Буквально в прошлом году, в деревне на берегу моря, где я люблю отдыхать летом, появился худо-бедно рабочий Интернет! Экий прогресс! …и план по установке там метеодатчика стал совершенно реальным – ни там, ни в округе на сотни километров нет ни одного! Обидно же.

В этой статье представлена облегченная, переработанная и дополненная в соответствии с задачей версия этого наброска. Основные отличия:

• убран код управления дополнительным реле,
• реализовано изменение настроек через MQTT,
• добавлено сохранение настроек в EEPROM,
• переработан код функции проверки BSEC,
• добавлен сброс системы через MQTT-сообщение.

На некоторых фотографиях фигурируют элементы метеорологической будки, сборка которой описана в этой статье.

1. WeMos D1 mini Pro¹⁾;
2. CJMCU-680 (Bosch BME680);
3. пигтейл IPX и антенна;
4. светодиод ~3.3 VDC²⁾;
5. PSU 220 VAC / 5 VDC.

В отличие от предыдущей версии, где использовалась плата NodeMCU с ESP-12E, тут был выбран более компактный контроллер с возможностью использования внешней антенны.

Первым делом необходимо переключить плату с использования керамической SMD-антенны на внешнюю с разъемом IPX. Делается это поворотом на 90° нулевого резистора:

Увы, получилось не очень красиво очень не красиво, ибо я поленился лезть за феном, а паяльником, даже с тонки жалом, такую фигульку передвинуть та еще затея…

По какой-то неведомой причине, длинная линия i²C, от метра и больше, с платой CJMCU-680 не работает! Причем наличие или отсутствие подтягивающих резисторов на 4,7 кОм⁵⁾ никакой роли не играет. Линия меньше 30-и сантиметров работает стабильно.

О подготовке Arduino IDE – добавлении плат, установке библиотек и настройке BSEC – смотрите по ссылке.

Тут все аналогично, за исключением:

• для платы, как на фото, нужно в меню «Инструменты» → «Плата: […]» → «ESP8266 Boards (x.x.x)» выбрать «LOLIN(WEMOS) D1 mini Lite»;
• необходимо дополнительно установить через «Менеджер библиотек» библиотеки ArduinoJson и Uptime Library.

1. Подключение к сети Wi-Fi и брокеру MQTT, автоматическое переподключение к брокеру после разрыва соединения⁶⁾,
2. прием показаний с датчика BME680, их минимально-необходимая обработка (конвертирование давления в мм.р.с., коррекция температуры, округление данных) и передача по протоколу MQTT в виде JSON-строки,
3. инициализация EEPROM, ввод настроек по умолчанию, прием⁷⁾ новых настроек⁸⁾ по MQTT и сохранение их в энергонезависимую память,
4. отправка диагностических и информационных текстовых сообщений в COM-порт и по MQTT,
5. автоматическая перезагрузка устройства при сбое в BSEC или BME, перезагрузка по сообщению MQTT⁹⁾,
6. автоматически отключающаяся по таймеру светодиодная индикация работы BME,
7. расчет времени бесперебойной работы устройства и передача вместе с данными датчика, передача силы сигнала Wi-Fi.

Пример JSON-строки с настройками, которые можно передавать в любом порядке и составе в топик barometer_XXXXXX/cmnd/SETTINGS:

{
  "server": "192.168.0.254",
  "port": 8888,
  "login": "NEW_LOGIN",
  "password": "NEW_PASSWORD",
  "frequency": 5, // В секундах!
  "offset": -1.1,
  "constant": 0.008
}

Команда для получения текущих настроек системы в топик barometer_XXXXXX/tele/STATE:

{ "print": true }

Команда для перезагрузки системы:

{ "reboot": true }

Далее данные можно архивировать и передавать в систему умного дома, например Apple Home через Homebridge, или в Интернет – на Народный Мониторинг.

