ESP32 Weathercloud Weather Station: 16 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:05

Prošle godine objavio sam svoju najveću instrukciju do sada pod nazivom Arduino Weathercloud Weather Station. Rekao bih da je bio veoma popularan. Bio je predstavljen na početnoj stranici Instructables, Arduino blogu, Wiznet muzeju, Instructables Instagram, Arduino Instagram, a takođe i 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 pročitao svaki komentar i savjet. Oko 8 mjeseci radim na ovoj novoj, prefinjenoj stanici. Popravljao sam i poboljšavao razne stvari. Pokušao sam ga učiniti manjim, jednostavnijim, pametnijim, hladnijim i ostaviti prihvatljivu cijenu od 150 € (165 $). Stanica je postavljena na robotskoj farmi u blizini Seneca u Slovačkoj. Evo trenutnih podataka.

Pokušat ću ovdje objasniti cijeli moj proces razmišljanja, pa ako želite samo započeti s izgradnjom, samo preskočite na korak 3.

Karakteristike:

• merenje 12 meteoroloških vrednosti
• upotreba 8 različitih senzora
• IoT - podaci su javni u oblaku
• Rad 5V 500mA
• komunikacija putem Wi-Fi-ja
• potpuno otporan na vremenske uslove
• izgleda super
• to je DIY

Veliko hvala Lab Cafe makerspace -u na pružanju prostora i podrške tokom izgradnje ove stanice. Idite ih provjeriti!

Fotografija: ME (naravno) + Viktor Demčák

Ažuriranje 18.7.2020.: Pozdrav svima! Prošlo je dosta vremena. Mnogi od vas pisali su mi o više problema s hardverom i softverom. Novi hardver bit će spreman za samo nekoliko sedmica, 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: Dizajnirajte

Dizajniranje meteorološke stanice dug je i promišljen proces. Imate toliko mnogo mogućnosti za odabir. Ovo su glavne stvari o kojima biste trebali razmišljati prilikom projektiranja meteorološke stanice (ili sam barem ja to učinio):

1) BUDŽET. Ovo je samo po sebi razumljivo.

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

3) MERENE PROMENLJIVE. Želite li samo izmjeriti temperaturu ili vlažnost? Tada možete postaviti sondu gotovo bilo gdje. Ali ako želite mjeriti padavine, vjetar, sunčevo zračenje, UV indeks ili druge stvari vezane za sunce ili padavine, 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 precizno kalibrirana i uporediva s nacionalnim meteorološkim institutom ili su vam dovoljne amaterske vrijednosti?

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

1) ZAŠTITITE TEMPERATURNI SENZOR. Apsolutno morate to 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 zaštitu od zračenja. Znam, moja stanica za zračenje nije savršena, ali pomaže.

2) POSTAVITE SENZOR VJETRA VIŠE. Prema međunarodnim standardima senzori vjetra trebali bi biti postavljeni 10 metara visoko. Nemam novca ni za kupovinu stuba od 10 metara, pa mi je dovoljna cijev od 2 metra iznad krova.

3) ČISTO PODRUČJE OKO I ISPOD STANICE. Ako želite mjeriti sunčevu svjetlost, senzor ne možete imati u sjeni. Ako želite mjeriti padavine, ne možete imati nešto što blokira kapljice. Zato pazite da je područje oko i iznad stanice očišćeno.

Nastavimo. Stoga sam za svoju stanicu odlučio izmjeriti ove varijable: temperaturu zraka, temperaturu tla, relativnu vlažnost, atmosferski tlak, toplinski indeks, točku rose, hladnoću vjetra, kišu, 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 odvojena mikrokontrolera, jedan za rukovanje samo mjerenjima padavina, a drugi za sve ostalo.

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

Korak 2: Weathercloud

"ESP32 Weathercloud Weather Station" Šta je Weatherclud? Weathercloud je velika mreža meteoroloških stanica koje izvještavaju podatke u stvarnom vremenu iz cijelog svijeta. Besplatno je i s njim je povezano više od 10 000 meteoroloških stanica. Prvo sam imao svoju HTML web stranicu na koju su poslani svi podaci, ali napraviti vlastitu web stranicu i grafiku je teško i mnogo je lakše samo poslati sve podatke na veliku cloud platformu koja ima lijepu grafiku i stabilne servere. 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 da bi funkcionirao. Zatim ćete morati stvoriti profil stanice na njihovoj web stranici. Kada 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: Lista dijelova

