Estação meteorológica solar Raspberry Pi: 7 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Estimulado pela conclusão de meus dois projetos anteriores, a Câmera Compacta e o Console de Jogos Portáteis, eu queria encontrar um novo desafio. A progressão natural foi um sistema remoto externo …

Eu queria construir uma estação meteorológica Raspberry Pi que fosse capaz de se sustentar fora da rede e me enviar os resultados por meio de uma conexão sem fio, de qualquer lugar! Este projeto realmente teve seus desafios, mas felizmente alimentar o Raspberry Pi é um dos principais desafios que se tornou fácil usando o PiJuice como uma fonte de alimentação com seu suporte solar adicionado (completo com nossa tecnologia revolucionária PiAnywhere - a melhor maneira de tire o seu Pi da rede!).

Meu pensamento inicial foi usar o fantástico módulo AirPi para fazer leituras. Isso, entretanto, tinha duas desvantagens principais; requer uma conexão direta com a internet para carregar os resultados e precisa ser conectado diretamente ao GPIO no Pi, o que significa que não pode ser exposto ao ar sem também expor o Raspberry Pi (não é ideal se quisermos que esta estação meteorológica durar qualquer período de tempo).

A solução … construir meu próprio módulo de detecção! Usando muito do AirPi como inspiração, fui capaz de montar um protótipo muito simples usando alguns sensores que já tinha; temperatura, umidade, níveis de luz e gases gerais. E o melhor de tudo isso é que é muito fácil adicionar mais sensores a qualquer momento.

Decidi usar um Raspberry Pi a + principalmente devido ao seu baixo consumo de energia. Para me enviar os resultados usei o módulo EFCom Pro GPRS / GSM, que pode enviar um texto direto para o meu celular com os resultados! Muito legal, certo?

Fico feliz em receber aqui qualquer ideia que você tenha para outros grandes projetos solares ou portáteis. Deixe-me saber nos comentários e farei o meu melhor para criar um tutorial!

Etapa 1: peças

1 x PiJuice + Painel Solar (completo com nossa revolucionária tecnologia PiAnywhere - a melhor maneira de tirar seu Pi da rede!)

1 x Raspberry Pi a +

1 x módulo EFCom Pro GPRS / GSM

1 x cartão SIM

1 x tábua de pão

Protoboard

1 x MCP3008 ADC

1 x LDR

1 x LM35 (sensor de temperatura)

1 x DHT22 (sensor de umidade)

1 x sensor de qualidade do ar geral TGS2600

1 x 2,2 KΩ Resistor

1 x 22 KΩ Resistor

1 x 10 KΩ Resistor

10 x Fêmea - Fios de ligação fêmea

Variedade de fio de bitola única

1 x única caixa de junção ao ar livre

1 x caixa de junção externa dupla

1 x conector de cabo à prova d'água

2 buchas de cabo semi-cegas de 20 mm

Etapa 2: Circuito de detecção

Existem alguns elementos diferentes neste projeto, então é melhor fazer tudo em etapas. Primeiro, vou explicar como montar o circuito de detecção.

É uma boa ideia construir primeiro em uma placa de pão, caso você cometa algum erro, incluí um diagrama de circuito e fotos passo a passo, para consultar.

