Погодная станция с датчиком облачности своими руками (для неопытных)

[БорисЕ]

Для полноценной работы удаленной обсерватории (про мою подробнее тут) желательно иметь возможность в автоматическом режиме мониторить погодные условия во время съемки (мечта - запустить автоматическую программу съемки и идти спать будучи уверенным, что в случае затягивания неба и начала дождя обсерваторию сама закроется).

Однако цены на готовые решения совсем негуманны, и для небольшой бюджетной обсерватории не слишком оправданы (в том смысле, что вложение тысячи долларов в датчик облачности, когда вы пытаетесь сэкономить 500 на монтировке и/или камере, не совсем разумно).

Изучив теорию вопроса и сформулировав минимальные требования, я решил собрать такую штуку самостоятельно. Ниже подробное описание, что из этого получилось и как (если кому интересно) это можно повторить самостоятельно.

Сразу прошу не ругать за возможно дилетантский подход к делу, т.к.
а) В электронике я понимаю не больше закона Ома, а паять до сих пор не умею
б) Руки у меня не совсем оттуда растут не только в части электроники

Да, и чтобы не читать очень много, сразу скажу основные итоги:
- такая станция без доп наворотов обошлась мне в 99$ (все детали покупал на ebay, цены на начало 2013 года)
- она может передавать даные как в интернет, так и на компьютер
- собрать ее может любой человек с терпением


Что должна уметь измерять станция
Минимальные требования к астрономической погодной станции:
1. Датчик облачности
2. Датчик дождя
3. Сила ветра
4. Прочие датчики (температура, давление, влажность, …)

Ниже решения по каждому пункту, но перед этим – к чему это все нужно подключать.

Микроконтроллер
На начальном этапе я понимал, что мне нужно что-то, куда все эти датчики подключать и называется это микроконтроллером.
Если хорошо погуглить, то есть готовые схемы как спаять контроллер обсерватории за 300$ - я вдохновлялся Open Observatory Control System (OOCS) Project, но на такое моих умений не хватило бы. Поэтому посоветовавшись со старшими товарищами (такой совет мне дал когда-то Олег Милантьев) и прочитав подробнее про Arduino, я понял – это мое.

Для таких как я:  Arduino - это просто подключаемая к компьютеру по USB плата, в порты которого подключаются датчики и которую можно программировать читать из этих портов и выводить информацию на компьютер в понятном формате (это не исчерпывающий перечень чего оно может делать, но не суть). Паять ничего не надо вообще Кроме того, оно является модульным и стоит на ebay, dx.com и т.д. всего порядка 10$.

Для проекта купил китайские клоны Arduino UNO R3 и Arduino Mega2560, но мощности последней для проекта оказались излишни и он работает именно на UNO.

[БорисЕ]

1.Датчик облачности
Принципы работы
Гугление этого вопроса показало, что принцип работы коммерческих датчиков очень прост: путем измерения интенсивности инфракрасного излучения они определяют температуру неба и сравнивают ее с окружающей. Если небо чистое – оно значительно холоднее воздуха у земли, если затянуто плотной облачностью – его температура сравнима с окружающей.
Таким образом, для создания датчика облачности нужен инфракрасный термометр и какой-нибудь температурный датчик.

Решение
Простота решения навела на мысль, что кто-то уже мастерил такие штуки. В рамках Open Observatory Control System (OOCS) Project для датчика облачности используется инфракрасный термометр MLX90614. Из-за нулевого опыта в работе с электроникой их путь для меня слишком сложен.
Сам инфракрасный датчик MLX90614 продается в нескольких вариантах – с полем зрения 90град, 35 град и даже 5 град. Подключается по протоколу I2C (это нужно, чтобы понять, как с него читать данные).

Даташит можно посмотреть тут

Я купил для экспериментов 90 град, т.к. он дешевле в несколько раз (тут по 15$), и мне достался с питание 5V.

Отмечу, кто кроме этого датчика, есть и другие. В ожидании поставки я успел купить похожий на него BB-TMP006. Но в деле не пробовал.

