Спостереження за погодою – дуже захоплююче заняття. Я вирішив побудувати свою погодну станцію на базі популярного .
Прототип метеостанції виглядає так:
Функції моєї метеостанції:
- вимірювання та відображення кімнатної та зовнішньої температур;
- відображення поточного часу (години та хвилини);
- відображення поточної фази Місяця та місячного дня;
- передача результатів вимірювань комп'ютер через послідовне з'єднання;
- передача результатів вимірювань за протоколом MQTTза допомогою програми на комп'ютері.
Hex-файлпрошивки для (версія від 9 травня 2018 року) -
.
Як прошити hex-Файл у плату Arduinoя описав .
Мікроконтролер Arduino Nano 3.0
"Серцем" моєї метеостанції є мікроконтролер eBay):
Для управління індикацією та опитуванням датчиків я використовую таймер 1 Arduinoщо викликає переривання з частотою 200 Гц (період - 5 мс)
Індикатор
Для відображення вимірюваних показань датчиків та поточного часу я підключив до Arduinoчотирирозрядний світлодіодний індикатор Foryard FYQ-5643BHіз загальними анодами (аноди однакових сегментів усіх розрядів об'єднані).
Індикатор містить чотири семисегментні розряди і дві розділові (годинні) точки: 
Аноди індикатора підключені через струмообмежувальні резистори до висновків Arduino:
| розряд | 1 | 2 | 3 | 4 |
| висновок | A3 | A2 | D3 | D9 |
Катоди сегментів підключені до висновків Arduino:
| сегмент | a | b | c | d | e | f | g | p |
| висновок | D7 | D12 | D4 | D5 | D6 | D11 | D8 | D13 |
Сегмент індикатора світиться, якщо аноді відповідного розряду високий потенціал (1), але в катоді - низький (0).
Я використовую динамічну індикацію для відображення інформації на індикаторі – у кожний момент часу активний лише один розряд. Активні розряди чергуються із частотою 200 Гц (період відображення 5 мс). При цьому для очей мерехтіння сегментів непомітно.
Датчик температури DS18x20
Для можливості віддаленого вимірювання температури я підключив датчик що забезпечує вимірювання зовнішньої температури в широких межах. Датчик підключається до шини 1-Wireі має три висновки - харчування ( VCC), дані ( DAT), земля ( GND):
| виведення датчика | VCC | DAT | GND |
| висновок Arduino | 5V | A1 | GND |
Між висновками VCCі DATя включив підтягуючий резистор опором 4,7 ком.
Для перекладу між градусами Цельсія та Фаренгейта можна використовувати таку табличку: 
Я розмістив датчик за вікном будинку у пластиковому корпусі від кулькової ручки: 
\
У професійних метеостанціях для захисту термометра від прямого сонячного проміння та забезпечення циркуляції повітря використовується екран Стівенсона (англ. Stevenson screen):
Датчик тиску та температури BMP280
Для вимірювання атмосферного тиску традиційно використовують ртутні барометри та барометри-анероїди.
В ртутному барометріатмосферний тиск врівноважується вагою стовпа ртуті, висота якого і використовується для вимірювання тиску: 
В барометрі-анероїдівикористовується стиснення та розтягнення коробки під дією атмосферного тиску: 
Для вимірювання атмосферного тиску та кімнатної температури у своїй домашній метеостанції я використовую датчик - маленький SMD-датчик розміром 2 x 2,5 мм, заснований на п'єзорезистивній технології: 
Хустка з датчиком придбана на торговому майданчику eBay:
Датчик підключається до шини I2C(контакт даних - SDA/SDI, контакт синхронізації - SCL/SCK):
| виведення датчика | VCC | GND | SDI | SCK |
| висновок Arduino | 3V3 | GND | A4 | A5 |
Adafruit- файли Adafruit_Sensor.h, Adafruit_BMP280.h, Adafruit_BMP280.cpp.
Одиниці виміру атмосферного тиску
Датчик через функцію readPressureвидає значення атмосферного тиску паскалях. Основною одиницею вимірювання атмосферного тиску є гектопаскаль(гПа) (1 гПа = 100 Па), аналогом якого є позасистемна одиниця " мілібар(мбар) (1 мбар = 100Па = 1гПа). Для перекладу між часто використовуваною позасистемною одиницею вимірювання тиску " міліметр ртутного стовпа(мм рт. ст.) та гектопаскалями використовуються співвідношення:
1гПа = 0,75006 мм рт. ст. ≈ 3/4 мм рт.ст.; 1 мм рт.ст. =1,3332 гПа ≈ 4/3 гПа.
Залежність атмосферного тиску від висоти над рівнем моря
Атмосферний тиск може бути представлений як у абсолютній, так і у відносній формі.
Абсолютний тиск QFE(Англ. absolute pressure) – це актуальний атмосферний тиск, який не враховує виправлення над рівнем моря.
