Estació meteorològica ESP32 Weathercloud: 16 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:11

L’any passat vaig publicar la meva estació meteorològica Arduino Weathercloud més gran fins ara. Va ser molt popular, diria. Va aparèixer a la pàgina principal d’Instructables, al bloc Arduino, al museu Wiznet, a Instagram Instructables, a Arduino Instagram i també a Weathercloud Twitter. Fins i tot va ser un dels 100 millors instructibles del 2018. I això va ser una gran cosa per a un petit fabricant com jo. Em va agradar veure tantes reaccions positives i vaig llegir detingudament tots els comentaris i consells. Fa uns vuit mesos que treballo en aquesta nova i refinada estació. Vaig solucionar i millorar diverses coses. Vaig intentar fer-lo més petit, més senzill, més intel·ligent, més fresc i deixar el cost acceptable de 150 € (165 $). L'estació està muntada en una granja robotitzada a prop de Senec, Eslovàquia. Aquí teniu les dades actuals.

Intentaré explicar tot el meu procés de pensament aquí, de manera que si només voleu accedir directament a la compilació, només heu de passar directament al pas 3.

Característiques:

• mesura de 12 valors meteorològics
• ús de 8 sensors diferents
• IoT: les dades són públiques al núvol
• Funcionament de 5V 500mA
• comunicació mitjançant Wi-Fi
• completament resistent a la intempèrie
• sembla genial
• és bricolatge

Moltes gràcies a Lab Makerspace per proporcionar espai i suport mentre es construeix aquesta estació. Vés a veure'ls!

Crèdit fotogràfic: ME (és clar) + Viktor Demčák

ACTUALITZACIÓ 2020-07-18: Hola a tothom! Ha passat molt temps. Molts de vosaltres m’escrivíeu sobre diversos problemes relacionats amb el maquinari i el programari. El nou maquinari estarà llest en un parell de setmanes, però fins aleshores llanço un nou firmware. Aquest programari ajudarà a eliminar alguns dels problemes. Aneu al pas 12 per obtenir més informació. I el més important, gaudiu!

Pas 1: disseny

Dissenyar una estació meteorològica és un procés llarg i reflexiu: teniu tantes opcions per triar. Aquests són els aspectes principals que hauríeu de pensar a l’hora de dissenyar una estació meteorològica (o almenys ho vaig fer jo):

1) PRESSUPOST. Això s’explica per si mateix.

2) UBICACIÓ. Això és molt important, ja que afecta la instal·lació, la tecnologia de comunicació i la font d'energia necessària. Les estacions meteorològiques remotes necessiten transmissors de llarg abast i una font d’energia autosostenible, com ara un panell solar.

3) VARIABLES MESURADES. Només voleu mesurar la temperatura o la humitat? A continuació, podeu posar la sonda gairebé a qualsevol lloc. Però si voleu mesurar les precipitacions, el vent, la radiació solar, l’índex UV o altres coses relacionades amb el sol o la precipitació, els sensors no poden estar a l’ombra ni es poden bloquejar ni de cap amunt ni de costat.

4) PRECISIÓ. Voleu que les vostres mesures siguin calibrades amb precisió i comparables a l’institut meteorològic nacional o que els valors més aviat suficients per a vosaltres?

Per tant, ja hauríeu de tenir una imatge bastant bona del que voleu. Anem, doncs, al tauler de dibuix! Aquí teniu algunes regles bàsiques que vaig pensar:

1) PROTEGEIX EL SENSOR DE TEMPERATURA. Cal fer-ho absolutament. La calor pot viatjar de moltes maneres que pot irradiar-se i conduir-se a través de l'estructura de la pròpia estació. Per tant, intenteu recobrir totes les parts metàl·liques i col·loqueu el sensor de temperatura en un escut antiradiació. Ho sé, la meva estació de radiació no és perfecta, però m’ajuda.

2) POSEU EL SENSOR DE VENT ALTA. Els sensors de vent haurien de situar-se a 10 m d’alçada segons les normes internacionals. Ni tan sols tinc els diners per comprar un pilar de 10 m, de manera que una canonada de 2 m sobre el terrat és suficient per a mi.

3) ESPAI CLAR AL voltant i per sobre de l'estació. Si voleu mesurar la llum solar, no podeu tenir el sensor a l’ombra. Si voleu mesurar les precipitacions, no podeu bloquejar les gotes. Assegureu-vos, doncs, que la zona al voltant i per sobre de l’estació estigui neta.

