DIY无线气象站

STM32 ZigBee 电子diy

皮皮学电子

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发布时间: 2019-12-31

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![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/758ef54d0b540febe689cf2b9d970530.jpg)
继上一回开发了智能家居的一些相关应用之后：
[DIY智能家居系统](https://www.icxbk.com/article/detail?aid=951 "DIY智能家居系统")
我接下来将会给这个系统添加一个基本的环境数据探测功能，也就是一个小型的气象站。我将会从制作这个设备的缘由开始，一步一步去实现我想要的功能，帖子篇幅较长，请慢慢观看。
## 1.起因：
说到气象站这个东西，一般大家都会觉得气象局才需要这个东西去量测各种气象数据（温湿度，气压，风速风向，紫外线强度等等），而我们得知当天的气象数据多半是靠手机上的天气软件来查看的，但是这样带来一些问题：手机上获得的数据往往不能代表区域中所有的数据，如果我们可以在家中自己搭建一个气象站，这样就可以得知最实时的，最精确的数据，最具有参考性。同时，气象站的各种数据输出还可以在以后为我带来更加合适的穿衣建议，以及可以和家中的其他设备联动，比如室外光线弱会自动开启室内电灯之类的。

## 2.气象数据选择
气象数据有很多种类，我选择了几项对生活影响较大的参数：温度、湿度、气压、光照强度、紫外线强度。选择这些参数的原因，基于以下几方面：
- 温湿度数据可以给让我知道外面是高温还是低温，干燥还是湿润，这对一些出行需要携带的衣物以及保湿工作起到很好的参考作用。
- 气压数据很能说明接下来的天气情况，相信大家都知道雨前蜻蜓低飞的原因，就是因为气压较低，如果当前测得的气压较低，那么周边高气压的区域的空气会向低气压区域流动，低气压区域的空气就是越聚越多，导致空气上升，遇冷凝结，造成降雨。所以气压数据可以很好的预报将来是否会有降雨发生。
- 光照强度以及紫外线强度可以很好提醒我是否需要防晒以及携带墨镜等等，因为并不是光照强度越大紫外线强度就越大的，前者表示了照明强度，单位是勒克斯，后者表示了紫外线的强度，单位是瓦每平方米。在中国近赤道的城市，太阳的紫外线强度普遍比其他城市大，但是光照强度并不会比一些“火炉”城市大。这就是为什么有的太阳光看起来不耀眼，实际上很伤害我们的皮肤。

## 3.传感器选择
这个气象站由于需要常时间使用，那么在倡导节能减排的今天，低功耗是必须要考虑在内的。所以对于传感器的选择，我使用了一些采用iic接口通讯的数字传感器，既可以保证数据的精确，也可以设置传感器进入低功耗的模式。下面是我所 使用的传感器，输入这些名字就可以在某宝搜索到 ：
- SHT20 ：温湿度传感器
- BMP280：气压传感器
- VEML6070：紫外线传感器
- BH1750：光照强度传感器
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/5e69215d4004f4a16005357cc36f8526.png)
## 4.代码的编写：
这么多传感器的调试是一个比较费时费力的工作，我耗费了几乎一周的时间来调试这些传感器，索性终于都可以正常的输出数据了。
下面用一张表来解释气象站的代码逻辑：
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/e5e5ad5bb48f3e5b5059d18bf970c0d1.png)
可以看到，在程序开始执行之后，首先初始化了各个传感器以及设置他们的工作模式，然后四个传感器纷纷进入低功耗模式节省电力。由于气象站需要在每次间隔一段时间后上传所有的传感器数据，所以我在这里用到了STC8系列单片机所带有的掉电唤醒定时器，这个定时器在单片机进入掉电模式之后仍然可以运行，这样定时器在设定时间到来之后就会唤醒单片机，这时候单片机就可以依次唤醒所有传感器并且获取数据，然后再次进入掉电模式，等待下一次唤醒。
这样我使用所有传感器都带有的低功耗睡眠模式以及单片机的掉电模式很大程度上节省了电力，使得这个气象站使用电池供电成为可能。