Атмосферний тиск зменшується приблизно на 1 гПа при підвищенні висоти на 1 м: 
Барометрична формула дозволяє визначити корекцію показань барометра для отримання відносного тиску (ммм рт. ст.):
$\Delta P = 760 \cdot (1 - (1 \over (10^ ((0,0081350 \cdot H) \over (T + 0,00178308 \cdot H) ))))$,
де $T$ - середня температура повітря за шкалою Ранкіна, ° Ra, $H$ - висота над рівнем моря, фути.
Переклад градусів Цельсія в градуси Ранкіна:
$^(\circ)Ra = (^(\circ)C \cdot 1,8) + 491,67 $
Барометрична формула використовується при барометричному нівелюванні – визначенні висот (з похибкою 0,1 – 0,5 %). У формулі не враховується вологість повітря та зміна прискорення вільного падіння з висотою. Для невеликих перепадів висоти цю експонентну залежність можна з достатньою точністю апроксимувати лінійною залежністю.
Відносний тиск QNH(Англ. relative pressure, Q-code Nautical Height) - Це атмосферний тиск, що враховує поправку до середнього рівня моря (англ. Mean Sea Level, MSL) (для ISAі температури 15 градусів Цельсія), і спочатку виставляється з урахуванням висоти, де знаходиться метеостанція. Його можна дізнатися з даних метеослужби, показань відкаліброваних приладів у публічних місцях, аеропорту (зі зведень METAR), з Інтернету.
Наприклад, для аеропорту Гомель ( UMGG) я можу переглянути зведення фактичної погоди METARна ru.allmetsat.com/metar-taf/russia.php?icao=UMGG :
UMGG 191800Z 16003MPS CAVOK M06/M15 Q1014 R28/CLRD// NOSIG ,
де Q1014- тиск QNHна аеродромі дорівнює 1014 гПа.
Історію зведень METARможна отримати на aviationwxchartsarchive.com/product/metar.
За нормальний відносний тиск повітря QNHприймається тиск 760 мм рт. ст. або 1013,25 гПа (при температурі 0ºС, під широтою 45º Північної або Південної півкулі).
Я виставив для барометра-анероїда тиск QNHза допомогою гвинта налаштування чуйності: 
Прогноз погоди
Аналіз зміни тиску дозволяє будувати прогноз погоди, причому його точність тим вища, чим різкіше змінюється тиск. Наприклад, старе емпіричне правило мореплавців каже - падіння тиску на 10 гПа (7,5 мм рт. ст.) за період 8 годин говорить про наближення сильного вітру.
Звідки виникає вітер? Повітря стікається до центру області низького тиску, виникає вітер- горизонтальне переміщення повітря з областей високого тиску області низького тиску (високий атмосферний тиск видавлює повітряні маси в область низького атмосферного тиску). Якщо тиск дуже низький, вітер може досягати сили шторму. При цьому в області зниженоготиску (барична депресія або циклон) тепле повітря піднімається вгору та формує хмари, які часто приносять дощабо сніг.
За напрям вітру в метеорології приймається напрям, звідки дме вітер: 
Цей напрямок зводиться до восьми румб.
Для прогнозування погоди на основі атмосферного тиску та напряму вітру часто використовується алгоритм Zambretti.
Датчик вологості
Для визначення відносної вологості повітря я використовую модуль DHT11(придбано на торговому майданчику eBay):
Датчик вологості DHT11має три висновки - харчування ( + ), дані ( out), земля ( - ):
| виведення датчика | + | out | - |
| висновок Arduino | 5V | D10 | GND |
Для роботи з датчиком я використовую бібліотеку від Adafruit- файли DHT.h, DHT.cpp.
Вологість повітря характеризує кількість водяної пари, що міститься у повітрі. Відносна вологістьпоказує частку вологи в повітрі (у відсотках) по відношенню до максимально можливої кількості при поточній температурі. Для вимірювання відносної вологості служить :
Для людини оптимальний інтервал вологості повітря – 40…60 %.
Годинник реального часу
Як годинник реального часу я застосував модуль RTC DS1302(хустку з годинником придбано на торговому майданчику eBay):
Модуль DS1302підключається до шини 3-Wire. Для використання цього модуля спільно з Arduinoрозроблена бібліотека iarduino_RTC (від iarduino.ru).
Плата із модулем DS1302має п'ять висновків, які я поєднав із висновками плати Arduino Nano:
| висновок RTC | VCC | GND | RST | CLK | DAT |
| висновок Arduino | 5V | GND | D2 | D1 | D0 |
Для збереження правильних показань годинника при відключеному живленні в гніздо на платі я вставив батарейку CR2032.
Точність мого годинникового модуля виявилася не надто високою - годинник поспішає приблизно на одну хвилину за чотири доби. Тому я зробив скидання хвилин на "нуль" і години на найближчий під час утримання кнопки, підключеної до виводу A0 Arduino, після включення живлення метеостанції. Після ініціалізації виведення A0 використовується передачі даних через послідовне з'єднання.
