Метеостанция с питанием от солнечной батареи
В этой статье мастер поделится с нами своим опытом в изготовлении метеостанции. У метеостанции имеется встроенный энергоэффективный экран E-ink. Работает она от солнечной батареи. Имеет ряд датчиков и на основе их показаний умеет рассчитывать прогноз погоды.
Ранее мастер уже собирал метеостанцию для мониторинга температуры в саду, где он держит черепах, и в теплице. Все это было объединено в одну сеть, в которой шло управление освещением и обогревом.
За два года использования он выявил несколько недостатков у метеостанций:
— Датчики DHT хороши для обучения / образования, но не для реального использования — измерение влажности очень плохое, значения в большинстве случаев 99% или датчики зависают.
-Если подключение к Wi-Fi невозможно, устройство пытается повторно подключиться к сети, пока батарея не разрядится.
-Нет необходимости использовать ретранслятор Wi-Fi.
В новом устройстве мастер попытался учесть все недоработки.
Устройство выполняет следующие функции:
— измерение температуры, влажности и давления с помощью 2 датчиков BME280
— расчет прогноза на основе измеренных данных
— мониторинг заряда батареи
— отображение температуры на 1,54- дюймовом черно-белом дисплее E-ink
— питание от солнечной панели
Шаг первый: датчики
Мастер использовал 2 датчика bme280. Этот крошечный датчик очень интересный. Фактический размер датчика составляет всего 2×2 мм с коммутационной платой. Его легко подключить через I2C к порту на печатной плате.
Датчики BME настроены с адресом по умолчанию 0x76, поэтому по умолчанию 2 датчика вместе не будут работать., нужно изменить на одном из них адрес.
По умолчанию на плате контактные площадки 1 и 2 соединены. Чтобы изменить адрес нужно разорвать соединение (просто процарапав ножом дорожку) между 1 и 2 площадками и спаять 2 и 3 контактные площадки.
Такие действия переназначат адрес на датчике на 0x77.
Проводка внешнего датчика
Для подключения датчика мастер использовал 3-метровый 4-жильный кабель. Припаял датчик с одной стороны, Установил его в корпус и установил в теплицу. Другой конец он припаял непосредственно к 4 штекерным разъемам, на плате.
Подключение следующее:
Плата (порт I2C) -> датчик
3v3 -> VCC
GND -> GND
D1 -> SCL
D2 -> SDA
На эту плату можно дополнительно добавить следующие датчики:
— датчик качества воздуха
— датчик скорости ветра, датчик направления ветра и дождя
— датчики серии DHT (порты S_INT и S_EXT уже есть на печатной плате)
— датчик освещенности (аналог LDR)
Все дополнительные датчики могут быть подключены к портам P1, P2, P3, P4.
Шаг второй: дисплей
Мастер добавил дисплей E-Ink, чтобы можно было проверять температуру локально на самой станции.
Дисплеи E ink отличаются сверхнизким энергопотреблением. Им нужно питание, только чтобы обновить дисплей. В данном случае это только каждые 10 минут. В остальное время он не потребляет питание от аккумулятора.
Мастер использовал 1,54-дюймовый черно-белый дисплей с разрешением 200×200 пикселей.
Чтобы защитить дисплей он закрыл его прозрачным акрилом.
Шаг четвертый: питание
Для питания устройства используется солнечная панель, аккумулятор, и модуль зарядки.
Напряжение аккумулятора измеряется сетевым делителем напряжения. Если батарея ниже 3,3 В, esp переходит в спящий режим. ESP имеет встроенный резистор 220 кОм, поэтому нужно добавить резистор 100 кОм на печатной плате «R3».
Так как esp переходит в режим глубокого сна между измерениями (каждые 15 минут), батарея будет работать более 50 дней без подключенной солнечной панели, а с батареей, пока не выйдет из строя аккумулятор.
Мастер добавил винтовой зажим к печатной плате для подключения солнечной панели.
