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.

Захотелось иметь свою метеостанцию, которая передает показания с датчиков на карту народного мониторинга (ищется в гугле за 5 секунд). Оказалось это не так сложно, как кажется. Рассмотрим, что было сделано.

Для данного действия я взял себе Arduino Uno и Ethernet Shield w5100 для нее. Все это заказывалось из Китая на Aliexpress.

Так же там заказал себе датчики: DHT22, DHT11, DS18B20, BMP280 (в планах еще датчики газа, дыма…)

Покурив форумы, гугл, яндекс, я нашел неплохой вариант скетча — https://student-proger.ru/2014/11/meteostanciya-2-1/

Там же в комментариях человек выкладывал дописанный скетч с датчиками освещенности, газа. Я взял их за основу.

В тех скетчах не было поддержки 280-го датчика давления, пообщались с автором, он заменил 180 на 280. Все заработало прекрасно (спасибо ему за это огромное)

Ниже приведу пример итогового скетча, что получился у меня.

В данный момент у меня подключены датчики:
DHT22 — 1шт.
DHT11 — 1шт.
BMP280 — 1шт.
DS18B20 — 2шт.

ВНИМАНИЕ! Перед тем как заливать скетч, не забудьте изменить MAC-адрес устройства, чтобы не пересекаться с другими (например взять Mac-адрес вашего мобильного телефона и изменить в нем последние буквы/цифры, что не «будоражило» вашу локальную сеть!

Примерная схема подключения (картинка взята на просторах интернета от данного скетча):

По техническим причинам у меня не получается выложить скетч прямо сюда. Поместил его в архив. Ссылка на него строчкой выше.

Как видно, показания есть, идут исправно, для примера выложу пару скриншотов со своих датчиков:

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:

  1. Vcc (3-5V питание)
  2. Data out - Вывод данных
  3. Не используется
  4. 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

Обозначение Тип Номинал Количество Примечание Магазин 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

2018-06-18 в 15:08

Данная погодная станция обеспечивает постоянное получение сведений о состоянии погодных условий. Проект основан на плате микроконтроллеров Arduino, а данные выводятся на LCD экран. Ранее был проект вывода данных с датчиков на веб-страницу с помощью W5100 . Небольшой размер "железа" позволяет поместить устройство в маленьком пластиковом коробе, части которого изготовлены при помощи лазерной резки.

Датчик уровня воды и снега.
Индикатор уровня воды используется для вывода уровня воды в баке во избежании его переполнения.

DHT11 представляет собой комбинированный цифровой датчик температуры и влажности. Датчик обладает отличным качеством, высокой скоростью работы, противоинтерференционной способностью и самое главное - низкой стоимостью.

Фоторезисторы, также известные как светозависимые резисторы (LDR), являются светочувствительными устройствами, наиболее часто используемыми для определения наличия или отсутствия света, или для измерения интенсивности света. В темноте их сопротивление очень велико, но когда датчик LDR подвергается воздействию света, сопротивление резко падает, вплоть до нескольких Ом.

LCD1602 с шиной I2C. Синий потенциометр на ЖК-дисплее I2C 1602 используется только для подсветки.

I2C использует только две линии, Serial DataLine (SDA) и Serial Clock Line (SCL), которые подключаются к резисторам. Типичные напряжения - +5 В или +3,3 В, хотя допускаются системы с другими напряжениями.

DS1302 - часики реального времени.
Часы основаны на интегрированной микросхеме DS1302, внутри которой есть часы / календарь в реальном времени и 31 байт статической ОЗУ. Формат времени можно увидеть как hh/mm/ss, а формат даты - yyyy/mm/dd. Так же можно высчитать день недели.

LM35 - датчик температуры.
LM35 это прецизионный интегральный датчик температуры с широким диапазоном температур, высокой точностью измерения, калиброванным выходом по напряжению. Именно эти качества определяют популярность датчика.

