Estación meteorológica ESP32 Weathercloud: 16 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

El año pasado, publiqué mi Instructable más grande hasta la fecha llamado Arduino Weathercloud Weather Station. Fue muy popular, diría yo. Apareció en la página de inicio de Instructables, el blog de Arduino, el museo Wiznet, Instagram de Instructables, Instagram de Arduino y también en Twitter de Weathercloud. ¡Incluso fue uno de los 100 mejores Instructables de 2018! Y eso fue muy importante para un pequeño fabricante como yo. Me complació ver tantas reacciones positivas y leí cuidadosamente cada comentario y consejo. Durante unos 8 meses he estado trabajando en esta nueva y refinada estación. Arreglé y mejoré varias cosas. Traté de hacerlo más pequeño, más simple, más inteligente, más fresco y dejar el costo aceptable de 150 € (165 $). La estación está montada en una granja robótica cerca de Senec, Eslovaquia. Aquí están los datos actuales.

Trataré de explicar todo mi proceso de pensamiento aquí, así que si solo quieres comenzar bien la compilación, salta directamente al paso 3.

Características:

• medición de 12 valores meteorológicos
• uso de 8 sensores distintos
• IoT: los datos son públicos en la nube
• Operación 5V 500mA
• comunicación a través de Wi-Fi
• completamente resistente a la intemperie
• se ve bien
• es bricolaje

Muchas gracias a Lab Cafe makerpace por proporcionar espacio y apoyo durante la construcción de esta estación. ¡Ve a verlos!

Crédito de la foto: YO (por supuesto) + Viktor Demčák

ACTUALIZACIÓN 18/7/2020: ¡Hola a todos! Ha sido un largo tiempo. Muchos de ustedes me escribieron sobre múltiples problemas con el hardware y el software. El nuevo hardware estará listo en solo un par de semanas, pero hasta entonces lanzaré un nuevo firmware. Este software ayudará a eliminar algunos de los problemas. Vaya al paso 12 para obtener más información. Y lo más importante, ¡disfrútalo!

Paso 1: diseño

Diseñar una estación meteorológica es un proceso largo y reflexivo. Tiene tantas opciones para elegir. Estas son las principales cosas en las que debe pensar al diseñar una estación meteorológica (o al menos yo lo hice):

1) PRESUPUESTO. Esto se explica por sí mismo.

2) UBICACIÓN. Esto es muy importante ya que afecta tanto a la instalación como a la tecnología de comunicación y la fuente de alimentación requerida. Las estaciones meteorológicas remotas necesitan transmisores de largo alcance y una fuente de energía autosostenible, como un panel solar.

3) VARIABLES MEDIDAS. ¿Solo quieres medir la temperatura o la humedad? Entonces puede colocar la sonda casi en cualquier lugar. Pero si desea medir la lluvia, el viento, la radiación solar, el índice UV u otras cosas relacionadas con el sol o la precipitación, los sensores no pueden estar en una sombra y no pueden bloquearse ni desde arriba ni desde los lados.

4) PRECISIÓN. ¿Quiere que sus medidas estén calibradas con precisión y comparables a las del instituto meteorológico nacional o son valores de aficionados suficientes para usted?

Entonces, a estas alturas ya debería tener una imagen bastante buena de lo que desea. ¡Así que vayamos a la mesa de dibujo! Aquí hay algunas reglas básicas en las que pensé:

1) PROTEJA EL SENSOR DE TEMPERATURA. Es absolutamente necesario hacer esto. El calor puede viajar de tantas formas que puede irradiar y conducir a través de la estructura de la propia estación. Así que trate de cubrir todas las partes metálicas y coloque el sensor de temperatura en un escudo de radiación. Lo sé, mi estación de radiación no es perfecta, pero ayuda.

2) PONGA EL SENSOR DE VIENTO EN ALTO. Se supone que los sensores de viento deben colocarse a 10 m de altura según los estándares internacionales. Ni siquiera tengo dinero para comprar un pilar de 10 m, por lo que una tubería de 2 m sobre un tejado es suficiente para mí.

3) AREA DESPEJADA ALREDEDOR Y SOBRE LA ESTACION. Si desea medir la luz solar, no puede tener el sensor a la sombra. Si desea medir la lluvia, no puede tener algo que bloquee las gotas. Así que asegúrese de que el área alrededor y por encima de la estación esté despejada.

