Skip to main content

Stacja pogodowa na Arduino Nano

markac IoT

Wstęp

Do napisania tego projektu zachęcił mnie podobny projekt kolegi, który był jednak napisany na Raspberry Pi.
Po co strzelać z armaty do muchy – pomyślałem.

Jako, że byłby to także fajny gadżet do wykorzystania na stronie internetowej, postanowiłem zamówić niezbędne podzespoły i w dwa dni powstał bazowy projekt, który pozwalał już komunikować się zdalnie z serwerem www.

Założenia

  1. Pomiar temperatury i wilgotności na zewnątrz pomieszczenia.
  2. Wysyłanie danych na serwer WWW – na początku była to komunikacja za pomocą protokołu UDP, ale żeby nie komplikować sprawy po stronie serwera, postanowiłem wykorzystać protokoł TCP.
  3. Odczyt danych i statusu pracy urządzenia możliwy także w aplikacji Bluetooth Terminal na Androida.

Podzespoły

Na początek należy zaopatrzyć się w podzespoły:

Arduino Nano 3.0 ATmega328P z CH340G

Arduino Nano v3

Moduł LAN ENC28J60

ENC28J60 LAN Ethernet Network Board Module for arduino

Czujnik temperatury i wilgotności
Osobiście zakupiłem dwa różne sensory, jeden do pomiarów wewnątrz pomieszczenia i drugi do pomiarów na zewnątrz.
Na potrzeby tego artykułu wystarczy zakupić jeden z poniższych czujników.

DHT11
Ze względu na swoje parametry, do zastosowania wyłącznie wewnątrz pomieszczeń.

DHT11

Parametr Wartość
Zasilanie 3-5V
Temperatura 0-50° o dokładności ±2°C
Wilgotność 20-90%RH o dokładności 5%

DHT22
Do pomiarów na zewnątrz pomieszczeń.
DHT22

Parametr Wartość
Zasilanie 3-5V
Temperatura -40-80° o dokładności ±0.5°C
Wilgotność 0-100%RH o dokładności 2-5%

Moduły, które zostały zakupione na Aliexpress:

Schemat i podłączenie

Pierwszy raz mam styczność z programem Fritzing, więc schemat może nie jest za czytelny, ale wbrew pozorom, podłączenie jest bardzo proste.
ws

Podłączenie

Arduino Nano przychodzi praktycznie złożone. Jedyne co musimy zrobić, to dolutować listwę z pinami.
Rezystor 4k7 widoczny na schemacie nie jest konieczny, gdyż wskazane przeze mnie sensory posiadają go wbudowanego.
Wszystkie moduły posiadają możliwość zasilania przez 3V3 i 5V, więc od Ciebie zależy na jakie zasilanie się zdecydujesz.
Moduł LAN podłączamy wg poniższej tabelki (lub schematu). Oznaczenia mogą się nieznacznie różnić w zależności od producenta modułu LAN.

ENC28J60 Nano
5V 5V
SO (MISO) D12
SCK D13
ST (MOSI) D11
RST RST
CS D10

Biblioteki

Z modułem ENC28J60 przetestowałem 3 biblioteki.

  1. Standardową bibl. Ethernet z Arduono – nie pobierała IP z DHCP ani statycznie.
  2. EtherCard – nie działało UDP.
  3. UIPEthernet – wszystko działało (przynajmniej to co mnie interesowało).

Z wiadomych względów, projekt został oparty o trzecią bibliotekę, chociaż podobno najbardziej zasobożerną.

Przydadzą się jeszcze oczywiście sterowniki do konwertera USB To RS232:
CH341SER.ZIP – uruchamiamy program SETUP.EXE z folderu CH341SER i postępujemy zgodnie z instrukcją.

Następną biblioteką jaką będziemy potrzebowali jest arduino-DHT.
Bardzo prosta, ładnie napisana biblioteka.

