Автономная погодная станция DIY

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:

• ESP8266 NodeMcu v3 Lua
• BME280
• BH1750
• INA219
• Stevenson screen
• SDS011 Nova PM sensor
• Solar panel
• LiPo 3,7 V 2000mAh

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.

• не требуется поддержка на программном уровне.
• https://aliexpress.ru/item/32757561351.html
• https://youtu.be/bYWhASHdVDg
• https://www.ti.com/lit….pdf?&ts=1589295453250
• https://www.onsemi.com…lateral/PCA9517A-D.PDF

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

• требуется поддержка на программном уровне.
• https://aliexpress.ru/item/4000067621113.html
• https://www.youtube.com/watch?v=u5se947Fg_E
• https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tca9548a.pdf

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.