Автономная погодная станция своими руками

10 июня 2020, 10:04

О проекте

На создание этого проекта меня подтолкнул "старший" коллега по работе, однажды высказав идею об удалённом мониторинге уличной температуры на строящейся даче, в том числе, и для последующей автоматизации газового котла. А поскольку у него на даче периодически выключают свет, то система должна работать полностью автономно. Идея родилась в ноябре 2018 года, и за два года выросла в целый проект со всеми вытекающими.

Список необходимых технических характеристик:

  • Измерение "заборной" температуры и влажности.
  • Контроль напряжения, приходящего с солнечных панелей.
  • Контроль зарядки и разрядки аккумулятора.
  • Построение графиков.
  • Возможно: анемометр и датчик дождя.

Версия 1.0

Поиски по интернету выдали множество вариантов реализаций, но все они не содержали возможности контроля работы солнечных панелей, аккумулятора. Следовательно, нужно изобрести "свой велосипед", и желательно из недорогих готовых компонентов, а значит, проект получится запустить в жизнь относительно быстро - сказал я себе в феврале 2019.


Первая тестовая версия схемы на макетной плате.


Навесной монтаж, во время тестирования.

Список компонентов:

Совершенно случайно на контроллер солнечных панелей попала вода, и как результат - волшебного дыма было много, а радости было мало. Но когда нас это останавливало? В тот момент у меня была уверенность, что всё только начинается.

Версия 2.0

Немного расстроившись, принялся за обдумывание новой редакции. Ну а поскольку, на тот момент, ничего нового в голову не пришло, то просто добавил датчик освещённости и датчик контроля качества "забортного воздуха". Мы же все помним как горели торфяники в Подмосковье летом 2010 года, и страшные лесные пожары в Сибири летом 2019 года.

Заказав на Aliexpress недостающие компоненты, принялся за рисование схемы для того, чтобы в этот раз не упустить ничего важного.

Список компонентов:

Собрать контроллер мало, нужно ещё установить его по месту службы. А для этого необходимо спроектировать и напечатать на 3D принтере недостающие компоненты. После некоторого времени проектирования в Fusinon 360, мне наконец-то удалось собрать проект в одно целое. 

Далее осталось за малым - построить графики. На стареньком компьютере был поднят сервер MajorDoMo, а также брокер MQTT. Прошивку для ESP8266 я использовал от Tasmota.


Башня "Стевенсона" (Stevenson screen). Решил купить её готовую, а платформу напечатать на 3D принтере.

Солнечные панели, с возможностью изменения угла наклона для "режима" Зима-Лето.

Собранный и работающий контроллер.

По прошествии некоторого времени, второй вариант контроллера был собран и благополучно установлен на моей лоджии для тестирования. Результат меня, на тот момент времени, удовлетворил, и в таком виде контроллер прожил до марта 2020 года. Также были опубликованы фотографии в чате поддержки Tasmota. И неожиданно для меня, мой проект был опубликован в WIKI тасмоты, в разделе Projects and Tutorials.

Версия 3.0

Не оставляющая меня мысль, что макетные платы - это зло, привела меня к понимаю необходимости качественной платы, с расширенным функционалом. Это была середина февраля 2020 года, и в тот момент я думал, что на этом всё и закончится, но всё, как обычно, пошло по не по графику, проект внезапно начал расти в ширь.

Ну а поскольку я ленив для ЛУТ, то нарисовал и заказал плату в Еasyeda, попутно добавив третий контролер INA219, для контроля нагрузки.

Понимая, что мелкие SMD компоненты с моим зрением паять не получится, заказал себе электронный микроскоп.

По прошествии двух недель, заказанные на заводе платы пришли и я сел за пайку. Микроскоп привезли за 3 дня.

Впечатления от работы с микроскопом только положительные, удобно как паять паяльником, так и с феном с использованием паяльной пасты. Нужно просто привыкнуть, задержка есть, но крайне маленькая.

