Chaac氣象站開源項(xiàng)目

對(duì)于收音機(jī)，我決定使用Xbee收音機(jī)，因?yàn)槲铱梢砸揽孔罱K成為無線串行端口的東西生存下來。同樣，我最終可能會(huì)使用其他東西，但這讓我繼續(xù)前進(jìn)并取得進(jìn)步。

Nucleo Weather Breakout v0.1

在玩了 Nucleo 板并弄亂了一堆電纜之后，我制作了一個(gè)帶有 Xbee 接頭和 RJ11/14 插頭的 PCB 分線板，用于風(fēng)雨傳感器組件，以及一些 I2C、UART 和模擬引腳斷開。

天氣突圍 v0.1

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這塊板讓我做了大量的固件工作，并大致了解了設(shè)備的整體功耗。

第一個(gè)外殼

因?yàn)槲蚁氡M快在戶外做點(diǎn)什么，我最終得到了一塊巨大的太陽能電池板，里面有一塊巨大的電池和現(xiàn)成的充電器/調(diào)節(jié)器。這非常接近可能的最低效率設(shè)置，但它工作并開始在外部測(cè)量數(shù)據(jù)。

我找到了一個(gè)巨大的Bud Industries NBF-32026 ABS 外殼用作外殼，并為所有電纜找到了一些便宜的電纜密封套。如果沒有某種我沒有的安裝板，就沒有簡(jiǎn)單的方法將所有電子設(shè)備安裝到盒子上，所以我最終使用了盒子的側(cè)面和拉鏈。

第一個(gè)外殼內(nèi)部

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。關(guān)于在塑料上使用階梯鉆頭，所以我決定試一試。階梯鉆頭效果很好！我之前嘗試過使用非常寬的鉆頭，但沒有成功。

階梯鉆頭

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不幸的是，在我現(xiàn)在住的地方，冬天的天井里沒有陽光直射。這意味著即使使用巨大的面板，我仍然必須每周左右手動(dòng)為電池充電。不管怎樣，它讓我做固件和后端開發(fā)（計(jì)算機(jī)接收和保存數(shù)據(jù)）。

第一個(gè)室外設(shè)置

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Nucleo Weather Breakout v0.2

在我驗(yàn)證了大部分固件后，我決定做第二個(gè)分線板。這個(gè)有一個(gè)內(nèi)置的低功率 GPS 和天線、BMP280 壓力傳感器，以及更少的隨機(jī)接頭和一個(gè)新的雙 RJ11/14 連接器。

天氣突圍 v0.2

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一旦第二塊板到達(dá)并開始工作（它需要幾根電線才能像往常一樣工作），它很快就到外面進(jìn)行長期測(cè)試。總的來說，我認(rèn)為它在被新模型取代之前已經(jīng)在外面呆了幾個(gè)星期。

第一個(gè)外殼內(nèi)部（帶分線 v0.2）

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查克 v1.0

在玩過分線板之后，我決定是時(shí)候?qū)⑺鼈內(nèi)考傻揭粋€(gè)板上了。我把它命名為Chaac 。

這就是我遇到 MBED 問題的地方。為定制板制作板支持包 (BSP) 并非易事。另一個(gè)問題是我無法讓低功耗模式正常工作。同時(shí)，我決定放棄 GPS，因?yàn)闅庀笳静惶赡茉谖也恢榈那闆r下移動(dòng)。有了新的要求，我最終切換到了基于STM32L432KC的開發(fā)板。

在 FW 方面，我決定回到我喜歡并使用過的mynewt OS 。移植 mynewt BSP 也并非易事，但我能夠在幾天內(nèi)完成。使用 mynewt 還給了我使用mcuboot引導(dǎo)加載程序的好處，它可以讓我通過 xbee 鏈接進(jìn)行“簡(jiǎn)單”的固件更新。

這個(gè)新板有一個(gè)電池充電器和太陽能電池板輸入（借自Adafruit 的太陽能充電器、STM32L432 微控制器、BMP280、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)器，以及用于外部溫度/濕度和環(huán)境光傳感器的輸入。

查克 v1.0

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與大多數(shù)新設(shè)計(jì)一樣，我在第一個(gè)版本中犯了一些愚蠢的錯(cuò)誤。Xbee 的待機(jī)引腳上沒有下拉電阻，STM32 上有一個(gè)浮動(dòng)的 boot0 引腳，電池充電器接線錯(cuò)誤等。經(jīng)過大量調(diào)試和一些返工，電路板工作得很好，去外面更換舊設(shè)置。

第二個(gè)外殼

在第二個(gè)外殼內(nèi)

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現(xiàn)在設(shè)置更簡(jiǎn)單/更小，我需要一個(gè)更小的外殼。）我使用了相同的Bud Industries NBF -32202 Economy Box 、McMaster 電纜密封接頭、導(dǎo)管、太陽能電池板的 RAM 支架等……

