貓-氣象站的詳細介紹

 

簡介

本項目是一個基于Arduino和NRF24L01的環境監測硬件。

能實時獲取當前氣溫，氣壓，光照，濕度，降水，PM2.5值，以及自身的電池電量，使用2.4G模塊傳到網關節點，再由節點上傳到云。

節點本身不接受信息，僅以40s的間隔采集并發送數據。

硬件構成

主控：Arduino Pro Mini（5V/16MHz）

通信：NRF24L01+

氣溫：BMP180（0.01） DS18B20（0.50）

氣壓：BMP180（0.01）

光照：GY-30（IC為BH1750FVI）

濕度：DHT11（1）

降水：PCB 雨滴模塊（他的編號是YL-83）

PM2.5：GP2Y1010AU0F

供電：18650一節

關于節電

由于設備處于陽臺的位置，因此有線供電較為麻煩，太陽能供電也麻煩，所以采用可更換的18650鋰電池供電；

電池供電方案顯然要考慮能耗問題，因此有通信選擇的問題：有esp01（WiFi）和NRF24L01（2.4G）可供選擇。

ESP8266是耗電模塊（工作：80mA（264mW），最高：200mA（660mW））,而NRF24L01+工作電流只有11.3mA（TX，0dbm）和13.5mA（RX），掉電模式電流僅為900nA，顯然是一個比較好的選擇。

一個合理的選擇是設備用NRF將數據發送到室內的節點，這個節點再將數據傳到云。室內節點可以使用電源供電，不存在能耗問題。

Promini和3v3和雨滴模塊上都有LED，這些也很耗電（每個10到20mA），因此全部焊掉。

空氣質量之前采用的是MQ135，但是這個東西由于要電熱，非常耗電。資料上提到加熱功率居然有900mW（！）。于是用低功耗的粉塵模塊替換之。

為減小工作電流以獲得盡可能長的工作時間，設備絕大多數時間進入睡眠模式（使用LowPower庫），利用watchdog周期性醒來發送數據，然后立刻回到睡眠模式。

nrf24l01模塊也需要同時睡眠和醒來，使用Mirf庫里的powerDown()命令。

這樣設計的待機電流：9.6mA（36mW），工作電流31mA（120mW），一節3000mAh的電池能工作12天左右。

電路設計

用EasyEDA畫了下原理圖，先在面包板上搭建了實驗電路，再焊到一塊5x7cm的洞洞板上。所有模塊都采用可更換式的設計，同時保證布局盡可能緊湊。

由于雨滴模塊和光照模塊都要安裝在陽臺邊，因此預留了接口。使用的時候用線連接出去。

EasyEDA鏈接：https://easyeda.com/KanameAimu/WeatherStation-e9dae2dacdea4157baf0bea2717fbf6c

原理圖

成品圖

室內節點

室內節點使用了一個ArduinoProMini+NRF24L01用于接收NRF鏈路數據并處理，以及一個Wemos D1用來提供WiFi通信。二者之間用I2C總線實現通信。由于工作電壓不同，中間使用一個txs0108e模塊做電平轉換。

基本的功能是存儲轉發，還有一些附加的功能，例如在1602上顯示收到的數據等。

Wemos D1是一個Arduino兼容的ESP8266開發板，可以直接使用Arduino IDE和很多的庫，非常方便。這里用來從promini拿數據并上傳到bigiot。

