ESP32 Weather Station พลังงานแสงอาทิตย์: 9 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:04

ในบทช่วยสอนนี้ เราจะสร้างโครงการสถานีตรวจอากาศที่เปิดใช้งาน WiFi

เป้าหมายคือการออกแบบสถานีตรวจอากาศด้วยคุณสมบัติที่เป็นไปได้เกือบทั้งหมด:

• แสดงสภาพปัจจุบัน เวลา อุณหภูมิ ความชื้น ความดัน
• แสดงการคาดการณ์สำหรับวันถัดไป
• อัพเดทออนแอร์
• สร้างเว็บไซต์สำหรับการกำหนดค่าและการแสดงข้อมูล
• อัปโหลดข้อมูลไปยังคลาวด์สำหรับสถิติประวัติ
• ผสานรวมกับ Aple Home Kit หรือ MQTT
• Indepeded Accu ขับเคลื่อนด้วยการชาร์จที่เป็นไปได้หรือเชื่อมต่อกับแผงโซลาร์เซลล์

นึกภาพไม่ออกว่าต้องมีอะไรอีกหรือจะเป็นได้

ขั้นตอนที่ 1: ชิ้นส่วนที่จำเป็น

• ESP32 (ฉันใช้โมดูล dev)
• 2.8" 240x320 TFT LCD SPI ILI9341
• กล่องพลาสติก
• 3 x 18650 Accu
• เซ็นเซอร์สภาพอากาศ BME280 สำหรับวัดอุณหภูมิ ความชื้น และความดัน
• โมดูลเครื่องชาร์จลิเธียม USB
• DC-DC step UP18650
• ที่ใส่แบตเตอรี่ (3 ชิ้น)
• HC-SR505 เครื่องตรวจจับความเคลื่อนไหว
• ตัวต้านทาน 220 โอห์ม
• ตัวต้านทาน 2x 10 kOm
• ทรานซิสเตอร์ TIP120 NPN (ดาร์ลิงตัน) สามารถใช้ร่วมกันได้
• ButtonWires, สวิตช์, บอร์ดบัดกรี….

ขั้นตอนที่ 2: การเดินสายไฟและการประกอบ

ขั้นตอนแรกคือการรวบรวมกำลังของสถานี

ฉันได้แบ่งกล่องพลาสติกออกเป็นสองพาร์ อันหนึ่งใช้สำหรับแบตเตอรี่ สวิตช์ ที่ชาร์จ USB และ DC-DC ก้าวออก ในส่วนนี้ ฉันใส่ที่ใส่แบตเตอรี่และทำหน้าต่างสำหรับสวิตช์และที่ชาร์จ usb โปรดทราบว่าโมดูลเครื่องชาร์จ usb ค่อนข้างร้อนดังนั้นฉันจึงใช้แผ่นอลูมิเนียมและใส่ที่ชาร์จ USB ลงบนสิ่งนี้โดยใช้กาว Star 922

ขั้นตอนที่สองคือการประกอบชิ้นส่วนคอนโทรลเลอร์

ดูแผนภาพการเดินสายไฟว่าควรเชื่อมต่ออย่างไร

ฉันใช้ Bread board เพื่อจุดประสงค์นี้โดยทำตามขั้นตอนต่อไปนี้

• บอร์ดบัดกรี ESP32 dev
• โล่ประสานเพื่อรักษาจอแสดงผล TFT
• บัดกรีส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ: BME280, ตัวต้านทาน, ปุ่ม
• เดินสายบัดกรีระหว่างส่วนประกอบตามไดอะแกรม

ขั้นตอนที่สาม เตรียมการติดตั้งแผ่นกระดานขนมปังกับส่วนที่สองของกล่องพลาสติก ฉันได้พิมพ์แท่งสองแท่งบนเครื่องพิมพ์ 3 มิติของฉัน ติดไว้บนกระดานผสมพันธุ์ด้วยสกรูและทำการตัดเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าสำหรับหน้าจอแสดงผล

ฉันติดแถบพลาสติกที่รองรับตัวเคสพลาสติก ตอนนี้เมื่อกาวแห้งแล้ว ห้องโดยสารบอร์ดขนมปังก็จะถูกถอดออกด้วยสกรู

ขั้นตอนต่อไปคือ:

