazuje kako napraviti ovakav štit od zračenja.

Korak 8: Upravljačka kutija

Glavni dio ove postaje očito je kontrolna kutija. U njemu se nalaze primarni i sekundarni mikrokontroleri, neki od senzora, RTC i neke pasivne komponente. Sve to u prikladnom IP65 paketu. Kutija ima prozirni poklopac pa sunčeva svjetlost može proći do senzora UV i sunčevog zračenja.

Prije nego što možemo montirati PCB, moramo pripremiti kutiju za kabele. U kutiju ide pet kabela za napajanje i prijenos podataka. Kako bismo održali vodootporna svojstva stanice, trebat će nam vodootporne kabelske uvodnice. Točnije, jedan PG7 za kabel za napajanje, drugi PG7 za senzore vjetra i kiše i treći PG11 za oba senzora temperature. Stavio sam veću (PG11) žlijezdu u središte jedne stjenke kutije, a dvije manje (PG7) žlijezde u suprotnu stijenku. Dakle, postupak izmjene kutije je sljedeći:

1) Označite središte svake rupe markerom.

2) Izbušite malu rupu tankim svrdlom.

3) Bušilicom za drvo polako povećavajte veličinu rupe.

4) Očistite rupe.

5) Umetnite i pričvrstite kabelsku uvodnicu u svaku rupu.

Korak 9: Montiranje na PCB

Budući da imam samo studentsku probnu verziju Autodesk Eagle -a, ne mogu dizajnirati PCB -e veće od 8 cm. Sve pristaje ovoj ploči pa je to u redu. Jedini problem je s upravljačkom kutijom. Otvori za montažu ploče uključeni u kutiju udaljeni su 14 cm. To znači da će nam trebati držač za PCB. To može biti ploča (drvena/plastična/metalna) na koju ćemo montirati PCB. Zatim ćemo pričvrstiti držač na upravljačku kutiju. Na taj način PCB će biti pričvršćen za upravljačku kutiju.

Nosač možete napraviti kako god želite. Možete ga izraditi ručno od ploče od drva ili čelika, možete ga izrezati laserom (kao i ja) ili ga možete čak i 3D ispisati. Uključujem i dimenzije ploče pa je izbor na vama. Ako imate pristup laserskom rezaču, tada je lasersko rezanje najjednostavnija opcija. Datoteke laserskog rezača možete pronaći ovdje u.pdf i.svg formatu.

Kao što vidite, prošao sam kroz više varijacija držača. Konačno, otišao sam s akrilnim, jer na njega ne utječe vlaga (kao drvo) i ne privlači toplinu (kao čelik).

Korak 10: Sklapanje + ožičenje

Ovo će biti prilično jednostavno za napraviti, ali prilično teško za objasniti jer postoji mnogo malih koraka. Prijeđimo odmah na to:

1) Umetnite sve kabele u predviđenu rupu. Nemojte još učvršćivati kabelske uvodnice.

2) Spojite sve žice sa senzora vjetra, senzora padalina i iz kabela za napajanje prema priloženom dijagramu ožičenja. Nemojte još spajati kabele s osjetnika temperature.

3) Ako je montiran, uklonite nosač za PCB. Zatim okrenite tiskanu ploču tako da kabeli idu uz njenu donju stranu. Učvrstite nosač PCB -a tako da su kabeli pričvršćeni u sendviču između PCB -a i nosača.

4) Umetnite i pričvrstite nosač PCB -a s PCB -om.

5) Učvrstite dvije manje (PG7) kabelske uvodnice. Još ne osiguravajte veći.

6) Umetnite i spojite kabele s osjetnika temperature prema priloženoj shemi ožičenja.

7) Stavite gornji poklopac i pričvrstite ga vijkom.

Korak 11: Budite sretni

Ovaj korak je svojevrsna kontrolna točka. U ovom trenutku trebali ste sami napraviti nešto što izgleda kao ono što vidite na slici. Ako je to točno, budite sretni. Hajde, užinu i odmorite se jer ovo nije samo jedan mali korak za čovjeka, već ogroman skok za čovječanstvo. Ako ne, pregledajte prethodne korake i locirajte problem. Ako to ne pomogne, komentirajte ili mi pošaljite poruku.

Dakle, kad ste zdravi i ponovno u formi, možete prijeći na dio kodiranja i otklanjanja pogrešaka.

Korak 12: Kodiranje i ispravljanje pogrešaka

Yaaaaay, svi vole kodiranje! Čak i ako to ne učinite, to nije važno jer možete jednostavno preuzeti i koristiti moj kôd.

