Vremenska postaja ESP32 Weathercloud: 16 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:03

Lani sem izdal svojo največjo dosedanjo Instructable vremensko postajo Arduino Weathercloud Weather Station. Rekel bi, da je bil zelo priljubljen. Predstavljen je bil na domači strani Instructables, spletnem dnevniku Arduino, muzeju Wiznet, Instructables Instagram, Arduino Instagram in tudi na Twitterju Weathercloud. Bil je celo eden izmed 100 najboljših navodil leta 2018! In to je bilo za malega proizvajalca, kot sem jaz, zelo velik posel. Vesel sem bil, ko sem videl toliko pozitivnih odzivov in sem natančno prebral vsak komentar in namig. Približno 8 mesecev sem delal na tej novi, izpopolnjeni postaji. Popravljal sem in izboljšal različne stvari. Poskušal sem ga narediti manjšega, enostavnejšega, pametnejšega, hladnejšega in pustiti sprejemljive stroške 150 € (165 $). Postaja je nameščena na robotski kmetiji v bližini mesta Senec na Slovaškem. Tu so trenutni podatki.

Tu bom poskušal razložiti celoten svoj miselni proces, zato, če želite samo začeti z gradnjo, preskočite na tretji korak.

Lastnosti:

• merjenje 12 meteoroloških vrednosti
• uporaba 8 različnih senzorjev
• IoT - podatki so javni v oblaku
• Delovanje 5V 500mA
• komunikacijo prek Wi-Fi
• popolnoma odporna na vremenske vplive
• izgleda kul
• to je DIY

Najlepša hvala podjetju Lab Cafe makerspace za zagotavljanje prostora in podporo pri gradnji te postaje. Pojdi jih preverit!

Fotografiranje: ME (seveda) + Viktor Demčák

UPDATE 18.7.2020: Pozdravljeni vsi! Dolgo je minilo. Mnogi od vas ste mi pisali o več težavah s strojno in programsko opremo. Nova strojna oprema bo pripravljena v nekaj tednih, do takrat pa izdajam novo vdelano programsko opremo. Ta programska oprema bo pomagala odpraviti nekatere težave. Če želite izvedeti več, pojdite na korak 12. In kar je najpomembneje - uživajte!

1. korak: Oblikovanje

Oblikovanje vremenske postaje je dolg in premišljen proces, na izbiro imate toliko možnosti. To so glavne stvari, na katere morate pomisliti pri načrtovanju vremenske postaje (ali sem vsaj jaz to storil):

1) PRORAČUN. To je precej samoumevno.

2) LOKACIJA. To je zelo pomembno, saj vpliva tako na namestitev kot tudi na komunikacijsko tehnologijo in potreben vir energije. Oddaljene vremenske postaje potrebujejo oddajnike velikega dosega in samostojen vir energije, kot je sončna celica.

3) MERJENE SPREMENLJIVE. Ali želite samo izmeriti temperaturo ali vlažnost? Potem lahko postavite sondo skoraj povsod. Če pa želite meriti padavine, veter, sončno sevanje, UV indeks ali druge stvari, povezane s soncem ali padavinami, potem senzorji ne morejo biti v senci in jih ni mogoče blokirati ne od zgoraj ne od strani.

4) TOČNOST. Ali želite, da so vaše meritve natančno umerjene in primerljive z nacionalnim vremenskim inštitutom ali so za vas dovolj amaterske vrednosti?

Tako bi morali imeti do zdaj precej dobro predstavo o tem, kaj želite. Pa pojdimo na risalno desko! Tu je nekaj osnovnih pravil, o katerih sem razmišljal:

1) ZAŠČITITE TEMPERATURNI SENZOR. To morate nujno storiti. Toplota lahko potuje na toliko načinov, da lahko seva in vodi skozi strukturo same postaje. Zato poskusite premazati vse kovinske dele in temperaturni senzor postaviti v ščit pred sevanjem. Vem, moja radiacijska postaja ni popolna, vendar pomaga.