Continuem. Per tant, per a la meva estació vaig decidir mesurar aquestes variables: temperatura de l’aire, temperatura del terra, humitat relativa, pressió atmosfèrica, índex de calor, punt de rosada, fred del vent, precipitacions, radiació solar, índex UV, velocitat del vent i direcció del vent. Es tracta de 8 sensors en total dels quals hi ha 3 mòduls petits muntables en PCB i 5 sondes externes. Necessitaré 2 microcontroladors separats, un per manejar només les mesures de pluja i el segon per a tota la resta.

Vaig decidir posar tot el que puc en un sol PCB. Vaig posar el PCB dins d’una caixa IP65 amb tapa transparent, de manera que la llum solar pugui passar als sensors de radiació solar i d’índex UV. Tots els altres sensors es connectaran a la caixa de control principal mitjançant un cable. Així que això és tot pel meu disseny.

Pas 2: Weathercloud

"ESP32 Weathercloud Weather Station" Què és Weatherclud? Weathercloud és una gran xarxa d’estacions meteorològiques que reporten dades en temps real de tot el món. És gratuït i hi ha més de 10.000 estacions meteorològiques connectades. En primer lloc, tenia el meu propi lloc web HTML on s’enviaven totes les dades, però crear el vostre propi lloc web i gràfics és difícil i és molt més senzill enviar totes les dades a una gran plataforma de núvol amb gràfics agradables i servidors estables. Vaig buscar com enviar dades a weathercloud i vaig trobar que podeu aconseguir-ho fàcilment mitjançant una simple trucada GET. L'únic problema amb Weathercloud és que, amb un compte gratuït, us permet enviar dades només cada deu minuts, però això no hauria de ser un problema per a la majoria dels usos. Haureu de crear un compte de Weathercloud per fer-lo funcionar. A continuació, haureu de crear un perfil d’emissora al seu lloc web. Quan creeu el perfil de l'estació meteorològica a Weathercloud, se us proporcionarà una identificació Weathercloud i una CLAU Weathercloud. Conserveu-los perquè Arduino els necessitarà per saber on enviar dades.

Pas 3: Llista de peces

D'acord, doncs, per a aquest projecte, necessitareu aquí tot el contingut que apareix ordenadament a la meva llista de materials de Google Docs.

COST ESTIMAT DEL PROJECTE: 150 € / 165 $

Pas 4: Eines

Aquestes eines poden ser útils (tot i que la majoria són absolutament necessàries):

Tallador làser

Soldador

Serres d’acer

Decapant de filferro

Trepant elèctric

Trepant de bateria

Soldador

Alicates

Tornavisos

Pistola de cola

Multímetre

Broca d’arbre

Pas 5: disseny de la placa de control

Vaig anar amb una arquitectura molt centralitzada. Això vol dir que tot el que es pot no només es troba en una caixa, sinó en una placa de circuit. Recentment he après a dissenyar PCBs, que és una habilitat molt valuosa i útil. Tots els projectes són molt més nets i precisos i fins i tot elegants en certa manera. També és molt convenient: només heu d’enviar els vostres fitxers a la Xina i ells fan tot el treball de cablejat i us envien la placa completa. A continuació, només heu de soldar els components al seu lloc i heu acabat.

El PCB conté els dos microcontroladors d’aquesta estació: ESP32 (la unitat de control principal) i Arduino NANO (el processador de precipitacions). També conté alguns dels sensors que inclouen: BME280, BHT1750 i el ML8511. Després hi ha el mòdul DS3231 RTC. Per últim, però no menys important, hi ha algunes resistències i connectors de cargol.

Vaig dissenyar la meva placa a Autodesk Eagle. Simplement descarregueu el fitxer Gerber inclòs anomenat "ESP32 weather station.zip" i pengeu-lo a JLC PCB. O si voleu editar-lo, podeu descarregar els fitxers "ESP32 weather station schematic.sch" i "ESP32 weather station board.brd" i editar-los a Eagle. Aconsello encaridament inscriure primer la classe de disseny de circuits de Instructables.

Pas 6: soldar

D’acord, tothom, probablement ho hàgiu fet abans. Aquest bonic tauler que he dissenyat té unes bones petjades de serigrafia. Quan tingueu això, la soldadura hauria de ser un tros de pastís perquè veieu exactament on va què. Només hi ha components THT amb l'espaiat estàndard de 0,1 . Per tant, continueu i soldeu el tauler perquè sou intel·ligent i ho podeu fer vosaltres mateixos. No us hauria de trigar més de mitja hora.

ACTUALITZACIÓ 2020-07-18: el mòdul RTC ja no és necessari. No cal muntar-lo al tauler. Podeu obtenir més informació al pas 12.