Prvo morate dodati ESP32 dev modul svom upravitelju ploča. Da biste to učinili, morate preuzeti JSON paket i instalirati ga putem upravitelja ploča. Pogledajte ovaj vodič od Random Nerd Tutoriala.

Sada morate preuzeti sve bitne knjižnice. Napravio sam ZIP arhivu "Libraries.zip" kako bih vam pojednostavio. Nemojte uvoziti arhivu u Arduino IDE poput klasične knjižnice. Umjesto toga, izvucite arhivu i premjestite sve datoteke u Documents/Arduino/biblioteke. Sada možete preuzeti sva četiri moja programa: "Wi-Fi_Weathercloud_API_test.ino", "System_test.ino", "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino".

Otvorite "Wi-Fi_Weathercloud_API_test.ino". Morat ćete promijeniti nekoliko stvari. Prvo ćete morati zamijeniti "SSID" i "KEY" svojim SSID-om Wi-Fi mreže (imenom) i lozinkom. Drugo, morat ćete zamijeniti "WID" i "KEY" sa svojim Weathercloud ID -om i KEY koje biste trebali imati od Koraka 2. Isto ćete morati učiniti i sa "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino". Idite i prenesite kôd na ESP32. Trebali biste vidjeti unaprijed definirane podatke koji se pojavljuju na web stranici Weathercloud. Ako je to točno, nastavite.

Prenesite "System_test.ino" na ESP32 i "I2C_rainfall_sender" u Arduino NANO. Otvorite serijsku konzolu ESP32 na 115200 bauda. Sada biste na zaslonu trebali vidjeti podatke senzora koji dolaze svakih 15 sekundi. Igrajte se sa senzorima. Upali svjetlo u senzor solarnog zračenja, puši u osjetnik brzine vjetra, zagrij temperaturnu sondu … Na ovaj način možeš provjeriti radi li sve. Ako zaključite da je sve kako treba biti, nastavite.

Prenesite "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino" na ESP32. Ako ste sve učinili ispravno, trebali biste vidjeti stvarne podatke sa postaje koji dolaze na stranicu Weathercloud svakih 10 minuta. Ako ovo uspije, znači da je vaša stanica sada potpuno operativna i jedino što trebate učiniti je instalirati je na neko lijepo mjesto.

AŽURIRAJTE 18.7.2020.: Svi sekundarni programi/programi za testiranje ostaju isti. No, glavni program meteorološke postaje je nadograđen. Struktura koda mnogo je jasnija nego prije. Sve potrebne parametre možete postaviti na početku koda. ESP32 sada dobiva vrijeme s NTP poslužitelja pa modul RTC više nije potreban. Na kraju, ali ne i najmanje važno, ESP32 sada izvodi postupak dubokog sna kada ne mjeri i ne šalje podatke. To će smanjiti potrošnju energije, a također će produljiti vijek trajanja meteorološke postaje. Da biste koristili novi kôd, samo preuzmite nadograđeni kôd "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino" i ažuriranu ZIP datoteku s knjižnicama (Instructables to ne prihvaća, pa evo veze na Google disk). Uživati!

Korak 13: Montaža stanice

Stoga, nakon što potvrdite da vaša stanica radi, morate je dizajnirati i izraditi nosač. Morat će biti snažan, izdržljiv, kompaktan i na kraju mora biti lijep. Poduzmite ovaj korak više kao preporuku ili inspiraciju nego precizne upute. Ne znam kako izgleda gdje ćete ga montirati. Morate biti malo kreativniji. Ali ako imate ravan krov s metalnom cijevi promjera 5 cm, nastavite i učinite kao ja. Ova stanica ima dvije kutije. Pa sam odlučio obojicu staviti jedno do drugoga na metalnu ploču. Mora se montirati na metalnu cijev promjera 5 cm. Zato sam na dno ploče stavio cijev s unutarnjim promjerom 5 cm. Oba senzora vjetra moraju biti daleko od ostatka postaje. Zato stavite dvije cijevi duljine 40 cm sa svake strane stanice i dvije cijevi duljine 10 cm na kraj svake. Zračni štit treba postaviti ispod ploče kako bi se stvorila dodatna sjena. Za to sam na debelu metalnu cijev stavio L nosač dimenzija 7 x 15 cm.

