Народный мониторинг. Метеостанция на NodeMcu. Народный мониторинг Получение данных отправленных из «Монитора порта» в Arduino

У нас в организации развёрнут сервер Zabbix для мониторинга работоспособности серверов и АРМов. Из-за особенностей техпроцесса оборудование «размазано» по нескольким помещениям и разнесено по территории предприятия. Естественно, вместе с основными параметрами компьютеров (работает/не работает) хочется контролировать и микроклимат в серверных. При этом, как обычно, возможности весьма ограничены, и «выбить» значительные средства на сложные системы мониторинга температуры (к ним я отношу и платы управления с термодатчиками для стоечных ИБП APC) - это отдельный квест.

В основной серверной всё просто - установлена одна такая плата (закуплена давным-давно предшественником вместе с основным оборудованием), воткнут APC-шный термодатчик, заведён агент в Заббиксе, всё работает по SNMP. Скучно:) На мониторинг удалённой аппаратной оборудования нет, средств тоже - см. выше. Поэтому было решено проявить смекалку, сэкономить бюджет и заодно прокачать новый навык путём конструирования простого и дешёвого «наколенного» решения, вписывающегося, тем не менее, в существующую инфраструктуру мониторинга Zabbix.

Необходимые компоненты:

• Основа системы - Arduino Nano V3
• Модуль локальной сети (ethernet-shield)
• И, собственно, цифровой датчик температуры на базе DS18B20

Сборка устройства не составляет труда. Сетевой модуль надевается на основную плату «бутербродом», термодатчик припаивается к его пинам. Подключение датчика: красный +5 В, чёрный - земля, жёлтый - данные; между +5V и Data припаиваем подтягивающий резистор 4,7 кОм.

Пин для данных выбирается с учётом пинов, используемых сетевым модулем (D10 – SS; D11 – MOSI; D12 – MISO; D13 – SCK; D2 – IRQ).

Грабли: в прототипе устройства столкнулся с конфликтом - данные о температуре выдавались случайным образом, «через два на третий». Причиной оказалось то, что я прицепил термодатчик на пин 2, который, как потом нашёл на просторах интернета, используется сетевым модулем для генерации прерывания при поступлении пакета. Переставил на 4-й - заработало как часы.

После сборки аппаратной части переходим к программной.

Устройство будет работать в сети и притворяться заббикс-агентом, для этого ему нужен MAC и IP-адрес. Решаем, как удобнее - жёстко зашить при программировании, генерировать MAC из адреса температурного датчика и получать IP по DHCP, и т.д. Я пошёл по простейшему пути и захардкодил оба параметра.

Протокол обмена с заббикс-сервером описан в документации . Наше устройство будет откликаться на две команды - agent.ping и env.temp (здесь оставлен простор для дальнейшего творчества, можно привязать любой из модулей расширения, доступных для ардуино - хоть датчик влажности, хоть освещённости - да что душе угодно). На все остальные команды оно будет ругаться отвечать стандартным ответом, понятным заббикс-серверу.

Для тех, кто начинает с нуля (как я) - программирование Arduino выполняется с помощью Arduino IDE , установка и настройка которой элементарны. Для работы компонентов необходимы библиотеки UIPEthernet и OneWire, которые устанавливаются и подключаются к проекту через меню Скетч - Подключить библиотеку - Управлять библиотеками…
Если у вас будут другие компоненты (например, сетевой модуль не на enc28j60, а на другом чипе) - понадобятся и другие библиотеки!

Код работы с сетевым модулем и с датчиком температуры - типовой, из интернета, с некоторыми допущениями и упрощениями.

После заливки кода в контроллер и подключения ethernet-кабеля проверяем из консоли:

$ zabbix_get -s 192.168.4.5 -k agent.ping 1 $ zabbix_get -s 192.168.4.5 -k env.temp 23.12 $ zabbix_get -s 192.168.4.5 -k bla-blah ZBX_NOTSUPPORTED
Грабли: выложенная на zabbix.com скомпилированная версия zabbix_get для Windows устарела и использует другой протокол (с заголовком ZBXD\x01 в запросе сервера). Линуксовая версия актуальна и протокол соответствует приведенному коду.

