Estação meteorológica ESP32 Weathercloud: 16 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

No ano passado, publiquei meu maior Instructable até agora, chamado Arduino Weathercloud Weather Station. Foi muito popular, eu diria. Foi apresentado na página inicial do Instructables, no blog do Arduino, no museu Wiznet, no Instagram do Instructables, no Instagram do Arduino e também no Twitter do Weathercloud. Foi até um dos 100 melhores Instructables de 2018! E isso foi muito importante para um pequeno fabricante como eu. Fiquei satisfeito em ver tantas reações positivas e li cuidadosamente cada comentário e dica. Há cerca de 8 meses venho trabalhando nesta estação nova e refinada. Consertei e melhorei várias coisas. Tentei torná-lo menor, mais simples, mais inteligente, mais legal e deixar o custo aceitável de 150 € (165 $). A estação está montada em uma fazenda robótica perto de Senec, Eslováquia. Aqui estão os dados atuais.

Vou tentar explicar todo o meu processo de pensamento aqui, então se você quiser apenas acertar na construção, pule para a etapa 3.

Recursos:

• medição de 12 valores meteorológicos
• uso de 8 sensores distintos
• IoT - os dados são públicos na nuvem
• Operação 5V 500mA
• comunicação via Wi-Fi
• completamente à prova de intempéries
• parece legal
• é faça você mesmo

Muito obrigado ao criador do Lab Cafe por fornecer espaço e apoio durante a construção desta estação. Vá verificá-los!

Crédito da foto: ME (é claro) + Viktor Demčák

ATUALIZAÇÃO 2020-07-18: Olá a todos! Já faz muito tempo. Muitos de vocês escreveram para mim sobre vários problemas com hardware e software. O novo hardware estará pronto em apenas algumas semanas, mas até lá estou lançando um novo firmware. Este software ajudará a eliminar alguns dos problemas. Vá para a etapa 12 para saber mais. E o mais importante, divirta-se!

Etapa 1: Design

Projetar uma estação meteorológica é um processo longo e cuidadoso. Você tem muitas opções para escolher. Estas são as principais coisas que você deve pensar ao projetar uma estação meteorológica (ou pelo menos eu fiz isso):

1) ORÇAMENTO. Isso é bastante autoexplicativo.

2) LOCALIZAÇÃO. Isso é muito importante, pois afeta a instalação, bem como a tecnologia de comunicação e a fonte de alimentação necessária. As estações meteorológicas remotas precisam de transmissores de longo alcance e uma fonte de energia autossustentável, como um painel solar.

3) VARIÁVEIS MEDIDAS. Você quer apenas medir a temperatura ou a umidade? Então você pode colocar a sonda em quase qualquer lugar. Mas se você quiser medir a chuva, o vento, a radiação solar, o índice de UV ou outras coisas relacionadas ao sol ou à precipitação, os sensores não podem estar na sombra e não podem ser bloqueados nem de cima nem dos lados.

4) PRECISÃO. Você quer que suas medições sejam calibradas com precisão e comparáveis ao instituto meteorológico nacional ou são valores amadores o suficiente para você?

Portanto, agora você deve ter uma boa imagem do que deseja. Então, vamos para a prancheta! Aqui estão algumas regras básicas em que pensei:

1) PROTEJA O SENSOR DE TEMPERATURA. Você absolutamente precisa fazer isso. O calor pode viajar de tantas maneiras que pode irradiar e conduzir através da estrutura da própria estação. Portanto, tente revestir todas as partes de metal e coloque o sensor de temperatura em um escudo de radiação. Eu sei, minha estação de radiação não é perfeita, mas ajuda.

2) ALIMENTE O SENSOR DE VENTO. Os sensores de vento devem ser colocados a 10 metros de altura pelos padrões internacionais. Eu nem tenho dinheiro para comprar um pilar de 10m, então um cano de 2m acima de um telhado é o suficiente para mim.

3) ÁREA CLARA AO REDOR E ACIMA DA ESTAÇÃO. Se você deseja medir a luz do sol, não pode colocar o sensor na sombra. Se você deseja medir a precipitação, não pode haver algo bloqueando as gotas. Portanto, certifique-se de que a área ao redor e acima da estação esteja limpa.