Шаг седьмой: код
Код можно скачать по этой ссылке .
Базовые функции кода следующие (упрощенная версия):
Каждые 15 минут esp просыпается от глубокого сна
проверяет батарею -> если выше 3,3 В — подключается к Wi-Fi -> MQTT — инициализация датчиков — измерение температуры, влажности, давления от внутреннего датчика — рассчитывает точку росы, тенденцию, прогноз — измеряет температуру, влажность от внешнего датчика — рассчитывает точку росы для большей точности (внешний датчик)
Далее отображает значения на дисплее.
Изменить настройки можно в файле скетча settings.h Там находятся все необходимые для работы настройки.
Wi-Fi имя и пароль
IP-адрес и пароль брокера MQTT
Язык (для прогноза) и настройки NTP-сервера
если вы хотите изменить темы MQTT, вы можете сделать это в самом скетче.
Мастер использовал следующие сервисы:
-> Mosquitto mqtt (обрабатывает все сообщения)
-> telegraf (собирает данные)
-> Influx DB (хранит все данные)
-> Grafana (визуализирует)
Как это работает.
серверная часть — станция публикует темы (temp1, humi1, . ) брокеру (mosquitto)
— telegraf подключается (подписывается) к определенным темам брокера и отправляет их в базу данных
— база данных хранит все значения и является источником данных для Grafana для создания панели мониторинга и визуализации данных.
Установка всех этих сервисов на компьютер, который работает 24/7, занимает много времени, может вызвать ошибки и привести к высоким расходам на электроэнергию. Вместо компьютера мастер устанавливает программы на
Raspberry.
Источник
WiFi-метеостанция на солнечных батареях
Из этой статьи мы с вами узнаем, как сделать беспроводную метеостанцию с питанием от солнечной батареи. В основе сборки лежит модуль ESP32 Wifi и нескольких распространенных погодных датчиков, доступных на рынке. Большим плюсом является то, что метеостанция полностью работает на солнечной энергии, поэтому не нужно беспокоиться о внешнем источнике питания. В связи с этим ее можно установить в любом месте, главное условие — наличие связи.
Ранее мастер уже имел опыт по изготовлению таких устройств, и это его третья подобная работа, в которой он попытался исправить все недостатки предыдущих, а также расширить функционал, основываясь на отзывах пользователей.
Хотя это финансово затратный проект и не каждый будет его делать, но ознакомившись со статьей читатели узнают много нового о различных датчиках и способах работы с ними.
Шаг первый: о метеостанции
Эта метеорологическая станция представляет собой такое устройство, которое состоит из нескольких метеорологических датчиков. С помощью датчиков измеряются следующие параметры:
1. Внутренняя температура (BME280)
2. Влажность (BME280)
3. Барометрическое давление (BME280)
4. Внешняя температура (DS18B20)
5. Скорость ветра (метеометр Sparkfun)
6. Направление ветра (метеометр Sparkfun)
7. Дождемер (метеометр Sparkfun)
8. УФ-индекс (SI1145)
9. Уровень Люкс (BH1750)
Мастер разработал индивидуальную печатную плату для этого проекта. Она разработана таким образом, что пользователь может легко интегрировать различные комбинации датчиков в соответствии с фактическими потребностями.
Небольшую портативную метеостанцию такого типа можно широко применять в области сельского хозяйства, умного города, солнечных электростанций, строительных площадок и т. д.
Шаг второй: источник питания
Если вы планируете установить метеостанцию в удаленном месте, у вас может не быть доступа к электросети для ее питания. Для непрерывной работы станции необходимо постоянное электроснабжение, иначе система не будет работать. Лучший способ обеспечить непрерывное питание цепи — использовать аккумулятор. Но в случае с аккумулятором через несколько дней работы он разрядится. Мастер предлагает схему солнечной зарядки, которая использовала бы бесплатную энергию солнца для зарядки аккумулятора и для питания платы ESP32.