2) SENZOR VETRA DAVITE VISOKO. Senzorji vetra naj bi bili po mednarodnih standardih postavljeni 10 m visoko. Nimam niti denarja za nakup 10 -metrskega stebra, zato mi zadostuje 2 -metrska cev nad streho.

3) ČISTO OBMOČJE OKOLI IN NAD STANICO. Če želite meriti sončno svetlobo, senzorja ne morete imeti v senci. Če želite izmeriti padavine, ne morete blokirati kapljic. Zato poskrbite, da bo območje okoli in nad postajo očiščeno.

Nadaljujmo. Zato sem se za svojo postajo odločil, da želim izmeriti te spremenljivke: temperaturo zraka, temperaturo tal, relativno vlažnost, atmosferski tlak, indeks toplote, rosišče, ohladitev vetra, padavine, sončno sevanje, indeks UV, hitrost vetra in smer vetra. To je skupaj 8 senzorjev, od katerih so 3 majhni moduli, nameščeni na PCB, in 5 zunanjih sond. Potreboval bom 2 ločena mikrokrmilnika, enega za samo merjenje padavin in drugega za vse ostalo.

Odločil sem se, da bom vse, kar lahko, postavil na eno tiskano vezje. PCB sem dal v škatlo IP65 s prozornim pokrovom, tako da lahko sončna svetloba prehaja do senzorjev sončnega sevanja in UV indeksa. Vsi drugi senzorji bodo s kablom povezani z glavno krmilno omarico. To je torej vse za moj dizajn.

Korak: Weathercloud

"Vremenska postaja ESP32 Weathercloud" Kaj je Weatherclud? Weathercloud je velika mreža vremenskih postaj, ki v realnem času poročajo o podatkih z vsega sveta. Je brezplačen in z njim je povezanih več kot 10 000 vremenskih postaj. Najprej sem imel svoje spletno mesto HTML, kamor so bili poslani vsi podatki, vendar je izdelava lastnega spletnega mesta in grafike težka in veliko lažje je samo poslati vse podatke na veliko oblačno platformo, ki ima lepo grafiko in stabilne strežnike. Iskal sem, kako poslati podatke na weathercloud, in ugotovil, da lahko to preprosto dosežete s preprostim klicem GET. Edina težava Weatherclouda je, da vam z brezplačnim računom omogoča pošiljanje podatkov le vsakih deset minut, vendar to pri večini uporab ne bi smelo biti problem. Če želite, da deluje, morate ustvariti račun Weathercloud. Nato morate na njihovi spletni strani ustvariti profil postaje. Ko ustvarite profil vremenske postaje na Weathercloudu, prejmete ID Weathercloud in KLJUČ Weathercloud. Ohranite jih, ker jih bo Arduino vedel, kam poslati podatke.

3. korak: Seznam delov

V redu, zato boste za ta projekt potrebovali vse stvari, ki so lepo navedene v moji specifikaciji Google Dokumenti tukaj.

OCENJENI STROŠKI PROJEKTA: 150 €/165 $

4. korak: Orodja

Ta orodja bi lahko prišla prav (čeprav je večina nujno potrebnih):

Laserski rezalnik

Varilec

Jeklena žaga

Odstranjevalec žice

Električni vrtalnik

Akumulatorski vrtalnik

Spajkalnik

Klešče

Izvijači

Pištola za lepilo

Multimeter

Sveder za drevesa

5. korak: Oblikovanje nadzorne plošče

Šel sem z zelo centralizirano arhitekturo. To pomeni, da vse, kar je mogoče, ni le v eni škatli, ampak na enem vezju. Pred kratkim sem se naučil oblikovati PCB -je, kar je zelo dragocena in uporabna veščina. Vsi projekti so precej bolj urejeni in natančni ter na nek način celo elegantni. Prav tako je zelo priročno: datoteke pošljete samo na Kitajsko, ki opravijo vsa ožičenja in vam pošljejo celotno ploščo. Nato samo spajkate komponente in končate.