1. O primeiro componente a ser conectado é este conversor analógico para digital MCP3008. Isso pode levar até 8 entradas analógicas e se comunica com o Raspberry Pi via SPI. Com o chip voltado para cima e o semicírculo cortado na extremidade mais distante de você, todos os pinos à direita se conectam ao Raspberry Pi. Conecte-os conforme mostrado. Se você gostaria de aprender um pouco mais sobre como o chip funciona, aqui está um ótimo guia para o MCP3008 e o protocolo SPI.
2. Os pinos à esquerda são as 8 entradas analógicas, numeradas de 0 a 7 de cima para baixo. Usaremos apenas os 3 primeiros (CH0, CH1, CH2), para o LDR, o sensor geral de gás (TGS2600) e o sensor de temperatura (LM35). Primeiro conecte o LDR conforme mostrado no diagrama. Um lado para o aterramento e o outro para 3,3 V por meio de um resistor de 2,2 KΩ e CH0.
3. Em seguida, conecte o "sensor geral de gás". Este sensor de gás é usado para detecção de contaminantes do ar, como hidrogênio e monóxido de carbono. Ainda não descobri como obter concentrações específicas, então, por enquanto, o resultado desse sensor é um nível percentual básico, onde 100% está totalmente saturado. Com o sensor voltado para cima (pinos na parte inferior), o pino diretamente à direita do pequeno afloramento é o pino 1 e, em seguida, os números aumentam no sentido horário ao redor do pino. Assim, os pinos 1 e 2 se conectam a 5 V, o pino 3 se conecta ao CH1 e o aterramento por meio de um resistor de 22KΩ e o pino 4 se conecta diretamente ao aterramento.
4. O sensor analógico final a ser conectado é o sensor de temperatura LM35. Isso tem 3 pinos. Pegue o sensor de forma que o lado plano fique mais próximo de você, o pino mais à esquerda conecta-se diretamente a 5V (não marcado no diagrama, meu mal!), O pino central conecta-se ao CH2 e o pino mais à direita conecta-se diretamente ao aterramento. Fácil!
5. O último componente a ser conectado é o sensor de umidade DHT22. Este é um sensor digital que pode ser conectado diretamente ao Raspberry Pi. Pegue o sensor com a grade voltada para você e os quatro pinos na parte inferior. Os pinos são ordenados de 1 à esquerda. Conecte 1 a 3,3V. O pino 2 vai para GPIO4 e 3,3 V por meio de um resistor de 10KΩ. Deixe o pino 3 desconectado e o pino 4 vai direto para o aterramento.

É isso! O circuito de teste foi construído. Espero adicionar mais componentes quando tiver tempo. Eu realmente gostaria de adicionar um sensor de pressão, um sensor de velocidade do vento e gostaria de obter dados mais inteligentes sobre as concentrações de gás.

Etapa 3: Módulo GSM

Agora que os circuitos de detecção foram construídos, deve haver uma maneira de receber os resultados. É aí que entra o módulo GSM. Vamos usá-lo para enviar os resultados pela rede celular em um SMS, uma vez por dia.

O módulo GSM se comunica com o Raspberry Pi via serial usando UART. Aqui estão algumas informações excelentes sobre a comunicação serial com o Raspberry Pi. Para assumir o controle da porta serial do Pi, precisamos primeiro fazer algumas configurações.

Inicialize o seu Raspberry Pi com uma imagem padrão do Raspbian. Agora altere o arquivo "/boot/cmdline.txt" de:

"dwc_otg.lpm_enable = 0 console = ttyAMA0, 115200 kgdboc = ttyAMA0, 115200 console = tty1 root = / dev / mmcblk0p2 rootfstype = ext4 profundor = prazo rootwait"

para:

"dwc_otg.lpm_enable = 0 console = tty1 root = / dev / mmcblk0p2 rootfstype = ext4 profundor = prazo rootwait"

removendo a seção sublinhada do texto.

Em segundo lugar, você precisa editar o arquivo "/ etc / inittab", comentando a segunda linha na seção a seguir:

#Spawn a getty na linha serial do Raspberry PiT0: 23: respawn: / sbin / getty -L ttyAMA0 115200 vt100"

Para que leia:

#Spawn a getty na linha serial do Raspberry Pi # T0: 23: respawn: / sbin / getty -L ttyAMA0 115200 vt100

e reinicie o Pi. Agora, a porta serial deve estar livre para se comunicar como desejar. É hora de conectar o módulo GSM. Dê uma olhada no diagrama de circuito na etapa anterior e nas fotos acima para ver como isso é feito. Basicamente, TX está conectado a RX e RX está conectado a TX. No Raspberry Pi TX e RX são GPIO 14 e 15, respectivamente.

