1、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本設(shè)計(jì)時(shí)基于ESP32和 LoRa 模塊和一些常見(jiàn)的氣象傳感器制作太陽(yáng)能無(wú)線氣象站。

該項(xiàng)目是一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目，設(shè)計(jì)資料在文末分享。

氣象站完全由太陽(yáng)能供電，所以不用擔(dān)心外部電源。可以將它安裝在一個(gè)偏遠(yuǎn)的地方，而不需要鋪設(shè)長(zhǎng)電纜來(lái)提供電力。

氣象站是一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的氣象站，適用于智能農(nóng)業(yè)、智能城市、太陽(yáng)能發(fā)電廠、建筑工地等各種應(yīng)用。它由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，發(fā)送者節(jié)點(diǎn)將部署在外地(如果沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)) ，接收者節(jié)點(diǎn)將保持在室內(nèi)，如果有互聯(lián)網(wǎng)可以將天氣數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)。

該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是通過(guò)使用各種傳感器讀取天氣參數(shù)，通過(guò) ESP32處理數(shù)據(jù)，然后通過(guò) LoRa 模塊傳輸數(shù)據(jù)。接收方 LoRa 單元將從 Sender 節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)，并將其上傳到 Server 以進(jìn)行監(jiān)視和分析。

數(shù)據(jù)交互方式：

1. 透過(guò)電子墨水紙張顯示器監(jiān)察數(shù)據(jù)

2. 與家庭助理/ESPHome 的融合

3. 將數(shù)據(jù)上傳到 Thingspeak，并以圖形格式監(jiān)視記錄的數(shù)據(jù)。

4. 通過(guò) Blynk App 監(jiān)控智能手機(jī)上的數(shù)據(jù)。

2、硬件設(shè)計(jì)

2.1、主控接口設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的主控制器為 ESP32-WROOM32單片機(jī)。來(lái)自 LDO 的3.3 V 電源通過(guò)輸入濾波電容 C7和 C8被饋送到 ESP32的3V3引腳。兩個(gè)電阻 R10和 R11是 I2C 總線的上拉電阻。使用帶有限流電阻 R22的 LED D4指示調(diào)試狀態(tài)。Jumper JP1用于啟用或禁用調(diào)試 LED。如果你需要這個(gè) LED，你必須做空跳線 JP1。

程序端口 J11用于連接板與程序員上傳固件。

2.2、LoRa 模塊接口

LoRa 是一種“長(zhǎng)距離”低功耗無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，用于提供蜂窩式低數(shù)據(jù)速率通信網(wǎng)絡(luò)。LoRa 非常適合在相當(dāng)長(zhǎng)的距離內(nèi)提供間歇性的低數(shù)據(jù)速率連接。

該設(shè)計(jì)中添加了一個(gè)電源開(kāi)關(guān)電路，通過(guò)使用 MOSFET (Q2)和晶體管(Q1) ，在睡眠模式期間完全關(guān)閉了 LoRa 模塊。

2.3、氣象傳感器

該系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)傳感器構(gòu)成：

• 大氣壓強(qiáng)傳感器（BME280）

• 溫度傳感器（DS18B20）

• 光照強(qiáng)度傳感器（BH1750）

• 風(fēng)向傳感器

• 風(fēng)速傳感器

• 雨量計(jì)

• 紫外線強(qiáng)度檢測(cè)傳感器（SI1145）

• 空氣質(zhì)量傳感器（PMS5003）

• 土壤溫濕度傳感器(SHT30)

  

3、低功耗設(shè)計(jì)

氣象站的核心是一個(gè) ESP32 SOC，一個(gè)耗電的芯片。當(dāng)系統(tǒng)由插座供電時(shí)，往往不太關(guān)心能源消耗。但是如果使用電池來(lái)為系統(tǒng)的電源，那么每一毫安都很重要。

本項(xiàng)目使用18650電池作為系統(tǒng)的外接電源。要使用電池運(yùn)行 ESP32，我們必須降低能耗。可以通過(guò)以下方式降低電力消耗：

• 軟件優(yōu)化

• 硬件優(yōu)化

3.1、軟件優(yōu)化

使用深度睡眠模式，這是ESP芯片最省電的選擇。它可以使ESP32進(jìn)入休眠狀態(tài)，節(jié)省電池?？梢悦扛粢欢螘r(shí)間喚醒ESP，進(jìn)行測(cè)量并發(fā)布數(shù)據(jù)。

3.2、硬件優(yōu)化

PCB上的耗電元件是LED、ESP32、LoRa和傳感器。ESP32的功耗可以通過(guò)軟件優(yōu)化降到最低。其他器件，我們可以通過(guò)優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)來(lái)減少他們的功耗。

在硬件設(shè)計(jì)中考慮了以下幾點(diǎn)，以減少功耗：

1. LED跳線。

通過(guò)使用跳線JP1、JP2和JP3，你可以啟用/禁用PCB板上的所有3個(gè)LED（DEBUG、CHRG和POWER）。默認(rèn)狀態(tài)是禁用，但如果你需要它們，可以用焊料將跳線連接起來(lái)。

2. 用于LoRa的電源開(kāi)關(guān)。

通過(guò)使用MOSFET（Q2）和晶體管（Q1）添加了一個(gè)電源開(kāi)關(guān)電路，以便在睡眠模式下完全關(guān)閉LoRa模塊。ESP32的GPIO引腳16被用來(lái)控制這個(gè)電源開(kāi)關(guān)。

3. 傳感器的電源開(kāi)關(guān)。

我通過(guò)使用MOSFET（Q3）和晶體管（Q4）添加了一個(gè)電源開(kāi)關(guān)電路，以便在睡眠模式下完全關(guān)閉所有的傳感器（當(dāng)沒(méi)有傳感器數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)）。ESP32的GPIO引腳26被用來(lái)控制這個(gè)電源開(kāi)關(guān)。

4、圖片展示

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)3D打印的百葉箱來(lái)保存氣象傳感器和PCB板。

部分外殼展示：

實(shí)物展示：