Всё работает, как и задумано. В админке заббикса создаём новый хост с выбранным IP, в нём - два ключа, Numeric (unsigned) agent.ping и Numeric (float) env.temp, наслаждаемся работой. Графики, триггеры - всё как обычно.

Питание устройства - через родной USB. Корпус - по желанию: подходящая пластиковая коробочка, термоусадка, синяя изолента.

Разрешение датчика - примерно 0.06 (точнее, 1/16) °С, точность - при погружении в таящий снег показал 0.19 °С (может, опустился бы и ниже, но снега было мало и он весь быстро растаял). Считаю, для устройства стоимостью 10 долларов и описанных целей - более чем достаточно.

Скетч

#include #include byte mac = { 0xDE, 0x05, 0xB6, 0x27, 0x39, 0x19 }; // random MAC byte ip = { 192, 168, 4, 5 }; // IP address in local network String readString = String(20); byte addr; OneWire ds(4); // DS18B20 at pin 4 EthernetServer server(10050); // Zabbix port void setup() { Ethernet.begin(mac, ip); server.begin(); ds.search(addr); } void loop() { byte data; float celsius; readString = ""; if (EthernetClient client = server.available()) { while (client.connected()) { if (client.available()) { char c = client.read(); if (c == "\n") // end of query from zabbix server { client.print("ZBXD\x01"); // response header if (readString == "agent.ping") { byte responseBytes = {0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, "1"}; client.write(responseBytes, 9); } else if (readString == "env.temp") { ds.reset(); ds.select(addr); ds.write(0x44); // start conversion with regular (non-parasite!) power delay(1000); ds.reset(); ds.select(addr); ds.write(0xBE); // read Scratchpad data = ds.read(); data = ds.read(); int16_t raw = (data << 8) | data; celsius = (float)raw / 16.0; byte responseBytes = {(byte) String(celsius).length(), 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00}; client.write(responseBytes, 8); client.print(celsius); } else { byte responseBytes = {0x10, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00}; client.write(responseBytes, 8); client.print("ZBX_NOTSUPPORTED"); } break; } else if (readString.length() < 20) { readString = readString + c; } } } delay(10); client.stop(); } }

Это совместный проект. Ссылки на каналы, сайт и архив авторов будут в конце описания. Создаётся блочная система управления ВетроСолнечной электростанции. Имеем два дачных участка с альтернативным энергообеспечением. На одном участке есть внешнее электричество, на втором полное отсутствие такового. Участки находятся в разных регионах России. На первом участке установлен самодельный ветрогенератор мощностью 1кВт, 6 стационарных солнечных панелей, по 100Вт каждая, соединённых последовательно по две штуки на 24В и 6 самодельных панелей, соединённых также на 24 вольта, установленных на солнечном треккере. На втором участке, установленные стационарно, 4 панели по 100Вт и 2 самодельных по 60 Вт подключенных также на 24 вольтовую систему. Проект позволят подключать как 12 вольтовую так и 24 вольтовую системы без механических изменений. Система состоит из пяти самостоятельных блоков. Связь межу блоками осуществляется по радиоканалу через модули NRF24L01 (с внешней антенной).

1. Модуль «Блок управлени» на базе ARDUINO MEGA2560 — осуществляет сбор всей информации и вывод на ЖК дисплей IIC/I2C 2004 4Х20, управление блоками, устройствами и ввод различных настроечных параметров с помощью матричной клавиатулы 4Х4. Температур, влажности, давления (датчик давления bmp180 ), дата, время (часы DS3231 ). Вся настроечная информация вводися через меню и сохраняется в EEPROM. После установки всех необходимы поправочных коэффициентов в режиме отладки эти данные по радиоканалу отправляются в свои блоки, что позволяет точно настроить все данные. (Блок продолжает развиваться).
2. Модуль «Блок ваттметра» на базе ARDUINO NANO совместно с силовым блоком- производит замер и расчет входящих и исходящих токов, напряжений используя измерительную планку с установленными на неё датчиками тока ACS712 30А и ACS754SCU 100А, АЦП ADS1015 12 бит , резистивных делителей напряжения . Кроме того регулирует установленное в параметрах выдаваемое ветрогенератором напряжение с помощью балластной нагрузки, греет воду с защитой от закипания на базе герметичного датчика DS18B20 . Отключает инвертор при разряде аккумуляторов ниже % установленного в параметрах. Включает систему охлаждения трёхфазного диодного моста.(Датчик DS18B20 ).
3. Модуль «Блок ветрогенератора» на базе ARDUINO NANO — Состоит из двух блоков:

