Привет, Хабр!

Пожалуй, одним из первых устройств, которые подключаются к умному дому (конечно, после модуля управления освещением), является домашняя метеостанция. Вот и мне на новом месте и в новом умном доме потребовалось реализовать данное устройство. Но есть одна проблема: находясь вдалеке от своей домашней лаборатории, я имею минимальный набор инструментов и лишён таких благ цивилизации, как лазерный мини-ЧПУ для изготовления плат и 3D-принтер. Поэтому для реализации проекта будем работать по старинке, в режиме жесткого DIY-хардкора (или «Очумелых ручек»).

❯ Проектируем проект

Тема DIY-метеостанций достаточно заезженная, особенно после появления на свет микроконтроллера ESP8266. Ведь в 97% случаев на нем была реализована метеостанция. Вот и мы не будем отходить от традиций и соберем простую систему на базе ESP8266 и датчика BME280, которая будет измерять три метеопараметра: температуру, относительную влажность воздуха и атмосферное давление. Ниже представлены технические характеристики датчика:

Технические характеристики BME280

•  Интерфейс: SPI, I2C; 

•  Напряжение питания: 1.8 - 3.3 V; 

•  Диапазон измерения атмосферного давления: 300-1100 hPa; 

•  Диапазон измерения температуры: -40 - +85 °C; 

•  Диапазон измерения влажности: 0 - 100 %; 

•  Энергопотребление: режим измерения - 2.74 µА, в спящем режим - 0.1 µА;

• Точность измерения: давление - 0.01 hPa (< 10 cm), температура - 0.01° C, влажность – 3%.

И так как вы, скорее всего, читаете эту статью в новогодние праздники, для простого восприятия я решил представить принципиальную схему в виде визуализации.

Как вы, наверное, уже догадались, метеостанция будет запитана от двух элементов питания типа АА с общим напряжением 3V. Чтобы она работала длительное время от этих источников питания, нам необходимо будет использовать режим DeepSleep. В качестве контроллера берем самый дешевый вариант — модуль ESP-01. Также в схему добавлена тактовая кнопка для активации режима конфигурации устройства.

Что касается режима DeepSleep: для его работы нам необходим внутренний RTC-таймер модуля ESP8266. Его выход задействован на 8-м пине (GPIO16) микроконтроллера. Ниже приведена картинка назначением выводом микросхемы микроконтроллера.

В используемом модуле ESP-01 не предусмотрен вывод GPIO16 на печатной плате, поэтому нам нужно будет аккуратно припаять проводок к нужной ножке контроллера.

❯ Сборка аппаратной части метеостанции

▨ Корпус устройства

Здесь мы идём по пути жесткого DIY: в ход используется всё, что завалялось в ящике. Нашел старый бокс от гирлянды — он и станет корпусом для нашей метеостанции.

Удачно совпало, что в этот корпус легко помещаются ESP-01 и кнопка активации режима конфигурации. А чтобы не ломать голову над размещением датчика на улице, я решил использовать шлейф длиной 60 см — в будущем мы просто просунем его в оконный проём.

А для защиты датчика от атмосферных воздействий мне не пришло в голову ничего лучше, чем использовать маленькую баночку от витамина PP. Чтобы шлейф датчика вмещался, я выполнил небольшой продольный надрез ёмкости.

▨ Сборка электроники

Как говорилось ранее, для полноценной работы в режиме DeepSleep нам необходимо задействовать пин GPIO16 (8), припаяв небольшой медный провод. У меня реализовано так:

Далее нам нужно припаять шлейф к датчику и выводы для дальнейшей их припайки к контроллеру:

Как известно, термоклей повышает надежность DIY-поделок на 90%, поэтому не пренебрегаем этим и используем его для дополнительной фиксации и изоляции мест соединения:

Для дополнительной защиты датчика от атмосферных воздействий обязательно изолируем его с помощью термоклея:

Здесь главное не переусердствовать и не залить измерительное отверстие на сенсоре.

