Schülerlabor 2023 – Wetterstation mit ESP8266 & BME280

Wir bauen eine Wetterstation auf Basis eines ESP8266 Mikrocontrollers und eines BME280 Sensors.

Installation Micropython

Für unser Projekt müssen wir MicroPython auf dem Mikrocontroller installieren.

Die passende Version laden wir von der Seite micropython.org/download/ESP8266_GENERIC herunter. Auf der Kommandozeile geht dies mit dem Befehl

wget https://micropython.org/resources/firmware/ESP8266_GENERIC-20231005-v1.21.0.bin

Anschließend müssen wir diese Datei auf den Mikrocontroller flashen. Dies geht mit den Befehlen

esptool.py --port /dev/ttyUSB0 erase_flash
esptool.py --port /dev/ttyUSB0 write_flash --flash_size=detect 0 ESP8266_GENERIC-20231005-v1.21.0.bin

Auslesen der Sensorwerte

Um die Werte des BME280 Sensors auszulesen, müssen wir den Sensor

• mit Spannung versorgen ($3.3 V$ und Masse),
• ihn per I2C-Bus mit dem ESP8266 verbinden.

Die nötige Spannung von $3.3V$ erzeugt die D1-Mini Platine über einen auf der Platine aufgelöteten Spannungswandler (der ESP8266 benötigt ebenfalls eine Betriebsspannung von $3.3 V$, während USB $5 V$ verwendet). Die Verbindung per I2C erfolgt über die ESP-Pins GPIO5 (SCL) und GPIO4 (SDA). Um die Verwirrung größer zu machen, tragen diese ESP-Pins auf dem D1-Mini die Bezeichnungen D1 bzw. D2.

Die nötige Verschaltung ist daher wie folgt:

Programmablaufplan für das Auslesen der Sensorwerte

Unser Programm client.py soll

• sich nach dem Start mit dem WLAN verbinden (das benötigen wir später, um unsere Daten in die "Cloud" zu schreiben),
• den Sensor initialisieren, und dann
• regelmäßig alle 30 Sekunden die Sensordaten lesen und ausgeben.

Früher (zu Zeiten, als PCs noch so aussahen) hat man Programme über Programmablaufpläne nach DIN 66001 dokumentiert.

Aufgabe: Erstellt zu dem oben skizzierten Ablauf einen Programmablaufplan.

MQTT-Verbindung

Wir wollen die Daten nun "von außen" – also ohne USB-Verbindung zum ESP8266 Board – auslesen. Die Idee ist folgende:

1. Wir verbinden den ESP8266 mit dem Internet. Dazu verwenden wir die WLAN-Schnittstelle des ESP8266 und verwenden uns mit einem Access-Point.
2. Wenn wir eine Verbindung zum Internet haben, senden wir die Daten über das MQTT Protokoll an einen MQTT Broker. Für erste Tests verwenden wir dabei den öffentlichen Broker broker.hivemq.com.

Dafür benötigen wir zwei Dateien:

• Die Datei umqttsimple.py implementiert das MQTT-Protokoll,
• Die Datei client.py verbindet sich mit dem Broker und sendet testweise jede Sekunde eine Nachricht an den Broker.

Anzeige der Nachrichten

Zum Anzeigen der Nachrichten verwenden wir zunächst den MQTT Browser Client.