Код в достаточной мере прокомментирован, поэтому добавить нечего. Если есть вопросы, вэлком в комментарии.

barometer-v1.3.1.ino

// Written by Nikolay Soloshin (nikolay@soloshin.su) for WeMos D1 mini Pro & BME680 @ 2022.06
 
/* Подключение библиотек */
#include <ESP8266WiFi.h> // v3.0.2 (ESP8266 Community)
#include <PubSubClient.h> // v2.8.0
#include <ArduinoJson.h> // v6.19.4
#include <EEPROM.h> // v3.0.2 (ESP8266 Community)
#include <bsec.h> // v1.6.1480
#include <uptime.h> // v1.0.0
 
/* Инвертирование значений*/
#define iHIGH LOW
#define iLOW HIGH
 
/* Пользовательские настройки */
 
// Настройки Wi-Fi
const char* wifi_ssid = "SSID";
const char* wifi_pwd =  "PASSWORD";
 
// Настройки MQTT
const char* mqtt_clientid = "bme680_XXXXXX";
 
// Настройки топиков MQTT
const char* mqtt_topic[] { // Местами менять нельзя!
  "barometer_XXXXXX/tele/SENSOR", // [0] Телеметрия датчиков
  "barometer_XXXXXX/tele/LWT", // [1] Last Will and Testament, передает "Online" при подключении MQTT
  "barometer_XXXXXX/tele/STATE", // [2] Передает текстовые сообщения статусов
  "barometer_XXXXXX/cmnd/SETTINGS" // [3] Принимает настройки в формате JSON
};
 
// Значения MQTT по умолчанию (default_*), если EEPROM не инициализирован
#define default_mqtt_server "192.168.0.1"
#define default_mqtt_port 1883
#define default_mqtt_login "LOGIN"
#define default_mqtt_pwd "PASSWORD"
 
// Частота публикации данных в MQTT по умолчанию (часы * минуты * секунды * 1000)
#define default_mqtt_pub_freq 5 * 60 * 1000 // Каждые 2 часа = 2 * 60 * 60 * 1000
 
// Корректировка показаний температуры в °C (по умолчанию)
#define default_bme_t_offset 0 // К примеру, -1.1, 0 или 1.15
 
// Константа для перевода Па в мм.р.с. (по умолчанию)
#define default_bme_mmHg 0.0075
 
// Назначение GPIO
#define bme_led D0 // Внешний светодиод
#define reset_pin D7 // Пин перезагрузки
#define status_led LED_BUILTIN
 
// Выключение светодиодов через некоторое время
const boolean leds_off = true; // false - не выключать
long leds_off_delay = 2 * 60 * 1000; // Через 2 минуты = 2 * 60 * 1000
 
/* Прочие нужные дела */
const char* sk_version = "v1.3.1 (sk4)"; // Версия скетча
 
// Структура данных для хранения настроек
struct Settings {
 
  // Переменные MQTT
  char mqtt_server[20];
  int mqtt_port;
  char mqtt_login[20];
  char mqtt_pwd[20];
 
  // Прочие переменные
  int mqtt_pub_freq;
  float bme_t_offset;
  float bme_mmHg;
} settings;
 
// Настройки EEPROM
#define memory_size 256 // Итоговый размер EEPROM с запасом
#define flag_position 0
#define struct_position flag_position + 1
#define init_flag 222 // Флаг инициализации, 0-254 на выбор
 
// Создание объектов
WiFiClient espClient;
PubSubClient MQTT( espClient );
Bsec iaqSensor;
 
// Объявление служебных переменных
String bme_output;
long lastReconnectAttempt;
unsigned long MQTT_timer;
boolean leds_off_status;
 
/* Настройка при запуске */
void setup() {
 
  // Стартовые значения при запуске
  digitalWrite( bme_led, LOW );
  digitalWrite( reset_pin, iLOW );
 
  // Инициализация GPIO
  pinMode( bme_led, OUTPUT );
  pinMode( status_led, OUTPUT );
  pinMode( reset_pin, OUTPUT );
 
  // Инициализация COM
  Serial.begin( 115200 );
  delay( 3000 );
  Serial.println( F( "Hi guys and girls!" ) );
 
  // Инициализация EEPROM и чтение данных
  EEPROM.begin( memory_size );
  if ( EEPROM.read( flag_position ) != init_flag ) {
    Serial.println( F( "EEPROM not initialized!" ) );
    EEPROM.write( flag_position, init_flag );
    Serial.println( F( "Writing default settings to EEPROM..." ) );
    settings = ( Settings ) {
      default_mqtt_server,
      default_mqtt_port,
      default_mqtt_login,
      default_mqtt_pwd,
      default_mqtt_pub_freq,
      default_bme_t_offset,
      default_bme_mmHg
    };
    EEPROM.put( struct_position, settings );
    EEPROM.commit();
    delay( 500 );
  }
  Serial.println( F( "Reading settings from EEPROM..." ) );
  EEPROM.get( struct_position, settings );
  EEPROM.end();
  printSettings( "serial" );
 
