Stacja pogodowa (kolejna) - Raspberry Pi 4B + kamera

[AntekBezak]

Z dumą prezentuję moje najnowsze dzieło - kolejna stacja pogodowa:

Założenia projektu

Projekt nie powstał z żadnej konkretnej przyczyny poza chęcią stworzenia nowego urządzenia. Padło na stację pogodową. Zaplanowałem pomiar następujących wartości:

• temperatura
• wilgotność
• ciśnienie
• prędkość wiatru
• kierunek wiatru

Dodatkowo na pokładzie znalazła się również kamera z podglądem podwórka na żywo.

Komponenty elektroniczne

Najważniejszym elementem stacji jest Raspberry Pi 4B sterujące całością. Wybrałem je ze względu na możliwość stworzenia interfejsu w Node-RED oraz łatwą integrację z kamerą. Z perspektywy czasu uważam, że ESP byłoby tańszym rozwiązaniem, ale lepiej znam RPi, miałem je akurat w warsztacie i oferuje ono zdalny dostęp przez VNC (dzięki temu nie muszę biegać z komputerem na dwór za każdym razem, gdy chcę zaktualizować kod w stacji).

Jako kamery użyłem klona popularnego modelu kamerki do RPi. Pomiarem temperatury, wilgotności oraz ciśnienia zajmuje się czujnik BME280 (bardzo się cieszę, że udało się to wszystko znaleźć w jednym module). Czujniki prędkości i kierunku wiatru postanowiłem wykonać samodzielnie – było to spore wyzwanie, dlatego omówię je szerzej poniżej.

---

Wyzwanie #1: wodoodporność RPi i kamery

Każdy, kto budował stację pogodową, musiał się zmierzyć z tym problemem. Urządzenie nie może być w pełni hermetyczne, ponieważ wtedy dane dotyczące wilgotności, ciśnienia i temperatury byłyby zakłamane. Jednak zwyczajne wystawienie czujników za okno również nie wchodzi w grę – elektronika i wilgoć to złe połączenie.

Początkowo planowałem zrobić dwie komory: szczelną dla RPi i kamery oraz z kratkowanym dnem dla BME280. Pomysł ten, mimo moich starań, nie sprawdził się – nie byłem w stanie powstrzymać wilgoci przed dostawaniem się do „szczelnej” komory. Ostatecznie komory zostały połączone, a RPi i kamerę pokryłem lakierem PVB 16. Jak dotąd ten patent działa bez zarzutu. Obudowa została zaprojektowana tak, aby zapobiegać bezpośredniemu opadowi deszczu na komponenty oraz wlewaniu się wody do środka – więc jedyna wilgoć, jaka się tam dostaje, to ta z powietrza.

---

Wyzwanie #2: konstrukcja czujników wiatru

Było to trudne zagadnienie, choćby ze względu na ruchome elementy, które oczywiście trudniej zaprojektować niż zwykłą, nieruchomą obudowę. Dodatkowo całość musiała być szczególnie wodoodporna, ponieważ te komponenty są umieszczone poza główną obudową. Połączenie tych wymagań było ciekawym wyzwaniem.

Ostatecznie zdecydowałem się na projekt wykorzystujący czujniki magnetyczne. Czujnik kierunku wiatru składa się z elementu, który nazywam „kogutem”, ustawiającego się w kierunku, z którego wieje wiatr, oraz z małej obudowy na dole. Na osi koguta umieściłem nieduży magnes neodymowy, a pod nim – enkoder magnetyczny AS5600. Pozwoliło mi to na kompletne zanurzenie enkodera w kleju na gorąco – dzięki temu na zewnątrz zostały jedynie elementy nieelektroniczne.

Wszystkie metalowe części są aluminiowe, z wyjątkiem łożyska wykonanego ze stali nierdzewnej – mam nadzieję, że to powstrzyma rdzę. Muszę niestety przyznać, że ten element sprawił mi trochę problemów (kabel się odlutował po wyniesieniu stacji na dwór i zamontowaniu na płocie – nie miałem nerwów tego naprawiać), więc na dzień dzisiejszy nie działa. Jest to jednak wartość, na której najmniej mi zależy. Możliwe, że kiedyś go uruchomię.

