Station météo ESP32 Weathercloud : 16 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

L'année dernière, j'ai publié mon plus grand Instructable à ce jour appelé Arduino Weathercloud Weather Station. C'était très populaire je dirais. Il a été présenté sur la page d'accueil Instructables, le blog Arduino, le musée Wiznet, Instructables Instagram, Arduino Instagram et également sur Weathercloud Twitter. C'était même l'un des 100 meilleurs Instructables de 2018 ! Et c'était une très grosse affaire pour un petit fabricant comme moi. J'ai été ravi de voir autant de réactions positives et j'ai lu attentivement chaque commentaire et astuce. Depuis environ 8 mois, je travaille sur cette nouvelle station raffinée. J'ai corrigé et amélioré diverses choses. J'ai essayé de le rendre plus petit, plus simple, plus intelligent, plus cool et de laisser le coût acceptable de 150 € (165 $). La station est installée dans une ferme robotique près de Senec, en Slovaquie. Voici les données actuelles.

Je vais essayer d'expliquer tout mon processus de réflexion ici, donc si vous voulez juste commencer la construction, passez directement à l'étape 3.

Caractéristiques:

• mesure de 12 valeurs météorologiques
• utilisation de 8 capteurs distincts
• IoT - les données sont publiques sur le cloud
• Fonctionnement 5V 500mA
• communication via Wi-Fi
• complètement étanche
• ça a l'air cool
• c'est du bricolage

Merci beaucoup à Lab Cafe makerspace pour avoir fourni de l'espace et du soutien lors de la construction de cette station. Allez les voir !

Crédit photo: ME (bien sûr) + Viktor Demčák

MISE À JOUR 2020-07-18: Bonjour à tous ! Ça fait longtemps. Beaucoup d'entre vous m'ont écrit au sujet de multiples problèmes avec le matériel et les logiciels. Le nouveau matériel sera prêt dans quelques semaines, mais d'ici là, je publie un nouveau firmware. Ce logiciel aidera à éliminer certains des problèmes. Passez à l'étape 12 pour en savoir plus. Et surtout, profitez-en !

Étape 1: Concevoir

Concevoir une station météo est un processus long et réfléchi. Vous avez le choix entre de nombreuses options. Voici les principales choses auxquelles vous devriez penser lors de la conception d'une station météo (ou du moins je l'ai fait):

1) BUDGET. C'est assez explicite.

2) EMPLACEMENT. Ceci est très important car cela affecte l'installation ainsi que la technologie de communication et la source d'alimentation requise. Les stations météorologiques distantes ont besoin d'émetteurs à longue portée et d'une source d'alimentation autonome telle qu'un panneau solaire.

3) VARIABLES MESUREES. Voulez-vous simplement mesurer la température ou l'humidité? Ensuite, vous pouvez mettre la sonde presque n'importe où. Mais si vous souhaitez mesurer les précipitations, le vent, le rayonnement solaire, l'indice UV ou d'autres éléments liés au soleil ou aux précipitations, les capteurs ne peuvent pas être dans l'ombre et ne peuvent être bloqués ni du haut ni des côtés.

4) PRÉCISION. Souhaitez-vous que vos mesures soient calibrées avec précision et comparables à celles de l'institut météorologique national ou des valeurs plutôt amateurs vous suffisent-elles ?

Donc, à présent, vous devriez avoir une assez bonne image de ce que vous voulez. Passons donc à la planche à dessin ! Voici quelques règles de base auxquelles j'ai pensé:

1) PROTÉGER LA SONDE DE TEMPÉRATURE. Vous devez absolument le faire. La chaleur peut voyager de tellement de manières qu'elle peut rayonner et conduire à travers la structure de la station elle-même. Essayez donc de recouvrir toutes les pièces métalliques et placez le capteur de température dans un écran anti-rayonnement. Je sais, ma station de radiation n'est pas parfaite mais ça aide.

