(хроно-термо-гигро-барометр)
Как поется в известной песне «Главней всего погода в доме…». Конечно автор под погодой имел ввиду душевное состояние супругов живущих под одной крышей. Но если подходить к этой фразе буквально, то она о том, что под крышей кроме душевного должен быть и климатический комфорт. Предлагаемое устройство обеспечивает измерение и отображение на светодиодном индикаторе температуры и относительной влажности воздуха в помещении, значения атмосферного давления и текущего времени.
Станция снабжена датчиком движения, который включает ее при появлении человека в зоне действия датчика. Этот режим позволяет экономить потребляемую энергию и использовать в качестве источника питания гальванические батареи. Кроме того, этот режим удобно использовать в спальне - выключенный дисплей станции не будет раздражать своим свечением. В этом случае для включения станции будет достаточно выполнить движение рукой или ногой.
Внешний вид станции показан на рисунках (Рисунок 1 и Рисунок 2).
Рисунок 1.
Внешний вид станции
Рисунок 2.
Внешний вид станции (обратная сторона)
Видео с демонстрацией работы станции представлено ниже:
Электрическая схема.
Схема электрическая принципиальная представлена на рисунке 3.
Рисунок 3.
Схема электрическая принципиальная.
Станция собрана на микроконтроллере ATmega8. Цепочка R1С1 обеспечивает начальный сброс (Reset) микроконтроллера при включении. Предусмотрено внутрисхемное программирование МК через разъем XP3 «SPI программатор».
Фьюзы МК ATmega8: HIGH=0xD9, LOW=0xE4.
В качестве дисплея используется четырех-разрядный 7-сегментный индикатор типа CL5642BN c общим анодом и двухточечным («:») разделителем часов и минут. Катоды сегментов индикатора подключены к МК через ограничительные резисторы. МК обеспечивает динамическую индикацию поочередно включая транзисторные ключи VT3…VT6.
Хронометр собран на микросхеме DS1307 по штатной схеме включения. Точность хода часов обеспечивается кварцевым резонатором Y1 с частотой 32768Гц. При отсутствии основного питания (5 Вольт) непрерывность хода часов обеспечивается резервным источником питания на гальваническом элементе CR2032 (3 Вольта). Взаимодействие МК с микросхемой DS1307 осуществляется по шине TWI (I2C). Линии шины TWI «подтянуты» к питанию VCC2 резисторами R20, R21. Установка часов и минут обеспечивается кнопками SA1 («Часы+»), SA2 («Минуты+»), SA3 («Установка»). При этом необходимо в момент начала цикла отображения данных на дисплее нажать и удерживать кнопку «Установка». Нажатием или нажатием с удержанием кнопок «Часы+» или «Минуты+» устанавливается время хронометра. При отпускании кнопки «Установка» в микросхему DS1307 в соответствующие ячейки запишутся значения часов и минут, отображенные на дисплее, а в ячейку секунд запишется значение 0. Таким образом можно точно синхронизировать время с внешними эталонными источниками точного времени (например, от вещательных радиостанций или телевидения).
К шине TWI также подключена плата барометра BMP180. Программа устройства считывает калибровочные коэффициенты, устанавливаемые производителем, и учитывает их при расчете атмосферного давления.
Измерение температуры осуществляется датчиком DHT11. МК управляет датчиком по последовательному однопроводному двунаправленному интерфейсу. Линия интерфейса «подтянута» к питанию VCC2 резистором R19.
Для экономного расходования энергии батарей микроконтроллер большую часть своего времени пребывает в состоянии глубокого сна («power-down»). При этом МК перед засыпанием обесточивает все измерительные датчики, подключенные к VCC2 (хронометр, датчик атмосферного давления, датчик влажности и температуры). Обесточивание датчиков обеспечивается ключами на транзисторах VT1 и VT2.
Для пробуждения МК в схему станции включен датчик движения HC-SR501. Его задача - вывести МК из состояния сна. При срабатывании датчик посылает сигнал МК, который пробуждается сам и подает питание VCC2 на периферийные датчики (хронометр, датчик атмосферного давления, датчик влажности и температуры). Ключ на транзисторе VT7 обеспечивает инверсию сигнала датчика движения для согласования с МК. Переключатель «Движение» позволяет отключить датчик движения, для еще большей экономии энергии батарей. В этом случае альтернативную команду на пробуждение МК можно подать нажатием кнопки «Установка».
