Stazione meteorologica completa fai-da-te Raspberry Pi con software: 7 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Alla fine di febbraio ho visto questo post sul sito Raspberry Pi.

www.raspberrypi.org/school-weather-station-…

Avevano creato stazioni meteorologiche Raspberry Pi per le scuole. ne volevo assolutamente uno! Ma a quel tempo (e credo ancora al momento della stesura di questo) non sono disponibili pubblicamente (è necessario essere in un gruppo selezionato di tester). Bene, volevo continuare e non mi sentivo di sborsare centinaia di dollari per un sistema di terze parti esistente.

Quindi, da buon utente Instructable, ho deciso di crearne uno mio!!!

Ho fatto una piccola ricerca e ho trovato alcuni buoni sistemi commerciali su cui potevo basare il mio. Ho trovato alcuni buoni Instructables per aiutare con alcuni dei concetti Sensor o Raspberry PI. Ho anche trovato questo sito, che era a pagamento, avevano demolito un sistema Maplin esistente:

www.philpot.me/weatherinsider.html

Avanti veloce di circa un mese e ho un sistema di lavoro di base. Questo è un sistema meteorologico Raspberry Pi completo con solo l'hardware Raspberry Pi di base, la fotocamera e alcuni sensori analogici e digitali assortiti per effettuare le nostre misurazioni. Non si acquistano anemometri o pluviometri prefabbricati, stiamo facendo i nostri! Ecco le sue caratteristiche:

• Registra le informazioni su RRD e CSV, quindi può essere manipolato o esportato/importato in altri formati.
• Utilizza l'API Weather Underground per ottenere informazioni interessanti come massimi e minimi storici, fasi lunari e alba/tramonto.
• Utilizza la fotocamera Raspberry Pi per scattare una foto una volta al minuto (puoi quindi usarli per creare time-lapse).
• Ha pagine web che mostrano i dati per le condizioni attuali e alcuni storici (ultima ora, giorno, 7 giorni, mese, anno). Il tema del sito cambia con l'ora del giorno (4 opzioni: alba, tramonto, giorno e notte).

Tutto il software per la registrazione e la visualizzazione delle informazioni è in un Github, ho anche effettuato alcuni tracciamenti di bug, richieste di funzionalità anche lì:

github.com/kmkingsbury/raspberrypi-weather…

Questo progetto è stata una grande esperienza di apprendimento per me, ho avuto modo di immergermi davvero nelle capacità del Raspberry Pi, specialmente con il GPIO, e ho anche raggiunto alcuni punti deboli dell'apprendimento. Spero che tu, lettore, possiate imparare da alcune delle mie prove e tribolazioni.

Passaggio 1: materiali

Elettronica:

• 9 interruttori Reed (8 per la direzione del vento, 1 per il pluviometro, opzionalmente 1 per la velocità del vento invece di un sensore di Hall), ho usato questi:
• 1 sensore Hall (per la velocità del vento, chiamato anemometro) -
• Temperatura (https://amzn.to/2RIHf6H)
• Umidità (molti sensori di umidità sono dotati di un sensore di temperatura), ho usato il DHT11:
• Pressione (il BMP è dotato anche di un sensore di temperatura), ho usato il BMP180, https://www.adafruit.com/product/1603, questo prodotto è fuori produzione ma esiste un equivalente con il BMP280 (https://amzn.to/2E8nmhi)
• Fotoresistenza (https://amzn.to/2seQFwd)
• Chip GPS o GPS USB (https://amzn.to/36tZZv3).
• 4 potenti magneti (2 per l'anemometro, 1 per la direzione, 1 per il pluviometro), ho usato i magneti in terre rare, altamente raccomandati) (https://amzn.to/2LHBoKZ).
• Una manciata di resistori assortiti, ho questo pacchetto che si è rivelato estremamente utile nel tempo:

• MCP3008 - per convertire gli ingressi analogici in digitali per il Raspberry Pi -

Hardware

• Raspberry Pi: originariamente usavo il 2 con un adattatore wireless, ora prendo anche il kit 3 B+ con adattatore di alimentazione. (https://amzn.to/2P76Mop)
• Fotocamera Pi
• Un solido adattatore di alimentazione da 5 V (questo si è rivelato dolorosamente fastidioso, alla fine ho preso quello di Adafruit, altrimenti la fotocamera tira troppo succo e può/appendere il Pi, è qui: https://www.adafruit.com/products /501)

Materiali:

• 2 cuscinetti di spinta (o vanno bene anche cuscinetti per skateboard o pattini a rotelle), li ho presi su Amazon:
• 2 custodie impermeabili (ho usato una custodia elettrica dal grande magazzino locale), non importa molto, ho solo bisogno di trovare una custodia di buone dimensioni che abbia abbastanza spazio e protegga tutto).
• Alcuni tubi in PVC e tappi terminali (varie dimensioni).
• Staffe di montaggio in PVC
• Coppia di fogli di plexiglas sottile (niente di eccezionale).
• distanziatori di plastica
• mini viti (ho usato bulloni e dadi n. 4).
• 2 Ornamento di plastica per l'albero di Natale - usato per l'anemometro, il mio l'ho preso all'Hobby Lobby locale.
• Tassello piccolo
• Piccolo pezzo di compensato.