Алгоритм расчета
Для расчета уровня облачности нужно рассчитать разницу измеренной температуры неба и окружающей. Несколько недель калибровки показали, что все значения выше 20 можно считать, что небо ясное. При уровнях < 5, облачность безнадежно сплошная.
AAG CloudWatcher использует другой алгоритм, описание которого выложено у них на сайте. Судя из описания и help’а он более точен, поэтому сейчас как раз параллельно пытаюсь его калибровать.

UPD от 30.08.14. В связи с тем, что в очень влажные ночи на датчик выпадает роса, это сильно искажает показания. Для борьбы с этой проблемой добавил его обогрев (заодно и для датчика дождя), включающийся только в нужные моменты

2. Датчик дождя
Сначала я купил простой датчик дождя за пару долларов (например, тут): его принцип основан на том, что появление влаги на датчике изменяет его сопротивление, что может «читаться» микроконтроллером. Он благополучно проработал год, но товарный вид теряет (см.фото). Отмечу, что на функциональности пока не сказывается, но...

Поэтому недавно я купил более навороченное устройство – Rain Sensor RG-11. Он использует такой же принцип, как и автомобильный датчик дождя и очень оперативно реагирует на капли. Сейчас как раз исследую его, используя оба одновременно.
Подключил его пока в режиме rain gauge, скоро попробую и другие режимы.

UPD от 28.09.14: Путем экспериментов пришел к выводу, что правильнее использовать оба датчика.Подробнее тут. На "обычный" добавил обогрев, автоматически включающийся при осадках.


3. Скорость ветра
Еще не реализовал, но скорее всего буду делать на базе этого. Пока жаба душит выложить 55$+доставка.

UPD от 26.11.2014: Наконец-то реализовано! Обошлось в 45$

4. Прочие датчики

4.1.Датчик освещенности
Я не был уверен, что днем алгоритм  измерения облачности не должен изменяться, поэтому включил в схему датчик освещенности. Наверное, для целей определения день/ночь подошел бы обычный фоторезистор, но я выбрал цифровой датчик измерения освещенности BH1750, который с 16bit разрешением определяет уровень освещенности в люксах. Подключается по протоколу I2C. Питание 5V.
Даташит
Цена 6.5$

4.2.Датчик влажности
Определение влажности не будет лишним для обсерватории, поэтому в проект был добавлен датчик DHT22, который вместе с влажностью измеряет и температуру. Пробовал также более дешевый DHT11, но его точность заметно похуже (не рекомендую использовать). За год один вышел из строя.
Подключается к цифровому входу. Питание 5V
Даташит
Цена 7$

4.3.Датчик давления BMP085
Ну и после такого количества датчиков, добавление измерения давления уже не будет лишним. Из трех видов распространенных датчиков выбрал BMP085.
Подключается по протоколу I2C. Питание 3.3V
Даташит
Цена 11$

4.4.Температурные датчики
Несмотря на то, что и сам MLX90614, и DHT22, и BMP085 умеют измерять окружающую температуру, я добавил в проект несколько датчиков DS18B20 для измерения локальных температур различных устройств. Их несомненное удобство в том, что количество таких датчиков легко масштабируется - их можно добавлять в очень больших количествах просто подключая параллельно к существующим проводам.

Протокол 1-Wire. Питание 5V
Цена 1.5$

[БорисЕ]

Прочие компоненты
Пока только Arduino Ethernet Shield
Чтобы не привязывать погодную станцию к компьютеру для сбора данных, доустановил Ethernet Shield, который позволяет отправлять данные с датчиков прямиком на удаленный сервер. Отмечу, что использую его как резервный канал передачи данных, основной – это чтение с компьютера по последовательному порту напрямую с Arduino.
В обем-то, он совсем не обязателен для работы станции.
UPD. Классический Ethernet Shield выполнен на чипе Wiznet W5100, не перепутайте его с ENC28J60 - это другое гораздо более ограниченное устройство.

