Автономная погодная станция DIY

TrDA
Идет загрузка
Загрузка
15.08.2020
4443
18
печатает на Flyingbear P905X Large
Применение

Подпишитесь на автора

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

20

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:

  • Контроллер солнечных панелей.
  • Датчик AM2315 I2C, к сожалению, проработал всего около месяца на улице.
  • Датчик SHT10, тоже проработал не более месяца "за бортом" моей лоджии.

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 2.1

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 хорошо. Но 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.

Вполне возможно комбинировать оба варианта.

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.

Подпишитесь на автора

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

20
Комментарии к статье

Комментарии

15.08.2020 в 01:19
1

Предлагаю ко всему этому добавить дозиметр.

15.08.2020 в 10:31
1

К экрану просится кнопка.

Нажал - смотри, что покажет.

Покажет всё, что ты хочешь,

Но только не всё и сразу...

15.08.2020 в 13:51
0

Возможно, в следующей ревизии добавлю, но это не точно.

15.08.2020 в 13:53
2

Фига себе панели!...

Метеостанция, собирающая данные с десятка аналоговых датчиков (напряжение батареи, напряжение солнечной панели, направление ветра, влажность почвы, влажность листа, температура почвы и т.д.) и нескольких цифровых (скорость ветра, температура в корпусе станции, атмосферное давление) каждую минуту и передающая собранные данные через GSM-модем каждые 15 минут, живет от трех последовательно включенных никелевых аккумуляторов размером АА почти два месяца вообще без солнечной панели. С солнечной панелью размером около 5х8 см ей хватает одного солнечного дня чтобы восполнить потери за пасмурную неделю :)

Что в Вашей станции жрет столько, что она требует таких огромных панелей? :)

Эта же станция с 6 термисторами в качестве аналоговых датчиков прожила без всякой подзарядки в ящике стола от не полностью заряженного литиевого аккумулятора 2 А*ч целый месяц :) Тоже собирая измерения каждую минуту и отправляя их через GSM каждые 15 минут.

Вот таблица с полученными от нее данными, начиная с 8-го дня ее работы от этого аккумулятора:


По поводу зарядки аккумулятора от панели - не нужно никаких контроллеров. Достаточно компаратора с гистерезисом, отрубающего солнечную панель при достижении на аккумуляторе максимального напряжения и подрубающего ее опять при падении напряжения на аккумуляторе на 0.2-0.4 от максимального :)

17.08.2020 в 04:19
0

Если можно, ссылку на действующую схему?!

17.08.2020 в 09:21
1

К сожалению, ссылку на схему дать не могу, т.к. проект коммерческий и права на него не принадлежат мне. Но могу подсказать по интересующим моментам :)

18.08.2020 в 22:07
0

К сожалению, ссылку на схему дать не могу, т.к. проект коммерческий и права на него не принадлежат мне.

Ну, я так и думал ... сам всегда так говорю  )))

Но могу подсказать по интересующим моментам :)

Особо интересовал вопрос - как вы умудряетесь получать такие неподражаемые результаты ЗИМОЙ, когда снега на панелях 10 - 20 см снега и лежит он неделю, а то и две недели (и убрать его некому), и так пока солнечный день не наступит, и не растопит снег и панели смогут зарядить LI-PO аккумулятор при -15С.

По поводу зарядки аккумулятора от панели - не нужно никаких контроллеров.

А у меня то и нет контролера (внезапно), для зарядки аккумулятора, у меня контроллер солнечных панелей с MPPT (или уже и MPPT тоже не нужен), а зарядка аккумуляторов там вторична ... жаль, но видимо опять вы читали по диагонали.

Удачи!

18.08.2020 в 23:58
1

Ну, я так и думал ...

Я же сказал - могу подсказать по конкретным моментам :) Это не мой проект, я в нем за плату немного помогал со схемой и полностью писал прошивку.

как вы умудряетесь получать такие неподражаемые результаты ЗИМОЙ

Понятия не имею, я не занимаюсь эксплуатацией этих станций. Но знаю, что несколько сотен (а может быть уже и тысяч) их работает уже несколько лет по всей России и даже за ее пределами :) Наверное, раз в неделю-две счищают с них снег зимой и раз в месяц протирают от пыли летом :)

панели смогут зарядить LI-PO аккумулятор при -15С

Там нет LiPo, там никелевые аккумуляторы. Так что зарядка при -15 - не проблема :)

жаль, но видимо опять вы читали по диагонали.