2) METTRE LE CAPTEUR DE VENT EN HAUT. Les capteurs de vent sont censés être placés à 10 m de haut selon les normes internationales. Je n'ai même pas l'argent pour acheter un pilier de 10 m donc un tuyau de 2 m au-dessus d'un toit me suffit.

3) ZONE DÉGAGÉE AUTOUR ET AU-DESSUS DE LA GARE. Si vous souhaitez mesurer la lumière du soleil, vous ne pouvez pas placer le capteur dans une ombre. Si vous voulez mesurer les précipitations, vous ne pouvez pas avoir quelque chose qui bloque les gouttelettes. Assurez-vous donc que la zone autour et au-dessus de la station est dégagée.

Nous allons continuer. Donc, pour ma station, j'ai décidé de mesurer ces variables: température de l'air, température du sol, humidité relative, pression atmosphérique, indice de chaleur, point de rosée, refroidissement éolien, précipitations, rayonnement solaire, indice UV, vitesse et direction du vent. Il s'agit de 8 capteurs au total dont 3 petits modules montables sur PCB et 5 sondes externes. J'aurai besoin de 2 microcontrôleurs séparés, un pour gérer uniquement les mesures de précipitations et le second pour tout le reste.

J'ai décidé de mettre tout ce que je peux sur un seul PCB. J'ai mis le PCB dans un boîtier IP65 avec couvercle transparent, afin que la lumière du soleil puisse traverser les capteurs de rayonnement solaire et d'indice UV. Tous les autres capteurs seront connectés au boîtier de commande principal avec un câble. Voilà pour ma conception.

Étape 2: Nuage météorologique

« Station météo ESP32 Weathercloud » Qu'est-ce que Weatherclud ? Weathercloud est un vaste réseau de stations météorologiques rapportant des données en temps réel du monde entier. C'est gratuit et plus de 10 000 stations météo y sont connectées. Tout d'abord, j'avais mon propre site Web HTML où toutes les données étaient envoyées, mais créer votre propre site Web et vos propres graphiques est difficile et il est beaucoup plus facile d'envoyer toutes les données à une grande plate-forme cloud dotée de jolis graphiques et de serveurs stables. J'ai cherché comment envoyer des données à weathercloud et j'ai découvert que vous pouvez le faire facilement par un simple appel GET. Le seul problème avec Weathercloud est qu'avec un compte gratuit, il ne vous permet d'envoyer des données que toutes les dix minutes, mais cela ne devrait pas être un problème pour la plupart des utilisations. Vous devrez créer un compte Weathercloud pour que cela fonctionne. Ensuite, vous devrez créer un profil de station sur leur site Web. Lorsque vous créez votre profil de station météo sur Weathercloud, vous recevez un identifiant Weathercloud et une clé Weathercloud. Conservez-les car l'Arduino en aura besoin pour savoir où envoyer les données.

Étape 3: Liste des pièces

OK, donc pour ce projet, vous aurez besoin de tout ce qui est soigneusement répertorié dans ma nomenclature Google Docs ici.

COT ESTIMÉ DU PROJET: 150€/165$

Étape 4: Outils

Ces outils peuvent s'avérer utiles (bien que la plupart d'entre eux soient absolument nécessaires):

Découpeur laser

Soudeur

Scie en acier

Pince à dénuder

Perceuse électrique

Perceuse à batterie

Fer à souder

Pinces

Tournevis

Pistolet à colle

Multimètre

Foret d'arbre

Étape 5: Conception du tableau de commande

J'ai opté pour une architecture très centralisée. Cela signifie que tout ce qui peut être n'est pas seulement dans une seule boîte mais sur un seul circuit imprimé. J'ai récemment appris à concevoir des PCB, ce qui est une compétence très précieuse et utile. Tous les projets sont beaucoup plus soignés et plus précis et même élégants d'une certaine manière. C'est aussi très pratique: il vous suffit d'envoyer vos fichiers en Chine et ils font tout le travail de câblage et vous expédient la carte complète. Ensuite, il vous suffit de souder les composants en place et le tour est joué.