Utensili:

• Dremel
• Pistola a colla
• Saldatore
• Multimetro
• Trapano

Passaggio 2: custodia principale: Pi, GPS, fotocamera, luce

La custodia principale ospita il PI, la fotocamera, il GPS e il sensore di luce. È progettato per essere impermeabile poiché ospita tutti i componenti critici, le misurazioni vengono prese dalla custodia remota e quella è progettata per essere esposta/aperta agli elementi.

Passaggi:

Scegli una custodia, ho usato una scatola di giunzione elettrica, varie scatole di progetto e custodie impermeabili funzioneranno altrettanto bene. Il punto chiave è che ha abbastanza spazio per contenere tutto.

Il mio allegato contiene:

• Il raspberry pi (in stallo) - Ha bisogno di un chip WIFI, non voglio eseguire Cat5e nel cortile di casa!
• La fotocamera (anche in situazione di stallo)
• Il chip GPS, collegato tramite USB (usando un cavo FTDI sparkfun: https://www.sparkfun.com/products/9718) - Il GPS fornisce latitudine e longitudine, il che è bello, ma soprattutto, posso ottenere l'ora esatta da il GPS!
• due jack ethernet/cat 5 per collegare il contenitore principale all'altro contenitore che ospita gli altri sensori. Questo era solo un modo conveniente per far passare i cavi tra le due scatole, ho circa 12 fili e i due cat5 forniscono 16 possibili connessioni, quindi ho spazio per espandere/cambiare le cose.

C'è una finestra nella parte anteriore del mio recinto da cui la telecamera può vedere fuori. La custodia con questa finestra protegge la fotocamera, ma ho avuto problemi in cui il led rosso sulla fotocamera (quando sta scattando una foto) si riflette sul plexiglass e si presenta nella foto. Ho usato del nastro nero per mitigare questo problema e ho provato a bloccarlo (e altri LED dal Pi e dal GPS), ma non è ancora al 100%.

Passaggio 3: "Involucro remoto" per temperatura, umidità, pressione

Qui è dove ho memorizzato i sensori di temperatura, umidità e pressione, nonché i "collegamenti" per il pluviometro, i sensori di direzione del vento e velocità del vento.

È tutto molto semplice, i pin qui si collegano tramite i cavi ethernet ai pin richiesti sul Raspberry Pi.

Ho provato a utilizzare sensori digitali dove potevo e quindi qualsiasi analogico viene aggiunto all'MCP 3008 ci vogliono fino a 8 analogici che erano più che sufficienti per le mie esigenze, ma danno spazio per migliorare / espandere.

Questo recinto è aperto all'aria (deve essere per temperatura, umidità e pressione accurate). I fori inferiori sono saltati fuori, quindi ho dato ad alcuni circuiti uno spray di uno spray per rivestimento conforme al silicone (puoi acquistarlo online o in un posto come Fry's Electronics). Si spera che dovrebbe proteggere il metallo da qualsiasi umidità, anche se devi stare attento e non usarlo su alcuni dei sensori.

La parte superiore dell'involucro è anche il punto in cui si inserisce il sensore di velocità del vento. È stato un gioco da ragazzi, avrei potuto mettere la velocità del vento o la direzione del vento in cima, non ho visto grandi vantaggi dell'uno rispetto all'altro. Nel complesso si desidera che entrambi i sensori (dir vento e velocità) siano sufficientemente alti in modo che edifici, recinzioni, ostacoli non interferiscano con le misurazioni.

Passaggio 4: pluviometro

Per lo più ho seguito questa istruzione per creare il misuratore effettivo:

www.instructables.com/id/Arduino-Weather-St…

L'ho fatto in plexiglass per vedere cosa stava succedendo e ho pensato che sarebbe stato bello. Nel complesso il plexiglass ha funzionato bene, ma combinato con la pistola incollatrice, il sigillante in gomma e il taglio e la perforazione complessivi non rimane così immacolato, anche con la pellicola protettiva.

