محطة الطقس الشمسية Raspberry Pi: 7 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:40

مدفوعًا بإكمال مشروعي السابقين ، الكاميرا المدمجة ووحدة التحكم في الألعاب المحمولة ، أردت أن أجد تحديًا جديدًا. كان التطور الطبيعي هو نظام التحكم عن بعد في الهواء الطلق …

كنت أرغب في بناء محطة طقس Raspberry Pi قادرة على الحفاظ على نفسها خارج الشبكة وإرسال النتائج إلي من خلال اتصال لاسلكي ، من أي مكان! واجه هذا المشروع تحدياته حقًا ، ولكن لحسن الحظ ، يعد تشغيل Raspberry Pi أحد التحديات الرئيسية التي تم تسهيلها باستخدام PiJuice كمصدر للطاقة مع دعمه الشمسي الإضافي (مكتمل مع تقنية PiAnywhere الثورية - أفضل طريقة خذ Pi الخاص بك من الشبكة!).

كان تفكيري الأولي هو استخدام وحدة AirPi الرائعة لأخذ القراءات. ومع ذلك ، كان لهذا عيبان رئيسيان ؛ يتطلب اتصالاً مباشرًا بالإنترنت لتحميل النتائج ويجب أن يكون متصلاً مباشرةً بـ GPIO على Pi مما يعني أنه لا يمكن تعريضه للهواء دون تعريض Raspberry Pi أيضًا (ليس مثاليًا إذا كنا نريد محطة الطقس هذه تدوم أي فترة زمنية).

الحل … بناء وحدة الاستشعار الخاصة بي! باستخدام الكثير من AirPi للإلهام ، تمكنت من تجميع نموذج أولي بسيط للغاية باستخدام عدد قليل من أجهزة الاستشعار التي أمتلكها بالفعل ؛ درجة الحرارة والرطوبة ومستويات الضوء والغازات العامة. والشيء الرائع في هذا هو أنه من السهل حقًا إضافة المزيد من المستشعرات في أي وقت.

قررت استخدام Raspberry Pi a + بشكل أساسي نظرًا لاستهلاكه المنخفض للطاقة. لإرسال النتائج إليّ ، استخدمت وحدة EFCom Pro GPRS / GSM ، والتي يمكنها إرسال نص مباشرة إلى هاتفي المحمول مع النتائج! أنيق جدا أليس كذلك؟

يسعدني أن أطلع هنا على أي أفكار لديك لمشاريع كبيرة أخرى للطاقة الشمسية أو المحمولة. اسمحوا لي أن أعرف في التعليقات وسأبذل قصارى جهدي لإنشاء برنامج تعليمي!

الخطوة 1: الأجزاء

1 x PiJuice + Solar Panel (كاملة مع تقنية PiAnywhere الثورية - أفضل طريقة لإخراج Pi الخاص بك من الشبكة!)

1 x Raspberry Pi a +

1 × وحدة EFCom Pro GPRS / GSM

1 × شريحة اتصال

1 × لوحة الخبز

بروتوبورد

1 × MCP3008 ADC

1 × LDR

1 × LM35 (مستشعر درجة الحرارة)

1 × DHT22 (مستشعر الرطوبة)

1 × TGS2600 مستشعر جودة الهواء العام

1 × 2.2 كيلو أوم المقاوم

1 × 22 كيلو أوم المقاوم

1 × 10 كيلو أوم المقاوم

10 × أنثى - سلك توصيل أنثى

مجموعة متنوعة من الأسلاك ذات المقياس الفردي

1 × صندوق تقاطع خارجي واحد

1 × صندوق تقاطع مزدوج في الهواء الطلق

1 × موصل كابل مقاوم للماء

الحلقات الكبلية شبه العمياء 2 × 20 مم

الخطوة الثانية: دائرة الاستشعار

هناك عدد غير قليل من العناصر المختلفة لهذا المشروع ، لذلك من الأفضل أن تفعل كل شيء في خطوات. أولاً ، سأستعرض كيفية تجميع دائرة الاستشعار.

إنها فكرة جيدة أن تبني هذا على لوح الخبز أولاً ، فقط في حالة ارتكابك أي أخطاء ، فقد قمت بتضمين مخطط دائري وصور خطوة بخطوة ، للرجوع إليها.

