Isang Istasyon ng Panahon ng Panahon ng Home ng ESP-Ngayon: 9 Mga Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:13

Nais kong magkaroon ng isang istasyon ng panahon sa bahay nang medyo matagal at isa na ang lahat sa pamilya ay madaling suriin para sa temperatura at halumigmig. Bilang karagdagan upang subaybayan ang mga kondisyon sa labas ay nais kong subaybayan ang mga tukoy na silid sa bahay pati na rin at ang aking garahe workshop. Iyon ay ipaalam sa amin kapag ito ay isang magandang panahon upang i-air ang bahay o patakbuhin ang dehumidifier (umuulan ng malakas dito sa panahon ng taglamig). Ang nilikha ko ay isang sistemang batay sa sensor na batay sa ESP na nag-uulat sa isang lokal na web-server na maaaring suriin ng sinuman mula sa kanilang computer o telepono. Para sa telepono nagsulat ako bilang simpleng Android app upang mas madali iyon.

Hakbang 1: Mga Detalye ng Disenyo

Nais kong magkaroon ng iba't ibang mga istasyon ng sensor na maaari kong mailagay sa iba't ibang mga lokasyon at ipapaulat sa kanila sa isang pangunahing istasyon (o hub) na makatipid ng impormasyon. Matapos subukan ang iba`t ibang mga ideya, nagpasya akong gamitin ang ESP-Ngayon na protokol ng Espressif, dahil pinapayagan nito ang mabilis na komunikasyon nang direkta sa pagitan ng mga aparato. Maaari mong basahin nang kaunti ang tungkol sa ESP-Ngayon dito at ang GitHub repo na ito ay isang malaking bahagi ng aking inspirasyon.

Ipinapakita ng unang larawan ang layout ng system. Iniuulat ng bawat sensor ang mga sukat nito sa isang aparato ng gateway na nagpapasa ng data sa pangunahing server ng matapang na koneksyon sa serial na may wired. Ang dahilan para dito ay ang ESP-Ngayon na protocol ay hindi maaaring maging aktibo sa parehong oras tulad ng koneksyon sa WIFI. Para ma-access ng isang gumagamit ang web page, ang WIFI ay dapat na naka-on sa lahat ng oras at pagkatapos ay ginagawang imposibleng gamitin ang mga komunikasyon ng ESP-Ngayon sa parehong aparato. Habang ang aparato ng gateway ay dapat na isang Espressif based na aparato (may kakayahang ESP-Ngayon), ang pangunahing server ay maaaring anumang aparato na may kakayahang magpatakbo ng isang web page.

Ang ilang mga istasyon ng sensor ay tatakbo sa mga baterya (o baterya na sisingilin ng solar) at ang iba pa ay mayroong lakas na mains. Gayunpaman, ginusto ko ang lahat na gumamit ng kaunting lakas hangga't maaari at doon ay magagamit ang tampok na "deeps Sleep" sa ESP8266 at mga aparatong ESP32. Ang mga istasyon ng sensor ay pana-panahong gumising, magsusukat at ipadala ang mga ito sa aparato ng gateway at bumalik sa pagtulog para sa ilang preprogrammed na tagal ng oras. Ang kanilang paggising na halos 300ms bawat 5 minuto (sa aking kaso) ay binabawasan nang malaki ang kanilang pagkonsumo ng kuryente.

Hakbang 2: Mga Sensor

Mayroong iba't ibang mga sensor na mapili para sa pagsukat ng mga parameter ng kapaligiran. Nagpasya akong manatili lamang sa mga may kakayahang sensor ng I2C na komunikasyon lamang, dahil pinapayagan nito ang mabilis na pagsukat at gagana sa anumang mga aparato na mayroon ako. Sa halip na direktang pagtatrabaho sa mga IC, naghanap ako ng handa na gumamit ng mga modyul na may parehong mga pin-out upang gawing simple ang aking mga disenyo. Nagsimula ako sa nais lamang na sukatin ang temperatura at halumigmig at samakatuwid ay pumili ng isang module na batay sa SI7021. Nang maglaon ay ginusto ko ang isang sensor na maaaring masukat din ang presyon at nagpasyang subukan ang BME280 batay sa mga module ng sensor. Para sa ilang mga lokasyon kahit na nais kong subaybayan ang mga antas ng ilaw at ang module ng BH1750 ay perpekto para dito bilang isang magkakahiwalay na module ng sensor. Binili ko ang aking mga module ng sensor sa ebay at ito ang mga module na natanggap ko:

