ایستگاه هواشناسی وای‌فای با پنل خورشیدی و برد Wemos

برای شروع این مدار جذاب، به یه برد Wemos D1 Mini Pro نیاز داری که به عنوان پردازنده مرکزی و ماژول وای‌فای عمل می‌کنه. در کنارش، یه ماژول شارژر باتری TP4056 و سنسورهای هواشناسی مثل BMP280 یا BME280 رو آماده کن. برای اندازه‌گیری دقیق‌تر می‌تونی از سنسور دمای ضدآب DS18B20 هم استفاده کنی.

قطعات الکترومکانیکی مدار شامل یه کلید قطع و وصل، ترمینال‌های پیچی و پایه‌های برنجی (اسپیسر) می‌شه. برای تأمین انرژی به یه باتری لیتیومی 18650، یه هولدر مخصوص باتری و یه پنل خورشیدی 5 ولتی احتیاج داری. پین‌هدرهای نری و مادگی و مقداری سیم سایز 22 AWG هم برای اتصالات لازم داری. برای محکم کردن قطعات، چسب قطره‌ای و چسب حرارتی رو فراموش نکن.

از بین ابزارها هم هویه لحیم‌کاری، سیم‌لخت‌کن، سیم‌چین و یه پرینتر سه‌بعدی با فیلامنت PLA برای ساخت محفظه پروژه به کارت میاد. Soldering Iron ( Amazon ) 3. Glue Gun ( Amazon) 4.

چون می‌خوایم این ایستگاه هواشناسی رو تو فضای باز یا یه جای دور از پریز برق نصب کنیم، تأمین انرژی پیوسته یه چالش بزرگه. اگه فقط از باتری استفاده کنیم، بعد از چند روز شارژش تموم می‌شه و باید دستگاه رو باز کنیم. برای همین، بهترین راه اینه که انرژی رایگان خورشید رو مهار کنیم. سیستم ما از ترکیب یه باتری 18650 و یه پنل خورشیدی تشکیل شده تا برد Wemos همیشه روشن بمونه.

برای کنترل شارژ باتری از ماژول معروف TP4056 استفاده می‌کنیم. حتما مدلی رو انتخاب کن که مدار محافظ باتری (Protection IC) رو روی خودش داشته باشه تا باتری لیتیومی طول عمر بیشتری پیدا کنه. این ماژول برای باتری‌های 3.7 ولتی فوق‌العاده‌ست و جریان رو تا 1000 میلی‌آمپر مدیریت می‌کنه.

وقتی باتری فول‌شارژ بشه، تراشه به صورت خودکار جریان رو قطع می‌کنه. از طرفی، اگه ولتاژ باتری به زیر 2.4 ولت برسه، اتصال بار رو قطع می‌کنه تا باتری به خاطر تخلیه بیش از حد آسیب نبینه. این ماژول در برابر اتصال برعکس قطب‌ها و اضافه‌ولتاژ هم از سیستم محافظت می‌کنه.

قدیما برای اندازه‌گیری پارامترهای هواشناسی باید از دماسنج‌ها، رطوبت‌سنج‌ها و فشارسنج‌های آنالوگ و جاگیر استفاده می‌کردیم، اما الان سنسورهای دیجیتال ارزون و دقیقی تو بازار هستن که کار رو خیلی راحت کردن. تو این پروژه از سنسورهای خانواده BME280 یا BMP280 استفاده می‌کنیم که دقت بی‌نظیری دارن.

این سنسورها نسل جدید محصولات شرکت Bosch هستن و فشار هوا و دما رو خیلی سریع و با کمترین نویز اندازه می‌گیرن. مزیت بزرگشون اینه که هم از پروتکل I2C و هم SPI پشتیبانی می‌کنن. برای اینکه سیم‌کشی مدار ساده‌تر بشه، ما از پروتکل I2C استفاده می‌کنیم.

دقت کن که مدل BME280 علاوه بر دما و فشار، رطوبت محیط رو هم با خطای بسیار پایین (حدود 3 درصد) اندازه می‌گیره، در حالی که BMP280 سنسور رطوبت نداره.