## 5.实物的焊接制作
调试好了所有的传感器，下面就是把他们焊接到一起了，我使用洞洞板来焊接四个传感器。
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/99567f74b6133eebfb933cd57b97370e.jpg)
焊接好了之后，实测待机状态下的电流数据：
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/88aa7ff4843512bd78d7a584888463d5.jpg)
单片机唤醒，采集传感器数据，使用zigbee模块发射出去时的整体电流数据
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/a28b4bfe42062dfaa572aaeb6dacff20.jpg)
综合来说，待机状态下的电流数据几乎可以忽略不计（微安级），而在发射状态下，其电流可以达到28ma左右，但是毕竟此状态下需要的时间极少（500ms左右，包括收集传感器数据以及发送）所以气象站决定采用锂电池供电，我采用了比传统锂聚合物电池稳定许多的18650电池（很害怕锂聚合物电池鼓包）。
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/61b4a0d31c99c2084398aa11124edfaa.jpg)
由于气象站长期在室外（我家阳台上），所以我没有浪费室外较好的太阳能资源，于是我购买了一个太阳能电池板，这样在晴天太阳能就可以给电池补充电力，在没有太阳的情况下，则使用锂电池来给气象站供电
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/061c9da88fa68c6f3a481036879fdcd4.jpg)
我使用的这个太阳能电池板理想的功率是0.3w的，输出电流大约在60ma左右。锂电池用的是一个2200mah的18650电池，根据理论计算，满电的18650电池大概够气象站续航：
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/f0cb2ed38d39edf7b7c19b872cea3a25.jpg)
这样的续航成绩，加上太阳能电池板的加持，这下可以永远不需要充电了！！

## 6.气象站输出数据测试
现在气象站可以正常的定时唤醒了，我开始准备测试数据是否正常，链接zigbee的协调器节点到电脑上，打开气象站的电源，可以看到每隔一段时间，串口都会输出一些数据：
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/9da4dfcfb3076e3e58eaefd4b102e22d.png)
下面是对一帧数据的解读：（这是以前的测试数据，测试时间在8月份左右，当时的测试位置是在室内）
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/31af59f1eb8c7662c3deb596c9f3eda9.jpg)
经过16进制到10进制换算后，可以得到当前的气象数据：
- 湿度：64.8%
- 温度：32.08度
- 气压：100194帕斯卡
- 光照强度：213勒克斯
- 紫外线强度：1（室内几乎为0，此数据请参考VEML6070的数据手册，作进一步分析）

可以看到气象站的数据正确无误，所以接下来就是针对网关的开发了

## 7.网关对应程序的编写：
由于ZIgbee协调器节点是采用串口通信的方式，于是需要ESP8266的串口来于协调器节点进行通信，所以我使用了Arduino自带的软串口库，这样我可以随意定义两个io口作为串口使用。
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/c3d2f58d291bbcb7c71f6034ae6b2336.png)
由于网关对于气象站来的数据需要分为接受，处理，上传到物联平台共3个过程，所以我一部分一部分的讲解如何处理。
#### 接受篇：
从之前的气象站测试数据图来看，一帧数据一共有近20多个字节，所以当一帧数据到来时，我一次性的将其从串口取出，并且依据数据的格式，从中获取节点类型，节点编号，指令类型，数据长度等信息。
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/f3cf462cabf28406a312eb3771d05bdf.png)
得到了这些数据之后，就方便我的网关去判断到底数据来自哪个设备，从而执行相关的程序。
那么现在我的网关凭借节点类型知道了是无线气象站发来的数据，接下来就进入到数据处理的过程了。

#### 处理篇：
大家可以看出，气象站发来的数据全部是16进制的，所以我需要将其转换成整数型变量，以便发送到物联平台。在气象站的数据包中，取其中数据如下：
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/b98151967d1a937f656dfb60ac3f0eef.png)
经过一些移位操作，我获得了所有的数据（十进制格式），下面就方便我上传到物联平台了!