Питание станции осуществляется от двух альтернативных типов источников: от трех батарей типа АА или от сетевого источника питания 5 Вольт по шине USB. Для переключения между источниками питания необходимо установить переключатель «Питание» в одно из положений: «USB» или «Батарея». При питании от батарей ток потребления станции в режиме сна составляет не более 200мкА, что при емкости батареи 2000мАч соответствует 10000 часам (более одного года) непрерывной работы.
При выборе сетевого источника питания следует учитывать, что пиковый ток потребления станции (во время измерения и при включенном дисплее) не превышает 100мА. Поэтому можно использовать практически любое зарядное устройство.
При питании от шины USB иногда целесообразно обеспечить постоянное измерение значений датчиками и отображение данных на дисплее. Для этого необходимо установить переключатель «Дисплей» в положение «Вкл». В этом случае МК не будет переводится в состояние сна.
Печатные платы.
Печатные платы разработаны в программе Dip Trace. Они выполнены на одностороннем фольгированном стеклотекстолите. Расположение деталей на основной печатной плате показано на рисунке (Рисунок 4). На рисунке перемычки со стороны монтажа выделены цветными ломаными линиями. Печатная плата со стороны дорожек показана на рисунке (Рисунок 5).
Рисунок 4.
Печатная плата (вид со стороны радиодеталей).
Рисунок 5.
Печатная плата (вид снизу, зеркальное отображение).
Кнопки и переключатели пульта управления станцией установлены на отдельной печатной плате (Рисунок 6 и Рисунок 7).
Рисунок 6.
Печатная плата Пульта управления (вид сверху).
Рисунок 7.
Печатная плата Пульта управления (вид со стороны дорожек).
Гнездо для подключения USB кабеля установлено на отдельной плате, купленной на AliExpress (Рисунок 8).
Рисунок 8.
Плата с гнездом USB.
Монтаж.
Станция смонтирована в корпусе универсальной коробки для кабельных каналов «Промрукав» - IP42; 400V; полистирол ГОСТ Р 50827.1-2009 ТУ 3464-001-97341529-2012 Артикул 40-0460.
На передней стороне корпуса прорезаны окна для дисплея и датчика движения. На тыльной стороне корпуса размещен датчик влажности и температуры DHT11, кнопки и переключатели пульта управления.
Батарея питания - три элемента AA 1.5 Вольт каждый размещены в специализированном держателе - «кроватке» .
Размещение радиодеталей на печатной плате показан на рисунке (Рисунок 9).
Рисунок 9.
Внешний вид размещения деталей на плате.
Архив к статье «CTBH.rar» содержит:
1. Папку CTBH - файлы проекта на Си в среде Atmel Studio 7.
2. CTBH.dch - схема электрическая принципиальная в формате Dip Trace.
3. CTBH.dip - печатная плата устройства в формате Dip Trace.
4. CTBH_Buttons.dip - печатная плата Пульта управления в формате Dip Trace.
5. CTBH.hex - загрузочный файл для МК.
Удачи Вам в творчестве и всего наилучшего!
Скачать архив.
Захотелось иметь свою метеостанцию, которая передает показания с датчиков на карту народного мониторинга (ищется в гугле за 5 секунд). Оказалось это не так сложно, как кажется. Рассмотрим, что было сделано.
Для данного действия я взял себе Arduino Uno и Ethernet Shield w5100 для нее. Все это заказывалось из Китая на Aliexpress.
Так же там заказал себе датчики: DHT22, DHT11, DS18B20, BMP280 (в планах еще датчики газа, дыма…)
Покурив форумы, гугл, яндекс, я нашел неплохой вариант скетча — https://student-proger.ru/2014/11/meteostanciya-2-1/
Там же в комментариях человек выкладывал дописанный скетч с датчиками освещенности, газа. Я взял их за основу.
В тех скетчах не было поддержки 280-го датчика давления, пообщались с автором, он заменил 180 на 280. Все заработало прекрасно (спасибо ему за это огромное)
Ниже приведу пример итогового скетча, что получился у меня.
