基于Arduino开发板制作无线气象站

风筝

在本篇文章中，我们将学习如何制作基于Arduino开发板的无线气象站。我们使用DHT22传感器测量室外温度和湿度，然后使用NRF24L01收发器模块将这些数据无线发送到室内的设备。在室内设备上，还有另外一个用于测量室内温度和湿度的DHT22传感器，以及一个DS3231实时时钟模块，即使在Arduino断电后也可以保持时间。所有这些数据都打印输出在0.96英寸OLED显示屏上。

Arduino无线气象站电路图

我们来看看电路原理图以及工作原理。

下面列出了电路所需的组件：

●    NRF24L01收发器模块

●    DHT22传感器

●    DS3231实时时钟

●    Arduino Nano

实时时钟模块和OLED显示器都使用I2C协议与Arduino开发板进行通信，因此它们连接到Arduino Nano板上的I2C引脚或4号和5号模拟引脚。在NRF24L01收发器模块旁边有一个去耦电容，可以使电源更加稳定。还有一个连接到DHT22数据引脚的上拉电阻，可使得传感器正常工作。

至于电源，我使用12V直流电源适配器用于室内设备供电，而对于室外设备的供电，我使用了两节锂电池来产生约7.5V的电压。通过这种配置，由于室外设备需要定期传输数据，因此可以在电池放电之前运行大约10天，而同时会将Arduino置于睡眠模式，功耗仅为7mA左右。

定制设计PCB

为了保持能更有效的组织电子元件，根据电路图，我使用EasyEDA免费在线电路设计软件设计了一个定制PCB。我们可以注意到，室内和室外设备使用同一块PCB，只有Arduino开发板采用不同的编程代码。

一旦我们完成设计，我们就可以轻易地导出用于制造PCB的Gerber文件。您可以在这里查看Arduino无线气象站的EasyEDA项目文件。

然后我们就可以从PCB生产商定制PCB，一般几天后就可以拿到PCB。

然后，我们开始焊接PCB来组装该电路的电子元件。通过这种方式，我们可以在需要时轻松连接和断开组件。

接着焊接电容和上拉电阻。完成后，现在我们可以将组件插接到PCB的排母上。

接下来，我们项目制作外壳。我使用了8mm刻度MDF板和圆锯，将所有部件切割成所需的大小。

为了进行准确的温度和湿度测量，壳体的侧面必须允许空气进入壳体。因此，使用钻头和锉刀，我在室内和室外设备的侧面板上开了几个插槽。

我还为前面板上的OLED显示器开了一个插槽，并切割了一小块铝尺寸，稍后将其作为装饰安装在前面板上。

组装箱子时，我使用了木胶和一些夹子，以及一些螺丝。

我用喷漆涂了表壳。在室外设备上使用白色涂料，在室内设备上使用黑色涂料。油漆干了后，我只需将PCB插入箱子中。

在室内单元的后侧，插入了电源插孔和电源开关，在室外设备中，我使用一个跳线作为电源开关。

现在我们的Arduino无线气象站就可以正常运行了。

风筝

Arduino无线气象站代码

Arduino气象站室外设备的代码：

1. /*
   
2.   Arduino Wireless Communication Tutorial
   
3.       Outdoor unit - Transmitter
   
4.       
   
5. by Dejan Nedelkovski, www.HowToMechatronics.com
   
6. Libraries:
   
7. NRF24L01 - TMRh20/RF24, https://github.com/tmrh20/RF24/
   
8. DHT22 - DHTlib, https://github.com/RobTillaart/Arduino/tree/master/libraries/DHTlib
   
9. LowPower - https://github.com/rocketscream/Low-Power
   
10. */
    
11. #include <SPI.h>
    
12. #include <nRF24L01.h>
    
13. #include <RF24.h>
    
14. #include <dht.h>
    
15. #include <LowPower.h>
    
16. #define dataPin 8 // DHT22 data pin
    
17. dht DHT; // Creates a DHT object
    
18. RF24 radio(10, 9); // CE, CSN
    
19. const byte address[6] = "00001";
    
20. char thChar[32] = "";
    
21. String thString = "";
    
22. void setup() {
    
23.   radio.begin();
    
24.   radio.openWritingPipe(address);
    
25.   radio.setPALevel(RF24_PA_MIN);
    
