Создание метеостанции на ардуино с локальным сервером. Беспроводная метеостанция

Метеостанция своими руками.

Дело было вечером, делать было нечего после нового года. Как обычно, во время зимних новогодних каникул хочется занять голову да и руки тоже чем-нибудь полезным, творческим. В эти новогодние каникулы решил сделать метеостанцию своими руками. Готовиться начал заранее, все компоненты закупал и собирал перед новым годом, а основное программирование делал на каникулах.

(под катом много фотографий!)

Сначала пробегусь по компонентам, ссылки давать не буду, так как на eBay (в личном кабинете) товары ушли в архив. Многие компоненты покупал неспеша на аукционе eBay. Впервые опробовал аукцион, раньше всегда покупал «buy it now». Что могу сказать, если не спешить с покупками, то некоторые компоненты можно купить дешевле (разница иногда бывает в два раза).

Датчик давления ВМР085
Это основной датчик. Когда я увидел его на eBay, то понял, что хочу собрать именно домашнюю метеостанцию.
Прилетел датчик в обычном конверте, внутри обклеенном пупыркой.

Внутри конверта была визитка продавца и датчик, запакованный в антистатический пакет и завёрнутый в ещё один слой пупырки

Антистатический пакет был запаян, дабы влага во время перелёта не грозила датчику

Достаём датчик. С одной стороны припаяна линейка контактов, которые были вставлены в пенопласт, чтобы не погнулись. С другой стороны располагается сам датчик и маркировка контактов.

Все бы хорошо, но маркировка контактов нанесена в зеркальном виде.
Подключается датчик по шине I2C и питается от 3,3 В. То есть для нормального функционирования нужно 4 провода (+, -, SDA, SCL)
Опрашивать датчик можно 2 способами: или через библиотеку, или используя функции прямо скетче.
Пример программы:

#include
#define BMP085_ADDRESS 0x77 // I2C address of BMP085
Const unsigned char OSS = 0; // Oversampling Setting
// Calibration values
int ac1;
int ac2;
int ac3;
unsigned int ac4;
unsigned int ac5;
unsigned int ac6;
int b1;
int b2;
int mb;
int mc;
int md;
Short temperature;
long pressure;
Void setup()
{
Serial.begin(9600);
Wire.begin();
bmp085Calibration();
}
Void loop()
{
temperature = bmp085GetTemperature(bmp085ReadUT());
pressure = bmp085GetPressure(bmp085ReadUP());
Serial.print(«Temperature: „);
Serial.print(temperature/10.0, DEC);
Serial.println(“ C»);
Serial.print(«Pressure: „);
Serial.print(pressure/133.322, DEC);
Serial.println(“ mm Hg»);
Serial.println();
delay(1000);
}
Void bmp085Calibration()
{
ac1 = bmp085ReadInt(0xAA);
ac2 = bmp085ReadInt(0xAC);
ac3 = bmp085ReadInt(0xAE);
ac4 = bmp085ReadInt(0xB0);
ac5 = bmp085ReadInt(0xB2);
ac6 = bmp085ReadInt(0xB4);
b1 = bmp085ReadInt(0xB6);
b2 = bmp085ReadInt(0xB8);
mb = bmp085ReadInt(0xBA);
mc = bmp085ReadInt(0xBC);
md = bmp085ReadInt(0xBE);
}
Short bmp085GetTemperature(unsigned int ut)
{
long x1, x2;
x1 = (((long)ut - (long)ac6)*(long)ac5) >> 15;
x2 = ((long)mc << 11)/(x1 + md);
b5 = x1 + x2;
Return ((b5 + 8)>>4);
}
Long bmp085GetPressure(unsigned long up)
{
long x1, x2, x3, b3, b6, p;
unsigned long b4, b7;
b6 = b5 - 4000;
// Calculate B3
x1 = (b2 * (b6 * b6)>>12)>>11;
x2 = (ac2 * b6)>>11;
x3 = x1 + x2;
b3 = (((((long)ac1)*4 + x3)<>2;
// Calculate B4
x1 = (ac3 * b6)>>13;
x2 = (b1 * ((b6 * b6)>>12))>>16;
x3 = ((x1 + x2) + 2)>>2;
b4 = (ac4 * (unsigned long)(x3 + 32768))>>15;
b7 = ((unsigned long)(up - b3) * (50000>>OSS));
if (b7 < 0x80000000)
p = (b7<<1)/b4;
else
p = (b7/b4)<<1;
x1 = (p>>8) * (p>>8);
x1 = (x1 * 3038)>>16;
x2 = (-7357 * p)>>16;
p += (x1 + x2 + 3791)>>4;
return p;
}
// Read 1 byte from the BMP085 at "address"
char bmp085Read(unsigned char address)
{
unsigned char data;

Wire.write(address);
Wire.endTransmission();
Wire.requestFrom(BMP085_ADDRESS, 1);
while(!Wire.available())
;
return Wire.read();
}
Int bmp085ReadInt(unsigned char address)
{
unsigned char msb, lsb;
Wire.beginTransmission(BMP085_ADDRESS);
Wire.write(address);
Wire.endTransmission();
Wire.requestFrom(BMP085_ADDRESS, 2);
while(Wire.available()<2)
;
msb = Wire.read();
lsb = Wire.read();
return (int) msb<<8 | lsb;
}
// Read the uncompensated temperature value
unsigned int bmp085ReadUT()
{
unsigned int ut;
// Write 0x2E into Register 0xF4
// This requests a temperature reading
Wire.beginTransmission(BMP085_ADDRESS);
Wire.write(0xF4);
Wire.write(0x2E);
Wire.endTransmission();
// Wait at least 4.5ms
delay(5);
// Read two bytes from registers 0xF6 and 0xF7
ut = bmp085ReadInt(0xF6);
return ut;
}
// Read the uncompensated pressure value
unsigned long bmp085ReadUP()
{
unsigned char msb, lsb, xlsb;
unsigned long up = 0;
// Write 0x34+(OSS<<6) into register 0xF4
// Request a pressure reading w/ oversampling setting
Wire.beginTransmission(BMP085_ADDRESS);
Wire.write(0xF4);
Wire.write(0x34 + (OSS<<6));
Wire.endTransmission();
// Wait for conversion, delay time dependent on OSS
delay(2 + (3< // Read register 0xF6 (MSB), 0xF7 (LSB), and 0xF8 (XLSB)
Wire.beginTransmission(BMP085_ADDRESS);
Wire.write(0xF6);
Wire.endTransmission();
Wire.requestFrom(BMP085_ADDRESS, 3);
// Wait for data to become available
while(Wire.available() < 3)
;
msb = Wire.read();
lsb = Wire.read();
xlsb = Wire.read();
up = (((unsigned long) msb << 16) | ((unsigned long) lsb << 8) | (unsigned long) xlsb) >> (8-OSS);
return up;
}

Помимо этого в датчике есть собственный термо-сенсор для компенсации давления и альтиметр

Arduino Nano v3.0
Это сердце всей метеостанции. По простому говоря, контроллер в миниатюрном размере.
Покупал
Рассказывать подробно про контроллер не буду, так как до меня уже это сделали:

Посылка с lightake была сборная, контроллер пришел в пакете, где был USB-кабель и Arduino в запаянном антистатическом пакете.

Чтобы оценить размеры, рядом с Arduino положил монетку номиналом 1 руб.

Плата контроллера вблизи

USB-кабель хороший, с ферритовым кольцом. Питается Arduino по USB кабелю. Среду разработки можно скачать (страница для скачивания ). Язык «С»-подобный, с освоением проблем не было, так как на нем очень много программирую на работе.

LCD экран
На работе в закромах нашёл совместимый LCD 1602 экран. С подключением пришлось повозиться, так как даташита на него не нашёл. В результате LCD заработал.

