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

• NodeMCU ESP8266-12E ($8.79)

• 0.96″ I2C IIC SPI Serial 128X64 White OLED LCD LED Display Module($8.99)

• DHT22 AM2302 Temperature And Humidity Sensor ($9.88)

• Mini BreadBoard ($1.00)

• Male-Female Dupont Cables ($1.00)

• 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”):

• Weather Station by Daniel Eichhorn: https://github.com/squix78/esp8266-weather-station

• Json Streaming Parser by Daniel Eichhorn: https://github.com/squix78/json-streaming-parser

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!

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