Pas 7: fer l’escut contra la radiació

Quan estava construint això, em vaig dir: "Molt bé, ja ho heu fet dues vegades, no hi ha cap possibilitat de desordenar-ho ara". I jo no.

Un escut contra la radiació solar és una cosa molt comuna que s’utilitza a les estacions meteorològiques per bloquejar la radiació solar directa i, per tant, reduir els errors en la temperatura mesurada. També actua com a suport del sensor de temperatura. Els escuts de radiació són molt útils, però generalment estan fabricats en acer i són cars, de manera que vaig decidir construir-me un propi. He creat un instructable que mostra com fer un escut antiradiació com aquest.

Pas 8: quadre de control

La part principal d’aquesta estació és, òbviament, la caixa de control. Té els microcontroladors primaris i secundaris, alguns dels sensors, el RTC i alguns components passius. Tot això en un convenient paquet IP65. La caixa té una coberta translúcida perquè la llum solar pugui passar als sensors de radiació UV i solar.

Abans de poder muntar el PCB, hem de preparar la caixa per als cables. Hi ha cinc cables d’alimentació i dades que entren a la caixa. Per tal de mantenir les propietats impermeables de l’estació, necessitarem uns passacables. Concretament, un PG7 per al cable d’alimentació, un segon PG7 per als sensors de vent i pluja i el tercer PG11 per als dos sensors de temperatura. Vaig posar la glàndula més gran (PG11) al centre d’una paret de la caixa i les dues glàndules més petites (PG7) a la paret oposada. Per tant, el procés d’alteració de la caixa és el següent:

1) Marqueu el centre de cada forat amb un marcador.

2) Practicar un petit forat amb una broca fina.

3) Augmenteu lentament la mida del forat amb una broca per arbre.

4) Esborreu els forats.

5) Introduïu i fixeu un passacables a cadascun dels forats.

Pas 9: muntatge del PCB

Com que només tinc la versió de prova d’Autodesk Eagle per a estudiants, no puc dissenyar PCB de més de 8 cm. Tot s’adapta a aquest tauler, així que està bé. L’únic problema és amb la caixa de control. Els forats de muntatge del tauler inclosos a la caixa estan separats per 14 cm. Això significa que necessitarem un suport per al PCB. Pot ser un tauler (de fusta / plàstic / metall) sobre el qual muntarem el PCB. A continuació, fixarem el tauler del suport a la caixa de control. D'aquesta manera, el PCB quedarà fixat a la caixa de control.

Podeu fer el titular com vulgueu. Podeu fer-ho manualment a partir d’una placa de fusta o acer, podeu tallar-lo amb làser (com jo) o fins i tot imprimir-lo en 3D. Inclou les dimensions del tauler perquè l’elecció sigui vostra. Si teniu accés a un tallador làser, el tall làser és l’opció més senzilla. Aquí podeu trobar els fitxers de tall làser tant en format.pdf com.svg.

Com podeu veure, vaig passar per diverses variacions del titular. Finalment, vaig anar amb l’acrílic, perquè no es veu afectat per la humitat (com la fusta) i no atrau la calor (com l’acer).

Pas 10: muntatge + cablejat

Serà molt fàcil de fer, però bastant difícil d’explicar perquè hi ha molts petits passos. Posem-hi dret ara:

1) Introduïu tots els cables al forat designat. No fixeu encara els passacables.

2) Connecteu tots els cables dels sensors de vent, del sensor de pluja i del cable d'alimentació segons el diagrama de cablejat inclòs. No connecteu els cables dels sensors de temperatura encara.

3) Si està muntat, traieu el muntatge del PCB. A continuació, gireu la PCB perquè els cables vagin pel seu costat inferior. Assegureu el muntatge del PCB de manera que els cables quedin fixats en un sandvitx entre el PCB i el muntatge.

4) Inseriu i cargoleu el muntatge del PCB amb el PCB.

5) Assegureu els dos passacables (PG7) més petits. No assegureu encara el més gran.

6) Inseriu i connecteu els cables dels sensors de temperatura segons el diagrama de cablejat inclòs.

7) Poseu la tapa superior i enrosqueu-la al seu lloc.

Pas 11: sigueu feliços

Aquest pas és una mena de punt de control. En aquest punt, hauríeu d’haver-vos convertit en quelcom que s’assembli al que veieu a la imatge. Si això és correcte, sigueu feliços. Continua, pren un refrigeri i descansa perquè aquest no és només un petit pas per a un home, sinó un salt gegant per a la humanitat. Si no, consulteu els passos anteriors i localitzeu el problema. Si això no m’ajuda, comenta’m o envia’m un missatge.