#### 对接物联平台篇：
这次我使用的物联平台是贝壳物联平台，是免费的，只要注册一个账号即可使用，并且有手机APP以及微信小程序，这样给我以后的控制提供了很多选择。连接方式是采用TCP链接，即我的网关需要不停的发送心跳包来保持一个在线的状态，建立好TCP链接之后，只需要向服务器不停的上传数据，这些数据就可以正常的在手机上查看了。
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/7624290052e812a17a62fdcdf793c8f8.png)
得益于Arduino众多的库文件，只需要几行代码，就可以链接到自家的WIFI并且建立一个TCP链接了。
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/e6ce3455f17501c0f1b31a9f868077ca.png)
之后的事情变得简单了许多，由于贝壳物联平台的通讯格式采用的是json字符串（这也是大多数物联平台网站要求的通讯格式，即智能设备发送给服务器，服务器反馈回数据都是这个格式），所以我添加了一个用于处理json字符串的json库，这样我的智能网关就可以处理来自服务器的数据了。
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/ae912aa49c8c4290fae70fa8add1245c.png)
编写好上传的代码，并且用arduino自带的millis函数来让ESP8266每隔5s上传一次气象站发送来的数据，下载代码到ESP8266后，登录贝壳物联手机端，我查看到了这些信息：
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/ebfc719b63129bbb449f02aa3d860a2a.jpg)
此时ESP8266成功的收到了zigbee协调器发送来的数据，并且成功的将数据的格式转换了过来，上传到了服务器。

至此，我实现了气象站的设计，电路搭建以及数据的上传。给家里添加了相对准确的气象参考数据，并且只要我的手机有网络的情况下，随时可以查看家中的气象数据，给家庭带来了很大方便。

## 改进
原来我使用的单片机是STC8F系列的，我当时绘制板子的时候没有给单片机外接晶振，是使用的单片机内置晶振。可能内置晶振的准确性没有外置晶振的高，在长时间使用下由于时钟不精确，会导致串口通信波特率出现不稳定的问题，导致数据传输出错。再加上近期在学习STM32系列单片机，于是想着将气象站的MCU换成STM32。
这是我在某宝上买到的STM32F103C8T6开发板，为了实现低功耗的目的，我先要对这块板子进行处理
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/5e87d95871e8626f8b9b23e1df8f7807.jpg)
板子背面有很多阻容元件以及一个稳压器，我拆除掉图上所有标注的元件
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使用风枪解焊芯片
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解焊下来这些元件之后，我将STM32开发板焊接到面包板上了，再焊接上其他传感器
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/419863792e655cbe8148d88d4a22b5fe.jpg)
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/468473009036b2b27fb176783e45a80e.jpg)
这样，新的气象站电路就制作好了。下面对STM32进行编程

其实对于我这个应用来说，使用STM32芯片在编程上就比51复杂一点，主要复杂在端口的配置以及时钟的配置上，其他的代码我均是由之前用的STC8系列单片机的程序移植过来的。只不过有一点区别是，在STM32芯片上，定时唤醒我是使用的STM32单片机的看门狗来实现的，具体流程如下：
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/6d121d0c66798d97f2b9f9b6e2140751.png)
这样一来，由于没有喂狗程序，所以看门狗会不断的复位系统，每次复位后单片机就会采集一次数据并通过zigbee发送出去。另外一个带来功耗问题的就是系统频率。一般情况下，STMF103系列芯片（采用M3内核）的工作频率都在72MHZ左右。但是随着工作频率上升，导致功耗增加，所以我调整了系统的工作频率，方法很简单，只需要修改宏定义
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/f1b9e094db1e49abf174682d0a55a253.png)
烧写程序后再次测试整个气象站，看到数据正常上传，再次查看消耗电流大小，发现待机时候只有8.8uA左右，较改进之前小了2.2uA，功耗近一步减小。
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/07dbe4abcdbb0ed84592f0a5882ddc8e.jpg)
最后在微信小程序上查看到的数据
![](https://cf03.ickimg.com/bbsimages/201912/9bfd60d121171695995c0bddc2b93d3c.jpg)

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