Come costruire una stazione meteo con Arduino

La Geologia ha un’importante influenza in ambito meteo-climatico. Ad esempio la conformazione del territorio, le montagne, la posizione e dimensione dei continenti, hanno un peso nell’evoluzione delle masse d’aria, sia a livello sinottico che micro-climatico.

In ambito geologico vi sono inoltre anche fenomeni improvvisi ed intensi, che possono avere un’influenza shock sul meteo e sul clima. Pensa ai vulcani: il 1816 viene ricordato come ” l’anno senza estate” dato fu un anno caratterizzato da una importante variazione del clima estivo, la quale ha provocato gravi danni all’agricoltura.

L’anno senza estate fu dovuto all’eruzione del vulcano Tambora, nell’isola di Sumbawa ( Indonesia), avvenuta dal 5 al 15 aprile 1815.
Questa eruzione immesse in atmosfera enormi quantità di ceneri, abbassando la temperatura media dell’aria, in quanto la luce solare faticava ad attraversare la nube cinerea.

Il Tambora, o Tomboro, è uno stratovulcano che si formato in seguito alla subduzione della Placca australiana al di sotto della Placca della Sonda.
La sua devastante eruzione del 1815 è una delle poche VEI-7 (Volcanic Explosivity Index – Indice di Esplosività Vulcanica) a memoria storica.

Ma anche le condizioni meteo influenzano in modo determinante la geologia e i suoi fenomeni. Pensiamo agli eventi pluviometrici estremi – cause di frane e smottamenti – oppure ai repentini sbalzi di temperatura che degradano le rocce e materiali litodi dei monumenti del nostro patrimonio culturale. La presenza di una stazione meteo in una zona interessata da debris flows può essere molto utile per conosce in maniera dettagliata le condizioni meteo che hanno fatto innescare le colate di detrito.

In questo post vedremo come costruire, spendendo poche decine d’euro, una piccola stazione meteo con Arduino – per registrare temperatura, umidità e pressione atmosferica – elenchiamo i componenti necessari alla sua costruzione e i codici per far funzionare tutto. Per la costruzione della stazione meteo vengono usati due metodi: nel primo metodo la restituzione e visualizzazione dei dati si basa sulla registrazione dei dati su una scheda SD ed elaborazione, con Python, di questi dati. Nel secondo metodo i dati vengono trasmessi, grazie ad un modulo wifi, su ThingSpeak dove vengono plottati real-time su dei grafici. Bene, rimbocchiamoci le maniche e procediamo!

Che cosa è Arduino

Secondo il sito ufficiale Arduino é : “una piattaforma elettronica open source basata su hardware e software facili da usare”. Anche se le schede Arduino sono molto piccole ed economiche, esse sono estremamente versatili.

Le schede Arduino si possono usare per controllare le luci di casa, far funzionare un robot, lanciare un razzo amatoriale, realizzare complessi strumenti scientifici e mille altre cose. Essenzialmente una scheda Arduino è un elaboratore che legge un input e restituisce un output; ognuno di noi può programmarlo usano l’Arduino Programing Language e l’Arduino Software (IDE).

La piattaforma Arduino è stata ideata e sviluppata in data 2003 da alcuni membri dell’Interaction Design Institute di Ivrea (il nome della piattaforma deriva da quello del bar di Ivrea frequentato dai fondatori del progetto, nome che richiama a sua volta quello di Arduino d’Ivrea, Re d’Italia nel 1002.).

I progetti sviluppati con Arduino hanno trovato posto nella casa di hobbisti, negli studi di professionisti e in molte scuole, dove Arduino può diventare una grande risorsa didattica.

Il software e l’hardware di Arduino sono distribuiti con licenza copyleft, anche se il nome e il logo sono registrati, quindi terzi ne possono usufruire gratuitamente per creare prodotti propri.

I componenti necessari

I componenti necessari, con i relativi link Amazon, per costruire la nostra stazione meteo sono i seguenti:

• Scheda Elegoo Uno (LINK AMAZON);
• Sensore DHT22, per misurare temperatura e umidità (LINK AMAZON);
• Sensore BMP180, per registrare la pressione atmosferica (LINK AMAZON);
• Modulo SD writer/reader (LINK AMAZON);
• Modulo wifi eps8266-esp01 (LINK AMAZON);
• Breadboard (LINK AMAZON);
• Cavetti maschio – maschio e maschio – femmina (LINK AMAZON);
• Scheda micro SD (LINK AMAZON)

Degli strumenti utili per la stazione meteo sono il saldatore a stagno, per saldare i pin del sensore BMP180, e l’adattatore per collegare la stazione meteo alla corrente elettrica.

