Trạm thời tiết năng lượng mặt trời Raspberry Pi: 7 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

Được thúc đẩy bởi việc hoàn thành hai dự án trước đây của tôi, Máy ảnh nhỏ gọn và Bảng điều khiển trò chơi di động, tôi muốn tìm một thử thách mới. Sự tiến triển tự nhiên là một hệ thống điều khiển từ xa ngoài trời…

Tôi muốn xây dựng một trạm thời tiết Raspberry Pi có thể tự duy trì ngoài lưới điện và gửi cho tôi kết quả thông qua kết nối không dây, từ mọi nơi! Dự án này thực sự có những thách thức của nó, nhưng may mắn là cấp nguồn cho Raspberry Pi là một trong những thách thức chính đã được thực hiện dễ dàng bằng cách sử dụng PiJuice làm nguồn cung cấp điện với hỗ trợ năng lượng mặt trời được bổ sung (hoàn chỉnh với công nghệ PiAnywhere mang tính cách mạng của chúng tôi - cách tốt nhất để lấy số Pi của bạn ra khỏi lưới!).

Suy nghĩ ban đầu của tôi là sử dụng mô-đun AirPi tuyệt vời để thực hiện các bài đọc. Tuy nhiên, điều này có hai nhược điểm chính; nó yêu cầu kết nối internet trực tiếp để tải lên kết quả và nó cần được kết nối trực tiếp với GPIO trên Pi, có nghĩa là nó không thể tiếp xúc với không khí mà không để Raspberry Pi kéo dài bất kỳ khoảng thời gian nào).

Giải pháp… xây dựng mô-đun cảm biến của riêng tôi! Sử dụng phần lớn AirPi để lấy cảm hứng, tôi đã có thể kết hợp một nguyên mẫu rất đơn giản bằng cách sử dụng một vài cảm biến mà tôi đã có; nhiệt độ, độ ẩm, mức độ ánh sáng và các loại khí chung. Và điều tuyệt vời về điều này là nó thực sự dễ dàng để thêm nhiều cảm biến bất cứ lúc nào.

Tôi quyết định sử dụng Raspberry Pi a + chủ yếu do mức tiêu thụ điện năng thấp. Để gửi kết quả cho tôi, tôi đã sử dụng mô-đun EFCom Pro GPRS / GSM, mô-đun này có thể gửi văn bản trực tiếp đến điện thoại di động của tôi kèm theo kết quả! Khá gọn gàng phải không?

Tôi rất vui khi có bất kỳ ý tưởng nào bạn có cho các dự án năng lượng mặt trời hoặc di động tuyệt vời khác. Hãy cho tôi biết trong phần nhận xét và tôi sẽ cố gắng hết sức để tạo một hướng dẫn!

Bước 1: Các bộ phận

1 x PiJuice + Bảng điều khiển năng lượng mặt trời (hoàn chỉnh với công nghệ PiAnywhere mang tính cách mạng của chúng tôi - cách tốt nhất để đưa Pi của bạn ra khỏi lưới điện!)

1 x Raspberry Pi a +

1 x Mô-đun GPRS / GSM EFCom Pro

1 x Thẻ Sim

1 x bảng bánh mì

Protoboard

1 x MCP3008 ADC

1 x LDR

1 x LM35 (Cảm biến nhiệt độ)

1 x DHT22 (Cảm biến độ ẩm)

1 x cảm biến chất lượng không khí chung TGS2600

Điện trở 1 x 2,2 KΩ

Điện trở 1 x 22 KΩ

Điện trở 1 x 10 KΩ

10 x Female - Dây Jumper dành cho nữ

Các loại dây khổ đơn

1 x Hộp nối ngoài trời đơn

1 x Hộp nối ngoài trời đôi

1 x Đầu nối cáp chống thấm nước

2 x 20mm Cáp mù mờ Grommets

Bước 2: Mạch cảm biến

Có khá nhiều yếu tố khác nhau đối với dự án này, vì vậy tốt nhất bạn nên thực hiện mọi thứ theo từng bước. Trước hết, tôi sẽ đi qua cách kết hợp mạch cảm biến với nhau.