外形設計

接下來就是3D打印個盒子來安裝電路板和固定傳感器。模型設計使用OpenSCAD，生成STL切片后打印。

盒子

上面的部分用來固定18650電池盒，左下用來固定GP2Y1010傳感器，右下用來固定DHT11模塊。懸空的地方設計了支撐方便打印。

盒蓋

采用卡扣式設計，將DHT11線，下載口和BMP180口留了出來。

完成后如圖。

成品圖

軟件設計

設備需要采集數據并放入緩沖區，用nrf模塊發送，然后再用LowPower.powerDown。

電池電壓數據在傳感器工作前采集一次，傳感器工作后再采集一次取平均。

DS18B20是備用溫度計。BMP180出問題后才使用，實際硬件可以不用。

另外注意ArduinoProMini（ATMega328P-AU）的int是16位，float=double=32位，要注意數據包和32位系統的兼容性。

數據包格式：

字節	類型	數據
0	byte	設備ID
1	byte	包ID
2	uint16_t	電池電壓
4	uint16_t	雨滴傳感器電壓
6	float	粉塵傳感器電壓
10	uint16_t	光照數值
12	float	氣壓
16	float	氣溫
20	byte	濕度
21~31		保留

代碼摘要：

void loop() {
  char data[Mirf.payload];

  data[0] = device_id;
  data[1] = packet_id;
  packet_id++;

  int battery_value_1 = analogRead(PIN_BatteryVoltage);
  
  int rain_value = analogRead(PIN_RAIN_SENSOR);
  data[4] = *(((byte *)&rain_value)+0);
  data[5] = *(((byte *)&rain_value)+1);

  float dust_volt =  getSharpDustSensorVoltage();
  data[6] = *(((byte *)&dust_volt)+0);
  data[7] = *(((byte *)&dust_volt)+1);
  data[8] = *(((byte *)&dust_volt)+2);
  data[9] = *(((byte *)&dust_volt)+3);

  unsigned int brightness_val = (unsigned int)getGY30Reading();
  data[10] = *(((byte *)&brightness_val)+0);
  data[11] = *(((byte *)&brightness_val)+1);

  float pres,temp;
  if(!getBMP180Readings(&pres, &temp))
  {
    pres = 0;
    temp = getDS18B20Temp();
  }
  data[12] = *(((byte *)&pres)+0);
  data[13] = *(((byte *)&pres)+1);
  data[14] = *(((byte *)&pres)+2);
  data[15] = *(((byte *)&pres)+3);
  data[16] = *(((byte *)&temp)+0);
  data[17] = *(((byte *)&temp)+1);
  data[18] = *(((byte *)&temp)+2);
  data[19] = *(((byte *)&temp)+3);

  data[20] = getDHT11Humidity();

  int battery_value_2 = analogRead(PIN_BatteryVoltage);
  int battery_value = (battery_value_1 + battery_value_2) / 2;
  data[2] = *(((byte *)&battery_value)+0);
  data[3] = *(((byte *)&battery_value)+1);

  for(int i=21;i<32;i++)
  {
    data[i] = 0;
  }
  
  Mirf.setTADDR((byte *)"iotc1");
  Mirf.send(data);
  while(Mirf.isSending());
  Mirf.powerDown();
  
  LowPower.powerDown(SLEEP_8S, ADC_OFF, BOD_OFF);
  LowPower.powerDown(SLEEP_8S, ADC_OFF, BOD_OFF);
  LowPower.powerDown(SLEEP_8S, ADC_OFF, BOD_OFF);
  LowPower.powerDown(SLEEP_8S, ADC_OFF, BOD_OFF);
  LowPower.powerDown(SLEEP_8S, ADC_OFF, BOD_OFF);
}

全部代碼和設計文件可以在我的GitHub上找到：https://github.com/KanameAimu/WeatherStation

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2016-11-28

查了下ESP8266的功耗。DeepSleep有10mA（33mW），有個待機模式似乎是0.9uA，不過問題是8266只有1個ADC，本項目至少需要2個。

而且不想用那么多WiFi設備連路由器，個人認為還是控制中心這種設計比較好。各設備用nrf構成局域網。

8266的3.3v電壓也是個問題，因為GP2Y要5v，還有dht11什么的東西，還是用arduino比較方便。

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2019-10-9

數據包裝其實可以用union解決。理論上可以用三極管給模塊供電，可以進一步降低功耗。

還是不想拿8266當節點。可能是怕麻煩吧。

近期打算畫個pcb來整合器件和接口。