В данный момент у меня подключены датчики:
DHT22 — 1шт.
DHT11 — 1шт.
BMP280 — 1шт.
DS18B20 — 2шт.
ВНИМАНИЕ! Перед тем как заливать скетч, не забудьте изменить MAC-адрес устройства, чтобы не пересекаться с другими (например взять Mac-адрес вашего мобильного телефона и изменить в нем последние буквы/цифры, что не «будоражило» вашу локальную сеть!
Примерная схема подключения (картинка взята на просторах интернета от данного скетча):
По техническим причинам у меня не получается выложить скетч прямо сюда. Поместил его в архив. Ссылка на него строчкой выше.
Как видно, показания есть, идут исправно, для примера выложу пару скриншотов со своих датчиков:
Просматривая разные проекты метеостанций, заметил одну тенденцию. Это или датчик температуры и влажности, чаще всего всеми любимый китайский DHT-11 или DHT-22, к которым добавляют либо датчик освещенности (Метеостанция на Arduino с визуализацией данных) либо давления (Ethernet метеостанция), или покупное-навороченное за много сотен долларов (Автоматическая метеостанция на даче)
Так как лично для меня - метеостанция без измерения направления и скорости ветра не метеостанция, а потратить порядка 700USD на по большому счету игрушку я не готов, то решено было сделать похожее на «дорогое-навороченное» но занедорого.
Электроника
Теперь о измерении направления ветра. Было много вариантов, от оптических энкодеров - заводских (дорого) или самодельных в виде нескольких пар светодиодов и фотодиодов, и диска с кодом Грея (сложно и много компонентов), до магнита и 4-8 герконов (слишком просто и неточно). В итоге выбор пал на AS5040 – магнитный энкодер. Так как особая точность не нужна, то аналоговый выход энкодера подключен к ADC микроконтроллера.
Микроконтроллер - PIC16F88. Выход - RS485 в внутреннюю сеть умного дома, о котором этот цикл статей. Вся электронная часть собрана на трех платах.
На этом с электроникой все, никаких нюансов, ничего интересного, все по даташитам. Переходим к механике.
Механика
К сожалению, напечатать корпус на 3D принтере возможности нет, а у заводских корпусов с водонепроницаемостью беда практически у всех. К тому же подшипники и все остальное - тела вращения, значит круглый корпус будет самым логичным выбором. Пришлось обратить взор на другие сферы - на водоснабжение. В качестве корпуса взята соединительная муфта «на 32» для канализации, и два патрубка для размещения в них подшипниковых узлов. Из латуни были выточены две заглушки, в которых запрессованы по два подшипника 626.
Магниты… Магнит для датчика скорости подойдет практически любой, а вот с датчиком направления было сложнее. Ему нужен круглый магнит с намагниченностью от края до края
В то время как у основной массы продающихся - разные полюса на разных сторонах.
Но, оказалось, что нужные магниты находятся на шпинделях двигателей CD/DVD приводов.
В собранном виде подшипниковые узлы выглядят так
После изготовления и сборки плат - датчики скорости и направления ветра принимают окончательный вид
Так как метеостанция все таки из подручных материалов, то для крыльчатки режем теннисные шарики, флюгер тоже мастерим из того, что попадется под руки. Красим в радикально черный цвет, и получается так.
В качестве датчика дождя так же используем половинку теннисного шарика, в котором между двумя слоями геотекстиля расположены два контакта
Собираем, подключаем и прикручиваем повыше
Интерфейс
Как я уже рассказывал (Очередной умный дом, в трех частях. Часть третья, пользовательско-интерфейсная) есть два вида интерфейса. Первый вид, в котором на экране отображаются практически все данные с устройства, выглядит так
Температура текущая, минимум, максимум, направление изменения. Давление, аналогично. Влажность. Ветер - направление и роза ветров. Цифры нужны скорее для отладки, показывают сколько времени в каком секторе был флюгер. Скорость ветра, время, показания датчика освещенности (без калибровки, то что измерил ADC) и датчик дождя. Все данные и обработка - ведутся в микроконтроллере метеостанции.