Ovdje su svi potrebni metalni dijelovi jedan po jedan [dimenzije u mm]:

1x cijev, unutarnji promjer 50, duljina 300

1x ploča, 250 x 300, debljina 3

1x L nosač, 75 i 150 krakova

2x cijev, vanjski promjer 12, duljina 400

2x cijev, unutarnji promjer 17, duljina 100

Kad imate sve ove metalne dijelove, možete ih zavariti u skladu s 3D modelom koji sam dao. Tada ćete morati izbušiti sve rupe za kutije i za zaštitu od zračenja. Zatim ga samo obojite bojom za metal. Preporučujem bijelu boju jer apsorbira najmanje topline iz svih boja. To je to, imate sami postaju na koju možete postaviti svoju stanicu!

Korak 14: Instalacija

Uzmite svoju meteorološku stanicu, nosač i sav svoj alat jer će vam svi oni trebati. Uđite u automobil (ili autobus koji me ne zanima) i stignite do buduće lokacije svoje postaje. Konačno, možete montirati stanicu.

Učiniti da vaša meteorološka postaja radi u vašoj radionici jedno je, ali drugo je učiniti da radi u teškim uvjetima u stvarnom svijetu. Postupak instalacije uvelike ovisi o zgradi na koju postavljate stanicu. Ali ako imate držač iz prethodnog koraka i snažnu bušilicu, to bi trebalo biti u redu. Samo trebate zalijepiti debelu cijev s nosača na nešto tanju cijev na krovu. Zatim samo izbušite obje cijevi i pričvrstite ih dugim vijkom. Montirajte sve kutije i senzore. To je to. Vaša je postaja sada uspješno instalirana.

To smo učinili jednog kišnog dana. Bilo je jako teško, ali nismo imali drugu mogućnost zbog roka za natjecanje.

Korak 15: Napajanje, postavljanje uzlazne veze i ispravljanje pogrešaka

Vaša je postaja fizički instalirana, ali još nije na mreži. Učinimo to sada. Morate nekako napajati stanicu. Ovdje morate biti malo kreativni. Možete staviti adapter unutar kuće i provući kabel kroz prozor. Kabel možete zakopati pod zemlju. Možete ga napajati preko solarne ploče. Bitno je samo da na pinovima kabela za napajanje dolazi 5V 500mA iz upravljačke kutije. Zapamtite, sve mora biti otporno na vremenske uvjete! Kad uključite stanicu, možete prijeći na postavljanje uzlazne veze i ispravljanje pogrešaka.

Uplink Setup u osnovi omogućuje ESP32 povezivanje s vašom Wi-Fi mrežom. Ako je u vašoj kući, trebalo bi biti u redu. Ako se nalazi u garaži ili dalje, možda će vam trebati Wi-Fi proširivač ili čak prilagođena Wi-Fi mreža. Zatim slijedi faza otklanjanja pogrešaka. Možete samo prenijeti konačni kod i nadati se najboljem, ali doista preporučujem testiranje svakog od senzora jedan po jedan kako biste bili sigurni da sve radi ispravno. U osnovi ista stvar kao u koraku 12. Ako sve radi kako treba, možete pritisnuti gumb UPLOAD, odspojiti USB kabel i zatvoriti upravljačku kutiju.

Korak 16: Živite sretno ikad poslije

Isuse, ovo je bilo tako zadnji trenutak dečki. Primijetio sam natjecanje senzora samo 10 dana prije nego što je završilo. Iste večeri morao sam obaviti otprilike 10 telefonskih poziva kako bih dogovorio sve potrebno za finalizaciju postaje. Još nije bio dovršen. Dan kada smo trebali instalirati stanicu došla je ogromna oluja koja nam je poremetila planove. Morao sam dovršiti sav tekst prije završetka postaje. Stanica je konačno instalirana upravo danas, na isti dan kada sam objavio ovaj Instructable.

Sigurno je da su mnoge stvari ovdje mogle biti bolje napravljene, ali postoje mnoge korisne stvari koje možete naučiti ovdje i koristiti ih pri izgradnji vlastite postaje. Ako ste sve korake izvršili ispravno, sada imate potpuno operativnu ESP32 oblačnu vremensku stanicu. I to je nešto! Sav naporan rad se isplatio (nadam se da je uspio). Podatke s moje postaje možete vidjeti ovdje. Ako imate nekih pitanja ili prijedloga, rado ću ih čuti u odjeljku komentara ispod.

Da, i ako vam se svidio ovaj projekt, bio bih vam jako zahvalan ako biste glasovali za mene na natječaju Senzori. Hvala vam puno i uživajte !!!

Prva nagrada na natjecanju senzora