  // Инициализация Wi-Fi
  WiFi.begin( wifi_ssid, wifi_pwd );
  Serial.print( F( "Connecting to Wi-Fi" ) );
  while ( WiFi.status() != WL_CONNECTED ) {
    digitalWrite( status_led, iHIGH );
    delay( 250 );
    Serial.print( "." );
    digitalWrite( status_led, iLOW );
    delay( 250 );
  }
  Serial.print( F( "\nConnected to Wi-Fi: " ) );
  Serial.print( WiFi.SSID() );
  Serial.print( F( " (IP: " ) );
  Serial.print( WiFi.localIP() );
  Serial.println( F( ")!" ) );
  digitalWrite( status_led, iLOW );
 
  // Инициализация MQTT
  MQTT.setServer( settings.mqtt_server, settings.mqtt_port );
  MQTT.setCallback( MQTTcallback );
  while ( !MQTT.connected() ) {
    Serial.println( F( "Connecting to MQTT..." ) );
    if ( MQTT.connect( mqtt_clientid, settings.mqtt_login, settings.mqtt_pwd ) ) {
      Serial.println( F( "MQTT connected!" ) );
      MQTT.publish( mqtt_topic[2], "MQTT connected!" );
      digitalWrite( status_led, iHIGH );
    } else {
      digitalWrite( status_led, iHIGH );
      delay( 500 );
      Serial.print( F( "Failed with state " ) );
      Serial.println( MQTT.state() );
      digitalWrite( status_led, iLOW );
      delay( 500 );
    }
  }
 
  // Подписка и публикация начальных значений
  MQTT.subscribe( mqtt_topic[3] );
  MQTT.publish( mqtt_topic[1], "Online", true );
  printSettings( "mqtt" );
 
  // Инициализация BSEC
  Wire.begin();
  iaqSensor.begin( BME680_I2C_ADDR_PRIMARY, Wire );
  bme_output = "BSEC library version " + String( iaqSensor.version.major ) + "."
               + String( iaqSensor.version.minor ) + "." + String( iaqSensor.version.major_bugfix )
               + "." + String( iaqSensor.version.minor_bugfix );
  checkIaqSensorStatus();
  bsec_virtual_sensor_t sensorList[5] = {
    BSEC_OUTPUT_RAW_TEMPERATURE,
    BSEC_OUTPUT_RAW_PRESSURE,
    BSEC_OUTPUT_RAW_HUMIDITY,
    // BSEC_OUTPUT_RAW_GAS,
    // BSEC_OUTPUT_IAQ,
    // BSEC_OUTPUT_STATIC_IAQ,
    // BSEC_OUTPUT_CO2_EQUIVALENT,
    // BSEC_OUTPUT_BREATH_VOC_EQUIVALENT,
    BSEC_OUTPUT_SENSOR_HEAT_COMPENSATED_TEMPERATURE,
    BSEC_OUTPUT_SENSOR_HEAT_COMPENSATED_HUMIDITY,
  };
  iaqSensor.updateSubscription( sensorList, 5, BSEC_SAMPLE_RATE_LP );
  checkIaqSensorStatus();
 
  digitalWrite( bme_led, HIGH );
  bme_output += ", Sketch version " + String( sk_version ) +
                ". Loading complete! IP: " + WiFi.localIP().toString() + ".";
  Serial.println( bme_output );
  MQTT.publish( mqtt_topic[2], bme_output.c_str() );
}
 
/* Основной цикл */
void loop() {
  unsigned long now = millis();
 
  // Чтение данных с датчика BME680
  if ( iaqSensor.run() ) { // Есть новые данные (раз в 3 секунды)
    ;
  } else {
    checkIaqSensorStatus();
  }
 
  // Проверка соединения с брокером MQTT
  if ( !MQTT.connected() ) {
    if ( now - lastReconnectAttempt > 5000 ) {
      lastReconnectAttempt = now;
      MQTTErrorLED();
      Serial.println( F( "MQTT disconnected!" ) );
      if ( MQTTreconnect() ) {
        lastReconnectAttempt = 0;
        digitalWrite( status_led, iHIGH );
        Serial.println( F( "MQTT reconnected!" ) );
        MQTT.publish( mqtt_topic[2], "MQTT reconnected!" );
 
        // Сброс состояния выключения LED
        leds_off_status = false;
        leds_off_delay = now + 120000;
      }
    }
 
    // Публикация телеметрии датчика
  } else {
    if ( now - MQTT_timer > settings.mqtt_pub_freq ) {
      MQTT_timer = now;
 