Второй тип интерфейса - на основе виджетов. Тут данных меньше, температура, влажность, давление, скорость и направление ветра
И куда уж без Android Wear - на часах
В связи с тем, что раз в минуту происходит опрос всех контроллеров с записью в БД- то любые метеоданные доступны для анализа или отображения в виде графиков
Из завалявшихся деталей решил сделать небольшую метеостанцию. На сборку и написание прошивки для контроллера ушло два дня выходных. Еще пара дней ушла на написание, тестирование и отладку остального программного обеспечения. Текущая версия метеостанции измеряет температуру, влажность, давление, имеется связь с компьютером через USB порт от него же и питается, резервное питание от батареи 9 В. Данные отображает на LCD. Еще есть часы. Поскольку, не нашлось подходящего кварца (а покупать принципиально не хотел), сделал синхронизацию времени с компьютером.
Этот проект абсолютно не коммерческий, поэтому схему метеостанции, прошивку контроллера и все необходимое программное обеспечение можно скачать . Исходный код прошивки .
Станция собрана на макетной плате, поэтому чертеж печатной платы и не просите.
Использовались следующие основные компоненты:
ATMega8
- контроллер
MPX4115A
- датчик давления
HIH-4000
- датчик влажности
DS18B20
- датчик температуры
WH1602A
- дисплей
Я использовал LCD на PLED технологии, можно обыкновенные типа WH1602A. Датчики температуры и влажности вынесены на улицу в защитную коробочку.
Подключаем к компьютеру
Подключение к порту USB требует отдельного описания.
В принципе, можно было подключить и к COM порту, так проще. Но у меня он занят. Выбора нет - USB. Поскольку станция собиралась с чего было, то в ход пошел завалявшийся огрызок кабеля CA-42 для подключения мобильного телефона к компьютеру. Разъем к мобильному телефону ушел в дело, а тот конец, который подключается к компьютеру остался. В самом этом разъеме уже имеется микросхема для USB порта, а на выходе - стандартный UART, тот, который используется в мобильных телефонах и самый раз для контроллера, поэтому провода запаиваем напрямую, без каких либо преобразователей сигнала. После установки драйверов для этого кабеля, появляется виртуальный COM порт. Далее можем любой программой подключиться к нашей метеостанции, например HyperTerminal . Распайку кабеля специально не привожу, поскольку кабеля разные, могут отличатся. Использовать нужно 3 провода TX, RX, GND. Запитать устройство от кабеля, скорее всего, не получится. Я взял не нужный USB разъем и запитал с другого USB порта.
Для того чтобы можно было из командной строки отправлять команды и принимать ответ от метеостанции, была написана программа getfromcom.exe.
Метеостанция понимает только две команды:
AGOV - Возвращает текущие показания датчиков.
SETTIME [время в секундах с начала суток] - команда устанавливает время в метеостанции
Для получения данных выполняем getfromcom.exe COM6 AGOV
Для установки времени выполняем getfromcom.exe COM6 "SETTIME 72565"
COM6 - порт.
72565 - количество секунд с начала суток.
Автоматизация процесса
Теперь можно любой программой считать, обработать данные, отправить куда надо, синхронизировать время метеостанции. Я это сделал с помощью скриптового языка PHP. Во первых это быстро и всегда можно оперативно подправить скрипт и не искать куда делся исходный код. Во вторых, я постоянно работаю с PHP. Но Вы можете написать свою программу на любом удобном для Вас языке. Разумеется, для работы PHP придется его скачать (http://www.php.net/downloads.php) и установить на компьютере. Под Windows это делается элементарно. Скрипт getfromcom.php запускается из файла get_data.bat опрашивает метеостанцию, обрабатывает данные и отправляет на HTTP-сервер скрипту get_data.php. О скриптах на сервере поговорим чуть позже.
Спящий режим рабочего компьютера
Мой компьютер стоит в спящем режиме. Просыпается каждые 3 часа, опрашивает метеостанцию, отправляет данные на сервер и снова засыпает (можно и не выключать - кому как удобнее.). Делается это так: В планировщике задач указывается пакетный файл get_data.bat для выполнения и устанавливается опция "разбудить компьютер для выполнения этого задания".
Компьютер отправляется в спячку командой fShutdown.exe /hibernate
Теперь по указанному времени компьютер проснется и выполнит get_data.bat
Особенности get_data.bat
Команды:
devcon.exe enable PCIVEN_10EC
ping 127.0.0.1
RASPHONE -d Setilite
Запускают сетевое подключение и подымают VPN к моему провайдеру Интернет.
ping 127.0.0.1 - так я сделал необходимую паузу.