متأسفانه تو بازار خیلی وقت‌ها BMP280 رو به جای BME280 می‌فروشن، پس موقع خرید حتما ظاهر تراشه و مشخصاتش رو بررسی کن تا مدلی رو بگیری که رطوبت رو هم پشتیبانی می‌کنه.

+1

طراحی این برد طوری انجام شده که 5 پورت اضافی برای اتصال سنسورهای جدید داشته باشه. می‌تونی سنسور GY-1145 رو برای اندازه‌گیری اشعه ماوراء بنفش (UV Index) به مدار اضافه کنی. این سنسور از طریق درگاه I2C ارتباط برقرار می‌کنه و پورت مخصوصش درست کنار کلید پاور تعبیه شده. علاوه بر این، می‌تونی سنسور HDC1080 رو هم برای خوانش دما و رطوبت با مصرف انرژی بسیار پایین به مدار متصل کنی.

برای اندازه‌گیری دمای دقیق‌تر، مخصوصا تو شرایط مرطوب، سنسور DS18B20 بهترین انتخابه. این سنسور از پروتکل تک‌سیمه (One-Wire) استفاده می‌کنه و خروجی دیجیتال دقیقی بهت می‌ده، بدون اینکه نیازی به مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال داشته باشی.

پورت P2 در سمت راست برد Wemos دقیقا برای اتصال همین سنسور در نظر گرفته شده تا بدون دردسر بتونی امکانات ایستگاه هواشناسیت رو گسترش بدی. It can be hooked up in port-P2 in the board which is located on the right side of the Wemos board. You can read this article to know more about this sensor.

برد Wemos D1 Mini Pro خودش یه آنتن سرامیکی داخلی داره، اما چون قراره این دستگاه رو بیرون از خونه نصب کنی، برای اتصال پایدار به مودم بهتره از آنتن خارجی استفاده کنی.

برای فعال کردن درگاه آنتن خارجی، باید مقاومت صفر اهم (سایز 0603) که روی برد هست رو به کمک هویه بچرخونی تا مسیر سیگنال به سمت سوکت SMA تغییر کنه. بعد از این کار، می‌تونی کابل آنتن رو به سوکت متصل کنی و از پوشش‌دهی عالی وای‌فای لذت ببری.

از اونجایی که سیستم به صورت مستقل با باتری کار می‌کنه، خیلی مهمه که همیشه از میزان شارژش خبر داشته باشیم. باتری فول‌شارژ 4.2 ولت خروجی داره، اما پین آنالوگ تراشه نهایت تحملش 3.3 ولته. خود برد Wemos یه مقسم ولتاژ داخلی با مقاومت‌های 220 کیلواهم و 100 کیلواهم داره که به پین A0 متصل شده.

برای اینکه بتونیم ولتاژ 4.2 ولتی باتری رو با خیال راحت بخونیم، یه مقاومت 220 کیلواهم دیگه (به نام R1 تو طراحی مدار) رو با مدار داخلی سری می‌کنیم. این مقاومت درست بالای هولدر باتری قرار می‌گیره. با این مقسم ولتاژ اصلاح‌شده، میکروکنترلر به راحتی می‌تونه افت ولتاژ باتری رو تشخیص بده و روی نرم‌افزار بهت نشون بده.

تراشه ESP8266 که مغز این برد رو تشکیل می‌ده، مصرف انرژی نسبتا بالایی داره. اگه قرار باشه دستگاه تمام روز روشن بمونه، استفاده از یه باتری 18650 اصلا جوابگو نیست.

مشکل دوم اینه که کارکرد مداوم پردازنده باعث ایجاد گرما می‌شه و این گرما باعث می‌شه سنسورها دمای محیط رو به اشتباه بالاتر از حد واقعی نشون بدن.

برای حل این چالش، از ویژگی فوق‌العاده‌ی Deep Sleep (خواب عمیق) استفاده می‌کنیم. با این روش، برد بعد از ارسال اطلاعات به طور کامل به حالت خواب می‌ره تا مصرف انرژی رو به میکروآمپر کاهش بده. مدار ما طوری برنامه‌ریزی می‌شه که مثلا هر 10 دقیقه یک‌بار بیدار بشه، سنسورها رو بخونه، دیتا رو تو شبکه بفرسته و دوباره بخوابه.

