Arduino天氣預(yù)報小矮人

?

?

?

?

1 / 3 ?讓這些小雕像用它們的顏色告訴你天氣預(yù)報。

?

從那開始，我們決定基于新的 Arduino Nano Every 和 BME280 傳感器制作一個天氣預(yù)報小矮人。起初看似容易的任務(wù)，結(jié)果卻是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。普通氣壓計可以進(jìn)行短期預(yù)報，因為它可以告訴您氣壓是升高還是降低，并且根據(jù)海平面壓力與當(dāng)?shù)睾０胃叨认嗟窒南鄬毫?，它還可以為您提供一些“高”值和“低”閱讀。

為了獲得更準(zhǔn)確的預(yù)報，還考慮了相對濕度和風(fēng)力，并且經(jīng)典的氣壓計被更復(fù)雜的預(yù)報設(shè)備“Zambretti Forecaster”所取代。

?

作者 Zambra end Negretti 早在 1920 年就記錄了該預(yù)報器，它已成為許多基于微控制器的項目中本地天氣預(yù)報的解決方案。您可以在此處 ( http://drkfs.net/zambretti.htm)找到有關(guān)預(yù)報器的完整詳細(xì)信息，我們還發(fā)現(xiàn)Fandonov ( https://github.com/fandonov/weatherstation)的工作對他實施Zambretti 預(yù)報員在他的電子墨水顯示屏天氣預(yù)報器中。

組件

我們正在我們的Arduino Nano Every plus 上運行這個項目，我們在其中添加了博世的BME280傳感器、一個實時時鐘DS3231和一個由八個WS2812B智能 LED組成的小條帶。

BME280 能夠測量溫度、壓力、濕度，并提供一些關(guān)于絕對濕度和高度的線索，但正如我們將在下面看到的，高度和壓力是綁定在一起的，為了我們的目的，我們需要找到我們的真實高度侏儒天氣預(yù)報員。

需要 DS3231 實時時鐘模塊，因為部分 Zambretti 計算與季節(jié)有關(guān)，而該設(shè)備了解季節(jié)的唯一方法是通過正確設(shè)置實時時鐘模塊。這可能看起來是一種資源浪費，但您可以改進(jìn)我們提供的代碼，包括根據(jù)一天中的時間和其他便利設(shè)施進(jìn)行亮度控制等功能，并在草圖中使用更多的 RTC。

最后一個組件，LED 燈帶相當(dāng)于改變顏色的小雕像的彩色涂料。在這里，我們利用 RGB 顏色來更詳細(xì)地表示天氣預(yù)報，即使 Zambretti 預(yù)報的全部 26 種不同條件的表示對于簡單的顏色顯示來說太多了。

Zambretti Forecaster 提供的 26 種可能的天氣預(yù)報。

?

我們決定對其進(jìn)行簡化，這是一項正在進(jìn)行的工作，您可以輕松更改為不同的顏色編碼。

接線

兩個主要模塊都基于I2C ，因此接線非常簡單。我們使用的 RTC 模塊甚至有四個連接的通道，這使我們的接線只需 10 分鐘。VCC 和 GND 取自 Arduino Nano 排針上的每個 3V3（紅色）和 GND（黑色）引腳并焊接到 DS3231 模塊一側(cè)的相應(yīng)引腳，然后 I2C 接口與 Arduino 的 A4 和 A5 一樣. A4為SDA（圖中藍(lán)色線），A5為SCL（圖中黃色線）。我們從 RTC 模塊的另一側(cè)采用相同的四個連接，并將它們連接到 BME280 模塊，只需要注意順序即可。VCC / GND / SDL / SCA 順序沒有標(biāo)準(zhǔn)，每個模塊可能有不同的順序需要注意。

?

?

?

?

1 / 3 ? BME280 I2C 接線

?

