Estación meteorológica WiFi con energía solar V1.0: 19 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

En este Instructable, le mostraré cómo construir una estación meteorológica WiFi con energía solar con una placa Wemos. El Wemos D1 Mini Pro tiene un factor de forma pequeño y una amplia gama de protectores plug-and-play lo convierten en una solución ideal para comenzar rápidamente a programar el SoC ESP8266. Es una forma económica de construir Internet Of Things (IoT) y es compatible con Arduino.

También puede ver mi nueva versión 3.0 Weather Station.

También puede ver mi nueva estación meteorológica versión 2.0.

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La nueva estación meteorológica tiene las siguientes características:

1. La estación meteorológica puede medir: temperatura, humedad, presión barométrica, altitud

2. Puede controlar los parámetros meteorológicos anteriores desde su teléfono inteligente o desde la web (ThingSpeak.com)

3. Todo el circuito junto con la fuente de alimentación se coloca dentro de una carcasa impresa en 3D.

4. El alcance del dispositivo se mejora mediante el uso de una antena externa de 3dBi. Son unos 100 metros.

Paso 1: Piezas y herramientas necesarias

1. Wemos D1 Mini Pro (Amazon / Banggood)

2. Placa de carga TP 4056 (Amazon / Aliexpress)

3. Diodo (Aliexpress)

4. Sensor BME 280 (Aliexpress)

5. Panel solar (Banggood)

6. Tablero perforado (Banggood)

7. Terminales de tornillo (Banggood)

8. Separadores de PCB (Banggood)

9. Batería de iones de litio (Banggood)

10. Soporte de batería AA (Amazon)

11. Cable de 22 AWG (Amazon / Banggood)

12. Super Glue (Amazon)

13. Cinta adhesiva (Amazon)

14. Filamento de impresión 3D -PLA (GearBest)

Herramientas utilizadas:

Impresora 1.3D (Anet A8 / Creality CR-10 Mini)

2. Soldador (Amazon)

3. Pistola de pegamento (Amazon)

4. Cortador / pelacables de alambre (Amazon)

Paso 2: fuente de alimentación

Mi plan es instalar la estación meteorológica en un lugar remoto (mi casa de campo). Para hacer funcionar la estación meteorológica de forma continua, debe haber una fuente de alimentación continua, de lo contrario el sistema no funcionará. La mejor manera de proporcionar energía continua al circuito es usando una batería. Pero después de algunos días, la batería se agotará y es un trabajo realmente difícil ir allí y cargarla. Así que se propuso un circuito de carga solar para que el usuario liberara energía del sol para cargar las baterías y alimentar la placa Wemos. He usado una batería de iones de litio 14450 en lugar de una batería 18650 debido a su tamaño más pequeño. El tamaño es el mismo que el de una pila AA.

La batería se carga desde un panel solar a través de un módulo de carga TP4056. El módulo TP4056 viene con chip de protección de batería o sin el chip de protección. Recomendaré comprar un módulo que tenga un chip de protección de batería incluido.

Acerca del cargador de batería TP4056

El módulo TP4056 es perfecto para cargar celdas LiPo de una sola celda de 3,7 V 1 Ah o más. Basado en el IC del cargador TP4056 y el IC de protección de la batería DW01, este módulo ofrecerá una corriente de carga de 1000 mA y luego se cortará cuando finalice la carga. Además, cuando el voltaje de la batería cae por debajo de 2,4 V, el IC de protección cortará la carga para proteger la celda de bajo voltaje. También protege contra sobretensiones y conexiones de polaridad inversa.

Paso 3: medir los datos meteorológicos

En los primeros días, los parámetros meteorológicos como la temperatura ambiente, la humedad y la presión barométrica se midieron con instrumentos analógicos separados: termómetro, higrómetro y barómetro. Pero hoy el mercado está inundado de sensores digitales baratos y eficientes que se pueden usar para medir una variedad de parámetros ambientales. Los mejores ejemplos son sensores como DHT11, DHT 22, BMP180, BMP280, etc.

En este proyecto, usaremos un sensor BMP 280.

BMP 280:

BMP280 es un sensor sofisticado que mide con mucha precisión la presión barométrica y la temperatura con una precisión razonable. El BME280 es la próxima generación de sensores de Bosch y es la actualización del BMP085 / BMP180 / BMP183, con un ruido de baja altitud de 0,25 my el mismo tiempo de conversión rápido.