اگه بیدار موندن دستگاه فقط 30 ثانیه طول بکشه و تو این زمان 185 میلی‌آمپر مصرف کنه، میانگین مصرفش در کل اون 10 دقیقه به عدد بی‌نظیر 9.3 میلی‌آمپر می‌رسه! این تکنیک به پنل خورشیدی اجازه می‌ده تا به راحتی باتری رو شارژ نگه داره و سیستمت هیچ‌وقت خاموش نشه.

تو مرحله قبل متوجه شدیم که میانگین جریان مصرفی دستگاه 9.3 میلی‌آمپره. پس برای یک شبانه‌روز (24 ساعت) به حدود 223 میلی‌آمپرساعت انرژی نیاز داریم. چون رگولاتور خطی رو برد هیچ جریان اضافه‌ای تولید نمی‌کنه، باید تمام این انرژی رو از خورشید بگیریم.

با فرض اینکه حتی تو روزهای زمستانی و ابری، حداقل یک ساعت تابش مستقیم خورشید رو داشته باشیم، پنل باید بتونه تو همون یک ساعت 223 میلی‌آمپرساعت انرژی رو به باتری تزریق کنه. باتری‌های لیتیومی برای شارژ شدن به ولتاژ 5 تا 6 ولت نیاز دارن.

پس پنل ما باید تو ولتاژ 5 ولت، جریانی بیشتر از 200 میلی‌آمپر بهمون بده؛ یعنی یه پنل خورشیدی با توان 1 وات کاملا مناسبه. تو این پروژه یه پنل ابعاد 99 در 69 میلی‌متری 5 ولتی کارمون رو بی‌نقص راه می‌ندازه.

برای اینکه پروژه‌ ظاهر حرفه‌ای داشته باشه و اتصالات پایدار بمونن، از مدار چاپی (PCB) اختصاصی استفاده می‌کنیم. می‌تونی تو نرم‌افزارهای طراحی آنلاین مثل EasyEDA نقشه‌ات رو بکشی و بعد اون رو به محیط PCB منتقل کنی. همه قطعات رو باید با دقت تو کادر مدار بچینی.

سعی کن فوت‌پرینت قطعات رو طوری تنظیم کنی که کمترین فضای ممکن رو اشغال کنن؛ هرچی برد کوچک‌تر باشه، هم تمیزتر درمیاد و هم راحت‌تر تو قاب جا می‌شه. حتما سوراخ‌هایی هم برای پیچ کردن برد در نظر بگیر.

حالا نوبت به مسیرکشی (Routing) می‌رسه؛ این بخش مثل حل کردن یه پازل جذابه! با استفاده از مسیرهای پشت و روی برد، اتصالات بین قطعات رو برقرار کن تا تداخلی ایجاد نشه.

تو لایه چاپ سبز (Silk) متن‌های راهنما رو بنویس و در نهایت از گزینه Copper Pour برای ایجاد لایه یکپارچه زمین (GND) استفاده کن تا نویز مدار به حداقل برسه.

وقتی طراحی برد به طور کامل تموم شد، باید از نرم‌افزار طراحی فایل‌های گربر (Gerber) رو خروجی بگیری. این فایل‌ها زبان استاندارد دستگاه‌های چاپ مدار هستن و تمام اطلاعات لایه‌ها و سوراخ‌کاری‌ها رو در بر می‌گیرن. بعد از دانلود، می‌تونی این فایل‌ها رو به شرکت‌های خدمات چاپ مدار چاپی بدی تا برد رو با بالاترین کیفیت برات تولید کنن.

حالا که برد خام رو تحویل گرفتی، وقت مونتاژ و لحیم‌کاریه. هویه، سیم‌لحیم و سیم‌چین رو آماده کن. اول از همه باید پین‌هدرهای مادگی و نری رو به اندازه ماژول‌ها برش بزنی.

