太阳能WiFi气象站的制作

特点：

1。连接到Wi-Fi，并将数据上传到网络（Blynk App和Thingspeak）

2。监测天气参数，如温度，压力，湿度，海拔和紫外线水平等。

3。额外端口添加更多传感器

4。远程电池状态监控

5。使用功能强大的锂离子电池（3400 mAh）和太阳能电池板（1W）

6。独立于外部电源

7.可以安装在远程站点或地理位置具有挑战性的环境中

8。由太阳能供电，它是一种环保设备。

第1步：所需的组件和工具

更新05.08.2019

现在您可以从 PCBway 购买单个套件中的PCB和所有组件。

注意：电池和3D打印的外壳不是包含在试剂盒中

使用的组件：

1。 Wemos D1 Mini Pro（Banggood/亚马逊）

2。 TP 4056充电板（Banggood/亚马逊）

3。 BME 280传感器（亚马逊/Bangood）

4。 BMP280（Banggood/亚马逊）

5。 DS18B20传感器（Banggood/亚马逊）

6。 Switch（Banggood/Amazon）

7。螺钉端子（Banggood）

8。 PCB支架（Banggood/亚马逊）

9。 18650电池（Aliexpress）

10.18650电池座（Banggood/亚马逊）

11。太阳能电池板（Banggood）

12。 Straight Headers Pin（Banggood/亚马逊）

13。 22 AWG电线（Banggood/亚马逊）

14。气象站V2.0 PCB（PCBWay）

15。超级胶水（亚马逊）

16。 3D打印灯丝-PLA（GearBest）

使用的工具：

1。 3D打印机（Creality CR-10）

2。烙铁（亚马逊）

3。胶枪（亚马逊）

4。剥线钳（亚马逊）

5。 Wire Cutter（亚马逊）

第2步：电源

我的计划是部署天气站在一个偏远的地方（我的农舍）。为了连续运行气象站，必须有一个连续的电源，否则系统将无法工作。为电路提供连续电源的最佳方法是使用电池。但是几天之后电池汁就会耗尽，去那里充电是非常困难的。因此，提出了一种太阳能充电电路，用于从太阳获取自由能量，为电池充电并为Wemos板供电。我使用的是18650锂离子电池。

电池通过TP4056充电模块从太阳能电池板充电。 TP4056模块配有电池保护芯片或不带保护芯片。我会建议购买一个包含电池保护芯片的模块。

关于TP4056电池充电器

TP4056模块非常适合为单节3.7V 1 Ah或更高的LiPo电池充电。基于TP4056充电器IC和DW01电池保护IC，该模块将提供1000 mA充电电流，然后在充电完成时切断。此外，当电池电压降至2.4V以下时，保护IC将切断负载以保护电池免受欠压。它还可以防止过压和反极性连接。

步骤3：通过BMP/E280监测温度和湿度

在早些时候，使用单独的模拟仪器测量环境温度，湿度和气压等天气参数：温度计，湿度计和气压计。但今天市场充斥着廉价高效的数字传感器，可用于测量各种环境参数。最好的例子是DHT11，DHT 22，BMP180，BMP/E280等传感器。

在这个项目中，我们将使用BMP280/BME280传感器。

BMP 280 ：

BMP280是一款先进的传感器，能够以合理的精度非常精确地测量气压和温度。 BME280是博世的下一代传感器，是BMP085/BMP180/BMP183的升级产品 - 具有0.25米的低海拔噪音和相同的快速转换时间。该传感器的优点是它可以使用I2C或SPI与微控制器进行通信。为了简单方便接线，我建议购买I2C版本板。

BME280：

新型BME280传感器，一种温度，气压的环境传感器和湿度。 BME280是博世的下一代传感器，是BMP280的升级产品。博世的这款精密传感器是测量湿度的最佳低成本传感解决方案，精度为±3％，气压为±1 hPa绝对精度，温度为±1.0°C精度。它可以在I2C和SPI中使用。

注意： BME280可以测量湿度，但BMP280不能。 在市场上，BMP280也可以以BME280的名称获得。因此，请确保它是BMP280还是BME280。

步骤4：更多传感器的附加端口

气象站V2.0电路板有5个额外端口可连接更多天气传感器。可以轻松连接以下附加传感器：

1。 GY-1145传感器：用于测量紫外线指数

SI1145是一种带有校准紫外线感应元件的传感器，可以计算紫外线指数。它可以通过I2C通信（地址0x60）进行通信。您可以将此传感器与位于电源开关旁边的电路板中的I2C端口连接起来。