LED 燈帶通常有三個標(biāo)簽 VDC、DIN 和 GND。這次電源將來自 5V 引腳。一個原因是我們的焊盤可以自由焊接，另一個原因是我們從 USB 為電路板供電，而 5V 直接來自 USB，對 Nano 的電源調(diào)節(jié)器沒有壓力。

數(shù)據(jù)被饋送到 D7 引腳上的條帶，但可以是您認(rèn)為合適的任何其他引腳。只需使用您在靠近頂部的#define LED_PIN 7行中選擇的引腳編輯草圖。

?

?

?

?

1 / 2 ?我們的 LED 燈帶一側(cè)為 DIN，另一側(cè)為 DOUT。白線用于數(shù)據(jù)輸入。

?

這是它的接線。我們將通過 USB 為電路供電，因為它需要持續(xù)開啟以監(jiān)測環(huán)境參數(shù)并做出預(yù)測。手機(jī)的移動電源可能會為電路供電好幾個小時，但它不可避免地會耗盡能量。

草圖

為了讓這個項目工作，我們需要幾個庫，你可以在草圖的第一行找到它們作為#INCLUDEs。

I2C 通信需要電線， Adafruit_Sensors和Adafruit_BME280允許我們從壓力、濕度和溫度傳感器讀取數(shù)據(jù)。LED 燈帶由Adafruit_NeoPixel庫管理，使我們能夠快速有效地控制每個像素顏色。最后但同樣重要的是RTCLib ，它允許我們從 DS3231 實時時鐘讀取所有信息。

我們使用的常數(shù)是平均海平面壓力和 LED 燈帶的常數(shù)。我們使用的平均海平面壓力值是 1013,25 mbar，相當(dāng)于 101,325 kPa，這是國際公認(rèn)的值。

在各種設(shè)備初始化之后，我們定義了一些變量，這些變量將用于預(yù)測以及串行監(jiān)視器上的一些文本輸出。如果你想深入了解天氣情況，你可以連接電腦并讀取提供的數(shù)據(jù)，否則，你可能會簡化很多草圖，只是避免所有的字符串格式化和打印。

我們決定保留這些調(diào)試信息，以在項目中保留一些教育價值。

數(shù)組一開始是空的，代碼每 10 分鐘用一個新值填充它，以便數(shù)組的最后一個單元格包含最新的壓力讀數(shù)。包含壓力的值是海壓，計算它是為了補(bǔ)償設(shè)備放置的高度。

一個非常重要的變量是設(shè)備的高度。我們知道海平面壓力，我們需要調(diào)整傳感器的讀數(shù)，以便我們可以將我們從傳感器讀取的數(shù)據(jù)開始讀取的海平面壓力輸入到 Zambretti 公式中。有一個公式可以在知道一系列參數(shù)的情況下進(jìn)行此計算，如果您手頭有一個 GPS（甚至您的智能手機(jī)也可以有一個）來讀取海拔高度，您可以將該值放入海拔高度變量中。有了這些信息，公式就是

?

隨著以下：

P0為相對海平面壓力；

P為站壓，單位為 hPa；

h是以米為單位的高度

T是攝氏溫度。

通過這個公式的輸出，我們得到了海平面的壓力，這樣我們就可以將它輸入到我們的數(shù)組中。該數(shù)組就像一個移位寄存器，每當(dāng)添加一個新值時，所有以前的值都會向左移動一個位置（最舊的值是 0，最新的值是 9）。

有了這 10 個值的數(shù)組，時間間隔為 10 分鐘，Zambretti 公式可以找出壓力變化趨勢（下降、穩(wěn)定或上升）和在過去 100 分鐘內(nèi)收集的值的滑動窗口上的值。在公式中還考慮了月份，因為 Zambra 和 Negretti 發(fā)現(xiàn)它與獲得更準(zhǔn)確的預(yù)測有關(guān)。

然而，在最初的 100 分鐘內(nèi)，設(shè)備正在收集第一套完整的壓力讀數(shù)，因此預(yù)測將是完全錯誤的。完成此設(shè)置后，預(yù)測將每 10 分鐘調(diào)整一次。