Схема проекта претерпела некоторые изменения:

  • х3 INA219.
  • x2 I2C sensor.
  • x2 UART sensor.
  • x1 USB load (5v/0.8A).
  • Input power 5v/12v.


Собранный контроллер, с увеличенным до 5000 mAh аккумулятором, вместо 2000 mAh используемого ранее, который, проработав более года в буферном режиме, очень сильно вздулся (примерно 400 циклов разряд-заряд ежедневно), при окружающей температуре от -15°C до 40°C (летом на закрытой лоджии очень жарко).

Размер солнечных панелей был увеличен вдвое, что дало большую автономность в "слабо солнечные" дни. Новые панели были смонтированы на старую раму и дополнительно зафиксированы термоклеем.

Попутно пришла идея добавить маленький экран (0,66", 64X48, I2C) и к нему Wemos shield. Идея с добавлением экрана очень понравилась коллегам "по цеху".

Смотрится вполне, но мне не "зашло" и впоследствии экран был убран.

Версия 3.1

Поскольку идея с добавлением экрана понравилась единомышленникам, то требовалась её реализация. Вроде все гармонично, но что-то явно неправильно, вот только что? Возможно, со временем выгорающий экран, возможно то, что он постоянно работает, а для автономной погодной станции это не хорошоНо поскольку есть потребность, было решено всё же реализовать эту идею.

И неожиданно для меня, мой проект был опять опубликован в WIKI тасмоты, в разделе Projects and Tutorials.

В "отместку", я выложил эту версию проекта в открытый доступ на Github, вместе с исходниками с Еasyeda и gerber файлами, для всех желающих. С оформлением, конечно, пришлось повозиться, ну да ничего. Тут, как говорится, добро пожаловать в "добрый" мир open source hardware, я вас предупредил!

OLED дисплей является опцией, его можно просто не устанавливать, если он вам также, как и мне, пришёлся не по вкусу.

Версия 3.2 (в мечтах)

OLED экран не понравился мне с самого начала, а значит, его следует заменить на что-то более изящное и мало потребляющее. Выбор пал на 2,9 дюймовый дисплей E-Ink (296х128, SPI), который также поддерживается прошивкой Tasmota.

Поскольку моя лоджия не отапливаемая, хоть и застеклённая, зимой на ней температура опускается до -15°C , а рабочая температура у E-Ink в диапазоне 0~50°C (согласно руководству пользователя), то возникла потребность отключать питание у экрана при температуре ниже 5°C, и без участия ESP8266 т.к. он будет в режиме сна с диапазоном 15 минут (для снижения энергопотребления).

Вишенка на торте (шина I2C)

Параллельно с описываемым проектом, мне выпало подключить датчики по шине I2C, необычность была в том, что требовалось два луча на 6 и 2 метра. А поскольку шина I2C имеет ограничение по ёмкости (не более 400 пФ), а не по длине (как я ранее думал), то применив ретрансляторы PCA9515A и витую пару (UTP 5e), мне удалось успешно решить задачу.

Второй задачей было подключение нескольких датчиков I2C с одинаковыми адресами (что недопустимо на шине I2C), но тут возникла программная проблема - ни одна из знакомых мне прошивок не поддерживала TCA9548A. Промучившись некоторое время, мне пришлось отказаться от её реализации.


Если нужно "дальше", то применяем PCA9515A Bidirectional I2C Bus Repeater. Вот и вот на него "даташиты", поддержка прошивкой не требуется.

Если нужно "больше", то применяем TCA9548A 8-канальная многоканальная плата расширения I2C, поддержка прошивкой обязательно.