Le PCB contient les deux microcontrôleurs de cette station: ESP32 (l'unité de contrôle principale) et Arduino NANO (le processeur de pluie). Il contient également certains des capteurs qui incluent: BME280, BHT1750 et le ML8511. Ensuite, il y a le module RTC DS3231. Enfin, il y a des résistances et des connecteurs à vis.

J'ai conçu ma carte dans Autodesk Eagle. Téléchargez simplement le fichier Gerber inclus appelé "ESP32 weather station.zip" et téléchargez-le sur JLC PCB. Ou si vous souhaitez le modifier, vous pouvez télécharger les fichiers "ESP32 weather station schema.sch" et "ESP32 weather station board.brd" et les modifier dans Eagle. Je conseille fortement d'inscrire d'abord le cours de conception de circuits imprimés d'Instructables.

Étape 6: Souder

Ok tout le monde, vous avez probablement tous déjà fait ça. Cette belle planche que j'ai conçue a de belles empreintes de pas en sérigraphie imprimées dessus. Lorsque vous avez cela, la soudure devrait être un jeu d'enfant parce que vous voyez exactement où va quoi. Il n'y a que des composants THT avec l'espacement standard de 0,1 . Alors, continuez et soudez la carte car vous êtes intelligent et vous pouvez le faire vous-même ! Cela ne devrait pas vous prendre plus d'une demi-heure.

MISE À JOUR 2020-07-18: Le module RTC n'est plus requis. Il n'est pas nécessaire de le monter sur la carte. Vous pouvez en savoir plus à l'étape 12.

Étape 7: Faire le bouclier de rayonnement

Quand je construisais ça, je me suis dit "D'accord, tu l'as déjà fait deux fois, il n'y a aucune chance que tu le gâches maintenant." Et je ne l'ai pas fait.

Un bouclier contre le rayonnement solaire est une chose très courante utilisée dans les stations météorologiques pour bloquer le rayonnement solaire direct et donc réduire les erreurs dans la température mesurée. Il sert également de support pour le capteur de température. Les boucliers anti-radiations sont très utiles mais sont généralement en acier et ils sont chers, j'ai donc décidé de construire mon propre bouclier. J'ai fait un Instructable qui montre comment faire un bouclier de rayonnement comme celui-ci.

Étape 8: Boîtier de commande

La partie principale de cette station est évidemment le boîtier de commande. Il contient les microcontrôleurs primaire et secondaire, certains des capteurs, le RTC et certains composants passifs. Tout cela dans un boîtier IP65 pratique. La boîte a un couvercle translucide pour que la lumière du soleil puisse traverser les capteurs UV et de rayonnement solaire.

Avant de pouvoir monter le PCB, nous devons préparer le boîtier pour les câbles. Il y a cinq câbles d'alimentation et de données qui entrent dans la boîte. Afin de maintenir les propriétés d'étanchéité de la station, nous aurons besoin de presse-étoupes étanches. Plus précisément, un PG7 pour le câble d'alimentation, un deuxième PG7 pour les capteurs de vent et de pluie et le troisième PG11 pour les deux capteurs de température. J'ai mis le plus gros presse-étoupe (PG11) au centre d'une paroi de la boîte et les deux plus petits (PG7) presse-étoupes dans la paroi opposée. Le processus de modification de la boîte est donc le suivant:

1) Marquez le centre de chaque trou avec un marqueur.

2) Percez un petit trou avec un foret fin.

3) Augmentez lentement la taille du trou avec un foret d'arbre.

4) Dégagez les trous.

5) Insérez et fixez un presse-étoupe dans chacun des trous.

Étape 9: montage sur circuit imprimé

Comme je n'ai que la version d'essai d'Autodesk Eagle, je ne peux pas concevoir de PCB de plus de 8 cm. Tout s'adapte à cette planche donc c'est très bien. Le seul problème est avec le boîtier de commande. Les trous de montage de la carte inclus dans la boîte sont distants de 14 cm. Cela signifie que nous allons avoir besoin d'un support pour le PCB. Cela peut être une planche (bois/plastique/métal) sur laquelle on montera le PCB. Ensuite, nous allons attacher la carte de support au boîtier de commande. De cette façon, le PCB sera fixé au boîtier de commande.