Инфракрасный приемник и пульт дистанционного управления

Эти два компонента работают вместе: ИК-приемник позволяет получать данные с пульта дистанционного управления. Уже рассказывал как собрать контроллер вытяжки с управлением от пульта телевизора. Данные зависят от того, какую кнопку вы хотите нажать. Были выбраны следующие кнопки для назначения их определенным функциям:

Клавиша 0 - позволяет увидеть время и дату

Клавиша 1 - позволяет увидеть данные с датчиков DHT11 и LM35

Клавиша 2 - позволяет увидеть в процентах уровень освещенности

Клавиша 3 - позволяет увидеть в миллиметрах уровень жидкости

Клавиша "Повтор" - прокручивает все окна с интервалом в 4 секунды

Сборка корпуса.
Рассмотрев размер устройства, мы продолжили строительство корпуса из плексигласа. Размеры сторон с их взаимными блокирующими сиденьями и отверстиями для выхода проводов датчиков были рассчитаны с помощью программного обеспечения Autocad, после чего мы занялись вырезанием, используя машину для лазерной резки. И, наконец, мы собрали все с помощью мощного клея.
Файл исходник - Скачать.

Схема устройства была сделана в программной среде fritzing ().

Разрабатывали код в среде Arduino IDE, использовали все необходимые библиотеки. И вот что у нас получилось:

Это главный экран, который пользователь может видеть, когда мы включаем плату. При включении появляется надпись «Arduino Weather Station». Вы также можете увидеть эту надпись после каждого обращения к AWS.

Экран даты и времени, к которому пользователь может получить доступ, просто нажав кнопку 0 на пульте дистанционного управления. При нажатии экран имеет задержку в 10 секунд, а затем возвращается на главный экран.

Экран, который показывает данные, полученные датчиками DHT11 и LM35 относительно влажности и температуры соответственно. Он "привязан" к кнопке 1 на пульте дистанционного управления, и когда она нажимается, экран имеет задержку в 10 секунд, а затем возвращается на главный экран.

Экран уровень освещенности. Привязан к кнопке 2 на пульте ДУ.

Этот экран показывает уровень жидкости в баке. Он подключен к кнопке 3 на пульте дистанционного управления.

