В данной статье излагаются взгляды на решение проблемы получения метеоданных при помощи специализированных станций. Показано преимущество использования цифровых метеостанций над аналоговыми устройствами. Особое внимание отводится описанию сборки и настройки портативной бытовой метеостанции на базе микроконтроллера ESP8266-12.
Ключевые слова: микроконтроллер ESP8266, портативная бытовая метеостанция, домашние условия, сферы использования, микроэлектроника, программирование, веб-интерфейс, бесконтактная передача данных.
Качество и эффективность сельскохозяйственной продукции напрямую зависит от метеоданных почвы и воздуха. На сегодняшний день существуют различные способы получения, накопления и передачи метеоданных. Одним из действенных способов является установка портативной цифровой метеостанции, использование которой позволит решить насущные «аграрные потребности», тем самым повысить урожайность сельскохозяйственных культур на земельном угодии.
Рассмотрим понятие метеостанции. Метеостанция — это специальное устройство, на которое установлены датчики и приборы для непрерывных метеорологических измерений. В основу ее работы положен принцип преобразования физических величин (температуры, влажности, скорости и направлении ветра) датчиками в сигналы измерительной информации, которые по соединительному кабелю поступают на указатель метеопараметров [1].
Различают несколько классификаций метеостанций. Наиболее популярная среди них — по принципу обработки данных, предполагающая разделение на два типа: аналоговые и цифровые.
Аналоговые метеостанции имеют внешнее сходство с часами. Пользователь может легко и точно считывать данные с помощью различных циферблатов, индикаторов. Как правило, аналоговые метеостанции имеют три шкалы: термометр для температуры, гигрометр для влажности и барометр для давления воздуха [2]. Цифровые с выносным датчиком — современные проводные и беспроводные устройства, которые отличаются от аналоговых тем, что у них данные считываются с цифрового дисплея, а датчики размещены на улице [6]. Таким образом, очевидно преимущество цифровых метеостанций над аналоговыми устройствами. Рассмотрим виды цифровых метеостанций. К ним относятся [3]:
—Дорожные метеорологические станции . Отличительной характеристикой данных станций связано с использованием датчика температуры поверхности и датчик температуры на глубине 30см, контроллер и GPRS модуль для передачи данных в информационные центры, информационные табло, с температурой поверхности и воздуха.
—Лесные метеорологические станции . Данные станции служат для предупреждения возможности лесных пожаров. Чаще всего такие метеостанции работают от аккумуляторов. Станции собирают климатические данные, такие как влажность дерева, почвы и температура на различных уровнях высотности лесов. Благодаря полученным данным моделируется карта пожарной активности, что помогает легче справиться пожарным с возможным воспламенением, либо предотвратить распространение пожара.
—Гидрологические метеорологические станции. Гидрологические метеостанции ведут метеорологические и гидрологические наблюдения над состоянием погоды океанов, морей, рек, озёр и болот. Такие метеостанции располагаются на материках, на морских плавающих станциях, а также существуют речные, озёрные и болотные станции наблюдения.
— Бытовые метеостанции — это компактные приборы, используемые для определения климатических показателей как внутри, так и снаружи помещения. Функциональность домашней метеостанции схожа с метеорологической станцией, только обрабатывается гораздо меньше данных, которые поступают с одного или нескольких датчиков, устанавливаемых за окном и в других помещениях. Например, цифровая метеостанция La Crosse Technology S84107 выпуска 2017 года, отображающая температуру, влажность воздуха в помещении и на улице, атмосферное давление и его изменение, прогноз погоды на сутки, фазы Луны. Такие устройства работают как от электрической сети, так и от сменных элементов питания.
Популярность бытовых метеостанций выражается в многообразии их видов. Так, на рынке потенциальный покупатель сможет найти настольные, портативные, компактные, автоматические, стационарные, настенные устройства, метеостанции-часы, аппараты с выносным датчиком, с радиодатчиком, с проекцией, с барометром, а также агрегаты размера мини и многое другое.
Вместе с тем, перечисленные метеостанции не обладают возможностью передачи данных с датчиков через WI-FI, т. е. невозможно наблюдать изменения метеоданных в режиме реального времени на расстоянии, тогда как контроль над показаниями датчиков необходим для обеспечения качества сельскохозяйственной продукции. Поэтому возникает потребность в изготовлении портативной бытовой метеостанции, работающей на микроконтроллере, оснащенном WI-FI передатчиком.
Цель исследовательской работы заключается в том, чтобы сконструировать собственную портативную бытовую метеостанцию на базе микроконтроллера, способного передавать метеоданные через WI-FI сеть.
Задачи исследовательской работы :
- Рассмотреть и проанализировать информацию о структуре и принципах работы цифровых метеостанций;
- Приобрести необходимые детали для изготовления собственной метеостанции на базе микроконтроллера ESP8266;
- Сконструировать и настроить портативную бытовую метеостанцию.
Итак, решение первой задачи кратко описано выше. Приступим к реализации практической части исследования, а именно сборке и настройке бытовой метеостанции. Отметим, что создание собственной метеостанции стало возможно благодаря доступности огромного ассортимента необходимых деталей для неё.