Vous pouvez faire le support comme vous le souhaitez. Vous pouvez le fabriquer manuellement à partir d'une plaque de bois ou d'acier, vous pouvez le découper au laser (comme moi) ou vous pouvez même l'imprimer en 3D. J'inclus les dimensions de la planche donc le choix vous appartient. Si vous avez accès à une découpeuse laser, la découpe laser est l'option la plus simple. Vous pouvez trouver les fichiers de découpe laser ici aux formats.pdf et.svg.

Comme vous pouvez le voir, je suis passé par plusieurs variantes du support. Enfin, j'ai opté pour l'acrylique, car il n'est pas affecté par l'humidité (comme le bois) et il n'attire pas la chaleur (comme l'acier).

Étape 10: Assemblage + Câblage

Cela va être assez facile à faire, mais assez difficile à expliquer car il y a beaucoup de petites étapes. Allons droit au but alors:

1) Insérez tous les câbles dans leur trou désigné. Ne fixez pas encore les presse-étoupes.

2) Connectez tous les fils des capteurs de vent, du capteur de pluie et du câble d'alimentation conformément au schéma de câblage inclus. Ne connectez pas encore les câbles des capteurs de température.

3) S'il est monté, retirez le support PCB. Ensuite, retournez le PCB de sorte que les câbles passent le long de sa face inférieure. Fixez le support PCB de sorte que les câbles soient fixés dans un sandwich entre le PCB et le support.

4) Insérez et vissez le support PCB avec le PCB.

5) Fixez les deux plus petits presse-étoupes (PG7). Ne sécurisez pas encore le plus gros.

6) Insérez et connectez les câbles des capteurs de température selon le schéma de câblage inclus.

7) Mettez le couvercle supérieur et vissez-le en place.

Étape 11: Soyez heureux

Cette étape est une sorte de point de contrôle. À ce stade, vous devriez vous être fabriqué quelque chose qui ressemble à ce que vous voyez sur la photo. Si c'est exact, soyez heureux. Allez-y, procurez-vous une collation et reposez-vous car ce n'est pas seulement un petit pas pour un homme, mais un pas de géant pour l'humanité. Sinon, parcourez les étapes précédentes et localisez le problème. Si cela ne vous aide pas, commentez ou envoyez-moi un message.

Ainsi, lorsque vous êtes en bonne santé et en forme, vous pouvez passer à la partie codage et débogage.

Étape 12: Codage et débogage

Yaaaaay, tout le monde aime coder ! Et même si vous ne le faites pas, cela n'a pas d'importance car vous pouvez simplement télécharger et utiliser mon code.

Tout d'abord, vous devez ajouter le module de développement ESP32 à votre gestionnaire de cartes. Pour ce faire, vous devrez télécharger un package JSON et l'installer via le gestionnaire de cartes. Voir ce tutoriel par Random Nerd Tutorials.

Vous devez maintenant télécharger toutes les bibliothèques essentielles. J'ai créé l'archive ZIP "Libraries.zip" pour vous simplifier les choses. N'importez pas l'archive dans Arduino IDE comme une bibliothèque classique. Au lieu de cela, extrayez l'archive et déplacez tous les fichiers vers Documents/Arduino/libraries. Vous pouvez maintenant télécharger mes quatre programmes: "Wi-Fi_Weathercloud_API_test.ino", "System_test.ino", "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino".

Ouvrez "Wi-Fi_Weathercloud_API_test.ino". Vous aurez besoin de changer quelques choses. Tout d'abord, vous devrez remplacer "SSID" et "KEY" par le SSID (nom) et le mot de passe de votre réseau Wi-Fi. Deuxièmement, vous devrez remplacer "WID" et "KEY" par votre identifiant Weathercloud et votre KEY que vous devriez avoir à l'étape 2. Vous devrez également faire de même avec "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino". Continuez et téléchargez le code sur l'ESP32. Vous devriez voir les données prédéfinies apparaître sur le site Web de Weathercloud. Si c'est correct, continuez.