• Ang BME280 (GY-BMP / E280), sumusukat sa temperatura, kahalumigmigan at presyon
• Ang SI7021 (GY-21), ay sumusukat sa temperatura at halumigmig
• Ang BH1750 (GY-302), sumusukat ng magaan

Mayroong dalawang mga istilo ng mga modyong GY-BMP / E280 PCB na matatagpuan. Parehong nagbabahagi ng parehong pin out para sa mga pin 1 hanggang 4. Ang isang module ay may dalawang karagdagang mga pin, CSB at SDO. Ang dalawang mga pin na iyon ay paunang konektado sa 4-pin na bersyon ng module. Tinutukoy ng antas ng pin ng SDO ang I2C address (Ground = default ng 0x76, VCC = 0x77). Ang CSB pin ay dapat na konektado sa VCC upang mapili ang interface ng I2C. Mas gusto ko ang 4 na module ng pin, dahil handa na itong gamitin bilang para sa aking hangarin.

Sa pangkalahatan, ang mga modyul na ito ay napaka-maginhawa upang magamit dahil mayroon na silang naka-install na mga resistor na pull-up para sa mga linya ng komunikasyon at tumatakbo ang lahat sa 3.3V sa gayon ay katugma sa mga board na nakabatay sa ESP8266. Tandaan, na ang mga pin sa mga sensor ng IC na ito ay pangkalahatang hindi mapagparaya sa 5V, kaya ang direktang pag-interfaced sa kanila ng isang bagay tulad ng isang Arduino Uno ay maaaring permanenteng makapinsala sa kanila.

Hakbang 3: Mga Istasyon ng Sensor

Tulad ng nabanggit, ang mga istasyon ng sensor ay magiging lahat ng mga aparato ng Espressif na gumagamit ng ESP-Ngayon na mga komunikasyon na protocol. Mula sa mga nakaraang proyekto at eksperimento, mayroon akong iba't ibang mga aparato na magagamit sa akin upang magsagawa ng aking paunang mga pagsubok at isama ang mga ito sa pangwakas na disenyo. Nasa kamay ko ang mga sumusunod na aparato:

• dalawang module ng ESP-01
• dalawang Wemos D1 mini development boards
• isang Lolin ESP8266 development boards
• isang ESP12E serial WIFI kit board
• isang board ng GOOUUU ESP32 (isang 38 pin development board)

Nagkaroon din ako ng isang board ng pag-unlad ng Wemos D1 R2, ngunit may mga isyu dito na hindi pinapayagan itong magising mula sa mahimbing na pagtulog at bilang isang aparato na paraan ng gate ay mabagsak ito at hindi maayos na muling simulang. Inayos ko ito kalaunan at naging bahagi ito ng proyekto ng pagbukas ng Garage Door. Upang gumana ang "deeps Sleep", ang RST pin ng ESP8266 ay dapat na konektado sa GPIO16 pin, upang ang timer ng pagtulog ay maaaring gisingin ang aparato. Mainam na ang koneksyon na ito ay dapat gawin sa isang Schottky diode (cathode sa GPIO16) upang ang manu-manong pag-reset sa pamamagitan ng koneksyon ng USB-TLL habang gumagana pa rin ang programa. Gayunpaman, ang isang mababang halaga (300-ish Ohm) risistor o kahit na direktang koneksyon sa wire ay maaari pa ring matagumpay.

Ang mga module ng ESP-01 ay hindi pinapayagan ang madaling pag-access sa GPIO16 pin at dapat direktang maghinang sa IC. Hindi ito isang simpleng gawain at hindi ko ito inirerekumenda para sa lahat. Ang ESP12E serial WIFI kit board ay isang maliit na bagong bagay at nangangailangan ng ilang mga pagbabago upang ito ay maging kapaki-pakinabang para sa aking hangarin. Ang pinakamadaling gamitin na mga board ay ang Wemos D1 mini type boards at ang Lolin board. Ang mga aparato ng ESP32 ay hindi nangangailangan ng anumang mga pagbabago upang gumana ang deeps Sleep. Si Andreas Spiess ay may magandang Makatuturo dito.

Hakbang 4: Station ng Sensor ng ESP-01

Sa lahat ng mga istasyon ng sensor ang mga module ng sensor ay naka-mount patayo upang mabawasan ang dami ng alikabok na maaaring kolektahin sa kanila. Hindi lahat ay nasa mga enclosure at maaaring hindi ko sila mailagay sa mga enclosure. Ang dahilan para dito ay ang mga aparato ay maaaring magpainit at makaapekto sa mga pagbabasa ng temperatura at halumigmig sa hindi sapat na maaliwalas.

