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:

В свободное время, и на этот раз написал инструкцию по изготовления небольшой метеостанции. Она будет выполнять функцию часов с датой и показывать температуры внутри и снаружи помещения. Как основной контролер будем использовать Arduino UNO, но подойдет и другая плата с Atmega328p на борту. Для отображения используем графический экран WG12864B. Также подключим два датчика температуры ds18b20. Один внутри помещения, второй вынесем наружу. Начнем.

В процессе изготовления самоделки нам понадобится:

Arduino UNO (Или любая другая Arduino совместимая плата)
- WG12864B графический экран
- ds18b20 датчик температуры, 2шт
- Блок питания 6 – 12 В
- Резисторы 4.7 Ком 0.25 Вт, 2 шт.
- Резисторы 100 ом 0.25 Вт
- Батарейный отсек для 4 батареек типа ААА «мизинчиковых»
- Коробка от картриджа приставки SEGA
- Изолента
- Соединительные провода
- Монтажная плата
- Кнопки
- Канцелярский нож
- Паяльник
- Припой, канифоль
- Двусторонний скотч

Шаг 1 Подготовка WG12864B3.
Тех, кто не работал до этого с экранами, может напугать большое количество модификаций, с виду одинаковых, экранов. Немного поясню. Большинство экранов такого типа работают на микросхемах ks0107/ks0108. Все экраны можно раздлить на 4 типа:

Вариант A: HDM64GS12L-4, Crystalfontz CFAG12864B, Sparkfun LCD-00710CM, NKC Electronics LCD-0022, WinStar WG12864B-TML-T

Вариант B: HDM64GS12L-5, Lumex LCM-S12864GSF, Futurlec BLUE128X64LCD, AZ Displays AGM1264F, Displaytech 64128A BC, Adafruit GLCD, DataVision DG12864-88, Topway LM12864LDW, Digitron SG12864J4, QY-12864F, TM12864L-2, 12864J-1

Вариант C: Shenzhen Jinghua Displays Co Ltd. JM12864

Вариант D: Wintek- Cascades WD-G1906G, Wintek - GEN/WD-G1906G/KS0108B, Wintek/WD-G1906G/S6B0108A, TECDIS/Y19061/HD61202, Varitronix/MGLS19264/HD61202

Выглядят они почти одинаково. Но пины подключение у них разные. Я выбрал, и вам рекомендую, WG12864B3 V2.0, но если экран пришел другой, или просто под руками такого нет, вы легко разберётесь с помощью таблицы:

Вкратце характеристики:

В интернете много разных схем подключения, и все вроде как рабочие. Все дело в том, что существуют не только разные экраны, но и два способа их подключения: последовательный и параллельный. При использовании подключения по последовательному порту – нам понадобится всего 3 выхода микроконтроллера. При параллельном минимум 13. Выбор в данном случаем очевиден, у Arduino и так не много выводов. Для параллельного соединения схема подключения следующая:

Для последовательного подключения, которое будем использовать мы, схема следующая:

WG12864B – Arduino UNO 1 (GND) - GND 2 (VCC) - +5V 4 (RS) – 10 5 (R/W) – 11 6 (E) – 13 15 (PSB) – GND 19 (BLA) – через резистор 100 Ом - +5V 20 (BLK) – GND

Для регулировки контраста на экране должен стоять потенциометр. Бывают экраны и без него, но это сейчас редкость:

Резистор в 100 Ом нужен, чтобы напряжением в 5 вольт, случайно не сжечь диоды подсветки.

Шаг 2 Изготовление корпуса.
Для корпуса возьмем коробку от картриджа приставки Sega. Если не найдете под руками эту коробку, можно использовать и другой корпус. Главное, чтобы в него поместился экран и Arduino.

Срезаем прозрачную пленку, сверху коробки, так чтобы не оставалось кусков:

Затем, используя канцелярский нож, вырезаем окошко размером 37х69, для экрана.

С обратной стороны по краю выреза клеим двусторонний скотч, желательно черного цвета:

Снимаем защитную бумажку со скотча, и приклеиваем на него наш экран:

С внешней стороны должно выглядеть так:

Ниже экран, также на двусторонний скотч, крепим Arduino, сделав предварительно вырезы под USB- порт и гнездо питания:

Вырезы под гнезда Arduino надо делать с двух сторон коробки, так чтобы она могла свободно закрываться:

Шаг 3 Датчики температуры.
Мы будем использовать цифровые датчики температуры DS18B20. Используя их мы получаем большую точность измерения, погрешность не более 0,5 °C, в большом диапазоне температур -55 … + 125 °C. Кроме этого, датчик цифровой и все вычисления выполняет сам, а Arduino просто получает готовые показания. При подключении этого датчика не забывайте о подтягивающем резисторе, номиналом 4.7 КОм, между контактами DQ и VDD. Также возможно несколько вариантов подключения. С внешним питание, на мой взгляд лучший вариант, его и будем использовать:

При любом варианте питания, датчики подключаются параллельно:

Датчик замера температуры внутри помещения разместим на маленькой плате вместе с двумя кнопками, которые мы будем использовать для установки времени и даты часов:

Общий провод от обоих кнопок подключаем к GND, провод от первой кнопки подключаем к A0, от второй к A1.
Крепим на двусторонний скотч рядом с Arduino:

Датчик, который предполагается размещать снаружи помещения, лучше выбирать в металлическом, пылевлагозащитном корпусе:

Рассчитайте провод необходимой длины, чтобы можно было вывесить датчик снаружи окна, главное, чтобы он был не больше метров 5, если нужна длина больше, надо будет уменьшать номинал подтягивающего резистора.