Téléchargez le "System_test.ino" sur l'ESP32 et le "I2C_rainfall_sender" sur l'Arduino NANO. Ouvrez la console série de l'ESP32 à 115200 bauds. Vous devriez maintenant voir les données du capteur arriver toutes les 15 secondes sur votre écran. Jouez avec les capteurs. Éclairez le capteur de rayonnement solaire, soufflez dans le capteur de vitesse du vent, chauffez la sonde de température… Vous pourrez ainsi tester si tout fonctionne. Si vous concluez que tout est comme il se doit, continuez.

Téléchargez le "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino" sur l'ESP32. Si vous avez tout fait correctement, vous devriez voir les données réelles de la station arriver sur la page Weathercloud toutes les 10 minutes. Si cela fonctionne, cela signifie que votre station est maintenant pleinement opérationnelle et qu'il ne vous reste plus qu'à l'installer dans un endroit agréable.

MISE À JOUR 2020-07-18: Tous les programmes secondaires/de test restent les mêmes. Mais le programme principal de la station météo a été amélioré. La structure du code est beaucoup plus claire qu'auparavant. Vous pouvez définir tous les paramètres requis au début du code. L'ESP32 reçoit maintenant l'heure d'un serveur NTP, le module RTC n'est donc plus requis. Enfin et surtout, l'ESP32 exécute désormais une procédure de veille profonde lorsqu'il ne mesure pas et n'envoie pas de données. Cela réduira la consommation d'énergie et contribuera également à prolonger la durée de vie de la station météo. Pour utiliser le nouveau code, il suffit de télécharger le code "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino" mis à jour et le fichier ZIP mis à jour avec les bibliothèques (Instructables ne l'accepte pas, voici donc un lien Google Drive). Prendre plaisir!

Étape 13: Montage de la station

Ainsi, après avoir confirmé que votre station fonctionne, vous devez concevoir et fabriquer un support pour celle-ci. Il devra être solide, durable, compact et enfin, il devra être beau. Prenez cette étape plus comme une recommandation ou une inspiration que comme des instructions précises. Je ne sais pas à quoi ça ressemble où vous allez le monter. Vous devez être un peu plus créatif. Mais si vous avez un toit plat avec un tuyau métallique de 5 cm de diamètre qui dépasse, continuez et faites comme moi. Cette station dispose de deux box. J'ai donc décidé de les mettre tous les deux l'un à côté de l'autre sur un panneau métallique. Il doit être monté sur un tuyau métallique d'un diamètre de 5 cm. J'ai donc mis un tuyau de 5cm de diamètre intérieur sur le bas du panneau. Les deux capteurs de vent doivent être éloignés du reste de la station. Mettez donc deux tuyaux de 40 cm de long de chaque côté de la station et deux tuyaux de 10 cm de long au bout de chacun. L'écran anti-rayonnement doit être monté sous le panneau pour fournir une ombre supplémentaire. Pour cela, j'ai mis une équerre de 7 par 15 cm L sur le tuyau métallique épais.

Voici toutes les pièces métalliques nécessaires une par une [dimensions en mm]:

1x tuyau, diamètre intérieur 50, longueur 300

1x panneau, 250 par 300, épaisseur 3

1x support L, 75 et 150 bras

2x tuyau, diamètre extérieur 12, longueur 400

2x tuyau, diamètre intérieur 17, longueur 100

Lorsque vous avez toutes ces pièces métalliques, vous pouvez les souder en place selon le modèle 3D que j'ai fourni. Ensuite, vous devrez percer tous les trous pour les boîtes et pour l'écran anti-rayonnement. Ensuite, il suffit de le peindre avec de la peinture pour métal. Je recommande d'aller avec du blanc, car il absorbe le moins de chaleur de toutes les couleurs. Ça y est, vous avez un support de station sur lequel vous pouvez monter votre station !