Serwer

Dane będą po prostu zapisywane (dodawane) do pliku w formacie CSV.
Nic nie stoi na przeszkodzie, abyś przerobił skrypt wg. własnego uznania tak, aby zapisywał dane w wybranym formacie lub w bazie danych.
Musisz oczywiście posiadać serwer WWW z zainstalowanym interpreterem PHP, ale to chyba oczywiste.

<?php
define('DEBUG', false);

// Lokalna strefa czasowa
date_default_timezone_set('Europe/Warsaw');

// Wybór źródła danych
if (constant('DEBUG')) {
  $data = [
    'Humidity' => 45.5,
    'Temperature' => 23.1
  ];

  file_put_contents('headers.txt', var_export($_SERVER, true), FILE_APPEND);
} else {
  $data = &$_POST;
}

// Uwierzytelnienie
if (constant('DEBUG') || (!empty($_SERVER['HTTP_X_APIKEY']) && $_SERVER['HTTP_X_APIKEY'] == '4Jrt39dj')) {

  // Dozwolona lista przesyłanych pól
  $whiteList = [
    'Temperature',
    'Humidity'
  ];

  // Ustaw wartości domyślne
  $whiteList = array_fill_keys($whiteList, NULL);

  // Dodaj lokalny znacznik czasu
  $storeData['DateTime'] = date('Y-m-d H:i:s');

  // Przygotuj tablicę do zapisu
  $storeData = array_merge($storeData, $whiteList, array_intersect_key($data, $whiteList));

  // Zapisz jako CSV
  $fp = fopen('weather.txt', 'a');
  fputcsv($fp, $storeData);
  fclose($fp);

  if (constant('DEBUG')) {
    print_r($storeData);
  }
}
?>

Wartym uwagi jest wspomnienie o warunku sprawdzającym istnienie poprawnego nagłówka X-ApiKey, który przechowuje klucz API, nasz sekretny kod/hasło, który pozwala nam sprawdzić, czy odebrane dane pochodzą z zaufanego źródła (naszego programu).
Dodatkowo, jeśli posiadasz stałe publiczne IP, możesz dodać dodatkowy warunek sprawdzający tenże adres.

Klient

Czas na główny program, który będzie przekazywał dane z sensorów na serwer metodą POST.

#include <DHT.h>
#include <UIPEthernet.h>

#define WS_HOST_NAME "ws.example.com"
#define WS_HOST_PORT 80

const static uint8_t REQUEST_BUFFER_SIZE = 250;
const static uint8_t mac[] = { 0x1A, 0x2B, 0x3C, 0x4D, 0x5E, 0x6F };
const static uint16_t timerInterval = 1000 * 60; // max. 65,535;

const static char wsHost[] PROGMEM = WS_HOST_NAME;
const static char wsUri[] PROGMEM = "/ws.php";
const static char wsAgent[] PROGMEM = "WeatherStation/1.0";
const static char wsApiKey[] PROGMEM = "4Jrt39dj";

const static char wsRequestHeaders[] PROGMEM = "POST %S HTTP/1.1\r\nUser-Agent: %S\r\nHost: %S\r\nAccept: */*\r\nContent-Type: application/x-www-form-urlencoded\r\nContent-Length: %d\r\nConnection: keep-alive\r\nX-ApiKey: %S\r\n\r\n";

static char requestBuffer[REQUEST_BUFFER_SIZE] = "";
static uint16_t connectRetryCount = 0;
static uint16_t timerLastMeasurement = 0;

EthernetClient client;
DHT outSensor;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  outSensor.setup(A0);

  do
  {
    if (connectRetryCount++ > 0) Serial.println("FAIL");
    Serial.print(F("Collect DHCP information..."));
  } while (Ethernet.begin(mac) == 0);

  Serial.println("DONE");

  Serial.print(F("IP Address: "));
  Serial.println(Ethernet.localIP());
  Serial.print(F("Subnet Mask: "));
  Serial.println(Ethernet.subnetMask());
  Serial.print(F("Default Gateway: "));
  Serial.println(Ethernet.gatewayIP());
  Serial.print(F("DNS Server: "));
  Serial.println(Ethernet.dnsServerIP());
}

void loop() {
  uint16_t timerNow = millis();
  if (timerNow - timerLastMeasurement >= timerInterval) {
    timerLastMeasurement = timerNow;
    timerCallback();
  }
}

void timerCallback() {
  //delay(outSensor.getMinimumSamplingPeriod());

