โปรเจกต์ AWS - Arduino Weather Station

AWS หรือ Arduino Weather Station ให้ข้อมูลสภาพแวดล้อมที่แม่นยำตลอด 24 ชั่วโมง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มันทำงานบนบอร์ด Microcontroller ของ Arduino และรองรับ Sensor แบบครบชุดสำหรับการวิเคราะห์สภาพแวดล้อม

เป้าหมาย

เป้าหมายของส่วนควบคุมนี้คือการตรวจวัดชุดข้อมูลผ่าน Sensor ที่ระบุไว้ข้างต้น และแสดงผลเชื่อมต่อกับผู้ใช้งานผ่านหน้าจอ LCD ขนาดของ "Hardware" โปรเจกต์ที่กะทัดรัดทำให้สามารถบรรจุลงในกล่องขนาดเล็กที่ทำจากเครื่อง Lasercut ได้

Sensors Used

Water and Snow Level Sensor

ตัวบ่งชี้ระดับน้ำ (Water-level indicator) ใช้สำหรับบอกระดับน้ำในถังเก็บน้ำด้านบน ซึ่งช่วยให้เราสามารถหลีกเลี่ยงน้ำล้นและทราบระดับน้ำในถังได้ตลอดเวลา

DHT11 Humidity and Temperature Sensor

DHT11 เป็น Sensor วัดอุณหภูมิและความชื้นแบบดิจิทัลที่มีการปรับเทียบสัญญาณเอาต์พุตมาแล้ว โดยใช้เทคโนโลยีการเก็บรวบรวมข้อมูล Module เฉพาะทางและเทคโนโลยี Sensor อุณหภูมิและความชื้นแบบดิจิทัล เพื่อให้มั่นใจว่าผลิตภัณฑ์มีความน่าเชื่อถือสูงและมีเสถียรภาพในระยะยาว ผลิตภัณฑ์นี้มีคุณภาพดีเยี่ยม ตอบสนองรวดเร็ว ป้องกันการรบกวนได้ดี ราคาประหยัด และมีข้อดีอื่นๆ อีกมากมาย

Photoresistor

Photoresistors หรือที่รู้จักกันในชื่อ Light Dependent Resistors (LDR) เป็นอุปกรณ์ตรวจจับแสงที่มักใช้เพื่อระบุว่ามีแสงหรือไม่มีแสง หรือเพื่อวัดความเข้มของแสง ในที่มืดค่า Resistance จะสูงมาก แต่เมื่อ Sensor LDR ได้รับแสง ค่า Resistance จะลดลงอย่างรวดเร็วเหลือเพียงไม่กี่ Ohms ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสง

LCD I2C 1602 Display

LCD1602 พร้อม Bus แบบ I2C เป็น Serial Bus ประเภทหนึ่ง ซึ่งเป็น Serial Bus ประสิทธิภาพสูงที่มีระบบควบคุม Bus และฟังก์ชันการประสานข้อมูลของอุปกรณ์ความเร็วสูงหรือต่ำตามที่ระบบ Multiple-host ต้องการ ตัว Potentiometer สีน้ำเงินบน LCD I2C 1602 ใช้สำหรับปรับ Backlight

I2C ใช้สายสัญญาณแบบ Bidirectional Open-drain เพียงสองเส้น คือ Serial DataLine (SDA) และ Serial Clock Line (SCL) โดยมีการดึงสัญญาณขึ้นด้วย Resistors โดยปกติจะใช้แรงดัน +5 V หรือ +3.3 V แม้ว่าระบบที่ใช้แรงดันไฟฟ้าอื่นจะได้รับอนุญาตเช่นกัน

DS1302 Real Time Clock Module

มันทำงานบนพื้นฐานของ Chip DS1302 ภายในซึ่งมีนาฬิกาแบบ Real-time / ปฏิทิน และ Static RAM ขนาด 31 Bytes คุณสามารถดูรูปแบบเวลาเป็น hh/mm/ss ในขณะที่รูปแบบวันที่คือ yyyy/mm/dd

LM35 Temperature Sensor

LM35 Precision Temperature sensor เป็น Sensor ที่ตรวจจับอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำมาก ตัวแปลงสัญญาณ Analog เป็น Digital (ADC) จะแปลงค่า Analog เป็นค่า Digital โดยประมาณตามสูตร ADCValue = sample * 1024 / reference voltage (+5v) ดังนั้นเมื่อใช้แรงดันอ้างอิง +5 Volt ค่า Digital จะเท่ากับ แรงดัน Input * 205