Agora, você provavelmente deseja verificar se o módulo está funcionando, então vamos tentar enviar um texto! Para isso, você precisa baixar o Minicom. É um programa que permite gravar na porta serial. Usar:

"sudo apt-get install minicom"

Depois de instalado, o minicom pode ser aberto com o seguinte comando:

"minicom -b 9600 -o -D / dev / ttyAMA0"

9600 é a taxa de transmissão e / dev / ttyAMA0 é o nome da porta serial do Pi. Isso abrirá um emulador de terminal no qual tudo o que você escrever aparecerá na porta serial, ou seja, será enviado para o módulo GSM.

Insira seu cartão SIM recarregado no módulo GSM e pressione o botão liga / desliga. Depois disso, um led azul deve acender. O módulo GSM usa o conjunto de comandos AT, aqui está a documentação se você estiver realmente interessado. Agora verificamos se Raspberry Pi detectou o módulo com o seguinte comando:

"NO"

o módulo deve então responder com:

"OK"

Excelente! Em seguida, precisamos configurar o módulo para enviar um SMS como texto em vez de binário:

"AT + CMGF = 1"

novamente, a resposta deve ser "OK". Agora escrevemos o comando para enviar um SMS:

"AT + CMGS =" 44 ************* "", substitua as estrelas pelo seu número.

O modem responderá com ">" após o qual você poderá escrever sua mensagem. Para enviar a mensagem, pressione. É isso, e com sorte você acaba de receber uma mensagem direto do seu Raspberry Pi.

Bem, agora que sabemos que o módulo GSM está funcionando, você pode fechar o minicom; não precisaremos dele para o resto do projeto.

Etapa 4: Baixe o software e execute a operação a seco

Nesse estágio, tudo deve estar conectado e pronto para o teste de simulação. Eu escrevi um programa python muito simples que fará leituras de cada sensor e enviará os resultados para o seu telefone celular. Você pode baixar o programa completo na página PiJuice no Github. Agora também pode ser um bom momento para testar o módulo PiJuice. Ele apenas se conecta ao GPIO do Raspberry Pi, todos os fios conectados ao Pi são plugados diretamente nas saídas de pinos correspondentes no PiJuice. Fácil como Pi. Para baixar o código, use o comando:

git clone

Isso é configurado para enviar dados uma vez por dia. Para fins de teste, isso não é ótimo, então você pode querer editar o programa. Isso é feito facilmente; apenas abra o arquivo; "sudo nano weatherstation.py". Perto do topo, há uma seção "definir atraso". Comente a linha "atraso = 86400" e retire o comentário "atraso = 5". Agora os resultados serão enviados uma vez a cada 5 segundos. Você também deseja alterar o programa para que contenha o seu próprio número de celular. Encontre onde diz "+44 **********" e substitua as estrelas pelo seu próprio número.

Antes de executar o programa, você só precisa baixar uma biblioteca para ler o sensor de umidade DHT22:

git clone

E a biblioteca precisa ser instalada:

"cd Adafruit_Python_DHT"

"sudo apt-get update"

"sudo apt-get install build-essential python-dev"

"sudo python setup.py install"

Legal, agora você pode testar o programa.

"sudo python weatherstation.py"

Enquanto o programa está em execução, os resultados devem ser enviados para o seu celular, mas também impressos no terminal a cada 5 segundos.

Etapa 5: construir o circuito

Agora que tudo está funcionando na prática, é hora de construir a coisa real. As fotos mostram a ideia geral de como toda a unidade se encaixa. Existem duas unidades habitacionais separadas; um para o circuito de detecção (que terá orifícios para permitir que o ar circule dentro) e um para o Raspberry Pi, unidade GPRS e PiJuice (completamente à prova d'água) o painel solar será conectado à unidade de computação com uma junção estanque à água. As duas unidades podem então ser facilmente removidas para que a caixa do sensor ou a caixa do computador possam ser removidas sem a necessidade de desmontar toda a unidade. Isso é ótimo se você quiser adicionar mais sensores ou se precisar do Raspberry Pi ou PiJuice para outro projeto.