• Непосредственно «Блока ветрогенератора»- производит замер и передачу: оборотов генератора (датчик Холла), температуры обмоток генератора, температуры и влажности отсека генератора(DS18B20 и DHT22 ), определение дня и ночи (фоторезисторы ). Положение хвоста ветрогенератора. А так же, в целях безопасности, трёхлучевой светодиодный маяк (мачта ветрогенератора высотой 17м).
• «Блок анемометра»- Замер скорости ветра (датчик Холла) указатель направления ветра (датчики Холла, расширитель цифровых портов IIC I2C MCP23017 ).

4. Модуль «WEB сервер» на базе ARDUINO MEGA 2560 и интернет шилда W5100 Ethernet — выводит на сайт всю информацию об электростанции для возможности контролировать показания удалённо.

5. Модуль «Солнечный треккер»- управление положением солнечных панелей на солнце и по времени в случае отсутствия такового, управление с помощью ИК пульта, автоматическое возвращение треккера в положение на Восток после наступления ночи. Установка треккера в положение «ветрозащита» в случае превышения скорости ветра выше установленной. Управление приводами треккера. Блок реально работает уже год. Пока нет в архиве, т.к. идет его внедрение в общую блочную схему.

Начинался проект с использованием монитора NEXTION (прекрасная вещь обязательно где нибудь его используем), но потом мы отказались от этого, в виду больших тормозов из-за обьёма передаваемой информации и решения сделать систему модульной.

Так же все ARDUINO NANO прошиваются через WiFi с использованием ESP8266-01 . Это чтобы обновлять прошивку, в случае коррекции скетча, не снимая блоки с мест монтажа. Есть пока проблема с MEGA2560, в чём причина знаем, но пока не можем решить. Но это отдельная история.

Скетчи в формате FLProg, печатные платы в формате Sprint-Layout в регулярно обновляемом

В которой описывалось создание устройства для мониторинга параметров ПК. Сразу захотелось что-то подобное. Но так как опыта программирования PIC контроллеров у меня маловато, зато имеется Arduino, решил собирать на нем.

Основа устройства – Freeduino, в качестве индикатора применен LCD (16х2) дисплей с контроллером H44780 на борту, для подачи звукового сигнала использован пьезоэлектрический капсуль, снятый с китайского мультиметра. Связь полученного устройства и ПК осуществляется посредством USB.

Фото «готового» устройства:

Вот полный список деталей для сборки:
- Arduino Uno, Freeduino и т. п.
- LCD дисплей с контроллером H44780
- Пьезоэлектрический излучатель (подойдет любой, даже тот, что используется в китайских игрушках)
- Резистор 10-30 Ом
- Подстроечный резистор 10кОм

Соединяем детали по такой схеме:

Загружаем в Arduino скетч под названием “Lcd_Ram.ino” (лежит в прикрепленном к статье архиве), подключаем к ПК через кабель USB.

На дисплее устройства должна появиться такая картинка:

Если картинка не появилась, то существует четыре причины:
1) Нет питания (поврежден USB шнур);
2) Поврежден шлейф LCD (дисплей не прошел инициализацию);
3)Неисправен Arduino;
4) Недостаточная контрастность дисплея (эта причина устраняется путем изменения сопротивления подстроечного резистора);

Данное устройство способно выводить на LCD информацию о загрузке оперативной памяти и процессора (больше не позволил размер самого LCD).

Если оперативная память загружена более чем на 70%, то устройство будет подавать звуковой сигнал, а на LCD будет выводиться такой значок:

Подача звукового сигнала может выключаться из программы на Windows. Если звук включен, то на LCD выводится иконка:

Главное окно данной программы:

Для соединения с Arduino откройте в программе вкладку «COM порт» --> “Настройка COM”, и выберите виртуальный COM порт, "принадлежащий" Arduino (если вы первый раз подключаете Arduino к ПК, то будет необходимо установить драйвера FTDI) . После соединения на дисплее должна быть похожая картина.

