Stazione meteo con Arduino Nano

L’idea

Una semplice stazione meteo realizzata con un microcontrollore: ho scelto un Arduino Nano, ma si può usare anche un altro modello. Ci sono due sensori, un DHT11 e un BME280, e un display IPS a colori da 240×240 punti con controller ST7789.

Come ambiente di sviluppo ho usato Visual Studio Code, ma il codice funziona con qualsiasi IDE per Arduino.

Hardware

I componenti

• Arduino Nano (scheda con microcontrollore);
• DHT11: sensore di temperatura e umidità. Ha tre pin: due per l’alimentazione e uno di uscita, che si può collegare a un ingresso a scelta della scheda (io ho usato il pin 8);
• BME280: sensore di temperatura, umidità, pressione e altitudine. Ha quattro pin: due per l’alimentazione e due di comunicazione I²C, SCL e SDA;
• Display IPS 240×240 con ST7789, interfaccia SPI, a 7 pin, scelto perché economico;
• tre interruttori (SW1 accensione, SW2 scelta del sensore, SW3 schermata) con due resistenze da 5 kΩ, e una batteria con due celle 18650.

I collegamenti

I pin 13 e 11 sono quelli dell’interfaccia SPI dell’Arduino Nano (rispettivamente SCK e MOSI), mentre A4 e A5 sono quelli dell’I²C: per questo non si possono scegliere a piacere come l’uscita del DHT11.

Codice

Le librerie

Il programma usa queste librerie (si installano dal gestore librerie dell’IDE, oppure dai link qui sotto):

• DHT sensor library di Adafruit, per il DHT11 (DHT.h e DHT_U.h);
• Grove – Barometer Sensor BME280 di Seeed Studio, per il BME280 (Seeed_BME280.h);
• Arduino_ST7789_Fast, per il display;
• RREFont, per i caratteri grandi sul display (i file rre_… dei caratteri sono forniti con la libreria);
• Adafruit GFX e il supporto ai display monocromatici di Adafruit, richiamati dal codice.

La struttura del programma

Il sorgente (StazioneMeteo.cpp, scaricabile qui sotto) si legge in blocchi. I numeri delle righe sono quelli del file scaricabile.

setup(): partenza e controllo dei sensori

All’accensione il programma imposta il pin 2 come ingresso con resistenza interna di pull-up e il pin 10 come ingresso, poi prova a leggere umidità e temperatura dal DHT11. Se una lettura non è un numero (isnan), memorizza errore = 1; se il BME280 non risponde a bme280.init(), memorizza errore = 2. Questi codici servono dopo: invece di mostrare valori inventati, il display scrive «Errore DHT11» o «Errore BME280».

loop(): la scelta del sensore e della schermata

void loop() {
  boolean shift, solo;
  shift = digitalRead(PINSELEZIONE);   // pin 2: quale sensore
  solo  = digitalRead(PINSOLO);        // pin 10: schermata normale o solo temperatura
  ...
  if (shift) { sensBME280(solo); }     // pin 2 alto: BME280
  else       { sensdht11(solo); }      // pin 2 basso: DHT11
  delay(18000);                        // un aggiornamento ogni 18 secondi
}

Il programma confronta lo stato attuale degli interruttori con quello precedente: quando cambia, ridisegna i riquadri. Con solo basso mostra la schermata completa (temperatura, umidità, pressione e altitudine, oppure temperatura percepita per il DHT11); con solo alto mostra la sola temperatura, a caratteri molto grandi. Tra un aggiornamento e il successivo passano circa 18 secondi (delay(18000)).

Le grandezze calcolate

pressure  = bme280.getPressure();            // in pascal
altitudine = bme280.calcAltitude(pressure);   // in metri
pressure1 = pressure * 0.00001;               // in bar (1 Pa = 0,00001 bar)
...
ele = (7.5 * temp) / (237.7 + temp);
e   = (6.112 * pow(10, ele) * um / 100);
H   = temp + 0.5555 * (e - 10);               // valore in basso a destra

La pressione arriva in pascal e viene mostrata in bar. L’altitudine è calcolata dalla libreria a partire dalla pressione. Le ultime tre righe calcolano un valore di temperatura percepita (la formula è quella dell’humidex) a partire da temperatura e umidità: è il numero piccolo in basso a destra nella schermata del BME280. Per il DHT11 la temperatura percepita è calcolata dalla libreria con computeHeatIndex().

Altre note sul codice

• Nel sorgente è lasciata anche una sezione, commentata, che si può usare con un display SSD1306 al posto dell’ST7789.
• Per capire meglio il funzionamento conviene guardare i file di descrizione e gli esempi delle librerie usate.

Prova

Nella foto il prototipo funziona con il BME280: il display mostra temperatura, umidità, pressione e altitudine, e in basso il nome «QuinciSoft». Il montaggio è fatto su basetta millefori, con il portabatterie sotto la scheda.

Scarica

• Schema dei collegamenti Schema PDF · 22 KB
• Codice sorgente (StazioneMeteo.cpp) Sorgente C++ · 10 KB

Link utili

Questi link portano a siti esterni, che si aprono in una nuova scheda.

• Libreria Grove BME280 (Seeed Studio) (si apre in una nuova scheda) · libreria
• Libreria Arduino_ST7789_Fast (si apre in una nuova scheda) · libreria
• Libreria RREFont (si apre in una nuova scheda) · libreria
• Video del progetto (si apre in una nuova scheda) · video