La ventaja de este sensor es que puede usar I2C o SPI para comunicarse con el microcontrolador. Para un cableado simple y fácil, sugeriré comprar una placa de versión I2C.

Paso 4: uso de una antena externa (3dBi)

La placa Wemos D1 mini Pro tiene una antena de cerámica incorporada junto con la posibilidad de conectar una antena externa para mejorar el alcance. Antes de usar la antena externa, debe desviar la señal de la antena desde la antena de cerámica incorporada a la toma externa. Esto se puede hacer girando la resistencia de cero ohmios de montaje en superficie pequeña (0603) (a veces llamada enlace).

Puedes ver este video hecho por Alex Eames para rotar la resistencia de cero ohmios.

Luego, inserte el conector SMA de la antena en la ranura de la mini antena Wemos Pro.

Paso 5: suelde los encabezados

Los módulos Wemos vienen con una variedad de encabezados, pero debe soldarlos de acuerdo con sus requisitos.

Para este proyecto, 1. Suelde los dos conectores macho a la mini placa Wemos D1 pro.

2. Suelde un cabezal macho de 4 pines al módulo BMP 280.

Después de soldar los encabezados, el módulo se verá como se muestra en la imagen de arriba.

Paso 6: agregar encabezados y terminales

El siguiente paso es soldar los encabezados a la placa perforada.

1. Primero, coloque el tablero Wemos sobre el tablero perforado y marque la huella. Luego suelde las dos filas de encabezados hembra sobre la posición marcada.

2. Luego suelde un conector hembra de 4 pines como se muestra en la imagen.

3. Terminales de tornillo de soldadura para la conexión de la batería.

Paso 7: monte la placa de carga:

Pegue un pequeño trozo de cinta adhesiva de doble cara en la parte posterior del módulo de carga y luego péguelo en la placa perforada como se muestra en la imagen. Durante el montaje, se debe tener cuidado de alinear la placa de tal manera que los orificios de soldadura coincidan con los orificios perforados de la placa.

Agregar terminal para panel solar

Suelde un terminal de tornillo cerca del puerto micro USB de la placa de carga.

También puede soldar este terminal en el paso anterior.

Paso 8: diagrama de cableado

Primero corté pequeños trozos de cables de diferentes colores y quité el aislamiento en ambos extremos.

Luego sueldo los cables de acuerdo con el diagrama esquemático como se muestra en la imagen de arriba.

Wemos -> BME 280

3,3 V - -> Vin

GND GND

D1 SCL

D2 SDA

Conexión TP4056

Terminal de panel solar -> + y - cerca del puerto micro USB

Terminal de batería -> B + y B-

5V y GND de Wemos -> Out + y Out-

Nota: El diodo conectado al panel solar (que se muestra en el esquema) no es necesario ya que el módulo TP4056 tiene un diodo incorporado en la entrada.

Paso 9: diseño del gabinete

Este fue el paso que más tiempo me llevó. He dedicado alrededor de 4 horas a diseñar el cerramiento. Usé Autodesk Fusion 360 para diseñarlo. El gabinete tiene dos partes: cuerpo principal y cubierta frontal

El cuerpo principal está diseñado básicamente para adaptarse a todos los componentes. Puede acomodar los siguientes componentes

1. placa de circuito de 50x70 mm

2. Soporte para pilas AA

3. Panel solar de 85,5 x 58,5 x 3 mm

4. Antena externa 3dBi

Descargue los archivos.stl de Thingiverse

Paso 10: Impresión 3D

Una vez finalizado el diseño, es hora de imprimir en 3D el gabinete. En Fusion 360 puede hacer clic en la marca y cortar el modelo utilizando un software de corte. He usado Cura para cortar el modelo.

Utilicé una impresora 3D Anet A8 y PLA verde de 1,75 mm para imprimir todas las partes del cuerpo. Me tomó alrededor de 11 horas imprimir el cuerpo principal y alrededor de 4 horas imprimir la portada.

Le recomiendo encarecidamente que utilice otra impresora que sea Creality CR - 10. Ahora también está disponible una versión mini de la CR-10. Las impresoras Creality son una de mis impresoras 3D favoritas.