Ang mga board ng ESP-01 ay napaka-compact at may ilang mga digital IO pin upang gumana, ngunit sapat na ito para sa interface ng I2C. Gayunpaman, nangangailangan ang mga board ng isang nakakalito na pagbabago upang payagan ang "malalim na tulog" na gumana. Sa ipinakitang larawan, isang wire ang na-solder mula sa pin ng sulok (GPIO16) hanggang sa RST pin sa header. Ang wire na ginamit ko ay 0.1mm diameter na insulated na "repair" wire. Ang pagkakabukod ng patong ay natutunaw sa pag-init, kaya maaari itong solder upang maayos ang mga bakas, atbp sa mga PCB at hindi pa rin mag-alala tungkol sa paglikha ng mga shorts kung saan ang kawad ay nakikipag-ugnay sa iba pang mga bahagi. Ang laki nito ay ginagawang mahirap upang gumana at na-solder ko ang kawad na ito sa lugar sa ilalim ng isang (hobbyist / stamp collector 'style) microscope. Tandaan na ang header sa kanang bahagi ay may 0.1 "(2.54mm) na spacing ng pin. Ang pag-install ng isang Schottky diode dito ay hindi madali, kaya't napagpasyahan kong subukan lamang ang kawad at ang parehong mga unit ay tumatakbo nang higit pa isang buwan nang walang anumang mga isyu.

Ang mga module ay naka-install sa dalawang prototype board na aking nilikha. Ang isa (# 1) ay isang programmer board na nagpapahintulot din sa mga I2C module na mai-install at masubukan, habang ang iba pa (# 2) ay isang development / test board para sa mga I2C device. Para sa unang board ay pinagsama ko ang isang lumang USB male connector at isang maliit na PCB upang paandarin ang yunit nang direkta mula sa isang USB wall adapter. Ang iba pang yunit ay may regular na DC jack na binago upang magkasya sa header ng terminal ng tornilyo at pinalakas din sa pamamagitan ng isang adapter sa dingding.

Ipinapakita ng eskematiko kung paano sila konektado at kung paano gumagana ang programmer. Wala akong anumang iba pang mga module ng ESP-01, kaya't wala akong agarang pangangailangan para sa programmer. Sa hinaharap malamang gagawa ako ng isang PCB para sa kanila. Ang parehong mga board na ito ay may naka-install na module ng sensor ng SI7021 dahil hindi ako interesado sa mga sukat ng presyon sa mga lokasyong iyon.

Hakbang 5: Istasyon ng Sensor ng ESP 12E Serial WIFI Kit

Ang board ng ESP12E Serial WIFI Kit ay hindi inilaan para sa pagpapaunlad tulad ng para sa pagpapakita kung ano ang maaaring gawin sa aparatong ito. Nabili ko ito noon pa upang malaman ang kaunti tungkol sa programa ng ESP8266 at sa wakas ay nagpasya na bigyan ito ng bagong paggamit. Inalis ko ang lahat ng mga LED na naka-install para sa mga demonstrasyon at nagdagdag ng isang USB header ng programa pati na rin ang isang I2C header na angkop para sa mga module na ginagamit ko. Ito ay may isang risistor ng larawan ng CdS na konektado sa kanyang analog input pin at napagpasyahan kong iwanan ito doon. Ang partikular na yunit na ito ay susubaybayan ang aking workshop sa garahe at ang photo-sensor na mayroon ito ay sapat upang ipaalam sa akin kung ang mga ilaw ay hindi sinasadyang naiwan. Para sa pagsukat ng ilaw ay ginawang normal ko ang mga pagbasa upang bigyan ako ng isang porsyento na output at anumang higit sa "5" sa gabi ay nangangahulugang ang mga ilaw ay naiwan o ang isang pinto sa bahay ay hindi maayos na nakasara. Ang mga RST at GPIO16 na pin ay malinaw na may label sa PCB at ang Schottky diode na kumokonekta sa kanila ay na-install sa ilalim ng PCB. Pinapagana ito sa pamamagitan ng isang USB-serial board na direktang na-plug sa isang USB wall charger. Mayroon akong mga extra ng mga USB-serial board at hindi na kailangan ang isang ito ngayon.