Для питания мастер использует литий-ионный аккумулятор 18650. Аккумулятор заряжается от солнечной панели через зарядный модуль TP4056. Модуль TP4056 нужно использовать со схемой защиты аккумулятора при зарядке.
Аккумулятор 18650 выдает напряжение 4,2 В. при полной зарядке. Напряжение аккумулятора понижается до 3,3 В с помощью регулятора напряжения.
Выход регулятора напряжения будет питать ESP32 через вывод 3,3 В.
Использование типичного линейного регулятора напряжения для понижения напряжения с 4,2 В до 3,3 В не является хорошей идеей. Когда батарея разряжается, например, до 3,7 В, регулятор напряжения перестанет работать, потому что он имеет высокое напряжение отсечки. Чтобы эффективно снижать напряжение, необходимо использовать стабилизатор с малым падением напряжения, который может регулировать выходное напряжение.
Керамический конденсатор (0,1 мкФ) и электролитический конденсатор (100 мкФ) подключены параллельно к контактам GND и Vout LDO (MCP1700 -3,3 В) для сглаживания пиков напряжения.
Выход MCP1700 подключен к контакту ESP32 3.3V через ползунковый переключатель.
Шаг третий: флюгер (датчик направления ветра)
Флюгер показывает направление ветра. Это самый сложный из датчиков в данном устройстве. Он имеет восемь герконов, каждый из которых подключен к разному резистору. Когда флюгер вращается, магнит замыкает язычковые переключатели и может замкнуть два одновременно из-за их близкого расположения друг к другу. Это расширяет точность показаний до 16 позиций и программа (код) это учитывает.
Внешний резистор используется для делителя напряжения, позволяющего определять направление указателя флюгера.
Для измерения выходного напряжения мастер использовал внешний резистор 10 кОм. Резистор 10 кОм подключается к 3,3 В, как показано на рисунке ниже. Затем он подключает середину делителя к выводу АЦП ESP32 (GPIO 35). Измеряет напряжение и согласно таблице, конвертирует в показания направления ветра.
Расположение герконов и резисторов показано на рисунке ниже. Значения сопротивления для всех 16 возможных положений приведены в таблице.
Когда указатель флюгера попадает между двумя контактами, значение сопротивления считается эквивалентным сопротивлением между двумя соседними сопротивлениями. В этой ситуации активируются два переключателя одновременно, в результате чего они соединяются параллельно.
Когда указатель флюгера попадает между переключателями S1 и S2, эквивалентное сопротивление определяется по следующей формуле:
Направление = R1x R2 / (R1 + R2) = 33 x 8,2 / (33 +8,2) = 6,57 К
Поскольку значения, выдаваемые флюгером, выдаются в градусах, рекомендуется, чтобы значение в градусе 0 указывало на север.
Расчет флюгера.rar
Шаг четвертый: анемометр (датчик скорости ветра)
Датчик скорости ветра представляет собой чашечный анемометр, который измеряет скорость ветра, замыкая контакт, когда магнит движется мимо язычкового переключателя. Согласно таблице данных, скорость ветра 2,4 км / ч (1,4912 миль / ч) приводит к тому, что переключатель замыкается один раз в секунду.
Анемометр подключен к контакту 14 GPIO ESP32 и GND. Когда геркон замыкает цепь (нажатие кнопки), запускается программное событие.
Шаг пятый: датчик дождя
Мастер использовал наиболее распространенный тип датчика дождя, который называется дождемером с опрокидывающимся ковшом. По сути, внутри датчика есть небольшой опрокидывающийся ковш в форме качелей. Вода (дождь) наполняет емкость (качель) с одной стороны, она опускается и вода выливается. Затем наполняется ковш с другой стороны. Каждый раз, когда ковш опрокидывается, срабатывает герконовый переключатель. Ковши откалиброваны по объему, значит, подсчитав, сколько раз срабатывает выключатель, можно вычислить, сколько было осадков.
Каждая отметка соответствует 0,011 дюйма (0,28 мм) осадков. Этот датчик подключается к контакту 25 ESP32.