برای برد Wemos دو تا پین‌هدر 8 تایی و برای سنسور BMP280 یه پورت 6 پین آماده کن. بقیه پورت‌ها رو هم متناسب با سنسورهای جانبی برش بزن. یه قانون مهم تو لحیم‌کاری اینه که همیشه از قطعات کوتاه‌تر شروع کنی.

اول مقاومت‌ها و سوئیچ رو لحیم کن و بعد برو سراغ قطعات بزرگ‌تر. پین‌هدرها، ترمینال پیچی و در نهایت هولدر باتری رو به ترتیب روی برد محکم کن تا موقع لحیم‌کاری، قطعات روی میز کج‌وکوله نشن.

بعد از اینکه تمام پورت‌ها رو لحیم کردی، نوبت به قرار دادن ماژول‌ها سر جای خودشونه. از اونجایی که روی برد همه لیبل‌ها به وضوح چاپ شده، اصلا امکان اشتباه وجود نداره. اول ماژول شارژر TP4056 رو جا بزن و پایه‌هاش رو محکم کن. حالا برد Wemos و سنسور هواشناسی رو با دقت تو سوکت‌های مادگی فشار بده تا فیکس بشن.

در نهایت باتری 18650 رو با رعایت جهت قطب مثبت و منفی (که هم روی هولدر و هم روی برد مشخصه) داخل جاباتری قرار بده.

برای اینکه پایه‌های لحیم‌شده زیر برد با کف قاب تماس نداشته باشن و هوا به خوبی جریان پیدا کنه، از چهار تا اسپیسر (پایه نگه‌دارنده) برنجی سایز M3 تو گوشه‌های مدار استفاده کن. این کار ایمنی مکانیکی و الکتریکی برد رو تضمین می‌کنه.

برای اینکه پروژه‌ات یه ظاهر تجاری و تمیز پیدا کنه، بهتره از یه قاب پرینت سه‌بعدی استفاده کنی. این قاب شامل یه بدنه اصلی برای قرارگیری مدار و باتری، و یه درپوش برای محافظت از اون‌هاست. طراحی این محفظه طوری انجام شده که دقیقا با ابعاد برد PCB یعنی 85 در 83 میلی‌متر همخوانی داشته باشه. برای چاپ این قطعات می‌تونی از فیلامنت PLA با رنگ دلخواهت استفاده کنی.

تنظیمات پیشنهادی پرینت شامل ارتفاع لایه 0.2 میلی‌متر، تراکم (Infill) 25 درصد، دمای نازل 200 درجه و دمای بستر 60 درجه سانتی‌گراده. چاپ این قطعات ممکنه چند ساعتی زمان ببره، اما خروجی نهایی به شدت محکم و کاربردیه. You can also have a look into the enclosure designed by 3KU_Delta.

حالا وقتشه مدارت رو تو خونه‌ی جدیدش جا بدی! اسپیسرهای برنجی رو دقیقا تو سوراخ‌های کف قاب قرار بده و برد رو روی اون‌ها تراز کن تا سوراخ‌های گوشه برد با پایه‌ها هم‌مرکز بشن.

اگر دیدی جا زدنش کمی سخته یا پیچ‌ها درست تو جاشون نمی‌رن، می‌تونی طراحی قاب رو کمی دستکاری کنی تا بتونی پیچ‌های سایز 3 میلی‌متری رو بدون اسپیسر مستقیما به قاب محکم کنی.

بعد از فیکس کردن مدار، ماژول‌ها رو سر جاشون بذار و جامپر JP2 (برای فعال کردن حالت Deep Sleep) رو نصب کن. کانکتور SMA آنتن رو از سوراخی که روی بدنه قاب در نظر گرفته شده عبور بده. واشر و مهره‌ی کانکتور رو از بیرون حسابی سفت کن تا تکون نخوره.

حالا آنتن رو روی سوکت بپیچون. قبل از بستن درپوش، یک بار دیگه چک کن که باتری لیتیومی با قطبیت درست نصب شده باشه تا به مدار آسیبی نرسه.