Провод от шины данных DQ обоих датчиков подключаем к pin 5 Arduino.
Vdd - +5 Arduino.
GND – GND Arduino.

Шаг 4 Питание.
Для питания можно использовать блок питания напряжением от 6 до 12 вольт. На конце провода блика питания следует напаять штекер, подходящий к гнезду питания Arduino:

Или можете поместить в корпус батарейный отсек для четырех батареек типа «ААА», «мизинчиковые». И подключить плюсовой провод от отсека к Vin Arduino, а минус к GND.

Шаг 5 Подготовка среды программировании.
Для начала необходимо скачать и установить Arduino IDE с официального сайта

А также добавить в две библиотеки, необходимые для скетча. OneWire – необходима для связи с датчиками ds18b20:

U8glib – используется для вывода информации на экран:

Скачиваем библиотеки. Затем распаковываем архивы, и перемещаем содержимое архивов в папку «libraries», находящуюся в папке с установленной Arduino IDE. Также можно добавить библиотеки через Arduino IDE. Для этого, не распаковывая архивы, запускаем Arduino IDE, выбираем в меню Скетч – Подключить библиотеку. В самом верху выпадающего списка выбираем пункт «Добавить.Zip библиотеку». Указываем место нахождения скачанных архивов. После всех действий, необходимо перезагрузить Arduino IDE.

Шаг 6 Редактирование скетча.
Датчики температуры работают по протоколу One Wire и имеют уникальный адрес для каждого устройства - 64-разрядный код. Добавлять команды поиска датчиков в скетч не целесообразно. Незачем нагружать Arduino каждый раз икать датчики. Поэтому вначале, собрав все вместе, заливаем в Arduino скетч, находящийся в меню Файл – Примеры – Dallas Temperature – OneWireSearch. Затем запускаем Инструменты - Монитор порта. Arduino должна найти наши датчики, написать адреса и показания температуры. Эти адреса необходимо записать или просто скопировать куда-нибудь. Теперь открываем скетч Ard_Tic_Tak_WG12864B_2_x_Term_Serial, и ищем строки:

Byte addr1={0x28, 0xFF, 0x75, 0x4E, 0x87, 0x16, 0x5, 0x63};//адрес внутреннего byte addr2={0x28, 0xFF, 0xDD, 0x14, 0xB4, 0x16, 0x5, 0x97};//адрес внешнего датчика

Заменяем адреса соответствующих местонахождению датчиков, на свои адреса.
У нас часы не используют модуль RTC (часы реального времени), поэтому необходимо откорректировать ход часов. Для удобства раскомментируйте строку (на экране появятся секунды):

//u8g.setPrintPos(44, 50); u8g.print(sek); // Выводим секунды для контроля правильности хода

Установите правильное время, через монитор порта. Для этого откройте монитор порта, дождитесь окончания первоначальных замеров температуры, и введите текущую дату и время в формате "день, месяц, год, часы, минуты, секунды". Без пробелов, числа разделяем запятыми или точками.

Если часы спешат, меняем значение на большее, рекомендую экспериментировать с шагом в 100 единиц. Если отстаю следует уменьшить значение в строке:

If (micros() - prevmicros >494000) { // поменять на другое для корректировки было 500000

Опытным путем определяем число, при котором часы идут достаточно точно. Для определения точности хода и нужен вывод секунд. После точной калибровки числа, секунды можно закомментировать и таким образом убрать с экрана.
Заливаем скетч.

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

«Так, давайте сразу договоримся: вы не собираетесь снимать кино для Голливуда. Даже в Стране чудес утверждается не более пяти процентов от всех сценариев, и только один процент идет затем в производство… Таким образом, вместо всего этого вы собираетесь создать свой собственный Голливуд.»
Эд Гаскель «Снимаем цифровое кино, или Голливуд на дому»

Предисловие

Что, ещё одна погодная станция на Arduino?! Да, ещё одна и, что-то мне подсказывает, не последняя в интернете вещей.

Точно также, как каждый программист обязан написать программу «Hello World!», так и каждый ардуинщик обязан иметь за плечами опыт построения простой или не очень метеостанции.
Уже созданных проектов метеостанций в интернете описано немалое количество, читатель может выбрать любой из них для реализации. Не скрою, я внимательно изучил около десятка подобных проектов и ещё кучу смежных. Поэтому нельзя сказать, что я создал всё с нуля, конечно же я «стоял на плечах гигантов».