Continuemos. Entonces, para mi estación decidí que quería medir estas variables: temperatura del aire, temperatura del suelo, humedad relativa, presión atmosférica, índice de calor, punto de rocío, sensación térmica, lluvia, radiación solar, índice UV, velocidad del viento y dirección del viento. Se trata de 8 sensores en total de los cuales hay 3 pequeños módulos montables en PCB y 5 sondas externas. Necesitaré 2 microcontroladores separados, uno para manejar solo las mediciones de lluvia y el segundo para todo lo demás.

Decidí poner todo lo que pudiera en un solo PCB. Coloco el PCB dentro de una caja IP65 con cubierta transparente, para que la luz solar pueda pasar a los sensores de índice UV y de radiación solar. Todos los demás sensores se conectarán a la caja de control principal con un cable. Así que eso es todo por mi diseño.

Paso 2: Weathercloud

"Estación meteorológica ESP32 Weathercloud" ¿Qué es Weatherclud? Weathercloud es una gran red de estaciones meteorológicas que informan datos en tiempo real de todo el mundo. Es gratis y hay más de 10 000 estaciones meteorológicas conectadas a él. En primer lugar, tenía mi propio sitio web HTML donde se enviaban todos los datos, pero crear su propio sitio web y gráficos es difícil y es mucho más fácil enviar todos los datos a una gran plataforma en la nube que tiene buenos gráficos y servidores estables. Busqué cómo enviar datos a weathercloud y descubrí que puede lograrlo fácilmente con una simple llamada GET. El único problema con Weathercloud es que con una cuenta gratuita te permite enviar datos solo cada diez minutos, pero eso no debería ser un problema para la mayoría de los usos. Deberá crear una cuenta Weathercloud para que funcione. Luego, deberá crear un perfil de estación en su sitio web. Cuando crea su perfil de estación meteorológica en Weathercloud, se le proporciona una ID de Weathercloud y una CLAVE de Weathercloud. Guárdelos porque Arduino los necesitará para saber dónde enviar los datos.

Paso 3: Lista de piezas

De acuerdo, para este proyecto necesitará todas las cosas que están cuidadosamente enumeradas en mi lista de materiales de Google Docs aquí mismo.

COSTE ESTIMADO DEL PROYECTO: 150 € / 165 $

Paso 4: herramientas

Estas herramientas pueden resultar útiles (aunque la mayoría de ellas son absolutamente necesarias):

Cortador láser

Soldador

Sierra de acero

Pelacables

Taladro eléctrico

Taladro de batería

Soldador

Alicates

Destornilladores

Pistola de pegamento

Multimetro

Broca para árbol

Paso 5: Diseño de la placa de control

Fui con una arquitectura muy centralizada. Esto significa que todo lo que puede ser no solo está en una caja, sino en una placa de circuito. Recientemente aprendí a diseñar PCB, que es una habilidad muy valiosa y útil. Todos los proyectos son mucho más prolijos, precisos e incluso elegantes en cierto modo. También es muy conveniente: simplemente envía sus archivos a China y ellos hacen todo el trabajo de cableado y le envían la placa completa. Luego, suelde los componentes en su lugar y listo.

El PCB contiene los dos microcontroladores de esta estación: ESP32 (la unidad de control principal) y Arduino NANO (el procesador de lluvia). También contiene algunos de los sensores que incluyen: BME280, BHT1750 y ML8511. Luego está el módulo DS3231 RTC. Por último, pero no menos importante, hay algunas resistencias y conectores de tornillo.

Diseñé mi placa en Autodesk Eagle. Simplemente descargue el archivo Gerber incluido llamado "ESP32 weather station.zip" y cárguelo en JLC PCB. O si desea editarlo, puede descargar los archivos "ESP32 weather station schematic.sch" y "ESP32 weather station board.brd" y editarlos en Eagle. Recomiendo encarecidamente inscribirse primero en la Clase de diseño de placas de circuito de Instructables.

Paso 6: soldadura

De acuerdo, todos, probablemente todos hayan hecho esto antes. Este hermoso tablero que diseñé tiene bonitas huellas de serigrafía impresas en él. Cuando tenga eso, la soldadura debería ser muy fácil porque verá exactamente dónde va qué. Solo hay componentes THT con el espaciado estándar de 0.1 . ¡Entonces, continúe y suelde la placa porque es inteligente y puede hacerlo usted mismo! No debería tomarle más de media hora.

ACTUALIZACIÓN 18/7/2020: El módulo RTC ya no es necesario. No es necesario montarlo en la placa. Puede obtener más información en el paso 12.