Передача даних на комп'ютер та робота за протоколом MQTT
Для передачі даних через послідовне з'єднання Arduinoпідключається USB-UARTперетворювач:
Висновок Arduinoвикористовується для передачі даних у форматі 8N1(8 біт даних, без біта парності, 1 стоп-біт) зі швидкістю 9600 біт/с. Дані передаються пакетами, причому довжина пакета – 4 символи. Передача даних здійснюється у " bit-bangрежимі, без використання апаратного послідовного порту Arduino.
Формат даних:
| Параметр | 1-й байт | 2-й байт | 3-й байт | 4-й байт |
| зовнішня температура | o | пропуск або мінус | десятки градусів або пробіл | одиниці градусів |
| кімнатна температура | i | пропуск або мінус | десятки градусів або пробіл | одиниці градусів |
| атмосферний тиск | p | сотні мм нар. ст. | десятки мм рт.ст. | одиниці мм рт. с. |
| відносна вологість | h | пробіл | десятки відсотків або пропуск | одиниці відсотків |
| поточний час | десятки годин | одиниці годин | десятки хвилин | одиниці хвилин |
MQTT
Golangдодаток - клієнт протоколу MQTT, що відправляє прийняту від метеостанції інформації на сервер ( MQTT-брокер) :
Сервіс дозволяє створити акаунт із безкоштовним тарифним планом " (обмеження: 10 з'єднань, 10 Кб/с): 
Для моніторингу показань метеостанції можна використовувати Android-додаток :
харчування
Для харчування метеостанції я використовую зарядний пристрійвід старого мобільного телефону Motorola, що видає напругу 5 з струмом до 0,55 А і підключається до контактів 5V(+) та GND (-):
Також можна використовувати для живлення батарейку напругою 9 В, що підключається до контактів VIN(+) та GND (-).
Експлуатація метеостанції
При запуску відбувається ініціалізація та перевірка датчиків.
За відсутності датчика DS18x20видається помилка "E1", за відсутності датчика - Помилка "E3".
Потім запускається робочий цикл метеостанції:
- вимірювання та відображення зовнішньої температури;
- вимірювання та відображення кімнатної температури;
- вимірювання та відображення атмосферного тиску та тренду його зміни;
- вимірювання та відображення відносної вологості повітря;
- відображення поточного часу;
- відображення фази Місяця та місячного дня.
Відео роботи моєї метеостанції доступне на моєму -каналі: https://youtu.be/vVLbirO-FVU
Відображення температури
При вимірі температури індикується дві цифри температури та для негативної температури знак "мінус" (із символом градуса в крайньому правому розряді);
для зовнішньої температури знак градуса відображається зверху: 
для кімнатної температури – внизу: 
Відображення тиску
При вимірюванні тиску індикуються три цифри тиску в мм ртутного стовпа (із символом " P"В крайньому правому розряді): 
Якщо тиск різко впав, замість символу " P" у крайньому правому розряді відображається символ " L", якщо різко виросло - то" H". Критерій різкості зміни - 8 мм рт. ст. за 8 годин: 
Оскільки моя метеостанція відображає абсолютний тиск ( QFE), то показання виявляються дещо заниженими порівняно із відомостями у зведенні METAR(у якій наводиться QNH) (14 UTC 28 березня 2018 року):
Відношення тисків (за даними ATIS) Склав $ (1015 \ over 998) = 1,017 $. Піднесення аеропорту Гомель (код ІКАО) UMGG) над рівнем моря становить 143,6 м. Температура за даними ATIS становила 1° C.
Показання моєї метеостанції практично збіглися з абсолютним тиском QFEза відомостями ATIS!
Максимальний/мінімальний тиск ( QFE), зареєстровані моєю метеостанцією за весь час спостережень:
Відображення відносної вологості повітря
Відносна вологість повітря відображається у відсотках (у двох правих розрядах відображається символ відсотка): 
Відображення поточного часу
Поточний час відображається на індикаторі у форматі "ЧЧ:ММ", причому роздільна двокрапка блимає раз на секунду: 
Відображення фаз Місяця та місячного дня
Перші два розряди індикатора відображають поточну місячну фазу, а наступні два - поточний місячний день: 
У Місяця виділяються вісім фаз (наведені англійські та російські (синім кольором – неточні) назви): 
На індикаторі фази відображаються піктограмами:
| фаза | піктограма |
 |
|
| зростаючий серп (півмісяць) |  |
 |
|
 |
|
 |
|
 |
|
 |
|
| спадний серп (півмісяць) |  |
Передача даних на комп'ютер
Якщо з'єднати метеостанцію з USB-UARTперетворювачем (наприклад, на базі мікросхеми CP2102), підключеним до USB-порту комп'ютера, то можна за допомогою термінальної програми спостерігати дані, що передаються метеостанцією: 
Я розробив мовою програмування golangпрограму, що веде журнал метеоспостережень та відправляє дані в сервіс , і їх можна переглядати на Android-смартфон за допомогою програми :
За даними журналу метеоспостережень можна, наприклад, будувати графік зміни атмосферного тиску:
приклад графіка з помітним мінімумом тиску 
приклад графіка з незначним зростанням тиску 
Заплановані доопрацювання:
- додавання датчиків напрямку та швидкості вітру
У метеостанціях для вимірювання швидкості вітру використовується тричашковий анемометр (1), а для визначення напрямку вітру - флюгер (2):
Також для вимірювання швидкості вітру використовуються термоанемометри з ниткою напруження(Англ. hot wire anemometer). В якості дроту, що нагрівається, можна використовувати вольфрамову нитку накалу від лампочки з розбитим склом. У термоанемометрах, що промислово випускаються, датчик зазвичай розташовується на телескопічній трубці:
Принцип дії цього приладу у тому, що тепло відводиться від нагрівального елемента внаслідок конвекції повітряним потоком - вітром. При цьому опір нитки напруження визначається температурою нитки. Закон зміни опору нитки напруження $R_T$ від температури $T$ має вигляд:
$R_T = R_0 \cdot (1 + (\alpha \cdot (T - T_0)))$ ,
де $R_0$ - опір нитки за нормальної температури $T_0$, $\alpha$ - температурний коефіцієнт опору (для вольфраму $\alpha = 4,5\cdot(10^(-3)) (^(\circ)(C^( -1)))) $).