Теперь займемся основной пайкой. Припаиваем провода согласно схеме:

Также не забываем зафиксировать самый хрупкий элемент нашей метеостанции — тонкий проводок RTC-таймера:

И еще пара элементов для надежности устройства — в DIY термоклея много не бывает:

А еще я забыл рассказать о двух компонентах схемы: резисторе и диоде. Резистор номиналом 8,2 кОм является подтягивающим к «земле» на пине кнопки конфигурации. Диод (марки 1N4007) включен в цепь питания датчика: он необходим для создания небольшого падения напряжения, чтобы снизить влияние на GPIO и исключить «зависание» контроллера при запуске». И для снижения энергопотребления платы, нам необходимо отпаять светодиод индикации питания (красный), который светится постоянно.

После всех паяльных работ, нам необходимо проверить работоспособность нашей конструкции, а затем установить все компоненты в наш корпус:

Далее всё надежно фиксируем термоклеем, и в итоге мы имеем следующий результат сборки:

Всё! Со сборкой устройства покончили!

❯ Программное обеспечение и интеграция в Home Assistant

Микро-ПО устройства, как и всегда, реализовано на базе собственной прошивки для IoT-устройств. Так как метеостанция работает от автономного источника питания (в нашем случае — от АА-батареек), нам необходимо реализовать мониторинг уровня напряжения для их своевременной замены. Как правило, для этих целей используется аналоговый пин микроконтроллера, но в нашем случае он не выведен на плату, а делать дополнительную подпайку не очень хочется. К счастью, мы не используем преобразователей в цепи питания, поэтому мониторинг сможем реализовать другим методом — за счет функции измерения напряжения на самом кристалле ESP8266.

Это можно сделать всего двумя строчками кода:

ADC_MODE(ADC_VCC); // Активируем функцию мониторинга напряжения на кристаллле
ESP.getVcc();      // Метод для получения уровня напряжения(в mV)

А так это реализовано в функции формирования JSON для отправки данных с метеостанции:

String JSON_DATA() {
    sensor_get();
    StaticJsonDocument<256> doc;  
    
     doc["temp"]      = String(temp);
     doc["hum"]       = String(hum);
     doc["pres"]      = String(pres * 0.75006);       // В мм.рт.ст
     doc["bat"]       = String(ESP.getVcc() * 0.001); // Переводим в V
     doc["sllep_t"]   = String(settings.off_time);
    
    String outjson;
    serializeJson(doc, outjson);
    return outjson;
}

▨ Настройка метеостанции

Я старался сделать эту процедуру максимально юзер-френдли. Для активации режима конфигурации необходимо перевести метеостанцию в особый режим, нажав и удерживая в течение пяти секунд единственную кнопку и одновременно вставив батарейки для питания устройства. Затем метеостанция перейдет в режим конфигурации. И если ранее Wi-Fi-подключение не было настроено, то будет создана точка доступа (Wi-Fi-спот) с именем «CYBEREX-METEO», далее все как обычно: подключение к точке, автоматический перевод пользователя на страницу настройки метеостанции с помощью технологии CaptivePortal и т.д.. Ниже приведу несколько скриншотов для понимания:

В устройстве по умолчанию установлен пароль admin, который при необходимости можно изменить в настройках. Ниже представлен скриншот главной страницы устройства:

Ползунок «Таймер сна» отвечает за установку периода пробуждения метеостанции из режима DeepSleep. Рекомендуемое значение — от 5 до 60 минут. Соответственно, чем больше сон, тем меньше разряд батареек. Ниже показан скриншот для настройки передачи данных по протоколу MQTT:

После всех настроек, необходимо перезагрузить устройство с главной страницы, чтобы оно перешло в режим DeepSleep.

▨ Интеграция в Home Assistant

После того, как в метеостанции будет настроена передача данных по MQTT, в Home Assistant должно автоматически обнаружиться новое устройство:

И перейдя в панель управления устройством, мы увидим следующее:

❯ Итоги & выводы

В итоге у нас получилась прекрасная «эконом-метеостанция» с минимальными финансовыми затратами и интересным времяпрепровождением. Что касается результатов замеров тока потребления, то они представлены ниже.

• Ток потребления в активном режиме (передача данных):

• Ток потребления в режиме сна:

Метеостанция в установленном виде:

Установка датчика на улице:

На этом можно и завершать статью. Спасибо за внимание и интересных проектов!

Ссылки к статье:

• Исходный код микро-ПО метеостанции (GitHub).

Новости, обзоры продуктов и конкурсы от команды Timeweb.Cloud — в нашем Telegram-канале ↩