Но после недолгой эксплуатации заметил, что мне этого экрана мало и вывести больше данных не получится, так как он имеет всего 2 строки по 16 символов в каждой. Поначалу кажется, что этих параметров хватит, но когда начинаешь программировать, то понимаешь, что максимум можно впихнуть 3-4 параметра. А если делать меню (я ведь подумывал сделать меню на этом экране), то свободного места остаётся на 1-2 параметра.
В итоге начал подыскивать себе другой экран. Сначала присматривался к графическому экрану от Nokia 3310 и даже в аукционе eBay участвовал, чтобы его купить, но не сложилось (чему я очень рад), поэтому мне пришлось отказаться от этого экрана. Сейчас я понимаю, что он был бы слишком мал для моих целей, так как есть с чем сравнивать.
Случайно просматривая шилды на Arduino, я наткнулся на графический экран 12864 на контроллере ST7920. У этого экрана и размер подходящий, и хорошее разрешение для моих нужд (128х64). То есть можно спокойно разместить 6-7 строк по 20 символов нормально читающегося шрифта. Так как экран графический, то помимо текста разными шрифтами можно разместить и графику. Короче, это именно то, что мне нужно было, все присутствовало в этом экране, поэтому я не выдержал и заказал.
Посылка пришла быстро и была упаковано стандартно: конверт-пупырка, внутри ещё слой пупырки и экран в антистатическом пакете:

Чтобы оценить размеры, рядом с LCD положил монетку номиналом 1 руб.

Чтобы быстро подключить экран к Arduino, к контактам LCD припаял линейку контактов. Подключать LCD можно по последовательной шине и по параллельной. Я выбрал первый вариант, так как свободных контактов Arduino и так мало.
Подключение (взято из сети):

- Контакт 1 (GND) подключается к общей шине
- Контакт 2 (VCC) подключается к шине питания +5V, причём потребляемый ток сравнительно небольшой и дисплей можно питать от встроенного стабилизатора Arduino.
- Контакты 4, 5 и 6 подключаются к цифровым выходам Arduino, образуя последовательный интерфейс SPI:
контакт 4 – (RS) – соответствует линии CS (например 7)
контакт 5 – (RW) – соответствует линии MOSI (например 8)
контакт 6 – (E) – соответствует линии SCK (например 3)
номера контактов Arduino могут быть любыми, главное не забыть потом правильно указать их в тексте программы при инициализации дисплея.
- Контакт 15 (PSB) соединяется с общей шиной.
- Контакты 19 (A) и 20 (K) – это питание подсветки (+5V и GND соответственно). Для регулировки яркости подсветки можно использовать переменный резистор 10кОм, включённый между шинами питания и GND. Напряжение с его движка подаётся на контакт 19 дисплея.

По этой инструкции я подключил все, кроме подсветки. В качестве питания подсветки я использовал ШИМ Arduino.
Для того, чтобы программно подключить LCD к Arduino, используется библиотека u8glib. Скачать можно . Если есть проблемы скачивания, то могу библиотеку залить на narod.ru.
Сама библиотека не сложная и позволяет выводить текст разным шрифтом, рисовать линию, рисовать простейшие геометрические фигуры (прямоугольник, круг), выводить на экран свои изображения, подготовленные специальным образом. В принципе, этого инструмента достаточно для большинства задач.
Вот результат простенькой программы:

Сама программа:

#include «U8glib.h»
U8GLIB_ST7920_128X64 u8g(3, 9, 8, U8G_PIN_NONE); // SPI E = 3, RW = 9, RS = 8
// Подпрограмма определения свободной памяти
int freeRam () {
extern int __heap_start, *__brkval;
int v;
return (int) &v - (__brkval == 0? (int) &__heap_start: (int) __brkval);
}
Void setup(void) {
u8g.setFont(u8g_font_6x10); // шрифт
u8g.setRot180(); //Перевернул экран
analogWrite(6, 115); // Устанавливаем яркость экрана (анод подсветки на 6 pin)
}
Void loop(void) {
u8g.firstPage();
do {

u8g.setPrintPos(1, 12); // позиция
u8g.print(«Hello!!!»); // вывод текста
u8g.drawBox(0,22,128,9); // Закрашиваем прямоугольник белым
u8g.setColorIndex(0); // белые чернила, черный фон
u8g.setPrintPos(1, 30); // позиция
u8g.print(«Word...»); // вывод текста
U8g.setColorIndex(1); // белые чернила, черный фон
u8g.setPrintPos(1, 50); // позиция
u8g.print(«After start =»); // вывод текста
u8g.setPrintPos(85, 50); // позиция
u8g.print(millis() / 1000); // вывод число секунд после старта
u8g.setPrintPos(1, 64); // позиция
u8g.print(freeRam ()); // вывод сколько памяти занято
} while(u8g.nextPage());
Delay(200);
}

Часы реального времени DS1307
Ещё один компонент для моей метеостанции. На данном шилде реализованы часы реального времени. Заказывал их на аукционе eBay. Продавец прислал платку часов в нереально большой коробке

Внутри коробки было два листка А4 с рекламой и платка часов, обмотанная целлофаном

Хочу заметить, что плата не превышает размером 2 руб. монету, а коробка была размером 13х15х5 см.
Плата была упакована в антистатический пакет

Платка вблизи

С данным модулем мне пришлось повозиться. Во-первых, были трудности подключения. А во-вторых, кварц на данной плате никакой. Если бы знал, что на модуль потрачу столько времени, то, скорее всего, собрал бы его сам, благо в сети полно схем. Самая простейшая схема содержит 4-5 компонентов.
По поводу подключения. Я нашёл библиотеку, в которой было сказано, что интерфейс I2C можно подключать не на привычные аналоговые входы Arduino (А4 и А5), а на любые дискретные. Как написано, так и сделал. Сначала ничего не работало, после долгого танца с бубном часы завелись. Ну, подумал, всё, проблемы закончились, но после того, как я попытался этот же модуль подключить к другой Arduino, пляски с бубном продолжились. Много времени потратил на поиски решения данной проблемы и практически везде указывалось либо на неправильное подключение, либо на отсутствие подтягивающих резисторов на контактах SCL и SDA. Я уже хотел с паяльником в плату лезть, но на одном форуме случайно наткнулся на код, где было сказано, чтобы SCL и SDA подключать к стандартным портам I2C на Arduino. После стандартного подключения, все сразу заработало.
Теперь по поводу кварца. Не знаю, что там за кварц ставят китайцы, но часы с таким кварцем убегали в сутки на 10-11 сек. В месяц данная погрешность составляет 5 минут, а в год 1 час. Нафиг такие часы не нужны. Пришлось снова лезть в сеть и искать, как исправить данный баг. Первое попавшее решение говорит о том, что нужно заземлить кварц. Сделал - результат нулевой. Ещё где-то нашёл, что нужно найти старую материнку и выпаять оттуда часовой кварц. Сделал - результат есть. Теперь часы убегают не на 10-11 секунд, а на 1,5 секунды в сутки. Скажем так, стало лучше, но до идеала далеко. Так как больше с паяльником возится неохота, то было решено подводить часы программно, то есть раз в сутки подводить часы на нужную величину. После 10 суток, часы ушли не более, чем на секунду. Метод хорош, но только тогда, когда устройство синхронизации Arduino подключено к питанию, иначе часы работают от батарейки и все равно убегают.
Небольшая тестовая программа:

#include «Wire.h»
#define DS1307_I2C_ADDRESS 0x68 // SDA A4, SCL A5
Byte decToBcd(byte val)
{
return ((val/10*16) + (val%10));
}
Byte bcdToDec(byte val)
{
return ((val/16*10) + (val%16));
}
Void setDateDs1307(byte second, // 0-59
byte minute, // 0-59
byte hour) // 0-99
{

Wire.write(0);
Wire.write(decToBcd(second));
Wire.write(decToBcd(minute));
Wire.write(decToBcd(hour));
Wire.endTransmission();
}
Void getDateDs1307(byte *second,
byte *minute,
byte *hour)
{
Wire.beginTransmission(DS1307_I2C_ADDRESS);
Wire.write(0);
Wire.endTransmission();
Wire.requestFrom(DS1307_I2C_ADDRESS, 3);
*second = bcdToDec(Wire.read());
*minute = bcdToDec(Wire.read());
*hour = bcdToDec(Wire.read());
}
Void setup()
{
byte second, minute, hour;
Wire.begin();
Serial.begin(9600);
Second = 45;
minute = 5;
hour = 16;
SetDateDs1307(second, minute, hour);
}
Void loop()
{
byte second, minute, hour;
GetDateDs1307(&second, &minute, &hour);
Serial.print(hour, DEC);
Serial.print(":");
Serial.print(minute, DEC);
Serial.print(":");
Serial.println(second, DEC);
Delay(1000);
}

Здесь не использована библиотека, да и функции усечены, для чтения и записи времени.