Зі зміною швидкості повітряного потоку змінюється температура при постійному струмі напруження (анемометр із постійним струмом, анг. CCA). Якщо температура нагрівального елемента підтримується постійною, струм через елемента буде пропорційний швидкості повітряного потоку (анемометр з постійною температурою, англ. CTA).
Далі буде
Цей проект розроблений як автоматична метеорологічна станція на сонячних батареях. Мета була конструювання невеликої, компактної метеорологічної станції з такими вимогами:
- На сонячних батареях з акумулятором для роботи в нічний час
- Компактна за розміром, із простим способом монтажу
- Можливість вивантаження даних у мережі WeatherUnderground
- Вимірювання температури, вологості, тиску повітря, ультрафіолетового випромінювання
У процесі розробки вдалося вирішити більшість цих вимог. В даний час метеостанція має термометр, гігрометр, УФ-випромінювання та датчик тиску. Будучи частиною мережі WeatherUnderground, метеорологічна станція допомагає прогнозувати місцеву погоду. Ось повна схема метеорологічної станції, збільшити яку можна, зберігши на своєму ПК:
Метеостанції споживає 1 міліампер. Резервний акумулятор тут лише 1000 м/год — літій-полімерна батарея. Порівняно зі старими метеостанціями, де батареї герметичні свинцево-кислотні на 5 А/год – це прогрес. Розміри друкованої плати 100 мм х 75 мм і як вона виглядала, коли все було зроблено на макетці, а наступне фото в готовому вигляді:
Блок на 433 МГц забезпечує бездротовий зв'язок обміну даних. На даний момент пристрій прикріплюється безпосередньо на даху і викладає дані на WeatherUnderground кожні 11 хвилин.
Живлення схеми виконано за допомогою регулятора напруги MAX604. Цей регулятор був досить дорогим ($7.00), але мав дуже мале падіння напруги, що робить його дуже ефективним. Тут використаний цей регулятор, щоб 3,7-4,2 вольтову батарею Li-po батарею перетворити на ідеальні 3.3 Ст.
Для того, щоб зарядити акумулятор, встановлено модуль TP4056. Цей модуль є дуже ефективним, і він здатний працювати від 5 В вхідного живлення. Ще була невелика, 5 В сонячна панель, яка в змозі зарядити акумулятор через TP4056 навіть при недостатньому освітленні.
Для того, щоб завантажити дані в мережу, довелося писати спеціальний додаток для комп'ютера. Програмне забезпечення було написано C# за допомогою Visual Studio. Завантажити файли проекту ви можете у .
МБОУ ЗОШ Селіхінського сільського поселення
Тема проекту
Метеостанція в домашніх умовах
Виконав:
Пюві Райніс, учень 5 кл.
Керівник:
Безсмертна О.О.
2016р
Тема : «Метеостанція в домашніх умовах»
Гіпотеза: Чи можна створити метеостанцію в домашніх умовах?
Ціль: Виготовлення метеостанції в домашніх умовах та спостереження за змінами погоди.
Завдання:
Дізнатися, що таке метеостанція.
Вивчити історію фенології.
Вивчити будову метеостанції.
Виготовити метеостанцію у домашніх умовах;
Спостерігати за погодою та записувати результати спостережень до таблиці;
Методи дослідження:
пошуковий (збір інформації на тему)
спостереження
практичний (виготовлення приладів)
аналітичний (порівняння результатів)
Вступ.
При вивченні на уроці географії теми: «Погода та метеорологічні спостереження», нам задали додому виготовити своїми руками метеорологічний прилад та провести спостереження за погодою відповідно до цього приладу. У мене виникло питання: «Чи можна створити метеорологічну станцію в домашніх умовах і проводити спостереження за погодою?».
Наш далекий предок був у великій залежності від мінливості погоди. Він не розумів суті та закономірності природних явищ і все незрозуміле пояснював наявністю надприродної, «божественної» сили. По волі богів сходило сонце, йшов дощ, пересихали річки, налітав вітер.
