Przeszukaj forum

Stacja pogodowa z użyciem czujnika BME680 Stacja pogodowa to jeden z najpopularniejszych projektów IoT, którym fani elektroniki zaczynają swoją przygodę z Raspberry Pi, sensorami, przesyłaniem danych oraz ich wizualizacją. W tym artykule przyjrzymy się monitorowaniu temperatury, wilgotności, ciśnienia barometrycznego i jakości powietrza za pomocą uniwersalnego czujnika, który łączy się bezpośrednio z Raspberry Pi bez dodatkowych komponentów. Dużym plusem tej aplikacji jest to, że nie wymaga ona dużego doświadczenia w elektronice i programowaniu a wprowadza wiele przydatnych zagadnień. W tym projekcie dodatkowo wdrożymy bazę danych do przechowywania odczytów wraz z interfejsem graficznym Grafana, aby zobaczyć aktualne odczyty. W aplikacji używam adresu IP: 192.168.12.16, który oznacza adres mojego Raspberry Pi. Do poprawnego działania na malince czytelnika, należy go zmienić w plikach źródłowych oraz przy konfiguracji Grafany. Ten wpis brał udział konkursie na najlepszy artykuł o elektronice lub programowaniu. Sprawdź wyniki oraz listę wszystkich prac » Partnerem tej edycji konkursu (marzec 2020) był popularny producent obwodów drukowanych, firma PCBWay. Podłączenie BME680 do Raspberry Pi Pierwszym krokiem do uruchomienia aplikacji jest podłączenie czujnika do naszej Raspberry Pi. W zależności od producenta płytki, możemy komunikować się przez protokół SPI lub I2C. W tej aplikacji została wykorzystana płytka z pimoroni.com, która wspiera tylko protokół I2C. Czujnik jest połączony z Raspberry Pi przy użyciu czterech przewodów: Raspberry | BME680 ---------------------------------- 3V3 | 2-6V SDA1 I2C | SCA SCL1 I2C | SCL Ground | GND Specyficzną cechą tej płytki jest to, że została specjalnie zaprojektowana do wykorzystania wraz z magistralą I/O Raspberry Pi. Czujnik możemy podłączyć bez dodatkowych przewodów. Rys. 1. Bezpośrednie połączenie czujnika Jedyną wadą tego układu jest fakt, że czujnik zbiera pomiary blisko SoC-a co zmienia wskazania temperatury i wilgotności. Lepszym rozwiązaniem jest przedłużenie płytki przewodami i ustawienie sensora w bardziej przystępnym miejscu. Rys. 2. Połączenie przy użyciu przewodów Konfiguracja I2C na Raspberry Pi Przed uruchomieniem programów i instalacją potrzebnych narzędzi, musimy sprawdzić ustawienia konfiguracyjne portu I2C. Konfigurację przeprowadzamy przez wybranie z menu konfiguracyjnego lub przez komendę raspi-config: Rys. 3. Wybór z menu konfiguracyjnego Przechodzimy w Interfacing Options i wybieramy I2C: Rys. 4. Wybór interfejsu I potwierdzamy włączenie interfejsu naciskając Enter na opcji Yes: Rys. 5. Zatwierdzenie włączenia interfejsu I2C Poprawność połączenia należy sprawdzić w terminalu przy użyciu komendy: $>: sudo i2cdetect -y 1 W odpowiedzi otrzymamy tabelę adresów interfejsu I2C. Widoczny numer 76 oznacza, że czujnik został połączony i wykryty z adresem 0x76. Po tym zabiegu sprzętowa konfiguracja dobiegła końca i możemy zająć się potrzebnym oprogramowaniem. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f 00: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 70: -- -- -- -- -- -- 76 -- Pliki źródłowe Producent czujnika BME680 udostępnia przygotowane API na githubie. Na podstawie dokumentacji został stworzony kontroler obsługujący połączenie między Raspberry Pi a czujnikiem. Wysyłanie danych z pomiarów do brokera MQTT zostało zaimplementowane w języku C przy użyciu biblioteki paho.mqtt. Całości została połączona w pliku main.c. Dla wygody użytkownika został stworzony plik makefile do szybkiej kompilacji. Przed zbudowaniem aplikacji musimy dodać biblioteki służące do wysyłania danych do brokera