Соответственно, отключаем командами:
RASPHONE -h Setilite
devcon.exe disable PCIVEN_10EC
У Вас будет все по другому, поэтому в файле эти строки закомментированы.
После выхода из спячки компьютер начинал думать, что COM порт занят другой программой. Пришлось виртуальный COM порт перезагружать командой devcon.exe restart "USBVid_6547&PID_0232"
У Вас будет другой ID устройства.
Серверные скрипты:
Теперь о скриптах на сервере. Скрипт, который принимает данные: get_data.php
Скрипт сохраняет данные в файл pogoda.log. Вообще то, данные отправляются и в базу данных MySQL. Но для простоты, рассмотрим работу только с файлом. Принимая данные, скрипт проверяет подходит ли IP адрес отправителя. Разрешенные адреса перечислены в файле ip_allow.lst От "чужого" отправителя данные не принимаются.
В этом проекте будет реализована комнатная настольная метеостанция своими руками. Вы можете подумать, что таких проектов было уже много, но этот проект будет базироваться на новом чипе ESP32, также он будет оснащен новым датчиком BME280, этот датчик измеряет температуру, влажность и атмосферное давление.
Когда настольная метеостанция будет включена, она подключится к WiFi и запросит свежий прогноз погоды для заданной местности. Затем она отобразит его, наряду с данными датчика, на 3,2″ дисплее. Данные с датчика будут обновляться каждые 2 секунды, а данные о погоде — каждый час. Как вы видите, в этом проекте мы будем использовать последние технологии, доступные на сегодняшний день. Если у вас есть опыт в DIY, то проект займёт у вас всего 5 минут.
Если вы новичок, то просмотрите видео, в котором разобраны нюансы сборки.
Шаг 1: Компоненты станции
Чтобы построить свою станцию, нам понадобятся:
- Плата ESP32 (ссылка)
- Датчик BME280 I2C (ссылка)
- Дисплей 3.2” Nextion (ссылка)
- Небольшая макетная плата (ссылка)
- Немного проводов (ссылка)
Стоимость проекта будет варьироваться в районе $30.
Вместо модуля ESP32 можно использовать более дешевый чип ESP8266, но я решил использовать ESP32, чтобы получить представление об этом новом модуле и посмотреть, как он работает.
Шаг 2: ESP32
Это первый проект, который я собрал, используя чип ESP32. Если вы не знакомы с ним, чип ESP32 — это следующее поколение популярного чипа ESP8266. ESP32 предоставляет два 32-процессных ядра, работающих на 160MHz,большой объем памяти, WiFi, Bluetooth и много других функций. И это всего за $7.
Посмотрите видео с моим детальным описанием этой платы. Оно поможет понять, почему этот чип изменит наш подход к созданию вещей.
Шаг 3: Дисплей Nextion
Также, это первый проект, в котором я использовал тачевый дисплей Nextion. Это новый вид дисплеев, который оснащен собственным ARM-процессором, позволяющим настраивать дисплей и создавать графический интерфейс. Поэтому мы можем использовать его с любым микроконтроллером и получать хорошие результаты.
Шаг 4: Датчик BME280
Датчик BME280 — это новейший сенсор от Bosch. Он может измерять температуру, влажность и атмосферное давление. Нам нужен всего один датчик, чтобы собрать целую погодную станцию.
В дополнение, этот датчик очень маленький и он прост в управлении. Датчик управляется через интерфейс I2C, так что взаимодействие с Ардуино будет очень простым — для стабильной работы нам нужно будет запитать его и припаять всего пару проводов.
Также существует множество библиотек, разработанных для этого датчика, так что в нашем проекте мы можем использовать любую из них.
Заметка: нам нужен датчик BME280. Существует также датчик BMP280, который не измеряет влажность воздуха. Проверьте название перед тем, как купите датчик.
Шаг 5: Соединяем части вместе
Соединение модулей достаточно простое, вы можете увидеть это на приложенной схеме.
