Моя самодельная домашняя метеостанция на Arduino Nano. Очередной умный дом, в нескольких частях

Сегодня будет подробный рассказ о внутреннем устройстве метеостанции, которую включил в работу. От идеи до её технической реализации прошло более года, за это время пришлось решить массу ожидаемых и неожиданных проблем. Теперь обо всём по порядку...

Начнем с грабель.

Грабли №1 . Наверное кто-нить помнит что в начале прошлого года я радиомодули на базе чипа nRF24L01+ c усилителем RFX2401C и в дальнейшем собирал

Увы, данная конструкция работать не захотела. Не смотря на все попытки, мне так и не удалось обеспечить надёжную двухстороннюю связь радиомодулей на значительных расстояниях. Конструкция отняла довольно много сил и времени, но, в силу объективных причин, пришлось отказаться от этого варианта.

И тогда решил достать из закромов опытно-экспериментальный маршрутизатор TP Link MR3220 c системой OpenWRT на борту.

Принципиальная схема метеостанции несколько отличается от той, которую разрабатывал . Первое отличие - применение вместо Arduino Pro Mini платы Arduino Nano. Это позволило выполнять удалённую перепрошивку микроконтроллера, что очень удобно когда физический доступ на объект затруднён

Грабли №2 Я применил китайский клон Arduino Nano v.3.0, о котором подробнее рассказывал . Но возникла неожиданная проблема - при открытии маршрутизатором USB-порта, ардуинка стала перезагружаться. Все возможные варианты конфигурирования USB порта командой stty результата не принесли. С FT232RL такой проблемы не наблюдалось. Пришлось подключить RC-цепочку R1C1 на свободный порт GPIO7 маршрутизатора, это схемное решение позволило блокировать перезагрузку в нормальном режиме работы микроконтроллера. При необходимости перепрошивки нужно вручную включать GPIO7.

Конфигурирование порта

echo "7" > /sys/class/gpio/export

Конфигурируем GPIO7 как выход

echo out > /sys/class/gpio/gpio7/direction

Включить GPIO7

echo 1 > /sys/class/gpio/gpio7/value

Выключить GPIO7:

echo 0 > /sys/class/gpio/gpio7/value

Проверить состояние порта:

cat /sys/class/gpio/gpio7/value

Так как точность термодатчиков семейства DS1820 при отрицательных температурах оставалась под вопросом, для точного измерения температуры решил дополнительно использовать медный термометр сопротивления ТСМ-50М совместно с измерительным преобразователем Ш79. Разумеется, предварительно откалибровал систему с использованием поверенных образцовых приборов и добился погрешности измерения не более 0.2 градуса в диапазоне температур -50...+50 градусов Цельсия.

Ш79 это уже достаточно древний, весьма надёжный советский преобразователь, построенный по классической МДМ-схеме с унифицированным токовым выходом 0...5 мА или напряжением 0...10 В. В данном случае использовал токовый сигнал.

Несмотря на простую принципиальную схему, столкнулся с огромным объемом механической работы. Одно дело когда схема собрана за полчаса на макетной плате и совсем другое - когда устройству нужно придать законченный вид.

Печатная плата метеоконтроллера

Контроллер поместил в гермобокс

Маршрутизатор и метеоконтроллер закрепил на боковой стенке Ш79.

Вид сбоку

И вся эта система помещается в металлический ящик

Внутренности ящика

Так как ещё не знал в каком помещении будет установлен данный шкаф, решил сделать ему обогрев. Температура внутри ящика поддерживается обыкновенным биметаллическим термостатом, на фото выше виден его круглый корпус.

Резисторы обогрева закрыл металлическим кожухом. Круглые отверстия используются для подведения кабелей внутрь шкафа.

Конструкция в собранном виде

Выносные датчики температуры и влажности расположены на отдельной печатной плате

Для защиты от атмосферных воздействий плата покрыта лаком ХСЛ

Сверху кожух закрывает крышка

Внутрь кожуха поместил плату с датчиками и растянул её при помощи толстой рыболовной лески. Это сделано для того чтобы снизить теплопередачу между кожухом и платой датчиков. Данную конструкцию почему-то решил назвать измерительной ячейкой.

UPD: Не смотря на все предпринимаемые меры, как показала практика, солнечные лучи все-таки влияют на показания термометра - нагревается кожух и от него греется сам датчик. Поэтому в настоящее время используется уличный термокожух заводского исполнения, он показал значительно лучшие результаты. Подробнее о данном термокожухе можно почитать .

О конструкции анемометра более подробно рассказывал .

UPD: В настоящее время используется новая конструкция анемометра, подробнее можно почитать . Программа для работы с данным анемометром приведена в конце статьи.

