IoT feito simples: Estação meteorológica doméstica com NodeMCU e OLED

Continuemos nossa exploração pelo mundo do IoT, nas asas do NodeMCU! Neste tutorial, desenvolveremos uma estação meteorológica doméstica, onde se exibirá informações tais como temperatura e condições climáticas, tanto para o dia corrente quanto para os próximos 3 dias. Nossa estação também exibirá informações internas da casa, como temperatura e umidade relativa do ar.

O diagrama em blocos abaixo, nos dá uma visão geral sobre o projeto:

No vídeo abaixo, você pode ver como ficará o projeto final:

1: Lista de materiais (BoM)

Valores referenciais em USD

  • Fonte externa de 5V ou bateria

2: Instalando o OLED no NodeMCU

Suponho que você já tenha o IDE do Arduino preparado com todas as bibliotecas necessárias para executar o código NodeMCU. Caso não, leia as instruções em meu tutorial premiado: Do “blink” ao BLYNK, uma viagem pela “Internet das coisas” nas asas do NodeMCU ESP-12E

Agora é hora de instalar nosso velho conhecido, o display OLED SSD1306, cujas principais características são:

  • Tamanho da tela: 0.96 “
  • Comunicação Serial I2C IIC SPI
  • 128X64
  • Display de caracteres na cor branca

Conecte os pinos do OLED ao NodeMCU, conforme descritos abaixo e no diagrama elétrico acima:

  • SDA    ==> D1 (5)
  • SCL * ==> D2 (4) * Você também poderá encontrar “SDC” ao invés de SCL
  • VCC   ==> 3.3V ou 5V
    GND ==> GND

O SSD1306 pode ser alimentado tanto com 5V (externo) quanto com 3.3V fornecidos diretamente do módulo NodeMCU.

Depois de conectar o OLED,devemos baixar e instalar sua biblioteca no IDE do Arduino. Usamos em projetos anteriores a biblioteca desenvolvida pela ACROBOT, que apesar de fácil de usar, é mais limitada. Desta vez exploraremos a poderosa biblioteca gráfica desenvolvida por Daniel Eichhorn.  Entre no link abaixo e faça o descarregue a biblioteca, instalando-a no IDE do Arduino:

https://github.com/squix78/esp8266-oled-ssd1306

Certifique-se de usar a versão 3.0.0 ou maior!

Depois de reiniciado o IDE, a biblioteca já deverá estar instalada.

A biblioteca suporta o protocolo I2C para acessar a modulo OLED, usando a biblioteca Wire.h:

#include <Wire.h>   
#include "SSD1306.h"
SSD1306  display(ADDRESS, SDA, SDC);

Listaremos apenas algumas API mais importantes, as quais serão utilizadas com o OLED.

A lista completa poderá ser encontrada no GITHub fornecido anteriormente neste tópico.

A. Controle de exibição do display:

void init(); // Initialise the display
void resetDisplay(void); // Cycle through the initialisation
void displayOn(void); // Turn the display on
void displayOff(void); // Turn the display offs
void clear(void); // Clear the local pixel buffer
void invertDisplay(void); // Inverted display mode
void normalDisplay(void); // Normal display mode
void setContrast(char contrast); // Set display contrast
void flipScreenVertically(); // Turn the display upside down

B. Desenho gráfico

void setColor(OLEDDISPLAY_COLOR color); // Sets the color of all pixel operations
void setPixel(int16_t x, int16_t y); // Draw a pixel at given position
void drawLine(int16_t x0, int16_t y0, int16_t x1, int16_t y1); // Draw a line from pos 0 to pos 1
void drawHorizontalLine(int16_t x, int16_t y, int16_t length); // Draw a line horizontally
void drawVerticalLine(int16_t x, int16_t y, int16_t length); // Draw a lin vertically
void drawFastImage(int16_t x, int16_t y, int16_t width, int16_t height, const char *image); // Draw a bitmap in the internal image format

C. Operações com texto:

void drawString(int16_t x, int16_t y, String text); 
// Write the text at given position
uint16_t getStringWidth(const char* text, uint16_t length); 
// Returns the width of the const char* with the current font settings
uint16_t getStringWidth(String text); 
// Convenience method for the const char version
void setTextAlignment(OLEDDISPLAY_TEXT_ALIGNMENT textAlignment); 
// TEXT_ALIGN_LEFT, TEXT_ALIGN_CENTER, TEXT_ALIGN_RIGHT, TEXT_ALIGN_CENTER_BOTH
void setFont(const char* fontData); 
// Sets the current font. 