您可以阅读本文以了解有关此传感器的更多信息。

您可以从Banggood购买此传感器。

2。 HDC1080：用于测量温度和湿度

HDC1080是一款数字湿度传感器，带有集成温度传感器，可在极低功率下提供出色的测量精度。它还可以通过I2C通信进行通信。

您可以阅读本文以了解有关此传感器的更多信息。

您可以从Banggood购买此传感器。

3。 DS18B20：用于测量温度

它可以用最少量的硬件和接线来测量温度。这些传感器使用数字协议将精确的温度读数直接发送到开发板，无需模数转换器或其他额外硬件。它使用单线协议与微控制器通信。它可以连接在位于Wemos板右侧的板上的端口P2中。

您可以阅读本文以了解有关此传感器的更多信息。

步骤5：使用外部天线（3dBi）

Wemos D1 mini Pro板具有内置陶瓷天线，可连接外部天线以改善范围。在使用外部天线之前，必须将天线信号从内置陶瓷天线重新布线到外部插座。这可以通过旋转小表面贴装（0603）零欧姆电阻（有时称为链接）来完成。

您可以看到上面的图片，我是如何做到的。

您还可以观看由Alex Eamesto制作的视频来旋转零欧姆电阻。然后将天线SMA连接器卡入Wemos Pro迷你天线插槽。

步骤6：监控电池电压

气象站由18650 Li运行 - 电池，因此监控其状态非常重要。输入到Wemos板的最大电压约为3.2~3.3V，但充满电的18650电池电压为4.2V。因此，要测量此电压，我们必须使用分压器网络降低电压。

Wemos D1 mini已经有一个内部分压器，将A0引脚连接到ESP8266芯片的ADC。分压器由220k（R1）和100k（R2）组成。因此，我们必须使用内置的220k电阻添加外部电阻来读取电池电压。通过使用100k电阻，我们可以测量电池的最大电压，但需要一些余量，选择220k电阻。它在PCB板上命名为R1，位于电池座的正上方。

要选择分压器电阻值，您可以使用此在线计算器。

你也可以阅读这篇关于电池电压监测的文章。

第7步：暗示深度睡眠模式

心脏在我们的气象站使用的Wemos板是ESP8266 SOC，它是一个耗电的芯片。我们的目标是使用18650电池运行设备，但对电源的需求通常会使电池操作变得不切实际。

另一个问题是，随着设备连续运行，很明显设备将会体验升温，因此测量的温度将高于环境温度。

从上面可以看出，我们必须降低ESP8266 WiFi芯片的功耗。为此，我们将使用深度睡眠模式，这是ESP芯片最省电的选择。它允许ESP8266进入休眠状态并节省电池电量。您可以定期将其唤醒以进行测量并发布。

组件操作模式-----睡眠模式

1。 ESP8266 170 mA -------- 10 uA

2。 CH340 12 mA --------- 50 uA

3。内置LED 3 mA ----------- 0 uA

4。电压监控器0.006 mA ----- 6 uA

-------------------------------- ---

总计 185 mA ---- 66 uA

如果睡觉 - 唤醒周期为10分钟，唤醒时间为30秒，能耗预算如下：

唤醒时间为185 mA，持续0.5分钟= 92.5 mA分钟

睡眠时间0.066毫安，9.5分钟= 0.627毫安 - 分钟

总共10分钟= 93.13毫安 - 分钟

因此平均电流消耗为9.3毫安。

步骤8：选择太阳能电池板

从上一步可以得出结论，平均电流消耗为9.3 mA

全天运行设备所需的电量= 9.3 mA x 24小时= 223.2 mAh

WeMos中使用的线性稳压器没有电流增益，因此任何电流在3.3V使用导致相同的cur租用电压为3.7V或电池所处的任何电压。

太阳辐射量根据您所在地球的哪个部分而有所不同。要了解您所在地区的太阳曝晒量，您可以使用Global Solar Atlas。通过考虑最少1小时的全日照，我们将选择太阳能电池板。

