ESP32 Weathercloud Stazione meteorologica: 16 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:00

L'anno scorso, ho pubblicato il mio più grande Instructable fino ad oggi chiamato Arduino Weathercloud Weather Station. Era molto popolare direi. È stato presentato sulla homepage di Instructables, sul blog Arduino, sul museo Wiznet, su Instructables Instagram, Arduino Instagram e anche su Weathercloud Twitter. È stato persino uno dei migliori 100 Instructables del 2018! E questo è stato un grosso problema per un piccolo produttore come me. Mi ha fatto piacere vedere così tante reazioni positive e ho letto attentamente ogni singolo commento e suggerimento. Da circa 8 mesi lavoro su questa nuova, raffinata stazione. Ho sistemato e migliorato varie cose. Ho provato a renderlo più piccolo, più semplice, più intelligente, più fresco e lasciare il costo accettabile di 150€ (165$). La stazione è montata in una fattoria robotica vicino a Senec, in Slovacchia. Ecco i dati attuali.

Cercherò di spiegare il mio intero processo di pensiero qui, quindi se vuoi solo arrivare alla build, vai direttamente al passaggio 3.

Caratteristiche:

• misurazione di 12 valori meteorologici
• utilizzo di 8 sensori distinti
• IoT: i dati sono pubblici sul cloud
• Funzionamento 5V 500mA
• comunicazione tramite Wi-Fi
• completamente resistente alle intemperie
• sembra fico
• è fai da te

Grazie mille a Lab Cafe makerspace per aver fornito spazio e supporto durante la costruzione di questa stazione. Vai a dare un'occhiata!

Credito fotografico: ME (ovviamente) + Viktor Demčák

AGGIORNAMENTO 2020-07-18: Ciao a tutti! È passato molto tempo. Molti di voi mi scrivevano su molteplici problemi con l'hardware e il software. Il nuovo hardware sarà pronto in appena un paio di settimane, ma fino ad allora rilascerò un nuovo firmware. Questo software aiuterà a eliminare alcuni dei problemi. Vai al passaggio 12 per saperne di più. E, soprattutto, divertiti!

Passaggio 1: progettazione

La progettazione di una stazione meteorologica è un processo lungo e ponderato. Hai così tante opzioni tra cui scegliere. Queste sono le cose principali a cui dovresti pensare quando progetti una stazione meteorologica (o almeno così ho fatto):

1) BILANCIO. Questo è abbastanza auto-esplicativo.

2) POSIZIONE. Questo è molto importante poiché influisce sull'installazione, sulla tecnologia di comunicazione e sulla fonte di alimentazione richiesta. Le stazioni meteorologiche remote richiedono trasmettitori a lungo raggio e una fonte di alimentazione autosufficiente come un pannello solare.

3) VARIABILI MISURATE. Vuoi solo misurare la temperatura o l'umidità? Quindi puoi mettere la sonda quasi ovunque. Ma se si desidera misurare la pioggia, il vento, la radiazione solare, l'indice UV o altre cose relative al sole o alle precipitazioni, i sensori non possono essere in ombra e non possono essere bloccati né dall'alto né dai lati.

4) ACCURATEZZA. Vuoi che le tue misurazioni siano calibrate con precisione e confrontabili con l'istituto meteorologico nazionale o ti sono sufficienti valori piuttosto amatoriali?

Quindi ormai dovresti avere un'immagine abbastanza buona di quello che vuoi. Quindi passiamo al tavolo da disegno! Ecco alcune regole di base a cui ho pensato:

1) PROTEGGERE IL SENSORE DI TEMPERATURA. Devi assolutamente farlo. Il calore può viaggiare in tanti modi che può irradiarsi e condurre attraverso la struttura della stazione stessa. Quindi prova a rivestire tutte le parti metalliche e metti il sensore di temperatura in uno schermo antiradiazioni. Lo so, la mia stazione di radiazioni non è perfetta, ma aiuta.