Сама программа станции

//include sketch libraries #include #include //clock library #include //clock library #include //clock library #include //dht11 library #include //LCD library #include //Wire for LCD library #define lmPin A1 //LM35 attach to A1 LiquidCrystal_I2C lcd(0x27 , 16 , 2 ); // set the LCD address to 0x27 for a 16 chars and 2 line display dht DHT; //create a variable type of dht const int DHT11_PIN = 4 ; //attach dht11 to pin 4 const int waterSensor = 0 ; //set water sensor variable int waterValue = 0 ; //variable for water sensor int mmwaterValue = 0 ; int sensorPin = A3; // select the input pin for the potentiometer int luce = 0 ; //variable for the ldr int pluce = 0 ; //variable for the ldr float tem = 0 ; //variable for the temperature long lmVal = 0 ; //variable for the LM35 //ir const int irReceiverPin = 3 ; IRrecv irrecv(irReceiverPin); //Creates a variable of type IRrecv decode_results results; //define clock variable uint8_t RST_PIN = 5 ; //RST pin attach to uint8_t SDA_PIN = 6 ; //IO pin attach to uint8_t SCL_PIN = 7 ; //clk Pin attach to /* Create buffers */ char buf; char day; /* Create a DS1302 object */ DS1302 rtc(RST_PIN, SDA_PIN, SCL_PIN);//create a variable type of DS1302 void print_time() { /* Get the current time and date from the chip */ Time t = rtc.time(); /* Name the day of the week */ memset(day, 0 , sizeof (day)); switch (t.day) { case 1 : strcpy(day, "Sun" ); break ; case 2 : strcpy(day, "Mon" ); break ; case 3 : strcpy(day, "Tue" ); break ; case 4 : strcpy(day, "Wed" ); break ; case 5 : strcpy(day, "Thu" ); break ; case 6 : strcpy(day, "Fri" ); break ; case 7 : strcpy(day, "Sat" ); break ; } /* Format the time and date and insert into the temporary buffer */ snprintf(buf, sizeof (buf), "%s %04d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d" , day, t.yr, t.mon, t.date, t.hr, t.min , t.sec); /* Print the formatted string to serial so we can see the time */ Serial .println (buf); lcd.setCursor (2 , 0 ); lcd.print (t.yr); lcd.print ("-" ); lcd.print (t.mon / 10 ); lcd.print (t.mon % 10 ); lcd.print ("-" ); lcd.print (t.date / 10 ); lcd.print (t.date % 10 ); lcd.print (" " ); lcd.print (day); lcd.setCursor (4 , 1 ); lcd.print (t.hr); lcd.print (":" ); lcd.print (t.min / 10 ); lcd.print (t.min % 10 ); lcd.print (":" ); lcd.print (t.sec / 10 ); lcd.print (t.sec % 10 ); } void setup () { //clock Serial .begin (9600 ); rtc.write_protect(false); rtc.halt(false); //ir irrecv.enableIRIn(); //enable ir receiver module lcd.init(); //initialize the lcd lcd.backlight(); //open the backlight pinMode (sensorPin, INPUT ); Time t(2017 , 12 , 03 , 10 , 15 , 00 , 1 );//initialize the time /* Set the time and date on the chip */ rtc.time(t); } void loop () { lcd.setCursor (0 , 0 ); lcd.print ("A" ); delay (50 ); lcd.setCursor (1 , 0 ); lcd.print ("r" ); delay (50 ); lcd.setCursor (2 , 0 ); lcd.print ("d" ); delay (50 ); lcd.setCursor (3 , 0 ); lcd.print ("u" ); delay (50 ); lcd.setCursor (4 , 0 ); lcd.print ("i" ); delay (50 ); lcd.setCursor (5 , 0 ); lcd.print ("n" ); delay (50 ); lcd.setCursor (6 , 0 ); lcd.print ("o" ); delay (50 ); lcd.setCursor (8 , 0 ); lcd.print ("W" ); delay (50 ); lcd.setCursor (9 , 0 ); lcd.print ("e" ); delay (50 ); lcd.setCursor (10 , 0 ); lcd.print ("a" ); delay (50 ); lcd.setCursor (11 , 0 ); lcd.print ("t" ); delay (50 ); lcd.setCursor (12 , 0 ); lcd.print ("h" ); delay (50 ); lcd.setCursor (13 , 0 ); lcd.print ("e" ); delay (50 ); lcd.setCursor (14 , 0 ); lcd.print ("r" ); delay (50 ); lcd.setCursor (4 , 1 ); lcd.print ("S" ); delay (50 ); lcd.setCursor (5 , 1 ); lcd.print ("t" ); delay (50 ); lcd.setCursor (6 , 1 ); lcd.print ("a" ); delay (50 ); lcd.setCursor (7 , 1 ); lcd.print ("t" ); delay (50 ); lcd.setCursor (8 , 1 ); lcd.print ("i" ); delay (50 ); lcd.setCursor (9 , 1 ); lcd.print ("o" ); delay (50 ); lcd.setCursor (10 , 1 ); lcd.print ("n" ); delay (50 ); if (irrecv.decode(&results)) //if the ir receiver module receiver data { if (results.value == 0xFF6897 ) //if "0" is pushed print TIME { lcd.clear (); //clear the LCD print_time(); lcd.clear (); //clear the LCD } if (results.value == 0xFF30CF ) //if "1" is pushed print TEMPERATURE and HUMIDITY { lcd.clear (); //clear the LCD //READ DATA of the DHT // DISPLAY DATA lcd.setCursor (0 , 0 ); lcd.print ("Tem:" ); lmVal = analogRead (lmPin);//read the value of A1 lcd.print (tem);//print tem lcd. lcd.print ("C " ); // Serial.println(" C"); lcd.setCursor (0 , 1 ); lcd.print ("Hum:" ); //Serial.print("Hum:"); lcd. lcd.print (" % " ); //Serial.println(" %"); delay (10000 ); //wait for 3000 ms lcd.clear (); //clear the LCD irrecv.resume(); // Receive the next value } if (results.value == 0xFF18E7 ) //if "2" is pushed print the DARKNESS { lcd.clear (); //clear the LCD lcd.setCursor (4 , 0 ); lcd.print ("Darkness:" ); luce = pluce = lcd.setCursor (6 , 1 ); lcd. lcd. delay (10000 ); //delay 10000 ms lcd.clear (); //clear the LCD delay (200 ); //wait for a while irrecv.resume(); // Receive the next value } if (results.value == 0xFF7A85 ) //if "3" is pushed print the SNOW or WATER LEVEL { lcd.clear (); //clear the LCD lcd.setCursor (0 , 0 ); lcd. lcd.setCursor (6 , 1 ); mmwaterValue = lcd. delay (10000 ); //delay 10000ms lcd.clear (); //clear the LCD delay (200 ); irrecv.resume(); // Receive the next value } if (results.value == 0xFF9867 ) //if "PRESENTATION" is pushed print TIME, TEM and HUM, DARKNESS and S or W LEVEL one time { lcd.clear (); //clear the LCD print_time(); lcd.clear (); //clear the LCD delay (200 ); //wait for a while //READ DATA of the DHT int chk = DHT.read11(DHT11_PIN); // DISPLAY DATA lcd.setCursor (0 , 0 ); lcd.print ("Tem:" ); lmVal = analogRead (lmPin);//read the value of A0 tem = (lmVal * 0.0048828125 * 100 );//5/1024=0.0048828125;1000/10=100 lcd.print (tem);//print tem lcd.print (char (223 ));//print the unit" ? " lcd.print ("C " ); // Serial.println(" C"); lcd.setCursor (0 , 1 ); lcd.print ("Hum:" ); //Serial.print("Hum:"); lcd.print (DHT.humidity, 1 ); //print the humidity on lcd //Serial.print(DHT.humidity,1); lcd.print (" % " ); //Serial.println(" %"); delay (4000 ); //wait for 3000 ms lcd.clear (); //clear the LCD delay (200 ); //wait for a while lcd.setCursor (4 , 0 ); //place the cursor on 4 column, 1 row lcd.print ("Darkness:" ); luce = analogRead (sensorPin); //read the ldr pluce = map (luce, 0 , 1023 , 0 , 100 ); //the value of the sensor is converted into values from 0 to 100 lcd.setCursor (6 , 1 ); //place the cursor on the middle of the LCD lcd.print (pluce); //print the percentual lcd.print ("%" ); //print the symbol delay (4000 ); //delay 10000 ms lcd.clear (); //clear the LCD delay (200 ); //wait for a while lcd.setCursor (0 , 0 ); //place the cursor on 0 column, 1 row lcd.print ("Fluid level(mm):" ); //print "Fluid level(mm):" int waterValue = analogRead (waterSensor); // get water sensor value lcd.setCursor (6 , 1 ); //place cursor at 6 column,2 row mmwaterValue = map (waterValue, 0 , 1023 , 0 , 40 ); lcd.print (mmwaterValue); //value displayed on lcd delay (4000 ); //delay 10000ms lcd.clear (); //clear the LCD delay (200 ); irrecv.resume(); // Receive the next value } } }

Проект очень прост для повторения, думаем, сборка не должна вызвать сложностей.

Не пропустите обновления! Подписывайтесь на нашу группу

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