因此，我们的目标是在1小时内产生223.2 mAh。

要为3.7V锂离子电池充电，电压为5到6V的太阳能电池板就足够了。

所需的太阳能电池板额定值= 223.2 mA，电压约为5至6伏。

太阳能电池板额定值= 223.2mA x 5V = 1.1W

太阳能电池板选择：1W/5V至6V

在这个项目中，我使用了5V，200mA太阳能电池板（99 x 69 mm）

所以a 1W面板应足以在冬季高纬度地区运行项目。

注意： 如果您的位置接收到充足的阳光，则为0.66我在早期版本中使用的W太阳能电池板也可以工作。

步骤9：PCB设计

在切换到PCB布局后，我使用EasyEDA在线软件绘制了原理图。

原理图中添加的所有组件都应该在那里堆叠在彼此的顶部，准备放置和路由。通过抓住其垫片来拖动组件。然后将其放置在矩形边界线内。

排列所有组件，使板占用最小空间。电路板尺寸越小，PCB制造成本越低。如果该板上有一些安装孔，那么将它安装在一个外壳中将是有用的。

现在你必须路由。路由是整个过程中最有趣的部分。这就像解决一个难题！使用跟踪工具，我们需要连接所有组件。您可以使用顶层和底层来避免两个不同轨道之间的重叠并缩短轨道。

您可以使用Silk图层向电路板添加文本。此外，我们可以插入图像文件，因此我在我的网站徽标上添加了一个图像，以便在电路板上打印。最后使用铜区域工具，我们需要创建PCB的接地区域。

现在PCB已准备好进行制造。

您可以从PCBWay 立即注册PCBWay，即可获得5美元的优惠券。这意味着您的第一笔订单是免费的，只需支付运费。

当您下订单时，我将从PCBWay获得10％的捐款用于我的工作。你的小帮助可能会鼓励我将来做更多精彩的工作。感谢您的配合。

第10步：PCB制作

完成PCB设计后，我们只需单击“Gerber输出”按钮，保存项目，我们就可以下载用于制造PCB的Gerber文件。

步骤11：组装PCB

从PCB制造厂收到电路板后，你必须焊接组件。

对于焊接，你需要一个像样的焊铁，焊锡，钳子。

首先，我切断直的男性和Wemos Board，TP4056，BMP/E 280以及所有端口的母头引脚。

以下是有关接头的详细信息：

1。 Wemos Board - 2 x 8pins Female

2。 BMP280 - 1 x 6针女性

3。 I2C端口 - 1 x 4pins

4。端口P1 - 1 x 4pins

5。端口P2- 1 x 3pins

6。端口P3- 1 x 4pins

7。端口P4- 1 x 3引脚

最好根据组件的高度焊接组件。首先焊接较小高度的元件。

我已经开始焊接电阻器，开关然后移向更大的元件，如接头引脚，螺钉端子和电池座。

步骤12：添加模块和电池

组装插头引脚后，切换和螺钉端子，是时候将板插入各自的头部。 PCB上标有清晰的标题，因此不会产生混淆。

首先，我放置TP4056板并焊接所有焊盘。

然后我添加了Wemos板和BME280传感器。

最后，我将18650电池插入电池座。

步骤13：安装支架

添加所有零件后，将支架安装在4个角落。我使用了M3 Brass Hex Standoffs。

使用支座可为焊接接头和地线提供足够的间隙。

步骤14：3D打印机壳

为了给出漂亮的商业产品外观，我为这个项目设计了一个外壳。我使用Autodesk Fusion 360来设计机箱。

机箱有两部分：

1。主体

2。盖盖

主体基本上设计适合气象站V2.0 PCB（85mm * 83mm）。

盖子盖子用于盖住主体开口。

我用我的Creality CR-10打印机和1.75毫米绿色PLA灯丝打印零件。我花了大约11个小时打印主体，大约3个小时打印顶盖。

我的设置是：

打印速度：60毫米/秒

层高：0.2mm（0.3也适用）

填充密度：25％

挤出机温度：200℃

床温：60 deg C

从Thingiverse下载STL文件

您还可以查看由3KU_Delta设计的机箱。

从下载其设计的STL文件Thingiverse

步骤15：将PCB置于机柜内

首先，将MF十六进制支架插入机箱的四个安装插槽中。

然后通过对准角落处的四个螺孔将PCB板固定在支架上。

插入四个支架后，由于小的不对中，我很难修复PCB。所以我想修改安装支架直接固定3M螺钉而不是六角形支架。

步骤16：安装组件

安装PCB后，必须安装BME280模块和Wemos板。

然后插入跳线JP2。

将SMA连接器插入机箱中提供的孔中。然后用垫圈拧紧螺母。现在通过与SMA连接器正确对齐来安装天线。

最后，将18650电池放入电池座内。确保必须以正确的极性插入。极性标记在电池座，PCB和电池上。

步骤17：安装太阳能电池板

将22 AWG红线焊接到正极端子，将黑线焊接到太阳能电池板的负极端子。

将两根电线插入主机壳顶部的孔中。

使用超级胶水固定太阳能电池板并按压一段时间以便正确粘接。

使用热胶从内部密封孔。

步骤18：3D打印Stevenson屏幕

我早期的外壳设计是一个不错的外观，但它不适合气象站。保持天气传感器的理想外壳是史蒂文森屏幕。一个史蒂文森屏幕是一个天气传感器的外壳，可以抵御雨水和来自外部的直接热辐射，同时仍然允许空气在它们周围自由流通。

