Метеостанция на солнечной батареи с передачей данных по WiFi
Эта метеостанция вторая версия устройства. Первая модель метеостанции была популярна и изготовлена многими людьми в разных странах мира. По эксплуатации первой модели возникло много предложений и пожеланий, которые мастер и попытался реализовать во второй версии устройства.
Особенностями этого устройства являются:
-Мониторинг параметров погоды (температура, влажность, давление и т.д.)
-Передача данных по каналу WiFi
-Удаленный мониторинг состояния батареи
-Дополнительные порты для установки дополнительных датчиков
-Литий-ионный аккумулятор 3400 мАч
-Солнечная панель 1 Вт
-Независимость от внешнего источника питания
-Возможность установки в удаленных местах или в сложных географических условиях
Шаг первый: питание
Сначала автор рассказывает о электронных устройствах, которые он собирается использовать.
Метеостанцию мастер будет устанавливать на ферме и главной проблемой была какой использовать источник питания. Ионно-литиевый аккумулятор 3400 мАч отлично справится с работой, но его нужно заряжать. Для зарядки мастер решил использовать солнечную панель с модулем зарядки TP4056.
Такие модули бывают с защитой и без. Мастер советует устанавливать с защитой. Защита не даст аккумулятору перезарядится или разрядится ниже критических 2,4 В.
3,3 В, а напряжение полностью заряженной батареи 18650 составляет 4,2 В. Таким образом, нужно понизить напряжение. Для этой цели мастер устанавливает резистор 220 кОм. На печатной плате он обозначен R1 и расположен чуть выше держателя батареи.
Шаг шестой: спящий режим
Для экономии заряда батареи и корректности показаний метеостанция работает в режиме сон/бодрствование. Энергопотребление в разных режимах приведено в таблице ниже.
Режим работы —— Спящий режим
1. ESP8266 170 мА ——— 10 мкА
2. CH340 12 мА ——— 50 мкА
3. Встроенный светодиод 3 мА ———— 0 мкА
4. Монитор напряжения 0,006 мА —— 6 мкА
Всего 185 мА —- 66 мА
Если цикл будет 10 минут сна\30 сек бодрствования, то энергопотребление выглядит следующим образом:
-Время пробуждения 185 мА в течение 0,5 минут = 92,5 мА-минут
-Время сна 0,066 мА в течение 9,5 минут = 0,627 мА-минут
-Всего за 10 минут = 93,13 мА-минут
Таким образом, среднее потребление тока составляет 9,3 мА.
Шаг седьмой: солнечная панель
Из предыдущего шага делается вывод, что среднее потребление тока составляет 9,3 мА. Необходимый ток для работы устройства в течение всего дня = 9,3 мА х 24 часа = 223,2 мАч
Количество солнечного излучения зависит от того, в какой части земного шара вы находитесь. Чтобы узнать количество солнечной излучения можно использовать Глобальный солнечный атлас . Принимая во внимание минимум 1 час полного солнечного света, автор выбирает солнечную панель.
Итак, цель — получить 223,2 мАч за 1 час. Для зарядки литий-ионной батареи 3,7 В достаточно солнечной панели с напряжением от 5 до 6 В. Требуемая номинальная мощность солнечной панели = 223,2 мА при напряжении от 5 до 6 вольт. Номинальная мощность солнечной панели = 223,2 мА х 5 В = 1,1 Вт. Значит нужна солнечная панель 1 Вт / 5 В — 6 В.
Шаг двенадцатый: программное обеспечение
Чтобы использовать устройство с библиотекой Arduino, необходимо установить IDE Arduino с поддержкой плат ESP8266, согласно этому руководству .
Настройки должны быть следующие:
PU Frequency: 80MHz 160MHz
Flash Size: 4M (3M SPIFFS) – 3M File system size 4M (1M SPIFFS) – 1M File system size
Upload Speed: 921600 bps
Перед загрузкой кода необходимо установить следующие библиотеки:
ESP8266 , BMP280 , Blynk
Перед использованием функции глубокого сна контакт Wemos D0 должен быть подключен к контакту RST. Это можно сделать, замкнув перемычку JP2.
Solar-WiFi-Weather-Station-V2.0.rar
Шаг тринадцатый: приложение Blynk
Загрузить приложение на Android или на iPhone
Авторизоваться. Нажать на значок QR и сканировать QR-код приведенный ниже. Придет код авторизации.
Затем нужно загрузить Arduino согласно этой инструкции.
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