1. المكون الأول الذي يتم توصيله بالأسلاك هو محول MCP3008 التناظري إلى الرقمي. يمكن أن يستغرق هذا ما يصل إلى 8 مدخلات تناظرية ويتواصل مع Raspberry Pi عبر SPI. مع توجيه الشريحة لأعلى ، وقطع نصف الدائرة بعيدًا عن الطرف الأبعد عنك ، تتصل جميع المسامير الموجودة على اليمين بـ Raspberry Pi. قم بتوصيلهم كما هو موضح. إذا كنت ترغب في معرفة المزيد حول كيفية عمل الشريحة ، فإليك دليل رائع لـ MCP3008 وبروتوكول SPI.
2. المسامير الموجودة على اليسار عبارة عن 8 مدخلات تناظرية ، مرقمة من 0 إلى 7 من أعلى إلى أسفل. سنستخدم فقط أول 3 (CH0 ، CH1 ، CH2) ، لـ LDR ، مستشعر الغاز العام (TGS2600) ومستشعر درجة الحرارة (LM35). قم أولاً بتوصيل LDR كما هو موضح في الرسم التخطيطي. جانب واحد على الأرض والآخر إلى 3.3 فولت عبر المقاوم 2.2KΩ و CH0.
3. بعد ذلك ، قم بتوصيل "مستشعر الغاز العام". يستخدم مستشعر الغاز هذا للكشف عن ملوثات الهواء مثل الهيدروجين وأول أكسيد الكربون. لم أتوصل بعد إلى كيفية الحصول على تركيزات محددة ، لذا فإن النتيجة من هذا المستشعر في الوقت الحالي هي مستوى النسبة المئوية الأساسي ، حيث يكون 100٪ مشبعًا بالكامل. عندما يكون المستشعر متجهًا لأعلى (دبابيس على الجانب السفلي) ، يكون الدبوس الموجود مباشرة على يمين النتوء الصغير هو الدبوس 1 ثم تزيد الأرقام في اتجاه عقارب الساعة حول الدبوس. لذا يتصل الطرفان 1 و 2 بـ 5 فولت ، ويتصل الطرف 3 بـ CH1 والأرضي عبر المقاوم 22KΩ ويتصل الطرف 4 مباشرة بالأرض.
4. المستشعر التناظري الأخير الذي سيتم توصيله هو مستشعر درجة الحرارة LM35. هذا يحتوي على 3 دبابيس. خذ المستشعر بحيث يكون الجانب المسطح هو الأقرب إليك ، ويتصل معظم الدبوس الأيسر مباشرة بجهد 5 فولت (غير محدد في الرسم التخطيطي ، يا سيئ!) ، يتصل الدبوس المركزي بـ CH2 ويتصل معظم الدبوس الأيمن مباشرة بالأرض. سهل!
5. المكون الأخير للاتصال هو مستشعر الرطوبة DHT22. هذا مستشعر رقمي لذا يمكن توصيله مباشرة بـ Raspberry Pi. خذ المستشعر مع توجيه الشبكة إليك والأربعة دبابيس على الجانب السفلي. يتم ترتيب الدبابيس من 1 على اليسار. قم بتوصيل 1 إلى 3.3 فولت. يذهب الدبوس 2 إلى GPIO4 و 3.3 فولت عبر المقاوم 10KΩ. اترك الدبوس 3 مفصولًا والدبوس 4 يذهب مباشرة إلى الأرض.

هذا كل شيء! تم بناء دائرة الاختبار. آمل في إضافة المزيد من المكونات عندما يكون لدي الوقت. أود حقًا إضافة مستشعر ضغط ومستشعر سرعة الرياح وأود الحصول على بيانات أكثر ذكاءً حول تركيزات الغاز.

الخطوة 3: وحدة GSM

الآن بعد أن تم بناء دوائر الاستشعار ، يجب أن تكون هناك طريقة لتلقي النتائج. وهنا يأتي دور وحدة GSM. سنستخدمها لإرسال النتائج عبر الشبكة الخلوية في رسالة نصية قصيرة مرة واحدة في اليوم.