Paso 7: Fabricación del escudo radiológico

Cuando estaba construyendo esto, me dije a mí mismo: "Está bien, ya lo has hecho dos veces, no hay posibilidad de que lo arruines ahora". Y no lo hice.

Un escudo de radiación solar es una cosa muy común que se usa en las estaciones meteorológicas para bloquear la radiación solar directa y, por lo tanto, reducir los errores en la temperatura medida. También actúa como soporte para el sensor de temperatura. Los escudos contra la radiación son muy útiles, pero generalmente están hechos de acero y son caros, así que decidí construir uno propio. Hice un Instructable que muestra cómo hacer un escudo de radiación como este.

Paso 8: Caja de control

La parte principal de esta estación es obviamente la caja de control. Contiene los microcontroladores primarios y secundarios, algunos de los sensores, el RTC y algunos componentes pasivos. Todo eso en un conveniente paquete IP65. La caja tiene una cubierta translúcida para que la luz solar pueda pasar a los sensores de radiación UV y solar.

Antes de que podamos montar la PCB, debemos preparar la caja para los cables. Hay cinco cables de alimentación y de datos que van a la caja. Para mantener las propiedades impermeables de la estación, necesitaremos prensaestopas impermeables. Específicamente, un PG7 para el cable de alimentación, un segundo PG7 para los sensores de viento y lluvia y el tercer PG11 para ambos sensores de temperatura. Coloco la glándula más grande (PG11) en el centro de una pared de la caja y las dos glándulas más pequeñas (PG7) en la pared opuesta. Entonces, el proceso de modificación de la caja es el siguiente:

1) Marque el centro de cada agujero con un marcador.

2) Taladre un pequeño orificio con una broca fina.

3) Aumente lentamente el tamaño del agujero con una broca para árboles.

4) Limpiar los agujeros.

5) Inserte y asegure un prensaestopas en cada uno de los orificios.

Paso 9: Montaje en PCB

Como solo tengo la versión de prueba para estudiantes de Autodesk Eagle, no puedo diseñar PCB de más de 8 cm. Todo encaja en esta placa, así que está bien. El único problema es con la caja de control. Los orificios de montaje de la placa incluidos en la caja están separados por 14 cm. Esto significa que vamos a necesitar un soporte para la PCB. Esta puede ser una placa (madera / plástico / metal) sobre la que montaremos la PCB. Luego adjuntaremos la placa de soporte a la caja de control. De esta manera, la PCB se asegurará a la caja de control.

Puedes hacer el soporte de la forma que quieras. Puede hacerlo manualmente a partir de una placa de madera o acero, puede cortarlo con láser (como yo) o incluso puede imprimirlo en 3D. Incluyo las dimensiones del tablero, así que la elección es tuya. Si tiene acceso a un cortador láser, el corte por láser es la opción más sencilla. Puede encontrar los archivos de la cortadora láser aquí en formato.pdf y.svg.

Como puede ver, pasé por múltiples variaciones del soporte. Finalmente, opté por el acrílico, porque no se ve afectado por la humedad (como la madera) y no atrae el calor (como el acero).

Paso 10: Montaje + cableado

Será bastante fácil de hacer, pero bastante difícil de explicar porque hay muchos pasos pequeños. Vayamos directamente a eso entonces:

1) Inserte todos los cables en el orificio designado. No asegure los prensaestopas todavía.

2) Conecte todos los cables de los sensores de viento, sensor de lluvia y del cable de alimentación de acuerdo con el diagrama de cableado incluido. No conecte todavía los cables de los sensores de temperatura.

3) Si está montado, retire el soporte de PCB. Luego, voltee la PCB para que los cables pasen por su lado inferior. Asegure el soporte de PCB de modo que los cables queden asegurados en un sándwich entre el PCB y el soporte.

4) Inserte y atornille el soporte de PCB con el PCB.

5) Asegure los dos prensaestopas más pequeños (PG7). No asegure el más grande todavía.

6) Inserte y conecte los cables de los sensores de temperatura de acuerdo con el diagrama de cableado incluido.

7) Coloque la tapa superior y atorníllela en su lugar.

Paso 11: Sea feliz

Este paso es una especie de punto de control. En este punto, debería haberse hecho algo que se parezca a lo que ve en la imagen. Si eso es correcto, sea feliz. Adelante, tómate un refrigerio y descansa, porque esto no es solo un pequeño paso para un hombre, sino un gran salto para la humanidad. Si no es así, revise los pasos anteriores y localice el problema. Si eso no ayuda, comente o envíeme un mensaje.