      // Вычисление времени работы
      uptime::calculateUptime();
      char local_uptime[21];
      sprintf( local_uptime, "%dd%02d:%02d:%02d",
               uptime::getDays(),
               uptime::getHours(),
               uptime::getMinutes(),
               uptime::getSeconds()
             );
 
      // Сборка строки JSON
      StaticJsonDocument<128> message; // https://arduinojson.org/v6/assistant/
      message["pressure_st"] = round( ( iaqSensor.pressure * settings.bme_mmHg ) * 100 ) / 100.0;
      message["temperature"] = round( ( iaqSensor.temperature + settings.bme_t_offset ) * 100 ) / 100.0;
      message["humidity"] = round( ( iaqSensor.humidity ) * 100 ) / 100.0;
      message["pressure_raw"] = iaqSensor.pressure;
      message["uptime"] = local_uptime;
      message["rssi"] = WiFi.RSSI();
      char local_buffer[256];
      size_t n = serializeJson( message, local_buffer );
      Serial.println( F( "Publishing MQTT message..." ) );
      MQTT.publish( mqtt_topic[0], local_buffer, n );
    }
  }
 
  // Выключение светодиодов
  if ( leds_off && now > leds_off_delay && !leds_off_status ) {
    Serial.println( F( "Turning off LEDs by timeout!" ) );
    MQTT.publish( mqtt_topic[2], "Turning off LEDs by timeout!" );
    digitalWrite( status_led, iLOW );
    digitalWrite( bme_led, LOW );
    leds_off_status = true;
  }
 
  // Циклы библиотеки MQTT
  MQTT.loop();
}
 
// Функция MQTT для приема сообщений
void MQTTcallback( char* topic, byte* payload, unsigned int length ) {
  boolean local_flag = false;
  StaticJsonDocument<192> message; // https://arduinojson.org/v6/assistant/
  DeserializationError local_error = deserializeJson( message, payload, length );
  if ( local_error ) {
    Serial.print( F( "deserializeJson() failed: " ) );
    Serial.println( local_error.f_str() );
    MQTT.publish( mqtt_topic[2], local_error.c_str() );
    return;
  }
  if ( message.containsKey( "server" ) ) {
    strlcpy( settings.mqtt_server,
             message["server"].as<const char*>(),
             sizeof( settings.mqtt_server ) );
    local_flag = true;
  }
  if ( message.containsKey( "port" ) ) {
    settings.mqtt_port = message["port"];
    local_flag = true;
  }
  if ( message.containsKey( "login" ) ) {
    strlcpy( settings.mqtt_login,
             message["login"].as<const char*>(),
             sizeof( settings.mqtt_login ) );
    local_flag = true;
  }
  if ( message.containsKey( "password" ) ) {
    strlcpy( settings.mqtt_pwd,
             message["password"].as<const char*>(),
             sizeof( settings.mqtt_pwd ) );
    local_flag = true;
  }
  if ( message.containsKey( "frequency" ) ) { // В секундах!
    settings.mqtt_pub_freq = int( message["frequency"] ) * 1000;
    local_flag = true;
  }
  if ( message.containsKey( "offset" ) ) {
    settings.bme_t_offset = message["offset"];
    local_flag = true;
  }
  if ( message.containsKey( "constant" ) ) {
    settings.bme_mmHg = message["constant"];
    local_flag = true;
  }
  if ( local_flag ) {
    EEPROM.begin( memory_size );
    EEPROM.put( struct_position, settings );
    EEPROM.end(); // Фактическая запись данных
    Serial.println( F( "Saving new settings in EEPROM!" ) );
    MQTT.publish( mqtt_topic[2], "Saving new settings in EEPROM!" );
  }
  if ( message.containsKey( "print" ) && message["print"] ) printSettings( "both" );
  if ( message.containsKey( "reboot" ) && message["reboot"] ) {
    Serial.println( F( "Rebooting system by MQTT message!" ) );
    MQTT.publish( mqtt_topic[2], "Rebooting system by MQTT message!" );
    delay( 500 );
    digitalWrite( reset_pin, iHIGH );
    // https://www.instructables.com/two-ways-to-reset-arduino-in-software/
  }
}
 