Датчик температуры и влажности DHT11
Про данный датчик рассказывать нечего. Я бы его даже не стал использовать, если бы не нужна была влажность. К сожалению, я его не сфотографировал, когда получил, поэтому фотографий не будет. Фотографии датчика можно будет посмотреть ниже, где я его подключил к Arduino. Подключение датчика простое (+, цифровой выход, -). Обычно датчики делают четырёх контактные. При таком форм-факторе третий контакт ни к чему не подключают.
Для подключения к Arduino можно использовать библиотеку. Скачать можно .
Небольшая тестовая программа c выводом информации на LCD дисплей 1602:

// include the library code:
#include
#include
// Declare objects
dht11 DHT11;
LiquidCrystal lcd(12, 11, 6, 5, 4, 3);
#define DHT11PIN 7
int i;
Void setup()
{
lcd.begin(16, 2);
lcd.print(«Status: „);
i=0;
}
Void loop()
{
int chk = DHT11.read(DHT11PIN);
lcd.setCursor(8, 0);
switch (chk)
{
case 0: lcd.print(“OK „); break;// lcd.setCursor(11, 0); lcd.print(millis()/2000); break;
case -1: lcd.print(“Checksum error»); mErr(); break;
case -2: lcd.print(«Time out error»); mErr(); break;
default: lcd.print(«Unknown error»); mErr(); break;
}
delay(500);
lcd.setCursor(15, 0);
switch (i)
{
case 0: lcd.print("^"); lcd.setCursor(15, 1); lcd.print(" ");break;
case 1: lcd.print(«v»); lcd.setCursor(15, 1); lcd.print(" ");break;
default: lcd.setCursor(15, 1); lcd.print(«E»); break;
}
i=i+1;
if (i>1) i=0;
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print(«H=»);
lcd.setCursor(2, 1);
lcd.print((float)DHT11.humidity, 0);
lcd.setCursor(4, 1);
lcd.print("%");
lcd.setCursor(8, 1);
lcd.print(«T=»);
lcd.setCursor(10, 1);
lcd.print((float)DHT11.temperature, 0);
lcd.setCursor(12, 1);
lcd.print(«C»);
Void mErr()
{
lcd.setCursor(2, 1);
lcd.print("**");
lcd.setCursor(10, 1);
lcd.print("**");
i=5;
}

Минусы у датчика есть – данные с датчика идут только в целых числах, да и диапазон слабенький.

Вроде, про все компоненты написал. Осталось собрать все в единое целое.
Упс, чуть не забыл! Для того, чтобы все собрать устройство, нужен корпус. Корпус тоже заказывал на Ebay. Продавец оказался из Англии. Посылка дошла быстро, но фотографировать её не стал. Все фотографии корпуса ниже.

Сначала собрал все на столе с помощью специальных проводков. Написал тестовую программу и залил её в контроллер.

На самом деле синий цвет подсветки гораздо ярче. Даже при минимальной яркости (Bright=5) происходит засветка кадра.

Чтобы все собрать без проводов, было решено сделать мини материнскую плату, а платка Arduino и шилды надевались на разъёмы. В случае чего, их с лёгкостью можно быстро извлечь. LCD экран и кнопки для управления я решил также цеплять на разъёмах, только датчик температуры впаять на проводах.
Вот такая вышла платка

На последней фотографии я ещё до конца флюс не смыл. Под шилды рядом с разъёмами приклеил пористую резину, чтобы была хоть какая-то опора. Хотя на самом деле шилды в разъёмах на контактах и так прекрасно держатся.

Материнская плата с установленными шилдами и платой Arduino.

Вот так выглядит полное подключение к материнской плате

Вместо кнопок использовал самодельный шилд, спаянный на макетной плате. В качестве кнопок использовал кнопки из старых мышек.
Как видно, количество проводов убавилось.

Основная проблема размещения в корпус - это ровно выпилить паз под LCD экран. Как я ни старался, все равно идеально не получилось. Щели в некоторых местах были чуть больше 1 мм. Чтобы все смотрелось аккуратно, я взял чёрный герметик для аквариума и залил все щели, заодно экран крепил именно на этот герметик. После высыхания герметика снаружи обрезал излишки. При ярком освещении герметик видно, а при обычном - все сливается с корпусом.
Вот так выглядит корпус изнутри с установленным LCD экраном и материнской платой.

Вот так выглядит снаружи при ярком освещении (прошу прощения за отпечатки пальцев, увидел их, когда разбирал фотографии).

Долго думал, как приладить кнопки в корпус и, самое главное, какие использовать кнопки…
В радиоэлектронных магазинах приглянулись кнопка с длинным шпиньком и наконечники, которые надеваются на этот шпинёк. Эти кнопки используются для пайки на плату. Все бы хорошо, но у них есть минус – ход нажатия очень маленький и громкий.
Размещать кнопки пришлось в два этапа: первый - разместить кнопки на плате, второй - эту плату крепить ещё на одной плате. И все это потом засовывать в корпус на направляющие.

Вот так выглядит платка с кнопками:

Вот так выглядит плата-держатель:

Здесь видны направляющие, в которые вставляется плата с кнопками. Некоторые элементы паял для того, чтобы придать жёсткость плате.

Теперь все засовываем в корпус
Без подключения кнопок:

С подключением кнопок:

Закрываем корпус и включаем. Все прекрасно работает, кнопки отрабатывают, как нужно.

В конце размещаю небольшое видео работы устройства в разных режимах:
http://www.youtube.com/watch?v=KsiVaUWkXNA&feature=youtu.be
У кого видео здесь не отображается, вот ссылка на

Пора заканчивать обзор.
Немного напишу о программе, а потом краткие выводы. Когда писал программу, не думал, что очень быстро упрусь в ограничение в 30720 байт.

Пришлось оптимизировать код. Многие куски кода выносил в подпрограммы. Никогда бы не подумал, что оператор switch… case в компилированном виде занимает больше места, чем несколько if… else. Ещё экономит место правильное объявление переменных. Если объявлять массив long, хотя вполне можно обойтись byte, то перерасход памяти достигает 500 байт в зависимости от размерности массива. Когда пишешь программу, то об этом не думаешь, а уже потом, когда анализируешь программу, то понимаешь, что некоторые вещи сделал неправильно, и начинаешь оптимизировать код. После того, как проблемы с размером программы были решены, я упёрся в ограничение оперативной памяти. Выражалось это в том, что программа начинала виснуть после загрузки. Пришлось вводить подпрограмму подсчёта свободной оперативной памяти. В результате, был вынужден отказаться от одного алгоритма предсказывания погоды, так как он должен выводить пиктограммы на экран. Сам алгоритм работает, а вот вывод пиктограмм пришлось заремировать. У меня есть ещё задумки, как оптимизировать код, но в ближайшем будущем оставляю работать устройство, как есть, чтобы оценить работоспособность и выявить все баги.