Усі народи обожнювали Сонце, Місяць, вітер, блискавку та грім. У східних слов'яндо прийняття ними християнства особливо шанувався Перун- землеробський бог, подавач дощу, творець блискавки та грому, у його владі була поява весняної зелені на землі та деревах. Прийнявши нову віру, наші предки стали шанувати Іллю-громовержця.
Багато народів вважали Сонце головним джерелом життя Землі. Вони називали його «князем Землі та царем неба». Місяць шанували як княгиню.
До появи спеціальних приладів прогноз погоди ґрунтувався виключно на візуальних спостереженнях за атмосферними явищами, що дозволили ще в давнину встановити деякі закономірності. Набутий досвід продовжував розвиватися і накопичуватися і багато століть передавався з покоління до покоління.
З історії фенології.
Фенологія - Наука про закономірності сезонного розвитку природи. Розвиток фенології визначається запитами практики (сільського, рибного, мисливського, лісового господарства, охорони навколишнього середовища, охорони здоров'я та ін.).
Фенологія дозволяє прогнозувати сезонні явища та планувати господарську діяльність (природоохоронні заходи, терміни сільськогосподарських робіт тощо) відповідно до термінів цих явищ.
(№1.)
Є свідчення, що найдавніші народи землі - китайці та єгиптяни - у своїй землеробській практиці вміли ознайомитися з сезонним розвитком природи. Сезонні явища знайшли відображення у низці праць античних авторів (наприклад, у грецького філософа Феофраста (372-287 р. до н. е.) та римського письменника Плінія Молодшого (62-114 р. н. е.)).
У середні віки в російських та зарубіжних літописах і хроніках іноді велися записи про терміни наступу найважливіших сезонних явищ (наприклад, у монастирі Кракова за 1490-1527 р., у палаці японського мікадо з 812 р. та ін.). Однак ці матеріали залишалися без систематизації та наукової обробки.
У Росії найстародавнішим вважається рукописний календар, датований 1670 роком, а першим друкованим календарем слід вважати «Святці або календар, виданий Копієвським в Амстердамі і датований 1702 роком.
Перша думка про необхідність вести спостереження за сезонними явищами природи у Росії належала Петру I.
У 1721 року Петро писав із Москви до Петербурга А.Д. Менишкову: «Коли дерева будуть розкидатися, тоді велите надсилати нам звістки цих, понеділка, наклеївши на папір з підписами чисел, щоб дізнатися, де раніше почалася весна». А указом государя, виданим 28 березня 1722 року, наказувалося адміралу Крюйсу вести систематичні записи про стан погоди у Петербурзі.
У другій половині XVIII століття караульним біля Кремлівської стіни ставилося в обов'язок відзначати стан морозу, настання хуртовини, товщину снігового покриву, характер вітру, граду, грози та інші показники погоди.
З 1864 року почав видаватися «Київський народний календар» із прогнозами погоди на кожен місяць. Його метою було «дати народу знання у популярній формі на суворо науково викладених статтях та у довідковому відділі, пристосованому до потреб народу». Тепер це завдання метеорології-науці про погоду. Вона отримала свою назву від грецького слова "метеора" - "щось у небі".
Після революції 1917 метеорологія продовжувала вдосконалюватися. В даний час гідрометеорологічна служба розташовується тисячами наглядових станцій, безліччю обсерваторій та цілою низкою науково-дослідних установ. Працівники метеослужби прагнуть надати інформацію не лише на найближчу, а й на віддалену перспективу.
№2.
Поняття метеостанції, її склад.
Метеостанція – сукупність різних приладів для метеорологічних вимірів (спостереження за погодою).
У вузькому значенні метеостанція - установа, яка проводить метеорологічні спостереження. Основним офіційним метеостанціям світу надано синоптичні індекси. У Росії її більшість метеостанцій перебувають у віданні Росгидромета. Залежно від встановленого обсягу спостережень метеостанції мають певний розряд. Дані метеостанцій СРСР публікувалися у «Метеорологічному місячнику».
Розрізняють аналогові та цифрові метеорологічні станції.
На класичній (аналоговій) метеостанції є:
1.Термометр для вимірювання температури повітря та ґрунту.
2. Барометр для вимірювання тиску.
3. Анемометр для спрямування вітру.
4. Осадкомір (плювіограф) для вимірювання опадів.
5. Гігрометр для вимірювання вологості повітря
6. Снігомірна рейка – рейка, призначена для вимірювання товщини снігового покриву при метеоспостереженнях.
7.Термограф-самописець, безперервно реєструючий температуру повітря.
№3.