  Serial.print(F("Reading data from DHT..."));

  float humidity = outSensor.getHumidity();
  float temperature = outSensor.getTemperature();

  Serial.println(outSensor.getStatusString());

  if (outSensor.getStatus() != DHT::ERROR_NONE) return;

  Serial.print("DHT22");
  Serial.print("\t");
  Serial.print(humidity, 1);
  Serial.print("%\t");
  Serial.print(temperature, 1);
  Serial.write(176);
  Serial.println("C");
  //Serial.print("\t");
  //Serial.println(outSensor.toFahrenheit(temperature), 1);

  Serial.print(F("Connecting to server..."));

  if (Ethernet.maintain() % 2 == 0 && client.connect(WS_HOST_NAME, WS_HOST_PORT) && client.connected()) {
    Serial.println("DONE");

    String data;
    data.reserve(40);

    data.concat("Temperature=");
    data.concat(temperature);
    data.concat("&Humidity=");
    data.concat(humidity);

    uint8_t len = data.length();
    bool written;

    sprintf_P(requestBuffer, wsRequestHeaders, wsUri, wsAgent, wsHost, len, wsApiKey);
    Serial.print(F("Sending data..."));
    written = client.write((const uint8_t *)requestBuffer, strlen(requestBuffer)) && client.write((const uint8_t *)data.c_str(), len);

    Serial.println(written ? "DONE" : "FAIL");

    client.stop();
  } else {
    Serial.println("FAIL(" + String(connectRetryCount++) + ")");
  }

}

Gotowe urządzenie

P1050615-001

Logi z Monitora szeregowego

ws-serial-4

Plik wynikowy

„2016-02-04 21:39:52”,11.00,40.60
„2016-02-04 21:40:52”,7.90,52.00
„2016-02-04 21:41:52”,5.20,61.80
„2016-02-04 21:42:52”,3.80,68.20
„2016-02-04 21:43:52”,2.80,74.70
„2016-02-04 21:44:52”,2.30,78.80
„2016-02-04 21:45:52”,1.90,81.90
„2016-02-04 21:46:52”,1.70,84.70
„2016-02-04 21:47:52”,1.50,86.30
„2016-02-04 21:48:52”,1.50,87.40
„2016-02-04 21:49:52”,1.40,88.50

Wizualizacja danych

Przykładowy wykres, sporządzony po wystawieniu czujnika za okno.
Widać spadek temperatury w czasie. Po ok. 10 minutach następuje ustabilizowanie się wyników.
Temperatura okazała się identyczna ze wskazywaną przez Google, po wpisaniu „Pogoda” w wyszukiwarkę.
ws-graph

Na zakończenie

Należy pamiętać o zmianie podstawowych stałych, jak nazwa hosta docelowego, ścieżki URI do skryptu, adresu MAC karty sieciowej!
Osobiście przepisałem po prostu MAC z mojego popsutego już laptopa (nie użyty w tym artykule).
Przy wszelkich zmianach, należy wziąć pod uwagę wielkość bufora ustalanego przez stałą REQUEST_BUFFER_SIZE.
O częstotliwości pomiarów decyduje stała timerInterval – maksymalna wartość to nieco ponad 1 minuta.

Kod źródłowy i niezbędne biblioteki

Miłej zabawy 🙂

markac

Full-stack Web Developer

3 thoughts to “Stacja pogodowa na Arduino Nano”

  3. Bardzo ciekawy, solidnie napisany artykuł, zawierający dużo cennych informacji, uwag oraz wskazówek, które z pewnością się przydadzą w tym temacie 🙂

    Odpowiedz

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

Witryna wykorzystuje Akismet, aby ograniczyć spam. Dowiedz się więcej jak przetwarzane są dane komentarzy.