Теперь небольшие выводы
Минусы
1) Цена. Оправдание этому минусу – хобби никогда не бывает дешёвым.

Плюсы
1) Большой функционал устройства
2) Наращивание функций ограничивается только используемым контроллером и собственным желанием
3) Эстетическое удовольствие от созерцания и моральное удовльствие от того, что я все-таки собрал и доделал это устройство

Планирую купить +86 Добавить в избранное Обзор понравился +137 +304

Как-то прогуливаясь по городу увидел новый открывшийся магазин радиоэлектроники. Зайдя в него обнаружил большое количество шилдов для Ардуины т.к. у меня дома была Arduino Uno и Arduino Nano сразу пришла мысль поиграться с передатчиками сигнала на расстоянии. Решил купить самый дешевый передатчик и приемник на 433 МГц:

Передатчик сигнала.

Приемник сигнала.

Записав простейший скетч передачи данных (пример взят от сюда), выяснилось, что передающие устройства могут вполне подойти для передачи простейших данных, таких как температура, влажность.

Передатчик имеет следующие характеристики:
1. Модель: MX -FS - 03V
2. Радиус действия (зависит от наличия преграждающих предметов): 20-200 метров
3. Рабочее напряжение: 3.5 -12В
4. Размеры модуля: 19 * 19 мм
5. Модуляция сигнала: AM
6. Мощность передатчика: 10 мВт
7. Частота: 433 МГц
8. Необходимая длина внешней антенны: 25см
9. Простота подключения (всего три провода): DATA ; VCC ; земля.

Характеристики приемного модуля:
1. Рабочее напряжение: DC 5В
2. Ток: 4мA
3. Рабочая частота: 433,92 МГц
4. Чувствительность: - 105дБ
5. Размеры модуля: 30 * 14 * 7 мм
6. Небходима внешняя антенна: 32 см.

В просторах интернета сказано, что дальность передачи информации на 2Кб/сек может доходить до 150м. Сам не проверял, но в двухкомнатной квартире принимает везде.

Аппаратная часть домашней метеостанции

После нескольких экспериментов решил подключить к Arduino Nano датчик температуры, влажности и передатчик.

Датчик температуры DS18D20 подключается к ардуино следующим образом:

1) GND к минусу микроконтроллера.
2) DQ через подтягивающий резистор к земле и к выводу D2 Ардуины
3) Vdd к +5В.

Модуль передатчика MX -FS - 03V питается от 5 Вольт, вывод данных (ADATA) подключен к выводу D13.

К Ардуино Уно подключил LCD дисплей и барометр BMP085.

Схема подключение к ардуино уно

Приемник сигнала подключен к выводу D10.

Модуль BMP085 - цифровой датчик атмосферного давления. Датчик позволяет измерять температуру,давление и высоту над уровнем моря. Интерфейс подключения: I2C. Напряжение питания датчика 1.8-3.6 В

Подключается модуль к Arduino также, как и другие I2C устройства:

VCC - VCC (3,3 В);
GND - GND;
SCL - к аналоговому выводу 5;
SDA - к аналоговому выводу 4.

Очень низкая стоимость
Питание и I/O 3-5 В
Определение влажности 20-80% с 5% точностью
Определение температуры 0-50 град. с 2% точностью
Частота опроса не более 1 Гц (не более раза в 1 сек.)
Размеры 15.5мм x 12мм x 5.5мм
4 вывода с расстоянием между ножками 0.1"

DHT имеет 4 вывода:

Vcc (3-5V питание)
Data out - Вывод данных
Не используется
Общий

Подключается к D8 Ардуины.

Программная часть домашней метеостанции

Передающий модуль измеряет и передает температуру раз в 10 минут.

Ниже привожу программу:

/* Версия скетча 1.0 Отсылаем температуру каждые 10мин. */ #include #include #include #define ONE_WIRE_BUS 2 //Пин подключения датчика Даллас OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS); DallasTemperature sensors(&oneWire); DeviceAddress insideThermometer; void setup(void) { //Serial.begin(9600); vw_set_ptt_inverted(true); // Необходимо для DR3100 vw_setup(2000); // Устанавливаем скорость передачи (бит/с) sensors.begin(); if (!sensors.getAddress(insideThermometer, 0)); printAddress(insideThermometer); sensors.setResolution(insideThermometer, 9); } void printTemperature(DeviceAddress deviceAddress) { float tempC = sensors.getTempC(deviceAddress); //Serial.print("Temp C: "); //Serial.println(tempC); //Формирование данных для для отправки int number = tempC; char symbol = "c"; //Служебный символ определения что это датчик String strMsg = "z "; strMsg += symbol; strMsg += " "; strMsg += number; strMsg += " "; char msg; strMsg.toCharArray(msg, 255); vw_send((uint8_t *)msg, strlen(msg)); vw_wait_tx(); // Ждем пока передача будет окончена delay(200); } void loop(void) { for (int j=0; j <= 6; j++) { sensors.requestTemperatures(); printTemperature(insideThermometer); delay(600000); } } //Определение адреса void printAddress(DeviceAddress deviceAddress) { for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) { if (deviceAddress[i] < 16); //Serial.print("0"); //Serial.print(deviceAddress[i], HEX); } }

Приемное устройство принимает данные, измеряет давление и температуру в помещении и передает на дисплей.

#include #include LiquidCrystal lcd(12, 10, 5, 4, 3, 2); #include dht11 sensor; #define DHT11PIN 8 #include #include BMP085 dps = BMP085(); long Temperature = 0, Pressure = 0, Altitude = 0; void setup() { Serial.begin(9600); vw_set_ptt_inverted(true); // Необходимо для DR3100 vw_setup(2000); // Задаем скорость приема vw_rx_start(); // Начинаем мониторинг эфира lcd.begin(16, 2); Wire.begin(); delay(1000); dps.init(); //lcd.setCursor(14,0); //lcd.write(byte(0)); //lcd.home(); } void loop() { uint8_t buf; // Буфер для сообщения uint8_t buflen = VW_MAX_MESSAGE_LEN; // Длина буфера if (vw_get_message(buf, &buflen)) // Если принято сообщение { // Начинаем разбор int i; // Если сообщение адресовано не нам, выходим if (buf != "z") { return; } char command = buf; // Команда находится на индексе 2 // Числовой параметр начинается с индекса 4 i = 4; int number = 0; // Поскольку передача идет посимвольно, то нужно преобразовать набор символов в число while (buf[i] != " ") { number *= 10; number += buf[i] - "0"; i++; } dps.getPressure(&Pressure); dps.getAltitude(&Altitude); dps.getTemperature(&Temperature); //Serial.print(command); Serial.print(" "); Serial.println(number); lcd.print("T="); lcd.setCursor(2,0); lcd.print(number); lcd.setCursor(5,0); lcd.print("P="); lcd.print(Pressure/133.3); lcd.print("mmH"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("T="); lcd.print(Temperature*0.1); lcd.print(" H="); lcd.print(sensor.humidity); lcd.home(); //delay(2000); int chk = sensor.read(DHT11PIN); switch (chk) { case DHTLIB_OK: //Serial.println("OK"); break; case DHTLIB_ERROR_CHECKSUM: //Serial.println("Checksum error"); break; case DHTLIB_ERROR_TIMEOUT: //Serial.println("Time out error"); break; default: //Serial.println("Unknown error"); break; } } }

P.S. В дальнейшем планирую добавить следующее:
- датчик влажности к передатчику, переработать алгоритм передачи данных
- датчик измерения скорости и направления ветра.
- в приемное устройство добавить другой дисплей.
- приемник и передатчик перевести на отдельный микроконтроллер.