外面的第二個(gè)外殼

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為了將 Chaac v1.0 板安裝到外殼上，我再次使用了一塊帶孔的紙板。它在短期內(nèi)運(yùn)作良好。在外面，我使用了一條 PVC 管和一個(gè)塑料杯來保護(hù)溫度/濕度傳感器免受雨水的影響，并使用一些保形涂層來使光傳感器防水。

將保形涂層應(yīng)用于光傳感器

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查克 v1.1

chaac 板的第二個(gè)修訂版包括對(duì) v1.0 中所有 bodge 線的修復(fù)。我移除了風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)器和 gps 串行輸入，因?yàn)槲艺J(rèn)為我永遠(yuǎn)不會(huì)使用它們，并將光傳感器連接移動(dòng)到底部以簡(jiǎn)化接線。

另一個(gè)新增功能是 MOSFET，可在不使用時(shí)斷開風(fēng)向和光傳感器電源。這有助于在不進(jìn)行測(cè)量時(shí)降低功耗。風(fēng)向傳感器只是一個(gè)電阻器（根據(jù)風(fēng)向而變化，但不完全是電位器），所以它總是消耗功率，除非它被切斷。

查克 v1.1

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第三個(gè)外殼

由于我有一個(gè)系統(tǒng)在外面工作，我決定組裝第二個(gè)外殼。作為一個(gè)非常細(xì)心和注重細(xì)節(jié)的人，我在盒子的錯(cuò)誤一側(cè)鉆了孔。由于太陽能電池板電纜很短，電纜密封套需要在靠近門鉸鏈的盒子的頂部，而不是在底部……我用了一些大猩猩膠帶來掩蓋壞洞，希望它能擋住水。我還嘗試了一種安裝板的新方法：從一次性食品容器中取出一塊便宜的塑料。

修補(bǔ)孔

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塑料底座

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查克 v1.2

電路板的最新版本增加了太陽能電池板電壓監(jiān)控、引導(dǎo)加載程序按鈕，并將太陽能電池板和電池連接器移動(dòng)到更好的位置。太陽能電池板電壓可用于確定電池是否正在充電以及獲得光照水平。我想看看單獨(dú)的光照水平傳感器是否值得。

查克 v1.2

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第四外殼

我把最后一個(gè)外殼放在一起。這個(gè)用一塊木頭做一個(gè)稍微好一點(diǎn)的背板，并有正確對(duì)齊的孔。

帶有木制安裝板的第四個(gè)外殼

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為什么這么多機(jī)箱？！你可能會(huì)問……當(dāng)我探望父母時(shí)，這個(gè)人和我一起去了墨西哥。我爸爸和我把它安裝在房子的屋頂上。氣象站第一次可以清楚地看到天空：D。

墨西哥的最終設(shè)置

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服務(wù)器/用戶界面

為了從氣象站獲取數(shù)據(jù)，我設(shè)置了一個(gè)帶有 Xbee 收音機(jī)的 Raspberry Pi。我編寫了一個(gè) python 腳本來解碼天氣數(shù)據(jù)包并將它們存儲(chǔ)在 sqlite 數(shù)據(jù)庫中。起初，查看數(shù)據(jù)的唯一方法是將其導(dǎo)出到 csv 文件中，因此我決定考慮編寫一個(gè) Web 界面來顯示它。因?yàn)槲也恢雷约涸谧鍪裁矗晕也坏貌粚W(xué)習(xí)諸如Flask 、Bulma和Plot.ly 之類的東西。

最后，我想出了一些看起來像這樣的東西：

網(wǎng)頁界面總結(jié)

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包含最新數(shù)據(jù)的“摘要”頁面以及包含日/周/月數(shù)據(jù)的“繪圖”頁面。

Web UI 圖 (1/2)

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Web UI 圖 (2/2)

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到目前為止，您需要與樹莓派在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上才能查看數(shù)據(jù)，但我確實(shí)計(jì)劃在某個(gè)時(shí)候?qū)⑵涔_可見。

下一步

在我繼續(xù)之前，我要從項(xiàng)目中休息一下，做一些其他的事情。一旦我這樣做了，這里有一些我想改進(jìn)/做的事情：

• Web UI 可以使用大量工作來使它看起來更好
• 使用更小的電池和太陽能電池板（因此，外殼）
• 使用來自各個(gè)氣象站的數(shù)據(jù)制作一個(gè)公共 UI（我想做更多?。?/font>
• 使用不同的收音機(jī)！
• 制作一個(gè)超聲波風(fēng)速計(jì)：P
• 還有很多東西……

