猫-气象站的详细介绍

 

简介

本项目是一个基于Arduino和NRF24L01的环境监测硬件。

能实时获取当前气温，气压，光照，湿度，降水，PM2.5值，以及自身的电池电量，使用2.4G模块传到网关节点，再由节点上传到云。

节点本身不接受信息，仅以40s的间隔采集并发送数据。

硬件构成

主控：Arduino Pro Mini（5V/16MHz）

通信：NRF24L01+

气温：BMP180（0.01） DS18B20（0.50）

气压：BMP180（0.01）

光照：GY-30（IC为BH1750FVI）

湿度：DHT11（1）

降水：PCB 雨滴模块（他的编号是YL-83）

PM2.5：GP2Y1010AU0F

供电：18650一节

关于节电

由于设备处于阳台的位置，因此有线供电较为麻烦，太阳能供电也麻烦，所以采用可更换的18650锂电池供电；

电池供电方案显然要考虑能耗问题，因此有通信选择的问题：有esp01（WiFi）和NRF24L01（2.4G）可供选择。

ESP8266是耗电模块（工作：80mA（264mW），最高：200mA（660mW））,而NRF24L01+工作电流只有11.3mA（TX，0dbm）和13.5mA（RX），掉电模式电流仅为900nA，显然是一个比较好的选择。

一个合理的选择是设备用NRF将数据发送到室内的节点，这个节点再将数据传到云。室内节点可以使用电源供电，不存在能耗问题。

Promini和3v3和雨滴模块上都有LED，这些也很耗电（每个10到20mA），因此全部焊掉。

空气质量之前采用的是MQ135，但是这个东西由于要电热，非常耗电。资料上提到加热功率居然有900mW（！）。于是用低功耗的粉尘模块替换之。

为减小工作电流以获得尽可能长的工作时间，设备绝大多数时间进入睡眠模式（使用LowPower库），利用watchdog周期性醒来发送数据，然后立刻回到睡眠模式。

nrf24l01模块也需要同时睡眠和醒来，使用Mirf库里的powerDown()命令。

这样设计的待机电流：9.6mA（36mW），工作电流31mA（120mW），一节3000mAh的电池能工作12天左右。

电路设计

用EasyEDA画了下原理图，先在面包板上搭建了实验电路，再焊到一块5x7cm的洞洞板上。所有模块都采用可更换式的设计，同时保证布局尽可能紧凑。

由于雨滴模块和光照模块都要安装在阳台边，因此预留了接口。使用的时候用线连接出去。

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

原理图

成品图

室内节点

室内节点使用了一个ArduinoProMini+NRF24L01用于接收NRF链路数据并处理，以及一个Wemos D1用来提供WiFi通信。二者之间用I2C总线实现通信。由于工作电压不同，中间使用一个txs0108e模块做电平转换。

基本的功能是存储转发，还有一些附加的功能，例如在1602上显示收到的数据等。

Wemos D1是一个Arduino兼容的ESP8266开发板，可以直接使用Arduino IDE和很多的库，非常方便。这里用来从promini拿数据并上传到bigiot。

外形设计

接下来就是3D打印个盒子来安装电路板和固定传感器。模型设计使用OpenSCAD，生成STL切片后打印。

盒子

上面的部分用来固定18650电池盒，左下用来固定GP2Y1010传感器，右下用来固定DHT11模块。悬空的地方设计了支撑方便打印。

盒盖

采用卡扣式设计，将DHT11线，下载口和BMP180口留了出来。

完成后如图。

成品图

软件设计

设备需要采集数据并放入缓冲区，用nrf模块发送，然后再用LowPower.powerDown。

电池电压数据在传感器工作前采集一次，传感器工作后再采集一次取平均。

DS18B20是备用温度计。BMP180出问题后才使用，实际硬件可以不用。

另外注意ArduinoProMini（ATMega328P-AU）的int是16位，float=double=32位，要注意数据包和32位系统的兼容性。

数据包格式：

字节	类型	数据
0	byte	设备ID
1	byte	包ID
2	uint16_t	电池电压
4	uint16_t	雨滴传感器电压
6	float	粉尘传感器电压
10	uint16_t	光照数值
12	float	气压
16	float	气温
20	byte	湿度
21~31		保留

代码摘要：

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);
}

全部代码和设计文件可以在我的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），有个待机模式似乎是0.9uA，不过问题是8266只有1个ADC，本项目至少需要2个。

而且不想用那么多WiFi设备连路由器，个人认为还是控制中心这种设计比较好。各设备用nrf构成局域网。

8266的3.3v电压也是个问题，因为GP2Y要5v，还有dht11什么的东西，还是用arduino比较方便。

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2019-10-9

数据包装其实可以用union解决。理论上可以用三极管给模块供电，可以进一步降低功耗。

还是不想拿8266当节点。可能是怕麻烦吧。

近期打算画个pcb来整合器件和接口。