26.   radio.stopListening();
    
27. }
    
28. void loop() {
    
29.   int readData = DHT.read22(dataPin); // Reads the data from the sensor
    
30.   int t = DHT.temperature; // Gets the values of the temperature
    
31.   int h = DHT.humidity; // Gets the values of the humidity
    
32.   thString = String(t) + String(h);
    
33.   thString.toCharArray(thChar, 12);
    
34.   // Sent the data wirelessly to the indoor unit
    
35.   for (int i = 0; i <= 3; i++) {           // Send the data 3 times
    
36.     radio.write(&thChar, sizeof(thChar));
    
37.     delay(50);
    
38.   }
    
39.   // Sleep for 2 minutes, 15*8 = 120s
    
40.   for (int sleepCounter = 15; sleepCounter > 0; sleepCounter--)
    
41.   {
    
42.     LowPower.powerDown(SLEEP_8S, ADC_OFF, BOD_OFF);
    
43.   }
    
44. }

复制代码

代码描述：室外设备是无线通信的发射部分，因此首先我们需要包括RF24库、DHT库，以及用于将Arduino置于睡眠模式的LowPower库。

在定义了它们的实例，模块所连接的引脚和一些变量之后，在setup()函数中我们需要初始化无线通信地址。然后在loop()函数，首先我们读取DHT22传感器的数据（温度和湿度）。最初这些值是整数并且是分开的，因此我将它们转换为单个String变量，将它们放入字符数组中，并使用radio.write()函数将此数据发送到室内设备。使用for循环，我们发送数据3次，以确保接收器在发送时控制器忙时获得数据。

最后，我们将Arduino置于睡眠模式一段特定时间，以最大限度地降低功耗。

Arduino气象站室内设备代码：

1. /*
   
2.   Arduino Wireless Communication Tutorial
   
3.         Indoor unit  - Receiver
   
4.   by Dejan Nedelkovski, www.HowToMechatronics.com
   
5. Libraries:
   
6. DS3231 - http://www.rinkydinkelectronics.com/library.php?id=73
   
7. U8G2 - https://github.com/olikraus/u8g2
   
8. */
   
9. #include <SPI.h>
   
10. #include <nRF24L01.h>
    
11. #include <RF24.h>
    
12. #include <dht.h>
    
13. #include <DS3231.h>
    
14. #include <U8g2lib.h>
    
15. #include <Wire.h>
    
16. #define dataPin 8 // DHT22 sensor
    
17. dht DHT; // Creats a DHT object
    
18. DS3231  rtc(SDA, SCL);
    
19. U8G2_SSD1306_128X64_NONAME_1_HW_I2C u8g2(U8G2_R0, /* reset=*/ U8X8_PIN_NONE);
    
20. RF24 radio(10, 9); // CE, CSN
    
21. const byte address[6] = "00001";
    
22. char text[6] = "";
    
23. int readDHT22, t, h;
    
24. String inTemp, inHum, outTemp, outHum;
    
25. String rtcTime, rtcDate;
    
26. int draw_state = 0;
    
27. unsigned long previousMillis = 0;
    
28. long interval = 3000;
    
29. #define Temperature_20Icon_width 27
    
30. #define Temperature_20Icon_height 47
    
31. 
    
32. void setup() {
    
33.   radio.begin();
    
34.   radio.openReadingPipe(0, address);
    
35.   radio.setPALevel(RF24_PA_MIN);
    
36.   radio.startListening();
    
37.   u8g2.begin();
    
38.   rtc.begin();
    
39. }
    
40. void loop() {
    
41.   if (radio.available()) {
    
42.     radio.read(&text, sizeof(text)); // Read incoming data
    
43.     outTemp = String(text[0]) + String(text[1]) + char(176) + "C"; // Outdoor Temperature
    
44.     outHum = String(text[2]) + String(text[3]) + "%"; // Outdoor Humidity
    
45.   }
    
46.   unsigned long currentMillis = millis();
    
47.   if (currentMillis - previousMillis > interval) {
    
48.     previousMillis = currentMillis;
    
49.     u8g2.firstPage();
    
50.     do {
    
51.       switch (draw_state ) {
    
52.         case 0: drawDate(); break;
    
53.         case 1: drawInTemperature(); break;
    