以下幾行復(fù)制物理對象以使用三個窗口（下降/穩(wěn)定/上升）和壓力讀數(shù)找出與預(yù)測對應(yīng)的字母。這意味著對于相同的壓力讀數(shù)，造成差異的是短期變化以及夏季/冬季。它是在函數(shù)calc_zambretti中完成的，該函數(shù)獲取最舊的三個平均壓力值、最后三個平均值以及最后確定季節(jié)的月份作為輸入。

長長的if...then...else列表最終描繪了 Zambretti 的輸出，并將 26 條消息重新排列成更簡單的組，即Sunny、Sunny Cloudy、Worsening、Cloudy、Rainy ，告訴我們壓力是在升高、穩(wěn)定還是在下降。我們保留了Fandonov的原始算法，因為它可以讓您很好地理解預(yù)測的工作原理，然后我們將五種可能情況的輸出編碼簡化為五種不同的 LED 顏色。條帶的使用允許從一種顏色緩慢變化到另一種顏色，在每個新預(yù)測時向上滾動一個 LED；這也是一個給你預(yù)測趨勢的解決方案。

我們使用一個簡單的例程來實現(xiàn) LED 條的滾動，該例程從頂部開始將每個 LED 的內(nèi)容復(fù)制到下一個，以便將所有內(nèi)容向上移動，然后新值由 Zambretti 算法定義并寫入第一個 LED 位置。

把一切放在一起

我們在我們的“標(biāo)準(zhǔn)”3D 打印 Gnome 中托管電路。這次 BME280 部分位于 Gnome 的后部，從他的腳后跟處，而 USB 位于中等高度。您可以修改我們在之前的項目Gnome Traveler中共享的 STL 文件，讓傳感器和 USB 端口可以從外部訪問。

?

?

?

?

1 / 2 ? USB 和壓力傳感器可以從我們的 Gnome 背面訪問

?

布線非常簡單，因此將所有東西放入 3D 打印的 Gnome 中應(yīng)該非常容易。在我們的設(shè)置中，條帶位于 Gnome 的上部，因此頭部和帽子會以預(yù)測的顏色點亮。最好將傳感器放在 Gnome 外面，因為它可以從環(huán)境中獲取空氣。最好的結(jié)果要求傳感器在戶外，而不是在濕度和溫度受到控制的公寓中。

一種解決方案是讓小矮人靠近窗戶，并通過 4 線電纜連接將傳感器保持在外面；I2C 最多可以容忍一米，這比您將傳感器放在窗外所需的要多。

加載代碼并監(jiān)控讀數(shù)

設(shè)置好所有硬件后，您可以繼續(xù)繪制草圖。從這里復(fù)制它并與 Library Manager 檢查您是否擁有所有需要的庫：

• Adafruit_傳感器

• Adafruit_BME280

• Adafruit_NeoPixel

• 實時時鐘庫

Arduino Nano Every 使用MegaAVR 核心，您也應(yīng)該正確安裝它：如果您在可用列表中有該板，則它已安裝，否則您需要使用Board Manager來安裝它。

啟動草圖驗證以確保一切正確，然后上傳。打開Serial Monitor，看看慢慢會打印出來的數(shù)據(jù)。每分鐘您都會獲得一個壓力讀數(shù)，每十分鐘就會存儲一次讀數(shù)。

查看串行監(jiān)視器輸出并讀取草圖使用的值以獲得更詳細(xì)的預(yù)測

?

休息一下，讓數(shù)組填滿真實數(shù)據(jù)。幾個小時后回來，您所看到和閱讀的內(nèi)容應(yīng)該是有意義的。

黃色是晴天，天藍(lán)色是多云，然后當(dāng)天氣惡化到下雨時，它會變成紫色和紅色。

讓它成為你自己的

我們將文本保留在草圖中，以便您可以輕松更改每個受控天氣條件的顏色。語法是strip.setPixelColor(LED, R, G, B); LED 應(yīng)該始終是條帶中的第一個 (0)，RGB 值從 0 到 255。有一個整體亮度設(shè)置，您可以使用它來全天獲得不同的 LED 強(qiáng)度；尋找strip.setBrightness(100); 線并將其變成與日夜閱讀 RTC 相關(guān)的內(nèi)容。