Trước tiên, bạn nên xây dựng cái này trên bảng mạch bánh mì, đề phòng trường hợp bạn mắc phải bất kỳ sai lầm nào, tôi đã gửi kèm sơ đồ mạch và hình ảnh từng bước để bạn tham khảo.

1. Thành phần đầu tiên có dây là bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang kỹ thuật số MCP3008 này. Điều này có thể cần đến 8 đầu vào tương tự và giao tiếp với Raspberry Pi thông qua SPI. Với con chip hướng lên trên và hình bán nguyệt bị cắt ở đầu xa bạn nhất, các chân bên phải đều kết nối với Raspberry Pi. Kết nối chúng lại như được hiển thị. Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm một chút về cách hoạt động của chip, đây là hướng dẫn tuyệt vời về MCP3008 và giao thức SPI.
2. Các chân bên trái là 8 đầu vào Analogue, được đánh số từ 0-7 từ trên xuống. Chúng tôi sẽ chỉ sử dụng 3 đầu tiên (CH0, CH1, CH2), cho LDR, cảm biến khí chung (TGS2600) và cảm biến nhiệt độ (LM35). Đầu tiên kết nối LDR như trong sơ đồ. Một bên nối đất và một bên nối đất 3,3V thông qua một điện trở 2,2KΩ và CH0.
3. Tiếp theo, kết nối "cảm biến khí chung". Cảm biến khí này được sử dụng để phát hiện các chất gây ô nhiễm không khí như hydro và carbon monoxide. Tôi vẫn chưa tìm ra cách để có được nồng độ cụ thể, vì vậy hiện tại kết quả từ cảm biến này là mức phần trăm cơ bản, trong đó 100% được bão hòa hoàn toàn. Với cảm biến hướng lên trên (chân ở mặt dưới), chốt trực tiếp ở bên phải của phần nhô ra nhỏ là chân 1 và sau đó các con số tăng dần theo chiều kim đồng hồ xung quanh chốt. Vì vậy, chân 1 và 2 kết nối với 5V, chân 3 kết nối với CH1 và nối đất thông qua một điện trở 22KΩ và chân 4 kết nối thẳng với đất.
4. Cảm biến tương tự cuối cùng để kết nối là cảm biến nhiệt độ LM35. Cái này có 3 chân. Lấy cảm biến để mặt phẳng gần bạn nhất, chân ngoài cùng bên trái kết nối thẳng với 5V (không được đánh dấu trên sơ đồ, tôi xấu!), Chân giữa kết nối với CH2 và chân ngoài cùng bên phải kết nối thẳng với đất. Dễ!
5. Thành phần cuối cùng cần kết nối là cảm biến độ ẩm DHT22. Đây là một cảm biến kỹ thuật số nên có thể được kết nối thẳng với Raspberry Pi. Lấy cảm biến với lưới đối diện với bạn và bốn chân ở mặt dưới. Các ghim được xếp theo thứ tự từ 1 bên trái. Kết nối 1 đến 3.3V. Chân 2 đi đến GPIO4 và 3.3V thông qua một điện trở 10KΩ. Để chân 3 ngắt kết nối và chân 4 nối thẳng xuống đất.

Đó là nó! Mạch thử nghiệm đã được xây dựng. Tôi hy vọng sẽ thêm nhiều thành phần hơn khi tôi có thời gian. Tôi thực sự muốn thêm cảm biến áp suất, cảm biến tốc độ gió và tôi muốn có thêm dữ liệu thông minh về nồng độ khí.

Bước 3: Mô-đun GSM

Bây giờ các mạch cảm biến đã được xây dựng, cần phải có một cách để nhận kết quả. Đó là nơi xuất hiện của mô-đun GSM. Chúng tôi sẽ sử dụng nó để gửi kết quả qua mạng di động dưới dạng SMS, mỗi ngày một lần.

Mô-đun GSM giao tiếp với Raspberry Pi thông qua nối tiếp sử dụng UART. Dưới đây là một số thông tin tuyệt vời về giao tiếp nối tiếp với Raspberry Pi. Để kiểm soát cổng nối tiếp của Pi, trước tiên chúng ta cần thực hiện một số cấu hình.