MQTT. W repozytorium z plikami źródłowymi znajduje się także plik forwarder.py który został napisany do komunikacji między brokerem a bazą danych. Instalacja MQTT Protokół MQTT zapewnia lekką metodę przesyłania komunikatów przy użyciu modelu publikowania i subskrypcji. Dzięki temu nadaje się do transmisji wiadomości z urządzeń takich jak czujniki o niskiej mocy lub urządzenia mobilne jak smartfon lub mikrokontroler. Do zbudowania projektu wraz z klientem protokołu MQTT musimy pobrać bibliotekę z git-a i ją zainstalować. W tym celu wykonujemy sześć komend w terminalu: $>: git clone https://github.com/eclipse/paho.mqtt.c.git $>: cd paho.mqtt.c $>: git checkout v1.3.1 $>: cmake -Bbuild -H. -DPAHO_WITH_SSL=ON -DPAHO_ENABLE_TESTING=OFF $>: sudo cmake --build build/ --target install $>: sudo ldconfig Po zakończonej instalacji bibliotek możemy zająć się brokerem MQTT. Broker działa jak serwer, który otrzymuje dane na dany temat z różnych urządzeń. Klienci mogą subskrybować dane tematy oraz publikować wiadomości w różnych tematach. Instalacja dystrybucji Eclipse Mosquitto odbywa się przez wykonanie polecenia: $>: sudo apt install mosquitto mosquitto-clients Teraz mamy gotowe całe środowisko i możemy przystąpić do pierwszego uruchomienia aplikacji. W pierwszej kolejności otwieramy nowa konsolę i uruchamiamy broker MQTT za pomocą instrukcji: $>: mosquitto -v Gdy broker nasłuchuje w tle, możemy uruchomić aplikację stacji pogodowej. W innym terminalu, w katalogu application wykonujemy komendę: $>: make Następnie uruchamiamy aplikację WeatherStation: $>: ./WeatherStation 5 1000 logs.txt Argumenty w tej komendzie oznaczają: Pierwsza liczba oznacza przerwę między kolejnymi pomiarami w sekundach, Druga liczba oznacza ilość pomiarów, Trzeci argument to nazwa pliku z logami. Instalacja i konfiguracja InfluxDB W naszym przykładzie używamy InfluxDB do przechowywania danych, ponieważ są one zoptymalizowane pod kątem danych szeregów czasowych. Oczywiście możliwa byłaby również praca z innymi bazami danych, takimi jak MariaDB lub mongoDB, ale InfluxDB działa bezpośrednio z Grafaną. Pierwszą rzeczą do zrobienia jest instalacja InfluxDB na Raspberry Pi. Instalacja jest dość łatwa, wystarczy wykonać dwa następujące polecenia w terminalu: $>: sudo apt install influxdb $>: sudo apt install influxdb-client Po udanej instalacji uruchamiamy InfluxDB i kontrolujemy bieżący status za pomocą następujących poleceń: $>: sudo service influxdb start $>: sudo service influxdb status Obecny status InfluxDB powinien być aktywny: Rys. 6. Status aplikacji InfluxDB Po instalacji InfluxDB musimy wprowadzić jedną zmianę w konfiguracji, aby włączyć punkt końcowy HTTP. Jest to konieczne, ponieważ chcemy zapisać dane od subskrybenta MQTT do istniejącej bazy danych. Aby zmienić konfigurację, użyjemy następującej instrukcji: $>: sudo nano /etc/influxdb/influxdb.conf W pliku konfiguracyjnym przewijamy w dół za pomocą klawisza strzałki na klawiaturze do części [http] konfiguracji. Usuwamy zaznaczenie pierwszego ustawienia, usuwając znak "#" w trzech liniach, tak jak na poniższym rysunku. Klikamy "Ctrl+O", zatwierdzamy zmiany a następnie klikamy "Ctrl+X", aby wyjść z edytora tekstu nano. Rys. 7. Zmiany w pliku konfiguracyjnym InfluxDB Po każdej zmianie konfiguracji InfluxDB musi zostać ponownie uruchomiony, aby zmiany w konfiguracji były aktywne. Uruchomimy ponownie InfluxDB za pomocą następującego polecenia. $>: sudo service influxdb restart Konfiguracja jest zakończona i możemy przejść do stworzenia bazy danych, w której przechowywane są wszystkie pomiary oraz użytkownik, który zapisuje dane MQTT do bazy danych. Najpierw uruchomimy