ESP8266:Примеры/Погодная станция на базе ESP8266, регистрирующая данные в Excel

Содержание

Введение

Модули

AT-команды

Прошивки

Примеры

Проекты

Типовые проблемы

Библиотеки

Перевод: Максим Кузьмин

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Погодная станция на базе ESP8266, регистрирующая данные в Excel

Эта статья рассказывает, как установить беспроводное соединение между двумя модулями ESP и отправлять данные от трех датчиков в электронную таблицу Excel. По сути, этот проект – погодная станция, которая имеет функцию регистрации данных и может быть реализована в домашних условиях.

Но сначала вам нужно будет пройти следующие руководства:

• Как начать работать с трансиверным WiFi-модулем на базе ESP8266
• Как наладить коммуникацию между двумя ESP8266
• Как загрузить прошивку на ESP8266 при помощи NodeMCU на Windows

Общий план проекта

Ниже – рисунок, объясняющий принцип работы проекта:

Необходимые компоненты

• Рекомендуемый вариант – два модуля ESP-12E; альтернативный вариант – два модуля ESP-201 + один программатор FTDI
• Один температурный датчик DS18B20
• Одна макетная плата
• Три кнопки
• Три резистора на 10 кОм
• Один резистор на 4700 Ом
• Один потенциометр на 10 кОм

Справочная информация

Основы программирования на Lua

Это скриптовый язык программирования, написанный на C. Разработка этого проекта началась в 1993 году силами Роберту Иерузалимски, Луиша Энрике де Фигейреду и Валдемара Келе, работавшими тогда в подразделении Tecgraf при Католическом университете Рио-де-Жанейро.

Более подробно об этом языке программирования можно почитать в «Википедии».

Прошивка NodeMCU для ESP8266 основана на Lua, поэтому если вы хотите писать собственные скрипты для ESP8266, вам важно знать основы этого языка.

Переменные

Переменные в языке Lua не делятся по типу данных, но делятся по области видимости. Это значит, что переменные в Lua могут быть глобальными или локальными.

• Глобальные переменные. Все переменные по умолчанию считаются глобальными (если в коде специально не задано, что они локальные).

pin = 3
test = "It works!"

• Локальные переменные. Если переменная задана локальной, область ее видимости будет ограничена лишь ее функцией.

local pin = 3
local test = "It works!"

• Поля таблиц. Это особый тип переменных, в которых может храниться все, за исключением «nil» (мы это затрагивать не будем).

Примечание

Lua – это язык, чувствительный к регистру. Поэтому переменная «PIN» – это не то же самое, что «Pin» или «pin».

Типы данных (типы значений)

Lua – это язык с динамической типизацией, поэтому у переменных нет типов данных. Типы данных есть только у значений. Значения могут храниться в переменных, передаваться в виде параметров и возвращаться в виде результатов.

В таблице ниже показаны типы данных для значений в языке Lua.

Тип значения	Описание
Строка (string)	Массив символов
Число (number)	Действительное (двойной точности с плавающей запятой) число
Булево значение (boolean)	Значение «true» или «false». Как правило, используется для проверки выполнения условий
Функция (function)	Функция, написанная на Lua
Неопределенное значение (nil)	В такой переменной не хранится никаких данных
Таблица (table), пользовательские данные (userdata) и поток (thread)	Эти три типа данных мы затрагивать не будем

Вот примеры некоторых из этих типов значений:

print(type("Hello world!")) –- строка
print(type(7))              -- число
print(type(true))           -- булево значение
print(type(print))          -- функция
print(type(nil))            -- неопределенное значение

Примечание

Работая с ESP8266 и прошивкой NodeMCU, вы изредка будете встречать тип данных «nil». Это будет значить лишь, что такая переменная не определена. Также, если вы хотите удалить какое-то значение в какой-то переменной, просто присвойте ей значение «nil».

Комментарии

Комментарии – это просто текст, в котором программист объясняет, как работает его код. Если какой-то фрагмент кода помечен как комментарий, то ESP-модуль проигнорирует его и не будет обрабатывать. Комментарии начинаются с двух тире («--»). Вот два типа комментариев:

• Однострочные комментарии:

print("Hello World!") –- комментарий в одну строчку

• Многострочные комментарии:

--[[
print("Hello World!") – это многострочный комментарий
--]]

Операторы

Оператор – это символ, который говорит интерпретатору выполнить определенное математическое или логическое действие. В язык Lua встроено много операторов разных типов:

• Арифметические операторы;
• Операторы сравнения;
• Логические операторы;
• Прочие операторы;

Читая таблицы и примеры ниже, представьте, что имеете дело с двумя переменными: «А», в которой хранится значение «1», и «B», в которой хранится значение «2».