2) METTI IL SENSORE VENTO IN ALTO. I sensori del vento dovrebbero essere posizionati a 10 m di altezza secondo gli standard internazionali. Non ho nemmeno i soldi per comprare un pilastro di 10 metri, quindi un tubo di 2 metri sopra un tetto è sufficiente per me.

3) ZONA LIBERA INTORNO E SOPRA LA STAZIONE. Se vuoi misurare la luce solare non puoi avere il sensore in ombra. Se vuoi misurare la pioggia non puoi avere qualcosa che blocchi le goccioline. Quindi assicurati che l'area intorno e sopra la stazione sia libera.

Continuiamo. Quindi, per la mia stazione ho deciso di misurare queste variabili: temperatura dell'aria, temperatura del suolo, umidità relativa, pressione atmosferica, indice di calore, punto di rugiada, vento freddo, precipitazioni, radiazione solare, indice UV, velocità e direzione del vento. Si tratta di 8 sensori in totale da cui ci sono 3 piccoli moduli montabili su PCB e 5 sonde esterne. Avrò bisogno di 2 microcontrollori separati, uno per gestire solo le misurazioni delle precipitazioni e il secondo per tutto il resto.

Ho deciso di mettere tutto il possibile su un singolo PCB. Ho inserito il PCB all'interno di una scatola IP65 con coperchio trasparente, in modo che la luce solare possa passare attraverso i sensori di radiazione solare e indice UV. Tutti gli altri sensori saranno collegati alla scatola di controllo principale con un cavo. Quindi questo è tutto per il mio design.

Passaggio 2: Weathercloud

"ESP32 Weathercloud Weather Station" Che cos'è Weatherclud? Weathercloud è una vasta rete di stazioni meteorologiche che riportano dati in tempo reale da tutto il mondo. È gratuito e ci sono più di 10.000 stazioni meteorologiche ad esso collegate. In primo luogo, avevo il mio sito Web HTML in cui venivano inviati tutti i dati, ma creare il proprio sito Web e la propria grafica è difficile ed è molto più semplice inviare tutti i dati a una grande piattaforma cloud con una bella grafica e server stabili. Ho cercato come inviare dati a weathercloud e ho scoperto che puoi farlo facilmente con una semplice chiamata GET. L'unico problema con Weathercloud è che con un account gratuito ti consente di inviare dati solo ogni dieci minuti, ma questo non dovrebbe essere un problema per la maggior parte degli usi. Dovrai creare un account Weathercloud per farlo funzionare. Quindi dovrai creare un profilo della stazione sul loro sito web. Quando crei il profilo della tua stazione meteorologica su Weathercloud, ti vengono forniti un ID Weathercloud e una CHIAVE Weathercloud. Conservali perché Arduino ne avrà bisogno per sapere dove inviare i dati.

Passaggio 3: elenco delle parti

OK, quindi per questo progetto avrai bisogno di tutte le cose che sono elencate ordinatamente nella mia distinta base di Google Docs proprio qui.

COSTO STIMA DEL PROGETTO: 150€/165$

Passaggio 4: strumenti

Questi strumenti potrebbero tornare utili (sebbene la maggior parte di essi sia assolutamente necessaria):

Taglio laser

Saldatore

Sega per acciaio

Spelafili

Trapano elettrico

Trapano a batteria

Saldatore

Pinze

cacciaviti

Pistola a colla

Multimetro

Punta per albero

Passaggio 5: progettazione della scheda di controllo

Sono andato con un'architettura molto centralizzata. Ciò significa che tutto ciò che può essere non è solo in una scatola ma su un circuito. Di recente ho imparato a progettare PCB che è un'abilità molto preziosa e utile. Tutti i progetti sono molto più ordinati e precisi e persino eleganti in un certo senso. È anche molto conveniente: devi solo inviare i tuoi file in Cina e loro fanno tutto il lavoro di cablaggio e ti spediscono la scheda completa. Quindi basta saldare i componenti in posizione e il gioco è fatto.