Ниже прилагаю фото того что получилось:

Список радиоэлементов

Тип	Номинал	Количество	Мой блокнот
Передающая часть.
Плата Arduino	Arduino Nano 3.0	1	В блокнот
Датчик температуры	DS18B20	1	В блокнот
Резистор	220 Ом	1	В блокнот
Модуль передатчика	MX-FS-03V (433 МГц)	1	В блокнот
Радиоприемная часть.
Плата Arduino	Arduino Uno	1	В блокнот
Подстроечный резистор		1	В блокнот
Резистор

Загружать прошивку желательно до подключения компонентов, чтобы убедиться в том, что плата рабочая. После сборки можно прошить ещё раз, плата должна спокойно прошиться. В проектах с мощными потребителями в цепи питания платы 5V (адресная светодиодная лента, сервоприводы, моторы и проч.) необходимо подать на схему внешнее питание 5V перед подключением Arduino к компьютеру, потому что USB не обеспечит нужный ток, если например лента его потребует. Это может привести к выгоранию защитного диода на плате Arduino. Гайд по скачиванию и загрузке прошивки можно найти под спойлером на следующей строчке.

Содержимое папок в архиве

libraries – библиотеки проекта. Заменить имеющиеся версии
firmware – прошивки для Arduino
schemes – схемы подключения компонентов

Дополнительно

Как показал эксперимент, снаружи корпуса датчик температуры показывает на 0.5 градуса меньше, чем внутри! Нужно более удачно компоновать электронику, отводить и экранировать тепло от греющихся элементов…
Если дисплей показывает слишком тускло/на белом фоне
На плате драйвера дисплея (к которой подключаются провода) есть крутилка контрастности, с её помощью можно подстроить контраст на нужный. Также контрастность зависит от угла взгляда на дисплей (это же LCD) и можно настроить дисплей на чёткое отображение даже под углом “дисплей на уровне пупка, смотрим сверху”. А ещё контрастность сильно зависит от питания: от 5V дисплей показывает максимально чётко и ярко, тогда как при питании от USB через Arduino напряжение будет около 4.5V (часть падает на защитном диоде по линии USB), и дисплей показывает уже не так ярко. Вывод настраивайте крутилкой при внешнем питании от 5V!
Если датчик CO2 работает некорректно (инфа от Евгения Иванова)
Ну там в папке библиотеки сенсора в examples есть скетчи для калибровки. также ее можно запустить втупую замкнув на землю разъем “HD” на 7+ секунд.
Само собой вот прямо на улице на морозе этим заниматься не обязательно… можно просто в бутылку набрать свежего воздуха с датчиком внутри и запечатать. калибровка проводится минимум 20 минут..
По-умолчанию датчик поставляется с включенной автокалибровкой, которая происходит каждый день, и если датчик используется в невентелируемом помещении, то эта калибровка быстро уводит значения от нормы за горизонт, потому ее нужно обязательно отключать.
Документация .
Автокалибровка датчика CO2 отключена в скетче!
Если у вас не работает датчик BME280 , скорее всего у него отличается адрес. В проекте используется библиотека Adafruit_BME280, у которой нет отдельной функции смены адреса, поэтому адрес задаётся вручную в файле библиотеки Adafruit_BME280.h почти в самом начале файла (лежит в папке Adafruit_BME280 в вашей папке библиотек, вы должны были её туда установить ), у моего модуля был адрес 0x76. Как узнать адрес своего модуля BME280? Есть специальный скетч, называется i2c scanner. Его можно нагуглить, можно . Прошиваете данный скетч, открываете порт и получаете список адресов подключенных к шине i2c устройств. Чтобы остальные модули вам не мешали – можно их отключить и оставить только BME280. Полученный адрес указываем в библиотеке, сохраняем файл и загружаем прошивку метео-часов. Всё!
Если отстают часы , проблема скорее всего в питании схемы. Если при смене блока питания на более качественный проблема не уходит, повесьте конденсатор по питанию RTC модуля (прям на плату на VCC и GND паять): обязательно керамический, 0.1-1 мкФ (маркировка 103 или 104, смотрите таблицу маркировок). Также можно поставить электролит (6.3V, 47-100 мкФ)

Настройки в прошивке

#define RESET_CLOCK 0 // сброс часов на время загрузки прошивки (для модуля с несъёмной батарейкой). Не забудь поставить 0 и прошить ещё раз! #define SENS_TIME 30000 // время обновления показаний сенсоров на экране, миллисекунд #define LED_MODE 0 // тип RGB светодиода: 0 - главный катод, 1 - главный анод #define LED_BRIGHT 255 // яркость светодиода СО2 (0 - 255) #define BLUE_YELLOW 1 // жёлтый цвет вместо синего (1 да, 0 нет) но из за особенностей подключения жёлтый не такой яркий #define DISP_MODE 1 // в правом верхнем углу отображать: 0 - год, 1 - день недели, 2 - секунды #define WEEK_LANG 1 // язык дня недели: 0 - английский, 1 - русский (транслит) #define DEBUG 0 // вывод на дисплей лог инициализации датчиков при запуске #define PRESSURE 1 // 0 - график давления, 1 - график прогноза дождя (вместо давления). Не забудь поправить пределы гроафика // пределы отображения для графиков #define TEMP_MIN 15 #define TEMP_MAX 35 #define HUM_MIN 0 #define HUM_MAX 100 #define PRESS_MIN -100 #define PRESS_MAX 100 #define CO2_MIN 300 #define CO2_MAX 2000

Недавно мой коллега устраивал небольшую научную выставку.
Мой учитель попросил меня представить какой-нибудь проект по электронике студентам в колледже. У меня было два дня, чтобы придумать что-то интересное и достаточно простое.

Так как погодные условия здесь достаточно переменчивы, а температура колеблется в диапазоне 30-40°С, я решил сделать домашнюю метеостанцию.

В чем заключаются функции погодной станции для дома?
Метеостанция на Ардуино с дисплеем – устройство, собирающее данные о погоде и условиях окружающей среды с помощью множества датчиков.

Обычно это следующие датчики:

ветра
влажности
дождя
температуры
давления
высоты

Моя цель – сделать портативную настольную метеостанцию своими руками.

Она должна уметь определять следующие параметры:

температуру
влажность
давление
высоту

Шаг 1: Покупаем нужные компоненты

DHT22 , датчик температуры и влажности.
BMP180 , датчик давления.
Припой
Однорядный разъем на 40 выходов

Из оборудования вам понадобятся:

Паяльник
Плоскогубцы для носоупоров
Провода

Шаг 2: Датчик температуры и влажности DHT22

Для измерения температуры используются разные датчики. Популярностью пользуются DHT22, DHT11, SHT1x

Я объясню, чем они отличаются друг от друга, и почему я использовал именно DHT22.

Датчик AM2302 использует цифровой сигнал. Этот датчик работает на уникальной системе кодировки и сенсорной технологии, поэтому его данные надежны. Его сенсорный элемент соединен с 8-битным однокристальным компьютером.

Каждый сенсор этой модели термокомпенсированный и точно откалиброванный, коэффициент калибровки находится в однократно программируемой памяти (ОТР-память). При чтении показаний сенсор будет вызывать коэффициент из памяти.

Маленький размер, низкое потребление энергии, большое расстояние передачи (100 м) позволяют AM2302 подходить почти ко всем приложениям, а 4 выхода в один ряд делают монтаж очень простым.

Давайте рассмотрим плюсы и минусы трех моделей датчиков.

DHT11

Плюсы: не требует пайки, самый дешевый из трех моделей, быстрый стабильный сигнал, дальность свыше 20 м, сильная интерференция.
Минусы: Библиотека! Нет вариантов разрешения, погрешность измерений температуры +/- 2°С, погрешность измерений уровня относительной влажности +/- 5%, неадекватный диапазон измеряемых температур (0-50°С).
Области применения: садоводство, сельское хозяйство.