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

PROCJENJENI TROŠKOVI PROJEKTA: 150 €/165 $

Korak 4: Alati

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

Laserski rezač

Varioc

Čelična pila

Skidač žice

Električna bušilica

Bušilica za baterije

Lemilica

Kliješta

Odvijači

Pištolj za ljepilo

Multimetar

Svrdlo za drvo

Korak 5: Dizajn upravljačke ploče

Otišao 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 -ove, što je vrlo vrijedna i korisna vještina. Svi projekti su mnogo uredniji i precizniji, pa čak i elegantni na neki način. Također je vrlo zgodno: samo šaljete svoje datoteke u Kinu, a one obavljaju sve električne instalacije i šalju vam kompletnu 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 padavina). Sadrži i 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 konektori.

Dizajnirao sam svoju ploču u Autodesk Eagle -u. Samo preuzmite priloženu Gerber datoteku pod nazivom "ESP32 weather station.zip" i postavite 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 Eagle -u. Snažno savjetujem da prvo upišete klasu dizajna pločastih ploča s instruktora.

Korak 6: Lemljenje

U redu svi, vjerovatno ste svi ovo već radili. Ova prekrasna ploča koju sam dizajnirao ima lijepe otiske otisaka sitotiska. Kada to imate, lemljenje bi trebalo biti dio kolača jer vidite gdje tačno šta ide. Postoje samo THT komponente sa standardnim razmakom od 0,1 . Dakle, samo nastavite i lemite ploču jer ste pametni i to možete sami! Ne bi vam trebalo više od pola sata.

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

Korak 7: Izrada radijacijskog štita

Kad sam ovo gradio, rekao sam sebi: "U redu, već ste ovo uradili dva puta, nema šanse da to sada zabrljate." I nisam.

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

Korak 8: Kontrolna kutija

Očigledno je da je glavni dio ove stanice 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 ulazi pet kabela za napajanje i prijenos podataka. Da bismo održali vodootporna svojstva stanice, trebat će nam vodootporne kabelske uvodnice. Konkretno, 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 jednog zida kutije, a dvije manje (PG7) žlijezde u suprotnu stijenku. Dakle, proces izmjene kutije je sljedeći:

1) Markerom označite središte svake rupe.

2) Izbušite malu rupu tankim svrdlom.

3) Polako povećavajte veličinu rupe bušilicom za drvo.

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 sa upravljačkom kutijom. Rupe za montažu ploče uključene u kutiju udaljene 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 kontrolnu kutiju. Na ovaj način PCB će biti pričvršćen za kontrolnu kutiju.

Nosač možete napraviti kako god želite. Možete ga napraviti ručno od ploče od drva ili čelika, možete ga izrezati laserom (kao ja) ili čak možete 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. Pređimo odmah na to:

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

2) Spojite sve žice sa senzora vjetra, senzora padavina i 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. Pričvrstite nosač PCB -a tako da su kabeli pričvršćeni u sendviču između PCB -a i nosača.

4) Umetnite i pričvrstite držač PCB -a sa PCB -om.

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

6) Umetnite i spojite kabele s temperaturnih senzora prema priloženoj shemi ožičenja.

7) Stavite gornji poklopac i pričvrstite ga.

Korak 11: Budite sretni

Ovaj korak je neka vrsta kontrolne tačke. U ovom trenutku trebali ste sami napraviti nešto što liči na ono što vidite na slici. Ako je to tačno, 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, kada ste zdravi i ponovo u formi, možete prijeći na dio kodiranja i otklanjanja grešaka.

Korak 12: Kodiranje i otklanjanje grešaka

Jaaaaay, 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 Tutorials.

Sada morate preuzeti sve bitne biblioteke. Napravio sam ZIP arhivu "Libraries.zip" kako bih vam pojednostavio. Nemojte uvoziti arhivu u Arduino IDE poput klasične biblioteke. Umjesto toga, ekstrahirajte 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" vašim SSID-om Wi-Fi mreže (imenom) i lozinkom. Drugo, morat ćete zamijeniti "WID" i "KEY" sa vašim 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 lokaciji Weathercloud. Ako je to tačno, nastavite.

Otpremite "System_test.ino" na ESP32 i "I2C_rainfall_sender" na Arduino NANO. Otvorite serijsku konzolu ESP32 na 115200 bauda. Sada biste trebali vidjeti podatke senzora koji dolaze svakih 15 sekundi na ekran. Igrajte se sa senzorima. Upali svetlo u senzor solarnog zračenja, duni u senzor brzine vetra, zagrej temperaturnu sondu … Na ovaj način možeš da proveriš radi li sve. Ako zaključite da je sve kako treba biti, nastavite.

