Estación meteorológica solar Raspberry Pi: 7 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Estimulado por la finalización de mis dos proyectos anteriores, la cámara compacta y la consola de juegos portátil, quería encontrar un nuevo desafío. La progresión natural fue un sistema remoto al aire libre …

Quería construir una estación meteorológica Raspberry Pi que pudiera mantenerse fuera de la red y enviarme los resultados a través de una conexión inalámbrica, ¡desde cualquier lugar! Este proyecto realmente ha tenido sus desafíos, pero afortunadamente alimentar la Raspberry Pi es uno de los principales desafíos que se ha facilitado al usar PiJuice como fuente de alimentación con su soporte solar adicional (completo con nuestra revolucionaria tecnología PiAnywhere, la mejor manera de ¡Saca tu Pi de la red!).

Mi pensamiento inicial fue usar el fantástico módulo AirPi para tomar lecturas. Sin embargo, esto tenía dos inconvenientes principales; requiere una conexión directa a Internet para cargar los resultados y debe estar conectado directamente al GPIO en la Pi, lo que significa que no puede exponerse al aire sin exponer también la Raspberry Pi (no es ideal si queremos que esta estación meteorológica durar cualquier período de tiempo).

La solución … ¡construya mi propio módulo de detección! Usando gran parte del AirPi como inspiración, pude armar un prototipo muy simple usando algunos sensores que ya tenía; temperatura, humedad, niveles de luz y gases en general. Y lo mejor de esto es que es muy fácil agregar más sensores en cualquier momento.

Decidí usar una Raspberry Pi a + principalmente por su bajo consumo de energía. Para enviarme los resultados utilicé el módulo EFCom Pro GPRS / GSM, que puede enviar un mensaje de texto directamente a mi teléfono móvil con los resultados. Bastante ordenado, ¿verdad?

Me alegra recibir cualquier idea que tenga para otros grandes proyectos solares o portátiles. ¡Házmelo saber en los comentarios y haré todo lo posible para crear un tutorial!

Paso 1: Partes

1 x PiJuice + Solar Panel (completo con nuestra revolucionaria tecnología PiAnywhere, ¡la mejor manera de sacar su Pi de la red!)

1 x frambuesa Pi a +

1 x módulo EFCom Pro GPRS / GSM

1 x tarjeta SIM

1 x tabla de pan

Protoboard

1 x MCP3008 ADC

1 x LDR

1 x LM35 (sensor de temperatura)

1 x DHT22 (sensor de humedad)

1 x sensor de calidad del aire general TGS2600

1 x resistencia de 2,2 KΩ

1 x resistencia de 22 KΩ

1 x resistencia de 10 KΩ

10 x cables de puente hembra - hembra

Surtido de cables de un solo calibre

1 x caja de conexiones al aire libre individual

1 x caja de conexiones al aire libre doble

1 x conector de cable impermeable

Arandelas de cable semi ciegas de 2 x 20 mm

Paso 2: circuito de detección

Hay bastantes elementos diferentes en este proyecto, por lo que es mejor hacerlo todo en pasos. Primero, voy a ver cómo armar el circuito de detección.

Es una buena idea construir esto en una placa de prueba primero, en caso de que cometa algún error, he incluido un diagrama de circuito e imágenes paso a paso, para que se haga referencia.

