PCB設計的太陽能WiFi氣象站V2.0

這個項目是我早期?氣象站?項目的延續。它在網絡上非常流行，全球各地的人們都通過關注它并提供有價值的反饋來改進它。考慮到我早期項目的評論和問答部分，我決定制作這個新版本的氣象站。我還為這個項目制作了一個定制的 PCB，所以任何對電子電路知之甚少的人都可以制作這個項目。我的 V-2.0 PCB 也可用于 Arduino 平臺中的許多應用。以下是新氣象站的顯著特點。

?

特征：

1.連接Wi-Fi，將數據上傳到網絡（Blynk App和Thingspeak）

2.監測天氣參數，如溫度、壓力、濕度、海拔和紫外線水平等。

3. 額外端口以添加更多傳感器

4. 遠程電池狀態監測

5. 使用強大的鋰離子電池（3400 mAh）和太陽能電池板（1W）

6. 獨立于外部電源

7.可安裝在偏遠地點或地理上具有挑戰性的環境中

8.太陽能供電，是一種環保設備。

?

購買電路板：

您可以從PCBWay購買單個套件中的 PCB 和所有組件?

注意：套件中不包含電池和 3D 打印外殼

?

使用的組件：

?

1. Wemos D1 Mini Pro（Banggood ?/?亞馬遜?）

2. TP 4056 充電板（?亞馬遜?）

3. BME 280 傳感器（?亞馬遜?/? Bangood ?）

4. BMP280（?邦古德?/?亞馬遜?）

5. DS18B20 傳感器（?亞馬遜?）

6.開關（亞馬遜）

7.螺絲端子（? Banggood）

8. PCB 支架（?亞馬遜?）

9. 18650電池（?亞馬遜）

10.18650 電池座（? Banggood ?/?亞馬遜）

11.太陽能電池板（?邦古德?）

12. 直頭針（?亞馬遜?）

13. 22 AWG 線（?亞馬遜?）

14.超級膠水（?亞馬遜?）

15. 3D打印燈絲-PLA（? GearBest ?）

?

?電源

?

?

我的計劃是將氣象站部署在偏遠的地方（我的農舍）。要連續運行氣象站，必須有持續的電源，否則系統將無法工作。為電路提供持續供電的最佳方式是使用電池。但是幾天后電池電量就會耗盡，去那里充電是一項非常困難的工作。因此，提出了一種太陽能充電電路，讓用戶可以從太陽中釋放能量來為電池充電并為 Wemos 板供電。我使用的是 18650 鋰離子電池。

電池通過 TP4056 充電模塊從太陽能電池板充電。TP4056模塊自帶電池保護芯片或不帶保護芯片。我建議購買一個包含電池保護芯片的模塊。

?

通過 BMP/E280 監測溫度和濕度

?

?

在早期，環境溫度、濕度和氣壓等天氣參數是使用單獨的模擬儀器測量的：溫度計、濕度計和氣壓計。但今天市場上充斥著廉價而高效的數字傳感器，可用于測量各種環境參數。最好的例子是 DHT11、DHT 22、BMP180、BMP/E280 等傳感器。

在這個項目中，我們將使用 BMP280 / BME280 傳感器。

?

BMP 280：

BMP280 是一款精密傳感器，可以非常準確地測量氣壓和溫度，并具有合理的精度。BME280 是博世的下一代傳感器，是 BMP085/BMP180/BMP183 的升級產品 - 具有 0.25m 的低海拔噪聲和相同的快速轉換時間。該傳感器的優勢在于它可以使用 I2C 或 SPI 與微控制器通信。為了簡單方便的接線，我建議購買I2C版板。

?

BME280：

新型 BME280 傳感器，一種具有溫度、氣壓和濕度的環境傳感器。BME280 是博世的下一代傳感器，是 BMP280 的升級版。博世的這款精密傳感器是最佳的低成本傳感解決方案，用于測量精度為 ±3% 的濕度、絕對精度為 ±1 hPa 的氣壓以及精度為 ±1.0°C 的溫度。它可用于 I2C 和 SPI。

?

注意：? BME280 可以測量濕度，但 BMP280 不能。在市場上，BMP280 也有 BME280 的名稱。所以要確定是BMP280還是BME280。

?

用于更多傳感器的附加端口

?

氣象站 V2.0 板有 5 個額外的端口來連接更多的氣象傳感器。以下附加傳感器可以輕松連接：

?