PCB vsebuje oba mikrokrmilnika na tej postaji: ESP32 (glavna krmilna enota) in Arduino NANO (procesor padavin). V njem so tudi nekateri senzorji, ki vključujejo: BME280, BHT1750 in ML8511. Potem je tu še modul DS3231 RTC. Nenazadnje je nekaj uporov in vijačnih priključkov.

Desko sem oblikoval v Autodesk Eagle. Prenesite priloženo datoteko Gerber z imenom "ESP32 weather station.zip" in jo naložite na JLC PCB. Če pa ga želite urediti, lahko prenesete datoteki "ESP32 weather station schematic.sch" in "ESP32 weather station board.brd" in jih uredite v programu Eagle. Močno svetujem, da najprej vpišete razred oblikovanja tiskanih vezij pri Instructables.

Korak 6: Spajkanje

V redu vsi, to ste verjetno že vsi počeli. Na tej čudoviti plošči, ki sem jo oblikoval, so natisnjeni lepi odtisi svilenih sitotiskov. Ko to imate, bi moralo biti spajkanje kos torte, ker natančno vidite, kam gre kaj. Obstajajo samo komponente THT s standardnim razmikom 0,1 . Zato pojdite in spajkajte ploščo, ker ste pametni in to lahko storite sami! To vam ne bi smelo vzeti več kot pol ure.

UPDATE 7/18/2020: Modul RTC ni več potreben. Ni ga treba namestiti na ploščo. Več lahko izveste v 12. koraku.

7. korak: Izdelava sevalnega ščita

Ko sem to gradil, sem si rekel: "V redu, to ste naredili že dvakrat, ni možnosti, da bi to zdaj pokvarili." In nisem.

Ščit pred sončnim sevanjem je zelo pogosta stvar, ki se uporablja na vremenskih postajah za blokiranje neposrednega sončnega sevanja in zato zmanjšuje napake pri izmerjeni temperaturi. Deluje tudi kot nosilec za temperaturni senzor. Sevalni ščiti so zelo uporabni, vendar so običajno iz jekla in so dragi, zato sem se odločil, da bom zgradil svoj ščit. Naredil sem Instructable, ki prikazuje, kako narediti takšen ščit pred sevanjem.

8. korak: Nadzorna omarica

Glavni del te postaje je očitno krmilna omarica. V njem so primarni in sekundarni mikrokrmilniki, nekateri senzorji, RTC in nekatere pasivne komponente. Vse to v priročnem paketu IP65. Škatla ima prosojen pokrov, tako da lahko sončna svetloba prehaja do senzorjev UV in sončnega sevanja.

Preden lahko namestimo tiskano vezje, moramo pripraviti škatlo za kable. V škatlo gre pet napajalnih in podatkovnih kablov. Da bi ohranili vodoodporne lastnosti postaje, bomo potrebovali vodotesne kabelske uvodnice. Natančneje, en PG7 za napajalni kabel, drugi PG7 za senzorje vetra in padavin in tretji PG11 za oba temperaturna senzorja. Večjo (PG11) žlezo sem dal v sredino ene stene škatle, dve manjši (PG7) pa v nasprotno steno. Postopek spreminjanja škatle je torej naslednji:

1) Označite sredino vsake luknje z markerjem.

2) S tankim svedrom izvrtajte majhno luknjo.

3) S svedrom za drevo počasi povečajte velikost luknje.

4) Počistite luknje.

5) V vsako luknjo vstavite in pritrdite kabelsko uvodnico.

9. korak: Nosilec za PCB

Ker imam samo študentsko preskusno različico Autodesk Eagle, ne morem oblikovati PCB -jev, večjih od 8 cm. Vse ustreza tej plošči, tako da je v redu. Edina težava je v krmilni omarici. Odprtine za pritrditev plošče, vključene v škatlo, so 14 cm narazen. To pomeni, da bomo potrebovali nosilec za tiskano vezje. To je lahko plošča (lesena/plastična/kovinska), na katero bomo namestili tiskano vezje. Nato bomo držalo pritrdili na krmilno omarico. Na ta način bo tiskano vezje pritrjeno na krmilno omarico.