Como soy nuevo en el diseño 3D, mi diseño no era optimista. Pero estoy seguro de que este recinto se puede realizar utilizando menos material (menos tiempo de impresión). Intentaré mejorar el diseño más tarde.

Mis configuraciones son:

Velocidad de impresión: 40 mm / s

Altura de la capa: 0,2

Densidad de relleno: 15%

Temperatura de la extrusora: 195 grados C

Temperatura de la cama: 55 grados C

Paso 11: Instalación del panel solar y la batería

Suelde un cable rojo de 22 AWG al terminal positivo y un cable negro al terminal negativo del panel solar.

Inserte los dos cables en los orificios del techo del cuerpo del gabinete principal.

Use superpegamento para fijar el panel solar y presione un poco para que se adhiera correctamente.

Selle los agujeros desde el interior con pegamento caliente.

Luego inserte el soporte de la batería en la ranura en la parte inferior del gabinete.

Paso 12: Instalación de la antena

Desatornille las tuercas y arandelas del conector SMA.

Inserte el conector SMA en los orificios provistos en la caja. Vea la imagen de arriba.

Luego apriete la tuerca junto con las arandelas.

Ahora instale la antena alineándola correctamente con el conector SMA.

Paso 13: instalación de la placa de circuito

Monte los separadores en las 4 esquinas de la placa de circuito.

Aplique superpegamento en las 4 ranuras del gabinete. Consulte la imagen de arriba.

Luego, alinee el separador con las 4 ranuras y colóquelo. dejar secar un poco.

Paso 14: cierre la cubierta frontal

Después de imprimir la portada, es posible que no se ajuste perfectamente al cuerpo del gabinete principal. Si es así, simplemente lije los lados con un papel de lija.

Deslice la cubierta frontal en las ranuras del cuerpo principal.

Para asegurarlo, use cinta adhesiva en la parte inferior.

Paso 15: Programación

Para usar Wemos D1 con la biblioteca Arduino, tendrá que usar el IDE de Arduino con soporte para placa ESP8266. Si aún no lo ha hecho, puede instalar fácilmente la compatibilidad con la placa ESP8266 en su IDE de Arduino siguiendo este tutorial de Sparkfun.

Es preferible la siguiente configuración:

Frecuencia de PU: 80 MHz 160 MHz

Tamaño de Flash: 4M (3M SPIFFS) - 3M Tamaño del sistema de archivos 4M (1M SPIFFS) - 1M Tamaño del sistema de archivos

Velocidad de carga: 921600 bps

Código Arduino para la aplicación Blynk:

Modo de sueño:

El ESP8266 es un dispositivo que consume mucha energía. Si desea que su proyecto funcione sin batería durante más de unas pocas horas, tiene dos opciones:

1. Obtén una batería enorme

2. Hábilmente ponga la cosa a dormir.

La mejor opción es la segunda opción. Antes de usar la función de sueño profundo, el pin Wemos D0 debe estar conectado al pin de reinicio.

Crédito: Esto fue sugerido por uno de los usuarios de Instructables "tim Rowledge".

Más opción de ahorro de energía:

El Wemos D1 Mini tiene un pequeño LED que se enciende cuando la placa está encendida. Consume mucha energía. Así que simplemente retire ese LED del tablero con un par de alicates. Disminuirá drásticamente la corriente de suspensión.

Ahora el dispositivo puede funcionar durante mucho tiempo con una sola batería de iones de litio.

#define BLYNK_PRINT Serial // Comente esto para deshabilitar las impresiones y ahorrar espacio # incluir #incluir