太阳能气象站V2的Stevenson屏幕由我的朋友Glen设计。它有一个简单的壁挂支架和一个2部分盖子，用于隔离太阳能电池板的热传递。我非常感谢他的工作。

您可以从Thingiverse下载.STL文件

提示： 使用 Lacquer Spray喷涂完全组装的PCB 保护电路板和元件，但你需要在BME280温度传感器孔上放一点胶带，不要阻挡它。

步骤19：与Blynk App接口

步骤1：下载Blynk应用程序

1。对于Android

2。对于iPhone

步骤2：获取身份验证令牌

要连接Blynk App和您的硬件，您需要一个验证令牌。

1。在Blynk App中创建一个新帐户。

2。按顶部菜单栏上的QR图标。通过扫描上面显示的QR码创建此项目的克隆。一旦检测到成功，整个项目将立即在您的手机上。

我已经制作了Sol Weather Station应用程序。欢迎您试用！

开始使用它：1。下载Blynk App：http：//j.mp/blynk_Android或http://j.mp/blynk_iOS 2.触摸QR - 代码图标并将相机指向下面的代码3.享受我的应用程序！

3。项目创建完成后，我们将通过电子邮件向您发送Auth Token。

4。检查您的电子邮件收件箱并找到验证令牌。

步骤3：为Wemos Board准备Arduino IDE

要将Arduino代码上传到Wemos板，你必须遵循这个Instructables

Step-4：Arduino Sketch

安装上面的库后，粘贴下面给出的Arduino代码。

输入路由器的步骤1，ssid和密码的验证码。

然后上传代码。

步骤20：将传感器数据上传到ThingSpeak

首先，在ThingSpeak上创建一个帐户。

然后创建一个新的频道您的ThingSpeak帐户。

查找如何创建新通道填充字段1作为压力，字段2作为温度，字段3湿度，字段4作为高度，字段5作为蝙蝠电压。

在您的ThingSpeak帐户中选择“频道”，然后选择“我的频道”。

点击您的频道名称。

单击“API密钥”选项卡并复制“写入API密钥”

打开Solar_Weather_Station_ThingSpeak代码。

将“WRITE API”替换为复制的“Write API密钥” “。

你可以看到我的实时信息。

目前，我的电池电压读数不一致，因此该字段已被禁用。

步骤21：软件和库

要将Wemos D1与Arduino库一起使用，您必须使用支持ESP8266板的Arduino IDE。如果您还没有这样做，可以通过Sparkfun的本教程轻松地为您的Arduino IDE安装ESP8266板支持。

以下设置更可取：

PU频率： 80MHz 160MHz

闪存大小： 4M（3M SPIFFS） - 3M文件系统大小4M（1M SPIFFS） - 1M文件系统大小

上传速度： 921600 bps

库

在上传代码之前安装以下图书馆：

1。 ESP8266

2。 BMP280

3。 Blynk

您可以通过Sparkfun阅读本教程来安装Arduino库。

在我的早期版本中，Blynk和Thinspeak有两个单独的代码，但是在这个版本中，我们已经编写了一段代码。用户只需为Blynk或Thingspeak注释掉一行代码。例如，如果您将其用于Blynk App，则代码应如下所示：

const String App = “BLYNK”; // alternative is line below

// const String App = “Thingspeak”; // alternative is line above

信用： 我想对Keith Hungerford给予很多赞誉，他指导我让这个项目更加强大。 BMP280的软件库也是由他编写的。您可以在BMP280省电模式下阅读他的Instructable。

注意： 在使用深度睡眠功能之前，必须将Wemos D0引脚连接到RST引脚。这可以通过短接跳线JP2来完成。

更新：15.05 0.2019 的

您还可以在他的GitHub页面上看到 3KUdelta所做的出色工作。在他的V2.3代码中，他包括着名的Zambretti预报员。我非常感谢他为改进项目所做的辛勤工作。

该软件使用着名的Zambretti预测模型提供短期预测（4-6小时）：

用语言预测4-6小时

语言趋势

温度

露点

热指数

湿度

绝对压力

相对压力

电池电压（V）

步骤22：结论

今天我收到了太阳能电池板并安装了它。我真的很喜欢这个项目的最终成果。