DHT22

Плюсы: не требует пайки, невысокая стоимость, сглаженные кривые, малые погрешности измерений, большой диапазон измерений, дальность больше 20 м, сильная интерференция.
Минусы: чувствительность могла быть выше, медленное отслеживание температурных изменений, нужна библиотека.
Области применения: изучение окружающей среды.

SHT1x

Плюсы: не требует пайки, сглаженные кривые, малые погрешности измерений, быстрое срабатывание, низкое потребление энергии, автоматический режим сна, высокая стабильность и согласованность данных.
Минусы: два цифровых интерфейса, погрешность в измерении уровня влажности, диапазон измеряемых температур 0-50°С, нужна библиотека.
Области применения: эксплуатация в суровых условиях и в долгосрочных установках. Все три датчика относительно недорогие.

Соединение

Vcc – 5В или 3,3В
Gnd – с Gnd
Data – на второй вывод Arduino

Шаг 3: Датчик давления BMP180

BMP180 – барометрический датчик атмосферного давления с I2C-интерфейсом.
Барометрические датчики атмосферного давления измеряют абсолютное значение окружающего воздуха. Этот показатель зависит от конкретных погодных условий и от высоты над уровнем моря.

У модуля BMP180 имелся 3,3В стабилизатор на 662кОм, который я, по собственной глупости, случайно взорвал. Пришлось делать обводку питания напрямую к чипу.

Из-за отсутствия стабилизатора, я ограничен в выборе источника питания – напряжение выше 3,3В разрушит датчик.
У других моделей может не быть стабилизатора, обязательно проверяйте его наличие.

Схема соединения датчика и шины I2C с Arduino (nano или uno)

SDA — A4
SCL — A5
VCC — 3.3V
GND – GND

Давайте немного поговорим о давлении, и его связи с температурой и высотой.

Атмосферное давление в любой точке непостоянно. Сложное взаимодействие между вращением Земли, наклоном Земной оси, приводит к появлению множества областей высокого и низкого давления, что, в свою очередь, приводит к ежедневной смене погодных условий. Наблюдая за изменением давления, вы можете сделать краткосрочный прогноз погоды.

Например, падение давления обычно означает дождливую погоду или приближение грозы (приближение области низкого давления, циклона). Поднимающееся давление обычно означает сухую ясную погоду (над вами проходит область высокого давления, антициклон).

Атмосферное давление также изменяется с высотой. Абсолютное давление в базовом лагере на Эвересте (5400 м над уровнем моря) ниже, чем абсолютное давление в Дели (216 м над уровнем моря).

Так как показатели абсолютного давления изменяются в каждой локации, мы будем обращаться к относительному давлению, или давлению на уровне моря.

Измерение высоты

Среднее давление на уровне моря 1013,25 ГПа (или миллибар). Если подняться над атмосферой, это значение упадет до нуля. Кривая этого падения вполне понятна, поэтому вы можете сами вычислить высоту над уровнем моря, используя следующее уравнение: alti=44330*

Если вы примите давление на уровне моря 1013,25 Гпа как р0, решением уравнения будет ваша текущая высота над уровнем моря.

Меры предосторожности

Не забывайте, что датчику BMP180 нужен доступ к окружающей атмосфере, чтобы иметь возможность считывать давление воздуха, не помещайте датчик в закрытый корпус. Небольшого вентиляционного отверстия будет вполне достаточно. Но и слишком открытым его не оставляйте – ветер будет сбивать показания давления и высоты. Продумайте защиту от ветра.

Защитите от нагревания. Для измерения давления необходимы точные температурные показания. Постарайтесь защитить датчик от перепадов температуры и не оставляйте его вблизи источников высоких температур.

Защитите от влаги. Датчик BMP180 чувствителен к уровню влажности, постарайтесь предотвратить возможное попадание воды на датчик.

Не ослепите датчик. Неожиданностью стала чувствительность силикона в датчике к свету, который может попасть на него через отверстие в крышке чипа. Для максимально точных измерений постарайтесь защитить датчик от окружающего света.

Шаг 4: Собираем прибор

Устанавливаем однорядные разъемы для Arduino Nano. Вообще, мы обрезали их до нужного размера и немного зашкурили, так что они смотрятся, словно такими и были. Потом припаиваем их. После, устанавливаем однорядные разъемы для датчика DHT22.

Устанавливаем 10кОМ резистор от вывода данных к земле (Gnd). Все паяем.
Потом точно также устанавливаем однорядный разъем для датчика BMP180, питание делаем 3,3В. Соединяем все с шиной I2C.

В последнюю очередь подключаем LCD-дисплей, на ту же I2C шину, что и датчик BMP180.
(в четвертый разъем я планирую позже подключить RTC-модуль (часы реального времени), чтобы прибор еще и время показывал).

Шаг 5: Кодирование

Загрузите библиотеки

Чтобы установить библиотеки на Arduino, перейдите по ссылке

#include
#include #include #include "DHT.h" #include

SFE_BMP180 pressure;

#define ALTITUDE 20.56 #define I2C_ADDR 0x27 // <<- Add your address here. #define Rs_pin 0 #define Rw_pin 1 #define En_pin 2 #define BACKLIGHT_PIN 3 #define D4_pin 4 #define D5_pin 5 #define D6_pin 6 #define D7_pin 7

#define DHTPIN 2 // what digital pin we"re connected to

// Uncomment whatever type you"re using! //#define DHTTYPE DHT11 // DHT 11 #define DHTTYPE DHT22 // DHT 22 (AM2302), AM2321 DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); LiquidCrystal_I2C lcd(I2C_ADDR,En_pin,Rw_pin,Rs_pin,D4_pin,D5_pin,D6_pin,D7_pin); float t1,t2;

void setup() { Serial.begin(9600); lcd.begin (16,2); // <<-- our LCD is a 20x4, change for your LCD if needed // LCD Backlight ON lcd.setBacklightPin(BACKLIGHT_PIN,POSITIVE); lcd.setBacklight(HIGH); lcd.home (); // go home on LCD lcd.print("Weather Station"); delay(5000); dht.begin(); pressure.begin(); } void loop() { char status; double T,P,p0,a; status = pressure.startTemperature(); if (status != 0) { delay(status);

status = pressure.getTemperature(T); if (status != 0) { Serial.print("1"); lcd.clear(); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Baro Temperature: "); lcd.setCursor(0,1); lcd.print(T,2); lcd.print(" deg C "); t1=T; delay(3000);

status = pressure.startPressure(3); if (status != 0) { // Wait for the measurement to complete: delay(status);

status = pressure.getPressure(P,T); if (status != 0) {lcd.clear(); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("abslt pressure: "); lcd.setCursor(0,1); lcd.print(P,2); lcd.print(" mb "); delay(3000);

p0 = pressure.sealevel(P,ALTITUDE); // we"re at 1655 meters (Boulder, CO)

a = pressure.altitude(P,p0); lcd.clear(); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Altitude: "); lcd.setCursor(0,1); lcd.print(a,0); lcd.print(" meters"); delay(3000); } } } } float h = dht.readHumidity(); // Read temperature as Celsius (the default) float t = dht.readTemperature(); t2=t; lcd.clear(); lcd.setCursor (0,0); // go to start of 2nd line lcd.print("Humidity: "); lcd.setCursor(0,1);lcd.print(h); lcd.print(" %"); delay(3000); lcd.clear(); lcd.setCursor (0,0); // go to start of 2nd line lcd.print("DHT Tempurature: "); lcd.setCursor(0,1); lcd.print(t); lcd.print(" deg C "); delay(3000); lcd.clear(); lcd.setCursor (0,0); // go to start of 2nd line lcd.print("Mean Tempurature: "); lcd.setCursor(0,1); lcd.print((t1+t2)/2); lcd.print(" deg C "); delay(3000); }

Я использовал версию Arduino 1.6.5, код точно к ней подходит, к более поздним так же может подойти. Если код по каким-либо причинам не подходит, используйте версию 1.6.5 как базовую.