這個(gè)項(xiàng)目我想分享的東西比我想在這篇文章中的要多，所以也許我會(huì)寫一些跟進(jìn)。我學(xué)到了很多并想分享的一些主題是：

• 使用 MCUBoot 通過 xbee 鏈接進(jìn)行無線固件更新
• 功耗越來越低
• Web ui 和數(shù)據(jù)庫如何工作
• 傳感器的工作原理
• 如何不制作外殼：P

如果這些聽起來很有趣，請(qǐng)告訴我，我可以先嘗試專注于這些！

更多信息

與我的大多數(shù)項(xiàng)目一樣，所有源代碼、原理圖/PCB 文件等都可以在github上找到。

推特

Facebook

領(lǐng)英

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注意：本部分最初于 2020 年 7 月在我的網(wǎng)站上發(fā)布

自從我寫關(guān)于我的氣象站項(xiàng)目以來，已經(jīng)一年多了。從那以后發(fā)生了很多事情，所以我想我會(huì)發(fā)布更新。

查克 v2.0

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從墨西哥回來后不久，我開始考慮下一個(gè)版本的董事會(huì)。我不想繼續(xù)使用 XBee 無線電，所以我決定再次嘗試藍(lán)牙......用于藍(lán)牙的LE 編碼 PHY ，理論上可以為您提供更遠(yuǎn)的范圍。使用第 2 版開發(fā)板，我能夠讓藍(lán)牙正常工作并啟動(dòng)新的 NRF52

Chaac v3.0 基板

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Chaac 無線電委員會(huì)

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Chaac 無線電板底部

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下一個(gè)版本 加入了一些我想嘗試的新技術(shù)。主要目標(biāo)是使外殼更小，整個(gè)系統(tǒng)更緊湊。我決定將項(xiàng)目分成兩個(gè)獨(dú)立的 PCB，這樣我就可以在無線電部分使用稍貴的 4 層板，而在較大的基板上使用更便宜的 2 層板。這也讓我可以嘗試雙面表面貼裝焊接。我一直在使用模板和焊膏，但從未在雙面板上做過

Chaac Radio 底部模板夾具

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我想嘗試的最后一個(gè)新功能是不同的射頻連接器。以前的電路板使用 RP-SMA 連接器，但我想嘗試更緊湊的東西。由于插入周期數(shù)少，我決定不使用 u.FL 連接器，而是使用 MMCX 連接器。我學(xué)到的另一個(gè)有趣的話題是防水射頻連接器。

Chaac v3.0 匯編

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理論上，我可以用相同的基板測(cè)試不同版本的無線電/控制器板，但實(shí)際上，這個(gè)版本只是作為演示單元參加了幾次會(huì)議。

拆解 2019 上的 Chaac v3.0

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實(shí)際上，我在 2019 年的CrowdSupply Teardown Conference上就這個(gè)問題進(jìn)行了討論。每當(dāng)在公共服務(wù)器中發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，它將請(qǐng)求向下轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的 Raspberry Pi。我不想讓它全部基于云，所以數(shù)據(jù)總是存儲(chǔ)在本地，即使互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)故障。這也避免了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置來打開防火墻中的端口，因?yàn)樗羞B接都通過公共服務(wù)器。

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隨著時(shí)間的流逝，我開始考慮對(duì)氣象站進(jìn)行新的升級(jí)。我決定擺脫兩板解決方案并回到單板。這使得組裝和保形涂層變得更加簡(jiǎn)單。我沒有使用完全密封的外殼，而是開始研究開放式太陽輻射防護(hù)罩，例如 Ambient Weather SRS100LX。 這將擺脫昂貴的外部溫度/濕度傳感器，并允許將所有傳感器安裝在同一 PCB 上。我從BMP280溫度和壓力傳感器切換到BME280溫度、濕度和壓力傳感器。使用輻射防護(hù)罩還可以帶來更好的溫度讀數(shù)，因?yàn)橹灰袣饬?，它在陽光下就不?huì)變熱。

SRS100LX 輻射防護(hù)罩

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查克 v3.1

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由于輻射屏蔽使整個(gè)電路板暴露在元素中，我開始再次研究保形涂層。我讓新板在戶外運(yùn)行了一段時(shí)間，然后涂上涂層，看看在暴雨中它會(huì)得到多少水。我認(rèn)為它實(shí)際上確實(shí)停止了一段時(shí)間，我不得不在回流爐中烘烤它才能讓它回來。它也很快成為一些小動(dòng)物的家……

Chaac v3.0 巢

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Chaac v3.0 蜘蛛

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清潔并確保它再次工作后，我使用了MG 化學(xué)品 #422B硅膠保形涂層。由于傳感器需要暴露，我在涂上涂層之前用 kapton 膠帶將它們遮住。

