FastBond2阶段2-基于ESP32C3的向日葵追光太阳能气象站

内容介绍

项目介绍+设计思路

利用ESP32C3作为控制核心，设计了一个由两轴舵机云台带动的追光太阳能板，由太阳能板负责供电，可以长期部署在户外，向服务器反馈温度，湿度，是否下雨等遥测数据。

设计方向的市场介绍

由于项目使用的是太阳能供电，在装上透明防水外壳后，可以长期无人值守在野外恶劣条件下工作，有一定的实用价值。

方案原理图介绍

先介绍一下项目的功能框图：

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项目中使用到的核心主控是ESP32-C3，C3自带了WIFI和蓝牙，特别适用于这类物联网项目。

整个系统的供电由太阳能板负责，其中3.3V主控电压和通信电压由LDO降压得到。

追光平台由一个两轴舵机云台带动，光照方向的测量由四个光敏电阻完成。

气象站相关的传感器包括一个下雨传感器和一个I2C的温湿度传感器。我还额外引出了UART的引脚，可以用来拓展其他的传感器或通信模块，例如Lora等。

再来看看项目原理图设计：

FsUVSDTZSAaeUSzI7UE2n4pNXxoK

板子上核心部分是一块ESP32-C3-MINI模块，在模块周围进行了一些必要的引脚上拉配置，并添加了两个按键开关，方便选择启动模式。

与电脑的通信使用了ESP32-C3自带的USB转串口，这个USB接口仅可用作串口通信类使用，可以用来上传固件，以及串口调试。

剩余的部分都是拓展引脚。其中模拟传感器引脚增加了滤波电容以及上拉电阻。所有传感器类的外设都使用了3.3V电压，而舵机这边由于是功率器件，使用5V电压进行供电。

方案中可能用到的规定厂商元器件介绍

项目中的主控是ESP32-C3，这是一款由乐鑫科技（Espressif Systems）推出的低功耗Wi-Fi和蓝牙芯片，它是ESP32家族的最新成员。ESP32-C3采用了RISC-V架构的单核32位处理器，主频高达160 MHz。该芯片具有出色的性能和丰富的功能，适用于各种物联网（IoT）应用。

以下是ESP32-C3的主要特点和功能：

1，Wi-Fi和蓝牙：ESP32-C3集成了Wi-Fi 4（802.11b/g/n）和蓝牙5.0技术，可以实现无线连接和通信。它支持Wi-Fi站点（STA）模式、热点（AP）模式和Wi-Fi直连（Wi-Fi Direct）等功能，以及蓝牙低功耗（BLE）和经典蓝牙（BR/EDR）通信。

2，低功耗：ESP32-C3采用了优化的低功耗设计，在待机模式下功耗非常低。它支持多种省电模式，包括睡眠模式和深度睡眠模式，以延长电池寿命。

3，多种外设接口：ESP32-C3提供了丰富的外设接口，包括多个通用输入输出（GPIO）引脚、UART、I2C、SPI、PWM、ADC等，以便与其他设备进行连接和通信。

4，安全性：ESP32-C3支持硬件加密和安全引导功能，可以保护设备的数据和通信安全。它还提供了随机数生成器（RNG）和加密引擎等功能，用于加密算法和安全协议的实现。

PCB绘制与打板介绍

由于项目使用的光传感器并没有现成的可以买，因此光传感器也是自己绘制打板，一共绘制了两块PCB：

Ft0mCmF5qjfUG8Ag3CAsslp47rku FuHJnmjN49NRXWp5rlvMg2I5BfXI

由于光源方向传感器要尽可能避免光线反射带来的影响，因此我选用了黑色PCB。控制板颜色无所谓，选择自己喜欢的即可。

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主控板的焊接比较简单，贴片元件摆好后直接上铁板烧，烧完后再用烙铁焊一下针脚就可以。光传感器部分焊接稍微麻烦点，因为是立体的，需要先拼接好，固定好后，再上锡焊接。

Fls8LtT70WXdayZEHGRaBTvH3jV3 FpQz-63FxtNBu-pojeZ0OZyYlrn-

至此所有焊接工作完成，剩余传感器均使用的是成品，直接接上就可以用。

关键代码解释

项目代码是使用Micropython编写的，调试起来非常方便。

除了自带库外，使用了三个第三方库，一个用来发邮件，另外两个用来驱动外设。

import umail
import servo
import sht4x

代码分为两路循环，一路是负责光源追踪，实时读取传感器数据，并调整舵机云台角度。另一路是气象站，每间隔一段时间读取一下环境传感器数据，并通过邮件发送。其中第二路循环实现非常简单，调库即可。唯一需要注意的是在smtp发送邮件时，标题与正文之间需要一个额外的空行，没有这个空行的话无法正确识别正文。我在这里踩坑浪费了不少时间。

def email(_content):
    smtp = umail.SMTP(sender_stmp, sender_port, ssl=True)
    smtp.login(sender_email, sender_app_password)
    smtp.to(recipient_email)
    smtp.write("From:" + sender_name + "<"+ sender_email+">\n")
    smtp.write("Subject:" + email_subject + "\n")
    smtp.write("\n")
    smtp.write(_content)
    _code, _msg = smtp.send()
    print("Email Sent")
    print(_code)
    print(_msg)
    print("")
    smtp.quit()