Punti chiave:

• Il sensore è un semplice interruttore reed e un magnete trattato come la pressione di un pulsante nel codice RaspberryPi, conto semplicemente i secchi nel tempo e poi effettuo la conversione in "pollici di pioggia".
• Rendilo abbastanza grande da contenere abbastanza acqua per ribaltarsi, ma non così tanto da aver bisogno di molta acqua per ribaltarsi. Il mio primo passaggio ho fatto in modo che ogni vassoio non fosse abbastanza grande da riempirsi e iniziare a drenare oltre il bordo prima che si rovesciasse.
• Ho anche scoperto che l'acqua residua potrebbe aggiungere qualche errore alla misurazione. Significato, completamente asciutto ci sono volute X gocce per riempire un lato e capovolgerlo, una volta bagnato ci sono volute Y gocce (che è inferiore a X) per riempire e capovolgere. Non una quantità enorme, ma ha avuto effetto quando si tenta di calibrare e ottenere una buona misurazione "1 carico uguale a quanto".
• Bilancialo, puoi imbrogliare aggiungendo colla per colla alle estremità inferiori se un lato è molto più pesante dell'altro, ma ne hai bisogno il più vicino possibile all'equilibrio.
• Puoi vedere nella foto che ho installato un piccolo banco di prova usando alcune spugne e un supporto per legno per testarlo e bilanciarlo correttamente prima dell'installazione.

Passaggio 5: direzione del vento

Questa era una semplice banderuola. Ho basato l'elettronica sul sistema Maplin:

www.philpot.me/weatherinsider.html

Punti chiave:

Questo è un sensore analogico. Gli otto interruttori reed combinati con vari resistori dividono l'uscita in blocchi in modo da poter identificare in quale coordinata si trova il sensore in base al valore. (Il concetto è spiegato in questa istruzione:

• Dopo aver avvitato la parte della banderuola, è necessario calibrarla in modo che "questa direzione sia quella che punta a nord".
• Ho realizzato un banco di prova con il legno in modo da poter inserire e disinserire facilmente i resistori che coprivano l'intera gamma di valori per me, è stato di grande aiuto!
• Ho usato un cuscinetto reggispinta, ha funzionato bene, sono sicuro che un normale cuscinetto per skateboard o pattini a rotelle sarebbe andato altrettanto bene.

Passaggio 6: velocità del vento

Questo mi sono rivolto ancora una volta alla comunità Instructable e ho trovato e seguito questo istruibile:

www.instructables.com/id/Data-Logging-Anemo…

Punti chiave:

• Puoi usare il sensore Hall o passare anche a un sensore Reed. Il sensore di hall è più un sensore analogico, quindi se lo usi in modo digitale, come la pressione di un pulsante, devi assicurarti che la lettura/tensione sia abbastanza alta da agire come una vera pressione di un pulsante, piuttosto che non abbastanza.
• La dimensione della tazza è fondamentale, così come la lunghezza del bastoncino! Inizialmente usavo le palline da ping pong ed erano troppo piccole. Li ho anche messi su bastoncini lunghi che non hanno funzionato. Mi sono sentito molto frustrato e poi mi sono imbattuto in quell'istruttivo, Ptorelli ha fatto un ottimo lavoro nello spiegare e mi ha aiutato quando il mio progetto originale non funzionava altrettanto bene.

Passaggio 7: software

Il software è scritto in Python per registrare i dati dai sensori. Ho usato alcune altre librerie Git di terze parti di Adafruit e altre per ottenere le informazioni dai sensori e dal GPS. Ci sono anche alcuni lavori cron che estraggono anche alcune delle informazioni API. La maggior parte è spiegata/delineata nella documentazione di Git su docs/install_notes.txt

Il software web è in PHP per visualizzarlo sulla pagina web mentre utilizza anche YAML per i file di configurazione e, naturalmente, lo strumento RRD per archiviare e rappresentare graficamente i dati.

Utilizza l'API Weather Underground per ottenere alcuni dei dati interessanti che i sensori non possono estrarre: Registra Hi e Low, Phase of the Moon, Sunset and Sunrise times, c'è anche Tides disponibile sulla loro API, che ho pensato fosse davvero carino, ma vivo ad Austin, in Texas, che è molto lontana dall'acqua.

Tutto questo è disponibile su Github ed è attivamente mantenuto e attualmente in uso mentre perfeziono e calibrio ulteriormente il mio sistema, in modo da poter inviare anche richieste di funzionalità e segnalazioni di bug.

Il software passa attraverso un cambio di tema a seconda dell'ora del giorno, ci sono 4 fasi. Se l'ora corrente è + o - 2 ore dall'alba o dal tramonto, otterrai rispettivamente i temi dell'alba e del tramonto (in questo momento solo uno sfondo diverso, probabilmente in futuro farò colori di font/bordo diversi). Allo stesso modo, al di fuori di tali intervalli, viene fornito il tema del giorno o della notte.

Grazie per la lettura, se desideri vedere più foto e video dei miei progetti, dai un'occhiata al mio canale Instagram e YouTube.

Terzo Premio al Concorso Pi/e Day