• เดินสายบัดกรีสำหรับแหล่งพลังงาน
• เดินสายบัดกรีสำหรับสถานะแรงดันแบตเตอรี่
• เครื่องตรวจจับความเคลื่อนไหวบัดกรีและติดตั้ง

ขั้นตอนสุดท้าย:

• ตั้งค่าตัวแปลง DC-DC โดยปรับแรงดันเอาต์พุต 5v
• เชื่อมต่อตัวควบคุมสถานีสองส่วนเข้ากับแหล่งจ่ายไฟ: สายไฟและการอ่านค่าแรงดันไฟฟ้า

สำหรับเครื่องตรวจจับความเคลื่อนไหวและปุ่ม ฉันได้ทำรูเพิ่มเติมที่ด้านข้างของใบหน้า

ขั้นตอนที่ 3: การอัปโหลดเฟิร์มแวร์ไปยัง ESP32

สำหรับโปรเจ็กต์นี้ ฉันได้ใช้ซอฟต์แวร์สากลที่พัฒนาโดยตัวเอง

โปรดดูหน้า github ESPHomeController ซึ่งมีคำแนะนำเกี่ยวกับวิธีการคอมไพล์และการตั้งค่าทั้งหมด

! หากคุณไม่คุ้นเคยกับการรวบรวมและ Arduino มีขั้นตอนดู การอัปโหลดเฟิร์มแวร์ที่พร้อมใช้งาน

ทันทีที่คุณอัปโหลดเฟิร์มแวร์ครั้งแรก ESP32 จะเริ่มในโหมดการกำหนดค่า (โหมดจุดเข้าใช้งาน)

คุณควรกำหนดค่าเหล่านี้ เพื่อจุดประสงค์นี้เปิดในรายการอุปกรณ์ของ WiFi ที่พร้อมใช้งาน ค้นหา HomeController และเชื่อมต่อ พอร์ทัลเชลยควรเริ่มต้นโดยอัตโนมัติ หากไม่ป้อน URL เบราว์เซอร์ของคุณ: 192.168.4.1 และคุณจะเห็นหน้าจอการกำหนดค่า

ทำตามคำแนะนำและกำหนดค่าข้อมูลรับรอง WiFi ให้กับเครือข่าย WiFi ของคุณ

ESP จะรีสตาร์ทหลังจากนั้นเป็นไคลเอนต์ WiFi และจะเชื่อมต่อกับ Wifi ของคุณ

เมื่อการเชื่อมต่อ sson firts เกิดขึ้น ระบบจะเมานต์ระบบไฟล์ Spiffs โดยอัตโนมัติและดาวน์โหลดไฟล์ที่จำเป็นสำหรับเว็บพอร์ทัล:

• index.html
• filebrowse.html
• js/bundle.min.js.gz

การดาวน์โหลดเกิดขึ้นจาก https://github.com/Yurik72/ESPHomeController/tree/… โฟลเดอร์

ตอนนี้คุณสามารถดูเนื้อหาไฟล์ผ่านเว็บเบราว์เซอร์ สำหรับสิ่งนี้คุณควรเป็นที่อยู่ IP ของ ESP32. ของคุณ

คุณสามารถค้นหาได้ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งต่อไปนี้:

• การใช้มอนิเตอร์พอร์ตอนุกรมเพื่อดูบันทึก ESP32
• ใช้เครื่องสแกน tcp เพื่อสแกนอุปกรณ์เครือข่ายของคุณ
• กดปุ่มบนสถานีตรวจอากาศแล้วคุณจะเห็นข้อมูลระบบ

ใส่ในเรียกดู https://192.168.0. XX/browse และคุณจะเห็นรายการไฟล์ของ ESP. ของคุณ

(192.168.0. XX คือที่อยู่ IP ของอุปกรณ์ของคุณ

สำหรับการปรับแต่งขั้นสุดท้าย คุณต้องเตรียมไฟล์คอนฟิกูเรชัน

ขั้นตอนที่ 4: การอัพโหลด Ready Firmware

ส่วนนี้มีไว้สำหรับผู้ฟังที่จะไม่ผลิตเฟิร์มแวร์ด้วยตัวเองโดยเฉพาะ คุณเพียงแค่ต้องอัปโหลดเฟิร์มแวร์ "พร้อม"

1. Donwload เครื่องมืออัปโหลดแฟลชจากหน้านี้

2. ดาวน์โหลดไฟล์ที่แนบมา (แยกจากไฟล์เก็บถาวร) HomeController.bin และ bootloader_qio_80m.bin ลงในฮาร์ดไดรฟ์ของคุณ