1. GY-1145傳感器：?用于測量紫外線指數

?

SI1145 是一款帶有校準的紫外線傳感元件的傳感器，可以計算紫外線指數。它可以通過 I2C 通信（地址 0x60）進行通信。您可以將此傳感器連接到板上的 I2C 端口，該端口位于電源開關的一側。

您可以閱讀?本文?以了解有關此傳感器的更多信息。

?

2. HDC1080：?用于測量溫度和濕度

?

HDC1080 是一款帶有集成溫度傳感器的數字濕度傳感器，可在極低功耗下提供出色的測量精度。它還可以通過 I2C 通信進行通信。

您可以閱讀?本文?以了解有關此傳感器的更多信息。

?

3. DS18B20：?用于測量溫度

它可以用最少的硬件和接線來測量溫度。這些傳感器使用數字協議將準確的溫度讀數直接發送到您的開發板，無需模數轉換器或其他額外硬件。它使用單線協議與微控制器通信。它可以連接到位于 Wemos 板右側的板上的端口 P2 中。

?

您可以閱讀?本文?以了解有關此傳感器的更多信息。

?

使用外部天線 ( 3dBi )

?

?

?

?

?

Wemos D1 mini Pro 板具有內置陶瓷天線以及連接外部天線以提高范圍的規定。在使用外接天線之前，您必須將天線信號從內置陶瓷天線重新路由到外接插座。這可以通過旋轉小型表面貼裝 (0603) 零歐姆電阻器（有時稱為鏈接）來完成。

你可以看到上面的圖片，我是怎么做到的。

?

您還可以觀看?Alex Eamesto 制作的視頻?，以旋轉零歐姆電阻。然后將天線 SMA 連接器卡入 Wemos Pro 迷你天線插槽。

?

監控電池電壓

?

氣象站由 18650 鋰離子電池供電，因此監測其狀態非常重要。Wemos 板的最大輸入電壓約為 3.2~3.3V，但充滿電的 18650 電池電壓為 4.2V。所以要測量這個電壓，我們必須通過使用分壓器網絡來降低電壓。

?

Wemos D1 mini 已經有一個內部分壓器，將 A0 引腳連接到 ESP8266 芯片的 ADC。分壓器由220k（R1）和100k（R2）組成。因此，我們必須添加一個帶有內置 220k 電阻的外部電阻來讀取電池電壓。通過使用 100k 電阻，我們可以測量電池的最大電壓，但要留出一些余量，選擇 220k 電阻。它在 PCB 板上被命名為 R1，位于電池座的正上方。

要選擇分壓器電阻值，您可以使用此在線?計算器。

您還可以閱讀?這篇?關于電池電壓監控的文章。

?

?實現深度睡眠模式

?

?

?

我們氣象站中使用的 Wemos 板的核心是 ESP8266 SOC，它是一個耗電的芯片。我們的目標是使用 18650 電池運行設備，但對電力的需求通常使電池操作不切實際。

另一個問題是，由于設備會持續運行，很明顯設備會發熱，因此測得的溫度會高于環境溫度。

?

從上面可以看出，我們必須降低 ESP8266 WiFi 芯片的功耗。為此，我們將使用?深度睡眠模式?，這是 ESP 芯片最省電的選項。它允許將 ESP8266 置于休眠狀態并節省電池。您可以定期喚醒它以進行測量并發布它們。

?

組件操作模式-----睡眠模式

1. ESP8266 170 mA -------- 10 uA

2. CH340 12 mA --------- 50 uA

3. 內置 LED 3 mA ----------- 0 uA

4. 電壓監控 0.006 mA ----- 6 uA

----------------------------------

總計185 mA ?---- ?66 uA

?

如果睡眠-喚醒周期為 10 分鐘，喚醒時間為 30 秒，則能耗預算如下所示：

喚醒時間 185 mA 0.5 分鐘 = 92.5 mA 分鐘

睡眠時間 0.066 mA 9.5 分鐘 = 0.627 mA 分鐘

10 分鐘總計 = 93.13 mA 分鐘

因此，平均電流消耗為 9.3 mA。

?

選擇太陽能電池板

?

?

?

?

從上一步得出，平均電流消耗為 9.3 mA

運行設備一整天所需的電量 = 9.3 mA x 24 小時 = 223.2 mAh

WeMos 中使用的線性穩壓器沒有電流增益，因此在 3.3V 下使用的任何電流都會在 3.7V 或任何電池電壓下產生相同的電流。

?

