超聲波氣象站搭建指南

本文將展示如何基于涂鴉智能平臺搭建一個屬于自己的超聲波氣象站！

超聲波氣象站的測量維度包括：

- 溫度測量（DHT22）

- 濕度測量（DHT22）

- 氣壓測量（BMP180）

- 風(fēng)向、風(fēng)速測量（防水超聲波測距模組）

- 紫外線等級測量（CJMCU-GUVA-S12SD）

- PM2.5測量（GP2Y1014AU）

也就是六個維度的氣象信息的測量！

氣象站采用ESP32作為主控，使用Arduino平臺進行開發(fā)，開發(fā)IDE為Visual Studio Code + Platform IO。

物聯(lián)網(wǎng)通訊方面使用涂鴉WBR3模組，使用低代碼MCU開發(fā)形式?？刂平缑?APP)使用涂鴉的客制化面板。

Q1: 什么是超聲波氣象站？

A1: 超聲波氣象站是利用超聲波模組對聲速進行測量的一種氣象站。由于風(fēng)速會引起聲速的變化：超聲波順風(fēng)傳播時，聲速會加快；逆風(fēng)時風(fēng)速將減慢；通過測量一組正交的聲速矢量，進行合成分析后可以分析出當(dāng)前的風(fēng)速、風(fēng)向信息。

Q2: 超聲波氣象站有什么優(yōu)點？

A2: 傳統(tǒng)的氣象站對于風(fēng)向和風(fēng)速的測量通常使用風(fēng)向儀和風(fēng)速儀，這兩種儀器都具有轉(zhuǎn)動的機械結(jié)構(gòu)，體積龐大、壽命較短。使用超聲波對風(fēng)速、風(fēng)向測量可以壓縮氣象站體積、提高氣象站壽命。

Q3: 為什么選擇涂鴉平臺？

A3: 涂鴉平臺的開發(fā)比較省事。在MCU低代碼開發(fā)的方式中，可以通過網(wǎng)頁實現(xiàn)對APP的設(shè)計，而且一些常用的組件也非常精美。

系統(tǒng)框架

如何利用超聲波對風(fēng)速進行測量

超聲波探頭布置如圖所示，兩組探頭互相垂直分布。

- 此時若A組探頭間距離S已知，聲速C已知，且此時風(fēng)速為0。則此時超聲波的行進速度T為聲速，可算出無風(fēng)時超聲波從發(fā)射探頭移動到接收探頭的時間T1=S/C。

- 若此時存在風(fēng)向為發(fā)射探頭指向接收探頭，風(fēng)速為1m/s的風(fēng)，則超聲波行進速度變?yōu)镃+1m/s，同樣可以算出該情況下超聲波從發(fā)射探頭移動到接收探頭的時間T2=S/(C+1)。

在距離已知、聲速已知的情況下，通過獲取超聲波模塊返回的超聲波行進時間T2，可以推算出A組探頭方向的風(fēng)速V1=(S / T2) - (S / T1)。同理可推算出B組探頭方向的風(fēng)速V2。

由于A、B組探頭垂直分布，故當(dāng)存在任意方向、任意大小的風(fēng)時，可通過矢量合成的方法計算出風(fēng)速和風(fēng)向。

模塊及驅(qū)動

DHT22

DHT22使用DHT-Sensor-Library進行驅(qū)動，詳細(xì)方法參考GitHub頁面，使用該庫需要依賴Adafruit Unified Sensor Driver庫。

DHT dht(DHT_PIN, DHT_TYPE);
float h = dht.readHumidity();
float t = dht.readTemperature();
    if(isnan(h) || isnan(t)){
        Serial.println("Failed to read from DHT sensor.");
        return;
}

此處h獲取值為濕度，t獲取值為溫度。

BMP180

BMP180使用Adafruit BMP085 Library驅(qū)動，同上，需要依賴Adafruit BrushIO庫。

Adafruit_BMP085 bmp;
air_pressure = bmp.readPressure()

超聲波模組

// Clears the trigPin condition
digitalWrite(TRIG_1, LOW);
delayMicroseconds(2);
// Sets the trigPin HIGH (ACTIVE) for 10 microseconds
digitalWrite(TRIG_1, HIGH);
delayMicroseconds(20);
digitalWrite(TRIG_1, LOW);
// Reads the echoPin, returns the sound wave travel time in microseconds
duration = pulseIn(ECHO_1, HIGH);

超聲波模組使用脈沖測量獲取反射時間，代碼如上。后續(xù)通過布置探頭位置，分析兩組超聲波模組的反射時間可獲得風(fēng)速、風(fēng)向信息。

CJMCU-GUVA-S12SD紫外線模組

該紫外線模組輸出為電壓模擬量，analogRead()函數(shù)可以實現(xiàn)紫外線等級的測量。

GP2Y1014AU PM2.5模組

digitalWrite(DUST_IN, LOW);
delayMicroseconds(SAMPLING_TIME);
int voMeasured = analogRead(DUST_OUT);
?
delayMicroseconds(DELTA_TIME);
digitalWrite(DUST_IN, HIGH);