تتواصل وحدة GSM مع Raspberry Pi عبر المسلسل باستخدام UART. إليك بعض المعلومات الرائعة حول الاتصال التسلسلي مع Raspberry Pi. من أجل التحكم في المنفذ التسلسلي لـ Pi ، نحتاج إلى إجراء بعض التكوين أولاً.

قم بتشغيل Raspberry Pi الخاص بك باستخدام صورة Raspbian قياسية. الآن قم بتغيير الملف "/boot/cmdline.txt" من:

"dwc_otg.lpm_enable = 0 وحدة تحكم = ttyAMA0، 115200 kgdboc = ttyAMA0، 115200 console = tty1 root = / dev / mmcblk0p2 rootfstype = ext4 Elevator = الموعد النهائي rootwait"

إلى:

"dwc_otg.lpm_enable = 0 وحدة تحكم = tty1 root = / dev / mmcblk0p2 rootfstype = ext4 Elevator = الموعد النهائي rootwait"

عن طريق إزالة القسم الذي تحته خط من النص.

ثانيًا ، تحتاج إلى تعديل الملف "/ etc / inittab" ، من خلال التعليق على السطر الثاني في القسم التالي:

# نشر صورة getty على سطر Raspberry Pi التسلسلي T0: 23: respawn: / sbin / getty -L ttyAMA0 115200 vt100"

بحيث تقرأ:

# انشر a getty على السطر التسلسلي Raspberry Pi # T0: 23: respawn: / sbin / getty -L ttyAMA0 115200 vt100

وأعد تشغيل Pi. الآن يجب أن يكون المنفذ التسلسلي مجانيًا للتواصل معه كما يحلو لك. حان الوقت لتوصيل وحدة GSM. ألق نظرة على مخطط الدائرة في الخطوة السابقة والصور أعلاه لترى كيف يتم ذلك. بشكل أساسي ، يتم توصيل TX بـ RX و RX متصل بـ TX. يوجد في Raspberry Pi TX و RX GPIO 14 و 15 على التوالي.

الآن ، ربما تريد التحقق من عمل هذه الوحدة ، لذا دعنا نحاول إرسال رسالة نصية! لهذا تحتاج إلى تنزيل Minicom. إنه برنامج يتيح لك الكتابة إلى المنفذ التسلسلي. يستخدم:

"sudo apt-get install minicom"

بمجرد تثبيته ، يمكن فتح minicom بالأمر التالي:

"minicom -b 9600 -o -D / dev / ttyAMA0"

9600 هو معدل الباود و / dev / ttyAMA0 هو اسم المنفذ التسلسلي لبي. سيؤدي هذا إلى فتح محاكي طرفي يظهر فيه كل ما تكتبه على المنفذ التسلسلي ، أي يتم إرساله إلى وحدة GSM.

أدخل بطاقة sim الخاصة بك في وحدة GSM واضغط على زر الطاقة. بعد ذلك يجب أن يأتي مصباح أزرق. تستخدم وحدة GSM مجموعة أوامر AT ، وإليك الوثائق إذا كنت مهتمًا حقًا. نتحقق الآن من أن Raspberry Pi قد اكتشف الوحدة بالأمر التالي:

"في"

يجب أن تستجيب الوحدة بعد ذلك بـ:

"نعم"

رائعة! ثم نحتاج إلى تكوين الوحدة لإرسال رسالة نصية كنص بدلاً من ثنائي:

"AT + CMGF = 1"

مرة أخرى يجب أن يكون الرد "موافق". الآن نكتب الأمر لإرسال رسالة نصية قصيرة SMS:

"AT + CMGS =" 44 ************* "" ، استبدل النجوم برقمك.

المودم مع الرد بـ ">" وبعد ذلك يمكنك كتابة رسالة لك. لإرسال الرسالة اضغط. هذا كل شيء ، وبأي حظ ، تلقيت للتو رسالة نصية مباشرة من Raspberry Pi الخاص بك.

حسنًا ، بعد أن علمنا أن وحدة GSM تعمل ، يمكنك إغلاق minicom ؛ لن نحتاجه لبقية المشروع.