Я просмотрел статью, не увидел в ней никаких задач, могущих жрать энергию больше, чем по каплям, и увидел огроменные панели с огроменным аккумулятором, который, к тому же, еще и хотят проапгрейдить до еще более огроменного :)

Нет, МРРТ тут тоже не нужен, если не стоит задача выжимать из солнечных панелей все до капли. А для погодной станции таких панелей должно хватить без всяких МРРТ даже если 300 дней в году все небо будет в черных тучах :) А задачи работать в качестве автономной электростанции у Вас в статье я не увидел :)

19.08.2020 в 20:06
0

Ни коим образом не критика, просто мысли в слух.

Понятия не имею, я не занимаюсь эксплуатацией этих станций. Но знаю, что несколько сотен (а может быть уже и тысяч) их работает уже несколько лет по всей России и даже за ее пределами :) Наверное, раз в неделю-две счищают с них снег зимой и раз в месяц протирают от пыли летом :)

Я даже увидел эту картину ... "несколько сотен (а может быть уже и тысяч)", вы только представьте это сколь дополнительных рабочих мест, а название должности какое "счищаий с них снег" !!!

Там нет LiPo, там никелевые аккумуляторы.

Да согласен, LiPo - в данном случае зло. Потому буду всё менять на "Свинец", а в последствии на LiFePo4.

... он работал пока я его не заменил.

Я просмотрел статью, не увидел в ней никаких задач, могущих жрать энергию больше, чем по каплям, и увидел огроменные панели с огроменным аккумулятором, который, к тому же, еще и хотят проапгрейдить до еще более огроменного :)

Список задач/апгрейдов описан в последней главе, цитирую:

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.

15.08.2020 в 14:10
0

Фига себе панели!...

Проект постоянно обновляется, возникают различные идеи/потребности. В последней главе я их примерно описал.

Что в Вашей станции жрет столько, что она требует таких огромных панелей? :)

Мы же не в одном регионе живём и окна не у всёх строго на юг выходят... а "жрёт" мой смартфон, он временно используется как нагрузка, далее будут "жрать" четыре небольшие рулонные шторы.

По поводу зарядки аккумулятора от панели - не нужно никаких контроллеров. Достаточно компаратора с гистерезисом, отрубающего солнечную панель при достижении на аккумуляторе максимального напряжения и подрубающего ее опять при падении напряжения на аккумуляторе на 0.2-0.4 от максимального :)

Я как и все, достаточно ленив и не обременён бесконечным временным ресурсом:

  • если это можно купить - я покупаю.
  • если не возможно купить - я паяю.

16.08.2020 в 14:49
0

В 1й версии упомянут контроллер аккума, который благополучно сгорел
И уже на схемах и фото, начиная с версии 2.1 виден совсем другой контроллер. С местом для круглого аккума. Но ссылки на него я в тексте не нашел.
Что это за контроллер?

16.08.2020 в 18:35
0

В 1й версии упомянут контроллер аккума, который благополучно сгорел

Это контроллер солнечных панелей с MPPT, аккум там за компанию.

Что это за контроллер?

https://aliexpress.ru/item/32978847396.html

16.08.2020 в 20:01
0

Отлично, спасибо! ) Давно искал. а то другие жрут больше, чем заряжают. Попробуем этот )

22.08.2020 в 18:26
0

На строящейся даче есть WiFi?

Вот по GSM наверно по интересней и универсальней было бы сделать.

22.08.2020 в 21:07
0

На строящейся даче есть WiFi?

Да, обязательно. Видео-контроль за подрядчиками (строителями), суммарно 12 видеокамер, полное покрытие участка Wi-Fi. 

Вот по GSM наверно по интересней и универсальней было бы сделать.

Ну, тут уже от потребностей. Я вписывался в имеющуюся Инфраструктуру. 

22.08.2020 в 21:04

Комментарий удалён

10.09.2020 в 11:00
0

Башня "Стевенсона" (Stevenson screen). Решил купить её готовую

Где брали? Ссылочкой поделитесь?

11.09.2020 в 10:43
1

Всё для вас )

Stevenson screen: https://aliexpress.ru/item/32793243933.html

11.09.2020 в 10:45
1

Благодарю!

Для написания комментариев, пожалуйста, авторизуйтесь.

Читайте в блогах

Медицина и 3D печать | Новости Импринты | Стрим Вечерний аддитив 20 сентября

Подборка сегментных игрушек часть 3-я - Flyingbear Ghost 4S, Tornado 2

Долой долгую печать

На что же она способна? (Мини-Циркулярка на 3D принтере)

Новые полимеры Hardlight

Поворотный стол ScanBase APT20: доступная профессиональная фотография