Entonces, cuando esté sano y en forma nuevamente, puede pasar a la parte de codificación y depuración.

Paso 12: codificación y depuración

Yaaaaay, ¡a todos les encanta codificar! E incluso si no lo hace, no importa porque puede descargar y usar mi código.

En primer lugar, debe agregar el módulo de desarrollo ESP32 a su administrador de placas. Para hacer esto, deberá descargar un paquete JSON e instalarlo a través del administrador de tableros. Vea este tutorial de Random Nerd Tutorials.

Ahora necesita descargar todas las bibliotecas esenciales. Creé el archivo ZIP "Libraries.zip" para que lo simplifiques. No importe el archivo en Arduino IDE como una biblioteca clásica. En su lugar, extraiga el archivo y mueva todos los archivos a Documentos / Arduino / bibliotecas. Ahora puede descargar mis cuatro programas: "Wi-Fi_Weathercloud_API_test.ino", "System_test.ino", "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino".

Abra "Wi-Fi_Weathercloud_API_test.ino". Deberá cambiar un par de cosas. En primer lugar, deberá reemplazar "SSID" y "CLAVE" con el SSID (nombre) y la contraseña de su red Wi-Fi. En segundo lugar, deberá reemplazar "WID" y "KEY" con su ID de Weathercloud y la CLAVE que debería tener del Paso 2. También deberá hacer lo mismo con "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino". Continúe y cargue el código en el ESP32. Debería ver los datos predefinidos en el sitio web de Weathercloud. Si eso es correcto, continúe.

Sube el "System_test.ino" al ESP32 y el "I2C_rainfall_sender" al Arduino NANO. Abra la consola serial de ESP32 a 115200 baudios. Ahora debería ver los datos del sensor cada 15 segundos en su pantalla. Juega con los sensores. Enciende una luz en el sensor de radiación solar, sopla en el sensor de velocidad del viento, calienta la sonda de temperatura… De esta forma puedes comprobar si todo funciona. Si concluye que todo está como debe ser, continúe.

Sube el "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino" al ESP32. Si ha hecho todo correctamente, debería ver los datos reales de la estación en la página de Weathercloud cada 10 minutos. Si esto funciona, significa que su estación ahora está completamente operativa y lo único que queda por hacer es instalarla en un lugar agradable.

ACTUALIZACIÓN 18/7/2020: Todos los programas secundarios / de prueba siguen siendo los mismos. Pero se actualizó el programa principal de la estación meteorológica. La estructura del código es mucho más clara que antes. Puede configurar todos los parámetros necesarios al principio del código. El ESP32 ahora está obteniendo tiempo de un servidor NTP, por lo que el módulo RTC ya no es necesario. Por último, pero no menos importante, el ESP32 ahora está ejecutando un procedimiento de sueño profundo cuando no está midiendo ni enviando datos. Esto reducirá el consumo de energía y también ayudará a prolongar la vida útil de la estación meteorológica. Para usar el nuevo código, simplemente descargue el código "ESP32_Weathercloud_Weather_Station.ino" actualizado y el archivo ZIP actualizado con bibliotecas (Instructables no lo acepta, así que aquí hay un enlace de Google Drive). ¡Disfrutar!

Paso 13: Montaje en estación

Entonces, una vez que haya confirmado que su estación está funcionando, debe diseñar y montar un soporte para ella. Tendrá que ser fuerte, duradero, compacto y, por último, pero no menos importante, tendrá que ser agradable. Da este paso más como una recomendación o inspiración que como instrucciones precisas. No sé cómo se ve donde lo vas a montar. Tienes que ser un poco más creativo. Pero si tiene un techo plano con un tubo de metal de 5 cm de diámetro que sobresale, continúe y haga lo que yo hice. Esta estación tiene dos cajas. Así que decidí ponerlos a ambos uno al lado del otro en un panel de metal. Debe montarse en un tubo de metal con un diámetro de 5 cm. Así que puse un tubo de 5 cm de diámetro interior en la parte inferior del panel. Ambos sensores de viento deben estar alejados del resto de la estación. Por lo tanto, coloque dos tubos de 40 cm de largo a cada lado de la estación y dos tubos de 10 cm de largo en el extremo de cada uno. El escudo de radiación debe montarse debajo del panel para proporcionar sombra adicional. Para esto, coloco un soporte en L de 7 por 15 cm en el tubo de metal grueso.

