Метеостанция с питанием от солнечной батареи - Своими руками
Своими руками

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
Инструменты и материалы:-Wemos D1 mini;-Зарядное устройство TP 4056;-Датчики BME280 – 2 шт;-Штыревые разъемы;-Винтовой зажим;-Резистор 100 кОм;-1,54-дюймовый ч / б дисплей с электронными чернилами;-18650 аккумулятор;-Солнечная панель 120×60 мм ;-3D-принтер;
-4-жильный кабель;
-Датчики DHT11 или DHT22;-2 резистора по 10 кОм;
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.
Метеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиШаг 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.
Метеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиШаг третий: плата управления
В этом проекте используется D1 mini pro, микроконтроллер на базе ESP-8266EX с 16 МБ флэш-памяти и разъемом для внешней антенны.
Эти платы оснащены керамической антенной и разъемом для внешней антенны. Рядом с керамической антенной есть три контактные площадки, расположенные треугольником. По умолчанию к двум из них припаян резистор. Нужно распаять резистор и развернув его на 45 градусов припаять к другой контактной площадке. Т.е. резистор должен “смотреть” на разъем антенны.
Метеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиШаг 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 пятый: печатная плата
Печатная плата содержит следующие детали:
Винтовые клеммы
Модуль TP4056
держателя батареи 18650
Wemos D1 мини
перемычка JP2 – для включения / выключения глубокого сна
Перемычка JP1 – не используется
Порт E-INK
Порт S_INT и S_EXT + резисторы (R1 + R2) для дополнительных датчиков DHT.
U4 Порт для встроенного BME280
Порт I2C для внешнего BME280 и порты P1; P2; P3; P6 для дополнительных датчиков
Переключатель для включения / выключения esp.
Метеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиШаг шестой: корпус
Для метеостанции мастер напечатал корпус на 3D-принтере. Параметры корпуса следующие:
– Подходит для солнечной панели размером 120×60 мм с винтовыми клеммами.
– Толстая стенка между солнечной панелью и печатной платой поглощает тепло.
– Дополнительная пластина с направляющими для печатной платы.
– Вентиляционные отверстия сбоку, спереди и снизу.
– Выход для внешнего датчика.
– 2-х створчатая передняя дверца с креплением для дисплея и быстрым доступом к электронике.
– напечатан PLA-нитью
Настройки печати следующие:
Нить: PLA 1,75
Скорость печати: 90 мм / с
Температура экструдера: 200 ° C
Температура слоя: 60 ° C
Заполнение: 15%
Время печати: 10 часов для ящика и 1,5 часа для передней двери
Файлы для печати можно скачать ниже.
case.stl – основной корпус
front.stl – передняя дверь 2 части
pcb_mount.stl отдельная пластина для крепления печатной платы.
pcb_pins.stl 3 штифта для монтажа печатной платы и датчика
bme sensor_housing.stl – корпус для датчика
Метеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиШаг 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.
Метеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиВсе готово, осталось только закрепить устройство в нужном месте, рядом с теплицей, и установить в теплице датчик.
На дисплее будут отображаться данные с двух датчиков, из сада и из теплицы. Так же данные можно посмотреть на интернет-сервисе.
Метеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареиМетеостанция с питанием от солнечной батареи

SitesReady

Только те, кто предпринимают абсурдные попытки, смогут достичь невозможного. - Альберт Эйнштейн

Follow us

Don't be shy, get in touch. We love meeting interesting people and making new friends.