Nosilec lahko naredite tako, kot želite. Lahko ga izdelate ročno iz lesene ali jeklene plošče, lasersko ga razrežete (kot jaz) ali pa ga celo natisnete 3D. Vključujem dimenzije plošče, zato je izbira vaša. Če imate dostop do laserskega rezalnika, je to najpreprostejša možnost laserskega rezanja. Datoteke laserskega rezalnika najdete tukaj v formatu.pdf in.svg.

Kot lahko vidite, sem šel skozi več različic nosilca. Nazadnje sem šel z akrilnim, ker nanj ne vpliva vlaga (kot les) in ne privlači toplote (kot jeklo).

10. korak: Sestavljanje + ožičenje

To bo zelo enostavno narediti, vendar je težko razložiti, ker obstaja veliko majhnih korakov. Pa pojdimo takoj na to:

1) Vstavite vse kable v predvideno luknjo. Kabelskih uvodnic še ne zavarujte.

2) Priključite vse žice senzorjev vetra, senzorja padavin in napajalnega kabla v skladu s priloženo shemo ožičenja. Še ne priključujte kablov s temperaturnih senzorjev.

3) Če je nameščen, odstranite nosilec za tiskano vezje. Nato obrnite tiskano vezje, tako da kabli gredo vzdolž njegove spodnje strani. Pritrdite nosilec tiskanega vezja tako, da so kabli pritrjeni v sendviču med tiskanim vezjem in nosilcem.

4) Vstavite nosilec tiskanega vezja in ga privijte skupaj s tiskanim vezjem.

5) Pritrdite dve manjši (PG7) kabelski uvodnici. Večjega še ne zavarujte.

6) Vstavite in priključite kable iz temperaturnih senzorjev v skladu s priloženo shemo ožičenja.

7) Namestite zgornji pokrov in ga privijte.

11. korak: Bodite srečni

Ta korak je nekakšna kontrolna točka. Na tej točki bi morali narediti nekaj takega, kar je videti na sliki. Če je to pravilno, bodite srečni. Pojdi, prigrizni si in počivaj, ker to ni samo en majhen korak za človeka, ampak velikanski preskok za človeštvo. Če ne, poglejte prejšnje korake in poiščite težavo. Če to ne pomaga, mi pišite ali komentirajte.

Torej, ko ste zdravi in v dobri formi, se lahko pomaknete na del za kodiranje in odpravljanje napak.

12. korak: Kodiranje in odpravljanje napak

Jaaaaay, vsi obožujejo kodiranje! Tudi če tega ne storite, ni pomembno, ker lahko preprosto prenesete in uporabite mojo kodo.

Najprej morate v upravitelja plošč dodati modul ESP32 dev. Če želite to narediti, morate prenesti paket JSON in ga namestiti prek upravitelja plošč. Oglejte si to vadnico Random Nerd Tutorials.

Zdaj morate prenesti vse bistvene knjižnice. Za poenostavitev sem ustvaril arhiv ZIP "Libraries.zip". Arhiva ne uvozite v Arduino IDE kot klasično knjižnico. Namesto tega izvlecite arhiv in vse datoteke premaknite v knjižnice Documents/Arduino/. Zdaj lahko prenesete vse štiri moje programe: "Wi-Fi_Weathercloud_API_test.ino", "System_test.ino", "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino".

