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技术丨DIY小型室外气象站，实时监测气象情况
时间：2023-01-16 08:44:34
类型：技术知识
今天云恒制造给大家分享一个智能气象站的设计。通过这个项目，可以锻炼项目实战能力，以及学会各种传感器的用法，无线通信等多方面技术，小白或新手可以一试。
█ 项目概述及组成
智能气象站可以测量温度、湿度、气压、风速和风向，以及降雨量。所有数据都由 ESP32收集，并通过WIFI发送到移动应用程序。在应用程序或网页上，我们可以看到来自气象站的实时数据和图表，例如温度，每天的最小值和最大值，以及压力图，我们可以用来制作粗略的天气预报。
要建造这个气象站，需要下面这些主要元器件：
ESP32板，带外置无线天线
micro USB 数据线
DHT22温湿度传感器
BMP180 压力传感器
各种电线电缆
5V 至 3.3V 电平转换器
6 个霍尔效应传感器
此外，要将项目连接到应用程序，需要在树莓派或计算机上运行家庭助理。如果没有家庭助理，可以将气象站连接到Blynk，但需要为其编写代码。
█ 设置温度传感器
为了测量温度和湿度，将使用DHT22传感器。将传感器焊接到洞洞板上，在 3.3V 和信号引脚之间有一个连接器和一个上拉电阻。把传感器放在Stevenson屏幕里。Stevenson屏幕保护传感器免受阳光直射和雨水的影响，同时允许空气通过，因此可以获得更准确的温度读数。
为了构建它，用3D打印了所有零件，并用两根螺纹杆将它们连接起来。把洞洞板板和传感器粘在Stevenson屏幕内，然后在下面放了一个支架，将传感器固定起来。
█ 制作风向标
风向标可以检测风来自哪个方向。同样对于这个风向标，不得不用3D打印机制作一些零件。风向标的背面有这个箭头形的部件，前面的尖端有一个螺栓平衡它的重量。旗帜可以用放在底座上的滚珠轴承自由旋转。为了检测风的 4 个基点（北、东、南、西），将使用 4 个霍尔效应传感器，它们是磁传感器，当磁铁接近时会激活。
我的想法是放置霍尔传感器，下面这张照片所示，磁铁旋转并激活旗帜转向的基点的传感器。对于中间点，例如东北，两个相应的传感器（北和东）将被激活。我将磁性传感器放置在风向标的底部，升高约1厘米，以使它们远离可以吸引磁铁的金属螺栓。在上部，粘上了磁铁，可以自由旋转。这件作品还具有保护传感器免受雨淋的功能。我将实际的风向标插入螺纹杆上，并用自锁螺母固定。
每个霍尔传感器都有 3 根电线，设计几个小的 LED，通过LED可以查看传感器是否正常工作。然后将四块板焊接到洞洞板上。
然后通过一根网线将GND和5V连接到传感器，将四个信号引脚连接到主板，最后把四个传感器的板放在这个3D打印的盒子里。
█ 制作风速监测仪
下一步是风速计的制作。风速计由底座和旋转部分组成。对于旋转部分，杯子和中心件分别印刷并用 3 个螺钉组装。在风速计内部，底座上有一个磁性霍尔传感器，旋转部分有一个磁铁。传感器在每转一圈时都会发出一个脉冲。根据每分钟的转数，可以计算出风速，但目前我不知道我必须用什么数字将每分钟的转数乘以 km/h。如果有人知道如何计算它，请在下面的评论中写下这来。根据在网上发现的，一个粗略（可能是错误的）估计是将每分钟转速乘以0.18。
█ 制作雨量计
最后是雨量计。这也使用磁传感器，并且传感器状态的每次变化都意味着一定量的水已经通过，雨量以毫米为单位。
█ 铝制框架制作
为了更容易地将气象站安装在其最终搭配中，将各种传感器放在一个结构上。为了做到这一点，使用了矩形铝型材。在中间，固定了雨量计，在两侧放了风速计和风向标。为了支撑所有东西，又切了两块铝型材。在它们的一侧，做了一个漂亮的大孔，这可以固定它们而不会让螺栓伸出下面。在螺栓连接所有开关后，这就是结果。此步骤是可选的，如果需要，可以将单个传感器安装在已有的结构上，例如屋顶的侧面。
█ 电路部分设计及压力传感器
电路连接如下所示：
现在我们有了所有的电子设备，并将它们放置在接线盒中。
差点忘记了还有大气压力传感器，即BMP180。把它放在盒子里，为了让空气通过，在下面做了这个网格。该传感器通过I2C进行通信，因此它需要两根电线才能连接到 ESP32。
温度传感器只有一根信号线，直接连接到 ESP32 的引脚。问题在于风速计、雨量计和风向标的霍尔传感器，它们的工作电压为 5V，而 ESP32 的工作电压为 3.3V。因此，要将信号从5V转换为3.3V，可以使用一些电平转换器。为了使一切更整洁，我将它们焊接到洞洞板上。在开发板和 ESP32 之间建立连接，使用了 JST 连接器，它比经典跳线更坚固。最后，将GND，5V和3.3V的电线连接在一起，并用电缆扎带整理电线。
█ 连接到家庭助理
气象站将连接到家庭助理，家庭助理是一种本地服务器，用于控制我们家中的各种家庭自动化设备。家庭助理可以在Raspberry Pi或虚拟机上的计算机上运行。为了将气象站连接到家庭助理，将使用 ESPhome，它允许将 ESP32 连接到家庭助理。设置完所有内容后，可以从网页或应用程序中实时查看气象站数据。此外，数据被记录下来，还可以看到长期趋势的图表。
█ 操作步骤：
1）在树莓派或带有虚拟机的计算机上安装家庭助理（在线有许多针对不同系统的教程）
2）从官方附加组件商店，安装 ESPhome
3）在 ESPhome 中添加新设备，选择 ESP32
4）在 ESPhome 代码的空间中，将以下代码粘贴在 ESPhome 提供的代码之后，并在需要的地方插入 wifi ssid 和密码
i2c:
sda: 21
scl: 22
scan: true
id: bus_a
sensor:
- platform: dht
pin:4
temperature:
name: "Temperatura esterna"
humidity:
name: "Umidità esterna"
update_interval: 10s
- platform: pulse_counter
pin: 23
count_mode:
rising_edge: INCREMENT
falling_edge: INCREMENT
unit_of_measurement: 'mm'
name: 'Pioggia istantanea'
filters:
- multiply: 0.173
total:
unit_of_measurement: 'mm'
name: 'Pioggia'
accuracy_decimals: 3
filters:
- multiply: 0.173
update_interval: 5s
- platform: bmp085
temperature:
name: "Temperatura centralina"
pressure:
name: "Pressione esterna"
update_interval: 10s
- platform: pulse_counter
pin: 19
unit_of_measurement: 'Km/h'
name: 'Velocità del vento'
filters:
- multiply: 0.18
update_interval: 5s
- platform: uptime
name: Uptime
binary_sensor:
- platform: gpio
pin: 33
name: "Vento direzione NORD"
- platform: gpio
pin: 25
name: "Vento direzione OVEST"
- platform: gpio
pin: 26
name: "Vento direzione SUD"
- platform: gpio
pin: 27
name: "Vento direzione EST"
6）按照屏幕上的说明在 ESP32 上安装代码
关于风向标配置，风向标分别以二进制传感器（开或关）的形式给出四个传感器的状态。要将这四个值转换为更易读的格式（例如北或西南），我们必须在家庭助理中创建自定义传感器。有一些代码，但它非常有道理。
要创建自定义传感器，我们必须编辑 configuration.yaml。为此，我们需要安装文件编辑器插件，将以下代码粘贴到传感器下：
▶代码内容（上下滑动查看）
sensor:
- platform: template
sensors:
direzione_vento:
friendly_name: Wind direction
value_template: >-
{% if states('binary_sensor.vento_direzione_ovest')== 'off'andstates('binary_sensor.vento_direzione_nord') == 'off' %}
NORTH-WEST
{% elif states('binary_sensor.vento_direzione_est')== 'off'
and states('binary_sensor.vento_direzione_nord') == 'off' %}
NORTH-EAST
{% elif states('binary_sensor.vento_direzione_ovest')== 'off'and states('binary_sensor.vento_direzione_sud') == 'off' %}
SOUTH-WEST
{% elif states('binary_sensor.vento_direzione_est')== 'off'and states('binary_sensor.vento_direzione_sud') == 'off' %}
SOUTH-EAST
{% elif states('binary_sensor.vento_direzione_nord')== 'off'%}
NORTH
{% elif states('binary_sensor.vento_direzione_est') == 'off' %}
EAST
{% elif states('binary_sensor.vento_direzione_sud') == 'off'%}
SOUTH
{% elif states('binary_sensor.vento_direzione_ovest') == 'off'%}
WEST
{% endif %}
然后，检查配置以及它是否有效重新启动家庭助理。
关于雨量计配置：雨量计通过ESPhome发送总降雨量，每一步都会增加。如果 ESP32 重新启动，此值将变为零。因此，要获得一个只能增加的值并在经过一定时间后重置，我们可以使用由家庭助理提供的电表。有了它，我们可以在仪表板中显示总降雨量，当天的降雨量等等。
█ 仪表板
一旦气象站最终上线，我们可以创建自定义仪表板来显示传感器读数和图表。对于图形，建议使用迷你图形卡集成，可以通过家庭助理社区商店安装。如果想获得仪表板的想法，可以在顶部找到我的仪表板的屏幕截图。下面我上传了仪表板的代码文件，如果您想通过文本编辑器对其进行编辑。
要记录数据，可以在家庭助理中配置数据库（记录器集成）。要通过智能手机查看数据，可以下载家庭助理应用程序APP。要从本地网络外部进行连接，我使用的是Nabu Casa云，这是最简单的解决方案，但不是免费的。还有其他解决方案，但它们并不完全安全。
好了，以上就是ESP32气象站的制作全过程，感兴趣的同学快动手自己制作一个吧~
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