Així, quan estigueu sans i en forma, podeu avançar a la part de codificació i depuració.

Pas 12: Codificació i depuració

Yaaaaay, a tothom li encanta codificar! I fins i tot si no ho feu, no importa perquè només podeu descarregar i utilitzar el meu codi.

En primer lloc, heu d'afegir el mòdul de desenvolupament ESP32 al vostre gestor de taules. Per fer-ho, haureu de descarregar un paquet JSON i instal·lar-lo mitjançant el gestor de taules. Vegeu aquest tutorial de Random Nerd Tutorials.

Ara heu de descarregar totes les biblioteques essencials. He creat l'arxiu ZIP "Libraries.zip" perquè sigui més senzill. No importeu l'arxiu a Arduino IDE com una biblioteca clàssica. En lloc d'això, extreu l'arxiu i moveu tots els fitxers a Documents / Arduino / biblioteques. Ara podeu descarregar els quatre programes meus: "Wi-Fi_Weathercloud_API_test.ino", "System_test.ino", "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino".

Obriu "Wi-Fi_Weathercloud_API_test.ino". Haureu de canviar un parell de coses. En primer lloc, haureu de substituir "SSID" i "KEY" pel vostre SSID (nom) i contrasenya de la vostra xarxa Wi-Fi. En segon lloc, haureu de substituir "WID" i "KEY" pel vostre identificador Weathercloud i KEY que hauríeu de tenir des del pas 2. També haureu de fer el mateix amb "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino". Continueu i pengeu el codi a l’ESP32. Hauríeu de veure les dades predefinides que apareixen al lloc web de Weathercloud. Si és correcte, continueu.

Pengeu el "System_test.ino" a l'ESP32 i el "I2C_rainfall_sender" a l'Arduino NANO. Obriu la consola sèrie d'ESP32 a 115200 bauds. Ara hauríeu de veure les dades del sensor cada 15 segons a la pantalla. Juga amb els sensors. Brilla una llum al sensor de radiació solar, bufa al sensor de velocitat del vent, escalfa la sonda de temperatura … Així pots provar si tot funciona. Si arribeu a la conclusió que tot és com hauria de ser, continueu.

Pengeu el fitxer "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino" a l'ESP32. Si ho heu fet tot correctament, hauríeu de veure les dades reals de l’estació que apareixen a la pàgina Weathercloud cada 10 minuts. Si això funciona, vol dir que la vostra estació ja està completament operativa i l'única cosa que queda per fer és instal·lar-la en algun lloc agradable.

ACTUALITZACIÓ 2020-07-18: tots els programes secundaris / de prova continuen sent els mateixos. Però es va actualitzar el programa principal de l’estació meteorològica. L’estructura del codi és molt més clara que abans. Podeu establir tots els paràmetres necessaris al principi del codi. L’ESP32 ara obté temps d’un servidor NTP, de manera que el mòdul RTC ja no és necessari. Finalment, però no menys important, l’ESP32 està executant un procediment de son profund quan no mesura ni envia dades. Això reduirà el consum d'energia i també ajudarà a allargar la vida de l'estació meteorològica. Per utilitzar el nou codi, només heu de descarregar el codi actualitzat "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino" i el fitxer ZIP actualitzat amb les biblioteques (Instructables no ho accepta, així que aquí hi ha un enllaç de Google Drive). Gaudeix-ne!

Pas 13: muntatge de l'estació

Per tant, després de confirmar que la vostra estació funciona, heu de dissenyar-la i muntar-la. Haurà de ser fort, durador, compacte i, finalment, ha de ser agradable. Feu aquest pas més com a recomanació o inspiració que amb instruccions precises. No sé com es veu on el muntareu. Cal ser una mica més creatiu. Però si teniu un sostre pla amb un tub de metall de 5 cm de diàmetre que sobresurt, continueu i feu com jo. Aquesta estació té dues caixes. Així que vaig decidir posar-los tots dos al costat de l’altre en un tauler metàl·lic. S'ha de muntar sobre una canonada metàl·lica de 5 cm de diàmetre. Així que vaig posar una canonada de 5 cm de diàmetre interior a la part inferior del tauler. Els dos sensors de vent han d’estar molt separats de la resta de l’estació. Per tant, poseu dues canonades de 40 cm de llarg a cada costat de l’estació i dues canonades de 10 cm de llarg a l’extrem de cadascuna. L’escut antiradiació s’ha de muntar sota el tauler per proporcionar una ombra addicional. Per a això, he posat un suport de 7 per 15 cm L al tub gruixut de metall.