Сразу скажу, что в мои планы не входило использование сторонних сервисов для хранения и отображения данных. Хотелось лично пощупать и понять как всё это работает изнутри от начала до конца, от А до Я.

Так что тем, кто хочет быстро склепать нечто из ничего, эта серия статей скорее всего не подойдёт. Проще пойти и купить готовый конструктор с инструкцией по сборке. Профессионалам микроэлектроники тут совсем делать нечего, может быть поржать и вспомнить себя в начале пути.
А вот тем, кто действительно хочет разобраться, я думаю понравится. Возможно материал пригодится в качестве учебного пособия.

Этот проект был реализован в далеком уже 2016 году, но надеюсь еще актуален.

Набор технологий

Мы изучим и будем работать с простыми и сложными вещами:

датчиками температуры и влажности типа DHT22, DHT11
датчиком барометрического давления типа BMP180
WiFi модулем ESP8266
радиомодулем типа nRF24 2,4 Ггц
семейством Arduino Pro Mini, Arduino Mega
солнечной батареей и аккумуляторами
языком программирования C/C++
языком программирования PHP
системой управления базами данных MySQL
языком программирования Java и фреймворком Android (создание приложения для Adnroid для отображения погодных данных на смартфоне).

Некоторые темы из перечисленных и яйца выеденного не стоят, а некоторые можно изучать годами. Поэтому сложные вещи мы затронем только в части, непосредственно касающейся данного проекта, так чтобы вы поняли как это всё работает.

Но начнем мы с самого начала правильно. А именно с описания и проектирования будущего устройства «на бумаге» , чтобы в конце концов каждый кирпичик лёг на своё место.

Прототипирование

Как нам правильно говорит Википедия, прототипирование - это быстрая черновая реализация работающей системы. Которая, да, будет работать не совсем неэффективно и с некоторыми ошибками, но даст представление о том, следует ли развивать поделку до промышленного образца. Процесс создания прототипа не должен быть затяжным. За этапом прототипирования следует анализ системы и её доработка.

Но это в промышленности, где работники заняты полный рабочий день.

Каждый, кто клепает по вечерам свои поделки pet-project для «internet of things», должен отдавать себе отчёт в том, что он создаёт именно прототип, полуфабрикат. До уровня нормального промышленного изделия ему очень далеко. Поэтому не следует поручать нашим любительским поделкам какие-либо ответственные участки жизнеобеспечения и надеяться, что они нас не подведут.

Промышленное изделие строится на промышленной элементной базе и далее проходит еще много стадий, включающих отладку, испытания и сопровождение, прежде чем станет хитом продаж.

Итак, вместо всей этой тягомотины, мы создадим свою собственную игрушку, но не простую. С элементами технического творчества, зачатками программирования и познания (в процессе создания) многих других смежных вещей.

Конечно, электронщикам тяжко придется на этапе программирования, а программистам придется попотеть над схемотехникой, но автор постарается изложить всё максимально доступно и ясно описать, почему были использованы те или иные решения.

Требования

Обычно этот этап пропускают. Решая сделать что-нибудь эдакое прямо сейчас, а потом выясняются мелкие детали, которые ставят весь проект в тупик или вовсе делают его неподъемным. Все наши хотелки необходимо записывать, я использую для этого гугл диск, он доступен с ПК и с мобильного устройства.

Итак, наша метеостанция должна:

измерять температуру и влажность на улице
измерять температуру и влажность в доме
измерять атмосферное давление
отображать указанные значения на дисплее
передавать данные на сервер в интернет, где данные будут храниться в базе данных и отображаться на веб-странице, либо использоваться в мобильном приложении.

Датчики используются самые простые и дешевые. Например, забегая наперед скажу, что температуру DHT22 измеряет достаточно точно, а вот с влажностью немного неточен. Но, опять таки повторюсь, это не имеет значения, поскольку перед нами - прототип, и разброс в 5% влажности ни на что важное в нашей жизни не повлияет.

Архитектура системы, аппаратное и программное обеспечение должны обеспечивать дальнейшую расширяемость системы для добавления новых датчиков и новых возможностей.

Железо. Выбор компонентов

Вот это и есть самая ответственная часть, а вовсе не пайка или программирование. После определения требований к системе надо решить с помощью чего конкретно они будут воплощены в жизнь.

Вот тут-то и есть один ньюанс. Чтобы выбрать компоненты нужно хорошо знать их возможности, нужно знать сами технологии. То есть другими словами, здесь требуется быть далеко не начинающим электронщиком и программистом. Так что же теперь пару лет потратить на изучение всего спектра возможных устройств?

Замкнутый круг? Но замкнутые круги для того и существуют, чтобы их разрывать.