3. เริ่มเครื่องมือดาวน์โหลด ESP32 และป้อนค่าตามภาพหน้าจอ

4. กดเริ่ม

ขั้นตอนที่ 5: การกำหนดค่า

ก่อนเริ่มเตรียมการกำหนดค่า คุณต้อง:

1. สร้างช่องของคุณบน Thingspeak และคีย์สำหรับช่องของคุณ เตรียม 4 สนามและตั้งชื่อให้ถูกต้อง อุณหภูมิ ความชื้น ความดัน แรงดัน
2. ลงทะเบียนบน Weather.com เพื่อรับรหัส API ของคุณ

จำเป็นต้องใช้ Thingspeak เพื่ออัปโหลดข้อมูลของคุณและติดตามแนวโน้มและค่านิยม

จำเป็นต้องรับข้อมูลพยากรณ์อากาศ

ตกลง ในที่สุดคุณต้องสร้างไฟล์ services.json ด้วยเนื้อหาต่อไปนี้

[{"service":"TimeController", "name":"Time", "enabled":true, "interval":1000, "timeoffs":7200, "dayloffs":3600, "server":"pool.ntp.org", "enablesleep":true, "sleeptype":1, "sleepinterval":900000, "restartinterval":18000000}, {"service":"BME280Controller", "name":"BME", "enabled": จริง, "ช่วงเวลา":900000, "i2caddr":118, "uselegacy":true, "temp_corr":-3.0, "hum_corr":10.0}, {"service":"WeatherClientController", "name":"WeatherForecast", "เปิดใช้งาน":จริง, "ช่วงเวลา":500000, "uri":"https://api.weather.com/v3/wx/forecast/daily/5day?geocode=50.30, 30.70&format=json&units=m&language=en -US&apiKey=weatherapi"}, {"service":"WeatherDisplayController", "name":"WeatherDisplay", "enabled":true, "interval":500}, {"enabled":"true", "interval": 60000, "พิน":36, "บริการ": "LDRController", "ชื่อ": "LDR", "cvalmin":0.0, "cvalmax":7.2, "cfmt":"%.2f V", "acctype":10}, {"service":"ThingSpeakController", "name":"ThingSpeak", "enabled":true, "interval":1200000, "value":[1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0], "apiKey":"สิ่งที่พูด kapi"}, {"enabled":true, "interval":1, "pin":"", "service":"ButtonController", "name":"Button", "pins":[27]}]

!กรุณาเปลี่ยน

• Thingspeakapi ด้วยคีย์ API ของ thingspeak ของคุณ
• weatherapi ด้วยคีย์ weather api ของคุณ
• geocode พร้อมตำแหน่งของคุณที่คุณต้องการรับการพยากรณ์

กว่าเตรียมไฟล์ที่สอง triggers.json

[{"type":"BMEToWeatherDisplay", "source":"BME", "destination":"WeatherDisplay"}, {"type":"TimeToWeatherDisplay", "source":"Time", "destination":"WeatherDisplay "}, {"type":"WeatherForecastToWeatherDisplay", "source":"WeatherForecast", "destination":"WeatherDisplay"}, {"type":"BMEToThingSpeak", "source":"BME", "destination": "ThingSpeak", "t_ch":1, "h_ch":2, "p_ch":3}, {"type":"ButtonToWeatherDisplay", "source":"Button", "destination":"WeatherDisplay"}, { "ประเภท": "LDRToThingSpeak", "แหล่งที่มา": "LDR", "ปลายทาง": "ThingSpeak", "ch":4}]

ไฟล์ทั้งสองจะต้องอัปโหลดไปยังรูทของ esp

คุณสามารถทำได้ผ่านเบราว์เซอร์ https://192.168.0. XX/browse โดยที่ https://192.168.0. XX คือที่อยู่ IP ของอุปกรณ์ของคุณ

หลังจากอัปโหลดแล้ว จะต้องรีสตาร์ท ESP และทุกอย่างถูกต้อง Esp จะแสดงหน้าจอที่เหมาะสมตามรูปภาพและวิดีโอด้านบน

ขั้นตอนที่ 6: การปรับจูนและการใช้พลังงาน

ฉันกำลังใช้อุปกรณ์ของฉันโดยเชื่อมต่อกับแผงโซลาร์เซลล์ และเพื่อให้แน่ใจว่าอุปกรณ์สามารถทำงานได้ "ไม่จำกัด"