4.Метеорологічні прилади:
Термометр (грец. θέρμη - тепло; μετρέω - вимірюю) - прилад для вимірювання температури повітря, ґрунту, води і так далі. Існує кілька видів термометра: рідинні; механічні; електронні;
Барометр (ін.-грец. βάρος – «важкість» і μετρέω – «вимірюю») – прилад для вимірювання атмосферного тиску. Ртутний барометр був винайдений італійським математиком і фізиком Еванджелістою Торрічеллі в 1644 році, це була тарілка з налитою в неї ртуттю та пробіркою (колбою), поставленою вниз отвором. Коли атмосферний тиск підвищувався, ртуть піднімалася в пробірці, коли вона знижувалася - ртуть опускалася. Через незручність така конструкція перестала застосовуватися і поступилася місцем барометру-анероїду, але метод, за яким такий барометр був виготовлений, став застосовуватися в термометрах.
А.А. Летягін. Географія. Початковий курс: 5 клас: підручник для учнів загальноосвітніх організацій/А.А. Летягін; за ред. В.П. Дронова.-3-еїзд., Дораб. та доп.-М.: Вентана-Граф, 2015р.-160с.
КЕРІВНИЦТВО З СТВОРЕННЯ ПРОСТОЇ ДОМАШньої МЕТЕОСТАНЦІЇ СВОЇМИ СИЛАМИ
Якщо цілий день або цілодобово включений комп'ютер, його можна використовувати для роботи домашньої метеостанції. Поставлено мету створити просту та недорогу метеостанцію, в якій буде задіяний персональний комп'ютер (ПК). ПК виступає у ролі зчитувача, обробника та відправника на сайт "Метеопост" виміряних метеорологічних даних. Зв'язок між комп'ютером та вимірювальним блоком буде здійснюватись по мережі 1-Wire.
Склад вимірювального комплексу
1. Персональний комп'ютер з операційною системою Windows XP та вище та наявністю вільного COM порту.
2. Адаптер для COM порту (перетворювач 1wire – RS232)
3. 4-х житловий Ethernet кабель типу "кручена пара", довжини має вистачити від COM порту до вимірювального блоку
4. Блок живлення на 5В постійного струму з гарною стабілізацією напруги
5. Вимірювальний блок (встановлений на вулиці)
6. Програмне забезпечення для ПК – додаток "Метеостанція".
ВАРІАНТ №1 - ОДИН ДАТЧИК
Спочатку розглянемо найпростіший варіант – це метеостанція з одним датчиком температури. Для цього не потрібний додатковий блок живлення (п.4). І система дуже спрощується. Адаптер для порту COM (п.2) можна виконати за такою схемою. Адаптер складається з двох стабілітронів на 3.9В та 6.2В, двох діодів Шотки та одного резистора.
Схема адаптера для порту COM
Адаптер у корпусі D-SUB
Місце паяння кабелю та датчика температури, включно та висновки датчика потрібно добре захистити від вологи. Найкраще застосувати клей на поліуретановій основі.
Гідроізоляція виводів датчика
Ця система забезпечить моніторинг температури з точністю до десяти градусів. При цьому у вікні програми буде видно графік залежності температури повітря від часу, і іконка в треї завжди показуватиме поточну температуру. Програма дозволяє задавати інтервал вимірювань.
ВАРТІСТЬ РАДІОДЕТАЛІВ - не вище 50 грн.
ВАРІАНТ №2 - ЧОТИРИ ДАТЧИКИ
Більш складна метеостанція із чотирма датчиками: температура, вологість, освітленість, тиск. Оскільки тільки датчик температури буде цифровий, а решта аналогових - у системі використовується чотириканальний АЦП ds2450. Цей АЦП підтримує протокол 1-wire. Схема потребує додаткового джерела живлення. Джерело живлення має забезпечувати високу стабільність напруги. Але оскільки схема вище описаного адаптера має недолік - неможливість підключення до датчиків зовнішнього джерела живлення через відсутність реальної маси (-) використовуємо іншу схему адаптера. Цей адаптер також міститься в корпусі роз'єму COM порту типу D-SUB. Тепер у кабелі задіяні три дроти: маса (-), +5в та дані.
Схема адаптера для COM порту із зовнішнім живленням
Схема вимірювального блоку може бути виконана навіть на макетній платі. Потрібно лише приділити особливу увагугідроізоляції контактів. Найпростіший спосіб це розплавити парафін і пензликом нанести його у всі оголені місця на платі. Якщо плата буде незахищеною від води, будуть витоку напруги і буде багато помилок у вимірах. У нашому випадку навіть соті частки Вольта суттєво впливають на результати.
Схема вимірювального блоку
Вимірювальний блок потрібно розмістити в корпусі та такому, щоб плата та датчики були захищені від прямої дії опадів та сонячного випромінювання. Для цих цілей добре підходить коробка із щільного пінопласту. У стінах коробки (дно і стіна з тіньової сторони) необхідно зробити більше отворів для вентиляції. Стінки коробки зсередини бажано обклеїти алюмінієвою фольгою для додаткового захисту від інфрачервоного випромінювання, інакше буде похибка вимірювання температури. Всі датчики, окрім освітленості, розміщуються прямо на платі. Датчик освітленості (фоторезистор) виноситься з плати на дротах та встановлюється в отворі дна пінопластового корпусу. Так щоб поверхня датчика дивилася вниз. У такому разі на датчик не потраплятимуть опади і особливо взимку це вбереже його від зледеніння. Датчик освітленості для гідроізоляції потрібно обробити, наприклад, прозорим клеєм на поліуретановій основі (силіконовий герметик тест не пройшов, він давав витік струму). Обробити включно (!) та світлочутливу зону фоторезистора. Висновки датчика залити клеєм та розмістити їх можна в ізоляційній трубочці. Кінці висновків припаяти до маленької плати. А вже дроти від вимірювального блоку припаяти до цієї плати. Місця пайки залити парафіном. Інакше, коли йде зливи з вітром, метеостанція може виявитися непрацездатною і доведеться розбирати її і все висушувати. Блок можна з'єднати з кабелем за допомогою гнізда. Але потрібно використовувати спеціальний вологозахисний роз'єм – система працюватиме у складних погодних умовах.