+1

بریم سراغ قلب تپنده‌ی سیستم یعنی پنل خورشیدی! یه سیم قرمز به قطب مثبت و یه سیم مشکی به قطب منفی پنل لحیم کن. این سیم‌ها رو از سوراخ‌های سقف درپوش رد کن.

برای چسبوندن پنل به سطح قاب از چسب قطره‌ای قوی استفاده کن و چند ثانیه فشارش بده تا کاملا بچسبه. چون دستگاه قراره زیر بارون باشه، حتما از داخل قاب، سوراخ‌های عبور سیم رو با چسب حرارتی کاملا آب‌بندی کن.

+10

قاب معمولی شاید قشنگ باشه، اما برای یه ایستگاه هواشناسی استاندارد نیست. سنسورها باید از تابش مستقیم آفتاب و قطرات بارون در امان باشن، ولی در عین حال هوا باید آزادانه دورشون جریان پیدا کنه. راه‌حل این موضوع استفاده از "شیلد استیونسون" (Stevenson Screen) هست.

طراحی این محفظه‌ی پره‌دار طوریه که مانع انتقال گرمای مستقیم پنل خورشیدی به سنسورها می‌شه و دقت خوانش دما و رطوبت رو به بالاترین حد ممکن می‌رسونه. فایل‌های سه‌بعدی این شیلد به راحتی قابل پرینته و می‌تونی برای محافظت از سنسورها ازش استفاده کنی.

یه ترفند حرفه‌ای: روی برد مدار چاپی اسپری پلاستیک محافظ (Lacquer Spray) بزن تا ضدآب بشه. فقط یادت نره موقع اسپری کردن، روی سوراخ سنسور BME280 یه تکه چسب بچسبونی تا خراب نشه!

برای اینکه بتونی اطلاعات هواشناسی رو خیلی راحت رو گوشیت ببینی، می‌تونی از پلتفرم‌های اینترنت اشیا (IoT) استفاده کنی. کافیه یه پروژه جدید روی اپلیکیشن بسازی و کد تأیید (Auth Token) مربوط به پروژه‌ات رو بگیری. این کد، کلید ارتباط امن بین برد Wemos و گوشی موبایلته. توی اپلیکیشن می‌تونی ویجت‌های مختلفی رو برای نمایش دما، رطوبت، فشار و حتی ولتاژ باتری تنظیم کنی.

وقتی برد با موفقیت به شبکه وای‌فای خونه متصل بشه، بلافاصله شروع به ارسال دیتا می‌کنه. برای راه‌اندازی نرم‌افزاری دستگاه، باید کدهای آردوینو رو متناسب با تنظیمات شبکه‌ات ویرایش کنی. نام شبکه وای‌فای (SSID)، رمز عبور و همون کد تأیید رو تو خط‌های مربوطه وارد کن. بعد از کامپایل و آپلود برنامه، دستگاه کارش رو به صورت مستقل شروع می‌کنه.

حالا کافیه گوشیت رو برداری تا یه داشبورد هواشناسی شخصی و جذاب داشته باشی!

اگه دوست داری داده‌هات رو به صورت نمودارهای بلندمدت تحلیل کنی، استفاده از سرور قدرتمند ThingSpeak یه انتخاب عالیه. کافیه یه حساب کاربری تو این سایت بسازی و یه کانال جدید ایجاد کنی. فیلدها رو به ترتیب برای فشار هوا، دما، رطوبت، ارتفاع و ولتاژ باتری تنظیم کن. وارد تنظیمات کانالت شو و از بخش API Keys، کلید اختصاصی نوشتن (Write API Key) رو کپی کن.

حالا تو محیط برنامه‌نویسی آردوینو، این کلید رو جایگزین عبارت پیش‌فرض کن. با این کار، ایستگاه هواشناسی بعد از هر بار بیدار شدن از خواب عمیق، اطلاعاتش رو به صورت طبقه‌بندی شده به این سرور می‌فرسته.

اگه تو خوندن ولتاژ باتری نویز داشتی، می‌تونی موقتا اون فیلد رو غیرفعال کنی، ولی برای بقیه پارامترها نمودارهای بسیار دقیقی در اختیارت قرار می‌گیره.

