【教程】低成本自建微型自动站

cnloong

第一部分 简略介绍及前期准备


先上成品图



基于ESP32和micro python的微型自动站项目简介
做得比较简陋，（风速计就简单固定了一下扛不住大风的，不过电线可以延长，实际安装时可使用螺丝固定安装）
目前监测的要素为温湿压+风速共4要素（风向一般看附近自动站就好），数据精度高（气压测量分辨率最高可达0.9帕斯卡，温湿度均可精确到小数点后两位，风速是标准精度0.1m/s）
后续可能会新增光照、雨量、卫星定位等模块
全套（不含服务器）的成本200左右，加上光照和标准雨量筒成本500左右
采集部分使用接线盒完全避免了雨水影响，可以太阳能发电（最高15W）
数据收集上传均由ESP32单片机完成，服务器负责处理数据，数据上传、收集间隔可自定义，数据上传到位于广州的服务器，目前上传间隔严格保持在30秒一次，各要素采集1秒1次。

数据展示


跟1km外的国家站数据对比


自己捏一个自动站还是比较费时间的，相关嵌入式开发、PCB设计、锡焊等知识和技能跟我们目前专业比较契合，所以也是跟兴趣结合起来了，如果单纯想要建站就自己买一个一体式的就好，我所做的只不过是在发展兴趣之余学习相关知识。

一、ESP32环境搭建
使用器材：一台电脑、一块ESP-WROOM-32单片机、一条合适的数据线（不是充电线！）


可参考:https://www.bilibili.com/video/BV1G34y1E7tE 进行配置（后面的视频也可以学学，熟悉一下操作）
注意：我当前使用的ESP32 芯片为CP2102,有一些芯片是CH340,操作上可能会有点差别。
PS：最近又买了CH340的做了下比较，烧录程序啥的操作没什么差异，不过不知道为何CH340收到软重启指令后会拒绝访问，CP2102无此问题。
(2025.1.24修改)

配置步骤：
1.将ESP32与电脑连接，打开Thonny配置解释器。



2.选择解释器和端口
在打开配置解释器窗口之后，按图示选项根据实际情况选择端口，成功后点击右下角“安装或更新 MicroPython”选项。

注意：在打开配置解释器窗口时若找不到设备(UART Bridge COM X之类的)，请检查驱动是否正确安装（相关程序可参考上面视频链接），以及使用的是否数据线。

3.烧录MicroPython固件

确认相关选项符合当前设备后，点击安装，等待2分钟左右即可完成。
完成后点击软件上方的”STOP“键即可完成ESP32的初始化，在左侧文件栏可以看见有boot.py出现，至此即为固件成功烧录。

如果没有出现文件栏，可以在上方工具栏找到”视图“，勾选文件就能看到了。
这样就算搭建好环境了，可以试试写个程序连一下自家WIFI测试一下。

二、程序烧录
1.要让ESP32运行程序，就要把程序放到里面，此过程称为“烧录”。

在配置完解释器之后，界面如图所示，将在左侧文件栏的“MicroPython设备”里出现一个boot.py

boot.py是用来初始化的ESP32的，所以不建议在里面写主要的程序以及死循环等。
下面代码为连接WIFI所使用的初始化代码：
boot.py

1. import network
   
2. import time
   
3. from machine import Pin, I2C, UART
   
4. 
   
5. # 创建STA模式的WiFi对象 STA模式指该设备要连接其他WIFI 另一个模式叫AP，可以理解成手机热点
   
6. wlan = network.WLAN(network.STA_IF)  
   
7. wlan.active(False)
   
8. wlan.active(True) # 防止软重启时报错
   
9. led = Pin(2, Pin.OUT)
   
10. # 要尝试连接的WiFi列表
    
11. wifi_list = [
    
12.     ('AAAA', '12345678'),  # WiFi名称和密码
    
13.     ('BBBB', '1145141919810'),
    
14.     ('CCCC', '')  # 开放的WIFI，没有密码
    
15. ]
    
16. 
    
17. # 尝试连接每个WiFi网络
    
18. for ssid, password in wifi_list:
    
19.     print(f'正在连接{ssid}')  # 打印正在尝试连接的WiFi名称
    
20.     try:
    
21.         wlan.connect(ssid, password)  # 尝试连接到指定的WiFi
    
22.     except:
    
23.         pass
    
24.     for _ in range(3):  # 最多尝试连接3次
    
25.         if wlan.isconnected():  # 检查是否已连接
    
26.             print(f'已连接{ssid}')
    
27.             # print(wlan.ifconfig())  # 可选打印网络调试信息（IP）
    
28.             break
    
29.         time.sleep(1)
    
30.     else:
    
31.         print(f'尝试连接{ssid}失败')
    
32. 
    