Khởi động Raspberry Pi của bạn bằng Hình ảnh Raspbian tiêu chuẩn. Bây giờ thay đổi tệp "/boot/cmdline.txt" từ:

"dwc_otg.lpm_enable = 0 console = ttyAMA0, 115200 kgdboc = ttyAMA0, 115200 console = tty1 root = / dev / mmcblk0p2 rootfstype = ext4 lift = deadline rootwait"

đến:

"dwc_otg.lpm_enable = 0 console = tty1 root = / dev / mmcblk0p2 rootfstype = ext4 lift = deadline rootwait"

bằng cách xóa phần được gạch chân của văn bản.

Thứ hai, bạn cần chỉnh sửa tệp "/ etc / inittab", bằng cách nhận xét dòng thứ hai trong phần sau:

#Spawn a getty trên dòng nối tiếp Raspberry PiT0: 23: respawn: / sbin / getty -L ttyAMA0 115200 vt100"

Vì vậy, nó đọc:

"#Spawn a getty trên dòng nối tiếp Raspberry Pi # T0: 23: respawn: / sbin / getty -L ttyAMA0 115200 vt100"

và khởi động lại Pi. Bây giờ cổng nối tiếp sẽ được tự do giao tiếp như bạn muốn. Đã đến lúc kết nối mô-đun GSM. Hãy nhìn vào sơ đồ mạch ở bước trước và các hình ảnh ở trên để xem cách này được thực hiện như thế nào. Về cơ bản, TX được kết nối với RX và RX được kết nối với TX. Trên Raspberry Pi TX và RX lần lượt là GPIO 14 và 15.

Bây giờ, bạn có thể muốn kiểm tra xem mô-đun đang hoạt động, vì vậy chúng ta hãy thử gửi một văn bản! Đối với điều này, bạn cần tải xuống Minicom. Đó là một chương trình cho phép bạn ghi vào cổng nối tiếp. Sử dụng:

"sudo apt-get install minicom"

Sau khi nó được cài đặt, minicom có thể được mở bằng lệnh sau:

"minicom -b 9600 -o -D / dev / ttyAMA0"

9600 là tốc độ truyền và / dev / ttyAMA0 là tên cổng nối tiếp của Pi. Thao tác này sẽ mở một trình giả lập đầu cuối, trong đó bất cứ thứ gì bạn viết sẽ xuất hiện trên cổng nối tiếp, tức là được gửi đến mô-đun GSM.

Lắp thẻ sim đã được nâng cấp của bạn vào mô-đun GSM và nhấn nút nguồn. Sau đó, một đèn LED màu xanh sẽ xuất hiện. Mô-đun GSM sử dụng bộ lệnh AT, đây là tài liệu nếu bạn thực sự quan tâm. Bây giờ chúng tôi kiểm tra xem Raspberry Pi đã phát hiện mô-đun hay chưa bằng lệnh sau:

"TẠI"

sau đó mô-đun sẽ phản hồi bằng:

"VÂNG"

Tuyệt vời! Sau đó, chúng tôi cần định cấu hình mô-đun để gửi SMS dưới dạng văn bản thay vì nhị phân:

"AT + CMGF = 1"

một lần nữa phản hồi phải là "OK". Bây giờ chúng ta viết lệnh để gửi SMS:

"AT + CMGS =" 44 ************* "", thay thế các dấu sao bằng số của bạn.

Modem có phản hồi bằng ">" sau đó bạn có thể viết tin nhắn cho mình. Để gửi tin nhắn, bấm. Vậy là xong, và với bất kỳ sự may mắn nào, bạn vừa nhận được một tin nhắn trực tiếp từ Raspberry Pi của mình.

Bây giờ chúng tôi biết mô-đun GSM đang hoạt động, bạn có thể đóng minicom; chúng tôi sẽ không cần nó cho phần còn lại của dự án.