Il PCB contiene entrambi i microcontrollori in questa stazione: ESP32 (l'unità di controllo principale) e Arduino NANO (il processore di pioggia). Contiene anche alcuni dei sensori che includono: BME280, BHT1750 e ML8511. Poi c'è il modulo RTC DS3231. Ultimo ma non meno importante, ci sono alcuni resistori e connettori a vite.

Ho progettato la mia scheda in Autodesk Eagle. Basta scaricare il file Gerber incluso chiamato "ESP32 weather station.zip" e caricarlo su JLC PCB. Oppure, se vuoi modificarlo, puoi scaricare i file "ESP32 weather station schematic.sch" e "ESP32 weather station board.brd" e modificarli in Eagle. Consiglio vivamente di iscriversi prima alla classe di progettazione di circuiti stampati da Instructables.

Passaggio 6: saldatura

Ok a tutti, probabilmente l'avete già fatto prima. Questa bellissima tavola che ho disegnato ha delle belle impronte serigrafate su di essa. Quando lo hai, la saldatura dovrebbe essere un gioco da ragazzi perché vedi esattamente dove va cosa. Ci sono solo componenti THT con la spaziatura standard di 0,1 . Quindi, vai avanti e salda la scheda perché sei intelligente e puoi farlo da solo! Non dovrebbe volerci più di mezz'ora.

AGGIORNAMENTO 2020-07-18: Il modulo RTC non è più necessario. Non è necessario montarlo sulla scheda. Puoi saperne di più al passaggio 12.

Passaggio 7: creare lo scudo contro le radiazioni

Quando stavo costruendo questo, mi sono detto "Va bene, l'hai già fatto due volte, non c'è alcuna possibilità che tu possa rovinare tutto ora". E non l'ho fatto.

Uno schermo solare è una cosa molto comune utilizzata nelle stazioni meteorologiche per bloccare la radiazione solare diretta e quindi ridurre gli errori nella misurazione della temperatura. Funge anche da supporto per il sensore di temperatura. Gli scudi contro le radiazioni sono molto utili ma di solito sono realizzati in acciaio e sono costosi, quindi ho deciso di costruirne uno mio. Ho realizzato un Instructable che mostra come realizzare uno scudo antiradiazioni come questo.

Passaggio 8: scatola di controllo

La parte principale di questa stazione è ovviamente la scatola di controllo. Contiene i microcontrollori primari e secondari, alcuni dei sensori, l'RTC e alcuni componenti passivi. Tutto questo in un comodo pacchetto IP65. La scatola ha una copertura traslucida in modo che la luce solare possa passare attraverso i sensori UV e radiazione solare.

Prima di poter montare il PCB, dobbiamo preparare la scatola per i cavi. Ci sono cinque cavi di alimentazione e dati che entrano nella scatola. Per sostenere le proprietà impermeabili della stazione, avremo bisogno di pressacavi impermeabili. Nello specifico, un PG7 per il cavo di alimentazione, un secondo PG7 per i sensori vento e pioggia e il terzo PG11 per entrambi i sensori di temperatura. Ho messo la ghiandola più grande (PG11) al centro di una parete della scatola e le due ghiandole più piccole (PG7) nella parete opposta. Quindi il processo di modifica della scatola è il seguente:

1) Segna il centro di ogni buca con un pennarello.

2) Praticare un piccolo foro con una punta sottile.

3) Aumentare lentamente la dimensione del foro con una punta da trapano.

4) Eliminare i fori.

5) Inserire e fissare un pressacavo in ciascuno dei fori.