Vamos continuar. Então, para minha estação, decidi medir essas variáveis: temperatura do ar, temperatura do solo, umidade relativa, pressão atmosférica, índice de calor, ponto de orvalho, sensação térmica, precipitação, radiação solar, índice UV, velocidade e direção do vento. São 8 sensores no total, dos quais existem 3 pequenos módulos montáveis em PCB e 5 sondas externas. Vou precisar de 2 microcontroladores separados, um para lidar apenas com as medições de chuva e o segundo para todo o resto.

Decidi colocar tudo o que posso em um único PCB. Coloquei a placa de circuito impresso dentro de uma caixa IP65 com tampa transparente, para que a luz solar possa passar para os sensores de radiação solar e de índice de UV. Todos os outros sensores serão conectados à caixa de controle principal com um cabo. Então é isso para o meu projeto.

Etapa 2: Weathercloud

"ESP32 Weathercloud Weather Station" O que é Weatherclud? Weathercloud é uma grande rede de estações meteorológicas que relatam dados em tempo real de todo o mundo. É gratuito e tem mais de 10.000 estações meteorológicas conectadas a ele. Em primeiro lugar, eu tinha meu próprio site em HTML para onde todos os dados eram enviados, mas fazer seu próprio site e gráficos é difícil e é muito mais fácil apenas enviar todos os dados para uma grande plataforma em nuvem que tem bons gráficos e servidores estáveis. Pesquisei como enviar dados para o weathercloud e descobri que você pode fazer isso facilmente com uma simples chamada GET. O único problema com o Weathercloud é que, com uma conta gratuita, ele permite que você envie dados apenas a cada dez minutos, mas isso não deve ser um problema para a maioria dos usos. Você precisará criar uma conta Weathercloud para fazê-lo funcionar. Em seguida, você precisará criar um perfil de estação em seu site. Ao criar seu perfil de estação meteorológica no Weathercloud, você recebe um ID do Weathercloud e uma CHAVE do Weathercloud. Guarde-os porque o Arduino precisará deles para saber para onde enviar os dados.

Etapa 3: Lista de peças

OK, então, para este projeto, você precisará de todas as coisas que estão perfeitamente listadas no meu Google Docs BOM aqui.

CUSTO ESTIMADO DO PROJETO: 150 € / 165 $

Etapa 4: Ferramentas

Essas ferramentas podem ser úteis (embora a maioria delas seja absolutamente necessária):

Cortador a laser

Soldador

Serra de aço

Descascador de fios

Furadeira

Furadeira de bateria

Ferro de solda

Alicate

Chaves de fenda

Pistola de cola

Multímetro

Broca de árvore

Etapa 5: Design da placa de controle

Eu optei por uma arquitetura muito centralizada. Isso significa que tudo o que pode ser não está apenas em uma caixa, mas em uma placa de circuito. Recentemente, aprendi como projetar PCBs, uma habilidade muito valiosa e útil. Todos os projetos são muito mais organizados e precisos e até mesmo elegantes de certa forma. Também é muito conveniente: você apenas envia seus arquivos para a China e eles fazem todo o trabalho de cabeamento e enviam a placa completa para você. Então você apenas solda os componentes no lugar e pronto.

O PCB contém os dois microcontroladores nesta estação: ESP32 (a unidade de controle principal) e Arduino NANO (o processador de chuva). Ele também contém alguns dos sensores que incluem: BME280, BHT1750 e o ML8511. Depois, há o módulo RTC DS3231. Por último, mas não menos importante, existem alguns resistores e conectores de parafuso.

Eu projetei minha placa no Autodesk Eagle. Basta fazer o download do arquivo Gerber incluído chamado "ESP32 weather station.zip" e carregá-lo no JLC PCB. Ou, se quiser editá-lo, baixe os arquivos "ESP32 weather station schematic.sch" e "ESP32 weather station board.brd" e edite-os no Eagle. Eu recomendo fortemente matricular a classe de design de placa de circuito do Instructables primeiro.

Etapa 6: Solda

Ok pessoal, todos vocês provavelmente já fizeram isso antes. Esta linda prancha que eu desenhei tem lindas pegadas em serigrafia impressas nela. Quando você tem isso, a soldagem deve ser um pedaço de bolo, porque você vê exatamente para onde vai o quê. Existem apenas componentes THT com espaçamento padrão de 0,1 . Então, vá em frente e solde a placa porque você é inteligente e pode fazer isso sozinho! Não deve levar mais de meia hora.

ATUALIZAÇÃO 2020-07-18: O módulo RTC não é mais necessário. Não há necessidade de montá-lo na placa. Você pode aprender mais na etapa 12.