54.         case 2: drawInHumidity(); break;
    
55.         case 3: drawOutTemperature(); break;
    
56.         case 4: drawOutHumidity(); break;
    
57.       }
    
58.     } while ( u8g2.nextPage() );
    
59.     draw_state++;
    
60.     if (draw_state > 4) {
    
61.       draw_state = 0;
    
62.     }
    
63.   }
    
64. }
    
65. void drawDate() {
    
66.   String dowa = rtc.getDOWStr();
    
67.   dowa.remove(3);
    
68.   rtcDate = dowa + " " + rtc.getDateStr();
    
69.   u8g2.setFont(u8g2_font_timB14_tr);
    
70.   u8g2.setCursor(0, 15);
    
71.   rtcTime = rtc.getTimeStr(); // DS3231 RTC time
    
72.   rtcTime.remove(5);
    
73.   u8g2.print(rtcDate);
    
74.   u8g2.setFont(u8g2_font_fub30_tf);
    
75.   u8g2.setCursor(8, 58);
    
76.   u8g2.print(rtcTime);
    
77. }
    
78. void drawInTemperature() {
    
79.   readDHT22 = DHT.read22(dataPin); // Reads the data from the sensor
    
80.   t = DHT.temperature; // Gets the values of the temperature
    
81.   inTemp = String(t) + char(176) + "C";
    
82.   u8g2.setFont(u8g2_font_helvR14_tr);
    
83.   u8g2.setCursor(24, 15);
    
84.   u8g2.print("INDOOR");
    
85.   u8g2.setFont(u8g2_font_fub30_tf);
    
86.   u8g2.setCursor(36, 58);
    
87.   u8g2.print(inTemp);
    
88.   u8g2.drawXBMP( 0, 17, Temperature_20Icon_width, Temperature_20Icon_height, Temperature_20Icon_bits);
    
89. }
    
90. void drawInHumidity() {
    
91.   h = DHT.humidity; // Gets the values of the humidity
    
92.   inHum = String(h) + "%";
    
93.   u8g2.setFont(u8g2_font_helvR14_tr);
    
94.   u8g2.setCursor(24, 15);
    
95.   u8g2.print("INDOOR");
    
96.   u8g2.setFont(u8g2_font_fub30_tf);
    
97.   u8g2.setCursor(36, 58);
    
98.   u8g2.print(inHum);
    
99.   u8g2.drawXBMP( 0, 17, Humidity_20Icon_width, Humidity_20Icon_height, Humidity_20Icon_bits);
    
100. }
     
101. void drawOutTemperature() {
     
102.   u8g2.setFont(u8g2_font_helvR14_tr);
     
103.   u8g2.setCursor(12, 15);
     
104.   u8g2.print("OUTDOOR");
     
105.   u8g2.setFont(u8g2_font_fub30_tf);
     
106.   u8g2.setCursor(36, 58);
     
107.   u8g2.print(outTemp);
     
108.   u8g2.drawXBMP( 0, 17, Temperature_20Icon_width, Temperature_20Icon_height, Temperature_20Icon_bits);
     
109. }
     
110. void drawOutHumidity() {
     
111.   u8g2.setFont(u8g2_font_helvR14_tr);
     
112.   u8g2.setCursor(12, 15);
     
113.   u8g2.print("OUTDOOR");
     
114.   u8g2.setFont(u8g2_font_fub30_tf);
     
115.   u8g2.setCursor(36, 58);
     
116.   u8g2.print(outHum);
     
117.   u8g2.drawXBMP( 0, 17, Humidity_20Icon_width, Humidity_20Icon_height, Humidity_20Icon_bits);
     
118. }

复制代码

代码描述：在另一侧，室内设备或接收器，我们需要包括两个库，一个用于DS3231实时时钟模块，另一个用于OLED显示器 -U8G2库。 与前一个一样，我们需要为下面的程序定义实例，引脚和一些变量。 此外，我们还需要将温度和湿度图标定义为位图。

温度图标位图：

1. #define Temperature_20Icon_width 27
   
2. #define Temperature_20Icon_height 47
   
3. static const unsigned char Temperature_20Icon_bits[] U8X8_PROGMEM = {
   
4.   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x3f, 0x00, 0x00, 0x80, 0x7f, 0x00, 0x00,
   