1. El primer componente que se conecta es este convertidor analógico a digital MCP3008. Esto puede tomar hasta 8 entradas analógicas y se comunica con la Raspberry Pi a través de SPI. Con el chip hacia arriba y el semicírculo cortado en el extremo más alejado de usted, los pines de la derecha se conectan todos a la Raspberry Pi. Conéctelos como se muestra. Si desea obtener más información sobre cómo funciona el chip, aquí tiene una excelente guía para el MCP3008 y el protocolo SPI.
2. Los pines de la izquierda son las 8 entradas analógicas, numeradas del 0 al 7 de arriba hacia abajo. Solo usaremos los primeros 3 (CH0, CH1, CH2), para el LDR, el sensor de gas general (TGS2600) y el sensor de temperatura (LM35). Primero conecte el LDR como se muestra en el diagrama. Un lado a tierra y el otro a 3.3V a través de una resistencia de 2.2KΩ y CH0.
3. A continuación, conecte el "sensor de gas general". Este sensor de gas se utiliza para la detección de contaminantes del aire como hidrógeno y monóxido de carbono. Todavía no he descubierto cómo obtener concentraciones específicas, por lo que, por ahora, el resultado de este sensor es un nivel de porcentaje básico, donde el 100% está completamente saturado. Con el sensor hacia arriba (clavijas en la parte inferior), la clavija directamente a la derecha del pequeño afloramiento es la clavija 1 y luego los números aumentan en el sentido de las agujas del reloj alrededor de la clavija. Entonces, los pines 1 y 2 se conectan a 5V, el pin 3 se conecta al CH1 y a tierra a través de una resistencia de 22KΩ y el pin 4 se conecta directamente a tierra.
4. El último sensor analógico a conectar es el sensor de temperatura LM35. Esto tiene 3 pines. Tome el sensor para que el lado plano esté más cerca de usted, el pin más a la izquierda se conecta directamente a 5V (no está marcado en el diagrama, ¡mal!), El pin central se conecta al CH2 y el pin más a la derecha se conecta directamente a tierra. ¡Fácil!
5. El último componente que se conecta es el sensor de humedad DHT22. Este es un sensor digital, por lo que se puede conectar directamente a la Raspberry Pi. Tome el sensor con la rejilla hacia usted y los cuatro pines en la parte inferior. Los pines se ordenan desde 1 a la izquierda. Conecte 1 a 3.3V. El pin 2 va a GPIO4 y 3.3V a través de una resistencia de 10KΩ. Deje el pin 3 desconectado y el pin 4 va directo a tierra.

¡Eso es todo! Se ha construido el circuito de prueba. Espero agregar más componentes cuando tenga tiempo. Realmente me gustaría agregar un sensor de presión, un sensor de velocidad del viento y me gustaría obtener datos más inteligentes sobre las concentraciones de gas.

Paso 3: Módulo GSM

Ahora que se han construido los circuitos de detección, es necesario que haya una forma de recibir los resultados. Ahí es donde entra el módulo GSM. Lo usaremos para enviar los resultados a través de la red celular en un SMS, una vez al día.

El módulo GSM se comunica con la Raspberry Pi a través de serie mediante UART. Aquí hay información excelente sobre la comunicación en serie con Raspberry Pi. Para tomar el control del puerto serie de Pi, primero debemos realizar alguna configuración.

Inicie su Raspberry Pi con una imagen Raspbian estándar. Ahora cambie el archivo "/boot/cmdline.txt" de:

"dwc_otg.lpm_enable = 0 consola = ttyAMA0, 115200 kgdboc = ttyAMA0, 115200 consola = tty1 root = / dev / mmcblk0p2 rootfstype = ext4 ascensor = fecha límite rootwait"

para:

"dwc_otg.lpm_enable = 0 consola = tty1 root = / dev / mmcblk0p2 rootfstype = ext4 ascensor = fecha límite rootwait"

eliminando la sección de texto subrayada.

En segundo lugar, debe editar el archivo "/ etc / inittab", comentando la segunda línea en la siguiente sección:

#Spawn a getty en la línea serial de Raspberry PiT0: 23: respawn: / sbin / getty -L ttyAMA0 115200 vt100"

Para que diga:

#Spawn a getty en la línea serial de Raspberry Pi # T0: 23: respawn: / sbin / getty -L ttyAMA0 115200 vt100

y reinicie el Pi. Ahora el puerto serie debería poder comunicarse libremente con el que desee. Es hora de conectar el módulo GSM. Eche un vistazo al diagrama del circuito en el paso anterior y las imágenes de arriba para ver cómo se hace esto. Básicamente, TX está conectado a RX y RX está conectado a TX. En Raspberry Pi TX y RX son GPIO 14 y 15 respectivamente.