Etapa 7: fazendo o escudo de radiação

Quando estava construindo isso, disse a mim mesmo: "Tudo bem, você já fez isso duas vezes, não há chance de bagunçar agora." E eu não fiz.

Um escudo de radiação solar é algo muito comum usado em estações meteorológicas para bloquear a radiação solar direta e, portanto, reduzir erros na temperatura medida. Ele também atua como um suporte para o sensor de temperatura. Os escudos de radiação são muito úteis, mas geralmente são feitos de aço e são caros, então decidi construir um escudo próprio. Fiz um Instructable que mostra como fazer um escudo de radiação como este.

Etapa 8: Caixa de Controle

A parte principal desta estação é obviamente a caixa de controle. Ele contém os microcontroladores primários e secundários, alguns dos sensores, o RTC e alguns componentes passivos. Tudo isso em um pacote IP65 conveniente. A caixa tem uma tampa translúcida para que a luz solar possa passar para os sensores de radiação solar e ultravioleta.

Antes de podermos montar o PCB, precisamos preparar a caixa para os cabos. Há cinco cabos de alimentação e dados indo para a caixa. Para manter as propriedades à prova d'água da estação, precisaremos de prensa-cabos à prova d'água. Especificamente, um PG7 para o cabo de alimentação, o segundo PG7 para os sensores de vento e chuva e o terceiro PG11 para ambos os sensores de temperatura. Coloquei a glândula maior (PG11) no centro de uma parede da caixa e as duas menores (PG7) na parede oposta. Portanto, o processo de alteração da caixa é o seguinte:

1) Marque o centro de cada furo com um marcador.

2) Faça um pequeno orifício com uma broca fina.

3) Aumente lentamente o tamanho do buraco com uma broca para árvore.

4) Limpe os orifícios.

5) Insira e prenda um prensa-cabo em cada um dos orifícios.

Etapa 9: Montagem de PCB

Como tenho apenas a versão de teste do aluno do Autodesk Eagle, não posso projetar PCBs maiores que 8 cm. Tudo se encaixa nesta placa, então está tudo bem. O único problema é com a caixa de controle. Os orifícios de montagem da placa incluídos na caixa estão separados por 14 cm. Isso significa que vamos precisar de um suporte para o PCB. Pode ser uma placa (madeira / plástico / metal) na qual iremos montar o PCB. Em seguida, colocaremos a placa do suporte na caixa de controle. Dessa forma, o PCB será preso à caixa de controle.

Você pode fazer o suporte da maneira que quiser. Você pode fazê-lo manualmente a partir de uma placa de madeira ou aço, pode cortá-lo a laser (como eu) ou até mesmo imprimi-lo em 3D. Estou incluindo as dimensões do tabuleiro, então a escolha é sua. Se você tiver acesso a um cortador a laser, o corte a laser é a opção mais simples. Você pode encontrar os arquivos do cortador a laser aqui nos formatos.pdf e.svg.

Como você pode ver, passei por várias variações do titular. Por fim, optei pelo acrílico, porque não é afetado pela umidade (como a madeira) e não atrai calor (como o aço).

Etapa 10: Montagem + Fiação

Vai ser muito fácil de fazer, mas muito difícil de explicar porque há muitos pequenos passos. Vamos direto ao ponto:

1) Insira todos os cabos em seus orifícios designados. Não prenda os prensa-cabos ainda.

2) Conecte todos os fios dos sensores de vento, sensor de chuva e do cabo de alimentação de acordo com o diagrama de fiação incluído. Não conecte cabos dos sensores de temperatura ainda.

3) Se montado, remova o suporte PCB. Em seguida, vire o PCB para que os cabos passem por sua parte inferior. Prenda a montagem da PCB de forma que os cabos fiquem presos em um sanduíche entre a PCB e a montagem.

4) Insira e aparafuse a montagem do PCB com o PCB.

5) Prenda os dois prensa-cabos menores (PG7). Não prenda o maior ainda.

6) Insira e conecte os cabos dos sensores de temperatura de acordo com o diagrama de fiação incluído.

7) Coloque a tampa superior e aparafuse-a.

Etapa 11: seja feliz

Esta etapa é uma espécie de ponto de verificação. Neste ponto, você deve ter feito algo parecido com o que você vê na foto. Se isso estiver correto, seja feliz. Vá em frente, faça um lanche e descanse porque este não é apenas um pequeno passo para um homem, mas um salto gigantesco para a humanidade. Caso contrário, examine as etapas anteriores e localize o problema. Se isso não ajudar, comente ou me mande uma mensagem.

