Station Météo Sans Fil Arduino : Kit Portable de Surveillance Météorologique DIY

À Propos de ce Projet

Construire une station météo sans fil est une excellente expérience d'apprentissage. Une fois ce projet terminé, vous aurez une meilleure compréhension du fonctionnement des communications sans fil, des capteurs, et de la puissance de la plateforme Arduino. Avec ce projet comme base et l'expérience acquise, vous serez en mesure de construire facilement des projets plus complexes à l'avenir.

Une station météo est un dispositif qui collecte des données liées à la météo et à l'environnement en utilisant de nombreux capteurs différents. On peut mesurer beaucoup de choses comme :

• Température
• Humidité
• Vent
• Pression barométrique
• Indice UV
• Pluie

Dans la station météo que nous allons construire, nous allons mesurer la température et l'humidité en deux endroits et afficher la date et l'heure actuelles. Construire une station météo est extrêmement facile. Mais un maker peut-il construire une unité avec un écran TFT couleur et des fonctionnalités équivalentes à celles d'une unité commerciale ? La réponse est OUI ! Grâce à la puissance du logiciel et du matériel open source, on peut construire cette station météo impressionnante facilement !

Le projet se compose de deux parties : l'émetteur et le récepteur.

L'émetteur mesure la température et l'humidité, et envoie les données sans fil au récepteur. Le récepteur mesure la température et l'humidité localement, reçoit les données du capteur distant et affiche le tout sur un grand écran TFT couleur.

Construisons ce projet !

Étape 1 : Rassembler Tous les Composants

Les composants nécessaires pour construire ce projet sont les suivants :

• Arduino Due ▶ https://educ8s.tv/part/ArduinoDue
• Arduino Mega ▶ https://educ8s.tv/part/ArduinoMega
• Arduino Nano ▶ https://educ8s.tv/part/ArduinoNano
• Écran TFT 3,2" ▶ https://educ8s.tv/part/32TFT
• DHT22 ▶ https://educ8s.tv/part/DHT22
• NRF24L01 ▶ https://educ8s.tv/part/NRF24L01
• DS3231 RTC ▶ https://educ8s.tv/part/DS3231
• Plaque d'essai ▶ https://educ8s.tv/part/SmallBreadboard
• Fils ▶ https://educ8s.tv/part/Wires
• Connecteurs Header ▶ https://educ8s.tv/part/HeaderPins
• Xiaomi Powerbank ▶ https://educ8s.tv/part/Powerbank

Le coût du projet est d'environ 40 $. Vous pouvez réduire le coût de 5 $ en utilisant l'Arduino Mega au lieu de l'Arduino Due. J'ai choisi l'Arduino Due pour le récepteur car il est très rapide et dispose de beaucoup de mémoire. Cela sera très utile à l'avenir lorsque nous ajouterons plus de fonctionnalités au projet.

Étape 2 : Capteur Température et Humidité - DHT22

Le DHT22 est un capteur de température et d'humidité très populaire. Il est bon marché, facile à utiliser, et les spécifications annoncent une bonne précision et exactitude.

Les capteurs DHT sont composés de deux parties : un capteur d'humidité capacitif et un thermistor. Il y a aussi une puce à l'intérieur qui fait de la conversion analogique-numérique et sort un signal numérique avec la température et l'humidité. Le signal numérique est assez facile à lire en utilisant n'importe quel microcontrôleur.

Caractéristiques du DHT22

• Faible coût
• Alimentation et E/S 3 à 5V
• Courant maximal 2,5 mA pendant la conversion
• Lectures d'humidité 0-100 % avec précision 2-5 %
• Lectures de température -40 à 125 °C avec précision ±0,5 °C
• Lent

La connexion avec Arduino est extrêmement simple. On connecte la broche du capteur avec le signe + à la sortie 5V ou 3,3V de l'Arduino. On connecte la broche avec le signe - à la masse (GROUND). Enfin, on connecte la broche OUT à n'importe quelle broche numérique de l'Arduino.

Pour utiliser le capteur DHT22 avec Arduino, il faut utiliser la bibliothèque DHT.

https://github.com/adafruit/DHT-sensor-library

Étape 3 : Le Module Horloge Temps Réel DS3231

Le module DS3231 Real-Time Clock est, comme son nom l'indique, une horloge temps réel. Grâce à sa pile, il peut maintenir l'heure pendant des années car sa consommation d'énergie est minimale.

Le coût du module est extrêmement bas ; il coûte environ 2 $ pile comprise ! Nous allons l'utiliser pour garder l'heure dans notre projet de Station Météo.

Étape 4 : Modules Sans Fil NRF24L01+

Le module NRF24L01 est un module transceiver bidirectionnel à faible coût. Son prix est inférieur à 3 $ ! Il fonctionne sur la bande 2,4 GHz et peut atteindre un débit de 2 Mbits ! Impressionnant, non ? Il utilise l'interface SPI pour communiquer avec Arduino, donc il est très facile à utiliser. Nous devons connecter 7 des 8 broches du module pour le faire fonctionner avec Arduino.