Odprite »Wi-Fi_Weathercloud_API_test.ino«. Spremeniti boste morali nekaj stvari. Najprej boste morali zamenjati "SSID" in "KEY" z vašim SSID (ime) in geslom za omrežje Wi-Fi. Drugič, "WID" in "KEY" boste morali zamenjati s svojim Weathercloud ID -jem in KEY, ki bi jih morali imeti od 2. koraka. Enako morate storiti tudi z "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino". Pojdite in naložite kodo v ESP32. Na spletnem mestu Weathercloud bi morali videti vnaprej določene podatke. Če je to pravilno, nadaljujte.

Naložite "System_test.ino" v ESP32 in "I2C_rainfall_sender" v Arduino NANO. Odprite serijsko konzolo ESP32 pri 115200 baud. Zdaj bi morali na zaslonu videti podatke senzorjev, ki prihajajo vsakih 15 sekund. Igrajte se s senzorji. Osvetlite senzor sončnega sevanja, pihajte v senzor hitrosti vetra, segrejte temperaturno sondo … Tako lahko preizkusite, ali vse deluje. Če zaključite, da je vse tako, kot mora biti, nadaljujte.

Naložite "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino" v ESP32. Če ste vse naredili pravilno, bi morali videti resnične podatke s postaje, ki prihajajo na stran Weathercloud vsakih 10 minut. Če to deluje, to pomeni, da je vaša postaja zdaj popolnoma operativna in edino, kar morate storiti, je, da jo namestite na lepo mesto.

Posodobitev 18.7.2020: Vsi sekundarni programi/programi za testiranje ostajajo enaki. Toda glavni program vremenske postaje je bil nadgrajen. Struktura kode je veliko bolj jasna kot prej. Vse potrebne parametre lahko nastavite na začetku kode. ESP32 zdaj dobiva čas od strežnika NTP, zato modul RTC ni več potreben. Nenazadnje, ESP32 zdaj izvaja postopek globokega spanja, ko ne meri in ne pošilja podatkov. To bo zmanjšalo porabo energije in tudi podaljšalo življenjsko dobo vremenske postaje. Če želite uporabiti novo kodo, preprosto prenesite nadgrajeno kodo "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino" in posodobljeno datoteko ZIP s knjižnicami (Instructables je ne sprejema, zato je tukaj povezava do Google Drive). Uživajte!

Korak: Namestitev postaje

Torej, ko potrdite, da vaša postaja deluje, morate zanjo oblikovati in izdelati nosilec. Moral bo biti močan, vzdržljiv, kompakten in nenazadnje mora biti tudi lep. Naredite ta korak bolj kot priporočilo ali navdih kot natančna navodila. Ne vem, kako izgleda, kam ga boste namestili. Morate biti malo bolj ustvarjalni. Če pa imate ravno streho s štrlečo kovinsko cevjo premera 5 cm, naredite tako, kot sem storil jaz. Ta postaja ima dve škatli. Zato sem se odločil, da bom oba postavil drug poleg drugega na kovinsko ploščo. Namestiti ga je treba na kovinsko cev s premerom 5 cm. Zato sem na dno plošče postavil cev z notranjim premerom 5 cm. Oba senzorja vetra morata biti daleč od preostale postaje. Zato postavite dve cevi dolžine 40 cm na vsako stran postaje in dve cevi dolžine 10 cm na koncu vsake. Sevalni ščit je treba namestiti pod ploščo, da se zagotovi dodatna senca. Za to sem na debelo kovinsko cev postavil nosilec 7 x 15 cm L.

Tu so vsi potrebni kovinski deli enega za drugim [mere v mm]:

1x cev, notranji premer 50, dolžina 300

1x plošča, 250 x 300, debelina 3

1x nosilec L, roke 75 in 150

2x cev, zunanji premer 12, dolžina 400

2x cev, notranji premer 17, dolžina 100

Ko imate vse te kovinske dele, jih lahko varite v skladu s 3D modelom, ki sem ga predložil. Nato boste morali izvrtati vse luknje za škatle in za sevalno zaščito. Nato ga samo pobarvajte z barvo za kovino. Priporočam uporabo bele barve, ker absorbira najmanj toplote iz vseh barv. To je to, da imate postajo, na katero lahko namestite postajo!