الخطوة 4: تنزيل البرنامج والتشغيل الجاف

في هذه المرحلة ، يجب أن يكون كل شيء موصلاً بالأسلاك وجاهزًا للاختبار للتشغيل الجاف. لقد كتبت برنامج python بسيطًا جدًا يأخذ قراءات من كل مستشعر ثم يرسل النتائج إلى هاتفك المحمول. يمكنك تنزيل البرنامج بالكامل من صفحة PiJuice Github. يمكن أن يكون الوقت مناسبًا الآن للاختبار باستخدام وحدة PiJuice. يتم توصيله فقط بجهاز GPIO الخاص بـ Raspberry Pi ، ويتم توصيل جميع الأسلاك المتصلة بـ Pi مباشرةً في مخارج المسامير المقابلة على PiJuice. سهل مثل Pi. لتنزيل الكود ، استخدم الأمر:

git clone

تم إعداد هذا لإرسال البيانات مرة واحدة في اليوم. لأغراض الاختبار ، هذا ليس رائعًا ، لذا قد ترغب في تحرير البرنامج. يتم القيام بذلك بسهولة ؛ فقط افتح الملف "sudo nano weatherstation.py". بالقرب من الجزء العلوي يوجد قسم "تعيين التأخير". قم بتعليق السطر "delay = 86400" وإلغاء التعليق "delay = 5". الآن سيتم إرسال النتائج مرة واحدة كل 5 ثوان. ستحتاج أيضًا إلى تغيير البرنامج بحيث يحتوي على رقم هاتفك المحمول. ابحث عن المكان المكتوب فيه "+44 **********" واستبدل النجوم برقمك الخاص.

قبل تشغيل البرنامج ، ستحتاج فقط إلى تنزيل مكتبة لقراءة مستشعر الرطوبة DHT22:

git clone

وتحتاج المكتبة إلى التثبيت:

"cd Adafruit_Python_DHT"

"sudo apt-get update"

"sudo apt-get install build-basic python-dev"

"sudo python setup.py install"

رائع ، الآن يمكنك اختبار البرنامج.

"sudo python weatherstation.py"

أثناء تشغيل البرنامج ، يجب إرسال النتائج إلى هاتفك المحمول ولكن يتم طباعتها أيضًا في الجهاز كل 5 ثوانٍ.

الخطوة الخامسة: بناء الدائرة

الآن بعد أن أصبح كل شيء يعمل عمليًا ، حان الوقت لبناء الشيء الحقيقي. تُظهر الصور الفكرة العامة لكيفية انسجام الوحدة بأكملها معًا. هناك نوعان من الوحدات السكنية المنفصلة. واحد لدائرة الاستشعار (التي ستحتوي على فتحات للسماح للهواء بالدوران في الداخل) والآخر لوحدة Raspberry Pi ووحدة GPRS و PiJuice (مانعة لتسرب الماء تمامًا) سيتم توصيل اللوحة الشمسية بوحدة الحوسبة مع تقاطع ضيق للماء. يمكن بعد ذلك فصل الوحدتين بسهولة بحيث يمكن إزالة غلاف المستشعر أو حاوية الحوسبة دون الحاجة إلى إنزال الوحدة بأكملها. يعد هذا أمرًا رائعًا إذا كنت ترغب في إضافة المزيد من المستشعرات أو إذا كنت بحاجة إلى Raspberry Pi أو PiJuice لمشروع آخر.

ستحتاج إلى كسر اللوحة الأولية لتلائم داخل صندوقي التوصيل الأصغر حجمًا. هذا هو المكان الذي توجد فيه دائرة الاستشعار. يتم الآن نقل دائرة الاستشعار من اللوح إلى اللوح الأولي. الآن سوف تحتاج إلى القيام ببعض اللحام. تأكد من أنك مرتاح لاستخدام مكواة اللحام بأمان. إذا لم تكن متأكدًا ، فاطلب المساعدة من شخص ما لديه خبرة في اللحام.

شكراً جزيلاً لباتريك في المختبر هنا ، الذي أنقذني من عمل تجزئة حقيقية لهذه الدائرة. لقد تمكن من ضربها معًا في غضون دقائق! إذا لم تكن ، مثلي ، الأفضل في دوائر البناء ، ولم يكن لديك عبقري مثل باتريك مستعد لمساعدتك ، فيمكنك دائمًا ترك الدائرة على لوح التجارب ، طالما أنها تناسب صندوقك الكهربائي.