/* Функция проверки BSEC и датчика BME680 */
void checkIaqSensorStatus( void ) {
  if ( iaqSensor.status != BSEC_OK ) {
    if ( iaqSensor.status < BSEC_OK ) {
      bme_output = "BSEC error code: " + String( iaqSensor.status );
      Serial.println( bme_output );
      MQTT.publish( mqtt_topic[2], bme_output.c_str() );
      for (;;)
        BMEcriticalError(); // Перезагрузка в случае сбоя
    } else {
      bme_output = "BSEC warning code: " + String( iaqSensor.status );
      Serial.println( bme_output );
      MQTT.publish( mqtt_topic[2], bme_output.c_str() );
    }
  }
  if ( iaqSensor.bme680Status != BME680_OK ) {
    if ( iaqSensor.bme680Status < BME680_OK ) {
      bme_output = "BME680 error code: " + String( iaqSensor.bme680Status );
      Serial.println( bme_output );
      MQTT.publish( mqtt_topic[2], bme_output.c_str() );
      for (;;)
        BMEcriticalError(); // Перезагрузка в случае сбоя
    } else {
      bme_output = "BME680 warning code: " + String( iaqSensor.bme680Status );
      Serial.println( bme_output );
      MQTT.publish( mqtt_topic[2], bme_output.c_str() );
    }
  }
}
 
/* Функция сигнализации о сбое BME или BSEC */
void BMEcriticalError( void ) {
  static boolean local_flag[2];
  static unsigned long local_timer[2];
  unsigned long local_now = millis();
 
  // Светодиодная индикация
  if ( local_now - local_timer[0] >= 100 ) {
    local_timer[0] = local_now;
    digitalWrite( bme_led, local_flag[0] );
    local_flag[0] = !local_flag[0];
  }
 
  // Взвод таймера перезагрузки
  if ( !local_flag[1] ) {
    local_flag[1] = !local_flag[1];
    local_timer[1] = local_now;
  }
 
  // Уведомление и перезагрузка по таймеру (5 мин)
  if ( local_now - local_timer[1] >= 300000 ) {
    Serial.println( F( "Rebooting by timer due to a critical BME error..." ) );
    MQTT.publish( mqtt_topic[2], "Rebooting by timer due to a critical BME error..." );
    delay( 500 );
    digitalWrite( reset_pin, iHIGH );
  }
 
  // Циклы библиотеки MQTT
  MQTT.loop();
}
 
/* Функция сигнализации о сбое Wi-Fi или MQTT */
void MQTTErrorLED ( void ) {
  boolean level = true;
  for ( byte i = 0; i < 6; i++ ) {
    digitalWrite( status_led, level );
    level = !level;
    delay( 100 );
  }
}
 
/* Функция переподключения MQTT */
boolean MQTTreconnect( void ) {
  if ( MQTT.connect( mqtt_clientid, settings.mqtt_login, settings.mqtt_pwd ) ) {
    MQTT.subscribe( mqtt_topic[3] );
    MQTT.publish( mqtt_topic[1], "Online", true );
  }
  return MQTT.connected();
}
 
/* Вывод настроек в COM и MQTT */
void printSettings( String variant ) {
  StaticJsonDocument<192> message; // https://arduinojson.org/v6/assistant/
  message["server"] = settings.mqtt_server;
  message["port"] = settings.mqtt_port;
  message["login"] = settings.mqtt_login;
  message["password"] = settings.mqtt_pwd;
  message["frequency"] = settings.mqtt_pub_freq;
  message["offset"] = round( ( settings.bme_t_offset ) * 100 ) / 100.0;
  message["constant"] = settings.bme_mmHg;
  char buffer[256];
  size_t n = serializeJson( message, buffer );
  if ( variant == "serial" || variant == "both" ) {
    Serial.print( F( "Current settings: " ) );
    Serial.println( buffer );
  }
  if (variant == "mqtt" || variant == "both" )
    MQTT.publish( mqtt_topic[2], buffer, n );
}
 
// With love from Vladivostok.

• Использование материалов данной базы знаний разрешено на условиях лицензии, указанной внизу каждой страницы! При использовании материалов активная гиперссылка на соответствующую страницу данной базы знаний обязательна!
• Автор не несет и не может нести какую либо ответственность за последствия использования материалов, размещенных в данной базе знаний. Все материалы предоставляются по принципу «как есть». Используйте их исключительно на свой страх и риск.
• Все высказывания, мысли или идеи автора, размещенные в материалах данной базе знаний, являются исключительно его личным субъективным мнением и могут не совпадать с мнением читателей!
• При размещении ссылок в данной базе знаний на интернет-страницы третьих лиц автор не несет ответственности за их техническую функциональность (особенно отсутствие вирусов) и содержание! При обнаружении таких ссылок, можно и желательно сообщить о них в комментариях к соответствующей статье.