Выход есть. Можно просто взять и повторить чей-то проект. Я же изучил уже существующие проекты метеостанций и надеюсь сделал шаг вперед.

Итак. Архитектура погодной станции базируется на Arduino. Потому что Arduino имеет небольшой порог вхождения и я уже имел с этим дело. Дальше выбирать уже проще.

Сразу стало ясно, что в составе метеостанции будет удаленый, заоконный датчик и центральный модуль.

Центральный, основной блок будет расположен внутри помещения. Это важно определить на начальном этапе, от этого «пляшут» такие важные характеристики как температурный режим работы и питание.

Удаленный датчик (или датчики) будет без «мозгов», его задача - периодически проводить измерения и передавать данные на центральный домашний блок. Центральный блок принимает данные от всех датчиков, показывает их на экране и отправляет их же в интернет в базу данных. Ну, а там уже много проще, как только данные оказываются в базе с ними можно делать всё что захочешь, даже графики рисовать.

Для сношений с внешним миром интернет был однозначно выбран WiFi модуль ESP8266 практически без альтернативы (прим. возможно сейчас такие альтернативы появились). К Arduino выпускаются Ethernet платы расширения, но совсем не хотелось привязываться к кабелю.

Интересный вопрос состоял в том, чем обеспечивать связь между заоконным датчиком (или датчиками, про требование расширяемости системы помним?) и центром. Радиомаячки на 433 Мгц однозначно не подходят (они не подходят ни для чего вообще).

Воспользоваться опять ESP8266 ?

Минусы такого решения:

необходим устойчивый WiFi за пределами дома

дальность связи не будет большой

пострадает надежность, при пропадании интернета мы не увидим свои удаленные датчики

большее энергопотребление.

Энергопотребление ESP8266:

при передаче 120-170 mA

при приеме 50-56 mA

в режиме Deep Sleep 10 µA (мкА)

в выключенном состоянии 5 µA (мкА).

В конце концов для связи удаленных датчиков с основным домашним блоком был выбран чип nRF24L01+ с 2,4 Ггц передатчиком и приемником в одном флаконе, с дополнительной внешней антенной, чтоб уж наверняка «пробить» стены.

Энергопотребление nRF24L01+ 2,4 GHz:

при приеме 11 mA
при передаче на скорости 2Mbps - 13 mA
в режиме standby-I - 26 μA (мкА)
в выключенном состоянии 900 nA (нА).

Что у ESP8266, что у nRF24L01+ диапазон рабочих температур подходящий: от -40℃ до +80℃.

Купить nRF24L01+ можно примерно за $1, или сразу с внешней антенной за $3. Купить ESP8266-01 можно примерно за $4. Читайте внимательно описание товара! Иначе купите одну антенну.

Ядро системы вырисовалось. Переходим к самим датчикам.

На улице, как известно, температура может достигать отрицательных значений, поэтому датчик DHT11 не подходит, а вот DHT22 в самый раз.

Характеристики DHT22 / AM2302:

питание от 3,3 В до 5 В, рекомендуется 5 В
потребление 2.5mA максимум, в момент измерения и передачи данных
диапазон измерения влажности 0-100% с погрешностью 2-5%
диапазон измерения температуры от -40 до +125°C с погрешностью ±0.5°C
запрос на измерение не чаще 0,5 Гц - одного раза в 2 секунды.

Внутри дома, я надеюсь, отрицательных температур не будет, поэтому можно использовать DHT11, тем более, что он у меня уже был.

Характеристики DHT11:

питание от 3,3 В до 5 В
потребление 2,5 mA максимум, в момент измерения и передачи данных
диапазон измерения влажности 20-80% с погрешностью 5%
диапазон измерения температуры от 0 до +50°C с погрешностью ±2°C
запрос на измерение не чаще 1 Гц - одного раза в секунду.

Купить DHT22 можно примерно за $3. DHT11 стоит дешевле - $1, но он и менее точен.

Теперь возвращаемся опять к Arduino. Какую плату выбрать?

Я тестировал отдельные части системы на Arduino UNO. Т.е. подключал к уно ESP модуль и изучал его, отключал, затем подключал nRF24 и т.д. Для финальной реализации заоконного датчика выбрал Arduino Pro Mini как наиболее близкую к Uno из миниатюрных.

По энергопотреблению Arduino Pro Mini также выглядит неплохо:

нет преобразователя USB-TTL, который сам по себе «кушает» много,
светодиод подключен через 10к резистор.

Для продвинутого сбережения энергии планировалось:

удалить светодиод - индикатор питания на Arduino Pro Mini (я пожалел, не стал портить плату)
либо использовать «голую» сборку на микропроцессоре Atmel ATmega328 (не использовал)
использовать библиотеку Low Power Library или JeeLib .

Из библиотек выбрал Low Power Library , она проста и содержит только то, что нужно.

Для центрального блока, поскольку к нему планировалось подключить многочисленную периферию, была выбрана плата Arduino Mega. К тому же она полностью совместима с UNO и имеет больше памяти. Забегая наперед скажу, что этот выбор полностью оправдался.