الخطوة السادسة: تجهيز الوحدات السكنية

هذا الجزء حيث يصبح ممتعًا حقًا. ربما لاحظت الحلقات على كل صندوق. تم تصميمها بحيث يتم إخراجها بحيث يمكن أن تصبح الصناديق تقاطعات للكهرباء. سنستخدمها للتوصيل بين وحدة الاستشعار ووحدة الحوسبة ، للتوصيل باللوحة الشمسية وأيضًا كتهوية لوحدة الاستشعار للسماح بتدوير الهواء.

قم أولاً بإخراج ثقب واحد في كل مربع للاتصال بين الاثنين ، كما هو موضح في الصور. قد يكون التخلص من الثقوب أمرًا صعبًا للقيام به بدقة ، لكن الحافة الخشنة لا تهم. لقد وجدت أن أفضل طريقة هي استخدام مفك لولبي لاختراق الحلقة ذات المسافة البادئة أولاً حول كل ثقب ، ثم نزعها مثل غطاء من الصفيح. ثم يتم استخدام موصل الكابل المقاوم للماء لتوصيل الصندوقين.

بعد ذلك ، ستحتاج إلى عمل ثقب آخر في حاوية الحوسبة لسلك اللوحة الشمسية. ثم يتم توصيل هذا الثقب بأحد حلقات الكابلات شبه العمياء. قبل أن تضع جروميت في ثقب ثقب فيه حتى يمر الكابل. يجب أن يكون هذا صغيرًا قدر الإمكان لإبقائه مانعًا للماء ، ثم ادفع طرف USB الصغير عبر الفتحة (هذه هي النهاية التي تتصل بـ PiJuice).

أخيرًا ، يجب عمل ثقب إضافي في وحدة الاستشعار للسماح للهواء بالدخول والخروج. لقد قررت أن أذهب إلى الجامع المقابل مباشرة للتقاطع بين الصندوقين. قد يكون من الضروري إضافة حفرة ثانية. أعتقد أننا سنكتشف بعد بعض الوقت باستخدام محطة الطقس.

الخطوة السابعة: توصيل الكهرباء والانتهاء من محطة الأرصاد الجوية

صحيح ، هناك تقريبًا. المرحلة الأخيرة هي ربط كل شيء.

بدءا من وحدة الحوسبة. في هذا المربع لدينا Raspberry Pi و PiJuice الذي يتصل بـ Raspberry Pi GPIO ووحدة GSM التي تتصل بفتحة GPIO على PiJuice عبر أسلاك توصيل أنثى إلى أنثى. لطيف ومريح! في هذه المرحلة ، من المحتمل أن أنصح بوضع نوع من السدادة حول نقطة الدخول لكابل USB للوحة الشمسية. من المحتمل أن يعمل نوع من الراتينج أو الغراء الفائق.

ثم انتقل إلى وحدة الاستشعار. في الصورة من أعلى إلى أسفل الأسلاك ؛ الرمادي والأبيض والأرجواني والأزرق هي خطوط بيانات SPI ، والأسود أرضي ، والبرتقالي 3.3 فولت ، والأحمر 5 فولت والأخضر GPIO 4. ستحتاج إلى العثور على أسلاك توصيل لتوصيلها ثم إدخالها من خلال كابل مقاوم للماء موصل كما يظهر في الصور. ثم يمكن توصيل كل سلك بـ GPIO المقابل ويمكن شد الموصل. من السهل في هذه المرحلة أن ترى كيف يمكن تحسين التصميم ؛ لن يتعرض LDR لقدر كبير من الضوء (على الرغم من أنه قد يكون من المفيد معرفة القيم النسبية ، وقد يساعد التخلص من ثقب إضافي) ، أعتقد أنه سيكون من الأفضل استخدام نفس حجم وحدة الحوسبة مربع لوحدة الاستشعار أيضًا ، سيكون من الأسهل وضع لوحة الدائرة في الصندوق وستكون هناك مساحة للعب بترتيبات مختلفة.

لقد وضعته في الحديقة الآن ، كما ترون في الصور. آمل أن أتمكن في الأيام القليلة القادمة من نشر بعض النتائج أيضًا! وكما قلت سابقًا ، إذا كان لديك أي أفكار لبعض المشاريع الرائعة ، فأخبرني بذلك!