Malheureusement, on ne peut pas brancher le module directement sur la plaque d'essai, nous allons donc utiliser des fils male-to-female pour connecter le module à Arduino. La broche 1 du module est GND. Vous devez la connecter à la masse de l'Arduino. La broche suivante est Vcc. Vous devez la connecter à la sortie 3,3V de l'Arduino Uno. Attention ! Ne la connectez pas à 5V ou vous détruirez votre module ! La troisième broche s'appelle CE et vous pouvez la connecter à n'importe quelle broche numérique. Dans cet exemple, je vais la connecter à la broche numérique 7. La broche 4 est CS et vous pouvez la connecter à n'importe quelle broche numérique également. Je vais la connecter à la broche numérique 8. La broche suivante est SCK qui va à la broche numérique 13 de l'Arduino Uno. La broche suivante est MOSI qui va à la broche numérique 11, et la dernière broche est MISO qui va à la broche numérique 12. C'est tout !

Pour faciliter l'utilisation du module avec Arduino, nous devons utiliser la bibliothèque suivante : https://github.com/TMRh20/RF24

Si vous n'avez jamais utilisé les modules NRF24L01+, veuillez regarder la vidéo jointe pour voir comment l'utiliser en construisant un projet simple. Cela vous aidera à comprendre son fonctionnement.

Étape 5 : Construction de l'Émetteur

Commençons par construire l'émetteur. C'est très simple.

Pour l'émetteur, nous utilisons :

• Un Arduino Nano
• Un capteur DHT22
• Un module sans fil NRF24L01+
• Une plaque d'essai
• Quelques fils

Nous connectons la broche de sortie du capteur à la broche numérique 4 de l'Arduino Nano. Nous connectons la masse et Vcc et c'est prêt. Il ne reste plus qu'à connecter le module sans fil NRF24L01.

Veuillez le connecter en utilisant les broches indiquées sur la troisième image. Pour plus de détails, regardez la vidéo détaillée que j'ai jointe à l'étape précédente.

C'est tout, votre émetteur est prêt. Passons maintenant au récepteur.

Étape 6 : Construction du Récepteur

Pour construire le récepteur, nous avons besoin des composants suivants :

• Un Arduino Due ou un Mega
• Un module Horloge Temps Réel DS3231
• Un Capteur Température et Humidité DHT22
• Un module Sans Fil NRF24L01+
• Un écran TFT couleur 3,2"
• Une plaque d'essai
• 7 connecteurs header
• Quelques fils

Tout d'abord, nous plions 7 connecteurs header et les plaçons sur certaines broches de l'Arduino Due. Nous en avons un pour la masse et un pour le 3,3V. Nous en avons deux pour les broches I2C. Nous avons besoin des 3 restants pour les broches numériques 6 à 8. Nous devons aussi souder trois fils aux broches SPI matérielles de l'Arduino Due. Nous avons besoin de MOSI, MISO et SCK. Vérifiez le schéma attentivement. Nous connectons les fils aux connecteurs header et nous sommes prêts à attacher l'écran.

Connexion du DS3231

• Broche VCC sur la sortie 3,3V de l'Arduino
• Broche GND sur la masse de l'Arduino
• Broche SDA (Ligne de Données Série) sur la broche SDA de l'Arduino
• Broche SCL (Ligne d'Horloge Série) sur la broche SCL de l'Arduino

Connexion du Capteur DHT22

• Broche VCC sur la sortie 3,3V de l'Arduino
• Broche GND sur la masse de l'Arduino
• Broche de sortie sur la broche numérique 8 de l'Arduino

Connexion du Module NRF24L01

• Broche GND sur la masse de l'Arduino
• Broche VCC sur le 3,3V de l'Arduino
• 3ème broche sur la broche numérique 6 de l'Arduino
• 4ème broche sur la broche numérique 7 de l'Arduino
• 5ème broche sur la broche SCK que nous avons soudée
• 6ème broche sur la broche MOSI que nous avons soudée
• 7ème broche sur la broche MISO que nous avons soudée

Étape 7 : Le Code de l'Émetteur

Tout d'abord, nous devons télécharger la bibliothèque RF24 pour faciliter notre travail avec les modules sans fil NRF24L01. Nous avons aussi besoin de la bibliothèque DHT pour le capteur DHT22.

• Bibliothèque DHT22 : https://github.com/adafruit/DHT-sensor-library

Voyons le code de l'émetteur. Il envoie une structure de données simple qui contient deux flottants : la température et l'humidité.