Наблюдение за погодой - весьма увлекательное занятие. Я решил построить свою погодную станцию на базе популярного .

Прототип метеостанции выглядит так:

Функции моей метеостанции:

измерение и отображение комнатной и наружной температур;
отображение текущего времени (часы и минуты);
отображение текущих фазы Луны и лунного дня;
передача результатов измерений на компьютер через последовательное соединение;
передача результатов измерений по протоколу MQTT с помощью приложения на компьютере.

Hex -файл прошивки для (версия от 9 мая 2018 года) - .
Как прошить hex -файл в плату Arduino , я описал .

Микроконтроллер Arduino Nano 3.0

"Сердцем" моей метеостанции является микроконтроллер eBay ):

Для управления индикацией и опросом датчиков я использую таймер 1 Arduino , вызывающий прерывания с частотой 200 Гц (период - 5 мс).

Индикатор

Для отображения измеряемых показаний датчиков и текущего времени я подключил к Arduino четырехразрядный светодиодный индикатор Foryard FYQ-5643BH с общими анодами (аноды одинаковых сегментов всех разрядов объединены).
Индикатор содежит четыре семисегментных разряда и две разделительные (часовые) точки:

Аноды индикатора подключены через токограничивающие резисторы к выводам Arduino :

разряд	1	2	3	4
вывод	A3	A2	D3	D9

Катоды сегментов подключены к выводам Arduino :

сегмент	a	b	c	d	e	f	g	p
вывод	D7	D12	D4	D5	D6	D11	D8	D13

Сегмент индикатора светится, если на аноде соответствующего разряда высокий потенциал (1), а на катоде - низкий (0).

Я использую динамическую индикацию для отображения информации на индикаторе - в каждый момент времени активен только один разряд. Активные разряды чередуются с частотой 200 Гц (период отображения 5 мс). При этом для глаз мерцание сегментов незаметно.

Датчик температуры DS18x20

Для возможности удаленного измерения температуры я подключил датчик , который обеспечивает измерение наружной температуры в широких пределах. Датчик подключается к шине 1-Wire и имеет три вывода - питание (VCC ), данные (DAT ), земля (GND ):

вывод датчика	VCC	DAT	GND
вывод Arduino	5V	A1	GND

Между выводами VCC и DAT я включил подтягивающий резистор сопротивлением 4,7 кОм.

Для перевода между градусами Цельсия и Фаренгейта можно использовать такую табличку:

Я разместил датчик за окном дома в пластиковом корпусе от шариковой ручки:

\

В профессиональных метеостанциях для защиты термометра от прямых солнечных лучей и обеспечения циркуляции воздуха используется экран Стивенсона (англ. Stevenson screen ):

Датчик давления и температуры BMP280

Для измерения атмосферного давления традиционно используют ртутные барометры и барометры-анероиды.

В ртутном барометре атмосферное давление уравновешивается весом столба ртути, высота которого и ипользуется для измерения давления:

В барометре-анероиде используется сжатие и растяжение коробки под действием атмосферного давления:

Для измерения атмосферного давления и комнатной температуры в своей домашней метеостанции я использую датчик - маленький SMD -датчик размером 2 x 2,5 мм, основанный на пьезорезистивной технологии:

Платка с датчиком приобретена на торговой площадке eBay :

Датчик подключается к шине I2C (контакт данных - SDA/SDI , контакт синхронизации - SCL/SCK ):

вывод датчика	VCC	GND	SDI	SCK
вывод Arduino	3V3	GND	A4	A5

Adafruit - файлы Adafruit_Sensor.h , Adafruit_BMP280.h , Adafruit_BMP280.cpp .

Единицы измерения атмосферного давления

Датчик через функцию readPressure выдает значение атмосферного давления в паскалях. Основной единицей измерения атмосферного давления служит гектопаскаль (гПа) (1 гПа = 100 Па), аналогом которого является внесистемная единица "миллибар " (мбар) (1 мбар = 100Па = 1гПа). Для перевода между часто используемой внесистемной единицей измерения давления "миллиметр ртутного столба " (мм рт. ст.) и гектопаскалями используются соотношения:
1гПа = 0,75006 мм рт. ст. ≈ 3/4 мм рт.ст.; 1 мм рт.ст. =1,3332 гПа ≈ 4/3 гПа.

Зависимость атмосферного давления от высоты над уровнем моря

Атмосферное давление может быть представлено как в абсолютной, так и в относительной форме.
Абсолютное давление QFE (англ. absolute pressure ) – это актуальное атмосферное давление, не учитывающее поправку над уровнем моря.
Атмосферное давление уменьшается примерно на 1 гПа при повышении высоты на 1 м:

Барометрическая формула позволяет определить коррекцию показаний барометра для получения относительного давления (в мм рт. ст.):
$\Delta P = 760 \cdot (1 - {1 \over {10^ { {0,0081350 \cdot H} \over {T + 0,00178308 \cdot H} }}})$ ,
где $T$ - средняя температура воздуха по шкале Ранкина, °Ra , $H$ - высота над уровнем моря, футы.
Перевод градусов Цельсия в градусы Ранкина:
$^{\circ}Ra = {^{\circ}C \cdot 1,8} + 491,67$
Барометрическая формула используется при барометрическом нивелировании - определении высот (с погрешностью 0,1 - 0,5 %). В формуле не учитывается влажность воздуха и изменение ускорения свободного падения с высотой. Для небольших перепадов высоты эту экспоненциальную зависимость можно с достаточной точностью аппроксимировать линейной зависимостью.
Относительное давление QNH (англ. relative pressure , Q-code Nautical Height ) – это атмосферное давление, учитывающее поправку к среднему уровню моря (англ. Mean Sea Level, MSL ) (для ISA и температуры 15 градусов Цельсия), и первоначально выставляется с учётом высоты, на которой находится метеостанция. Его можно узнать из данных метеослужбы, показаний откалиброванных приборов в публичных местах, аэропорту (из сводок METAR ), из Интернета.
Например, для расположенного рядом аэропорта Гомель (UMGG ) я могу посмотреть сводку фактической погоды METAR на ru.allmetsat.com/metar-taf/russia.php?icao=UMGG :
UMGG 191800Z 16003MPS CAVOK M06/M15 Q1014 R28/CLRD// NOSIG ,
где Q1014 - давление QNH на аэродроме равно 1014 гПа.
Историю сводок METAR можно получить на aviationwxchartsarchive.com/product/metar .
За нормальное относительное давление воздуха QNH принимается давление 760 мм рт. ст. или 1013,25 гПа (при температуре 0ºС, под широтой 45º Северного или Южного полушария).
Я выставил для барометра-анероида давление QNH с помощью винта настройки чуткости:

Прогноз погоды

Анализ изменения давления позволяет строить прогноз погоды, причем его точность тем выше, чем более резко меняется давление. Например, старое эмпирическое правило мореплавателей гласит - падение давления на 10 гПа (7,5 мм рт. ст.) за период 8 часов говорит о приближении сильного ветра.

Откуда же возникает ветер? Воздух стекается к центру области низкого давления, возникает ветер - горизонтальное перемещение воздуха из областей высокого давления в области низкого давления (высокое атмосферное давление выдавливает воздушные массы в область низкого атмосферного давления). Если давление очень низкое, ветер может достигать силы шторма . При этом в области пониженного давления (барическая депрессия или циклон) теплый воздух поднимается вверх и формирует облака, которые часто приносят дождь или снег .

За направление ветра в метеорологии принимается направление, откуда дует ветер:

Это направление сводится к восьми румбам.

Для предсказания погоды на основе атмосферного давления и направления ветра часто используется алгоритм Zambretti .