A = 1
B = 2

Арифметические операторы

Оператор	Пример	Результат
+	A + B	3
-	A - B	-1
*	A * B	2
/	B / A	2
%	B % A	0
^	B^2	4
-	-A	-1

Операторы сравнения

Оператор	Пример	Результат
==	(A == B)	false
~=	(A ~= B)	true
>	(A > B)	false
<	(A < B)	true
>=	(A >= B)	false
<=	(A <= B)	true

Логические операторы

Оператор	Пример	Результат
and (и)	(A and B)	false
or (или)	(A or B)	true
not (не)	!(A and B)	true

Оператор конкатенации

Теперь представьте, что у нас две новые переменные:

a = "Hello!"
b = "World!"

Оператор	Пример	Результат
..	a..b	"Hello World!"

Циклы

Цикл позволяет выполнить блок кода несколько раз, пока выполняется заданное условие. Во фрагменте кода ниже – пока значением в переменной «boolean_value» является «true».

-- цикл while
while boolean_value
do
 -- код будет выполняться, пока в «boolean_value» будет «true»
end

-- и цикл for
for min, max, increment
do
  -- код будет выполняться, пока не будет достигнуто макс. значение
end

Операторы if… else

Операторы if... else (т.е. «если... иначе») – один из самых важных инструментов для управления программой. Они используются следующим образом:

if boolean_value then
    -- если в переменной «boolean_value» значение «true»
else 
    -- если в переменной «boolean_value» значение «false»
end

Названия этих операторов говорят сами за себя. Если выполнено условие «boolean_value=true», то программа выполнит код, идущий после «if». Но если условием является «boolean_value=false», то программа выполнит код, идущий после «else».

Функции

Функции – отличный способ организации кода. Если вы хотите сделать в программе что-либо несколько раз, вам необязательно по несколько раз прописывать этот код. Можно просто создать отдельную функцию, содержащую этот код, а затем вызывать ее, когда вам нужно.

Ниже показано, как создать новую функцию, принимающую один параметр (температуру в градусах Кельвина) и преобразующую это значение в градусы Цельсия и Фаренгейта.

function displayTemperature(kelvin)
  celsius = kelvin – 273.15
  print("Temperature in Celsius is: ", celsius)

  fahrenheit = (celsius*9/5+32)
  print("Temperature in Fahrenheit is: ", fahrenheit)
end

k = 294 –- температура в градусах Кельвина

displayTemperature(k) –- эта строчка вызывает функцию, созданную выше

DS18B20 – цифровой температурный датчик с шиной 1-Wire

В этом проекте мы воспользуемся датчиком DS18B20. Давайте разберемся, как его подключать.

DS18B20 можно питать напряжением от 3,0 до 5,5 вольт, поэтому вы можете смело подключить GND к GND, а VDD – к 3.3V на ESP8266.

Затем подключите контакт DQ к IO04 на ESP8266. На контакте DQ также понадобится подтягивающий резистор на 4,7 кОм, чтобы подтянуть напряжение к 3,3 вольт.

Считывание АЦП-значения

Для считывания аналоговых данных мы воспользуемся контактом ADC на ESP. Впрочем, этот контакт называют по-разному (и все эти названия взаимозаменяемы):

• ADC (от «analog-to-digital converter», т.е. «аналогово-цифровой преобразователь»)
• TOUT
• Контакт 6
• A0
• Аналоговый контакт 0

Все эти термины – для одного и того же контакта на ESP8266. Более подробно о нем можно почитать в этой статье.

На данный момент контакт ADC имеет 10-битное разрешение, а также входное напряжение от 0 до 1,0 вольт (если питается от внешней цепи).

Доступ к контакту ADC на ESP8266

На ESP-201 получить доступ к контакту ADC очень просто – вам нужно лишь подключить провод-перемычку к контакту, выделенному красным цветом на рисунке ниже:

Прошивка обоих ESP при помощи NodeMCU

Для этого проекта мы воспользуемся прошивкой NodeMCU, и о том, как загрузить ее на ESP, читайте тут.