Pour établir une liaison de communication, nous devons créer un « tuyau » (pipe) entre les deux modules. Ce tuyau a besoin d'une adresse. Les deux modules doivent écrire et lire depuis le même tuyau pour communiquer. C'est la première chose que nous définissons dans notre code. Nous définissons l'adresse du tuyau à « 0 ». Ensuite, nous définissons le canal sur lequel nous voulons communiquer avec l'autre module. La puce NRF24L01 supporte 126 canaux différents. Les deux modules doivent utiliser le même canal pour communiquer. Dans cet exemple, j'utilise le canal 115. Ensuite, je définis que je veux utiliser la puissance de transmission maximale que le module offre. Cela consomme plus d'énergie mais étend la portée de la communication. Ensuite, nous définissons le débit de transmission. Je le règle à 250 Kbps, qui est le débit le plus bas possible pour obtenir une meilleure portée. L'étape suivante consiste à ouvrir le tuyau pour pouvoir y écrire plus tard.

Dans la fonction loop, nous lisons les valeurs de température et d'humidité depuis le capteur, nous sauvegardons ces données dans la structure de données et puis nous envoyons la structure en l'écrivant dans le tuyau. C'est tout. Vous pouvez trouver le code joint dans ce tutoriel.

Étape 8 : Le Code du Récepteur

Voyons maintenant le code du récepteur. Nous avons besoin de 4 bibliothèques. Tout d'abord, nous devons télécharger la bibliothèque pour l'écran depuis ce lien :

Bibliothèque AFFICHAGE : https://github.com/Bodmer/TFT_HX8357_Due

Après avoir téléchargé la bibliothèque, vous devez ouvrir le fichier User_Setup.h. Mettez en commentaire la ligne 13 et décommentez la ligne 14, car l'écran que nous avons utilise le pilote HX8357C. Maintenant nous pouvons continuer avec les 3 autres bibliothèques. Nous avons besoin d'une bibliothèque pour l'horloge temps réel, une pour le capteur DHT22 et enfin une pour le module sans fil.

• NRF24L01 : https://github.com/TMRh20/RF24
• DHT22 : https://github.com/adafruit/DHT-sensor-library
• DS3231 : https://github.com/SodaqMoja/Sodaq_DS3231

Examinons le code. La première chose à faire est de régler l'heure sur le module horloge temps réel s'il n'est pas déjà réglé. Pour ce faire, entrez la date et l'heure actuelles dans la fonction setRTCTime, décommentez l'appel de la fonction setRTCTime à la ligne 54 et téléversez le programme sur Arduino. Maintenant l'heure est réglée. Mais ensuite, nous devons remettre en commentaire l'appel de la fonction setRTCTime et téléverser le programme sur Arduino une fois de plus.

Le code du récepteur fonctionne comme suit. Dans la fonction setup, nous initialisons tous les capteurs et modules et nous affichons l'interface utilisateur. Ensuite, dans la fonction loop, nous vérifions continuellement s'il y a de nouvelles données sans fil. S'il y a de nouvelles données, nous les sauvegardons dans des variables et les affichons sur l'écran. Nous lisons la température et l'humidité une fois par minute et nous ne mettons à jour l'affichage que s'il y a un changement dans les valeurs. Ainsi, nous réduisons encore plus le scintillement de l'affichage ! J'ai aussi préparé une version du code avec la température affichée en degrés Fahrenheit. Vous pouvez trouver les deux versions du code jointes à ce tutoriel.

Étape 9 : Test du Projet

La dernière étape consiste à alimenter tout et à voir si tout fonctionne comme prévu. Si c'est le cas, en haut de l'affichage, la date et l'heure actuelles sont affichées. En bas de l'affichage, vous pouvez voir la température et l'humidité des deux capteurs, distant et local.

S'il n'y a pas de données affichées pour le capteur distant, rapprochez l'émetteur — il peut être hors de portée. Si le problème persiste, revérifiez toutes les connexions une fois de plus — il doit y avoir quelque chose qui ne va pas là.

Comme vous pouvez le voir, ce projet est une excellente démonstration de ce que le matériel et le logiciel open source sont capables de faire. En quelques heures, on peut construire un projet aussi impressionnant ! Bien sûr, ce n'est que le début. Nous pouvons ajouter beaucoup plus de fonctionnalités au projet. J'ajouterai bientôt un bouton pour afficher des graphiques et avoir différents modes. Nous pouvons aussi ajouter plus de capteurs, de la journalisation de données, une connexion Internet, etc. Nous utilisons l'Arduino Due, donc nous avons beaucoup de mémoire pour implémenter beaucoup plus de choses. J'aimerais avoir votre avis sur ce projet. Comment voulez-vous le voir évoluer ? Veuillez poster vos commentaires ou idées dans la section commentaires ci-dessous !

Si vous voulez plus de détails, regardez la vidéo YouTube dans l'introduction ou visitez mon site web. Merci d'avoir regardé !

Code

GitHub

https://github.com/adafruit/DHT-sensor-library

GitHub

https://github.com/TMRh20/RF24

GitHub

https://github.com/Bodmer/TFT_HX8357_Due

GitHub

https://github.com/SodaqMoja/Sodaq_DS3231