Infrared Receiver and Remote Controller

สองส่วนประกอบนี้ทำงานร่วมกัน: ตัวรับสัญญาณ IR จะทำหน้าที่รับข้อมูลจาก Remote Controller ข้อมูลจะขึ้นอยู่กับว่าคุณกดปุ่มใด ปุ่มต่อไปนี้ถูกเลือกเพื่อกำหนดฟังก์ชันเฉพาะ:

• ปุ่ม 0: คุณสามารถดูเวลาและวันที่บนหน้าจอ LCD ได้

• ปุ่ม 1: คุณสามารถดูข้อมูลอุณหภูมิจาก LM35 และข้อมูลความชื้นจาก DHT11 บนหน้าจอ LCD ได้

• ปุ่ม 2: คุณสามารถดูเปอร์เซ็นต์ความมืดบนหน้าจอ LCD ได้

• ปุ่ม 3: คุณสามารถดูค่าระดับของเหลว (mm) บนหน้าจอ LCD ได้

• ปุ่ม “Cycle”: คุณสามารถดูหน้าจอทั้งหมดแบบวนรอบโดยเว้นระยะเวลาห่างกัน 4 วินาที

THE A.W.S.

ขั้นตอนที่ 1: การสร้างกล่อง

หลังจากพิจารณาขนาดของโปรเจกต์แล้ว เราได้ดำเนินการสร้างกล่อง Plexiglas ขนาดของแต่ละด้านพร้อมกับตำแหน่งการต่อประสานและรูสำหรับสายไฟของ Sensor ออกไปด้านนอกถูกออกแบบด้วย Software Autocad จากนั้นเราได้ตัดชิ้นส่วนด้วยเครื่อง Lasercut และสุดท้ายประกอบเข้าด้วยกันด้วยกาวที่ติดแน่นเป็นพิเศษ

ขั้นตอนที่ 2: Schematic และการเชื่อมต่อ Hardware

นี่คือรูปภาพ Schematic สำหรับ Arduino Weather Station ซึ่งทำขึ้นด้วย Software Fritzing การเชื่อมต่อค่อนข้างเรียบง่าย

ขั้นตอนที่ 3: การเขียนโปรแกรม Arduino

เราได้เขียน Code บน Arduino IDE โดยใช้ Library ทั้งหมดที่จำเป็น และโปรแกรมให้สถานีตรวจอากาศทำงานตามที่เราต้องการ

ขั้นตอนที่ 4: หลักการทำงาน

AWS (Arduino Weather Station) เป็นสถานีตรวจอากาศที่รับข้อมูลบางอย่างจากสภาพแวดล้อมและทำให้สามารถดูได้โดยใช้ Remote Controller แบบ Infrared เพื่อแสดงผลกับผู้ใช้งาน มันมีหน้าจอ LCD ที่มีหน้าจอแสดงผล 5 แบบที่ผู้ใช้สามารถสลับเปลี่ยนได้

นี่คือหน้าจอต่างๆ:

1. หน้าจอหลัก (Home screen): เป็นหน้าจอแรกที่ผู้ใช้เห็นเมื่อเปิด Board ขึ้นมา แสดงชื่อโปรเจกต์ด้วยคำว่า “Arduino Weather Station” ซึ่งมีลูกเล่นการจางหาย (Fading) เฉพาะตัว คุณจะเห็นหน้าจอนี้ทุกครั้งหลังจากที่คุณเรียกดูข้อมูลจาก AWS

2. หน้าจอวันที่และเวลา (Date and Time screen): เป็นหน้าจอแรกที่ผู้ใช้สามารถเข้าถึงได้เพียงแค่กดปุ่ม 0 บนรีโมทคอนโทรล เมื่อกดแล้ว หน้าจอจะค้างไว้ 10 วินาทีและจะกลับสู่หน้าจอหลัก

3. หน้าจอความชื้นและอุณหภูมิ (Humidity and Temperature screen): เป็นหน้าจอที่ให้ข้อมูลที่ได้รับจาก Sensor DHT11 และ LM35 เกี่ยวกับความชื้นและอุณหภูมิตามลำดับ เชื่อมต่อกับปุ่ม 1 บน Remote Controller และเมื่อกดหน้าจอจะค้างไว้ 10 วินาทีและจะกลับสู่หน้าจอหลัก

4. หน้าจอความมืด (Darkness screen): เป็นหน้าจอที่ให้ข้อมูลที่ได้รับจาก LDR เกี่ยวกับปริมาณแสงบน Sensor โดยแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ความมืดบน Sensor เชื่อมต่อกับปุ่ม 2 บน Remote Controller และเมื่อกดหน้าจอจะค้างไว้ 10 วินาทีและจะกลับสู่หน้าจอหลัก