Étape 14: Installation

Prenez votre station météo, votre monture et tous vos outils car vous en aurez besoin de tous. Montez dans une voiture (ou un bus je m'en fous) et rendez-vous au futur emplacement de votre gare. Enfin, vous pouvez monter la station.

Faire fonctionner votre station météo dans votre atelier est une chose, mais la faire fonctionner dans les conditions difficiles du monde réel en est une autre. La procédure d'installation dépend beaucoup du bâtiment sur lequel vous installez votre station. Mais si vous avez le support de l'étape précédente et une perceuse puissante, ça devrait aller. Il vous suffit de coller le tuyau épais du support sur le tuyau légèrement plus fin sur le toit. Ensuite, il suffit de percer les deux tuyaux et de les fixer avec une longue vis. Montez tous les boîtiers et capteurs. C'est ça. Votre station est maintenant installée avec succès.

Nous l'avons fait un jour de pluie. C'était très difficile mais nous n'avions pas d'autre choix à cause de la date limite du concours.

Étape 15: alimentation, configuration de la liaison montante et débogage

Votre station est physiquement installée, mais elle n'est pas encore en ligne. Faisons-le maintenant. Vous devez alimenter la station d'une manière ou d'une autre. Il faut être un peu créatif ici. Vous pouvez mettre un adaptateur à l'intérieur de la maison et tirer un câble à travers la fenêtre. Vous pouvez enterrer le câble sous terre. Vous pouvez l'alimenter via un panneau solaire. Tout ce qui compte, c'est qu'il y a du 5V 500mA sur les broches du câble d'alimentation provenant du boîtier de commande. N'oubliez pas que tout doit être résistant aux intempéries ! Une fois votre station alimentée, vous pouvez passer à la configuration et au débogage de la liaison montante.

La configuration de la liaison montante permet essentiellement à l'ESP32 de se connecter à votre réseau Wi-Fi. Si c'est chez toi, ça devrait aller. Si c'est dans un garage ou plus éloigné, vous aurez peut-être besoin d'un répéteur Wi-Fi ou même d'un réseau Wi-Fi personnalisé. Vient ensuite la phase de débogage. Vous pouvez simplement télécharger le code final et espérer le meilleur, mais je recommande vraiment de tester chacun des capteurs un par un juste pour être sûr que tout fonctionne correctement. Fondamentalement la même chose qu'à l'étape 12. Si tout fonctionne comme il se doit, vous pouvez appuyer sur le bouton UPLOAD débrancher le câble USB et fermer le boîtier de commande.

Étape 16: Vivez heureux pour toujours

Bon sang, c'était tellement les gars de dernière minute. J'ai remarqué le concours Sensors à peine 10 jours avant sa fin. Le soir même, j'ai dû passer une dizaine d'appels téléphoniques pour organiser tout le nécessaire pour finaliser la station. Ce n'était pas encore tout à fait terminé. Le jour où nous devions installer la station, une tempête géante a bouleversé nos plans. J'avais besoin de finaliser tout le texte avant que la station ne soit terminée. La station a finalement été installée juste aujourd'hui, le même jour où j'ai publié ce Instructable.

Il y a certainement beaucoup de choses qui auraient pu être mieux faites ici, mais il y a beaucoup de choses utiles que vous pouvez apprendre ici et les utiliser lors de la construction de votre propre station. Si vous avez effectué toutes les étapes correctement, vous disposez maintenant d'une station météo cloud ESP32 entièrement opérationnelle. Et c'est quelque chose ! Tout le travail acharné a payé (j'espère qu'il l'a fait). Vous pouvez voir les données de ma station ici. Si vous avez des questions ou des suggestions, je serais heureux de les entendre dans la section commentaires ci-dessous.

Ouais et aussi si vous aimiez ce projet, j'apprécierais beaucoup si vous votiez pour moi au concours Sensors. Merci beaucoup et profitez-en !!!

Premier prix du concours Capteurs