การใช้พลังงานมีความสำคัญและหลังจากการทดลองหลายครั้ง ฉันได้ใช้กลอุบายสำคัญสองประการ

ลดการใช้ไฟ LED แบ็คกราวด์ของหน้าจอ TFT

ตามการวัดมันกิน 15-20 mA (มาก) ดังนั้นฉันจึงใช้กลยุทธ์กับ Motion detector ทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบ เครื่องตรวจจับความเคลื่อนไหวสามารถจดจำการตรวจจับใดๆ ได้สูงถึง 8-10 เมตร และเพิ่มแรงดันไฟบนสายสัญญาณ นี่คือการเปิดทรานซิสเตอร์และไฟ LED แบ็คกราวด์ได้รับพลังงาน โดยปกติตัวตรวจจับจะรักษาสถานะนี้ไว้ไม่เกิน 10 วินาที ซึ่งมากเกินพอที่จะมองเห็นจอภาพ แต่ถ้าคุณเคลื่อนที่ต่อไป สัญญาณจะยังคงสูงและ LED จะสว่าง

วิธีการดังกล่าวทำให้ฉันมีเศรษฐกิจขนาดใหญ่โดยไม่มีผลกระทบเพิ่มเติมฉันไม่พบปัญหาใด ๆ ที่จะเห็นหน้าจอของฉันเมื่อฉันต้องการ

2. ลดการใช้พลังงานโดย ESP32

เมื่อ ESP เชื่อมต่อกับ WiFi มันกิน 7-10 mA อย่างต่อเนื่องฉันกำลังพูดถึงเวลาคงที่ไม่ใช่การเริ่มต้นและการเชื่อมต่อครั้งแรก นี่เป็นที่ยอมรับได้หากคุณเห็นวันที่และเวลาจริงเสมอ เข้าถึงระบบของคุณจากชุดโฮมของ Apple

สำหรับพลังงานแสงอาทิตย์ของฉันในฤดูหนาวเช่นกัน มันเหมาะกับการทำงานที่ไม่มีแหล่งพลังงานเพิ่มเติม

ดังนั้นฉันจึงตัดสินใจให้ ESP32 เข้าสู่โหมดสลีปเป็นระยะ (การกินน้อยกว่า 1 mA) ไม่เป็นไรสำหรับฉัน เช่น ESP นอนหลับ 20 นาที กว่าตื่น รีเฟรชหน้าจอ (ข้อมูลจริงและการคาดการณ์) จะส่งข้อมูลไปที่ Thingspeak และกลับสู่โหมดสลีปอีกครั้ง

ข้อเสียคือ:

• หน้าจอสภาพอากาศแสดงค่าเวลาที่ล้าสมัย
• ไม่สามารถเข้าถึงสถานีจากเบราว์เซอร์และ Apple Home Kit ในช่วงเวลาพักเครื่อง

การตัดสินใจว่าอะไรสำคัญกว่านั้นขึ้นอยู่กับคุณ คุณสามารถกำหนดค่าใหม่ได้ง่ายๆ

โปรดดูไฟล์ services.json และ line

[{"service":"TimeController", "name":"Time", "enabled":true, "interval":1000, "timeoffs":7200, "dayloffs":3600, "server":"pool.ntp.org", "enablesleep":true, "sleeptype":1, "sleepinterval":900000, "restartinterval":18000000}

"enablesleep":true เปิดใช้งานโหมดสลีปเลย หากใส่ไว้เป็นเท็จหรือลบพารามิเตอร์ออก (ค่าเริ่มต้นเป็นเท็จ) ESP จะไม่เข้าสู่โหมดสลีป

"sleepinterval": 900000 นี่คือมิลลิวินาที หรือ 15 นาที หมายความว่าทุก ๆ 15 นาที ESP จะตื่นขึ้นและทำเจ้าหน้าที่ที่จำเป็น