Passaggio 9: montaggio su PCB

Dal momento che ho solo la versione di prova per studenti di Autodesk Eagle, non posso progettare PCB più grandi di 8 cm. Tutto si adatta a questa tavola, quindi va bene. L'unico problema è con la scatola di controllo. I fori di montaggio della scheda inclusi nella confezione sono distanti 14 cm. Ciò significa che avremo bisogno di un supporto per il PCB. Questa può essere una tavola (legno/plastica/metallo) su cui monteremo il PCB. Quindi attaccheremo la scheda del supporto alla scatola di controllo. In questo modo il PCB sarà fissato alla scatola di controllo.

Puoi realizzare il supporto come vuoi. Puoi realizzarlo manualmente da una lastra di legno o acciaio, puoi tagliarlo al laser (come me) o puoi persino stamparlo in 3D. Sto includendo le dimensioni della tavola, quindi la scelta è tua. Se hai accesso a un laser cutter, il taglio laser è l'opzione più semplice. Puoi trovare i file del taglio laser qui sia in formato.pdf che.svg.

Come puoi vedere ho attraversato più varianti del titolare. Infine ho optato per quello acrilico, perché non risente dell'umidità (come il legno) e non attira il calore (come l'acciaio).

Passaggio 10: assemblaggio + cablaggio

Questo sarà abbastanza facile da fare, ma piuttosto difficile da spiegare perché ci sono molti piccoli passaggi. Andiamo subito al dunque:

1) Inserire tutti i cavi nell'apposito foro. Non fissare ancora i pressacavi.

2) Collegare tutti i cavi dai sensori vento, sensore pioggia e dal cavo di alimentazione secondo lo schema elettrico incluso. Non collegare ancora i cavi dei sensori di temperatura.

3) Se montato, rimuovere il supporto PCB. Quindi capovolgere il PCB in modo che i cavi passino lungo il lato inferiore. Fissare il supporto per PCB in modo che i cavi siano fissati a sandwich tra il PCB e il supporto.

4) Inserire e avvitare il supporto per PCB con il PCB.

5) Fissare i due pressacavi più piccoli (PG7). Non fissare ancora quello più grande.

6) Inserire e collegare i cavi delle sonde di temperatura secondo lo schema elettrico allegato.

7) Mettere il coperchio superiore e avvitarlo in posizione.

Passaggio 11: sii felice

Questo passaggio è una specie di checkpoint. A questo punto, dovresti esserti fatto qualcosa che assomigli a quello che vedi nella foto. Se è corretto, sii felice. Dai, fatti uno spuntino e riposati perché questo non è solo un piccolo passo per un uomo, ma un grande passo per l'umanità. In caso contrario, esaminare i passaggi precedenti e individuare il problema. Se questo non aiuta, commenta o inviami un messaggio.

Quindi, quando sei di nuovo in salute e in forma, puoi passare alla parte di codifica e debug.

Passaggio 12: codifica e debug

Yaaaaay, tutti adorano programmare! E anche se non lo fai, non importa perché puoi semplicemente scaricare e usare il mio codice.

Innanzitutto, devi aggiungere il modulo di sviluppo ESP32 al tuo gestore di schede. Per fare ciò, dovrai scaricare un pacchetto JSON e installarlo tramite il gestore delle schede. Guarda questo tutorial di Random Nerd Tutorials.

Ora devi scaricare tutte le librerie essenziali. Ho creato l'archivio ZIP "Libraries.zip" per renderlo più semplice. Non importare l'archivio in Arduino IDE come una libreria classica. Invece, estrai l'archivio e sposta tutti i file in Documents/Arduino/libraries. Ora puoi scaricare tutti e quattro i miei programmi: "Wi-Fi_Weathercloud_API_test.ino", "System_test.ino", "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino".

Apri "Wi-Fi_Weathercloud_API_test.ino". Dovrai cambiare un paio di cose. Innanzitutto, dovrai sostituire "SSID" e "KEY" con il SSID (nome) e la password della tua rete Wi-Fi. In secondo luogo dovrai sostituire "WID" e "KEY" con il tuo ID Weathercloud e KEY che dovresti avere dal passaggio 2. Dovrai anche fare lo stesso con "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino". Vai avanti e carica il codice su ESP32. Dovresti vedere i dati predefiniti in arrivo sul sito Web Weathercloud. Se è corretto, continua.