5.   0xc0, 0xe1, 0x00, 0x00, 0xe0, 0xc0, 0x01, 0x00, 0x60, 0x80, 0xf9, 0x03,
   
6.   0x60, 0x80, 0x01, 0x00, 0x60, 0x80, 0x01, 0x00, 0x60, 0x80, 0x79, 0x00,
   
7.   0x60, 0x80, 0x01, 0x00, 0x60, 0x80, 0x01, 0x00, 0x60, 0x80, 0xf9, 0x03,
   
8.   0x60, 0x80, 0x01, 0x00, 0x60, 0x80, 0x01, 0x00, 0x60, 0x8c, 0x79, 0x00,
   
9.   0x60, 0x9e, 0x01, 0x00, 0x60, 0x9e, 0x01, 0x00, 0x60, 0x9e, 0xf9, 0x03,
   
10.   0x60, 0x9e, 0x01, 0x00, 0x60, 0x9e, 0x01, 0x00, 0x60, 0x9e, 0x79, 0x00,
    
11.   0x60, 0x9e, 0x01, 0x00, 0x60, 0x9e, 0x01, 0x00, 0x60, 0x9e, 0xf9, 0x03,
    
12.   0x60, 0x9e, 0x01, 0x00, 0x60, 0x9e, 0x01, 0x00, 0x60, 0x9e, 0x01, 0x00,
    
13.   0x70, 0x9e, 0x03, 0x00, 0x38, 0x1e, 0x07, 0x00, 0x18, 0x3e, 0x0e, 0x00,
    
14.   0x1c, 0x3f, 0x0c, 0x00, 0x0c, 0x7f, 0x18, 0x00, 0x8c, 0xff, 0x18, 0x00,
    
15.   0x8e, 0xff, 0x38, 0x00, 0xc6, 0xff, 0x31, 0x00, 0xc6, 0xff, 0x31, 0x00,
    
16.   0xc6, 0xff, 0x31, 0x00, 0x8e, 0xff, 0x38, 0x00, 0x8c, 0xff, 0x18, 0x00,
    
17.   0x0c, 0x7f, 0x1c, 0x00, 0x3c, 0x1c, 0x0e, 0x00, 0x78, 0x00, 0x06, 0x00,
    
18.   0xe0, 0x80, 0x07, 0x00, 0xe0, 0xff, 0x03, 0x00, 0x80, 0xff, 0x00, 0x00,
    
19.   0x00, 0x1c, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00
    
20. };

复制代码

我们可以使用GIMP，一个开源图像编辑器，通过它我们可以绘制任何东西，然后将其导出为位图（.xbm）。

然后我们可以使用记事本打开这个文件，将位图复制到Arduino代码中。

请注意，在这里我们可以使用PROGMEM变量修饰符将位图定义为常量，这样位图将存储在闪存而不是Arduino板的SRAM中。

1. static const unsigned char Temperature_20Icon_bits[] U8X8_PROGMEM // Save in the Flash memory
   
2. static unsigned char Temperature_20Icon_bits[] // Save in the SRAM

复制代码

在setup函数中，我们需要初始化无线通信以及初始化OLED显示器和实时时钟模块。

然后在loop函数，我们不断检查是否有通过NRF24L01模块读取的输入数据。如果为true，则使用radio.read()函数读取它，并将前两个字符存储到温度String变量中，将接下来的两个字符存储到湿度String变量中。

然后我们使用millis()函数，以显示间隔变量定义的显示器上的各种数据，我将其设置为3秒。我们使用millis()函数，因为以这种方式可以重复执行其余代码，而且如果使用delay()函数，程序会等待那段时间，这样我们可能会错过从室外设备传入的数据。

接下来，使用U8G2库的firstPage()和nextPage()函数，我们打印使用自定义函数定义的五个不同界面。

drawDate()自定义函数从实时时钟模块获取日期和时间信息，并将其正确打印在显示器上。 drawInTemperature()函数读取室内温度并在显示屏上正确显示。实际上，在显示器上的所有屏幕的打印采用相同的方法。

以上就是本篇文章的全部内容，我希望你喜欢这个Arduino项目，并学到一些新东西。如果遇到问题，请随时在本帖下面进行回复。

碌碌无为

感谢楼主分享。