Когда узнал о народном мониторинге, о возможности быть частью этой системы мониторинга погоды, меня охватил азарт, и была сделана простенькая метеостанция на ардуино нано и ethernet модуле.
Передавала она на сайт температуру, давление и влажность. Работала худо бедно, иногда подвисала, необходимо было перезагружать. Потом сдох датчик влажности, и я занялся поиском альтернативного устройства. Долго поглядывал на esp8266, но знал о ней очень немного. Останавливало то, что код для нее надо было писать в незнакомой мне среде esplorer на незнакомом мне языке. Здесь уже публиковался подобного устройства, устройство работало с условно бесплатной прошивкой от Homes Smart, такое решение меня не устроило. Позднее я узнал, что esp8266 можно вполне успешно подружить с arduinoIDE. Я начал усиленно гуглить, и в результате догуглился до устраивающих меня результатов.
Надеюсь, статья окажется полезной. Думаю, ее можно расценивать как обзор-руководство по сборке.

NodeMcu это своего рода отладочная плата для esp8266 (в моем понимании). С помощью нее удобно делать прототипы устройств на макетных платах. Удобно заливать прошивку из ArduinoIDE, все происходит автоматически. Естественно, необходимо ArduinoIDE к работе с esp8266. Подготовив рабочую среду сразу набросал схему, это было не сложно.
Датчик давления и температуры bmp180 подключен по i2c к SCL(gpio05) и SDA(gpio04).
Датчик влажности и температуры dht22 подключен к gpio02
Дисплей 1602 с припаянным i2c адаптером так же посажен на scl и cda, параллельно с датчиком давления.
Питание датчиков 3.3в, питание дисплея 5в.

Фоторезистор подключен к пину А0, он управляет яркостью дисплея, чтобы в ночи дисплей не светился слишком ярко. Питанием подсветки заведует gpio14, на котором реализован программный ШИМ. После транзисторного каскада питание подсветки подходит непосредственно к пятачку А (анод) на дисплее. он находится рядом со светодиодом. Со spi адаптера дисплея необходимо снять перемычку, которая отвечает за подсветку.

Фото прототипа

Сложнее было с кодом.