14. korak: Namestitev

Vzemite vremensko postajo, nosilec in vsa orodja, ker jih boste potrebovali. Vstopite v avto (ali avtobus, ki mi je vseeno) in se odpravite na prihodnjo lokacijo svoje postaje. Končno lahko postajo namestite.

Ena stvar je, da vaša vremenska postaja deluje v vaši delavnici, drugo pa, da deluje v resničnih težkih razmerah. Postopek namestitve je zelo odvisen od stavbe, na katero nameščate svojo postajo. Če pa imate držalo iz prejšnjega koraka in močan vrtalnik, bi moralo biti v redu. Debelo cev z nosilca morate le nalepiti na nekoliko tanjšo cev na strehi. Nato samo izvrtajte obe cevi in ju pritrdite z dolgim vijakom. Namestite vse škatle in senzorje. To je to. Vaša postaja je zdaj uspešno nameščena.

To smo storili na deževen dan. Bilo je zelo težko, vendar zaradi roka za natečaj nismo imeli druge možnosti.

Korak 15: Napajanje, nastavitev navzgornje povezave in odpravljanje napak

Vaša postaja je fizično nameščena, vendar še ni na spletu. Naredimo to zdaj. Postajo moraš nekako napajati. Tukaj morate biti malo ustvarjalni. V hišo lahko postavite adapter in potegnete kabel skozi okno. Kabel lahko zakopate pod zemljo. Napajate ga lahko preko sončne celice. Pomembno je le, da je na zatičih napajalnega kabla 5V 500mA, ki prihaja iz krmilne omarice. Ne pozabite, da mora biti vse vremensko odporno! Ko je vaša postaja vklopljena, lahko preidete na nastavitev in odpravljanje napak navzgor.

Vzpostavitev povezave v osnovi omogoča, da se ESP32 poveže z vašim omrežjem Wi-Fi. Če je na vaši hiši, bi moralo biti v redu. Če je v garaži ali drug od drugega, boste morda potrebovali razširjevalnik Wi-Fi ali celo omrežje Wi-Fi po meri. Nato sledi faza odpravljanja napak. Lahko samo naložite končno kodo in upate na najboljše, vendar res priporočam, da preizkusite vsakega od senzorjev enega za drugim, da se prepričate, ali vse deluje pravilno. V bistvu isto kot v 12. koraku. Če vse deluje tako, kot mora, lahko pritisnete gumb NALOGA, odklopite kabel USB in zaprite nadzorno polje.

Korak 16: Živite srečno do konca

Joj, fantje, to je bil zadnji trenutek. Natečaj Senzorji sem opazil le 10 dni pred njegovim zaključkom. Isti večer sem moral opraviti približno 10 telefonskih klicev, da sem uredil vse potrebno za dokončanje postaje. To še ni bilo dokončano. Na dan, ko smo postavili postajo, je prišla velika nevihta, ki je motila naše načrte. Vse besedilo sem moral dokončati, preden je postaja dokončana. Postaja je bila končno nameščena ravno danes, na isti dan, ko sem objavil to navodilo.

Zagotovo bi bilo tukaj mogoče narediti veliko stvari, vendar se lahko tukaj naučite veliko uporabnih stvari in jih uporabite pri gradnji lastne postaje. Če ste vse korake naredili pravilno, imate zdaj popolnoma delujočo vremensko postajo ESP32 v oblaku. In to je nekaj! Vse trdo delo se je obrestovalo (upam, da je uspelo). Podatke z moje postaje si lahko ogledate tukaj. Če imate vprašanja ali predloge, jih bom z veseljem slišal v spodnjem razdelku za komentarje.

Ja, in tudi če vam je bil ta projekt všeč, bi bil zelo hvaležen, če bi glasovali zame na natečaju Senzorji. Najlepša hvala in uživajte !!!

Prva nagrada na tekmovanju senzorjev