Датчик влажности

Для определения относительной влажности воздуха я использую модуль DHT11 (приобретен на торговой площадке eBay ):

Датчик влажности DHT11 имеет три вывода - питание (+ ), данные (out ), земля (- ):

вывод датчика	+	out	-
вывод Arduino	5V	D10	GND

Для работы с датчиком я использую библиотеку от Adafruit - файлы DHT.h , DHT.cpp .

Влажность воздуха характеризует количество водяного пара, содержащегося в воздухе. Относительная влажность показывает долю влаги в воздухе (в процентах) по отношению к максимальному возможному количеству при текущей температуре. Для измерения относительной влажности служит :

Для человека оптимальный интервал влажности воздуха - 40 ... 60 %.

Часы реального времени

В качестве часов реального времени я применил модуль RTC DS1302 (платка с часиками приобретена на торговой площадке eBay ):

Модуль DS1302 подключается к шине 3-Wire . Для использования этого модуля совместно с Arduino разработана библиотека iarduino_RTC (от iarduino.ru ).

Плата с модулем DS1302 имеет пять выводов, которые я соединил с выводами платы Arduino Nano :

вывод RTC	VCC	GND	RST	CLK	DAT
вывод Arduino	5V	GND	D2	D1	D0

Для сохранения верных показаний часов при отключенном питании в гнездо на плате я вставил батарейку CR2032 .

Точность моего часового модуля оказалась не слишком высокой - часы спешат примерно на одну минуту за четверо суток. Поэтому я сделал сброс минут на "ноль" и часа на ближайший при удержании кнопки, подключенной к выводу A0 Arduino, после включения питания метеостанции. После инициализации вывод A0 используется для передачи данных через последовательное соединение.

Передача данных на компьютер и работа по протоколу MQTT

Для передачи данных через последовательное соединение к Arduino подключается USB -UART преобразователь:

Вывод Arduino используется для передачи данных в формате 8N1 (8 бит данных, без бита четности, 1 стоп-бит) со скоростью 9600 бит/с. Данные передаются пакетами, причем длина пакета - 4 символа. Передача данных осуществляется в "bit-bang " режиме, без использования аппаратного последовательного порта Arduino .

Формат передаваемых данных:

Параметр	1-й байт	2-й байт	3-й байт	4-й байт
наружная температура	o	пробел либо минус	десятки градусов либо пробел	единицы градусов
комнатная температура	i	пробел либо минус	десятки градусов либо пробел	единицы градусов
атмосферное давление	p	сотни мм р. ст.	десятки мм рт.ст.	единицы мм рт. с.
относительная влажность	h	пробел	десятки процентов либо пробел	единицы процентов
текущее время	десятки часов	единицы часов	десятки минут	единицы минут

MQTT

Golang приложение - клиент протокола MQTT , отправляющую принятую от метеостанции информации на сервер (MQTT -брокер) :

Сервис позволяет создать акаунт с бесплатным тарифным планом "" (ограничения: 10 соединений, 10 Кб/с):

Для мониторинга показаний метеостанции при этом можно использовать Android -приложение :

Питание

Для питания метеостанции я использую зарядное устройство от старого мобильного телефона Motorola , выдающее напряжение 5 В с током до 0,55 А и подключаемое к контактам 5V (+) и GND (-):

Также можно использовать для питания батарейку напряжением 9 В, подключаемую к контактам VIN (+) и GND (-).

Эксплуатация метеостанции

При запуске происходит инициализация и проверка датчиков.

При отсутствии датчика DS18x20 выдается ошибка "E1", при отсутствии датчика - ошибка "E3".

Затем запускается рабочий цикл метеостанции:

измерение и отображение наружной температуры;
измерение и отображение комнатной температуры;
измерение и отображение атмосферного давления и тренда его изменения;
измерение и отображение относительной влажности воздуха;
отображение текущего времени;
отображение фазы Луны и лунного дня.

Видео работы моей метеостанции доступно на моем -канале: https://youtu.be/vVLbirO-FVU

Отображение температуры

При измерении температуры индицируется две цифры температуры и для отрицательной температуры знак "минус" (с символом градуса в крайнем правом разряде);
для наружной температуры знак градуса отображается вверху:

для комнатной температуры - внизу:

Отображение давления

При измерении давления индицируются три цифры давления в мм ртутного столба (с символом "P " в крайнем правом разряде):

Если давление резко упало, то вместо символа "P " в крайнем правом разряде отображается символ "L ", если резко выросло - то "H ". Критерий резкости изменения - 8 мм рт. ст. за 8 часов:

Так как моя метеостанция отображает абсолютное давление (QFE ), то показания оказываются несколько заниженными по сравнению со сведениями в сводке METAR (в которой приводится QNH ) (14 UTC 28 марта 2018 года):

Отношение давлений (по сведениями ATIS ) составило ${1015 \over 998} = 1,017$. Возвышение аэропорта Гомель (код ИКАО UMGG ) над уровнем моря составляет 143,6 м. Температура по данным ATIS составляла 1 °C .

Показания моей метеостанции практически совпали с абсолютным давлением QFE по сведениями ATIS !

Максимальное/минимальное давления (QFE ), зарегистрированные моей метеостанцией за все время наблюдений:

Отображение относительной влажности воздуха

Относительная влажность воздуха отображается в процентах (в двух правых разрядах отображается символ процента):

Отображение текущего времени

Текущее время отображается на индикаторе в формате "ЧЧ:ММ", причем разделительное двоеточие мигает раз в секунду:

Отображение фаз Луны и лунного дня

Первые два разряда индикатора отображают текущую лунную фазу, а следующие два - текущий лунный день:

У Луны выделяются восемь фаз (приведены английские и русские (синим цветом - неточные) названия):

На индикаторе фазы отображаются пиктограммами:

фаза	пиктограмма

растущий серп (полумесяц)





убывающий серп (полумесяц)

Передача данных на компьютер

Если соединить метеостанцию с USB -UART преобразователем (например, на базе микросхемы CP2102 ), подключенным к USB -порту компьютера, то можно с помощью терминальной программы наблюдать передаваемые метеостанцией данные:

Я разработал на языке программирования golang программу, ведущую журнал метеонаблюдений и отправляющую данные в сервис , и их можно просматривать на Android -смартфоне с помощью приложения :

По данным журнала метеонаблюдений можно, например, строить график изменения атмосферного давления:
пример графика с заметным минимумом давления

пример графика с незначительным ростом давления

Планируемые доработки:

добавление датчиков направления и скорости ветра

В метеостанциях для измерения скорости ветра используется трехчашечный анемометр (1), а для определения направления ветра - флюгер (2):

Также для измерения скорости ветра используются термоанемометры с нитью накала (англ. hot wire anemometer ). В качестве нагреваемой проволоки можно использовать вольфрамовую нить накала от лампочки с разбитым стеклом. В промышленно выпускаемых термоанемометрах датчик обычно располагается на телескопической трубке:

Принцип действия этого прибора заключается в том, что тепло отводится от нагревательного элемента вследствие конвекции воздушным потоком - ветром. При этом сопротивление нити накала определяется температурой нити. Закон изменения сопротивления нити накала $R_T$ от температуры $T$ имеет вид:
$R_T = R_0 \cdot (1 + {\alpha \cdot (T - T_0)})$ ,
где $R_0$ - сопротивление нити при температуре $T_0$, $\alpha$ - температурный коэффициент сопротивления (для вольфрама $\alpha = 4,5\cdot{10^{-3} {^{\circ}{C^{-1}}}}$).

С изменением скорости воздушного потока изменяется температура при неизменном токе накала (анемометр с постоянным током, англ. CCA ). Если температура нагревательного элемента поддерживается постоянной, то ток через элемента будет пропорционален скорости воздушного потока (анемометр с постоянной температурой, англ. CTA ).

Продолжение следует

КАТЕГОРИИ