//ардуино 181, либы схоронил #include #include #include #include #include LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); #include #include #include #include #define debug true // вывод отладочных сообщений #define postingInterval 300000 // интервал между отправками данных в миллисекундах (5 минут) #define DHTPIN 2 // dht на gpio02 // Uncomment the type of sensor in use: //#define DHTTYPE DHT11 // DHT 11 #define DHTTYPE DHT22 // DHT 22 (AM2302) //#define DHTTYPE DHT21 // DHT 21 (AM2301) // Lib instantiate DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); Adafruit_BMP085 bmp; /**/unsigned long lastConnectionTime = 0; // время последней передачи данных /**/String Hostname; //имя железки - выглядит как ESPAABBCCDDEEFF т.е. ESP+mac адрес. float dhttemp; // буферная переменная для хранения температуры от dht22 int dhthum; // буферная переменная для хранения влажности от dht22 int topwm; // хранит значение для шима яркости дисплея void wifimanstart() { // Волшебная процедура начального подключения к Wifi. // Если не знает к чему подцепить - создает точку доступа ESP8266 и настроечную таблицу http://192.168.4.1 // Подробнее: https://github.com/tzapu/WiFiManager WiFiManager wifiManager; wifiManager.setDebugOutput(debug); wifiManager.setMinimumSignalQuality(); if (!wifiManager.autoConnect("ESP8266")) { if (debug) Serial.println("failed to connect and hit timeout"); delay(3000); //reset and try again, or maybe put it to deep sleep ESP.reset(); delay(5000); } if (debug) Serial.println("connected..."); } void setup() { // pinMode(14, OUTPUT); // gpio14 будет шимить подсветку дисплея Hostname = "ESP"+WiFi.macAddress(); Hostname.replace(":",""); Serial.begin(115200); // инициализация экрана lcd.begin(4, 5); // sda=gpio04, scl=gpio05 lcd.backlight(); // инициализация датчика температуры и давления bmp180 dht.begin(); if (!bmp.begin()) // если датчик не обнаружен, сообщаем об этом в компорт и на дисплей { Serial.println("Could not find BMP180 or BMP085 sensor at 0x77"); lcd.clear(); lcd.print("BMP180 FAILED"); while (1) {} } WiFi.hostname(Hostname); wifimanstart(); Serial.println(WiFi.localIP()); Serial.println(WiFi.macAddress()); Serial.print("Narodmon ID: "); Serial.println(Hostname); // выдаем в компорт мак и айпишник железки, так же выводим на дисплей lcd.clear(); lcd.setCursor(0, 0); lcd.print(WiFi.localIP()); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(Hostname); lastConnectionTime = millis() - postingInterval + 15000; //первая передача на народный мониторинг через 15 сек. } void WriteLcdTemp (void){ // заполнение дисплея. происходит каждые 5 минут после получения данных с датчиков lcd.clear(); lcd.setCursor(1, 0); lcd.print("T1 "); lcd.setCursor(4, 0); lcd.print(bmp.readTemperature()); lcd.setCursor(8,0); lcd.print(" P "); lcd.setCursor(11,0); lcd.print(bmp.readPressure()/133.3); lcd.setCursor(1, 1); lcd.print("T2 "); lcd.setCursor(4, 1); lcd.print(dhttemp); lcd.setCursor(8,1); lcd.print(" H "); lcd.setCursor(11,1); lcd.print(dhthum); lcd.setCursor(13,1); lcd.print("%"); } bool SendToNarodmon() { // Собственно формирование пакета и отправка. WiFiClient client; String buf; buf = "#" + Hostname + "#ESP_YOBA" + "\r\n"; // заголовок И ИМЯ, которое будет отображаться в народном мониторинге, чтоб не палить мак адрес dhttemp=dht.readTemperature(); // сохравняем в буферные переменные данные с dht22, чтобы удобно было оперировать dhthum=dht.readHumidity(); buf = buf + "#T1#" + String(bmp.readTemperature()) + "\r\n"; //температура bmp180 buf = buf + "#T2#" + String(dhttemp) + "\r\n"; //температура dht22 buf = buf + "#H1#" + String(dhthum) + "\r\n"; //влажность buf = buf + "#P1#" + String(bmp.readPressure()) + "\r\n"; //давление buf = buf + "##\r\n"; // закрываем пакет if (!client.connect("narodmon.ru", 8283)) { // попытка подключения Serial.println("connection failed"); lcd.clear(); lcd.print("connect failed"); return false; // не удалось; } else { WriteLcdTemp(); client.print(buf); // и отправляем данные if (debug) Serial.print(buf); while (client.available()) { String line = client.readStringUntil("\r"); // если что-то в ответ будет - все в Serial Serial.print(line); } } return true; //ушло } void loop() { //автояркость topwm=map(analogRead(A0), 0, 1023, 10, 950); analogWrite(14, topwm); delay(100);// нужна, беж делея у меня не подключался к вайфаю if (millis() - lastConnectionTime > postingInterval) {// ждем 5 минут и отправляем if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) { // ну конечно если подключены if (SendToNarodmon()) { lastConnectionTime = millis(); }else{ lastConnectionTime = millis() - postingInterval + 15000; }//следующая попытка через 15 сек }else{ lastConnectionTime = millis() - postingInterval + 15000; Serial.println("Not connected to WiFi"); lcd.clear(); lcd.print("No WiFi");}//следующая попытка через 15 сек } yield(); // что за команда - фиг знает, но ESP работает с ней стабильно и не глючит. }

Что умеет устройство?
Устройство производит измерение температуры, давления (датчик bmp180) и влажности (датчик dht22), отображает показания на дисплее, и отправляет на сайт народного мониторинга.
При первом после прошивки включении, или при отсутствии знакомых wifi сетей устройство прикидывается точкой доступа открытого типа с именем ESP8266.