Bước 4: Tải xuống phần mềm và chạy khô

Đến giai đoạn này, tất cả mọi thứ phải được lên dây cót và sẵn sàng chạy thử. Tôi đã viết một chương trình python khá đơn giản sẽ lấy các bài đọc từ mỗi cảm biến và sau đó gửi kết quả đến điện thoại di động của bạn. Bạn có thể tải xuống toàn bộ chương trình từ trang PiJuice Github. Bây giờ cũng có thể là thời điểm tốt để thử nghiệm với mô-đun PiJuice. Nó chỉ cắm vào GPIO của Raspberry Pi, tất cả các dây kết nối với Pi chỉ được cắm thẳng vào các chân cắm tương ứng trên PiJuice. Dễ dàng như Pi. Để tải xuống mã, hãy sử dụng lệnh:

git clone

Điều này được thiết lập để gửi dữ liệu mỗi ngày một lần. Đối với mục đích thử nghiệm, điều này không tuyệt vời, vì vậy bạn có thể muốn chỉnh sửa chương trình. Điều này được thực hiện dễ dàng; chỉ cần mở tệp lên; "sudo nano weatherstation.py". Ở gần đầu có phần "đặt độ trễ". Nhận xét ra dòng "delay = 86400" và bỏ nhận xét "delay = 5". Bây giờ, kết quả sẽ được gửi sau mỗi 5 giây một lần. Bạn cũng sẽ muốn thay đổi chương trình để nó chứa số điện thoại di động của riêng bạn. Tìm vị trí có nội dung "+44 **********" và thay thế các dấu sao bằng số của riêng bạn.

Trước khi chạy chương trình, bạn chỉ cần tải xuống thư viện để đọc cảm biến độ ẩm DHT22:

git clone

Và thư viện cần được cài đặt:

"cd Adafruit_Python_DHT"

"sudo apt-get update"

"sudo apt-get install build-essential python-dev"

"sudo python setup.py install"

Tuyệt vời, bây giờ bạn có thể kiểm tra chương trình.

"sudo python weatherstation.py"

Khi chương trình đang chạy, kết quả sẽ được gửi đến điện thoại di động của bạn nhưng cũng được in trong thiết bị đầu cuối sau mỗi 5 giây.

Bước 5: Xây dựng mạch

Bây giờ mọi thứ đang hoạt động trong thực tế, đã đến lúc xây dựng điều thực sự. Các bức tranh thể hiện ý tưởng chung về cách toàn bộ đơn vị phù hợp với nhau. Có hai đơn vị nhà ở riêng biệt; một cho mạch cảm biến (sẽ có lỗ để cho phép không khí lưu thông bên trong) và một cho Raspberry Pi, đơn vị GPRS và PiJuice, (hoàn toàn kín nước) bảng điều khiển năng lượng mặt trời sẽ được kết nối với thiết bị tính toán bằng một đường giao nhau kín nước. Sau đó, hai thiết bị có thể dễ dàng tháo rời để có thể tháo vỏ cảm biến hoặc vỏ máy tính mà không cần phải tháo toàn bộ thiết bị. Điều này thật tuyệt nếu bạn muốn thêm nhiều cảm biến hơn hoặc nếu bạn cần Raspberry Pi hoặc PiJuice của mình cho một dự án khác.

Bạn sẽ cần phải phá vỡ protoboard để vừa với bên trong của hộp nhỏ hơn trong số hai hộp nối. Đây là nơi đặt mạch cảm biến. Mạch cảm biến bây giờ được chuyển từ breadboard sang protoboard. Bây giờ bạn sẽ cần phải thực hiện một số hàn. Đảm bảo rằng bạn cảm thấy thoải mái khi sử dụng mỏ hàn một cách an toàn. Nếu bạn không chắc chắn, hãy nhờ đến sự giúp đỡ của một người nào đó là một người bán hàng có năng lực.

Rất cảm ơn Patrick trong phòng thí nghiệm ở đây, người đã cứu tôi khỏi việc tạo ra một hàm băm thực sự của mạch này. Anh ấy đã hạ gục được nó chỉ trong vài phút! Nếu, giống như tôi, bạn không phải là người giỏi xây dựng mạch điện và bạn không có một thiên tài như Patrick sẵn sàng giúp bạn, thì bạn luôn có thể để mạch điện trên bảng mạch, miễn là nó vừa với hộp điện của bạn.