5. หน้าจอระดับของเหลว (Fluid Level screen): หน้าจอนี้ให้ข้อมูลความสูงของปริมาณของเหลวในภาชนะ เชื่อมต่อกับปุ่ม 3 บน Remote Controller และเมื่อกดหน้าจอจะค้างไว้ 10 วินาทีและจะกลับสู่หน้าจอหลัก

สี่หน้าจอสุดท้ายสามารถดูแบบต่อเนื่องกันโดยเว้นระยะห่าง 4 วินาทีได้ โดยการกด ปุ่ม Cycle บนรีโมทคอนโทรล ในโหมดนี้ข้อมูลจะถูกแสดงผลวนรอบเพียงรอบเดียวเท่านั้น

ข้อควรระวัง

สิ่งแรกที่ต้องพิจารณาเพื่อให้โปรเจกต์นี้มีอายุการใช้งานยาวนานคือการหลีกเลี่ยงไม่ให้ของเหลวหรือสารอันตรายอื่นๆ สัมผัสกับ Board และตัวสถานีโดยรวม

หลังจากการตกตะกอน (เช่น ฝนหรือหิมะ) จำเป็นต้องเทน้ำออกจากภาชนะ ตรวจสอบและทำความสะอาด Sensor

แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้มีระยะเวลาการใช้งานประมาณสองวัน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องชาร์จใหม่ (ประมาณ 2 ชั่วโมง) หากแบตเตอรี่กำลังจะหมด

บางครั้ง Sensor Infrared อาจทำงานไม่ดีเท่าที่ควร ดังนั้นฟังก์ชันของมันอาจถูกขัดจังหวะที่อุณหภูมิต่ำ (ประมาณ 0 องศา) ซึ่งไม่ได้เป็นปัญหาใหญ่อะไร เพียงแค่เปิดกล่องแล้วกดปุ่ม Reset ตัว AWS ก็จะกลับมาทำงานตามปกติอีกครั้ง

หากเรากดปุ่ม Reset ตัว Module RTC DS1302 จะไม่เปลี่ยนค่าวันที่และเวลา เนื่องจากมีแบตเตอรี่สำรองใน Module ที่ใช้งานได้นานประมาณ 10 ปี

หากถอดแหล่งจ่ายไฟของ AWS วันที่และเวลาจะเปลี่ยนไป ในการแก้ปัญหานี้จำเป็นต้องตั้งค่าใหม่ในจุดที่ระบุไว้ใน Code ตามความต้องการของคุณ เมื่ออัปโหลดแล้ว คุณต้องซ่อนการตั้งค่าในโปรแกรมตามที่ระบุด้านล่าง

Before:
Time t(2017, 12, 03, 10, 15, 00, 1);
rtc.time(t);
After:
//Time t(2017, 12, 03, 10, 15, 00, 1)//;
rtc.time(t);