日照量根據您所在的地球的哪個部分而有所不同。要了解您所在地區的日照量，您可以使用?Global Solar Atlas。考慮到最少 1 小時的充足陽光，我們將選擇太陽能電池板。

?

因此，我們的目標是在 1 小時內產生 223.2 mAh。

要為 3.7V 鋰離子電池充電，電壓為 5 至 6V 的太陽能電池板就足夠了。

所需的太陽能電池板額定值 = 223.2 mA，電壓約為 5 至 6 伏。

太陽能電池板額定值 = 223.2mA x 5V = 1.1W

太陽能電池板選擇：1W / 5V 至 6V

?

在這個項目中，我使用了 5V、200mA 太陽能電池板（99 x 69 毫米）

因此，即使在高緯度地區的冬季，一個 1W 的面板也足以運行該項目。

?

注意：?如果您的位置接收到充足的陽光，那么我在早期版本中使用的 0.66W 太陽能電池板也可以使用。

?

PCB設計

?

?

?

?

?

?切換到PCB布局后，我使用?EasyEDA在線軟件繪制了原理圖。

您在原理圖中添加的所有組件都應該在那里，彼此堆疊，準備好放置和布線。通過抓住其焊盤來拖動組件。然后將其放在矩形邊界線內。

?

以使電路板占用最小空間的方式排列所有組件。電路板尺寸越小，PCB制造成本就越便宜。如果此板上有一些安裝孔以便可以將其安裝在外殼中，那將很有用。

現在你必須路由。路由是整個過程中最有趣的部分。這就像解決一個難題！使用跟蹤工具，我們需要連接所有組件。您可以同時使用頂層和底層以避免兩個不同軌道之間的重疊并使軌道更短。

?

您可以使用 Silk 層將文本添加到板上。此外，我們可以插入圖像文件，因此我在我的網站徽標上添加了一個圖像以打印在板上。最后使用銅區域工具，我們需要創建 PCB 的接地區域。

現在 PCB 已準備好進行制造。

?

PCB制造

?

?

完成 PCB 設計后，我們只需單擊“Gerber 輸出”按鈕，保存項目，我們就可以下載用于制造 PCB 的 Gerber 文件。

?

組裝印刷電路板

?

?

?

?

從 PCB 工廠收到電路板后，您必須焊接組件。

對于焊接，您將需要一個像樣的烙鐵，焊錫，鉗子。

首先，我切割了 Wemos Board、TP4056、BMP/E 280 和所有端口的直公母頭針。

?

以下是有關標頭的詳細信息：

1. Wemos 板 - 2 x 8pins 母頭

2. BMP280 - 1 x 6pins 母頭

3. I2C 端口 - 1 x 4pins

4. 端口 P1 - 1 x 4pins

5. 端口 P2- 1 x 3pins

6. 端口 P3- 1 x 4pins

7. 端口 P4- 1 x 3 針

?

根據元件的高度焊接元件是一種很好的做法。首先焊接高度較低的組件。

我已經開始焊接電阻器、開關，然后轉向更大的組件，如插頭銷、螺絲端子和電池座。

?

添加模塊和電池

?

?

?

組裝好插頭引腳、開關和螺絲端子后，就可以將電路板插入各自的插頭了。接頭在 PCB 上清晰標記，因此不會混淆。

首先，我放置 TP4056 板并焊接所有焊盤。

然后我添加了 Wemos 板和 BME280 傳感器。

最后，我將18650電池插入電池座。

?

?安裝支架

?

?

?

?

添加所有部件后，將支架安裝在 4 個角上。我使用了 M3 黃銅六角支架。

使用支架將為焊點和電線提供足夠的離地間隙。

?

3D打印外殼

?

?

?

?

為了給商業產品一個漂亮的外觀，我為這個項目設計了一個外殼。我使用 Autodesk Fusion 360 來設計外殼。

外殼有兩部分：

一、主體

2. 蓋子

?

主體基本設計為適合氣象站 V2.0 PCB (85mm* 83mm)。

罩蓋用于蓋住主體開口。

我使用我的 Creality? CR-10?打印機和 1.75 毫米綠色 PLA 燈絲來打印零件。我花了大約 11 個小時來打印主體，大約 3 個小時來打印頂蓋。

?

我的設置是：

打印速度：60 毫米/秒

層高：0.2mm（0.3也可以）

填充密度：25%

擠出機溫度：200℃

床溫：60攝氏度

?