// Available default fonts: ArialMT_Plain_10, ArialMT_Plain_16, ArialMT_Plain_24

D. Frames (“Ui Library”)

A Ui Library é utilizada para fornecer um conjunto básico de elementos Ui chamados, Frames e Overlays. Um Frame é usado para fornecer informações onde o comportamento padrão é exibir um Frame por um tempo definido e passar para o próximo (como “Paginas”). A biblioteca também fornece um Indicador de qual frame (ou página) está sendo mostrada. Um overlay, por outro lado, é uma informação (por exemplo, um relógio) que é exibido sempre na mesma posição.

void init(); // Initialise the display
void setTargetFPS(uint8_t fps); //Configure the internal used target FPS
void enableAutoTransition(); //Enable automatic transition to next frame
void disableAutoTransition(); // Disable automatic transition to next frame.
void setAutoTransitionForwards(); // Set the direction if the automatic transitioning
void setAutoTransitionBackwards(); // Set the direction if the automatic transitioning
void setTimePerFrame(uint16_t time); //Set the approx. time a frame is displayed
void setTimePerTransition(uint16_t time); //Set the approx. time a transition will take
void setFrameAnimation(AnimationDirection dir); //Configure what animation is used to transition
void setFrames(FrameCallback* frameFunctions, uint8_t frameCount); //Add frame drawing functions
int8_t update();  // This needs to be called in the main loop

Uma vez que o OLED e sua biblioteca estejam instalados, escreveremos um simples programa, o “Hello World” para testá-los. Entre com o código abaixo em seu IDE, o resultado deverá ser algo como mostrado na foto:

/* Hello World OLED Test */
#include   // Only needed for Arduino 1.6.5 and earlier
#include "SSD1306.h" // alias for `#include "SSD1306Wire.h"`
SSD1306  display(0x3c, 5, 4); // Initialise the OLED display using Wire library
void setup() 
{
  Serial.begin(115200);
  display.init(); // Initialising the UI will init the display too.
  display.flipScreenVertically();
  
  display.clear();
  drawHelloWorld(); 
  display.display();
}
void loop() 
{
  
}
void drawHelloWorld() 
{
    display.setTextAlignment(TEXT_ALIGN_LEFT);
    display.setFont(ArialMT_Plain_10);
    display.drawString(0, 0, "Hello world");
    display.setFont(ArialMT_Plain_16);
    display.drawString(0, 10, "Hello world");
    display.setFont(ArialMT_Plain_24);
    display.drawString(0, 26, "Hello world");
}

Agora, carregue a sketch: SSD1306SimpleDemo.ino, a qual faz parte dos EXEMPLOS incluídos com biblioteca.

Antes de executar o código, altere a conexão OLED pinos em conformidade:

// Initialise the OLED display using Wire library
SSD1306  display(0x3c, 5, 4);

O vídeo abaixo mostra o OLED executando o código de teste:

3: Obtendo os dados internos (“Indoor”)

Neste momento, nosso NodeMCU já pode se comunicar com o mundo pelo display! Instalemos agora um sensor digital de Temperature  e umidade, nosso bom e velho DHTxx (DHT11 ou DHT22). O site da ADAFRUIT fornece ótimas informações sobre esses sensores. Abaixo, algumas informações retiradas do site:

Visão geral

Os sensores de temperatura e umidade de baixo custo da família DHT, são muito básicos e lentos, mas ótimos para hobbyists que querem fazer algum registro de dados básico. Os sensores DHT são construídos em duas partes, um sensor de umidade capacitiva e um termistor. Há também um chip muito básico no interior que faz a conversão analógica para digital. O sinal digital gerado é bastante simples de ser lido usando-se qualquer micro controlador.