Метеостанция представляет собой модульное устройство представляющие из себя набор датчиков температуры, влажности, атмосферного давления и влажности почвы, подключённых к контроллеру ESP8266–12. Для ее сборки нам понадобились: паяльник 40W, пинцет, припой, макетная распаянная плата, набор малых одножильных проводов. Сборка проходила в несколько этапов.
1 Этап. Проектирование устройства . Для сборки устройства потребовалось составить чертёж электросхемы подключения контроллера к программатору, так как для стабильного прошивания ESP8266–12 требуется дополнительная обвязка и электросхемы самого устройства (рис 1).
Рис. 1. Электрическая схема подключения контроллера к программатору
2 Этап. Сборка устройства для прошивания контроллера и его настройка
После приобретения необходимых деталей, указанных на схеме, мы приступили к пайке платы устройства (рис. 2).
Рис. 2. Плата устройства
Далее необходимо произвести ее тестовый запуск. Нами было подано питание 3,7V на плату со стороны внешнего источника — если на чипе горит красный светодиод, то устройство работает исправно. Далее был подключен программатор к плате, для чего использовались три его контакта — GND, RX и TX. При этом важно помнить, что RX и TX должны подключатся крест-накрест, т. е. RX на TX, а TX на RX. Перед подключением программатора к компьютеру для установки прошивки была установлена специальная программа Tasmotizer для работы с семейством контроллеров ESP и выбрана нужная прошивка, в нашем случае — tasmota-sensors.bin. Перед подачей питания на плату нужно ввести её в режим программирования, для чего был замкнут pin GPI00 с минусом (GND). При этом не обязательно держать его замкнутым все время, следует разомкнуть его после запуска платы. Далее была установлена прошивка и с помощью веб-интерфейса получен доступ к настройке устройства. Устройство подключается к локальной сети.
3 Этап. Подключение датчиков, их настройка и финальная сборка устройства
Датчики, которые были задействованы в метеостанции: BMP280, Soil Sensor, AM2302. Датчики следует подключить согласно чертежу (рис 1.). Для того что бы контроллер получал и показывал данные с датчиков, нужно задать в настройках конфигурации веб-интерфейса датчика его название на каждом подключённом pin. Это позволит при подаче питания в веб-интерфейсе увидеть данные, полученные с датчиков (рис. 3).
Рис. 3. Интерфейс с данными работы портативной метеостанции
Все провода, датчики и микросхемы нужно компактно расположить в корпусе. Для этого отлично подойдёт распределительная коробка малого размера (рис. 4).
Рис. 4. Корпус портативной метеостанции
За питание устройства отвечает преобразователь напряжения из 5V в 3,7V. Это даёт возможность питать метеостанцию от зарядного устройства для телефона или powerbank. На корпус выводиться разъем microUSB или type-C для питания, светодиод питания и передачи данных. Датчик влажности почвы конструируется в зависимости от расположения измеряемой поверхности относительно метеостанции. Готовое устройство продемонстрировано на рисунке 5.
Рис. 5. Портативная бытовая метеостанция на базе микроконтроллера ESP8266–12
Таким образом, в ходе проведения настоящего исследования были рассмотрены вопросы как теоретического характера (понятие, классификация, виды и принцип работы метеостанций), так и практического содержания (разработана портативная метеостанция на базе микроконтроллера ESP8266). Важно отметить, что благодаря маломощности, питание ее аккумулятора можно осуществлять при помощи источника альтернативной энергии [4, 5]. В дальнейшем планируется тестирование устройства.
Литература:
- Акимов В. А., Дурнев Р. А., Соколов Ю. И. Опасные гидрометеорологические явления на территории России. Научно-популярное издание. — М.: Научно-популярное издание ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2009. — 316 с.
- Анисимов В. В. Использование робототехники, цифровых и аналоговых датчиков на уроках физики в малокомплектной сельской школе // Использование цифровых средств обучения и робототехники в общем и профессиональном образовании: опыт, проблемы, перспективы: Сборник научных статей II Международной научно-практической конференции. — Барнаул, 2015. — С. 6–10.
- Бикбулатов Р. И., Тазеев Н. Ф. Микропроцессорная система сбора метеоданных на основе платформы ARDUINO // StudNet, 2022. — Т.5. –№ 4. — С. 154–162.
- Закиров Д. И., Шонин М. Ю. Разработка мобильного источника солнечной энергии Solar Multi Power Bank // Юный ученый. — 2022. — № 10 (62). — С.54–56.
- Пензин П. А., Шонин М. Ю., Пензина И. В. Применение альтернативных источников энергии (на материалах Челябинской области) // Юный ученый. — 2018. — № 6 (20). — С. 42–45.
- Плытник Е. А., Савёлов И. Н. Цифровая метеостанция // Современные технологии и автоматизация в технике, управлении и образовании: Сборник трудов II Международной научно-практической конференции. — Минск, 2020. — С. 220–223.