Загрузка ESPlorer IDE

Для загрузки скриптов на ESP8266 рекомендую использовать программу ESPlorer IDE (она создана пользователем 4refr0nt). Чтобы скачать и установить ее, проделайте следующее:

1. Кликните здесь, чтобы скачать ZIP-архив с ESPlorer IDE
2. Распакуйте архив
3. Перейдите в главную папку
4. Запустите файл «ESPlorer.jar»
5. Откройте ESPlorer IDE

Загрузка скрипта на ESP8266 (при помощи 3,3-вольтового программатора FTDI)

Чтобы загрузить скрипт на ESP8266 (и для клиента, и для сервера), вам нужно лишь настроить последовательное соединение между программатором FTDI и модулем ESP8266. Делается это следующим образом:

• Контакт VCC на ESP8266 – к контакту 3.3V на программаторе
• Контакт GND – к контакту GND
• Контакт TX – к контакту RX
• Контакт RX – к контакту TX
• GPIO-контакт 0 – к контакту 3.3V
• GPIO-контакт 15 – к контакту GND

Скрипты для клиента

На клиента нужно будет загрузить три скрипта:

• init.lua
• counterMax.lua
• sa18b20.lua (по этой ссылке – версия, измеряющая температуру в °C, а по этой – в °F)

Начните с загрузки скрипта «counetMax.lua». По сути, этот скрипт – просто цифра «1», которая работает счетчиком и помогает сбросить плату при разрыве соединения с сервером:

1

Когда вы загрузите скрипт, ESPlorer IDE напечатает вот такую ошибку:

Затем загрузите на ESP8266 скрипт под названием «ds18b20.lua» (убедитесь, что он назван именно так). Он есть в двух версиях: одна позволяет считывать температуру в градусах Цельсия, а другая – в градусах Фаренгейта.

--------------------------------------------------------------------------------
-- Скрипт к температурному датчику DS18B20 (1-Wire) для NODEMCU
-- ЛИЦЕНЗИЯ: http://opensource.org/licenses/MIT
-- Автор - Vowstar <vowstar@nodemcu.com>
-- Оптимизировал: Питер Скэргилл (Peter Scargill)
--------------------------------------------------------------------------------
-- Задаем название модуля, чтобы потом 
-- сделать его параметром для setfenv()
local modname = ...
local M = {}
_G[modname] = M
--------------------------------------------------------------------------------
-- Локально используемые модули
--------------------------------------------------------------------------------
-- Модуль для таблицы 
local table = table
-- Модуль для строки
local string = string
-- Модуль для шины 1-Wire 
local ow = ow
-- Модуль для таймера
local tmr = tmr
-- Расчеты ограничены окружением «local»
setfenv(1,M)

--------------------------------------------------------------------------------
-- Реализация – постарался сделать как можно короче
--------------------------------------------------------------------------------

function readNumber(pin)
        ow.setup(pin)
        ow.reset(pin)
        ow.write(pin, 0xCC, 1)
        ow.write(pin, 0xBE, 1)
        data = nil
        data = ""
        for i = 1, 2 do
            data = data .. string.char(ow.read(pin))
        end
        t = (data:byte(1) + data:byte(2) * 256) / 16
        if (t>100) then
        t=t-4096
        end
        ow.reset(pin)
        ow.write(pin,0xcc,1)
        ow.write(pin, 0x44,1)  
        return t          
end

-- Возвращаем модуль «table»
return M
Наконец, загружаем на ESP главный скрипт под названием «init.lua».
-- Беспроводная погодная станция с регистрацией данных 
-- в таблицу Excel при помощи Things Gateway
-- Автор: Ив Абур (Yves Arbour) 
--
-- Скрипт основан на следующих работах:
--
-- Руи Сантос (Rui Santos) – Клиент ESP8266 
-- Скрипт к температурному датчику DS18B20 (1-Wire) для NODEMCU
-- Vowstar <vowstar@nodemcu.com> 
-- Питер Скэргилл (Peter Scargill)
-- Wimp Weather Station; автор: Нейтан Сидле (Nathan Seidle), sparkfun

wifi.sta.disconnect()
wifi.setmode(wifi.STATION)
wifi.sta.config("test","12345678")
wifi.sta.connect() 
print("Looking for a connection")  //  "Поиск соединения"
temp=0
function readds18b20sensor()
    t=require("ds18b20.lua")   
   -- print(t.readNumber(2))  for debuging
    temp = (t.readNumber(2)) --GPIO 04
end