Hindi ako gumawa ng isang iskema para sa board na ito at sa pangkalahatan ay hindi inirerekumenda ang pagbili ng isa upang magamit para sa hangaring ito. Ang mga board ng Wemos D1 Mini ay mas angkop at tatalakayin sa susunod. Bagaman, kung mayroon kang isa sa mga ito at nangangailangan ng ilang payo, masisiyahan akong tumulong.

Hakbang 6: Mga Istasyon ng D1 Mini Sensor

Ang uri ng Wemos D1 Mini ng mga board ng pag-unlad ng ESP8266 ang aking ginustong mga nais gamitin at kung kailangan kong gawin ito, gagamitin ko lang ang mga ito. Mayroon silang isang malaking bilang ng mga naa-access na mga pin ng IO, maaaring direktang ma-program sa pamamagitan ng Arduino IDE at medyo compact pa rin. Ang D0 pin ay GPIO16 sa mga board na ito at ang pagkonekta ng isang Schottky diode ay madaling gawin. Ipinapakita ng eskematiko kung paano ko naka-wire ang mga board at pareho silang gumagamit ng BME2808 sensor module.

Ang isa sa dalawang board ay ginagamit upang subaybayan ang labas ng panahon at tumatakbo mula sa isang solar power baterya. Ang isang 165mm x 135mm (6V, 3.5W) solar panel ay konektado sa isang TP4056 Li-ion na module ng pagsingil ng baterya (tingnan ang Diagram ng Pag-set up ng Solar Powered Battery Sensor Station). Ang partikular na module ng pagsingil na (03962A) ay nagtatampok ng isang circuit ng proteksyon ng baterya na kinakailangan kung ang baterya (pack) ay hindi naglalaman ng isa. Ang baterya ng Li-ion ay na-recycle mula sa isang luma na laptop baterya pack at maaari pa ring magkaroon ng sapat na singil upang patakbuhin ang board ng D1 Mini, lalo na na pinagana ang matulog. Ang board ay inilagay sa isang plastic enclosure upang mapanatili itong medyo ligtas mula sa mga elemento. Gayunpaman, upang mailantad ang panloob na temperatura sa labas at halumigmig, dalawang dalang 25mm ang lapad na butas ay drill sa kabaligtaran at tinakpan (mula sa loob) ng telang itim na tanawin. Ang tela ay idinisenyo upang payagan ang kahalumigmigan na tumagos at doon masusukat ang halumigmig. Sa isang dulo ng enclosure isang maliit na butas ang drill at naka-install ang isang malinaw na plastic window. Dito inilagay ang module ng ilaw ng BH1750 light sensor. Ang buong yunit ay inilalagay sa labas ng bahay sa lilim (hindi direktang araw) na may light sensor na itinuro sa bukas. Tumatakbo ito mula sa solar powered baterya ng halos 4 na linggo sa aming maulan / maulap na panahon ng taglamig dito.

Hakbang 7: Gateway at Webserver

Ang isang Lolin NodeMCU V3 (ESP8266) board ay ginamit para sa aparato ng ESP-Now Gateway at isang ESP32 (GOOUUU board) ang ginamit para sa Webserver. Halos anumang ESP8266 o kahit na board ng ESP32 ay maaaring nagsilbi bilang aparato sa gateway, ito lamang ang board na "naiwan" ko pagkatapos kong magamit ang lahat ng iba pang mga board na mayroon ako.

Ginamit ko ang board ng ESP32 dahil kailangan ko ng isang board na may kaunting lakas sa computing upang kolektahin ang data, pag-uri-uriin ito, i-save ito sa imbakan at patakbuhin ang web server. Sa hinaharap maaari din itong magkaroon ng sarili nitong sensor at isang lokal (OLED) na display. Para sa pag-iimbak isang SD card ang ginamit gamit ang isang na-adapter. Gumamit ako ng isang karaniwang microSD sa adapter ng SD card at naghinang ng isang 7 pin male (0.1 pitch) na header sa mga nakapaloob na contact. Sinunod ko ang payo mula sa GitHub na ito upang gawin ang mga koneksyon.

Ang pag-setup ng prototyping (na may mga wire ng Dupont) ay hindi kasama ang isang module ng sensor, ngunit ang pinal na PCB na aking dinisenyo ay nagbibigay-daan para sa isa pati na rin ng isang maliit na display na OLED. Ang mga detalye sa kung paano ko dinisenyo na ang PCB ay bahagi ng ibang Magagawa.