Aquí teniu totes les peces metàl·liques necessàries una per una [dimensions en mm]:

1x canonada, diàmetre interior 50, longitud 300

1x panell, 250 per 300, gruix 3

Suport 1x L, 75 i 150 braços

2x canonada, diàmetre exterior 12, longitud 400

2x canonada, diàmetre interior 17, longitud 100

Quan tingueu totes aquestes peces metàl·liques, podeu soldar-les al lloc segons el model 3D que he proporcionat. A continuació, haureu de perforar tots els forats de les caixes i de la protecció contra la radiació. A continuació, només cal pintar-lo amb pintura per a metall. Recomano anar amb el blanc, perquè absorbeix la menor calor de tots els colors. Això és tot, teniu un muntador d’estació que podeu muntar.

Pas 14: instal·lació

Agafa la teva estació meteorològica, la teva muntura i totes les teves eines perquè les necessitaràs totes. Pugeu a un cotxe (o a un autobús que no m’importa) i arribeu a la futura ubicació de la vostra estació. Finalment, podeu muntar l’estació.

Fer que la vostra estació meteorològica funcioni al vostre taller és una cosa, però fer-la funcionar en condicions dures del món real és una altra. El procediment d’instal·lació depèn en gran mesura de l’edifici al qual estigueu muntant l’estació. Però si teniu el suport del pas anterior i un trepant potent, hauria d’estar bé. Només cal que enganxeu la canonada gruixuda de la muntura a la canonada una mica més fina del terrat. A continuació, només cal perforar les dues canonades i fixar-les amb un cargol llarg. Muntar totes les caixes i els sensors. Això és. La vostra estació s'ha instal·lat correctament.

Ho vam fer en un dia plujós. Va ser molt difícil, però no teníem cap altra opció per la data límit del concurs.

Pas 15: alimentació, configuració de l'enllaç ascendent i depuració

La vostra estació està instal·lada físicament, però encara no està en línia. Fem-ho ara. D'alguna manera, cal alimentar l'estació. Aquí has de ser una mica creatiu. Podeu posar un adaptador a l'interior de la casa i passar un cable per la finestra. Podeu enterrar el cable sota terra. Podeu alimentar-lo mitjançant un panell solar. L’important és que hi hagi 5V 500mA als pins del cable d’alimentació que provenen de la caixa de control. Recordeu, tot ha de ser resistent a la intempèrie. Quan tingueu l'estació alimentada, podeu passar a la configuració i depuració de l'enllaç ascendent.

La configuració de l’enllaç ascendent és bàsicament aconseguir que l’ESP32 es connecti a la vostra xarxa Wi-Fi. Si és a casa vostra, hauria d’estar bé. Si es troba en un garatge o més lluny, és possible que necessiteu un extensor de Wi-Fi o fins i tot una xarxa Wi-Fi personalitzada. A continuació, segueix la fase de depuració. Només podeu penjar el codi final i esperar el millor, però us recomano provar cadascun dels sensors un per un per assegurar-vos que tot funciona correctament. Bàsicament el mateix que al pas 12. Si tot funciona com hauria de fer-ho, podeu prémer el botó CARREGAR i desconnectar el cable USB i tancar la caixa de control.

Pas 16: Viure feliçment

Vaja, va ser un nois d’últim moment. Vaig notar el concurs Sensors només 10 dies abans que acabés. Aquell mateix vespre, vaig necessitar fer 10 trucades telefòniques per organitzar tot el necessari per finalitzar l’estació. Encara no estava acabat. El dia que se suposava que havíem d’instal·lar l’estació va arribar una tempesta gegant que va trencar els nostres plans. Necessitava finalitzar tot el text abans de completar l'estació. L'estació finalment es va instal·lar just avui, el mateix dia que vaig publicar aquest document instructiu.

Sens dubte, hi ha moltes coses que es podrien fer millor aquí, però hi ha moltes coses útils que podeu aprendre aquí i utilitzar-les a l’hora de construir la vostra pròpia estació. Si heu fet tots els passos correctament, ara teniu una estació meteorològica en núvol ESP32 totalment operativa. I això és una cosa! Tot el treball dur va donar els seus fruits (espero que sí). Podeu veure les dades de la meva estació aquí. Si teniu alguna pregunta o suggeriment, m’agradaria escoltar-los a la secció de comentaris que hi ha a continuació.

Sí i també si us ha agradat aquest projecte, agrairia molt que em votéssiu al concurs Sensors. Moltes gràcies i a gaudir !!!

Primer premi del Concurs de Sensors