Otpremite "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino" na ESP32. Ako ste sve učinili ispravno, trebali biste vidjeti stvarne podatke sa stanice 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.

AŽURIRANJE 18.7.2020.: Svi sekundarni programi/programi za testiranje ostaju isti. Ali glavni program meteorološke stanice je nadograđen. Struktura koda je mnogo jasnija nego ranije. Sve potrebne parametre možete postaviti na početku koda. ESP32 sada dobiva vrijeme s NTP servera pa modul RTC više nije potreban. Na kraju, ali ne i najmanje važno, ESP32 sada pokreće proceduru dubokog sna kada ne mjeri i ne šalje podatke. To će smanjiti potrošnju energije, a također će produžiti vijek trajanja meteorološke stanice. Da biste koristili novi kôd, samo preuzmite nadograđeni "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino" kôd i ažuriranu ZIP datoteku s bibliotekama (Instructables to ne prihvaća, pa evo veze na Google disk). Uživajte!

Korak 13: Montiranje stanice

Dakle, 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. Preduzmite ovaj korak više kao preporuku ili inspiraciju nego precizna uputstva. 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 što sam učinio ja. Ova stanica ima dvije kutije. Zato sam odlučio staviti oboje jedno do drugog na metalnu ploču. Mora se montirati na metalnu cijev promjera 5 cm. Zato sam stavio cijev s unutarnjim promjerom 5 cm na dno ploče. Oba senzora vjetra moraju biti udaljena od ostatka stanice. Zato stavite dvije cijevi dužine 40 cm sa svake strane stanice i dvije cijevi dužine 10 cm na kraj svake. Zaštita od zračenja treba biti postavljena ispod ploče kako bi se stvorila dodatna sjena. Za to sam na debelu metalnu cijev stavio L držač dimenzija 7 x 15 cm.

Evo svih potrebnih metalnih dijelova jedan po jedan [dimenzije u mm]:

1x cev, unutrašnji prečnik 50, dužina 300

1x ploča, 250 x 300, debljina 3

1x L držač, 75 i 150 krakova

2x cijev, vanjski promjer 12, dužina 400

2x cijev, unutrašnji promjer 17, dužina 100

Kada imate sve ove metalne dijelove, možete ih zavariti prema 3D modelu koji sam dao. Zatim 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 što ste sami dobili nosač stanice na koji 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 stanice. Konačno, možete montirati stanicu.

Učiniti da vaša meteorološka stanica radi u vašoj radionici je jedno, a drugo rad u teškim uslovima u stvarnom svijetu. Postupak instalacije uvelike ovisi o zgradi na kojoj montirate svoju 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 stanica je sada uspješno instalirana.

Učinili smo to jednog kišnog dana. Bilo je jako teško, ali nismo imali drugu mogućnost zbog roka za takmičenje.

Korak 15: Napajanje, postavljanje uzlazne veze i otklanjanje grešaka

Vaša stanica je fizički instalirana, ali još nije na mreži. Učinimo to sada. Morate nekako napajati stanicu. Ovdje morate biti malo kreativni. U kuću možete staviti adapter 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 otklanjanje 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 zaista preporučujem testiranje svakog od senzora jedan po jedan kako biste bili sigurni da sve funkcionira ispravno. U osnovi ista stvar kao u koraku 12. Ako sve radi kako treba, možete pritisnuti tipku UPLOAD, odspojiti USB kabel i zatvoriti kontrolnu kutiju.

Korak 16: Živite sretno ikad poslije

Isuse, ovo je bilo tako zadnji trenutak momci. Primetio sam takmičenje senzora samo 10 dana pre nego što se završilo. Iste večeri, trebalo mi je 10 telefonskih poziva kako bih dogovorio sve što je potrebno za finalizaciju stanice. To još nije bilo gotovo. Dan kada smo trebali instalirati stanicu došla je ogromna oluja koja nam je poremetila planove. Morao sam dovršiti sav tekst prije nego što je stanica završena. Stanica je konačno instalirana upravo danas, istog dana 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 stanice. 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 jeste). Podatke sa moje stanice možete vidjeti ovdje. Ako imate nekih pitanja ili prijedloga, rado ću ih čuti u odjeljku za komentare ispod.

Da, i ako vam se svidio ovaj projekt, bio bih vam jako zahvalan ako biste glasali za mene na takmičenju senzora. Hvala vam puno i uživajte !!!

Prva nagrada na takmičenju senzora