Купить Arduino Mega можно примерно за $8.

Питание и энергопотребление

Теперь про питание и энергопотребление.

Arduino Pro Mini бывают двух видов:

на напряжение питания 5В и частоту 16МГц
на напряжение питания 3,3В и частоту 8МГц.

Поскольку радио-модуль nRF24L01+ требует для питания 3,3 В, а быстродействие здесь не важно, то покупайте Arduino Pro Mini на 8MHz и 3,3В.

При этом диапазон питающего напряжения Arduino Pro Mini составляет:

3,35-12 В для модели 3,3 В
5-12 В для модели 5 В.

У меня уже была Arduino Pro Mini на 5В, только поэтому я её и использовал. Купить Arduino Pro Mini можно примерно за $4.

Питание центрального блока будет от сети 220 В через небольшой блок питания, дающий на выходе 12В, 450mA, 5W. Типа такого за $5. Там еще есть отдельный вывод на 5В.

А ежели этого не хватит, то можно и помощнее поставить. Другими словами экономить электропитание для центрального блока нет особого смысла. А вот для удаленного беспроводного датчика энергосбережение является важнейшей частью. Но и функциональность не хотелось бы терять.

Поэтому Arduino Pro Mini и радиомодуль nRF24 будут запитываться от связки 4-х Ni-Mh аккумуляторов.

И помните, максимальная емкость современного аккумулятора примерно 2500-2700mAh, всё что больше это либо маркетинговые уловки (Ansmann 2850) либо обман (UltraFire 3500).

Li-Ion аккумуляторы я не использую по нескольким причинам:

очень дорогие
при снижении температуры окружающего воздуха ниже 0°C происходит снижение мощности литий-ионного аккумулятора до 40-50%
те которые дешёвые производятся без защиты и небезопасны (при КЗ или разряде могут взрываться и гореть, см. кучу роликов на ютюбе)
стареют, даже если не используются (впрочем это можно сказать обо всех химических элементах), через 2 года Li-Ion батарея теряет около 20% ёмкости.

Для прототипа вполне можно обойтись качественными Ni-MH AA или AAA аккумуляторами. Тем более, что нам не нужны большие токи. Единственный минус Ni-MH аккумуляторов - это их долгая зарядка.

Общая схема метеостанции

Подведем итоги. Вот общая схема как всё работает.

Продолжение следует.

Продолжаем развивать нашу метеостанцию.

Перед тем, как перейти к обновлению, хочу внести немного ясности.

Мне написал один из наших коллег с вопросом, по какой причине введен сторожевой таймер?

Сторожевой таймер стоит на случай ч.п. Как показывает практика, ENC28J60 не тянет более (если не подводит память) 4 одновременных соединений. Учитывая сколько служебных соединений, постоянно происходит для поддержания работы самой сети, и просто левый трафик, создаваемый всяческими домашними игрушками (например, современные телевизоры, сканируют доступные хосты в сети и открытые у них порты) конструкция попросту уходит в ступор. ENC28J60 не умеет самостоятельно работать с сетевыми протоколами и все реализовано в библиотеках. Возможно дело именно в них.
Проверял все доступные библиотеки и разные модули (вдруг брак), но добиться стабильной работы в течении длительного времени у меня не получилось. Максимальный срок был порядка 3-4 недель.
Именно для этого там крутится "пес" и в случае чего дергает контроллер. После этого проблема ушла.
Также не отрицаю, что возможно в моей домашней сети есть определенные нюансы или проблемы. Но раз проблема была у меня, она может выплыть и у другого человека. Я пока нашел только такое решение.
Насколько мне известно, на чипах от Wiznet (W5100 и выше) этого нет, ну или просто плохо искали.

Переходим к обновлению

Самое главное, мы уходим от чипа ENC28J60 и переходим на W5100 . Я пытался реализовать все на старом чипе, но не хватает памяти микроконтроллера из-за очень больших библиотек для ENC28J60 . При использовании нового чипа, стандартной библиотеки от разработчика и всех внесенных изменений, остается еще более 20% свободной памяти микроконтроллера ATMega328 . А это, новые плюшки!

В этой версии (назовем её второй) добавлена возможность передачи показаний с датчиков по беспроводной связи используя частоту 433 мГц . Сами модули я брал у Китайцев, маркировка XY-MK-5V . Хочу отметить, что качество передачи далеко от совершенства. Возможны потери сигнала, шумы, не возможность одновременной передачи и т.д и т.п. Но их цена (менее $1 за комплект) компенсируют эти недостатки. Скажу Вам по секрету, что именно эти (самые дешевые) модули стоят во многих фирменных метеостанциях для домашнего использования. Ого, неожиданно?

Начнем с базовой станции

Мы переходим на Arduino UNO и Ethernet Shield (первой версии) на базе чипа W5100 . Это бутерброд и описывать его нету смысла. Я опишу только дополнительно задействованные контакты для модулей XY-MK-5V .