winDirection=0
gpio.mode(0,gpio.INPUT)
function readWindDirection ()
    windDirection = adc.read(0)
        if (windDirection < 26) then windDirection=90 --E
       --if (windDirection < 17) then windDirection=113      -- ESE
       --elseif (windDirection < 21) then windDirection=68   -- ENE
       --elseif (windDirection < 26) then windDirection=90   -- E
       --elseif (windDirection < 36) then windDirection=158  -- SSE
       elseif (windDirection < 43) then windDirection=135 --SE
       --elseif (windDirection < 60) then windDirection=203  -- SSW
       elseif (windDirection < 85) then windDirection=180 --S
       --elseif (windDirection < 98) then windDirection=23   -- NNE
       elseif (windDirection < 120) then windDirection=45 --NE
       --elseif (windDirection < 170) then windDirection=248  -- WSW
       elseif (windDirection < 210) then windDirection=225 -SW
       --elseif (windDirection < 275) then windDirection=338  -- NNW
       elseif (windDirection < 380) then windDirection=0 --N
       --elseif (windDirection < 500) then windDirection=293  -- WNW
       elseif (windDirection < 750) then windDirection=315 --NW
       elseif (windDirection < 1005) then windDirection=270 --W
       else windDirection=-1
       end
end
irqPin = 1  --GPIO5
windSpeed = 0
windClicks = 0
lastWindCheck = 0
function debounce (func)   
    local delay = 100000   
    return function (...)  
        now = tmr.now() 
        now = now - lastWindCheck               
        if now < delay then return end
        lastWindCheck = tmr.now()        
        return func (...)
    end
end

function windSpeedIrq ()    
    windClicks = windClicks+1 * 10000000
    print (windClicks)
end  
function calcWindSpeed ()
    local deltaTime = tmr.now () - lastWindCheck        
    windSpeed = windClicks / deltaTime
    print(deltaTime)              
    windSpeed = windSpeed * 1492 /10000 -- Replace " *1492/10000 " with " *24/100 " for Km/h instead of Mp/h
    windClicks = 0
    lastWindCheck = tmr.now()
end 
gpio.mode(irqPin,gpio.INT)
gpio.trig(irqPin,"down",debounce(windSpeedIrq))
      
file.open("counterMax.lua","r")
counter=(file.read())
file.close()
  tmr.alarm(0, 2000, 1, function()
   if(wifi.sta.getip()~=nil) then
          tmr.stop(0)
          print("Client IP Address:",wifi.sta.getip())
            //  "IP-адрес клиента:"
          cl=net.createConnection(net.TCP, 0)
          cl:connect(80,"192.168.4.1")
          tmr.alarm(1, 5000, 1, function()
          counter=counter+1       
       
        readds18b20sensor()            
        readWindDirection()
        calcWindSpeed()
        print (temp)
        print(windSpeed)
-- Next is the properly formated string that Things Gateway needs to show Date,Time,Wind speed,Wind direction and  Temp.    
  cl:send("XLS,write,Example,A"..counter..",%date%\nXLS,write,Example,B"..counter..",%time%\nXLS,write,Example,C"..counter..","..windSpeed.."\nXLS,write,Example,D"..counter..","..windDirection.."\nXLS,write,Example,E"..counter..","..temp)
  
  cl:on("disconnection",function(reconnect)
    file.open("counterMax.lua","w+")
    file.writeline(counter)
    file.close()
   end)
       end)
   else
         print("Connecting...")  //  "Подключение..."
       end
end)
function reconnect()    
wifi.setmode(wifi.STATION)
wifi.sta.config("test","12345678")
wifi.sta.connect()
end

Схема для клиента

Соберите клиентскую часть согласно картинке ниже (если используете модуль ESP-12, воспользуйтесь этой схемой):

Кнопка справа, подключенная к IO05, используется для симуляции данных о скорости ветра. Впрочем, это скорость ветра не в реальном времени, а средний показатель за последние 5 секунд.

То есть не важно, как часто вы будете нажимать на эту кнопку. Если нажать на нее 5 раз в течение 5 последних секунд, это будет частота 1 раз в секунду, что даст 1,492 миль/ч или 2,4 км/ч. Впрочем, на данный момент в проекте используются целые числа, поэтому в результате получится 1492 м/ч и 24 км/ч. Вам нужно будет разделить эти значения уже в самой в таблице Excel – соответственно, на 100 и 10.