#include "Seeed_BME280.h" #include BME280 bme280; // Debería obtener el token de autenticación en la aplicación Blynk. // Vaya a Configuración del proyecto (icono de tuerca). char auth = "3df5f636c7dc464a457a32e382c4796xx"; // Tus credenciales de WiFi. // Establezca la contraseña en "" para redes abiertas. char ssid = "SSID"; char pass = "CONTRASEÑA"; configuración vacía () {Serial.begin (9600); Blynk.begin (auth, ssid, pass); Serial.begin (9600); if (! bme280.init ()) {Serial.println ("¡Error de dispositivo!"); }} bucle vacío () {Blynk.run (); // obtener e imprimir las temperaturas float temp = bme280.getTemperature (); Serial.print ("Temp:"); Serial.print (temp); Serial.println ("C"); // La unidad para Celsius porque el arduino original no admite símbolos especiales Blynk.virtualWrite (0, temp); // pin virtual 0 Blynk.virtualWrite (4, temp); // pin virtual 4 // obtener e imprimir datos de presión atmosférica float pressure = bme280.getPressure (); // presión en Pa float p = presión / 100.0; // presión en hPa Serial.print ("Presión:"); Serial.print (p); Serial.println ("hPa"); Blynk.virtualWrite (1, p); // pin virtual 1 // obtener e imprimir datos de altitud flotante altitud = bme280.calcAltitude (presión); Serial.print ("Altitud:"); Serial.print (altitud); Serial.println ("m"); Blynk.virtualWrite (2, altitud); // pin virtual 2 // obtiene e imprime los datos de humedad flotador humedad = bme280.getHumidity (); Serial.print ("Humedad:"); Serial.print (humedad); Serial.println ("%"); Blynk.virtualWrite (3, humedad); // pin virtual 3 ESP.deepSleep (5 * 60 * 1000000); // El tiempo de sueño profundo se define en microsegundos. }

Paso 16: Instale la aplicación y biblioteca Blynk

Blynk es una aplicación que permite un control total sobre Arduino, Rasberry, Intel Edison y mucho más hardware. Es compatible tanto con Android como con iPhone. En este momento, la aplicación Blynk está disponible de forma gratuita.

Puedes descargar la aplicación desde el siguiente enlace

1. Para Android

2. Para Iphone

Después de descargar la aplicación, instálela en su teléfono inteligente.

Luego, debe importar la biblioteca a su IDE de Arduino.

Descarga la biblioteca

Cuando ejecuta la aplicación por primera vez, debe iniciar sesión para ingresar una dirección de correo electrónico y una contraseña. Haga clic en el "+" en la parte superior derecha de la pantalla para crear un nuevo proyecto. Entonces nómbralo.

Seleccione el hardware de destino "ESP8266" Luego haga clic en "Correo electrónico" para enviarse ese token de autenticación a usted mismo; lo necesitará en el código

Paso 17: haz el tablero de instrumentos

El tablero consta de diferentes widgets. Para agregar widgets, siga los pasos a continuación:

Haga clic en "Crear" para ingresar a la pantalla principal del Panel de control.

A continuación, presione "+" nuevamente para obtener el "Cuadro de widgets"

Luego arrastre 4 Gauges.

Haga clic en los gráficos, aparecerá un menú de configuración como se muestra arriba.

Tienes que cambiar el nombre "Temperatura", seleccionar el Pin virtual V1, luego cambiar el rango de 0 a 50. Del mismo modo, hazlo para otros parámetros.

Finalmente, arrastre un gráfico y repita el mismo procedimiento que en la configuración del indicador. La imagen final del tablero se muestra en la imagen de arriba.

También puede cambiar el color haciendo clic en el icono de círculo en el lado derecho del Nombre.

Paso 18: Carga de datos del sensor en ThingSpeak

Primero, cree una cuenta en ThingSpeak.

Luego, cree un nuevo canal en su cuenta de ThingSpeak.

Llene el campo 1 como temperatura, el campo 2 como humedad y el campo 3 como presión.

En su cuenta de ThingSpeak, seleccione "Canal" y luego "Mi canal".

Haga clic en el nombre de su canal.

Haga clic en la pestaña "Claves API" y copie la "Escribir clave API"

Abra el código Solar_Weather_Station_ThingSpeak. Luego escriba su SSID y contraseña.

Reemplace la "API de ESCRITURA" con la "Clave de API de escritura" copiada.

Biblioteca requerida: BME280

Crédito: este código no está escrito por mí. Lo obtuve del enlace dado en un video de YouTube por plukas.

Paso 19: Prueba final

Coloque el dispositivo a la luz del sol, el led rojo del módulo cargador TP 4056 se iluminará.

1. Monitoreo de la aplicación Blynk:

Abra el proyecto Blynk. Si todo está bien, notará que el medidor se activará y el gráfico comenzará a trazar los datos de temperatura.

2. Monitoreo ThingSpeak:

Primero, abra su Thingspeak Chanel.

Luego, vaya a la pestaña "Vista privada" o "Vista pública" para ver los gráficos de datos.

Gracias por leer mi Instructable.

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Primer premio en el Concurso de Microcontroladores 2017