Ahora, probablemente quieras comprobar que el módulo está funcionando, ¡así que intentemos enviar un mensaje de texto! Para ello necesitas descargar Minicom. Es un programa que te permite escribir en el puerto serie. Usar:

"sudo apt-get install minicom"

Una vez instalado, se puede abrir minicom con el siguiente comando:

"minicom -b 9600 -o -D / dev / ttyAMA0"

9600 es la velocidad en baudios y / dev / ttyAMA0 es el nombre del puerto serie de Pi. Esto abrirá un emulador de terminal en el que todo lo que escriba aparecerá en el puerto serie, es decir, se enviará al módulo GSM.

Inserte su tarjeta SIM recargada en el módulo GSM y presione el botón de encendido. Después de lo cual debería encenderse un led azul. El módulo GSM usa el conjunto de comandos AT, aquí está la documentación si está realmente interesado. Ahora comprobamos que Raspberry Pi ha detectado el módulo con el siguiente comando:

"A"

el módulo debe responder con:

"OK"

¡Excelente! Luego, debemos configurar el módulo para enviar un SMS como texto en lugar de binario:

"AT + CMGF = 1"

de nuevo, la respuesta debería ser "OK". Ahora escribimos el comando para enviar un SMS:

"AT + CMGS =" 44 ************* "", reemplace las estrellas con su número.

El módem responderá con ">" después de lo cual puede escribir su mensaje. Para enviar el mensaje presione. Eso es todo, y con un poco de suerte, acaba de recibir un mensaje de texto directamente de su Raspberry Pi.

Bueno, ahora que sabemos que el módulo GSM está funcionando, puedes cerrar minicom; no lo necesitaremos para el resto del proyecto.

Paso 4: descargue el software y realice una ejecución en seco

En esta etapa, todo debe estar conectado y listo para probarlo. Escribí un programa de Python bastante simple que tomará lecturas de cada sensor y luego enviará los resultados a su teléfono móvil. Puede descargar el programa completo desde la página de PiJuice Github. Ahora también podría ser un buen momento para probar con el módulo PiJuice. Simplemente se conecta al GPIO de la Raspberry Pi, todos los cables conectados al Pi simplemente se conectan directamente a las salidas de clavijas correspondientes en el PiJuice. Tan fácil como Pi. Para descargar el código use el comando:

git clone

Está configurado para enviar datos una vez al día. Para fines de prueba, esto no es bueno, por lo que es posible que desee editar el programa. Esto se hace fácilmente; simplemente abra el archivo; "sudo nano weatherstation.py". Cerca de la parte superior hay una sección de "establecer retraso". Comente la línea "retraso = 86400" y elimine el comentario "retraso = 5". Ahora los resultados se enviarán una vez cada 5 segundos. También querrá cambiar el programa para que contenga su propio número de teléfono móvil. Busque donde dice "+44 **********" y reemplace las estrellas con su propio número.

Antes de ejecutar el programa, solo necesitará descargar una biblioteca para leer el sensor de humedad DHT22:

clon de git

Y la biblioteca debe instalarse:

"cd Adafruit_Python_DHT"

"sudo apt-get update"

"sudo apt-get install build-essential python-dev"

"instalación de sudo python setup.py"

Genial, ahora puedes probar el programa.

"sudo python weatherstation.py"

A medida que el programa se está ejecutando, los resultados deben enviarse a su teléfono móvil, pero también deben imprimirse en el terminal cada 5 segundos.

Paso 5: construye el circuito

Ahora que todo está funcionando en la práctica, es hora de construir lo real. Las imágenes muestran la idea general de cómo encaja toda la unidad. Hay dos unidades de vivienda separadas; uno para el circuito de detección (que tendrá orificios para permitir que el aire circule en el interior) y uno para la Raspberry Pi, la unidad GPRS y PiJuice, (completamente hermético) el panel solar se conectará a la unidad de computación con una unión hermética. Las dos unidades se pueden desmontar fácilmente de modo que la carcasa del sensor o la carcasa de la computadora se puedan quitar sin tener que desmontar toda la unidad. Esto es genial si desea agregar más sensores o si necesita su Raspberry Pi o PiJuice para otro proyecto.