Схема подключения
В целом, ничего сложного в подключении нет - главное подключать датчики по одному и сразу проверять - заработал, или нет. Грубо говоря, подключаете по даташиту (и гуглу - материалов очень много) первый датчик - проверяете, снимаются ли с него показания. Затем второй ... Общую схему могу опублировать, но мне кажется она только путает. Если будут сложности - пишите, подскажу.

UPD от 01.06.14. Ниже добавил Краткая инструкция по сборке погодной станции

Для сборки я использовал купленные вместе с Arduino набор для соединений без пайки – макетную плату с дырочками (breadboard) и наборы специальных проводков с наконечниками. Также требуется несколько "подтягивающих" резисторов (купил на ebay сразу 30x20 за 5$) к линиям I2C и data pin DHT22. По даташитам нужна еще пара конденсаторов, но у меня все заработало и без них (и за год эксплуатации сбоев не обнаружено).

Еще раз оговорюсь, что в электротехнике не разбираюсь, и несмотря на то, что у меня все уже больше года работает, в схеме возможны ошибки.

Вот например - сразу вопросы к знающим
Некоторые I2C датчики питаются от 5V, некоторые от 3.3V.  Подтягивающие резисторы на линии SDA и SCL подключены к линии 5V. Все работает, но вопрос – не вредно ли это? Есть более правильные способы подключения?

Код микроконтроллера
Приложенный скетч считывает значения со всех датчиков и отправляет их на веб сервер. Эти же данные отправляет в серийный порт. Для датчика освещенности (BH1750) предусмотрена автоматическая регулировка уровня чувствительности.

Если кому-то интересно, приложил код.
UPD Скетч можно скачать отсюда

Замечания:
Со стандартной библиотекой к протоколу I2C (Wire.h), MLX90614 не заработал. Использовал другую i2cmaster.h (брал тут )

Для работы с DHT22 использовал специальную библиотеку, однако это необязательно.

Для работы с BH1750 существующие в сети примеры давали неправильный результат. Копал по даташиту сам. Закодил, чтобы при падении освещенности датчик переходил в режим повышенной чувствительности; при очень ярком свете наоборот, уменьшал «выдержку».

Для работы с датчиками DS18B20 использовал библиотеку OneWire.  Адреса датчиков жестко записаны в код. Для их выяснения отдельно запускал скетч из библиотеки Dallas Temperature.

Для Ethernet модуля использовал стандартный пример webклиента.

Также в приложенный код защита вывод на LCD экран (использовал I2C LCD2004 модуль). Сейчас закомменчен .

[БорисЕ]

Монтаж датчиков

Полгода использовал временный «колхозный» монтаж:
Использовал контейнер для продуктов для микроволновки. Стыки залил термоклеем.
Инфракрасный термометр смонтировал в крыше от детского конструктора. Сам датчик накрывать нельзя – иначе он будет показывать температуру этого материала (говорят, что есть спец.материалы, но я их не нашел). На взгляд – он герметичен (год эксплуатации подтверждает это). Да и если что случится – 15 долларами готов рискнуть.

Там же разместил датчик освещенности, накрыв его прозрачным пластиком от таблеток (предварительно оценил уровень потери света - порядка 10%).

[БорисЕ]

Еще фото

[БорисЕ]

Сейчас немного облагородил кейс - использую чуть более просторный контейнер на дно которого приклеил кусок фанеры, на который монтирую компоненты. Для вывода проводов наружу просверлил в корпусе два отверстия и использую гермовводы.

[БорисЕ]

Дальнейшая обработка и визуализация данных

Как я уже говорил, непосредственно с устройства используется два канала передачи данных:
1. Непосредственная отправка данных с Arduino напрямую на webсервер, где php скрипт сохраняет полученные данные в mysql базе данных.
2. Отправка в последовательный порт компьютера, к которому подключен Arduino, где эти данные читаются и обрабатываются отдельной программой.

Эта программа (не долго думая назвал ее Weather Monitor) в свою очередь пишет специальный файлик в формате Boltwood Cloud Sensor II для чтения астрономическими программами (я использую CCDAutopilot5).
С компьютера результат также отправляется в веб, где эти данные сохраняются в параллель прямому каналу. Т.к. на компьютере обработка данных проще и основательнее, то данные по этому канала используюся как основаные.