Якщо доводиться розміщувати корпус за вікном багатоповерхівки (немає можливості встановити на стійці біля землі), то коробку потрібно видалити від стіни будинку наскільки це можливо, на кронштейні. Інакше нагрівання повітря від стіни дає дуже перекручені дані про температуру. В умовах приватного будинку краще виготовити справжню метеобудку. Потрібно подбати про надійне кріплення корпусу, інакше сильні пориви вітру можуть відірвати конструкцію.
Вимірювальний блок на кронштейні
Вихідна напруга блоку живлення (БП) має бути не більше 4.8-5.3В. Підійде і заряджання від старого телефону. Однак якщо в блоці живлення немає стабілізатора, потрібно додати його в блок живлення, т.к. Для точності вимірювань дуже важлива наявність стабільної напруги. Можна хоча б перевірити тестером - чи змінюються десяті чи соті волта на виході БП. Стрибки десятих волта не допускаються. Проста схемастабілізатора на 5в наведено нижче. На вході БП може бути від 7 до 17В. На виході буде близько 5В. Після цього потрібно підключити наш кабель (що йде до вимірювального блоку) до БП та виміряти напругу тестером на іншому кінці кабелю. Ця напруга може бути дещо нижчою, ніж безпосередньо на виході БП, через опір кабелю. Цю виміряну напругу потрібно ввести в налаштуваннях програми як "Напруга живлення датчиків".
Типова схема стабілізатора напруги
ВАРТІСТЬ КОМПЛЕКТУЮЧИХ ДЛЯ МЕТЕОСТАНЦІЇ
Орієнтовна вартість радіодеталей (ціни 2015 року по магазину).
1. Датчик температури ds18b20 – 25 грн
2. АЦП ds2450 – 120 грн
3. Фоторезистор LDR07 – 6 грн
4. Датчик вологості HIH-5030 – 180 грн
5. Датчик тиску MPX4115A - 520 грн.
ВСЬОГО: 850 грн або 37$
Інші елементи в сумі коштують не вище 50 грн, блок живлення можна взяти, наприклад, зі старої "зарядки" для телефону.
Маркування радіоелементів
ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДЛЯ МЕТЕОСТАНЦІЇ
Ми розробили програму для Windows, яку надамо безкоштовно будь-кому, хто бажає зібрати таку метеостанцію. Воно дозволить вам на своєму комп'ютері спостерігати за погодою.
Вікно програми для ПК
У системному треї відображається температура повітря
Всі виміряні дані програма може відправляти на наш сервер "Метеопост" і на спеціальній сторінці (приклад) можна переглядати всі метеодані з браузера ПК. Також сторінку адаптовано і для браузера мобільного телефону.
Знімок екрана браузера мобільного телефону
ВИСНОВОК
Можна заощадити на вартості деталей, якщо купувати їх у китайців AliExpress. Можна зібрати метеостанцію без будь-якого датчика, за винятком датчика температури. У нашого АЦП залишився один вільний вхід, тому на нього ще можна подати сигнал від датчика вітру. Але оскільки ми знаходимося в місті – встановити та протестувати такий датчик нам просто ніде. У міській забудові не буде адекватного виміру швидкості та напряму вітру. Способи самостійного виготовлення датчика швидкості вітру описані багатьма ентузіастами в мережі. Заводський датчик коштує досить дорого.
Зібрати таку метеостанцію під силу радіоаматору із середніми навичками. Для більшого спрощення можна не розводити друковану плату, а зібрати навісним монтажем на макетній платі. Перевірено – працює.
Ми спробували створити саме доступну, дешеву метеостанцію. Зокрема, для цього в системі задіяний комп'ютер. Якщо його виключити, потрібно робити ще блок індикації, блок передачі даних в мережу і т.д, що істотно додасть в ціні. Наприклад, зараз популярна "Netatmo Weather Station" з подібними параметрами, що вимірюються, коштує близько 4000 грн (200$).
Всім охочим зробити собі таку метеостанцію готові допомогти консультаціями. Також надамо необхідне програмне забезпечення та підключимо вашу станцію до нашого сайту.
- Вологість:
Діапазон виміру 20÷90%.
Похибка ±5%.
Роздільна здатність 1%.
- Температура:
Діапазон виміру 0÷50 про С.