Мастер использует attachInterrupt () для отслеживания количества осадков. Подробности можно найти на странице Arduino .
Шаг шестой: мониторинг давления, температуры и влажности с помощью BME280
В этом проекте будет использоваться датчик BMP280 / BME280.
BMP280: BMP280 — сложный датчик, который очень точно измеряет атмосферное давление и температуру с разумной точностью. BME280 — это новое поколение датчиков от Bosch. Преимущество этого датчика в том, что он может использовать либо I2C, либо SPI для связи с микроконтроллером. Для простоты подключения мастер предлагает купить плату версии I2C.
BME280: новый датчик BME280, датчик окружающей среды, измеряющий температуру, атмосферное давление и влажность. BME280 — это новое поколение датчиков от Bosch, обновленное до BMP280. Этот прецизионный датчик от Bosch — лучшее недорогое решение для измерения влажности с точностью ± 3%, атмосферного давления с абсолютной точностью ± 1 гПа и температуры с точностью ± 1,0 ° C. Его можно использовать как с I2C, так и с SPI.
Примечание. BME280 может измерять влажность, а BMP280 — нет.
Шаг седьмой: мониторинг УФ-индекса — датчик SI1145
Si1145 — это датчик с откалиброванным УФ-чувствительным элементом, который может рассчитывать УФ-индекс. Он может обмениваться данными по протоколу I2C (адрес 0x60). Можно подключить этот датчик к порту I2C на плате, который расположен в нижнем левом углу платы ESP.
Датчик SI1145 в действительности не имеет настоящего УФ-датчика. Вместо этого он измеряет поток видимого и инфракрасного света, и использует формулу для расчета УФ-индекса с точностью до двух десятичных знаков.
Если нужно более точное измерение УФ-индекса, можно использовать датчик VEML6070.
Шаг восьмой: контроль уровня освещенности — датчик BH1750
Модуль датчика внешней освещенности BH1750 изготовлен на основе микросхемы датчика освещенности BH1750FVI. Это цифровая ИС со встроенным 16-битным преобразователем освещенности в цифровой.
Выходной сигнал этого датчика выражен в люксах, поэтому дальнейшие вычисления не требуются. Люкс — это единица измерения силы света. Он измеряет интенсивность в зависимости от количества света, падающего на определенную область. Один люкс равен одному люмену на квадратный метр.
Для связи с внешними устройствами, такими как ESP32, микросхема датчика внешней освещенности BH1750 использует интерфейс шины I2C.
Подключение:
VCC — 3,3 В
GND — VCC
SCL — SCL
SDA — SCL
ADD – I2C Device Address(открыт)
Шаг девятый: внешний датчик температуры
При необходимости можно подключить внешний датчик температуры, например DS18B20, для контроля температуры окружающей среды. DS18B20 поставляется в корпусе TO92. Он использует однопроводной протокол для связи с ESP32. Его можно подключить к 3-х контактной винтовой клемме на печатной плате.
Для сопряжения с датчиком температуры DS18B20, необходимо установить библиотеку One Wire и библиотеку температуры Dallas .
Шаг десятый: мониторинг напряжения батареи
Метеостанция работает от литий-ионного аккумулятора 18650, поэтому очень важно следить за состоянием батареи. Один из способов сделать это — считать выходное напряжение батареи с помощью аналогового вывода ESP32.
Однако батарея, которая здесь используется, выдает максимум 4,2 В при полной зарядке, а GPIO ESP32 работают при 3,3 В. Значит нужно добавить делитель напряжения, чтобы можно было считывать напряжение с батареи.
Формула делителя напряжения выглядит следующим образом:
Vout = (Vbat * R2) / (R1 + R2)
Итак, если используется R1 = 27 кОм, а R2 = 100 кОм,
Получаем: 1 Vout = (4,2 * 100k) / (27k + 100k) = 3,307V
Для выбора значений сопротивления делителя напряжения вы можете использовать этот онлайн-калькулятор .