通過給模組的LED驅(qū)動腳施加脈沖，測量輸出腳電壓，可以實現(xiàn)對pm2.5的濃度測量。

涂鴉智能接入

這次的開發(fā)方式為MCU低代碼開發(fā)，即是利用涂鴉模組進行開發(fā)。涂鴉模組負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)信息處理，MCU僅需要通過串口控制涂鴉模組進行物聯(lián)網(wǎng)信息的通訊。

創(chuàng)建產(chǎn)品

在進行涂鴉智能的開發(fā)時，需要進行產(chǎn)品創(chuàng)建。作為氣象站開發(fā)，可以選擇溫濕度傳感器。

DP點創(chuàng)建

在涂鴉智能中，每個氣象數(shù)據(jù)維度可以被抽象為DP（功能點）。在選擇了溫濕度傳感器這個產(chǎn)品后，涂鴉提供了常用的功能點：

除了這些標(biāo)準(zhǔn)功能中的DP點之外，因為我們還需要風(fēng)速、風(fēng)向這些數(shù)據(jù)，所以還需要添加自定義的DP點：

在功能點中，DP ID為該功能點的標(biāo)識，MCU在控制涂鴉模組進行數(shù)據(jù)上傳時需要用到。

功能點屬性中的倍數(shù)為0時，MCU上傳的數(shù)據(jù)被識別為上傳的數(shù)據(jù)本身。若倍數(shù)為1，則此時若上傳數(shù)據(jù)為50時，該數(shù)據(jù)將被涂鴉除以10^1，即50會被識別為5。

面板編輯

在產(chǎn)品開發(fā)的面板選項卡，可以對自己的APP面板進行自定義。

我使用的面板類型為:面板類型：Studio 面板-個人面板

下面是在手機中的實機效果：

硬件開發(fā)

在完成了傳感器驅(qū)動、電源板管理后，需要與涂鴉模組進行通訊，實現(xiàn)信息上報。

在這里我選擇的是WBR3 Wi-Fi & Bluetooth 模組。

該模組在初次上電時，可以打開智能生活A(yù)PP實現(xiàn)配網(wǎng)和面板加載，在完成了配網(wǎng)之后就可以進行實時開發(fā)了。

// define dp
#define temp_pid   1
#define humi_pid   2
#define battery_pid 4
#define pm25_pid     101
#define wind_angle_pid  102
#define wind_direct_pid 103
#define wind_speed_pid  104
#define uv_level_pid   105
#define pressure_pid   106
?
// Create TuyaWifi object
TuyaWifi my_device;
?
// input your device pid here
unsigned char pid[] = {""};
// select mcu version, 1.0.0 as commonly use
unsigned char mcu_ver[] = {"1.0.0"};
?
// create an array to restore the datapoint 
unsigned char dp_array[][2] = 
{
  {temp_pid, DP_TYPE_VALUE},
  {humi_pid, DP_TYPE_VALUE},
  {battery_pid, DP_TYPE_VALUE},
  {pm25_pid, DP_TYPE_VALUE},
  {wind_angle_pid, DP_TYPE_VALUE},
  {wind_direct_pid, DP_TYPE_STRING},
  {wind_speed_pid, DP_TYPE_VALUE},
  {uv_level_pid, DP_TYPE_VALUE},
  {pressure_pid, DP_TYPE_VALUE},
};
?
unsigned char dp_process(unsigned char dpid,const unsigned char value[], unsigned short length)
{
 /* all DP only report */
 return TY_SUCCESS;
}
?
void dp_update_all(void)
{
 
}
?
void setup(){
   ...
  my_device.init(pid, mcu_ver);
    my_device.set_dp_cmd_total(dp_array, 9);
  // register call back function
    my_device.dp_process_func_register(dp_process);
    my_device.dp_update_all_func_register(dp_update_all);
}
?
void loop() {
  // SDK handle
  my_device.uart_service();
  // Check the wifi connection
    if ((my_device.mcu_get_wifi_work_state() == WIFI_CONNECTED) || (my_device.mcu_get_wifi_work_state() == WIFI_CONN_CLOUD)) {
  update_sensor();
    // report all the data
    my_device.mcu_dp_update(temp_pid, temp, 1);
    my_device.mcu_dp_update(humi_pid, humi, 1);
    my_device.mcu_dp_update(battery_pid, battery_level, 1);
    my_device.mcu_dp_update(pm25_pid, pm25, 1);
    my_device.mcu_dp_update(wind_angle_pid, wind_angle, 1);
    my_device.mcu_dp_update(wind_speed_pid, wind_speed, (sizeof(dp_string_value) / sizeof(dp_string_value[0])));
    my_device.mcu_dp_update(wind_speed_pid, wind_speed, 1);
    my_device.mcu_dp_update(uv_level_pid, uv_index, 1);
    my_device.mcu_dp_update(pressure_pid, air_pressure, 1);
  }
  ...

MCU工作流程