Assim, quando estiver saudável e em forma novamente, você pode avançar para a parte de codificação e depuração.

Etapa 12: codificação e depuração

Yaaaaay, todo mundo adora codificação! E mesmo se você não fizer isso, não importa porque você pode simplesmente baixar e usar meu código.

Em primeiro lugar, você precisa adicionar o módulo dev ESP32 ao seu gerenciador de placas. Para fazer isso, você precisará baixar um pacote JSON e instalá-lo através do gerenciador de placas. Veja este tutorial por Random Nerd Tutorials.

Agora você precisa baixar todas as bibliotecas essenciais. Criei o arquivo ZIP "Libraries.zip" para você para torná-lo mais simples. Não importe o arquivo para o Arduino IDE como uma biblioteca clássica. Em vez disso, extraia o arquivo e mova todos os arquivos para Documentos / Arduino / bibliotecas. Agora você pode baixar todos os meus quatro programas: "Wi-Fi_Weathercloud_API_test.ino", "System_test.ino", "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino".

Abra "Wi-Fi_Weathercloud_API_test.ino". Você precisará alterar algumas coisas. Em primeiro lugar, terá de substituir "SSID" e "KEY" pelo SSID (nome) e palavra-passe da sua rede Wi-Fi. Em segundo lugar, você precisará substituir "WID" e "KEY" pelo seu ID do Weathercloud e a CHAVE que você deve ter na Etapa 2. Você também precisará fazer o mesmo com "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino". Vá em frente e carregue o código para o ESP32. Você deve ver os dados predefinidos chegando no site do Weathercloud. Se estiver correto, continue.

Carregue o "System_test.ino" no ESP32 e o "I2C_rainfall_sender" no Arduino NANO. Abra o console serial do ESP32 em 115200 baud. Agora você deve ver os dados do sensor chegando a cada 15 segundos na tela. Brinque com os sensores. Acenda uma luz no sensor de radiação solar, sopre no sensor de velocidade do vento, aqueça a sonda de temperatura… Assim você pode testar se tudo funciona. Se você concluir que tudo está como deveria ser, continue.

Carregue o "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino" para o ESP32. Se você fez tudo corretamente, deverá ver os dados reais da estação chegando na página Weathercloud a cada 10 minutos. Se funcionar, significa que sua estação está totalmente operacional e a única coisa que resta a fazer é instalá-la em um local agradável.

ATUALIZAÇÃO 2020-07-18: Todos os programas secundários / de teste permanecem os mesmos. Mas o programa principal da estação meteorológica foi atualizado. A estrutura do código é muito mais clara do que antes. Você pode definir todos os parâmetros necessários no início do código. O ESP32 agora está obtendo o tempo de um servidor NTP, então o módulo RTC não é mais necessário. Por último, mas não menos importante, o ESP32 agora está executando um procedimento de sono profundo quando não está medindo e enviando dados. Isso reduzirá o consumo de energia e também ajudará a prolongar a vida útil da estação meteorológica. Para usar o novo código, basta baixar o código "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino" atualizado e o arquivo ZIP atualizado com as bibliotecas (o Instructables não aceita, então aqui está um link do Google Drive). Aproveitar!

Etapa 13: montagem da estação

Portanto, depois de confirmar que sua estação está funcionando, você precisa projetar e fazer uma montagem para ela. Terá de ser forte, durável, compacto e por último, mas não menos importante, terá de ser bonito. Dê este passo mais como uma recomendação ou inspiração do que como instruções precisas. Não sei como fica onde você vai montá-lo. Você tem que ser um pouco mais criativo. Mas se você tiver um telhado plano com um tubo de metal de 5 cm de diâmetro para fora, vá em frente e faça como eu. Esta estação possui duas caixas. Então decidi colocar os dois lado a lado em um painel de metal. Deve ser montado sobre um tubo metálico com 5cm de diâmetro. Então coloquei um cano com 5cm de diâmetro interno na parte inferior do painel. Ambos os sensores de vento devem estar distantes do resto da estação. Portanto, coloque dois tubos de 40 cm de cada lado da estação e dois tubos de 10 cm de comprimento em cada um. O escudo de radiação deve ser montado abaixo do painel para fornecer sombra extra. Para isso, coloquei um suporte em L de 7 por 15 cm no tubo grosso de metal.