Шаг одиннадцатый: ESP32 — энергосбережение
Сердцем метеостанции является энергоемкий чип ESP8266 SOC. Чтобы запустить ESP32 от аккумулятора, нужно снизить энергопотребление. Для этого мастер будет использовать режим глубокого сна, который является наиболее энергоэффективным вариантом для чипа ESP. Это позволяет перевести ESP32 в спящий режим и экономить заряд батареи. Можно регулярно активировать ESP, чтобы проводить измерения.
Расчет срока службы батареи:
ESP32 потребляет около 75 мА при нормальной работе и около 150 мА при передаче данных по Wi-Fi. Время передачи данных занимает около 30 секунд. В режиме глубокого сна энергопотребление около 10uA.
Расчет срока службы батареи:
Используемый аккумулятор: 3400 мАч / 3,7 В 18650 литий-ионный
Интервал передачи = 10 минут (время включения: 30 секунд, время ожидания: 9 минут 30 секунд)
Общее количество передачи / час = 60/10 = 6
Потребляемая мощность в час (время включения) = 6 x 150 мА * 30/3600 = 7,5 мА
Время сна = 6 x 10 мкА * 570/3600 = 0,0095 мА
Общее время работы от батареи в часах = 3400 / (7,5 + 0,0095) = 452,76 часа
Общее количество работы устройства от батареи = 452,76 / 24 = 18,86 дней
Мастер подготовил таблицу Excel для расчета времени автономной работы.
Калькулятор времени автономной работы.rar
Шаг двенадцатый: выбор солнечной панели
Количество солнечной инсоляции (облучение поверхностей солнечным светом) зависит от того, в какой части земного шара находится пользователь. Чтобы узнать количество солнечной инсоляции в вашем районе, вы можете использовать
«Глобальный солнечный атлас» . Принимая во внимание минимум 1 час полного солнечного света, мастер производит расчеты для выбора солнечной панели.
Из предыдущего шага сделан вывод, что среднее потребление тока составляет 7,5 мА. Заряд, необходимый для работы устройства в течение всего дня = 7,5 мА x 24 часа = 180 мАч
Цель — произвести 180 мАч за 1 час.
Для зарядки литий-ионного аккумулятора 3,7 В достаточно солнечной панели с напряжением от 5 до 6 В.
Требуемый номинал солнечной панели = 180 мА при напряжении от 5 до 6 вольт.
Номинальная мощность солнечной панели = 180 мА x 5 В = 0,9 Вт. Учитывая некоторые потери, мастер выбрал солнечную панель с некоторым запасом.
Выбранная солнечная панель: 5 В, 250 мА (110 x 69 мм)
После изготовления плату нужно смонтировать.
Для монтажа нужно подготовить штыревые разъемы.
1. Плата ESP — 2 x 15 контактов
2. BME280 — 1 x 4 контакта
3. УФ-датчик — 1 x 4 контакта
4. Датчик уровня люкс — 1 x 4 контакта
5. Запасной порт I2C — 1 x 4 контакта
4. Перемычка JP1 — 1 x 2 контакта
Schematic_Weather Station_V3.0.pdf
Шаг четырнадцатый: корпус
Идеальным корпусом для размещения датчиков погоды является корпус Стивенсона. Этот корпус представляет собой кожух для датчиков погоды от дождя и прямого теплового излучения, при этом позволяя воздуху свободно циркулировать вокруг них.
Корпус состоит из 6 частей:
1. Рама
2. Нижняя пластина
3. Нижнее крепление
4. Средние кольца x 12 шт.
5. Верхняя крышка экрана.
6. верхняя крышка для крепления панели солнечных батарей
7. Стержень M6 x 4 шт.
Он имеет простое настенное крепление и двухсекционную крышку для изоляции теплопередачи от солнечной панели. Конструкция V3.0 предусматривает установку датчика УФ-индекса сверху. Кроме того, верхняя крышка для установки солнечной панели находится подальше от основного корпуса, чтобы избежать передачи тепла от солнечной панели к внутренней части корпуса.