Deberá romper el protoboard para que quepa dentro de la más pequeña de las dos cajas de conexiones. Aquí es donde se aloja el circuito de detección. El circuito de detección ahora se transfiere del tablero al protoboard. Ahora necesitarás soldar un poco. Asegúrese de sentirse cómodo utilizando un soldador de forma segura. Si no está seguro, solicite la ayuda de alguien que sea un soldador competente.

Muchas gracias a Patrick en el laboratorio de aquí, que me salvó de hacer un verdadero hash de este circuito. ¡Se las arregló para juntarlo en cuestión de minutos! Si, como yo, no eres el mejor constructor de circuitos y no tienes un genio como Patrick listo para ayudarte, entonces siempre puedes dejar el circuito en una placa de pruebas, siempre que quepa en tu caja eléctrica..

Paso 6: preparación de las unidades de vivienda

Esta parte es donde se vuelve realmente divertido. Es posible que haya notado los anillos en cada caja. Estos están diseñados para ser eliminados, de modo que las cajas puedan convertirse en uniones para la electricidad. Los usaremos para conectarnos entre la unidad sensora y la unidad informática, para conectarnos al panel solar y también como ventilación para la unidad sensora para permitir la circulación de aire.

Primero haga un agujero en cada caja para la conexión entre los dos, como se ve en las imágenes. Hacer los agujeros puede ser complicado de hacer de forma ordenada, pero un borde áspero no importa. Descubrí que el mejor método es usar un destornillador para perforar primero el anillo dentado alrededor de cada orificio y luego sacarlo como una tapa de lata de pintura. El conector de cable impermeable se utiliza para conectar las dos cajas.

Luego, deberá hacer otro agujero en la carcasa de la computadora para el cable del panel solar. Este agujero se tapa luego con uno de sus pasacables semi ciegos. Antes de colocar el ojal, perfore un agujero para que pase el cable. Esto debe ser lo más pequeño posible para mantenerlo hermético, luego empuje el extremo del micro usb a través del orificio (este es el extremo que se conecta al PiJuice).

Finalmente, es necesario hacer un orificio adicional en la unidad sensora para permitir que entre y salga aire. Decidí ir por el todo directamente enfrente de la unión entre las dos cajas. Puede ser necesario agregar un segundo orificio. Supongo que lo averiguaremos después de un tiempo usando la estación meteorológica.

Paso 7: cableado y acabado de la estación meteorológica

Bien, casi ahí. La etapa final es conectar todo.

Empezando por la unidad informática. En esta caja tenemos la Raspberry Pi, la PiJuice que se conecta a la Raspberry Pi GPIO y el módulo GSM que se conecta a la conexión GPIO en la PiJuice a través de cables de puente hembra a hembra. ¡Agradable y cómodo! En esta etapa, probablemente recomendaría colocar algún tipo de sellador alrededor del punto de entrada del cable USB para el panel solar. Algún tipo de resina o superpegamento probablemente funcionaría.

Luego pase a la unidad sensora. En la foto, de arriba a abajo, los cables son; gris, blanco, morado y azul son las líneas de datos SPI, el negro es tierra, el naranja es 3.3V, el rojo es 5V y el verde es GPIO 4. Deberá encontrar cables de puente para conectarlos y luego pasarlos a través del cable impermeable conector como se ve en las fotografías. Luego, cada cable se puede conectar al GPIO correspondiente y el conector se puede apretar. En esta etapa, es fácil ver cómo se podría mejorar el diseño; el LDR no va a estar expuesto a una gran cantidad de luz (aunque aún puede ser útil para conocer los valores relativos, y hacer un agujero adicional podría ayudar), creo que sería mejor usar el mismo tamaño que la unidad de cómputo caja para la unidad sensora también, entonces sería más fácil colocar la placa de circuito en la caja y habría espacio para jugar con diferentes arreglos.

Ahora lo he puesto en el jardín, como pueden ver en las fotos. ¡Espero que en los próximos días también pueda publicar algunos resultados! Y como dije antes, si tienes alguna idea para algunos proyectos geniales, ¡házmelo saber!