DHT11 vs DHT22

Temos duas versões do sensor DHT, eles se parecem e têm a mesma pinagem, mas possuem algumas características diferentes. Aqui estão as especificações:

DHT11

  • Bom para leituras de 20-80% de humidade com 5% de precisão
  • Bom para leituras de temperatura de 0-50 ° C ± 2 ° C de precisão
  • Não mais de 1 Hz taxa de amostragem (uma vez por segundo)
  • Ultra baixo custo
  • Alimentação: 3 a 5V
  • Consumo: 2.5mA max (durante a conversão de dados)
  • Tamanho do corpo 15.5mm x 12mm x 5.5mm
  • 4 pinos com espaçamento de 0,1 “

DHT22

  • Bom para leituras de 0-100% de humidade com precisão de 2 a 5%
  • Bom para leituras de temperatura de -40 a 125 ° C Precisão de ± 0,5 ° C
  • Não mais de 0,5 Hz taxa de amostragem (uma vez a cada 2 segundos)
  • Baixo custo
  • Alimentação: 3 a 5V
  • Consumo: 2.5mA max (durante a conversão de dados)
  • Tamanho do corpo 15.1mm x 25mm x 7.7mm
  • 4 pinos com espaçamento de 0,1 “

Como você pode ver, o DHT22 é um pouco mais preciso e melhor sobre um intervalo ligeiramente maior. Ambos usam um único pino digital e são “lentos”, pois você não pode consultá-los mais de uma vez a cada segundo (DHT11) ou dois (DHT22).

Ambos os sensores funcionam bem para obter informações sobre o interior da casa a serem exibidas em nossa Estação Meteorológica Doméstica.

O DHTxx tem 4 pinos (olhando para o sensor, como mostra a foto, o pino 1 é o mais à esquerda):

  1. VCC (conectado a 5V externo ou a 3.3V de NodeMCU)
  2. Dados
  3. Não conectado
  4. Terra.

Uma vez que normalmente você usará o sensor em distâncias inferiores a 20m, um resistor de 10K ohms deve ser conectado entre os pinos Data e VCC. O pino de saída será conectado ao pino D3 do NodeMCU (veja o diagrama acima).

Uma vez instalado o sensor em nosso módulo, faça o download da biblioteca DHT do repositório GitHub da Adafruit e instale-o no arquivo de bibliotecas do Arduino.

Uma vez recarregado o IDE do Arduino, a “biblioteca de sensores DHT” deverá estar instalada.

Definamos os parâmetros e variáveis associadas para o sensor  (usaremos em primeiro lugar oDHT22):

/* DHT22 */
#include "DHT.h"
#define DHTPIN D3  
#define DHTTYPE DHT22 
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
int localHum = 0;
int localTemp = 0;

Agora criaremos uma função para leitura dos dados:

/***************************************************
* Get indoor Temp/Hum data
****************************************************/
void getDHT()
{
  float tempIni = localTemp;
  float humIni = localHum;
  localTemp = dht.readTemperature();
  localHum = dht.readHumidity();
  if (isnan(localHum) || isnan(localTemp))   // Check if any reads failed and exit early (to try again).
  {
    Serial.println("Failed to read from DHT sensor!");
    localTemp = tempIni;
    localHum = humIni;
    return;
  }
}

Uma vez de posse dos dados, usemos o OLED para mostrá-los :

/***************************************************
* Draw Indoor Page
****************************************************/
void drawDHT() 
{
  int x=0;
  int y=0;
  display.setFont(ArialMT_Plain_10);
  display.setTextAlignment(TEXT_ALIGN_LEFT);
  display.drawString(0 + x, 5 + y, "Hum");
  
  display.setFont(ArialMT_Plain_10);
  display.setTextAlignment(TEXT_ALIGN_LEFT);
  display.drawString(43 + x, y, "INDOOR");

  display.setFont(ArialMT_Plain_24);
  String hum = String(localHum) + "%";
  display.drawString(0 + x, 15 + y, hum);
  int humWidth = display.getStringWidth(hum);

  display.setFont(ArialMT_Plain_10);
  display.setTextAlignment(TEXT_ALIGN_LEFT);
  display.drawString(95 + x, 5 + y, "Temp");

  display.setFont(ArialMT_Plain_24);
  String temp = String(localTemp) + "°C";
  display.drawString(70 + x, 15 + y, temp);
  int tempWidth = display.getStringWidth(temp);
}

A foto abaixo mostra como os dados serão apresentados no display:

Você poderá fazer o download do código completo para operação “indoor” á partir de meu GitHub:

Home Weather Station Indoor code

4: Obtendo os dados externos (“Outdoor”):

Depois de ter as bibliotecas instaladas e o IDE reiniciado, baixe o programa completo a partir de meu GitHub:

MJRoBot Home Weather Station code

Depois de ter o código carregado no IDE do Arduino, abra o arquivo stationCredentials.h e entre com seus dados pessoais:

/* WIFI */
const char* WIFI_SSID = "YOUR SSID";
const char* WIFI_PWD = "YOUR PASSWORD";

/* Wunderground Settings */
const boolean IS_METRIC = true;
const String WUNDERGRROUND_API_KEY = "YOUR KEY";
const String WUNDERGRROUND_LANGUAGE = "EN";
const String WUNDERGROUND_COUNTRY = "CL";
const String WUNDERGROUND_CITY = "Santiago";

Observe que as informações meteorológicas que iremos recuperar do serviço W.Underground serão sobre Santiago (“city”) e CL (“country”: Chile). Você também deve alterá-las com os dados de sua cidade.