Czujnik prędkości wiatru działa w podobny sposób. Umieściłem czujnik Halla w małej obudowie pod turbiną i zalałem go klejem na gorąco, a na turbinie umieściłem magnes neodymowy. Pomiar czasu obrotu pozwala na obliczenie prędkości wiatru.

Najwięcej problemów z całego projektu sprawiło mi projektowanie turbiny. Chciałem, by działała zarówno przy wysokich prędkościach (>100 km/h), jak i reagowała na słabsze podmuchy. Po wielu iteracjach projektu w końcu trafiłem na taki, który spełnia te oczekiwania. Postarałem się przede wszystkim o zmniejszenie tarcia – zrezygnowałem z konwencjonalnego łożyska na rzecz wydrukowanego w 3D ostro zakończonego elementu umocowanego na końcu aluminiowej rurki. Na koniec tego obiektu nakłada się wgłębienie w turbinie i w ten sposób turbina „wisi” na rurce. Z testów wynika, że najniższa prędkość mierzona przez tę turbinę wynosi około 5 km/h. Zdaję sobie sprawę, że nie jest to rozwiązanie idealne, jednak uznałem, że to najlepsze, co w moich warunkach mogę osiągnąć. W końcu dane te nie służą żadnym profesjonalnym zastosowaniom, a jedynie zaspokojeniu mojej ciekawości.

---

Dostęp do danych

Czyli to, co otrzymuje użytkownik. Do danych zebranych przez stację można uzyskać dostęp przez przeglądarkę – nie wychodząc z domu. Na głównym panelu widoczne są aktualne dane, aktualizowane co 10 sekund. Jest również zakładka z wykresami, wizualizującymi zmiany poszczególnych wartości w ciągu dnia.

Najciekawsza jest zakładka z wykresami z całego czasu działania stacji od ostatniego restartu (na ilustracji widać tylko dane z kilku dni – parę dni temu w mojej wsi podczas burzy nastąpiła przerwa w dostawie prądu). Resetowanie tych wykresów nie oznacza utraty danych zebranych do tej pory. Są one dostępne w pliku CSV do pobrania, a dane w tym pliku sięgają pierwszego udanego uruchomienia stacji.

---

Co bym zmienił, zaczynając od nowa?

Tylko jedna rzecz przychodzi mi od razu do głowy: na pewno drugi raz nie umieściłbym głównego komputera w stacji – raczej byłby on w domu, połączony przewodami z czujnikami na zewnątrz. Oczywiście nie jest to projekt idealny, jednak zupełnie wystarcza do moich potrzeb i mimo że efekt różni się nieco od pierwotnej koncepcji, jestem z niego zadowolony.

[ethanak]

A propos głównego rpi w domu... może jakiś tani ESP32C3 na zewnątrz i połączenie przez wifi/espnow z rpi? 

[AntekBezak]

24 minuty temu, ethanak napisał:

A propos głównego rpi w domu... może jakiś tani ESP32C3 na zewnątrz i połączenie przez wifi/espnow z rpi? 

O, to jest bardzo dobry pomysł. Właśnie z RPi w domu byłby problem z kablami, ale to brzmi dobrze. Tylko musiałbym większej biegłości z tym ESP nabrać, dopiero niedawno zacząłem.

[ethanak]

No to XIAO na zewnątrz i jakiś zero/mini jako odbiornik espnow przy rpi. To wcale nie jest jakaś magia, na randomnerdsach masz chyba wszystkie przykłady.

[AntekBezak]

24 minuty temu, ethanak napisał:

No to XIAO na zewnątrz i jakiś zero/mini jako odbiornik espnow przy rpi. To wcale nie jest jakaś magia, na randomnerdsach masz chyba wszystkie przykłady.

Pewnie możnaby to na kilka sposobów rozwiązać, bardzo ciekawa koncepcja. Możliwe że kiedyś przy jakiejś innej stacji (a może nawet przy tej) wprowadzę ją w życie.

[orb777]

Wygląda dobrze. Obudowę drukowałeś (a z czego)?

[AntekBezak]

10 minut temu, orb777 napisał:

Wygląda dobrze. Obudowę drukowałeś (a z czego)?

Dzięki, używałem głównie PETG. Wiem, pewnie coś bardziej wytrzymałego na warunki atmosferyczne byłoby lepsze, ale to akurat miałem i sprawdza się od jakiegoś miesiąca. Zobaczymy jak będzie później.