保形涂層

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時(shí)光飛逝。至此，距離我上次去墨西哥旅行已經(jīng)過去了整整一年！在返回那里之前，我將一個(gè)新套件與 v3.1 板和輻射防護(hù)板放在一起。由于我父親家已經(jīng)有一個(gè)帶有雨/風(fēng)傳感器的車站，所以我沒有多帶一個(gè)。為了獲得更好的溫度/濕度讀數(shù)，我們決定將新的安裝在房屋旁邊的小巷中，那里風(fēng)很大，而且大部分都被遮蔽。

安裝輻射防護(hù)罩

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新安裝的Chaac v3.1

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新安裝的Chaac v3.1

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幾天后，我們注意到下面的測(cè)量溫度明顯低于屋頂，這并不奇怪。另一個(gè)令人驚訝的事情是它能夠從它的微型太陽能電池板獲得足夠的電力，即使大部分都被覆蓋！這個(gè)新版本在功率方面效率更高。不幸的是，我從未真正實(shí)現(xiàn)過用于藍(lán)牙的 LE 編碼 PHY，因此無線電范圍不是很好。我們不得不將接收器移到比以前更靠近氣象站的位置。

一年后雨量計(jì)

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一年后的風(fēng)向標(biāo)

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當(dāng)我拜訪我的父母時(shí)，這也是查看舊氣象站在陽光下一年后表現(xiàn)如何的好時(shí)機(jī)。它很臟，塑料上有很多污漬，但看起來還可以。和其他情況一樣，一些小動(dòng)物似乎來來去去，但密封的外殼做得很好。主板看起來和以前差不多。截至撰寫本文時(shí)，它已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行超過 505 天！

1年后的外殼

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一年后的內(nèi)部外殼

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一兩個(gè)月前，一場(chǎng)熱帶風(fēng)暴靠近我父母的房子。幾天來風(fēng)很大，下著雨。不幸的是，BME280 傳感器似乎已經(jīng)吸收了一些水，因?yàn)樗F(xiàn)在只報(bào)告 100% 的濕度。制造商提出了一些建議，例如在特定溫度下烘烤，然后再補(bǔ)水，但沒有奏效。結(jié)論是 BME280 不應(yīng)該暴露在這些元素中，這實(shí)際上不適用于室外氣象站。我開始四處尋找替代品，最終選擇了Sensirion SHT31溫度/濕度傳感器。他們提供過濾膜防水和防塵等級(jí) (IP67) 的選項(xiàng)，應(yīng)該能夠處理一些水滴。對(duì)于壓力，我決定回到 BMP280，但在它周圍蓋了一層保護(hù)蓋，以保護(hù)它免受水影響，同時(shí)允許精確的壓力測(cè)量。

Chaac v4.0 前端

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通過這次最新的重新設(shè)計(jì)，我進(jìn)行了更多更改。首先，我決定不再害怕 LoRa，并安裝了 LoRa 無線電模塊。這將通過正確的固件，允許使用 LoRaWAN 和物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行獨(dú)立操作。 它還將允許更長的范圍，其 900MHz 頻率較低，功耗略高。我也可以繼續(xù)在我的 Raspberry Pi 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)置中使用它。

Chaac v4.0 返回

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下一個(gè)變化是去掉太陽能電池板和電池充電器。從類似的項(xiàng)目中，我估計(jì)我可以獲得低幾十微安甚至個(gè)位數(shù)微安的平均功耗。使用一些堿性 AA 電池或可充電 AA 電池，這些設(shè)備應(yīng)該可以使用一年以上。這簡(jiǎn)化了電路并使安裝更加簡(jiǎn)單，因?yàn)椴恍枰柟庵鄙洹?/font>最后的變化是將壓力傳感器和濕度傳感器分開，并以某種方式將壓力傳感器與元件隔離開來。我有一些想法在我的腦海里蹦蹦跳跳，所以我必須嘗試一些，看看有什么效果。AM2315 _我之前使用的傳感器有一個(gè)非常好的網(wǎng)/膜，應(yīng)該可以將其與水隔離，同時(shí)仍然可以準(zhǔn)確測(cè)量濕度。事實(shí)證明，膜并不像我所懷疑的那樣超級(jí)便宜。我還考慮過使用帶有非常細(xì)網(wǎng)眼的塑料管來阻止水進(jìn)入，但仍然可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)膲毫y(cè)量。

測(cè)試可能的壓力傳感器防護(hù)罩

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最后，我可能只是拋開我的 CAD 技能，然后制作一個(gè) 3D 打印的外殼，讓溫度/濕度傳感器暴露在外，同時(shí)屏蔽大部分電路以及壓力傳感器。

這就是我現(xiàn)在所擁有的。與往常一樣，所有設(shè)計(jì)文件都在 github 上。如果您有任何問題/意見，請(qǐng)隨時(shí)給我發(fā)電子郵件或在 Twitter @alvaroprieto 上給我發(fā)消息。