33.     # 指示灯：连接成功常亮2秒
    
34.     if wlan.isconnected():
    
35.         led.on()
    
36.         time.sleep(2)
    
37.         led.off()
    
38.         break
    
39. else:
    
40.     print('列表中的WIFI均无法连接。')
    
41.     for _ in range(5):  # 快速闪烁LED灯5次
    
42.         led.on()
    
43.         time.sleep(0.2)
    
44.         led.off()
    
45. #     machine.reset()  # 可选重启

复制代码

复制到Thonny后，根据自己要连接的的WiFi账号密码更改代码，完成后按F5即可保存并运行，若在控制台看到成功且LED亮起2秒即正常。

cnloong

第二部分 各类传感器的介绍和使用
一、RS485型设备
概述：
    RS485总线是一种电气标准，主要用于远距离及高速的串行通信。一条总线上可以连接多个设备。RS485总线为半双工工作方式，即在通信过程中，同一时刻只能有一个设备发送数据。其网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星型网络。    RS485总线的工作原理主要基于差分信号传输技术。在发送端，数据信号被转换为差分信号，通过两根差分线（A线和B线）进行传输。
    RS485总线的通讯距离可以达到1200米，但在实际应用中，通常实际的稳定通讯距离往往达不到1200米（怎么想都不会拉条一公里长的电线连接仪器吧，都够绕标准观测场10圈了）。
    RS485总线采用两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓扑结构，在同一总线上一般最多可以挂接32个结点。
    ESP32不能与RS485设备直接通信，二者要通信需要将RS485信号转换为TTL，两种信号的电气特性和通信协议均不同，如果直接把RS485的线连在单片机上是无法获取数据的，甚至可能导致单片机损毁，这是因为RS485高电平表示为两线压差+2~+6V，低电平表示为-2~-6V。信号转换可以利用TTL转RS485模块完成。（参考电路及模块实体图如下）

自建站使用RS485的设备为：风速计、360°风向计、翻斗式雨量筒。
如果想在电脑上调试设备或者修改RS485设备参数（如地址、波特率），需要购买USB转RS485的模块(如下图)。

附测试用软件:


RS485线路连接：
在上面的概述中，提到了RS485的特性，即可以同时连接多个设备，下面的示意图即为ESP32与多个RS485设备的接线图。
如果想要在电脑上调试，接线也是大同小异，A接A，B接B就好。



1.风速计
(1)基本参数：高160mm，三风杯转动半径91mm，量程0-70m/s，精度0.1m/s，启动风速0.1m/s，10-30V直流供电，误差0.2+0.03V(V=风速)，塑料外壳。实际外观参数以实物为准。
(2)数据读取：
    步骤：发送问询帧→等待设备返回数据→接收数据→读取处理数据

    ①发送问询帧
   
问询帧结构如上。
其中CRC校验码计算可以访问(外链)CRC计算网站。
此处使用上面图中参数为例，算出0A 84，由于低位在前，故先发送84，再发送0A。

    ②接收应答帧

    ③处理数据
上述步骤可以使用如下代码实现：

1. from machine import UART
   
2. import time
   
3. # UART初始化，选择UART2，因为UART0和UART1通常用于系统调试或与其他功能冲突
   
4. uart= UART(2, baudrate=4800, bits=8, parity=None, rx=22,tx=23, stop=1, timeout=100)
   
5. # 配置了波特率为4800，数据位数为8位，无校验位，接收引脚22，发送引脚23，停止位1位，超时时间100ms。
   
6. # 引脚号根据自己所连接的实际线路更改，GPIO12不建议使用，否则可能出现单片机无法启动
   
7. barray = bytearray([0x01,0x03,0x00,0x00,0x00,0x01,0x84,0x0A])  # 问询帧
   
8. 
   
9. while True:
   
10.     uart.write(barray)
    
11.     time.sleep(1)
    
12.     if(uart.any()):
    
13.       u2by=uart.read()  # 返回的是应答帧的内容
    
14.       data_fs=u2by
    
15.       print(data_fs)
    
16.       fs10 = int.from_bytes(data_fs[3:5],'big')  # 风速数据位于第4-5字节处
    
17.       fs=fs10/10   # 实际值的10倍，要除以10
    
18.       print(fs,"m/s")

复制代码

如果成功运行，可以在Shell看到相关数据，同时485转TTL模块的TX\RX对应LED灯都会闪烁。

此时风速计的数据就读取成功了。

2.风向仪

  风向仪的数据读取与风速计相似，假设其地址为02，问询帧结构相同，即为0x02, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00, 0x02, 0xC4, 0x38。注意此处数据长度应取2，否则可能出现错误数据。
可使用如下代码调试。

1. from machine import UART
   
2. import time
   
3. uart= UART(2, baudrate=9600, bits=8, parity=None, rx=22,tx=23, stop=1, timeout=100)
   
4. barray = bytearray([0x02, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00, 0x02, 0xC4, 0x38])
   
5. uart.write(barray)
   
6. time.sleep(0.2)
   
7. if(uart.any()):
   
8.   dat=uart.read()  # 答应帧
   
9.   print(dat.hex())

复制代码

打印结果为：0203040cc001464a3d
其中第6-7字节为风向数据，146(HEX)=326(DEC)，即风向为326°.

1. #转换为十进制度数
   
2. dat = uart.read()
   
3. windd = int.from_bytes(dat[5:7], 'big')

复制代码

此时风向仪的数据就读取成功了。
其他类型的RS485风向仪（如8方向、16方向）的数据读取大同小异，具体参考仪器手册或说明书。

浅冰Column

前排支持
我这边自建自动站的时候本来也是想要采用ESP32+MicroPython方案的，但是嵌入式这块不熟（捂脸）最后用了香橙派+Python方案
期待楼主成品

2311-Haikui

期待楼主的大作能够呈现！

cnloong

预留1

cnloong

预留2

匹诺曹

前排支持

SJML-YU

前排支持，期待楼主大作！

9916-Bart

这是要人手一座自动站的节奏啊（doge）

支持！！！