Carica "System_test.ino" su ESP32 e "I2C_rainfall_sender" su Arduino NANO. Apri la console seriale di ESP32 a 115200 baud. Ora dovresti vedere i dati del sensore in arrivo ogni 15 secondi sullo schermo. Gioca con i sensori. Accendi una luce nel sensore di radiazione solare, soffia nel sensore di velocità del vento, riscalda la sonda di temperatura… In questo modo puoi testare se tutto funziona. Se concludi che tutto è come dovrebbe essere, continua.

Carica "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino" su ESP32. Se hai fatto tutto correttamente, dovresti vedere i dati reali dalla stazione in arrivo sulla pagina Weathercloud ogni 10 minuti. Se funziona significa che la tua stazione è ora completamente operativa e l'unica cosa che resta da fare è installarla in un posto carino.

AGGIORNAMENTO 2020-07-18: Tutti i programmi secondari/di prova rimangono gli stessi. Ma il programma principale della stazione meteorologica è stato aggiornato. La struttura del codice è molto più chiara di prima. È possibile impostare tutti i parametri richiesti all'inizio del codice. L'ESP32 ora riceve tempo da un server NTP, quindi il modulo RTC non è più necessario. Ultimo ma non meno importante, ESP32 ora sta eseguendo una procedura di sospensione profonda quando non sta misurando e inviando dati. Ciò ridurrà il consumo di energia e aiuterà anche ad allungare la vita della stazione meteorologica. Per utilizzare il nuovo codice, basta scaricare il codice "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino" aggiornato e il file ZIP aggiornato con le librerie (Instructables non lo accetta quindi ecco un collegamento a Google Drive). Divertiti!

Passaggio 13: montaggio della stazione

Quindi, dopo aver confermato che la tua stazione funziona, devi progettare e realizzare un supporto per essa. Dovrà essere forte, durevole, compatto e, ultimo ma non meno importante, dovrà essere bello. Fai questo passo più come una raccomandazione o un'ispirazione che come istruzioni precise. Non so come sembrerà dove lo monterai. Devi diventare un po' più creativo. Ma se hai un tetto piano con un tubo metallico di 5 cm di diametro che sporge, vai avanti e fai come ho fatto io. Questa stazione ha due scatole. Così ho deciso di metterli entrambi uno accanto all'altro su un pannello di metallo. Deve essere montato su un tubo metallico del diametro di 5 cm. Quindi ho messo un tubo con un diametro interno di 5 cm sul fondo del pannello. Entrambi i sensori del vento devono essere distanti dal resto della stazione. Quindi metti due tubi lunghi 40 cm su ciascun lato della stazione e due tubi lunghi 10 cm all'estremità di ciascuno. Lo schermo contro le radiazioni dovrebbe essere montato sotto il pannello per fornire ulteriore ombra. Per questo, ho messo una staffa di 7 x 15 cm L sul tubo di metallo spesso.

Ecco tutte le parti metalliche necessarie una per una [dimensioni in mm]:

1x tubo, diametro interno 50, lunghezza 300

1x pannello, 250 per 300, spessore 3

1x staffa a L, 75 e 150 bracci

2x tubo, diametro esterno 12, lunghezza 400

2x tubo, diametro interno 17, lunghezza 100

Quando hai tutte queste parti metalliche, puoi saldarle in posizione secondo il modello 3D che ho fornito. Quindi dovrai praticare tutti i fori per le scatole e per lo scudo antiradiazioni. Quindi dipingilo con vernice per metallo. Consiglio di andare con il bianco, perché assorbe meno calore da tutti i colori. Ecco, vi siete procurati un supporto per stazione su cui potete montare la vostra stazione!