Bước 6: Chuẩn bị Nhà ở

Phần này là nơi nó thực sự thú vị. Bạn có thể nhận thấy những chiếc nhẫn trên mỗi hộp. Chúng được thiết kế để có thể bị đập ra ngoài để các hộp có thể trở thành điểm nối cho điện. Chúng tôi sẽ sử dụng chúng để kết nối giữa bộ phận cảm biến và bộ phận tính toán, để kết nối với bảng điều khiển năng lượng mặt trời và cũng như hệ thống thông gió cho bộ phận cảm biến để cho phép không khí lưu thông.

Đầu tiên hãy đục một lỗ trên mỗi hộp để kết nối giữa hai hộp, như trong hình. Việc đục các lỗ có thể khó thực hiện gọn gàng, nhưng một cạnh thô không quan trọng. Tôi thấy phương pháp tốt nhất là sử dụng một tua vít để xuyên qua vòng lõm xung quanh mỗi lỗ, sau đó cạy nó ra như nắp thiếc sơn. Đầu nối cáp chống thấm nước sau đó được sử dụng để kết nối hai hộp.

Sau đó, bạn sẽ cần phải tạo một lỗ khác trên vỏ máy tính cho dây bảng điều khiển năng lượng mặt trời. Lỗ này sau đó được cắm với một trong những grommets cáp bán mù của bạn. Trước khi bạn đặt grommet vào, hãy xỏ một lỗ trên đó để cáp đi qua. Điều này cần phải nhỏ nhất có thể để giữ kín nước, sau đó đẩy đầu micro usb qua lỗ (đây là đầu kết nối với PiJuice).

Cuối cùng, một lỗ phụ cần được thực hiện trên bộ phận cảm biến để cho phép không khí vào và ra. Tôi đã quyết định đi đến chỗ đối diện trực tiếp với đường giao nhau giữa hai hộp. Nó có thể cần thiết để thêm một lỗ thứ hai. Tôi đoán chúng ta sẽ tìm ra sau một thời gian sử dụng trạm thời tiết.

Bước 7: Lên dây và hoàn thiện Trạm thời tiết

Đúng, gần đó. Công đoạn cuối cùng là lên dây cót mọi thứ.

Bắt đầu với đơn vị tính toán. Trong hộp này, chúng tôi có Raspberry Pi, PiJuice kết nối với GPIO Raspberry Pi và mô-đun GSM kết nối với đột phá GPIO trên PiJuice thông qua dây jumper cái đến cái. Đẹp và ấm cúng! ở giai đoạn này, tôi có thể khuyên bạn nên đặt một số loại niêm phong xung quanh điểm đầu vào cho cáp USB cho bảng điều khiển năng lượng mặt trời. Một số loại nhựa thông, hoặc chất siêu dẻo có thể sẽ hoạt động.

Sau đó chuyển sang bộ phận cảm biến. Trong ảnh, từ trên xuống, các dây; xám, trắng, tím và xanh lam là các đường dữ liệu SPI, màu đen là mặt đất, màu cam là 3,3V, màu đỏ là 5V và màu xanh lá cây là GPIO 4. Bạn sẽ cần tìm dây nhảy để kết nối với các đường này và sau đó cấp chúng qua cáp chống thấm kết nối như được thấy trong các bức ảnh. Sau đó, mỗi dây có thể được kết nối với GPIO tương ứng và đầu nối có thể được thắt chặt. Ở giai đoạn này, thật dễ dàng để xem thiết kế có thể được cải thiện như thế nào; LDR sẽ không tiếp xúc với nhiều ánh sáng (mặc dù vẫn có thể hữu ích khi biết các giá trị tương đối và việc loại bỏ một lỗ bổ sung có thể hữu ích), tôi nghĩ sẽ tốt hơn nếu sử dụng cùng kích thước với đơn vị tính toán hộp cho bộ cảm biến cũng vậy, sau đó sẽ dễ dàng hơn để lắp bảng mạch vào hộp và sẽ có chỗ để chơi với các cách sắp xếp khác nhau.

Bây giờ tôi đã đưa nó ra ngoài vườn, bạn có thể thấy trong ảnh. Hy vọng rằng trong vài ngày tới, tôi cũng sẽ có thể đăng một số kết quả! Và như tôi đã nói trước đó, nếu bạn có bất kỳ ý tưởng nào cho một số dự án thú vị, hãy cho tôi biết!