Ну и конечно для рисования графиков погоды прямо на сайте написал небольшой php скрипт с кэшированием данных.

Собственно, вот и все. 

Последнюю версию программы можно скачать отсюда
Если кому нужно, готов выслать все исходники (написана на C#)

UPD от 02.07.14 по визуализации
Итого данные можно увидеть:
- вывод на компьютере (программа Weather Station)
- отправка на веб сервер и возможность просматривать данные с любого компьютера в интернете
- отправка на сервис narodmon.ru и возможность видеть данные в реальном режиме времени на мобильном телефоне (Android и iOS) (тут подробнее)

[БорисЕ]

В качестве развития проекта - недавно пришли очень светочувствительные датчики TSL237, которые позволяют измерять яркость неба (именно они используются в SQM продукции unihedron). Цена 3$
Как только подойдут UV/IR cut фильтр + линза  можно будет начинать эксперименты...

[NKV]

пришли очень светочувствительные датчики TSL237, которые позволяют измерять яркость неба (именно они используются в SQM продукции unihedron). Цена 3$

Борис, где брал? Доставка бесплатная?

[Serj]

Спасибо за описание! А сам проект (скетч, софт) можно где-то скачать?

[Dimaz]

Наверное, для целей определения день/ночь подошел бы обычный фоторезистор, но я выбрал цифровой датчик измерения освещенности

По моему избыточный датчик. Широта+Долгота+Время однозначно определяют высоту солнца над/под горизонтом. Или вам эта освещенность еще для чего-то нужна?

[БорисЕ]

пришли очень светочувствительные датчики TSL237, которые позволяют измерять яркость неба (именно они используются в SQM продукции unihedron). Цена 3$

Борис, где брал? Доставка бесплатная?

Покупал тут http://www.parallax.com/product/604-00085
За доставку трех штук взяли 6.55$, но без tracking number.

[БорисЕ]

Спасибо за описание! А сам проект (скетч, софт) можно где-то скачать?

Чуть позже оформлю и выложу.

[БорисЕ]

Наверное, для целей определения день/ночь подошел бы обычный фоторезистор, но я выбрал цифровой датчик измерения освещенности

По моему избыточный датчик. Широта+Долгота+Время однозначно определяют высоту солнца над/под горизонтом. Или вам эта освещенность еще для чего-то нужна?

Сам датчик меряет освещенность c минимальной чувствительностью 0.5lux. На самом деле, всё в разеделе "4. Прочие датчики" - избыточно: влажность - ночью у меня она всегда 100%, давление - meteoblue.com будет всегда давать более точные прогнозы, нежели прогнозы на основе отслеживания перепадов давления и т.д.

Мне просто нравится иметь все эти данные, тем более за копейки. Графики опять же красивые получаются

[Дядя Вова]

О! Борис, здОрово! Есть повод встать с дивана катаю корзинку по АлиЭкспрессу. Будут вопросы.

[Malice]

а) В электронике я понимаю не больше закона Ома, а паять до сих пор не умею
б) Руки у меня не совсем оттуда растут не только в части электроники

Борис, по-моему, вы скромничаете.
Последующие посты ну ни как не сочетаются с данной характерезацией Ваших знаний, навыков и умений
Мечта идиота владельца удалённой обсерватории.
Отличная работа!

[NKV]

сам проект (скетч, софт) можно где-то скачать?

Чуть позже оформлю и выложу.

Чуть позже ещё не наступило?

[БорисЕ]

Сорри, все времени нет - хочется же описание логики добавить, а для этого нужно ее там найти
Но я подтверждаю обязательства выложить все в ближайшее время!

[Дядя Вова]

Этот Arduino UNO R3 через USB шьется? И хотелось бы для начала файл прошивки.

[Serj]

Этот Arduino UNO R3 через USB шьется?

Прошивка там уже есть, а программа - да, через USB.