برای برنامه‌نویسی برد Wemos D1، اول باید پکیج بردهای ESP8266 رو تو نرم‌افزار Arduino IDE نصب کنی. بعد از نصب، فرکانس پردازنده رو روی 80MHz یا 160MHz تنظیم کن.

اندازه حافظه فلش رو روی 4M قرار بده و سرعت آپلود روی برد رو روی 921600 تنظیم کن تا پروسه انتقال برنامه سریع‌تر انجام بشه. قبل از کامپایل، کتابخونه‌های مربوط به سنسور BMP280 یا BME280 رو هم به نرم‌افزار اضافه کن.

یکی از جذابیت‌های کدهای این پروژه اینه که می‌تونی هر دو قابلیت اتصال به اپلیکیشن و سرور ThingSpeak رو به صورت همزمان یا جداگانه داشته باشی. تو نسخه‌های جدید کد، الگوریتم‌های پیش‌بینی وضع هوا مثل "الگوریتم زامبرتی" (Zambretti) هم پیاده‌سازی شده. این یعنی دستگاه علاوه بر خوندن مقادیر فعلی، می‌تونه وضعیت آب‌وهوای 4 تا 6 ساعت آینده رو هم پیش‌بینی کنه!

یادت نره برای کارکرد درست حالت خواب عمیق، حتما باید پین D0 رو به پین RST متصل کرده باشی (همون جامپری که تو مراحل قبلی جا زدیم). GitHub Page. In his V2.3 code, he included the famous Zambretti forecaster.

I really appreciate his hard work for the improvement of the project. پارامترهایی که تو اپلیکیشن می‌تونی ببینی شامل موارد زیر می‌شه:

• پیش‌بینی متنی وضع هوای 4 تا 6 ساعت آینده
• روند تغییرات جوی
• دمای محیط
• نقطه شبنم
• شاخص گرمایی
• درصد رطوبت هوا
• فشار مطلق و نسبی هوا
• ولتاژ لحظه‌ای باتری

با کمی خلاقیت حتی می‌تونی یه نمایشگر E-ink به مدار اضافه کنی تا همونجا هم اطلاعات رو ببینی. یا می‌تونی داده‌ها رو با داکر و پایگاه داده‌های پیشرفته مانیتور کنی و یه پروژه IoT در سطح صنعتی بسازی.

یه ایستگاه هواشناسی همه‌چیزتموم باید بتونه سرعت و جهت باد رو هم اندازه بگیره. خبر خوب اینه که این مدار به خاطر داشتن پورت‌های اضافی، قابلیت توسعه بالایی داره و می‌تونی یه بادسنج (Anemometer) و بادنما (Wind Vane) رو بهش متصل کنی. این سنسورهای مکانیکی، داده‌های محیطی رو به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنن.

با اعمال یه تغییر کوچیک تو کدهای برنامه، می‌تونی سرعت باد رو هم به پارامترهای ارسالی به داشبورد اضافه کنی. این امکان بهت اجازه می‌ده سیستمت رو به مرور زمان کامل‌تر کنی و از یه پروژه ساده، یه دستگاه پایش آب‌وهوای فوق‌حرفه‌ای بسازی.

حالا یه ایستگاه هواشناسی فوق‌العاده داری که بی‌نیاز از هر کابلی، گوشه حیاط یا روی پشت‌بام کار می‌کنه و اطلاعاتش رو به صورت مستقل به اینترنت می‌فرسته. تو قدم‌های بعدی حتی می‌تونی سنسور تشخیص میزان بارندگی رو هم بهش اضافه کنی تا امکاناتش از این هم کامل‌تر بشه.

تیم آیسی‌مدار خیلی خوشحاله که تو ساخت این پروژه هیجان‌انگیز همراهت بوده. اگه از ساخت این گجت خفن و مهندسی لذت بردی، حتما لینک این آموزش رو برای دوستات هم بفرست تا اونا هم بتونن یه ایستگاه هواشناسی شخصی و حرفه‌ای برای خودشون بسازن. موفق باشی!