E é isso aí, pessoal!

Sua estação meteorológica doméstica deverá estar funcionando agora! Nas fotos abaixo, você pode ver meu protótipo funcionando:

5: Colocando a estação “na caixa”

A última etapa é montar nossa estação em uma caixa. Fiz duas montagens diferentes em caixas plásticas. Você decide a melhor maneira de “empacotar” seu projeto!

in the box 2

Em outra montagem, aproveitei e também testei a estação com o DHT11.

Não se esqueça de alterar os dados do DHT no arquivo “stationDefines.h”.

6: Conclusão

Como sempre, espero que este projecto possa ajudar outros a encontrarem o seu caminho no emocionante mundo da electrónica e do IoT!

Visite o meu depositário no GitHub para obter os arquivos atualizados:

MJRoBot Home Weather Station depository

Não deixem de visitar e seguir minha página: MJRoBot.org no Facebook

Saludos desde el sur del mundo!

Até o próximo tutorial!

Obrigado

Marcelo

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Autor: Marcelo Rovai

Engineer, writer and forever student. Passionate to share knowledge of electronics with focus on IoT and robotics.

6 comentários em “IoT feito simples: Estação meteorológica doméstica com NodeMCU e OLED”

  1. Olá Marcelo. Eu já tinha colocado uma dúvida relativa a este projeto no https://www.instructables.com/id/IoT-Made-Simple-Home-Weather-Station-With-NodeMCU-/ mas acho que não consegui transmitir essa dúvida. É assim: o meu OLED é o modelo da waveshare (http://www.waveshare.com/0.96inch-oled-b.htm). Após configurar o OLED no NodeMCU eu consigo obter e visualizar os dados da Temperatura e humidade nele. Quando tento o resto é que dá erros… Será que a Ui Library funciona com este OLED? O seu projeto é muito bom e gostaria de tentar. Sou principiante nestas áreas mas estou a gostar muito. Este será já o meu 4º projeto…
    Melhores cumprimentos,
    Luís

    Curtir

    1. Hi Luis. OK. Eu pensava que era outro tipo de display. Eu nunca trabalhei com este modelo que voce está utilizando, mas entendo que o “core” é o mesmo OLED SSD1336 e a biblioteca deveria funcionar.
      Fui dar uma verificada no GitHub do Daniel Eichhorn (squix78)
      https://github.com/squix78/esp8266-oled-ssd1306 , que foi quem desenvolveu estas bibliotecas, onde ele declara:
      “This is a driver for the SSD1306 based 128×64 pixel OLED display running on the Arduino/ESP8266 platform. Can be used with either the I2C or SPI version of the display”.
      No caso do I2C (meu display de 4 pinos), deve-se incluir no inicio do código:
      #include <Wire.h>
      #include “SSD1306.h”
      SSD1306 display(ADDRESS, SDA, SDC);

      No caso do SPI (seu display de 7 pinos), deve-se incluir no inicio do código:
      #include <SPI.h>
      #include “SSD1306Spi.h”
      SSD1306Spi display(RES, DC, CS);

      Novamente, eu nunca utilizei este display, mas acredito que com isto deva funcionar.
      Boa sorte e um abraço.
      Marcelo

      Curtir

      1. Obrigado pela rápida resposta. Entretanto eu tentei novamente através de uma análise ao seu código e reparei que eu cometi um erro. Agora está tudo operacional a 100%

        Muito obrigado pelo disponibilizar este projeto! 🙂
        Luís Ferreira

        Curtido por 1 pessoa

      2. Que bom que encontrou a solução! 😉
        E me desculpe, estava viajando e vi sua pergunta no Instructables no iphone e pensei que estava com um Display não gráfico. Agora voltei lá e vi que o que te comentei acima voce já tinha verificado. 😉 Mas o legal é ir descobrindo as coisas e aprendendo com os erros! Manda bala com seus projetos! Abração!

        Curtir

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