Saldatore a Stagno Kit 80W LCD Temperatura Regolabile 180-520℃ Stagnatore Elettrico 13 in1 Interruttore ON/OFF con 5 Punte di Saldatura, Filo per Saldatura, Pompa Dissaldante

• 【Riscaldamento Rapido di 15 Secondi】Il saldatore adotta un nucleo riscaldante in ceramica ad alta potenza da 80W, che si riscalda in 15 secondi. Rispetto alla maggior parte dei saldatori elettrici da 60W sul mercato, la temperatura aumenta più velocemente, la temperatura è più stabile e la durata è più lunga. Ideale per riparazioni elettriche in aule, scuole, officine, officine, riparazioni a casa e in ufficio
• 【Temperatura Regolabile】Controllo accurato della temperatura di 5℃ e ampio display LCD, puoi regolare con precisione la temperatura nell'intervallo 180℃-520℃ (356 ℉ -968 ℉) tramite i pulsanti +/-. Sul cavo di alimentazione è presente un interruttore ON/OFF per garantire una saldatura sicura
• 【Manico antiscivolo e più sicuro】Kit saldatura stagno ha superato la certificazione CE, ROHS, puoi usarlo con sicurezza. L'impugnatura del saldatore della pistola in materiale siliconico di alta qualità può ammorbidire le alte temperature. Il materiale è antiscivolo e resistente al calore, anche quando si utilizza il dispositivo alla massima temperatura questo non è un problema
• 【Kit Saldatore 13 In 1】1 x saldatore a temperatura visibile regolabile (Spina EU), 5 x punte di ricambio per saldatore, 1x filo per saldatura 23g, 1 x pompa per dissaldatura, 1x supporto con spugna per pulizia, 1 x spelafili, 1 x pinzette antistatiche e 1x PU borsa portatile per soddisfare tutti i tuoi progetti di saldatura esigenze
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Prima di procedere con l’esposizione dei due metodi con i quali si può costruire la stazione meteo, voglio spendere due parole sulla pressione atmosferica e sul funzionamento del sensore BMP180.

Che cosa è la pressione barometrica

La pressione barometrica (nota anche come pressione atmosferica), è la pressione causata dal peso dell’aria che preme sulla Terra. Immagina una colonna d’aria che sale dalla superficie terrestre fino alla cima dell’atmosfera. L’aria nell’atmosfera ha una massa, quindi la gravità fa sì che il peso di quella colonna eserciti una pressione sulla superficie.

La pressione creata da una colonna d’aria di 1 × 1 pollice che raggiunge la cima dell’atmosfera è definita come un’atmosfera (atm) di pressione. Questa colonna d’aria pesa 14,7 libbre, motivo per cui un atm equivale a 14,7 libbre per pollice quadrato (psi).

L’unità SI per la pressione è la Pascal (Pa). Un Pascal è definito come un Newton di forza per metro quadrato. Il BMP180 genera letture di pressione in Pascal, ma vengono convertiti in hectoPascals (hPa) dalla libreria software che useremo.

Le variazioni della pressione barometrica possono essere utilizzate per prevedere il tempo. 

Una caduta di pressione barometrica è causata da una massa d’aria che sale dalla superficie terrestre. Il vuoto creato dalla massa d’aria in aumento forma un’area a bassa pressione sulla superficie. Man mano che la massa d’aria aumenta di quota, si raffredda e si comprime. Questo condensa il vapore acqueo nell’aria, formando nuvole di pioggia. Di solito porta anche vento, perché l’aria circostante sulla superficie scorre nell’area di bassa pressione.

Una crescente pressione barometrica è causata da una massa d’aria nell’atmosfera superiore che cade sulla Terra. Il peso della massa in caduta preme sulla superficie, aumentando la pressione dell’aria sotto di essa. La massa d’aria si riscalda e si espande man mano che si avvicina alla superficie. L’aria calda in espansione è generalmente a bassa umidità, il che impedisce la formazione di nuvole. Le crescenti pressioni barometriche di solito indicano che sta arrivando un clima caldo e soleggiato.

Il sensore BMP180

Il BMP180 è un sensore piezoresistivo che rileva la pressione. I sensori piezoresistivi sono costituiti da un materiale semiconduttore (solitamente silicio) che cambia resistenza quando viene applicata una forza meccanica come la pressione atmosferica.

Il BMP180 misura sia la pressione che la temperatura, poiché la temperatura modifica la densità dei gas come l’aria. A temperature più elevate, l’aria non è così densa e pesante, quindi applica meno pressione sul sensore. A temperature più basse, l’aria è più densa e pesa di più, quindi esercita una maggiore pressione sul sensore. Il sensore utilizza misurazioni della temperatura in tempo reale per compensare le letture della pressione per le variazioni della densità dell’aria.

Il BMP180 emette un valore di temperatura non compensato (UT) e un valore di pressione non compensato (UP). La misura della temperatura viene eseguita per prima, seguita da una misurazione della pressione.  Il BMP180 ha una EEPROM a 176 bit che contiene 11 diversi coefficienti di calibrazione unici per ciascun sensore. Questi, insieme a UP e UT, vengono utilizzati per calcolare la pressione e la temperatura barometriche reali. 