Так как датчик BME280 использует интерфейс I2C, нам нужно всего два провода, чтобы соединить его с ESP32. Я соединил датчик с пинами 26 и 27. В теории, каждый цифровой пин платы ESP32 может быть использован для взаимодействия с периферией, работающей на I2C. На практике, я обнаружил, что некоторые пины не работают, так как зарезервированы для других целей. Пины 26 и 27 работают без перебоев.
Чтобы отправить данные на дисплей, нам нужно соединить провод с пином TX0 на ESP32. Мне пришлось согнуть пин на 90 градусов, чтобы соединить его с дисплеем, так как плата ESP32 оказалась великоватой для макетной платы.
После сборки всех частей, нам нужно залить код на ESP32, а также залить интерфейс на дисплей Nextion. Если у вас возникли трудности при прошивке ESP32, зажмите кнопку BOOT сразу после нажатия кнопки загрузки в ИДЕ Ардуино.
Чтобы залить интерфейс на дисплей, скопируйте файл WeatherStation.tft, который будет приложен ниже, на пустую карту SD. Поместите карту в слот, располагающийся на задней части дисплея. После подачи питания, интерфейс будет загружен в дисплей — можно выключить его и извлечь карту, затем включить заново.
После успешной загрузки кода, станция соединится с WiFi, запросит данные о погоде с сайта openweathermap.org, а также отобразит данные с датчика. Давайте теперь посмотрим на программную часть проекта.
Шаг 6: Код проекта
Чтобы спарсить погодные данные, нам понадобится библиотека JSON для Ардуино. Также нам понадобится библиотека для датчика.
Рассмотрим код. Сначала нам нужно отправить SSID и пароль нашей сети WiFi. Затем нам нужно ввести ключ API с сайта operweathermap.org. Чтобы создать собственный ключ, нужно зарегистрироваться на сайте. Получение текущей погоды бесплатно, но сайт предлагает больше услуг, если вы хотите платить за них. Затем нам нужно найти ID нашего местонахождения. Найдите ваш населённый пункт и скопируйте его ID из URL.
Затем скопируйте ваш ID в переменную CityID. Также скопируйте высоту над уровнем моря для вашего населённого пункта. Это необходимо для того, чтобы барометр показывал точные данные.
Const char* ssid = "yourSSID"; const char* password = "yourPassword"; String CityID = "253394"; //Sparta, Greece String APIKEY = "yourAPIkey"; #define ALTITUDE 216.0 // Altitude in Sparta, Greece
Ответ мы получим в формате JSON. Перед отправкой данных в библиотеку JSON, я вручную удалил некоторые символы, которые вызывали проблемы. После этого библиотека спокойно принимает данные, и мы можем сохранить их в переменные. После сохранения данных в переменные, всё, что нам нужно сделать — это отобразить их на дисплее и ждать, пока через час они не обновятся. Я отобразил на дисплее только прогноз погоды, но вы, при желании, можете вывести на него больше информации — всё сохраняется в переменные. Затем мы считываем информацию о температуре, влажности, давлении с датчика и также отправляем их на дисплей.
Чтобы обновить информацию на дисплее, мы просто отправляем команды на серийный порт:
Void showConnectingIcon() { Serial.println(); String command = "weatherIcon.pic=3"; Serial.print(command); endNextionCommand(); }
Интерфейс дисплея Nextion состоит из заднего фона, текстовых блоков и картинки, которая меняется в зависимости от погоды. Посмотрите руководство к дисплею, чтобы узнать больше о его возможностях. Вы можете быстро спроектировать свои интерфейс, если хотите, чтобы дисплей отображал больше данных.
Или вы можете просто использовать мой код, приложенный к этой инструкции.
Файлы
Шаг 7: Заключительные мысли и улучшения
Как вы видите, на сегодняшний день, искушенный человек может собрать своими руками удивительные вещи всего за несколько часов и написав всего несколько строчек кода. Проекты такого уровня были невообразимы даже два года назад.
Конечно, это только начало проекта. Я бы хотел добавить в него много улучшений, например графики, тачевую функциональность, может быть, заменил бы дисплей на другой, размером побольше. Также я бы напечатал на 3D принтере красивый корпус. Еще я бы спроектировал более интересный интерфейс и иконки. И у меня уже есть несколько свежих идей комнатных метеостанций, которые можно внедрить!