Похибка ±2°С.
Роздільна здатність 1 про С.
4. Вимірювання тиску та температури датчиком BMP-180.
- Тиск:
Діапазон виміру 225÷825 мм рт. ст.
Похибка ±1 мм рт. ст.
Роздільна здатність 1 мм рт. ст.
- Температура:
Діапазон виміру -40,0÷85,0 про С.
Похибка ±1°С.
Роздільна здатність 0,1 про С.
5. Циклічна анімована зміна показань.
6. Режим "зозулі". Щогодинний короткий звуковий сигнал. Якщо активовано і лише у денний час.
7. Озвучує натискання кнопок. Короткий звуковий сигнал лише вдень.
8. Збереження налаштувань в незалежній пам'яті мікроконтролера.
Налаштування.
1. Вхід у налаштування та перегортання меню проводиться кнопкоюMENU .
2. Перемикає параметр для налаштування в межах однієї сторінки меню кнопкоюSET .
3. Встановлення параметра кнопкамиPLUS / MINUS . Кнопки працюють по одиночному натисканню, а при утриманні виконується прискорена установка.
4. Встановлюваний параметр блимає.
5. Через 10 с від останнього натискання на кнопки прилад перейде в основний режим, налаштування запишуться в пам'ять.
6. Сторінки меню.
CLOC :
- Скидання секунд.
- Встановлення хвилин.
- Встановлення годинника.
- Встановлення щодобової корекції точності ходу. У старшому розряді символc . Діапазон встановлення±25 сек.
ALAr :
– хвилини спрацьовування будильника.
– годинник спрацьовування будильника.
- Активація будильника. У старшому розряді символA. У молодших On , якщо робота будильника дозволена,OF – якщо заборонено.
– активація режиму "зозулі". У старших розрядах символиcu. У молодших On , якщо робота "зозулі" дозволена,OF – якщо заборонено.
DiSP :
- Тривалість індикації часу. На індикаторіd xx . Діапазон встановлення
- Тривалість індикації вологості. На індикаторіH xx . Діапазон встановлення 0 ÷ 99 сек. Якщо встановлено 0, параметр не відображатиметься.
– тривалість індикації температури, виміряної датчиком вологості. На індикаторіtHxx . Діапазон встановлення 0 ÷ 99 сек. Якщо встановлено 0, параметр не відображатиметься.
- Тривалість індикації тиску. На індикаторіP xx . Діапазон встановлення 0 ÷ 99 сек. Якщо встановлено 0, параметр не відображатиметься.
– тривалість індикації температури, виміряної датчиком тиску. На індикаторіtPxx . Діапазон встановлення 0 ÷ 99 сек. Якщо встановлено 0, параметр не відображатиметься.
- Швидкість анімації. У старшому розряді символ S. Діапазон встановлення 0 ÷ 99. Чим менша величина, тим вища швидкість.
LiGH :
niGH- Налаштування нічного режиму.
– хвилини увімкнення нічного режиму.
– годинник увімкнення нічного режиму.
– яскравість індикатора у нічному режимі. У старшому розряді символ n. Діапазон установки 0 ÷ 99. Яскравість індикатора відповідає нічному режиму.
dAY- Налаштування денного режиму.
– хвилини увімкнення денного режиму.
– годинник увімкнення денного режиму.
– яскравість індикатора у денному режимі. У старшому розряді символ d. Діапазон установки 0÷99. Яскравість індикатора відповідає денному режиму.
Робота приладу.
1. В основному режимі відбувається циклічна зміна інформації на індикаторі. Встановлено таку послідовність виведення: час – вологість (у старшому розряді символ H) – температура виміряна датчиком вологості – тиск (у старшому розряді символ P) – температура виміряна датчиком тиску. Якщо тривалість відображення будь-якого параметра встановлена в 0, то індикатор він виводитися не буде.
2. З основного режиму можна перемикати індикацію кнопками PLUS/MINUS.
3. У разі помилки зчитування даних із датчика DHT11 при індикації температури та вологості на індикатор виводяться прочерки.
4. Якщо будильник активовано, див. У заданий час включається звуковий сигнал - щомиті подвійні сигнали протягом однієї хвилини. Звуковий сигнал може бути достроково вимкнений натисканням будь-якої кнопки. Під час спрацювання будильника на індикатор протягом 30 секунд виводиться час.
5. Щодобово (о 0 годині 0 хвилин і 30 сік) проводиться цифрова корекція часу., DS1307.
4. Тип індикатора (загальний анод або катод) вибирається джампером. Якщо джампер встановлено, вибрано індикатор із загальним анодом.
5. На схемі показані два індикатори, що встановлюються лише одні.
6. Їжачка має бути з вбудованим генератором. Залежно від струму споживання, можливо знадобиться установка підсилювача (транзисторного ключа).
Під час обговорень та доопрацювань у темі форуму з'явилося кілька різних версій цього проекту.
По можливості оновлені матеріали викладатимуться тут. Короткі описив архівах
Подяка studiotandemза підготовку матеріалів та тестування прошивок.