Все выносные датчики соединяются с контроллером посредством 5 парного магистрального телефонного кабеля ТППэп длиной 100 метров. На конце кабеля распаял слегка модернизированную соединительную коробку КРТН-10.

Грабли №3 Для защиты контроллера от атмосферной статики и возможных грозовых перенапряжений хотел поставить защитные диоды 1.5КЕ7.5 на порты D2, D3, D4. Увы, собственная ёмкость данных диодов не позволила пропускать цифровые данные. Поэтому пришлось ограничиться установкой диода D1 по питанию +5V и заземлением экранной оболочки магистрального кабеля.

К данной коробочке подключаются сами датчики

Измерительная ячейка установлена на относительно открытом участке местности на высоте 3-х метров от поверхности земли, это на метр выше положенного по правилам, но сделал это намеренно, т.к. в нашей местности есть вероятность появления высоких сугробов.

Анемометр укреплён на высоте 5 метров, по хорошему нужно ставить выше, но с этим есть конструктивные сложности. Пусть пока поработает так.

Программная часть особо не изменилась: на маршрутизаторе работает php-скрипт отсылки данных на сервер narodmon

который каждые 5 минут запускается планировщиком cron

Программа ардуинки ждёт приема команды от скрипта и формирует пакет данных. Предусмотрел возможность ручной коррекции атмосферного давления для его приведения к уровню моря, метеостанции или аэродрома.

P.S. А вообще использование Wi-Fi для передачи метеоданных не оптимально, было бы лучше использовать УКВ-диапазон, собственно, так и сделано на автоматических метеостанциях. Это повысит дальность связи и снизит требования к месту установки, точнее к наличию прямой радиовидимости.

Принципиальную схему и печатные платы можно скачать

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 :

Катоды сегментов подключены к выводам Arduino :

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 ):

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 ):

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 (- ):

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 :

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:

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

РУКОВОДСТВО ПО СОЗДАНИЮ ПРОСТОЙ ДОМАШНЕЙ МЕТЕОСТАНЦИИ СВОИМИ СИЛАМИ

Если целый день или вообще круглосуточно включен компьютер, его можно использовать для работы домашней метеостанции. Поставлена цель создать простую и недорогую метеостанцию, в которой будет задействован персональный компьютер (ПК). ПК выступает в роли считывателя, обработчика и отправителя на сайт "Метеопост" измеренных метеорологических данных. Связь между компьютером и измерительным блоком будет осуществляться по сети 1-Wire.

Состав измерительного комплекса
1. Персональный компьютер с операционной системой Windows XP и выше и наличием свободного COM порта.
2. Адаптер для COM порта (преобразователь 1wire - RS232)
3. 4-х жильный Ethernet кабель типа "витая пара", длины должно хватить от COM порта до измерительного блока
4. Блок питания на 5В постоянного тока с хорошей стабилизацией напряжения
5. Измерительный блок (установлен на улице)
6. Программное обеспечение для ПК - приложение "Метеостанция".

ВАРИАНТ №1 - ОДИН ДАТЧИК

Сначала рассмотрим самый простой вариант - это метеостанция с одним датчиком температуры. Для этого не нужен дополнительный блок питания (п.4). И система очень упрощается. Адаптер для COM порта (п.2) можно выполнить по такой схеме. Адаптер состоит из двух стабилитронов на 3.9В и 6.2В, двух диодов Шотки и одного резистора.

Схема адаптера для COM порта

Адаптер в корпусе D-SUB

Место пайки кабеля и датчика температуры, включительно и выводы датчика нужно хорошо защитить от влаги. Лучше всего применить клей на полиуретановой основе.

Гидроизоляция выводов датчика

Эта система обеспечит мониторинг температуры с точностью до десятых градуса. При этом в окне приложения будет виден график зависимости температуры воздуха от времени и иконка в трее будет всегда показывать текущую температуру. Приложение позволяет задавать интервал измерений.

СТОИМОСТЬ РАДИОДЕТАЛЕЙ - не выше 50 грн.

ВАРИАНТ №2 - ЧЕТЫРЕ ДАТЧИКА

Более сложная метеостанция с четырьмя датчиками: температура, влажность, освещенность, давление. Поскольку только датчик температуры будет цифровой, а остальные аналоговые - в системе используется четырехканальный АЦП ds2450. Этот АЦП поддерживает протокол 1-wire. Схема требует дополнительного источника питания. Источник питания должен обеспечивать высокую стабильность напряжения. Но поскольку схема выше описанного адаптера имеет недостаток - невозможность подключения к датчикам внешнего источника питания из-за отсутствия реальной массы (-), используем другую схему адаптера. Этот адаптер также умещается в корпусе разъема COM порта типа D-SUB. Теперь в кабеле задействованы три провода: масса (-), +5в и данные.