InfluxDB za pomocą następującego polecenia w terminalu Raspberry Pi: $>: influx Teraz stworzymy nową bazę danych o dowolnej nazwie. Jako nazwę wybieram „weather_stations”. Zbudujemy bazę danych poleceniem: > CREATE DATABASE weather_stations Baza danych została utworzona, a teraz tworzymy nowego użytkownika i dajemy mu prawo dostępu do utworzonej wcześniej bazy danych. Wybieram mqtt jako nazwę użytkownika i hasło. > CREATE USER mqtt WITH PASSWORD 'mqtt' > GRANT ALL ON weather_stations TO mqtt InfluxDB został zainstalowany i skonfigurowany. Stworzyliśmy bazę danych i użytkownika. Następnym krokiem jest upewnienie się, że baza danych jest wypełniona komunikatami MQTT. Przesyłanie pomiarów do bazy danych Teraz, gdy influxdb działa, musimy napisać mały skrypt, który przekazuje dane z brokera do InfluxDB. Do tego zadania został wykorzystany python, która przy użyciu biblioteki paho mqtt, zapisuje pomiary przychodzące do brokera w bazie danych. Plik został nazwany forwarder.py i można go znaleźć w katalogu głównym WeatherStation. Program rozpoczyna swoje działanie od połączenia się z brokerem o zadanym adresie IP oraz z bazą danych weather_stations w InfluxDB. Tak stworzony klient subskrybuje do zadanych tematów i nasłuchuje na wiadomości w tych tematach. Jeżeli otrzyma pomiary przez broker to wywołuje funkcje (callback), który formatuje dane i wysyła do bazy. Program działa w nieskończonej pętli i należy go wyłączyć po zakończeniu pracy. Program uruchamiamy poleceniem: $>: python forwarder.py Instalacja i konfiguracja Grafana To już ostatni krok w tworzeniu naszej stacji pogodowej. Do zainstalowania Grafany musimy najpierw sprawdzić najnowszą wersję w przeglądarce: https://github.com/grafana/grafana/releases. W tej chwili najnowsza jest wersja 6.6.0. Numer wersji umieszczamy w komendzie do pobrania i zainstalowania grafany: $>: wget https://dl.grafana.com/oss/release/grafana_6.6.0_armhf.deb $>: sudo dpkg -i grafana_6.6.0_armhf.deb $>: sudo apt-get update $>: sudo apt-get install grafana Po instalacji możemy uruchomić serwer grafana komendą w terminalu: $:> sudo service grafana-server start Dostęp do Grafany uzyskujemy na porcie 3000. Wystarczy wpisać w przeglądarce kombinację adresu IP Raspberry Pi i portu. W tym przypadku jest to 192.168.12.16:3000. Rys. 8. Widok po uruchomieniu Grafany w przeglądarce Przy pierwszym uruchomieniu wyskakuje nam okno logowania: Domyślna nazwa użytkownika i hasło to admin. Podczas pierwszego logowania możemy zmienić hasło. Teraz czas na wybranie źródła danych. Wybieramy InfluxDB. Najważniejsze pola to nazwa źródła, URL, nazwa bazy danych z której korzystamy oraz nazwa i hasło użytkownika. Zapisujemy ustawienia i przechodzimy do tworzenia panelu. Rys. 9. Źródło danych oraz widok konfiguracji panelu Tworzenie wizualizacji pulpitu nawigacyjnego odbywa się przez kliknięcie przycisku "Add panel" na górnym pasku oraz zdefiniowaniu zapytania SQL. Grafana ma ogromną ilość ustawień, ale to temat na inny artykuł. Rys. 10. Przykładowy panel w Grafanie Każdemu czytelnikowi polecam zapoznać się samemu z Grafaną. W razie pytań lub problemów, skorzystaj z sekcji komentarzy poniżej, a ja odpowiem na twoje pytania tak szybko, jak to możliwe. W załączniku został dołączony plik GrafanaWeatherStationJson, który zawiera informację o powyższym panelu. Podsumowanie W tym samouczku przeszliśmy przez całe konfiguracje stacji pogodowej od sprzętowego połączenia czujnika, przez broker MQTT aż do wizualizacji w Grafanie. Na koniec chciałbym dodać, że aplikacja została stworzona przy użyciu sprzętu firmy Dekimo Experts Delft jako część wewnętrznego projektu. WeatherStation.zip