Kompletná DIY meteorologická stanica Raspberry Pi so softvérom: 7 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Koncom februára som tento príspevok videl na webe Raspberry Pi.

www.raspberrypi.org/school-weather-station-…

Vytvorili meteorologické stanice Raspberry Pi pre školy. Úplne som jeden chcel! Ale v tom čase (a verím, že ešte v čase písania tohto článku) nie sú verejne dostupné (musíte byť vo vybranej skupine testerov). No chcel som pokračovať a nemal som chuť ostreľovať stovky dolárov za existujúci systém tretej strany.

Takže ako dobrý poučiteľný používateľ som sa rozhodol vytvoriť si vlastný !!!

Urobil som malý prieskum a našiel som niekoľko dobrých komerčných systémov, z ktorých by som mohol vychádzať. Našiel som niekoľko dobrých inštrukcií, ktoré vám pomôžu s niektorými konceptmi senzorov alebo malín PI. Našiel som dokonca túto stránku, ktorá bola veľmi špinavá a zničila existujúci systém Maplin:

www.philpot.me/weatherinsider.html

Rýchlo dopredu asi mesiac a mám základný pracovný systém. Toto je kompletný meteorologický systém Raspberry Pi so základným hardvérom Raspberry Pi, kamerou a rôznymi analógovými a digitálnymi senzormi, ktoré umožňujú vykonávať naše merania. Žiadne kupovanie vopred vyrobených anemometrov alebo zrážkomerov, vyrábame ich vlastné! Tu sú jeho vlastnosti:

• Zaznamenáva informácie do formátu RRD a CSV, takže je možné s nimi manipulovať alebo ich exportovať/importovať do iných formátov.
• Používa rozhranie Weather Underground API na získanie skvelých informácií, ako sú historické maximá a minima, fázy mesiaca a východ/západ slnka.
• Fotoaparát Raspberry Pi používa na fotografovanie raz za minútu (potom ich môžete použiť na zhotovenie časových snímok).
• Má webové stránky, ktoré zobrazujú údaje o aktuálnych podmienkach a niektoré historické údaje (posledná hodina, deň, 7 dní, mesiac, rok). Téma webovej stránky sa mení podľa dennej doby (4 možnosti: východ, západ slnka, deň a noc).

Všetok softvér na zaznamenávanie a zobrazovanie informácií je v serveri Github, dokonca som vykonal aj sledovanie chýb a požiadavky na funkcie:

github.com/kmkingsbury/raspberrypi-weather…

Tento projekt bol pre mňa veľkým vzdelávacím zážitkom, musel som sa ponoriť do schopností Raspberry Pi, najmä s GPIO, a tiež som dosiahol niekoľko bodov bolesti pri učení. Dúfam, že sa vy, čitateľ, poučíte z niektorých mojich skúšok a strastí.

Krok 1: Materiály

Elektronika:

• 9 jazýčkových spínačov (8 pre smer vetra, 1 pre dažďový merač, voliteľne 1 pre rýchlosť vetra namiesto Hallovho senzora), použil som tieto:
• 1 Hallov senzor (pre rýchlosť vetra, nazývaný anemometer) -
• Teplota (https://amzn.to/2RIHf6H)
• Vlhkosť (veľa senzorov vlhkosti je dodávaných so snímačom teploty), použil som DHT11:
• Tlak (BMP bol dodávaný aj so snímačom teploty), použil som BMP180, https://www.adafruit.com/product/1603, tento výrobok je teraz ukončený, ale existuje ekvivalent s BMP280 (https://amzn.to/2E8nmhi)
• Fotorezistor (https://amzn.to/2seQFwd)
• GPS čip alebo USB GPS (https://amzn.to/36tZZv3).
• 4 silné magnety (2 pre anemometer, 1 pre smer, 1 pre dažďový merač), použil som magnety vzácnych zemín, vysoko odporúčané) (https://amzn.to/2LHBoKZ).
• Niekoľko rôznych odporov, mám tento balíček, ktorý sa časom ukázal ako veľmi užitočný:

• MCP3008 - na prevod analógových na digitálne vstupy pre Raspberry Pi -

Hardvér

• Raspberry Pi - Pôvodne som používal 2 s bezdrôtovým adaptérom, teraz získajte aj súpravu 3 B+ s napájacím adaptérom. (https://amzn.to/2P76Mop)
• Kamera Pi
• Solídny 5V napájací adaptér (ukázalo sa, že je to bolestivo otravné, nakoniec som dostal Adafruit, inak kamera ťahá príliš veľa šťavy a môže/zavesí Pi, je tu: https://www.adafruit.com/products /501)

Materiály:

• 2 Axiálne ložiská (alebo budú fungovať aj ložiská na skateboarde alebo kolieskových korčuliach), zohnal som ich na Amazone:
• 2 vodotesné skrinky (použil som elektrickú skrinku z miestneho obchodu s veľkými škatuľami), na tom nezáleží, stačí nájsť správnu veľkosť skrinky, ktorá bude mať dostatok miesta a všetko ochráni).
• Niektoré PVC rúrky a koncovky (rôzne veľkosti).
• Držiaky z PVC
• Niekoľko listov tenkého plexiskla (nič fantastické).
• plastové medzery
• mini skrutky (použil som skrutky a matice č. 4).
• 2 Plastová ozdoba na vianočný stromček - používa sa na anemometer, ten môj som získal v miestnej hale Hobby Lobby.
• Malá hmoždinka
• Malý kus preglejky.