最主要的核心功能就是光源追踪了，首先先对传感器数据进行采样。为了避免异常值，我进行了多次采样并取平均。随后利用采样到的数据计算出X方向和Y方向的光强差。

def sampling(adc):
    value = 0
    for i in range(sampling_num):
        value += adc.read_u16()
    result = value / sampling_num
    return result

def light():
    ulv = sampling(ul)
    urv = sampling(ur)
    blv = sampling(bl)
    brv = sampling(br)
#     print(f"Upper left : {ulv:.2f}")
#     print(f"Upper right : {urv:.2f}")
#     print(f"Bottom left : {blv:.2f}")
#     print(f"Bottom right : {brv:.2f}")
    print("")
    upper = (ulv + urv) / 2
    bottom = (blv + brv) / 2
    left = (ulv + blv) / 2
    right = (urv + brv) / 2
#     print(f"Upper : {upper:.2f}")
#     print(f"Bottom : {bottom:.2f}")
#     print(f"Left : {left:.2f}")
#     print(f"Right : {right:.2f}")
#     print("")
    diff_x = -(left - right)
    diff_y =  (upper - bottom)
#     print(f"Diff X : {diff_x:.2f}")
#     print(f"Diff Y : {diff_y:.2f}")
#     print("")
    return [diff_x, diff_y]

得到光强差后，就可以控制舵机像光强高的方向转动，直到两边光强差低于阈值。这里的单次调整步长可以用来设置转动的速度，为了演示效果明显我设置为了角度2，实际使用时由于太阳位置变化缓慢，使用us设定设置为1都是可以的，可以达到更加平稳的运行效果。在代码中X和Y舵机我分别使用角度和us两种不同的方法进行设定，可以方便大家参考。

def follow(diff):
    global x_deg
    global y_deg
    diff_x = diff[0]
    diff_y = diff[1]
    if diff_x > deadband:
        x_deg = x_deg + x_step
    if diff_x < -deadband:
        x_deg = x_deg - x_step
    if diff_y > deadband:
        y_deg = y_deg + y_step
    if diff_y < -deadband:
        y_deg = y_deg - y_step
    if x_deg > 90 + x_range/2:
        x_deg = 90 + x_range/2
    if x_deg < 90 - x_range/2:
        x_deg = 90 - x_range/2
    if y_deg > 1500 + y_range/2:
        y_deg = 1500 + y_range/2
    if y_deg < 1500 - y_range/2:
        y_deg = 1500 - y_range/2
#     print(f"Degree X : {x_deg:.0f}")
#     print(f"Degree Y : {y_deg:.0f}")
#     print("")
    servo_x.write(x_deg)
    servo_y.write_us(y_deg)

比较重要的部分就这些，完整项目代码大家可以自行去附件里下载。

功能展示

整个气象站加上太阳能板后重量较重，为了可以平稳放置，我用了个玻璃饭盒做底座。

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额外添加了两个环境传感器，一个是雨滴传感器，通过GPIO连接。另一个是温湿度传感器，通过I2C连接。

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光源传感器安装位置不重要，但是一定要和太阳能板平行，并且与太阳能板相对静止。

FjTRoOBz1k1vn1iXr3688i3qb0bX

太阳能得到的5V电并不能直接供给单片机使用，这里还需要一个电源管理模块，这个电源管理模块还需要附带锂电池充放电路，以实现24小时不间断运行。我把模块直接贴在了太阳能板的后面。

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光源追踪功能的示范无法在室外进行，因为我手中的人造光源完全打不过太阳光，室外环境太亮。因此太阳能供电部分展示和其他功能展示必须得分开进行。在这里我们测试一下户外太阳能板所能提供的电流，可以看到高达500mA，一整天的照射完全可以充满自带的锂电池，并维持工作所需电流。

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接着我们回到室内，我们可以展示一下其他的功能。具体展示可以参考视频开头部分。

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对本大赛的心得体会

项目已经做完，但其实还有很多不完善的地方。比如这么杂乱的线，做原型可以，如果是成品的话需要再做一块接口板来整合接线。再比如主控，舵机部分需要在确保散热的前提下尽可能密封，保证工作稳定；而温湿度传感器需要和外部空气接触，但不能淋雨；而雨滴传感器需要彻底暴露。这就对外壳的设计带来的一定的要求。但不管怎么说，利用这次活动，让我接触到了一些平时没有机会认识的新工具，我觉得非常有意义。希望电子森林也能将这类活动坚持办下去，祝愿活动越办越好！