В com порт устройство шлет это:

Необходимо подключиться с телефона, ноутбука или планшета к точке с именем ESP8266, и пройти по адресу 192.168.4.1
Откроется такая страничка:

Нажимаем кнопку Configure Wifi, и попадаем на такую страничку

Далее выбираем свою сеть, вводим пароль, жмем Save. Готово, устройство само перезагружается, и начинает работать. Сначала на дисплей и в com порт выводится ip адрес и mac адрес устройства с префиксом ESP, его надо использовать в качестве id датчика при регистрации на сайте народного мониторинга, а через 15 секунд на дисплей, в com порт, и на сайт народного мониторинга выводятся первые показания с датчиков.
T1 - температура с bmp180
T2 - температура с dht22
P - атмосферное давление. На дисплей выводится в мм. рт. ст., на народный мониторинг идет в не помню каких единицах, преобразуется в мм. рт. ст. автоматически.
Н - влажность в процентах.


В строчках Т2 и Н ересь, потому что не подключен датчик dht22

В таком виде конструкция проработала пару недель, пока я потихоньку продумывал готовое устройство.
Готовое устройство решил собирать на модуле (такой же стоит на nodemcu)
Быстренько развел и вытравил плату.

Код менять не пришлось вообще. Номера портов для датчиков те же, необходимо только подключить голую esp8266 по типовой схеме, чтобы она могла работать, и можно было заливать прошивку. 3.3 вольта получил с помощью стабилизатора ams 1117 3.3v.
Питается устройство от телефонной зарядки 5в. 2А. Но и одного ампера, думаю, будет достаточно.


Для прошивки вывел отдельный 3-pin разъем с контактами RX, TX и GND.

Прошивал готовое устройство с помощью адаптера usb - uart. Плюс его в том, что на нем имеется переключатель 5v-3.3v, хотя знающие ребята говорят, что этот переключатель работает только для питания, а уровень rx и tx не меняется. Но у меня все работало без преобразования уровней, наверное потому, что esp8266 толерантна к 5v на rx tx, хоть и работает от 3.3.
Так же на готовой плате был предусмотрен переключатель для ввода в режим прошивки (красный ползунковый, нижний ползунок для ввода в режим прошивки. Верхний ползунок я подключил на gpio12, на всякий случай, возможно для переключения режимов индикации на будущее, а пока он не задействован. Можно не мудрить, и просто поставить перемычку между gpio0 и GND)

Для прошивки нужно подключить usb-uart преобразователь таким образом:
esp rx - uart tx
esp tx - uart rx
esp gnd - uart gnd
Затем подключить gpio0 к земле с помощью нижнего ползунка на переключателе, нажать кнопку «Reset» на плате (находится сверху), в arduinoIDE выбрать нужный com port, скорость загрузки (115200 для большинства плат esp8266), и нажать кнопку «Загрузка».
После окончания загрузки устройство начнет работать, переключатель прошивки нужно возвратить в положение OFF, иначе при следующей перезагрузке или отключении питания устройство опять войдет в режим прошивки.

Вспомним сдохший датчик dht22. Симптомы - постоянно показывает влажность 99.9, в сухую погоду может показывать меньше. Сдох он осенью 2016 года, исправно проработав всю весну и лето. Была неделя постоянных дождей, и мне на электропочту свалилось письмо от народного мониторинга, что, мол, ваш датчик несколько дней подряд показывает одно и то же. Я не стал менять датчик, а просто спрятал его из общего доступа до недавнего момента.
Возможной причиной помирания считаю тесный корпус. В качестве его основы было использовано яйцо от киндерсюрприза. Был разработан новый, более технологичный и просторный корпус из подрозетника и заглушки канализационной трубы. Вот оба корпуса рядом:

Плату датчиков не переделывал, просто заменил дохлый dht22 на живой, покрыл цапонлаком и закрепил термосоплями в верхней части уличного корпуса.
Вот так выглядит схема платы датчиков. Нарисовать можно даже маркером

схема и внешний вид

Закрепил датчики на окне, шлейф завел в комнату. Вынос можно было сделать и побольше, да и от внешнего блока кондиционера убрать, но это проблематично.

Упихал кишочки в мегатехнологичный корпус из распределительной коробки для проводки. С креплением не заморачивался, использовал термосопли.

В собранном виде

Испытание влажностью пройдено успешно. Датчик жив.

Это был полезный опыт для меня, я наконец то пощупал esp8266, и получил стабильно работающее полезное мне устройство.
Надеюсь кому то пригодится эта статья. Если возникнут трудности или вопросы, пишите в личку, отвечу.