Náradie:

• Dremel
• Lepiaca pištoľ
• Spájkovačka
• Multimeter
• Vŕtačka

Krok 2: Hlavný kryt - Pi, GPS, kamera, svetlo

Hlavný kryt obsahuje PI, kameru, GPS a svetelný senzor. Je navrhnutý tak, aby bol vodotesný, pretože obsahuje všetky kritické komponenty, merania sa vykonávajú zo vzdialeného krytu a ten je navrhnutý tak, aby bol vystavený/otvorený živlom.

Kroky:

Vyberte kryt, použil som elektrickú spojovaciu skrinku, rôzne projektové boxy a vodotesné puzdrá budú fungovať rovnako dobre. Hlavnou vecou je, že má dostatok miesta na všetko.

Moja príloha obsahuje:

• Raspberry pi (v režime standoff) - Vyžaduje WIFI čip, nechcem spúšťať Cat5e na dvor!
• Fotoaparát (tiež v pohotovostnom stave)
• Čip GPS pripojený cez USB (pomocou kábla FTDI sparkfun: https://www.sparkfun.com/products/9718) - GPS poskytuje zemepisnú šírku a dĺžku, čo je pekné, ale čo je dôležitejšie, dokážem získať presný čas z GPS!
• dva konektory ethernet/cat 5 na pripojenie hlavného krytu k druhému krytu, v ktorom sú umiestnené ďalšie senzory. Bol to pohodlný spôsob, ako viesť káble medzi týmito dvoma boxmi, mám zhruba 12 káblov a dva kat5 poskytujú 16 možných spojení, takže mám priestor na rozšírenie/zmenu vecí.

V prednej časti môjho krytu je okno, z ktorého môže kamera vidieť von. Puzdro s týmto oknom chráni fotoaparát, ale mal som problémy, keď sa červená kontrolka na fotoaparáte (keď fotografuje) odráža od plexiskla a zobrazuje sa na fotografii. Na zmiernenie som použil čiernu pásku a pokúsil som sa ju zablokovať (a ďalšie LED diódy Pi a GPS), ale ešte to nie je stopercentné.

Krok 3: „Diaľkové ovládanie“pre teplotu, vlhkosť a tlak

Tu som uložil snímače teploty, vlhkosti a tlaku, ako aj „prípojky“pre snímače zrážok, smeru vetra a rýchlosti vetra.

Všetko je veľmi jednoduché, piny sa tu pripájajú pomocou ethernetových káblov k požadovaným kolíkom na Raspberry Pi.

Skúsil som použiť digitálne senzory, kde sa dalo, a potom sa k MCP 3008 pridá akýkoľvek analógový. Trvá až 8 analógových, čo bolo viac ako dosť pre moje potreby, ale dáva priestor na zlepšenie / rozšírenie.

Tento kryt je otvorený pre vzduch (musí to byť pre presnú teplotu, vlhkosť a tlak). Spodné otvory sú vysunuté, a tak som niektorým obvodom podal sprej so silikónovým konformným povlakom (môžete ho dostať online alebo na mieste, ako je Fry's Electronics). Našťastie by mal chrániť kov pred akoukoľvek vlhkosťou, aj keď musíte byť opatrní a nepoužívať ho na niektorých snímačoch.

V hornej časti krytu je tiež miesto, kde sa zmestí snímač rýchlosti vetra. Bolo to hodné zahodenie, mohol som navrch dať rýchlosť vetra alebo smer vetra, nevidel som žiadne zásadné výhody jedného oproti druhému. Celkovo chcete, aby boli oba snímače (vietor a rýchlosť) dostatočne vysoké tam, kde budovy, ploty a prekážky nerušia merania.

Krok 4: Dažďový merač

Pri zostavovaní skutočného rozchodu som sa väčšinou riadil týmto pokynom:

www.instructables.com/id/Arduino-Weather-St…

Vyrobil som to z plexiskla, aby som videl, čo sa deje, a myslel som si, že by to bolo super. Plexisklo celkovo fungovalo v poriadku, ale v kombinácii s lepiacou pištoľou, gumovým tmelom a celkovým rezaním a vŕtaním nezostáva pôsobiť tak nedotknuto, dokonca ani s ochranným filmom.