Code

//include sketch libraries
#include 
#include  //clock library
#include  //clock library
#include  //clock library
#include  //dht11 library
#include  //LCD library
#include  //Wire for LCD library
#define lmPin A1  //LM35 attach to A1
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); // set the LCD address to 0x27 for a 16 chars and 2 line display
dht DHT; //create a variable type of dht
const int DHT11_PIN = 4; //attach dht11 to pin 4
const int waterSensor = 0; //set water sensor variable
int waterValue = 0; //variable for water sensor
int mmwaterValue = 0;
int sensorPin = A3; // select the input pin for the potentiometer
int luce = 0; //variable for the ldr
int pluce = 0; //variable for the ldr
float tem = 0; //variable for the temperature
long lmVal = 0; //variable for the LM35
//ir
const int irReceiverPin = 3;
IRrecv irrecv(irReceiverPin);  //Creates a variable of type IRrecv
decode_results results;
//define clock variable
uint8_t RST_PIN   = 5;  //RST pin attach to
uint8_t SDA_PIN   = 6;  //IO pin attach to
uint8_t SCL_PIN = 7;  //clk Pin attach to
/* Create buffers */
char buf[50];
char day[10];
/* Create a DS1302 object */
DS1302 rtc(RST_PIN, SDA_PIN, SCL_PIN);//create a variable type of DS1302
void print_time()
{
 /* Get the current time and date from the chip */
 Time t = rtc.time();
 /* Name the day of the week */
 memset(day, 0, sizeof(day));
 switch (t.day)
 {
   case 1:
     strcpy(day, "Sun");
     break;
   case 2:
     strcpy(day, "Mon");
     break;
   case 3:
     strcpy(day, "Tue");
     break;
   case 4:
     strcpy(day, "Wed");
     break;
   case 5:
     strcpy(day, "Thu");
     break;
   case 6:
     strcpy(day, "Fri");
     break;
   case 7:
     strcpy(day, "Sat");
     break;
 }
 /* Format the time and date and insert into the temporary buffer */
 snprintf(buf, sizeof(buf), "%s %04d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d", day, t.yr, t.mon, t.date, t.hr, t.min, t.sec);
 /* Print the formatted string to serial so we can see the time */
 Serial.println(buf);
 lcd.setCursor(2, 0);
 lcd.print(t.yr);
 lcd.print("-");
 lcd.print(t.mon / 10);
 lcd.print(t.mon % 10);
 lcd.print("-");
 lcd.print(t.date / 10);
 lcd.print(t.date % 10);
 lcd.print(" ");
 lcd.print(day);
 lcd.setCursor(4, 1);
 lcd.print(t.hr);
 lcd.print(":");
 lcd.print(t.min / 10);
 lcd.print(t.min % 10);
 lcd.print(":");
 lcd.print(t.sec / 10);
 lcd.print(t.sec % 10);
}
void setup() {
 //clock
 Serial.begin(9600);
 rtc.write_protect(false);
 rtc.halt(false);
 //ir
 irrecv.enableIRIn();  //enable ir receiver module
 lcd.init();  //initialize the lcd
 lcd.backlight();  //open the backlight
 pinMode(sensorPin, INPUT);
 Time t(2017, 12, 03, 10, 15, 00, 1);//initialize the time
 /* Set the time and date on the chip */
 rtc.time(t);
}
void loop() {
 lcd.setCursor(0, 0);
 lcd.print("A");
 delay(50);
 lcd.setCursor(1, 0);
 lcd.print("r");
 delay(50);
 lcd.setCursor(2, 0);
 lcd.print("d");
 delay(50);
 lcd.setCursor(3, 0);
 lcd.print("u");
 delay(50);
 lcd.setCursor(4, 0);
 lcd.print("i");
 delay(50);
 lcd.setCursor(5, 0);
 lcd.print("n");
 delay(50);
 lcd.setCursor(6, 0);
 lcd.print("o");
 delay(50);
 lcd.setCursor(8, 0);
 lcd.print("W");
 delay(50);
 lcd.setCursor(9, 0);
 lcd.print("e");
 delay(50);
 lcd.setCursor(10, 0);
 lcd.print("a");
 delay(50);
 lcd.setCursor(11, 0);
 lcd.print("t");
 delay(50);
 lcd.setCursor(12, 0);
 lcd.print("h");
 delay(50);
 lcd.setCursor(13, 0);
 lcd.print("e");
 delay(50);
 lcd.setCursor(14, 0);
 lcd.print("r");
 delay(50);
 lcd.setCursor(4, 1);
 lcd.print("S");
 delay(50);
 lcd.setCursor(5, 1);
 lcd.print("t");
 delay(50);
 lcd.setCursor(6, 1);
 lcd.print("a");
 delay(50);
 lcd.setCursor(7, 1);
 lcd.print("t");
 delay(50);
 lcd.setCursor(8, 1);
 lcd.print("i");
 delay(50);
 lcd.setCursor(9, 1);
 lcd.print("o");
 delay(50);
 lcd.setCursor(10, 1);
 lcd.print("n");
 delay(50);
if (irrecv.decode(&results)) //if the ir receiver module receiver data
 {   
if (results.value == 0xFF6897) //if "0" is pushed print TIME
{
 lcd.clear(); //clear the LCD
 print_time();
 delay(10000); //delay 10000ms
 lcd.clear(); //clear the LCD
 delay (200); //wait for a while
 irrecv.resume();    // Receive the next value