Скрипт для сервера

-- Создал: Руи Сантос (Rui Santos) – Сервер ESP8266
-- Модифицировал: Ив Абур (Yves Arbour); после модификации строка 
-- печатается напрямую в таблицу Excel при помощи Things Gateway

print("ESP8266 Server")  //  "Сервер ESP8266"
wifi.setmode(wifi.STATIONAP);
wifi.ap.config({ssid="test",pwd="12345678"});
print("Server IP Address:",wifi.ap.getip())  //  "IP-адрес сервера: "
 
sv = net.createServer(net.TCP)
sv:listen(80, function(conn)
    conn:on("receive", function(conn, receivedData)
      --print("Received Data"..receivedData) 
          //  "Полученные данные..."
        print(receivedData)-- string "Received Data" removed...
        -- Things Gateway игнорирует строки, которые не начинаются
        -- правильной команды...
        -- В данном случае для таблицы Excel нужна команда XLS        
    end)
    conn:on("sent", function(conn)
      collectgarbage()
    end)
end)

Схема для сервера

Соберите серверную часть согласно картинке ниже (если используете модуль ESP-12, воспользуйтесь этой схемой):

Я создал для ESP-201 специальную плату. Ее особенности:

• Желтый провод: Его можно подключить либо между 0-ым GPIO-контактом и GND (чтобы загружать прошивку NodeMCU), либо между 0-ым GPIO-контактом и VCC (чтобы сохранять скрипты на ESP)
• 15-ый GPIO-контакт припаян к контакту GND
• К контакту RST подключена кнопка и подтягивающий резистор на 10 кОм (то есть, если нажать на эту кнопку, резистор притянет сигнал к «земле», а затем вернется в исходное положение)

Сборка

Запитайте оба ESP и убедитесь, что между серверным ESP и компьютером по-прежнему установлена последовательная коммуникация, потому что именно через нее сервер будет отправлять данные в таблицу Excel.

Загрузка и установка Things Gateway

В этом проекте мы воспользуемся программой Things Gateway, написанной Роберто Валголио (Roberto Valgolio), чтобы в реальном времени записывать в таблицу Excel данные, которые будут постоянно обновлять сами себя.

Things Gateway – это PC-программа, которая подключается к микроконтроллеру и способна делать следующее:

• Извлекать данные из файлов Excel
• Записывать данные в файлы Excel
• Записывать логи в файлы *.csv
• Отправлять электронные письма (при соблюдении заданных условий)
• Показывать значения и графики (графики независимы от Excel)

Things Gateway также умеет подключаться к GPS и показывать на экране...

• Скорость, направление, высоту и другую навигационную информацию
• Маршрут в реальном времени на Google Maps

Зайдите на сайт Things Gateway, загрузите программу и установите ее. Данный проект тестировался с версией Beta4.

Запуск Things Gateway

Открывается Things Gateway очень просто. Просто пройдите в Этот компьютер > Документы > ThingsGateway и откройте программу.

Затем сделайте следующее:

1. Перейдите на вкладку «Config»
2. В поле «port» впишите порт сервера
3. В поле «speed» впишите 9600

Все нужные пункты выделены на картинке ниже красным цветом:

Демонстрация

Откройте вкладку RealTime и в столбце «From» выберите пункт «Serial», а в столбце «To» – пункт «Excel».

Если все настроено правильно, далее откроется таблица Excel и начнет заполняться данными, которые будут появляться каждые несколько секунд.

Ваши данные будут записываться в таблицу Excel, находящуюся в этой папке:

Дальнейшие улучшения

Этот пример позволяет попробовать и другие функции Things Gateway:

• Графики, обновляющиеся самостоятельно и в реальном времени (независимо от Excel)
• Запись логов в файлы формата *.csv
• Автоматическая отправка электронных писем при соблюдении заданных условий (к примеру, если скорость ветра возрастет на столько-то или температура упадет на столько-то, если в морозильнике недостаточно холодно и т.д.)
• Запись логов в файл «stream.txt» с коэффициентом обновления 0.1, 0.5, 1.5, 10, 60 или 3600
• GPS-отслеживание маршрута на Google Maps с коэффициентом обновления 0.1, 0.5, 1.5, 10, 60 или 3600

Улучшения, которые планируется добавить в будущем:

• Другие датчики вроде датчика атмосферного давления BMP180
• Датчики света
• Датчики влажности
• Любой другой цифровой или аналоговый датчик, использующий мультиплексинг

Также помните, что Things Gateway создавался с прицелом на использование с платой Arduino, но если отправлять через последовательную коммуникацию правильные строки, эту программу можно использовать с любой платой.