Aquí están todas las piezas metálicas necesarias una por una [dimensiones en mm]:

1x tubo, diámetro interior 50, longitud 300

1x panel, 250 por 300, espesor 3

1x soporte en L, brazos 75 y 150

2x tubo, diámetro exterior 12, longitud 400

2x tubo, diámetro interior 17, longitud 100

Cuando tenga todas estas piezas metálicas, puede soldarlas en su lugar de acuerdo con el modelo 3D que proporcioné. Luego deberá perforar todos los agujeros para las cajas y para el escudo de radiación. Luego, píntalo con pintura para metal. Recomiendo ir con el blanco, porque absorbe la menor cantidad de calor de todos los colores. Eso es todo, ¡tienen un soporte de estación en el que pueden montar su estación!

Paso 14: instalación

Coge tu estación meteorológica, tu montura y todas tus herramientas porque las necesitarás todas. Sube a un coche (o un autobús, no me importa) y ve a la ubicación futura de tu estación. Finalmente, puedes montar la estación.

Hacer que su estación meteorológica funcione en su taller es una cosa, pero hacer que funcione en las duras condiciones del mundo real es otra. El procedimiento de instalación depende en gran medida del edificio en el que está montando su estación. Pero si tiene el soporte del paso anterior y un taladro potente, debería estar bien. Solo necesita pegar el tubo grueso del soporte al tubo ligeramente más delgado en el techo. Luego, simplemente taladre los dos tubos y asegúrelos con un tornillo largo. Monte todas las cajas y sensores. Eso es todo. Su estación ahora está instalada con éxito.

Hicimos esto en un día lluvioso. Fue muy difícil pero no teníamos otra opción debido a la fecha límite del concurso.

Paso 15: Encendido, configuración de enlace ascendente y depuración

Su estación está instalada físicamente, pero aún no está en línea. Hagámoslo ahora. Tienes que alimentar la estación de alguna manera. Tienes que ser un poco creativo aquí. Puede colocar un adaptador dentro de la casa y pasar un cable a través de la ventana. Puedes enterrar el cable bajo tierra. Puede alimentarlo a través de un panel solar. Todo lo que importa es que hay 5V 500mA en los pines del cable de alimentación que viene de la caja de control. Recuerde, ¡todo tiene que ser resistente a la intemperie! Cuando tenga su estación encendida, puede pasar a la configuración y depuración del enlace ascendente.

La configuración del enlace ascendente consiste básicamente en hacer que el ESP32 se conecte a su red Wi-Fi. Si está en tu casa, debería estar bien. Si está en un garaje o más lejos, es posible que necesite un extensor de Wi-Fi o incluso una red Wi-Fi personalizada. Luego sigue la fase de depuración. Puede cargar el código final y esperar lo mejor, pero realmente recomiendo probar cada uno de los sensores uno por uno solo para asegurarse de que todo funcione correctamente. Básicamente lo mismo que en el paso 12. Si todo funciona como debería, puede presionar el botón SUBIR, desenchufar el cable USB y cerrar la caja de control.

Paso 16: Viva feliz para siempre

Dios, esto fue muuuy de último minuto, chicos. Me di cuenta del concurso de Sensores solo 10 días antes de que terminara. Esa misma noche, tuve que hacer como 10 llamadas telefónicas para arreglar todo lo necesario para finalizar la estación. Todavía no estaba terminado. El día que se suponía que íbamos a instalar la estación llegó una tormenta gigante que interrumpió nuestros planes. Necesitaba finalizar todo el texto antes de que se completara la estación. La estación finalmente se instaló hoy, el mismo día que publiqué este Instructable.

Ciertamente, hay muchas cosas que podrían haberse hecho mejor aquí, pero hay muchas cosas útiles que puede aprender aquí y usarlas al construir su propia estación. Si siguió todos los pasos correctamente, ahora tiene una estación meteorológica en la nube ESP32 en pleno funcionamiento. ¡Y eso es algo! Todo el trabajo duro valió la pena (espero que lo haya hecho). Puedes ver los datos de mi estación aquí. Si tiene algunas preguntas o sugerencias, me complacerá escucharlas en la sección de comentarios a continuación.

Sí y además, si te gustó este proyecto, te agradecería mucho que me votaras en el concurso de Sensores. Muchas gracias y disfruta !!!

Primer premio en el Concurso de Sensores