Схема адаптера для COM порта с внешним питанием

Схема измерительного блока вполне может быть выполнена даже на макетной плате. Нужно только уделить особое внимание гидроизоляции контактов. Самый простой способ это расплавить парафин и кисточкой нанести его во все оголенные места на плате. Если плата будет незащищенной от воды, будут утечки напряжения и будет много ошибок в измерениях. В нашем случае даже сотые доли Вольта существенно влияют на результаты.

Схема измерительного блока

Измерительный блок нужно разместить в корпусе и таком, чтобы плата и датчики были защищены от прямого воздействия осадков и солнечного излучения. Для этих целей хорошо подходит коробка из плотного пенопласта. В стенках коробки (дно и стенка с теневой стороны) нужно сделать побольше отверстий для вентиляции. Стенки коробки изнутри желательно обклеить алюминиевой фольгой для дополнительной защиты от инфракрасного излучения, иначе будет погрешность измерения температуры. Все датчики, кроме освещенности, размещаются прямо на плате. Датчик освещенности (фоторезистор) выносится из платы на проводах и устанавливается в отверстии дна пенопластового корпуса. Так, чтобы поверхность датчика смотрела вниз. В таком случае на датчик не будут попадать осадки и особенно зимой это убережет его от обледенения. Датчик освещенности для гидроизоляции нужно обработать, например, прозрачным клеем на полиуретановой основе (силиконовый герметик тест не прошел, он давал утечку тока). Обработать включительно (!) и светочувствительную зону фоторезистора. Выводы датчика залить клеем и разместить их можно в изоляционной трубочке. Концы выводов припаять к маленькой плате. А уже провода от измерительного блока припаять к этой плате. Места пайки залить парафином. Иначе, когда идет проливной дождь с ветром, метеостанция может оказаться неработоспособной и придется разбирать ее и все высушивать. Блок можно соединить с кабелем с помощью разъема. Но нужно использовать специальный влагозащитный разъем - система будет работать в сложных погодных условиях.

Если приходится размещать корпус за окном многоэтажки (нет возможности установить на стойке у земли) то коробку нужно удалить от стены дома насколько это возможно, на кронштейне. Иначе нагрев воздуха от стены дает очень искаженные данные о температуре. В условиях частного дома лучше конечно изготовить настоящую метеобудку. Нужно позаботиться о надежном креплении корпуса, иначе сильные порывы ветра могут оторвать нашу конструкцию.

Измерительный блок на кронштейне

Выходное напряжение блока питания (БП) должно быть в пределах 4.8-5.3В. Подойдет и зарядка от старого телефона. Однако если в блоке питания нет стабилизатора - нужно добавить его в блок питания, т.к. для точности измерений очень важно наличие стабильного напряжения. Можно хотябы проверить тестером - изменяются ли десятые или сотые волта на выходе БП. Скачки десятых волта не допускаются. Простая схема стабилизатора на 5в приведена ниже. На входе БП может быть от 7 до 17В. На выходе будет около 5В. После этого нужно подключить наш кабель (который идет к измерительному блоку) к БП и измерить напряжение тестером на другом конце кабеля. Это напряжение может быть несколько ниже, чем непосредственно на выходе БП, из-за сопротивления кабеля. Это измеренное напряжение нужно ввести в настройках приложения как "Напряжение питания датчиков".

Типичная схема стабилизатора напряжения

СТОИМОСТЬ КОМПЛЕКТУЮЩИХ ДЛЯ МЕТЕОСТАНЦИИ

Примерная стоимость радиодеталей (цены 2015 года по магазину ).
1. Датчик температуры ds18b20 - 25 грн
2. АЦП ds2450 - 120 грн
3. Фоторезистор LDR07 - 6 грн
4. Датчик влажности HIH-5030 - 180 грн
5. Датчик давления MPX4115A- 520 грн.
ВСЕГО: 850 грн или 37$

Остальные элементы в сумме стоят не выше 50 грн, блок питания можно взять, например, со старой "зарядки" для телефона.

Маркировка радиоэлементов

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ МЕТЕОСТАНЦИИ

Мы разработали приложение для Windows, которое предоставим бесплатно любому желающему собрать такую метеостанцию. Оно позволит вам на своем ПК наблюдать за погодой.

Окно приложения для ПК

В системном трее отображается температура воздуха

Все измеренные данные приложение может отправлять на наш сервер "Метеопост" и на специальной странице (пример) можно просматривать все метеоданные с браузера ПК. Также страница адаптирована и для браузера мобильного телефона.