Hakbang 8: Software

Mga ESP8266 (ESP-NGAYON) Mga Device

Ang software para sa lahat ng mga aparato ay nakasulat gamit ang Arduino IDE (v1.87). Ang bawat istasyon ng sensor ay nagpapatakbo ng mahalagang magkatulad na code. Nag-iiba lamang sila kung aling mga pin ang ginagamit para sa mga komunikasyon ng I2C at kung aling sensor module ang kanilang konektado. Pinakamahalaga ay ipinapadala nila ang magkaparehong packet ng data ng pagsukat sa istasyon ng ESP-Ngayon Gateway, hindi alintana kung mayroon silang parehong sensor. Ang ibig sabihin nito ay ang ilang mga istasyon ng sensor ay pupunan ang mga halaga ng dummy para sa mga sukat ng presyon at antas ng ilaw kung wala silang mga sensor upang magbigay ng totoong mga halaga. Ang code para sa bawat istasyon at gateway ay inangkop mula sa mga halimbawa ni Anthony Elder sa GitHub na ito.

Ginamit ng code ng aparato ng gateway ang SoftwareSerial upang makipag-usap sa web server, dahil ang ESP8266 ay may isa lamang na ganap na gumagana na UART ng hardware. Ang pagpapatakbo sa maximum baud rate na 9600 ay tila maaasahan at higit sa sapat para sa pagpapadala ng medyo maliit na mga packet ng data. Ang aparato ng gateway ay naka-program din sa isang pribadong MAC address. Ang dahilan para dito ay kung kailangan ng pagpapalit, kung gayon ang mga istasyon ng sensor ay hindi lahat kailangang mai-program muli sa bagong tatanggap ng MAC address.

ESP32 (Web Server)

Ang bawat istasyon ng sensor ay nagpapadala ng data packet nito sa aparato ng gateway na nagpapasa nito sa web server. Kasama ng packet ng data ang istasyon ng sensor ng MAC address ay ipinadala din upang makilala ang bawat istasyon. Ang web server ay may isang "tignan" na talahanayan upang matukoy ang lokasyon ng bawat sensor at pag-uuri ng naaayon ang data. Ang agwat ng oras sa pagitan ng mga sukat ay itinakda sa 5 minuto kasama ang isang random na kadahilanan upang maiwasan ang pagkakaroon ng mga sensor na "banggaan" sa isa't isa kapag nagpapadala sa aparato ng gate way.

Ang router ng WIFI sa bahay ay itinakda upang magbigay ng isang nakapirming IP address sa web server kapag kumokonekta ito sa WIFI. Para sa akin noong 192.168.1.111. Ang pag-type sa address na iyon sa anumang browser ay kumokonekta sa server ng istasyon ng panahon hangga't ang gumagamit ay nasa loob ng saklaw ng WIFI ng (at kumonekta sa) home network. Kapag kumokonekta ang gumagamit sa web page, ang web server ay tumutugon sa isang talahanayan ng mga sukat, at isinasama ang oras ng huling pagsukat ng bawat sensor. Sa ganitong paraan kung ang isang istasyon ng sensor ay naging hindi tumutugon, makikita ito mula sa talahanayan kung ang isang pagbabasa ay higit sa 5-6 min ang edad.

Ang data ay nai-save sa mga indibidwal na mga file ng teksto sa isang SD card at maaari din silang mai-download mula sa web page. Maaari itong mai-import sa Excel o anumang iba pang application para sa paglalagay ng data

Android App

Upang gawing mas madali itong tingnan ang lokal na impormasyon ng panahon sa isang smartphone, lumikha ako ng isang medyo Android App gamit ang Android Studio. Magagamit ito sa aking pahina ng GitHub dito. Gumagamit ito ng klase ng webview upang mai-load ang web page mula sa server at tulad ng limitadong pagpapaandar. Hindi nito kayang mag-download ng mga file ng data at hindi ko na kailangan ang mga nasa telepono ko pa rin.

Hakbang 9: Mga Resulta

Sa wakas, narito ang ilang mga resulta para sa aking istasyon ng panahon sa bahay. Ang data ay na-download sa isang laptop at naka-plot sa Matlab. Ikinabit ko ang aking mga script sa Matlab at maaari mo ring patakbuhin ang mga ito sa GNU Octave. Ang panlabas na sensor ay tumatakbo sa solar charge na baterya nito sa halos 4 na linggo at bihira kaming may anumang araw sa oras na ito ng taon. Sa ngayon ang lahat ay gumagana nang maayos at ang bawat isa sa pamilya ay maaaring tumingin ng panahon sa kanilang sarili kaysa sa tanungin ako ngayon!