Мастер использовал белую PLA-нить 1,75 мм для печати деталей.
Файлы для печати можно скачать здесь .
Подключает солнечную панель и УФ-датчик.
Припаивает 4 перемычки к контактам модуля (VIN, GND, SDA и SCL). Протягивает провода в отверстия и герметизирует силиконом.
Подключает красный провод солнечной панели к положительному, а черный провод к отрицательному выводу винтовой клеммы Solar In на печатной плате.
Затем подключите провода, идущие от УФ-датчика, к разъему УФ-датчика (P2) на печатной плате.
Шаг шестнадцатый: программное обеспечение
В Arduino IDE нужно установить поддержку платы ESP32.
Перед загрузкой кода нужно установить следующие библиотеки:
1. ESP32
2. Blynk
3. BME280
4. Adafruit_SI1145_Library
5. BH1750
В более ранней версии есть два отдельных кода для Blynk и Thinspeak, но в этой версии мастер написали один фрагмент кода. Пользователь должен закомментировать только одну строку кода для Blynk или Thingspeak. Например, если вы используете его для приложения Blynk, код должен быть следующим:
Шаг семнадцатый: загрузка данных датчика в ThingSpeak
Сначала нужно создать учетную запись на ThingSpeak . Затем нужно создать новый канал в своей учетной записи ThingSpeak.
Дальше нужно заполнить поле 1 — температуру, поле 2 — влажность, поле 3 — давление, поле 4 — УФ-индекс, поле 5 — скорость ветра, поле 6 — направление ветра, поле 7 — дождь и поле 8 — напряжение батареи.
В своей учетной записи ThingSpeak нужно выбрать “Channel”, а затем “My Channel”.
Кликнуть название своего канала.
Дальше перейти на вкладку “API Keys” и скопировать “Write API Key”.
Открыть код Solar_Weather_Station_ThingSpeak и заменить «WRITE API» скопированным «Write API Key».
Шаг восемнадцатый: приложением Blynk
Blynk — самая популярная платформа Интернета вещей для подключения любого оборудования к облаку, разработки приложений для управления им и масштабного управления продуктами. С помощью Blynk Library можно подключить более 400 моделей оборудования, включая ESP8266, ESP32, NodeMCU и Arduino.
Шаг 1. Загрузите приложение Blynk.
1. Для Android
2. Для iPhone
Чтобы подключить приложение Blynk к оборудованию, нужен токен аутентификации.
1. Создайте новую учетную запись в приложении Blynk.
2. Нажмите значок QR в верхней строке меню. Создайте копию этого проекта, отсканировав QR-код, показанный ниже. После успешного обнаружения весь проект сразу же будет на вашем телефоне.
Мастер сделал приложение Sol Weather Station.
Чтобы начать его использовать:
1. Загрузите приложение Blynk .
2. Коснитесь значка QR-кода и наведите камеру на код ниже.
3. После создания проекта будет отправлен токен аутентификации по электронной почте.
Чтобы загрузить код Arduino на плату Wemos нужно выполнить следующие инструкции .
После установки вышеуказанных библиотек вставьте код Arduino, указанный ниже. Введите код авторизации из шага 1, ssid и пароль вашего роутера. Затем загрузите код.
Шаг девятнадцатый: установка метеостанции
Дальше нужно установить метеостанцию на подходящее место.
Местоположение метеостанции — самая важная часть установки. Если метеостанция расположена под деревом или навесом, данные об осадках, измеренные станцией, будут неверными. Если разместить метеостанцию в переулке, можно получить эффект аэродинамической трубы на анемометре, что приведет к ошибочным данным о ветре. Если вы хотите измерить солнечный свет, вы не можете располагать датчик в тени. Поэтому нужно убедитесь, что вокруг и над метеостанцией достаточно свободного пространства.
Источник