ดังนั้นตอนนี้ทุกคนสามารถเล่นได้ตามความจำเป็น

ขั้นตอนที่ 7: การปรับเซนเซอร์

เพื่อลดผลกระทบของความร้อนภายในต่อเซ็นเซอร์อุณหภูมิ BME280

ก่อนอื่นฉันทำท่อรอบ ๆ เซ็นเซอร์และรู Hower ในโหมดของฉันเมื่อ LED ปกติถูกปิดและ ESP อยู่ในโหมดสลีปไม่ได้สำคัญดังนั้น ในกรณีอื่นๆ เซ็นเซอร์ BME280 ควรย้ายไปที่ใดที่หนึ่งเพื่อไม่ให้เกิดอิทธิพลจากความร้อนภายใน ฉันพบว่าอิทธิพลเล็กน้อยเพียงใดจึงมีสองพารามิเตอร์ที่จะชดเชย

"hum_corr":10.0

ซึ่งหมายถึงค่าเหล่านั้นจะถูกเพิ่มหลังการวัดค่า

ประการที่สองคือการสอบเทียบการวัดแรงดันแบตเตอรี่

"cvalmax":7.2

มีไว้เพื่อจุดประสงค์นี้ เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าถูกวัดหลังจากตัวแบ่งตัวต้านทานและเปรียบเทียบกับ 3.3 V การเล่นด้วยค่า cvalmax คุณสามารถปรับแรงดันไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำด้วยค่ามัลติมิเตอร์ของคุณ

ขั้นตอนที่ 8: การเพิ่มอุปกรณ์ไปยัง Apple Home Kit

สุดท้ายเมื่ออุปกรณ์ของคุณทำงานอย่างถูกต้อง คุณสามารถเพิ่มไปยัง Apple Home Kit และคุณจะสามารถดูได้

ค่าเซ็นเซอร์บนหน้าจอหลักของ Apple

ก่อนอื่นคุณต้องรีสตาร์ทอุปกรณ์ ทันทีที่อุปกรณ์เริ่มทำงาน อุปกรณ์จะไม่เข้าสู่โหมดสลีป 20 นาทีก็เพียงพอแล้ว

กว่าเปิดแอพ Home Kit บนอุปกรณ์ iOS ของคุณ แล้วเลือกหรือสร้าง Home1 ใหม่ กดเพิ่ม (+)

2. เลือกเพิ่มอุปกรณ์เสริม

3. กด I don't have a Code หรือ Cannot scan (จะเพิ่มเติมในการสแกน)

4. หากทุกอย่างเป็นไปด้วยดี คุณจะเห็นอุปกรณ์ esp ใหม่ของคุณในรายการ (ดูรูป)

5. เลือกอุปกรณ์และยืนยันการเพิ่มโดยไม่มีการรับรองอย่างเป็นทางการ

6. พิมพ์รหัสผ่าน 11111111

7. แค่นั้น ! คุณควรเห็นว่าอุปกรณ์จับคู่สำเร็จ ไม่เช่นนั้นให้เริ่มกระบวนการจับคู่อีกครั้ง..

ตามการตั้งค่านี้ คุณจะเห็นอุปกรณ์สองเครื่องบน Apple

1. เซ็นเซอร์อุณหภูมิและเซ็นเซอร์ Hum ลึกลงไปจะแสดงค่าแบบเต็มหน้าจอ

2. เซ็นเซอร์วัดแสง:) จริง ๆ แล้ว Apple สามารถแสดงแสง Ambience ได้ แต่ไม่ใช่ Voltage ดังนั้นแรงดันแบตเตอรี่จึงแสดงเป็น Lux

ขั้นตอนที่ 9: OTA: Over the Air Updates

ก่อนที่จะเริ่มการอัปเดตใด ๆ เป็นการดีกว่าที่จะรีบูต ESP32 ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ว่า 20 นาทีแรกจะไม่เข้าสู่โหมดสลีป

มีความเป็นไปได้สองทางที่จะอัปเดต

1. การกำหนดค่าโดยใช้ https://192.168.0. XX/browse คุณสามารถเข้าถึงระบบไฟล์ของคุณบน ESP และเปลี่ยนไฟล์การกำหนดค่า
2. คุณสามารถอัปเดตเฟิร์มแวร์ได้อย่างสมบูรณ์ เพื่อจุดประสงค์นี้ก่อนอื่น คุณต้องสร้างใหม่ สามารถทำได้ผ่าน Arduino หรือ Visual Studio IDE จากนั้นพิมพ์ใน browser https://192.168.0. XX/update เลือก firmware แล้วกด update รอจนกว่ากระบวนการจะเสร็จสิ้นและคุณจะได้รับการตอบกลับ ตกลง มิฉะนั้น ทำซ้ำขั้นตอนอีกครั้ง