La pressione e la temperatura effettive vengono calcolate utilizzando algoritmi abbastanza complessi che vengono calcolati dalla libreria SFE_BMP180.

Stazione meteo con modulo SD Writer/Reader

I collegamenti della stazione meteo

Il codice Arduino

Una volta fatti i collegamenti, passiamo alla programmazione della stazione meteo.

Innanzitutto dobbiamo scaricare l’IDE di Arduino (clicca qui) ed installarlo.

Fatto questo installiamo le librerie necessarie per far funzionare i sensori: SFE_BMP180, DHT.h e SD.h. La libreria SFE_BMP180 serve per il barometro ed è scaricaricabile da qui. Per installarla si deve aprire l’Arduino IDE e andare a Sketch > Include Library > Add Library e quindi caricare il file zip scaricato.

Bene, hai fatto questi procedimenti? Cliccando qui troverai il codice per far funzionare la stazione meteo: copialo in un nuovo file, salvalo e caricalo nella scheda!

Nella riga 13 viene definita l’altitudine, in metri, alla quale si trova la stazione: ricordati di cambiarla con la tua!

Acquisiti un pò di dati, possiamo estrarre la scheda SD in modo da visualizzarli con Python.

Il codice Python

Arrivato a questo punto scriviamo uno script Python per disegnare i nostri grafici. Se clicchi qui trovi lo script già pronto ( facile vero? 🙂 ).

Il risultato dato da questo script è questo:

Sei digiuno di Python e vuoi acquisire nozioni su questo potente linguaggio di programmazione? Ti consiglio il corso “Python 3.8 Guida Completa: da Principiante a Esperto” (LINK) presente su Udemy. Sicuramente saper usare questo linguaggio di programmazione e le sue librerie è molto utile, anche perchè possiamo creare degli scripts per le nostre analisi invece che comprare software propietari.

Stazione meteo con modulo Wi-Fi

Per costruire la stazione meteo con questo secondo metodo, invece del modulo SD Writer/Reader, viene usato il modulo WiFi ESP-01 eps8266 per inviare i dati su ThingSpeak.

Visualizzazione on-line dei dati

Prima di presentarti il codice da caricare sulla scheda, vediamo come visualizzare on-line i dati servendoci di ThingSpeak.

Secondo quanto dicono i suoi sviluppatori: “ThingSpeak è una applicazione IoT open-source e API per arhiviare e recuperare dati dalle cose usando i protocolli https e mqtt su internet o una rete locale.”

ThingSpeak ha integrato il supporto del software di calcolo numerico MATLAB (Mathworks) consentendo agli utenti di ThingSpeak di analizzare e visualizzare i dati caricati utilizzando Matlab senza richiedere l’acquisto di una licenza Matlab da Mathworks.

Colleghiamoci al sito www.thingspeak.com e creiamo, con pochi clicks, un account free. Entriamo nel nostro account generiamo un nuovo canale, nel quale aggiungiamo (cliccando su Channel settings) 3 fields: Temperature, Humidity e Pressure. Aggiungiamo anche il nome del canale.

Scrollando in basso la pagina delle impostazioni troviamo anche l’opzione per inserire l’ubicazione della nostra stazione: basta spuntare “Show Channel Locations” ed inserire latitudine e longitudine. Fatto questo non ci resta che salvare le impostazioni cliccando su “Save Channel”.

Adesso dobbiamo prestare attenzione alla Write API Key e al ThingSpeak ip :la prima la troviamo nella scheda “API Keys” del nostro canale mentre il secondo è 184.106.153.149. Questi due parametri ci serviranno per il codice che va caricato sulla scheda.

Il codice Arduino

Il codice per far funzionare la stazione meteo lo ottieni cliccando qui! Ti basta copiare ed incollare il codice in un nuovo file e seguire le istruzioni che ti indico adesso.

Nella riga 10 del nostro codice si deve inserire l’altitudine, espressa in metri, alla quale si trova la stazione, nella riga 19 devi inserire il nome della rete Wi-Fi a cui vuoi connetterti, nella riga 20 la password della stessa rete mentre nella riga 22 la Write API Key.

Con il comando espresso in riga 108 c’è indicato il tempo con cui i dati vengono inviati a ThingSpeak. Nelle schede Arduino il tempo è impostato in millisecondi, motivo per cui nel nostro codice – che invia i dati ogni minuto – fra le parentesi c’è 60000.

A questo punto possiamo caricare il codice sulla scheda, ma dobbiamo fare attenzione: prima di procedere devi togliere i cavi da TX e RX, caricare il codice e poi rimettere i cavi in TX e RX.

Siamo alla fine, la stazione meteo è pronta! Se vuoi consultare i dati acquisiti dalla mia stazione, clicca su questo link: https://thingspeak.com/channels/954764 .

Se avete dei suggerimenti, o se qualcosa nel post non è chiaro, potete contattarmi commentando questo post, tramite e-mail e attraverso i canali social di IntraGeo.