Модуль передатчика использует питание 5V , GND (куда без матушки то) и D2 пин на контроллере. Изменить контакт D2 (DATA) можно, используя функцию vw_set_tx_pin из библиотеки vw.

В отличии от предыдущего скетча, в этом задействованы две дополнительные библиотеки:

#include #include

Сам скетч

Скрытый текст

#include #include #include #include #include #include #include #include #define DHTTYPE DHT22 #define DHTPIN 5 DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); byte mac = {0x54, 0x34, 0x31, 0x31, 0x31, 0x31}; char server = "narodmon.ru"; int port = 8283; IPAddress ip(192,168,0,201); EthernetClient client; BMP085 dps = BMP085(); long Temperature = 0, Pressure = 0; float H, dP, dPt; bool interval = true; EasyTransferVirtualWire ET; struct SEND_DATA_STRUCTURE{ byte ID; // Идентификатор устройства int Temperature; // Температура float Pressure; // Давление float Humidity; // Влажность float dewPoint; // Точка росы/инея }; SEND_DATA_STRUCTURE broadcast; void setup() { // Инициализация сторожевого таймера (Watchdog timer) wdt_disable(); delay(8000); wdt_enable(WDTO_8S); // Инициализация консоли Serial.begin(9600); // Инициализация датчика DHT dht.begin(); // Инициализация модуля 433 мГц ET.begin(details(broadcast)); vw_set_ptt_inverted(true); vw_set_tx_pin(2); vw_setup(2000); // Стартуем сеть, если не дождались данных с DHCP сервера то // присваеваем себе адрес самостоятельно if (Ethernet.begin(mac) == 0) Ethernet.begin(mac, ip); // Инициализация 1-Wire Wire.begin(); delay(200); // Инициализация BMP180 с корректировкой высоты // dps.init(MODE_STANDARD, 3200, true); // Инициализация BMP180 dps.init(); Serial.println(Ethernet.localIP()); // Отправляем первые данные сразу после включения устройства send_info(true); } // dewPoint function NOAA // reference (1) : http://wahiduddin.net/calc/density_algorithms.htm // reference (2) : http://www.colorado.edu/geography/weather_station/Geog_site/about.htm double dewPoint(double celsius, double humidity) { // (1) Saturation Vapor Pressure = ESGG(T) double RATIO = 373.15 / (273.15 + celsius); double RHS = -7.90298 * (RATIO - 1); RHS += 5.02808 * log10(RATIO); RHS += -1.3816e-7 * (pow(10, (11.344 * (1 - 1/RATIO))) - 1) ; RHS += 8.1328e-3 * (pow(10, (-3.49149 * (RATIO - 1))) - 1) ; RHS += log10(1013.246); // factor -3 is to adjust units - Vapor Pressure SVP * humidity double VP = pow(10, RHS - 3) * humidity; // (2) DEWPOINT = F(Vapor Pressure) double T = log(VP/0.61078); // temp var return (241.88 * T) / (17.558 - T); } void send_info(bool eth) { bool fail = true; while(fail) { // Пытаемся считать данные с датчика влажности DHT до тех пор, пока не получим // результат. В 90% случаев все работает нормально, но нам нужны 100% if((H = dht.readHumidity()) >= 0) { // Получение влажности и температуры с датчика BMP180 dps.getPressure(&Pressure); dps.getTemperature(&Temperature); // Подсчитываем точку росы, если температура на улице выше 0 градусов Цельсия // и ожидаем результат выше 0, в противном случае выводим 0. Это необходимо // чтобы не вводить в заблуждения в зимее время года. // dP = Temperature>0?((dPt=dewPoint(Temperature*0.1, H))<0?0:dPt):0; dP = dewPoint(Temperature*0.1, H); // Отправляем данные в эфир 433 мГц broadcast.ID = 1; broadcast.Temperature = floor(Temperature*0.1); broadcast.Pressure = floor(Pressure/133.3*10)/10; broadcast.Humidity = floor(H*10)/10; broadcast.dewPoint = floor(dP*10)/10; ET.sendData(); delay(250); if(eth) { // Подключаемся к серверу "Народный мониторинг" if(client.connect(server, port)) { // Начинаем передачу данных // адрес_устройства_в_проекте, имя_устройства, GPS широта, GPS долгота client.print(F("#fe-31-31-0e-5a-3b#Arduino Uno#71.344699#27.200014\n")); // Температура client.print(F("#T0#")); client.print(Temperature*0.1); client.print(F("#Температура\n")); // Давление client.print("#P1#"); client.print(Pressure/133.3); client.print(F("#Давление\n")); // Влажность client.print("#H1#"); client.print(H); client.print(F("#Влажность\n")); // Точка росы\инея client.print("#T1#"); client.print(dP); client.print((dP <= 0)? F("#Точка инея\n"):F("#Точка росы\n")); //client.print(F("#Точка росы\n")); // Отправляем конец телеграммы client.print("##"); // Даем время отработать Ethernet модулю и разрываем соединение delay(250); client.stop(); } } // Останавливаем цикл, если передача завершена fail = !fail; break; } delay(250); } } void loop() { // Каждые 4 секунды сбрасываем сторожевой таймер микроконтроллера // Каждые 6 минут отправляем данные на "Народный мониторинг" // Каждые 30 секунд отсылаем данные в эфир 433 if(!(millis()%1000)) wdt_reset(); if(!(millis()%360000)) send_info(true); if(!(millis()%30000)) send_info(false); }