}
if (results.value == 0xFF30CF) //if "1" is pushed print TEMPERATURE and HUMIDITY
{
 lcd.clear(); //clear the LCD
 //READ DATA of the DHT
 int chk = DHT.read11(DHT11_PIN);
 // DISPLAY DATA
 lcd.setCursor(0, 0);
 lcd.print("Tem:");
 lmVal = analogRead(lmPin);//read the value of A1
 tem = (lmVal * 0.0048828125 * 100);//5/1024=0.0048828125;1000/10=100
 lcd.print(tem);//print tem
 lcd.print(char(223));//print the unit" ? "
 lcd.print("C      ");
 // Serial.println(" C");
 lcd.setCursor(0, 1);
 lcd.print("Hum:");
 //Serial.print("Hum:");
 lcd.print(DHT.humidity, 1); //print the humidity on lcd
 //Serial.print(DHT.humidity,1);
 lcd.print(" %      ");
 //Serial.println(" %");
 delay(10000); //wait for 3000 ms
 lcd.clear(); //clear the LCD
 delay(200); //wait for a while
 irrecv.resume();    // Receive the next value
}
if (results.value == 0xFF18E7) //if "2" is pushed print the DARKNESS
{
 lcd.clear(); //clear the LCD
 lcd.setCursor(4, 0); //place the cursor on 4 column, 1 row
 lcd.print("Darkness:");
 luce = analogRead(sensorPin); //read the ldr
 pluce = map(luce, 0, 1023, 0, 100); //the value of the sensor is converted into values from 0 to 100
 lcd.setCursor(6, 1); //place the cursor on the middle of the LCD
 lcd.print(pluce); //print the percentual
 lcd.print("%"); //print the symbol
 delay(10000); //delay 10000 ms
 lcd.clear(); //clear the LCD
 delay(200); //wait for a while
 irrecv.resume();    // Receive the next value
}
if (results.value == 0xFF7A85) //if "3" is pushed print the SNOW or WATER LEVEL
{
 lcd.clear(); //clear the LCD
 lcd.setCursor(0, 0); //place the cursor on 0 column, 1 row
 lcd.print("Fluid level(mm):"); //print "Fluid level(mm):"
 int waterValue = analogRead(waterSensor); // get water sensor value
 lcd.setCursor(6, 1); //place cursor at 6 column,2 row
 mmwaterValue = map(waterValue, 0, 1023, 0, 40);
 lcd.print(mmwaterValue);  //value displayed on lcd
 delay(10000); //delay 10000ms
 lcd.clear(); //clear the LCD
 delay(200);
 irrecv.resume();    // Receive the next value
}
if (results.value == 0xFF9867) //if "PRESENTATION" is pushed print TIME, TEM and HUM, DARKNESS and S or W LEVEL one time
{
 lcd.clear(); //clear the LCD
 print_time();
 delay(4000); //delay 10000ms
 lcd.clear(); //clear the LCD
 delay (200); //wait for a while
 //READ DATA of the DHT
 int chk = DHT.read11(DHT11_PIN);
 // DISPLAY DATA
 lcd.setCursor(0, 0);
 lcd.print("Tem:");
 lmVal = analogRead(lmPin);//read the value of A0
 tem = (lmVal * 0.0048828125 * 100);//5/1024=0.0048828125;1000/10=100
 lcd.print(tem);//print tem
 lcd.print(char(223));//print the unit" ? "
 lcd.print("C      ");
 // Serial.println(" C");
 lcd.setCursor(0, 1);
 lcd.print("Hum:");
 //Serial.print("Hum:");
 lcd.print(DHT.humidity, 1); //print the humidity on lcd
 //Serial.print(DHT.humidity,1);
 lcd.print(" %      ");
 //Serial.println(" %");
 delay(4000); //wait for 3000 ms
 lcd.clear(); //clear the LCD
 delay(200); //wait for a while
 lcd.setCursor(4, 0); //place the cursor on 4 column, 1 row
 lcd.print("Darkness:");
 luce = analogRead(sensorPin); //read the ldr
 pluce = map(luce, 0, 1023, 0, 100); //the value of the sensor is converted into values from 0 to 100
 lcd.setCursor(6, 1); //place the cursor on the middle of the LCD
 lcd.print(pluce); //print the percentual
 lcd.print("%"); //print the symbol
 delay(4000); //delay 10000 ms
 lcd.clear(); //clear the LCD
 delay(200); //wait for a while
 lcd.setCursor(0, 0); //place the cursor on 0 column, 1 row
 lcd.print("Fluid level(mm):"); //print "Fluid level(mm):"
 int waterValue = analogRead(waterSensor); // get water sensor value
 lcd.setCursor(6, 1); //place cursor at 6 column,2 row
 mmwaterValue = map(waterValue, 0, 1023, 0, 40);
 lcd.print(mmwaterValue);  //value displayed on lcd
 delay(4000); //delay 10000ms
 lcd.clear(); //clear the LCD
 delay(200);
 irrecv.resume();    // Receive the next value
}
}
} 

นอกจากการเขียน "Arduino Weather Station" ทีละตัวอักษรแล้ว ยังสามารถเขียนโดยใช้โหมด "switch/case" ได้อีกด้วย

บทสรุป

เราได้สร้างสถานีตรวจอากาศด้วย Arduino ซึ่งบันทึกวันที่และเวลาปัจจุบัน และรับข้อมูลสภาพแวดล้อมเพื่อแสดงบนหน้าจอ LCD โดยควบคุมผ่าน Remote Controller แบบ Infrared