Kľúčové body:

• Senzor je jednoduchý jazýčkový spínač a magnet spracovávaný ako stlačenie tlačidla v kóde RaspberryPi, jednoduché počítanie vedier v priebehu času a následné prevedenie na „palce dažďa“.
• Urobte ho dostatočne veľký, aby pojal dostatok vody na prevrátenie, ale nie až taký, aby na prevrátenie potreboval veľa. Pri prvom prechode som urobil, že každý zásobník nie je dostatočne veľký, aby sa naplnil a začal odtekať cez okraj, než sa prevrátil.
• Zistil som tiež, že zvyšková voda môže pri meraní spôsobiť určitú chybu. To znamená, že na úplné vysušenie trvalo naplnenie strany a naklonenie X kvapiek, akonáhle bola mokrá, na naplnenie a prevrátenie bolo potrebných Y kvapiek (čo je menej ako X). Nie je to obrovské množstvo, ale prejavilo sa to pri pokuse o kalibráciu a získanie dobrého merania „1 záťaž rovná sa koľko“.
• Vyrovnajte to, môžete podvádzať pridaním lepidla do spodnej časti lepidla, ak je jedna strana oveľa ťažšia ako druhá, ale potrebujete ju čo najbližšie k vyváženiu.
• Na fotografii môžete vidieť, že som nastavil malú testovaciu súpravu pomocou niektorých špongií a dreveného držiaka, aby som ich pred inštaláciou otestoval a správne vyvážil.

Krok 5: Smer vetra

Bola to jednoduchá korouhvička. Elektroniku som založil na systéme Maplin:

www.philpot.me/weatherinsider.html

Kľúčové body:

Toto je analógový snímač. Osem jazýčkových spínačov kombinovaných s rôznymi odpormi rozdeľuje výstup na bloky, aby som podľa hodnoty identifikoval, v ktorej súradnici sa senzor nachádza. (Koncept je vysvetlený v tomto návode:

• Po naskrutkovaní časti meteorologickej lopatky ju musíte kalibrovať tak, aby „tento smer smeroval na sever“.
• Vyrobil som testovacie zariadenie z dreva, aby som mohol ľahko zapínať a vypínať odpory, ktoré pre mňa pokrývali celý rozsah hodnôt, to bolo veľmi užitočné!
• Použil som axiálne ložisko, bolo to v poriadku, som si istý, že bežné skateboardové alebo kolieskové ložisko by bolo rovnako dobré.

Krok 6: Rýchlosť vetra

Tento som sa opäť obrátil na komunitu Instructable a našiel som a nasledoval tento návod:

www.instructables.com/id/Data-Logging-Anemo…

Kľúčové body:

• Môžete použiť aj Hallov senzor alebo prepnúť na jazýčkový senzor. Hallov snímač je skôr analógový senzor, takže ak ho používate digitálnym spôsobom, napríklad stlačením tlačidla, musíte sa uistiť, že hodnoty/napätie sú dostatočne vysoké, aby pôsobili ako skutočné stlačenie tlačidla, a nie ako dostatočne..
• Veľkosť šálky je rozhodujúca, rovnako ako dĺžka palice! Pôvodne som používal pingpongové loptičky a boli príliš malé. Tiež som ich dal na dlhé palice, ktoré tiež nefungovali. Bol som veľmi frustrovaný a potom som prišiel na to, že sa dá poučiť, Ptorelli odviedol skvelú prácu pri vysvetľovaní a pomohlo mi to, keď môj pôvodný dizajn nefungoval rovnako.

Krok 7: Softvér

Softvér je napísaný v Pythone na zaznamenávanie údajov zo senzorov. Na získanie informácií zo senzorov a GPS som použil niekoľko ďalších knižníc Git tretích strán od spoločnosti Adafruit a ďalších. Existuje aj niekoľko úloh cron, ktoré čerpajú aj niektoré informácie o rozhraní API. Väčšina je vysvetlená/načrtnutá v dokumentácii Git na adrese docs/install_notes.txt

Webový softvér je v PHP na jeho zobrazenie na webovej stránke a súčasne používa YAML pre konfiguračné súbory a samozrejme nástroj RRD na ukladanie a grafovanie údajov.

Využíva API Weather Underground na získanie niektorých zaujímavých údajov, ktoré senzory nedokážu vytiahnuť: Zaznamenajte časy Hi a Lows, fázu mesiaca, západu slnka a východu slnka, v ich API je k dispozícii aj Tides, čo som považoval za skutočne úhľadné, ale žijem v Austine TX, ktoré je veľmi ďaleko od vody.

Všetko je k dispozícii na Github a je aktívne udržiavané a v súčasnej dobe sa používa, keď ďalej zdokonaľujem a kalibrujem svoj vlastný systém, takže môžete odosielať aj žiadosti o funkcie a hlásenia chýb.

Softvér prechádza zmenou témy v závislosti od dennej doby, existujú 4 fázy. Ak je aktuálny čas + alebo - 2 hodiny od východu alebo západu slnka, zobrazí sa téma východu a západu slnka (v súčasnosti iba iné pozadie, v budúcnosti pravdepodobne urobím rôzne farby písma/orámovania). Rovnako mimo týchto rozsahov je uvedená téma dňa alebo noci.

Ďakujem za prečítanie. Ak by ste chceli vidieť viac fotografií a videí z mojich projektov, pozrite sa na môj kanál Instagram a YouTube.

Tretia cena v súťaži Pi/e Day