К самим модулям необходимо добавить антенну. Для 433 мГц достаточно обычного медного провода длинной 17 см . Без антенны можете забыть о нормальной работе.

Переходим к самой важной части этого обновления - локальная беспроводная станция

Для её реализации (на коленке) я использовал аналог Arduino NANO (на базе ATMega328 ) и TFT дисплей на чипе ST7735S с разрешением 128 x 160

Скрытый текст

Распиновка дисплей -> контроллер

Модуль приемник подключается также как передатчик, только DATA к пину D7 .

Пару снимков, как это выглядит:

Скрытый текст

Скетч приемника

Скрытый текст

#include #include #include #include int x, y; int w = 128, h = 160; int size; // 433 EasyTransferVirtualWire ET; struct SEND_DATA_STRUCTURE{ byte ID; // Идентификатор устройства int Temperature; // Температура float Pressure; // Давление float Humidity; // Влажность float dewPoint; // Точка росы/инея }; SEND_DATA_STRUCTURE broadcast; int Log_Temperature = -1; float Log_Pressure = -1; float Log_Humidity = -1; float Log_dewPoint = -1; // TFT #define cs 10 #define dc 9 #define rst 8 char Temperature, Pressure, Humidity, dewPoint; String info; TFT TFTscreen = TFT(cs, dc, rst); void setup(){ Serial.begin(9600); // Инициализация модуля 433 мГц ET.begin(details(broadcast)); vw_set_ptt_inverted(true); vw_set_rx_pin(7); vw_setup(2000); vw_rx_start(); // Инициализация и начальная настройка дисплея TFTscreen.begin(); TFTscreen.setRotation(2); TFTscreen.background(0, 0, 0); // Рисуем статические элементы // 1. Заходите к нам в гости TFTscreen.stroke(255, 255, 255); TFTscreen.setTextSize(1); TFTscreen.text(" ", 10, 10); // 2. Описание показаний с датчиков TFTscreen.text("mmHg", w/2+5, 80); TFTscreen.text("%", w/2+5, 100); TFTscreen.text("C", w/2+5, 120); broadcast.Temperature = 0; broadcast.Pressure = 0; broadcast.Humidity = 0; broadcast.dewPoint = 0; TFTPrint(); } void loop(){ if(ET.receiveData()){ if(broadcast.ID == 1) TFTPrint(); /* Serial.println(broadcast.Temperature); Serial.println(broadcast.Pressure); Serial.println(broadcast.Humidity); Serial.println(broadcast.dewPoint); Serial.println(); */ } } void changes(int size, int x, int y, bool up, bool clear = false) { if(clear) TFTscreen.stroke(0, 0, 0); else { changes(size, x, y, !up, true); TFTscreen.stroke((up)?0:255, 0, (up)?255:0); } if((size%2) == 0) size++; while(size > 0) { TFTscreen.line(x, y, x+(size--), y); ++x, (up)?--y:++y, --size; } /* while(size > 0) { TFTscreen.line(x, y, (up)?x+size-1:x, (up)?y:y+size-1); ++x, ++y, --size; } */ } int x_center(int w, int length, int size) { return floor((w-length*(size*5)+size*2)/2); } int x_alignment_right(int w, int length, int size) { return ceil(w-length*(size*5)+size*2); } void TFTPrint() { size = 3; // ================================================================================== // Вывод показаний температуры // ================================================================================== if(broadcast.Temperature != Log_Temperature) { TFTscreen.setTextSize(size); // Затираем устаревшие данные String info = String(Log_Temperature); info.concat(" C"); if(Log_Temperature > 0) info = "+"+info; info.toCharArray(Temperature, info.length()+1); TFTscreen.stroke(0, 0, 0); TFTscreen.text(Temperature, x_center(w, info.length()+1, size), 35); // Выводим новые показания info = String(broadcast.Temperature); info.concat(" C"); if(broadcast.Temperature > 0) info = "+"+info; info.toCharArray(Temperature, info.length()+1); // Меняем цвет значения температуры в зависимости от самой температуры int r, g = 0, b; if(broadcast.Temperature > 0) { r = map(broadcast.Temperature, 0, 40, 255, 150); // Красный b = map(broadcast.Temperature, 0, 40, 30, 0); // Изменяем оттенок для более наглядного перехода через ноль } else { r = map(broadcast.Temperature, -40, 0, 0, 30); // Изменяем оттенок для более наглядного перехода через ноль b = map(broadcast.Temperature, -40, 0, 150, 255); // Синий } TFTscreen.stroke(b, g, r); // ВНИМАНИЕ: в библиотеке перепутаны позиции цветов, место RGB используется BGR! TFTscreen.text(Temperature, x_center(w, info.length()+1, size), 35); } size = 1; // ================================================================================== // Вывод показаний давления // ================================================================================== if(broadcast.Pressure != Log_Pressure) { TFTscreen.setTextSize(size); // Затираем устаревшие данные info = String(Log_Pressure); info.toCharArray(Pressure, info.length()); TFTscreen.stroke(0, 0, 0); TFTscreen.text(Pressure, x_alignment_right(w/2-5, info.length(), size), 80); // Выводим новые показания info = String(broadcast.Pressure); info.toCharArray(Pressure, info.length()); TFTscreen.stroke(255, 255, 255); TFTscreen.text(Pressure, x_alignment_right(w/2-5, info.length(), size), 80); changes(10, 106, 85, (broadcast.Pressure > Log_Pressure)?true:false); } else { changes(10, 106, 85, true, true); changes(10, 106, 85, false, true); } // ================================================================================== // Вывод показаний влажности // ================================================================================== if(broadcast.Humidity != Log_Humidity) { TFTscreen.setTextSize(size); // Затираем устаревшие данные info = String(Log_Humidity); info.toCharArray(Humidity, info.length()); TFTscreen.stroke(0, 0, 0); TFTscreen.text(Humidity, x_alignment_right(w/2-5, info.length(), size), 100); // Выводим новые показания info = String(broadcast.Humidity); info.toCharArray(Humidity, info.length()); TFTscreen.stroke(255, 255, 255); TFTscreen.text(Humidity, x_alignment_right(w/2-5, info.length(), size), 100); changes(10, 106, 105, (broadcast.Humidity > Log_Humidity)?true:false); } else { changes(10, 106, 105, true, true); changes(10, 106, 105, false, true); } // ================================================================================== // Вывод показаний точки росы\инея // ================================================================================== if(broadcast.dewPoint != Log_dewPoint) { TFTscreen.setTextSize(size); // Затираем устаревшие данные info = String(Log_dewPoint); info.toCharArray(dewPoint, info.length()); TFTscreen.stroke(0, 0, 0); TFTscreen.text(dewPoint, x_alignment_right(w/2-5, info.length(), size), 120); // Выводим новые показания info = String(broadcast.dewPoint); info.toCharArray(dewPoint, info.length()); TFTscreen.stroke(255, 255, 255); TFTscreen.text(dewPoint, x_alignment_right(w/2-5, info.length(), size), 120); changes(10, 106, 125, (broadcast.dewPoint > Log_dewPoint)?true:false); } else { changes(10, 106, 125, true, true); changes(10, 106, 125, false, true); } // Обновляем значения в логах для последующего сравнения показаний Log_Temperature = broadcast.Temperature; Log_Pressure = broadcast.Pressure; Log_Humidity = broadcast.Humidity; Log_dewPoint = broadcast.dewPoint; }