Aqui estão todas as peças de metal necessárias, uma a uma [dimensões em mm]:

1x tubo, diâmetro interno 50, comprimento 300

1x painel, 250 por 300, espessura 3

1x suporte L, 75 e 150 braços

2x tubo, diâmetro externo 12, comprimento 400

2x tubo, diâmetro interno 17, comprimento 100

Quando você tiver todas essas peças de metal, poderá soldá-las no lugar de acordo com o modelo 3D que forneci. Em seguida, você precisará fazer todos os furos para as caixas e para o escudo de radiação. Depois é só pintar com tinta para metal. Eu recomendo ir com o branco, porque ele absorve menos calor de todas as cores. É isso que vocês têm um suporte de estação no qual você pode montar sua estação!

Etapa 14: Instalação

Pegue sua estação meteorológica, sua montagem e todas as suas ferramentas porque você precisará de todas elas. Entre em um carro (ou ônibus, não me importa) e vá para a futura localização de sua estação. Finalmente, você pode montar a estação.

Fazer sua estação meteorológica funcionar em sua oficina é uma coisa, mas fazê-la funcionar em condições adversas do mundo real é outra. O procedimento de instalação depende muito do prédio em que você está montando sua estação. Mas se você tiver o suporte da etapa anterior e uma furadeira potente, não terá problemas. Você só precisa colar o tubo grosso da montagem no tubo um pouco mais fino no telhado. Em seguida, basta perfurar ambos os tubos e fixá-los com um parafuso longo. Monte todas as caixas e sensores. É isso. Sua estação foi instalada com sucesso.

Fizemos isso em um dia chuvoso. Foi muito difícil, mas não tínhamos outra opção por causa do prazo final do concurso.

Etapa 15: alimentação, configuração de uplink e depuração

Sua estação está fisicamente instalada, mas ainda não está online. Vamos fazer isso agora. Você tem que fornecer energia à estação de alguma forma. Você tem que ser um pouco criativo aqui. Você pode colocar um adaptador dentro de casa e puxar um cabo pela janela. Você pode enterrar o cabo no subsolo. Você pode alimentá-lo por meio de um painel solar. Tudo o que importa é que haja 5 V 500 mA nos pinos do cabo de alimentação que sai da caixa de controle. Lembre-se, tudo tem que ser à prova de intempéries! Quando sua estação estiver ligada, você pode passar para a configuração do uplink e depuração.

A configuração do uplink consiste basicamente em fazer o ESP32 se conectar à sua rede Wi-Fi. Se for por conta da sua casa, deve ficar bem. Se estiver em uma garagem ou mais distante, pode ser necessário um extensor de Wi-Fi ou até mesmo uma rede Wi-Fi personalizada. Em seguida, vem a fase de depuração. Você pode simplesmente fazer o upload do código final e esperar o melhor, mas eu realmente recomendo testar cada um dos sensores um por um apenas para ter certeza de que tudo está funcionando corretamente. Basicamente a mesma coisa que na etapa 12. Se tudo funcionar como deveria, você pode apertar o botão UPLOAD para desconectar o cabo USB e fechar a caixa de controle.

Etapa 16: Viva felizes para sempre

Caramba, isso foi tããão pessoal de última hora. Notei o concurso de Sensores apenas 10 dias antes de terminar. Naquela mesma noite, precisei fazer cerca de 10 telefonemas para organizar tudo o que era necessário para finalizar a estação. Ainda não foi concluído. No dia em que deveríamos instalar a estação, veio uma tempestade gigante atrapalhando nossos planos. Eu precisava finalizar todo o texto antes que a estação fosse concluída. A estação foi finalmente instalada apenas hoje, no mesmo dia em que publiquei este Instructable.

Certamente há muitas coisas que poderiam ter sido melhoradas aqui, mas há muitas coisas úteis que você pode aprender aqui e usá-las ao construir sua própria estação. Se você executou todas as etapas corretamente, agora você tem uma estação meteorológica ESP32 em nuvem totalmente operacional. E isso é algo! Todo o trabalho árduo valeu a pena (espero que sim). Você pode ver os dados da minha estação aqui. Se você tiver alguma dúvida ou sugestão, ficaria feliz em ouvi-las na seção de comentários abaixo.

Sim, e também se você gostou deste projeto eu agradeceria muito se você votasse em mim no concurso Sensors. Muito obrigado e divirta-se !!!

Primeiro Prêmio no Concurso de Sensores