從Thingiverse下載 STL 文件?

?

您還可以查看由?3KU_Delta設計的外殼。

?

從Thingiverse下載他設計的 STL 文件?

?

將 PCB 放入外殼內

?

?

?

?

首先，將 MF 六角支座插入外殼的四個安裝槽中。

然后通過對齊角落處的四個螺絲孔將 PCB 板固定在支架上。

插入四個支架后，由于小錯位，我很難固定 PCB。所以我正在考慮修改安裝支架以直接固定 3M 螺釘而不是六角支架。

?

安裝組件

?

?

?

?

安裝 PCB 后，您必須安裝 BME280 模塊和 Wemos 板。

然后插入跳線 JP2。

將 SMA 連接器插入外殼中提供的孔中。然后連同墊圈一起擰緊螺母。現在通過與 SMA 連接器正確對齊來安裝天線。

最后將18650電池放入電池座內。確保您必須以正確的極性插入。極性標記在電池座、PCB 以及電池上。

?

3D 打印史蒂文森屏幕

?

?

?

?

?

?

我的外殼設計是一個看起來不錯的外殼，但它不適合氣象站。放置天氣傳感器的理想外殼是史蒂文森屏幕。史蒂文森屏幕是天氣傳感器的??外殼，可防止雨水和來自外部的直接熱輻射，同時仍允許空氣在它們周圍自由循環。

太陽能氣象站 V2 的史蒂文森屏幕是由我的朋友?格倫設計的。這有一個簡單的壁掛架和一個兩部分的蓋子，用于隔離太陽能電池板的熱傳遞。我真的很欣賞他的工作。

?

您可以從Thingiverse下載 .STL 文件?

?

您可以觀看上述 3D 打印史蒂文森屏幕組裝視頻。

視頻來源： digiblurDIY

?

提示：?用噴漆劑噴涂完全組裝好的 PCB??以保護電路板和組件，但您確實需要在 BME280 溫度傳感器孔上貼一點膠帶以免堵塞它。

?

與 Blynk 應用程序的接口

?

?

?

第 1 步：下載 Blynk 應用程序

1.?安卓版

2. 對于?iPhone

?

步驟 2：獲取 Auth Token

為了連接 Blynk App 和您的硬件，您需要一個 Auth Token。

1. 在 Blynk App 中創建一個新帳戶。

2. 按頂部菜單欄上的 QR 圖標。通過掃描上面顯示的二維碼創建該項目的克隆。一旦成功檢測到，整個項目將立即在您的手機上。

我制作了 Sol 氣象站應用程序。歡迎您試用！

要開始使用它： 1. 下載 Blynk 應用程序：http://j.mp/blynk_Android 或 http://j.mp/blynk_iOS 2. 觸摸二維碼圖標并將相機對準下面的代碼 3. 享受我的應用程序！

3. 項目創建后，我們將通過電子郵件向您發送 Auth Token。

4. 檢查您的電子郵件收件箱并找到 Auth Token。

?

第 3 步：為 Wemos 板準備 Arduino IDE

要將 Arduino 代碼上傳到 Wemos 板，您必須遵循這個?Instructables

?

第 4 步：Arduino 草圖

安裝上述庫后，粘貼下面給出的 Arduino 代碼。

輸入步驟 1 中的驗證碼、ssid 和路由器的密碼。

然后上傳代碼。

?

將傳感器數據上傳到 ThingSpeak

?

?

?

首先，在?ThingSpeak上創建一個帳戶。

?

然后在您的 ThingSpeak 帳戶上創建一個新頻道。

了解如何創建新通道填充字段 1 作為壓力，字段 2 作為溫度，字段 3 濕度，字段 4 作為海拔高度，字段 5 作為電池電壓。

?

在您的 ThingSpeak 帳戶中選擇“頻道”，然后選擇“我的頻道”。

點擊您的頻道名稱。

單擊“API Keys”選項卡并復制“Write API Key”

打開 Solar_Weather_Station_ThingSpeak 代碼。

將“WRITE API”替換為復制的“Write API Key”。

?

你可以看到我的?直播。

軟件和庫

?

?

?

要將 Wemos D1 與 Arduino 庫一起使用，您必須使用支持 ESP8266 板的 Arduino IDE。如果您還沒有這樣做，您可以按照 Sparkfun 的本?教程輕松將 ESP8266 Board 支持安裝到您的 Arduino IDE ?。

以下設置更可?。?/font>

  App =  ;