Итоги

Проект необычный как по степени сложности, так и по реализации. В дальнейшем его ждут "апгрейды", вот некоторые из запланированных:

  • Замена контроллера солнечных панелей на этот, у него есть возможность подключать нагрузку на 12V/8A и 5V/5A.
  • Последующая установка свинцового аккумулятора на 12 вольт (от охранной сигнализации 12V/7Ah).
  • Замена солнечных панелей, будут две на 18 вольт, размеры панелей оставлю прежние.
  • Возможно, будет добавлен анемометр и с датчиком дождя, например, вот этот.
  • Возможно, добавлю автоматическую регулировку наклона солнечных панелей (по одной оси), для повышения КПД панелей. 

Обновления нужны для автономного питания рулонной шторы (на лоджии) из этого моего проекта. 

Версия 3.0 уже трудится у моего друга, и ещё одна у коллеги, и обе на даче. У себя на лоджии я провожу тестирование и отладку. И в качестве полезной нагрузки, с конца марта 2020 года я заряжаю от панелей свой смартфон, каждый день и бесплатно.

Все 3D модели, если кто-то захочет их повторить, вместе с исходниками в формате Fusion 360, мной выложены на Thingiverse, найти их там можно просто набрав в поиске мой ник TrDA.


Все новости мира умных домов - t.me/SprutAI_News или Instagram
Остались вопросы? Мы в Telegram - @Soprut

Хочешь умный дом но нет времени разбираться?
Посмотри примеры работ и выбери себе интегратора.
  1. (mprofi)
    (mprofi) 29 дней назад

    с таким апгрейдами и до Netatmo дойдешь ))

  2. Сергей Кутовой (Mustik)
    Сергей Кутовой (Mustik) 28 дней назад

    ТОже собрал себе метеостанцию. Использую прошивку ESP_Easy 

    Кстати советую вот такую модельку экрана Стивенсона - https://www.thingiverse.com/thing:2970799 

    • Дмитрий Третняков (TrDA)

      Видел эту "модельку", но отказался именно из-за нелепого крепления к стене (крайне малое расстояние от стены). Автор исходников не выкладывает, а значит проще купить и доработать.

  3. (raphtor)
    (raphtor) 28 дней назад

    Есть возможность прокинуть всё это великолепие в НК?

К списку статей

Устройства в материале

ESP8266 NodeMcu v3

Производитель: Espressif Systems
Заказать на:
JD

Датчик освещенности BH1750

Производитель: noname
Заказать на:

wemos D1 mini

Производитель: Espressif Systems
Заказать на:
JD

Датчик давления/температуры/влажности BME280

Производитель: noname
Заказать на:

Скидки для сообщества

УЮТНЫЙ ДОМ

+7 495 797-21-74
Промокод:
SPRUT
Размер скидки:
5%

Z-Wave Ukraine

+380 68 641 9670
Промокод:
Sprut-UA
Размер скидки:
15%

Тематические чаты

Похожие статьи

04 сентября 2018, 12:14
Интеграция RGB ленты на ESP8266 с прошивкой tasmota в систему HomeBridge (HomeKit)
15 октября 2018, 09:05
Прошивка для Sonoff c нативным HomeKit
02 ноября 2018, 12:14
Кнопка звонка с уведомлениями в HomeKit
17 декабря 2019, 17:49
Универсальный привод для автоматического удаленного открытия окон с простой интеграцией в умные дома.
15 ноября 2018, 09:42
Способы автоматизации механических ворот
27 октября 2018, 12:20
Нативный Термостат для котла на ESP8266 с поддержкой Apple HomeKit
01 октября 2018, 07:43
Нативный HomeKit на ESP8266
30 августа 2019, 07:28
Несколько нетривиальных способов использования датчика открытия окон/дверей от Xiaomi/Aqara.
20 октября 2018, 22:57
Теоретические основы протокола MQTT и описание того, как он работает и для чего используется
02 июля 2020, 07:24
Я хочу поделиться своей разработкой: "умным открывателем пластикового окна". В статье вы найдете все необходимое, чтобы повторить проект и изготовить собственный привод для открывания окна с использованием штатной фурнитуры окна.