Снимок экрана браузера мобильного телефона

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Можно сэкономить на стоимости деталей, если покупать их у китайцев на AliExpress. Возможно собрать метеостанцию без любого из датчиков, за исключением датчика температуры. У нашего АЦП остался один свободный вход, поэтому на него можно еще подать сигнал от датчика ветра. Но поскольку мы находимся в городе - установить и протестировать такой датчик нам попросту негде. В городской застройке не будет адекватного измерения скорости и направления ветра. Способы самостоятельного изготовления датчика скорости ветра подробно описаны многими энтузиастами в сети. Заводской датчик стоит довольно дорого.

Собрать такую метеостанцию под силам радиолюбителю со средними навыками. Для еще большего упрощения можно не разводить печатную плату, а собрать навесным монтажом на макетной плате. Проверено - работает.

Мы попытались создать именно доступную, дешевую метеостанцию. В частности для этого в системе задействован компьютер. Если его исключить, то нужно делать еще блок индикации, блок передачи данных в сеть и т.д, что существенно прибавит в цене. Например, сейчас популярная "Netatmo Weather Station" с подобными измеряемыми параметрами стоит около 4000 грн (200$).

Всем желающим сделать себе такую метеостанцию готовы помочь консультациями. Также предоставим необходимое программное обеспечение и подключим вашу станцию к нашему сайту.

Вам понадобится

• - Плата Ардуино или аналог;
• - датчик температуры и влажности DHT11;
• - датчик давления BMP085;
• - датчик углекислого газа MQ135;
• - LCD дисплей 1602;
• - потенциометр 10 кОм;
• - корпус для погодной станции;
• - кусок фольгированного стеклотекстолита;
• - винты для крепления компонентов;
• - компьютер;
• - соединительные провода;
• - разъём для подачи питания;
• - паяльник.

Инструкция

Для начала нужно подобрать подходящий корпус. Туда должны вместиться все комплектующие будущей комнатной метеостанции. Такие корпуса продаются во многих магазинах радиоэлектроники. Или воспользуйтесь любым другим корпусом, который сможете найти.
Прикиньте, как все компоненты будут размещаться внутри. Прорежьте окно для закрепления LCD дисплея, если его нет. Если будете размещать внутри датчик углекислого газа, который достаточно сильно греется, то разместите его в противоположной от других датчиков стороне или сделайте его выносным. Предусмотрите отверстие для разъёма питания.

Несколько слов об используемых компонентах.
LCD-дисплей 1602 использует 6 пинов Arduino + 4 на питание (подсветка и знакосинтезатор).
Датчик температуры и влажности DHT11 подключается к любому цифровому пину. Для чтения значений будем использовать библиотеку DHT11.rar, которую можно скачать, например, тут: https://yadi.sk/d/1LiFmQWITGPAY
Датчик давления BMP085 подключается по интерфейсу I2C к двум пинам Arduino: SDA - к аналоговому пину A4 и SCL - к аналоговому пину A5. Обратите внимание, что для питания на датчик подаётся напряжение +3,3 В.
Датчик углекислого газа MQ135 подключается к одному аналоговому пину.
В принципе, для оценки метеообстановки достаточно иметь данные о температуре, влажности и атмосферном давлении, а датчик углекислого газа необязателен.
Но используя все 3 датчика, у нас будут задействованы 7 цифровых и 3 аналоговых пина Ардуино. Ну и питание, естественно.

Схема метеостанции показана на рисунке. Тут всё ясно.

Напишем скетч для Ардуино. Текст программы, ввиду значительного размера, приводится в виде ссылки в приложении к статье в разделе "Источники". Весь код снабжён подробными и понятными комментариями.
Загрузим скетч в память контроллера платы Ардуино.

Сделаем печатную плату для размещения компонентов внутри корпуса - это самое удобное решение для компоновки и подключения сенсоров. Для изготовления печатной платы в домашних условиях я использую "лазерно-утюжную" технологию (мы её подробно описывали в прошлых статьях) и травление с помощью лимонной кислоты. Предусмотрим на плате места для перемычек ("джамперов"), чтобы иметь возможность отключать датчики. Это будет полезно, если будет нужно перепрограммировать микроконтроллер, когда возникнет желание модифицировать программу.
С помощью пайки установим датчики давления и газов.
Для установки платы Arduino Nano удобно использовать специальные адаптеры или гнёзда с шагом 2,54. Но за неимением этих деталей и из-за экономии пространства внутри корпуса, я установлю Ардуино также пайкой.
Термодатчик будет располагаться на некотором отдалении от платы и будет теплоизолирован от внутренностей метеостанции с помощью специальной изоляционной прокладки.
Предусмотрим места для подводки внешнего питания к нашей самодельной плате. Я буду использовать обычное зарядное устройство на 5 В от старого сломанного роутера. Плюс 5 вольт от зарядного устройства будут подаваться на пин Vin платы Arduino.
ЖК-экран будет крепиться винтами прямо к корпусу, к передней части. Подключаться будет проводами с разъёмами быстрого подключения типа "Dupont".

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.