Você precisará quebrar o protoboard para caber dentro da menor das duas caixas de junção. É aqui que o circuito de detecção está alojado. O circuito de detecção agora é transferido da placa de ensaio para o protoboard. Agora você precisará fazer um pouco de solda. Certifique-se de que você se sinta confortável em usar um ferro de solda com segurança. Se você não tiver certeza, peça a ajuda de alguém que seja um soldador competente.

Muito obrigado a Patrick no laboratório aqui, que me salvou de fazer um verdadeiro hash deste circuito. Ele conseguiu encaixá-lo em questão de minutos! Se, como eu, você não é o melhor na construção de circuitos e não tem um gênio como Patrick pronto para ajudá-lo, então você sempre pode deixar o circuito em uma placa de ensaio, desde que caiba na sua caixa elétrica.

Etapa 6: Preparando as unidades habitacionais

Essa parte é onde fica realmente divertido. Você deve ter notado os anéis em cada caixa. Eles são projetados para serem desmontados de modo que as caixas possam se tornar junções para a parte elétrica. Vamos usá-los para conectar a unidade de detecção e a unidade de computação, para conectar ao painel solar e também como ventilação para a unidade de detecção para permitir a circulação de ar.

Primeiro faça um furo em cada caixa para conexão entre os dois, como pode ser visto nas fotos. Abrir os buracos pode ser difícil de fazer com perfeição, mas uma borda áspera não importa. Descobri que o melhor método é usar uma chave de fenda para primeiro perfurar o anel dentado em torno de cada orifício e, em seguida, retirá-lo como uma tampa de lata de tinta. O conector do cabo à prova d'água é então usado para conectar as duas caixas.

Em seguida, você precisará fazer outro furo na caixa do computador para o fio do painel solar. Este orifício é então conectado com um de seus ilhós de cabo semi cego. Antes de colocar o anel isolante, faça um orifício para o cabo passar. Ele precisa ser o menor possível para mantê-lo à prova d'água e, em seguida, empurre a extremidade micro usb pelo orifício (essa é a extremidade que se conecta ao PiJuice).

Finalmente, um orifício extra precisa ser feito na unidade de detecção para permitir a entrada e a saída de ar. Decidi ir para o todo diretamente oposto à junção entre as duas caixas. Pode ser necessário adicionar um segundo orifício. Acho que descobriremos depois de algum tempo usando a estação meteorológica.

Etapa 7: Fiação e finalização da estação meteorológica

Certo, quase lá. A etapa final é conectar tudo.

Começando com a unidade de computação. Nesta caixa temos o Raspberry Pi, o PiJuice que se conecta ao Raspberry Pi GPIO e o módulo GSM que se conecta ao breakout GPIO no PiJuice por meio de fios de ligação fêmea para fêmea. Agradável e confortável! neste estágio, eu provavelmente aconselharia colocar algum tipo de selador em torno do ponto de entrada do cabo USB para o painel solar. Algum tipo de resina ou supercola provavelmente funcionaria.

Em seguida, passe para a unidade de detecção. Na foto, de cima para baixo, os fios estão; cinza, branco, roxo e azul são as linhas de dados SPI, preto é aterrado, laranja é 3,3 V, vermelho é 5 V e verde é GPIO 4. Você precisará encontrar fios de jumper para conectar a eles e, em seguida, alimentá-los através do cabo à prova d'água conector como visto nas fotos. Então, cada fio pode ser conectado ao GPIO correspondente e o conector pode ser apertado. Nesta fase, é fácil ver como o design pode ser melhorado; o LDR não será exposto a uma grande quantidade de luz (embora ainda possa ser útil para saber os valores relativos, e abrir um orifício extra pode ajudar), acho que seria melhor usar o mesmo tamanho da unidade de computação caixa para a unidade de detecção também, então seria mais fácil encaixar a placa de circuito na caixa e haveria espaço para brincar com diferentes arranjos.

Já coloquei no jardim, como podem ver nas fotos. Espero que nos próximos dias também consiga postar alguns resultados! E como eu disse antes, se você tiver alguma ideia para alguns projetos legais, me avise!