Показания отображаются довольно компактно, но как показывает практика (и советы моих товарищей) - "на вкус и цвет, даже жена не товарищ". Я выслушал кучу советов и предложений, но они противоречат друг другу. Поэтому делайте под свой вкус.

Как мне показалось, дизайн это та часть проекта, которая отнимает большую часть времени!

Скрытый текст

Часть данных сфабрикованы для отображения некоторых элементов дизайна.

Артефакты на дисплее, это пыль и прочая грязь скопившаяся за долго время нахождения дисплея в... где то там, ... ну там, не помню откуда его достал! Отстаньте!

В скетче имеются функции позиционирования. Они довольно примитивны, но позволяют добиться определенных эффектов.

x_center
x_alignment_right

Первая производит центровку текста, а вторая выравнивание по правой части указанной зоны. Все вычисления производятся относительно размеров заданного текста, исходя из выражения 1 size = 1PX х 1PX сегмента шрифта.

На дисплее также отображаются элементы соответствующие повышению или понижению той или оной величины показаний. Отображаются они в виде треугольников. Но в коде функции changes есть альтернативное отображение в виде треугольников повернутых на 45 градусов. Если показания повышаются то элемент красный, в противном случае, синий.

Кстати, цвет и оттенок основной температуры изменяется в зависимости от самой температуры. Довольно спорное решение, но на мой взгляд, визуально комфортное. Я некоторое время бился над ней, и понял, что значения в функции stroke , объекта TFT дисплея, указаны в неверном порядке. BGR место RGB . Это ошибка разработчика, ну или я что-то не понимаю.

PS : Все довольно интересно, но на мой взгляд заслуживает дальнейшего развития. Чем и займемся через какое то время.