Собери свою метеостанцию: научное хобби для дома

Для первого проекта понадобятся два основных компонента:

• датчик BME280 — измеряет температуру, влажность и атмосферное давление;
• плата с микроконтроллером — получает данные от датчика и выполняет программу.

Проще представить их как команду из двух человек: датчик собирает информацию, а плата её принимает и обрабатывает. В качестве платы можно взять, например, Arduino UNO или ESP32. Arduino проще использовать для первого знакомства с электроникой. ESP32 пригодится, если захочется передавать данные по Wi-Fi.

Кроме них понадобятся:

• макетная плата — пластиковая плата с отверстиями, в которые вставляют детали и провода;
• соединительные провода;
• компьютер для загрузки программы.

Что измеряет датчик

BME280 собирает три показателя:

• Температура — насколько нагрет воздух.
• Влажность — содержание водяного пара в воздухе относительно максимально возможного при данной температуре.
• Атмосферное давление — сила, с которой воздух давит на поверхность.

Датчик рассчитан на работу при температуре от −40 до +85 °C, влажности от 0 до 100% и давлении от 300 до 1100 гПа. Он измеряет давление в месте установки. В метеорологии давление часто приводят к уровню моря, чтобы значения из разных мест было проще сравнивать.

Как всё соединить

Для подключения по I²C нужны четыре соединения:

• питание;
• земля (GND);
• SDA — линия передачи данных;
• SCL — линия тактирования, которая задаёт ритм обмена данными.

Выбор контактов зависит от модели платы. Например, у классической Arduino UNO линии I²C находятся на A4 (SDA) и A5 (SCL).

Сенсор рассчитан на напряжение питания до 3,6 В, а некоторые готовые модули дополнительно оснащены электроникой, которая позволяет подключать их к 5-вольтовым платам. Поэтому перед сборкой проверь характеристики модуля.

После подключения установи библиотеку для BME280 в Arduino IDE и загрузи в плату готовый пример или свою программу. Затем показания датчика появятся в мониторе порта на компьютере.

Пока станция подключена к компьютеру, показания можно смотреть на экране. Но есть несколько способов сделать её самостоятельной:

• Добавь дисплей. Небольшой экран можно подключить к той же плате. Тогда температура, влажность и давление будут отображаться прямо на станции.
• Научись сохранять данные. Можно подключить специальный модуль для карты памяти. Тогда станция будет записывать показания, например, каждую минуту. Через день или неделю у тебя накопится достаточно данных, чтобы построить график. Если станция должна записывать точное время самостоятельно, ей понадобится источник времени: например, отдельный модуль часов или синхронизация по интернету.
• Добавь Wi-Fi. Если использовать ESP32 или Arduino UNO R4 WiFi, станцию можно подключить к сети. Тогда она сможет отправлять показания на компьютер или телефон.

Если хочешь измерять температуру воздуха, нельзя просто положить датчик на подоконник под солнце. Солнце нагреет датчик, и он покажет температуру выше той, которая у воздуха вокруг. Проблемы возникнут и рядом с батареей, горячей стеной, крышей или асфальтом.

Есть ещё один источник тепла — электроника. Если датчик находится рядом с микроконтроллером или другими нагревающимися деталями, они могут влиять на его показания.

На улице его нужно защитить от прямого солнца и дождя, но не закрывать наглухо. Для этого используют радиационный экран — конструкцию, которая защищает датчик от солнечных лучей, но пропускает воздух. Основную плату можно поместить в защищённый от влаги корпус, а датчик вывести наружу под радиационный экран.

Когда разберёшься с температурой, влажностью и давлением, станцию можно расширить:

• Анемометр измеряет скорость ветра.
• Флюгер показывает его направление.
• Дождемер считает количество выпавших осадков.

Один из вариантов дождемера работает с маленьким ковшом. Вода наполняет его, ковш переворачивается, а электроника фиксирует это событие. Зная, сколько воды соответствует одному перевороту, можно рассчитать количество осадков. В самодельном дождемере этот показатель можно проверить экспериментально: пропустить через него известный объём воды и посчитать, сколько раз перевернулся ковш.

С метеостанцией можно не просто собирать показания, а проверять свои предположения. Для этого выбери один показатель или сравни несколько и заранее реши, что хочешь узнать. Например:

• Понаблюдать за погодой в течение дня. Настрой запись температуры, влажности и давления через одинаковые промежутки времени. Через сутки построй графики и посмотри, как менялись показатели утром, днём и вечером.
• Сравнить два места. Например, измерь температуру во дворе и возле дома. Чтобы сравнение было честным, используй один и тот же датчик и постарайся поставить его в похожие условия: на одинаковой высоте и вдали от прямого солнца и источников тепла.
• Проверить, как солнечный свет влияет на показания датчика. Поставь два одинаковых датчика в одинаковых условиях, но один защити от прямого солнца, а второй оставь открытым. Сравни показания. Такой эксперимент покажет, насколько солнечный нагрев может исказить измерение температуры воздуха.
• Посмотреть, как показатели меняются одновременно. Записывай температуру и влажность с одинаковыми интервалами, а потом сравни их графики. Можно добавить давление и посмотреть, какие изменения происходили одновременно, а какие — нет.

Например, спроси себя: «Как меняется температура воздуха возле дома в течение суток?» В этом случае достаточно оставить станцию работать на день, записывать показания через одинаковые промежутки времени и сравнить результаты.

Для первого проекта хватит микроконтроллера, BME280, макетной платы и проводов. Сначала подключи датчик и научись получать его показания. Затем настрой запись данных и выбери один вопрос для эксперимента.