Passaggio 14: installazione

Prendi la tua stazione meteorologica, il tuo supporto e tutti i tuoi strumenti perché ti serviranno tutti. Sali su un'auto (o un autobus non mi interessa) e raggiungi la futura posizione della tua stazione. Infine, puoi montare la stazione.

Far funzionare la tua stazione meteorologica nella tua officina è una cosa, ma farla funzionare nelle dure condizioni del mondo reale è un'altra. La procedura di installazione dipende molto dall'edificio su cui stai montando la tua stazione. Ma se hai il supporto del passaggio precedente e un potente trapano, dovrebbe andare bene. Hai solo bisogno di attaccare il tubo spesso dal supporto al tubo leggermente più sottile sul tetto. Quindi basta perforare entrambi i tubi e fissarli con una vite lunga. Montare tutte le scatole e i sensori. Questo è tutto. La tua stazione è ora installata con successo.

Lo abbiamo fatto in una giornata piovosa. È stato molto difficile ma non avevamo altra scelta a causa della scadenza del concorso.

Passaggio 15: alimentazione, configurazione di uplink e debug

La tua stazione è fisicamente installata, ma non è ancora online. Facciamolo ora. Devi alimentare la stazione in qualche modo. Devi essere un po' creativo qui. Puoi mettere un adattatore all'interno della casa e tirare un cavo attraverso la finestra. Puoi seppellire il cavo sottoterra. Puoi alimentarlo tramite un pannello solare. Tutto ciò che conta è che ci siano 5V 500mA sui pin del cavo di alimentazione proveniente dalla scatola di controllo. Ricorda, tutto deve essere resistente alle intemperie! Quando hai la tua stazione alimentata, puoi passare alla configurazione e al debug di uplink.

Uplink Setup sta fondamentalmente facendo in modo che ESP32 si connetta alla tua rete Wi-Fi. Se è a casa tua, dovrebbe andare bene. Se si trova in un garage o più lontano, potresti aver bisogno di un extender Wi-Fi o anche di una rete Wi-Fi personalizzata. Segue poi la fase di debug. Puoi semplicemente caricare il codice finale e sperare per il meglio, ma consiglio vivamente di testare ciascuno dei sensori uno per uno solo per essere sicuro che tutto funzioni correttamente. Fondamentalmente la stessa cosa del passaggio 12. Se tutto funziona come dovrebbe, puoi premere il pulsante UPLOAD scollegare il cavo USB e chiudere la scatola di controllo.

Passaggio 16: Vivere felici e contenti

Cavolo, questo è stato davvero un last minute ragazzi. Ho notato il concorso Sensors solo 10 giorni prima che finisse. Quella stessa sera avevo bisogno di fare tipo 10 telefonate per organizzare tutto il necessario per finalizzare la stazione. Non era ancora finito. Il giorno in cui avremmo dovuto installare la stazione è arrivata una tempesta gigante che ha interrotto i nostri piani. Avevo bisogno di finalizzare tutto il testo prima che la stazione fosse completata. La stazione è stata finalmente installata proprio oggi, lo stesso giorno in cui ho pubblicato questo Instructable.

Ci sono certamente molte cose che avrebbero potuto essere fatte meglio qui, ma ci sono molte cose utili che puoi imparare qui e usarle quando costruisci la tua stazione. Se hai eseguito correttamente tutti i passaggi, ora hai una stazione meteo cloud ESP32 completamente operativa. Ed è già qualcosa! Tutto il duro lavoro è stato ripagato (spero di averlo fatto). Puoi vedere i dati della mia stazione qui. Se hai domande o suggerimenti, sarei felice di ascoltarli nella sezione commenti qui sotto.

Sì e anche se questo progetto ti è piaciuto, apprezzerei davvero molto se mi votassi al concorso Sensors. Grazie mille e buon divertimento!!!

Primo Premio al Concorso Sensori