Version du 17 juin 2017 à 18:31

Projet IMA3-SC 2016/2017 : Station Météo

Description du système

Notre projet est de mettre en place une station météorologique permettant de connaître :

• la température
• la pression
• l'humidité de l'air
• la vitesse du vent
• la luminosité extérieur

Les données de cette station météo seront visible par toute personne se connectant à une application web.

Cahier des charges

• La station permettra de prendre des mesures chaque heure de manière automatique, mais il devra être possible d'utiliser une interface web afin de prendre des mesures de manière manuelle.
• L'utilisateur pourra accéder à la base de donnée de la station à partir du site web et visualiser les variations des données (température, vitesse du vent, ...) en fonction du temps ou encore d'afficher toutes les données disponibles pour un jour donné.
• La page d'accueil du site doit permettre la visualisation du temps qu'il fait (clair, grisâtre, pluvieux) et de la température actuelle. L'accès aux données enregistrées se fera via un champ de recherche situé plus bas sur la page.

Le capteur température-humidité-pression sera relié à une carte arduino Uno. L'anémomètre ainsi que le capteur de luminosité seront reliés directement à un FPGA. L'arduino sera elle aussi reliée au FPGA. En effet le capteurs mesurant la température, la pression et l'humidité de l'air communique par protocole SPI avec le microcontrôleur auquel il est relié. C'est pourquoi l'arduino, qui peut communiquer par SPI, fera office d'interface entre le capteur et le FPGA. La connexion entre le FPGA et la Raspberry Pi se fera par liaison série filaire. Il sera peut-être possible de remplacer, par la suite, la liaison filaire par une liaison sans-fil à l'aide de modules Xbee.

Le matériel

• 1 Raspberry Pi
• 1 Arduino Uno
• 1 Shield Xbee (pour l'arduino)
• 1 adaptateur Xbee-USB (pour la raspberry)
• 1 XBee T et R
• 1 Capteur température, pression et humidité (BME280)
• 1 Anémomètre fabriqué avec 4 émetteurs/récepteurs ultrason (HC-SR04)
• 1 capteur de luminosité (GA1A1S202WP)

Git du projet

Archive du projet

L'archive du projet contient tous les codes sources. Se trouvant dans le dossier /appWeb :

• index.html, page sur laquelle seront affichée les données.

/appWeb/js

• script.js, le script javascript qui gère la communication entre la page et le serveurs.

/prog

• main.c, le script principale C qui gère la communication entre les capteurs et l'application Web.

/code arduino

• serialArduino/, dossier contenant le programme arduino permettant de récupérer les données du capteur BME280, qui les envoient par liaison série à la carte Arduino. Pour l'instant le Xbee n'est pas pris en charge
• Plusieurs dossier contenant la librairie du capteur BME280, les test du port série, de la communication série par Xbee, etc...

Réalisation

Partie informatique

L'application web

aperçu de l'application web connectée au serveur websockets

L'application web consiste en une page web codé en HTML. La partie dynamique de la page est codée en JavaScript avec l'aide de la bibliothèque Jquery.

La page web contient :
- Un indicateur permettant d'informer l'utilisateur de l'état de la connexion au serveur websockets
- Un tableau présentant les relevé météo des capteurs
- Un bouton permettant de rafraîchir les données

L'indicateur permet de savoir si l'application est connectée au serveur Websockets, celui-ci se met en rouge si la connexion est absente ou si il y a un problème. Le tableau affiche des valeurs entières. Ces valeurs n'ont donc qu'un cardinal restreint de 256 valeurs. Ceci constitue une limite principale de notre système, la précision.

Le bouton qui permet de rafraîchir les données est appelle lors du clique, une fonction javascript chargé d'envoyer un signal "GET" au serveur websocket. Le programme codé en C, envoie alors les données sous forme de 3 octets. Ces 3 octets représentent dans l'ordre, la pression, la température et l’humidité.

Pour gérer les octets de donnée, nous avons utilisé un tableau typé javascript de type Uint8ClampedArray. Toute donnée de ce tableau est de taille 8 bits et sa valeur est un entier non-signé.

Cette structure est très pratique dans notre cas puisque elle permet à la fois de formater la requête "GET" pour l'envoi au serveur websocket mais aussi les donnée reçu du serveur websocket, pour la lecture. La communication entre le site et le serveur se fait par envoi et réception d'une suite d'octets.

Dans le cas de l'émission, chaque lettre du mot "GET" sont converties en un octet. Ces octets sont mis bout à bout en utilisant un tableau typé. Il suffit juste d'envoyer le buffer de données du tableau en argument à la fonction send(), qui envoie les donnée au serveur.

Dans le cas de la réception, le serveur envoie les octets les uns à la suite des autres. L'application web les récupères sous forme d'un buffer. On crée un autre tableau typé à partir de ce buffer, il "découpe" la chaîne d'octet ce qui permet de les différencier et facilite leurs traitement. Enfin on affiche ces octets dans les bonnes cases du tableau.

Étant donné que les valeurs échangée ne vont que de 0 à 255, il a fallut effectuer quelques conversions. La pression moyenne au niveau de la mer vaut généralement 1013 hPa. Les relevé météo n'ont jamais relevé de pression en dessous de 845 hPa ni au dessus de 1100 hPa. Partant de ce principe, la valeur affichée sur le site ne sortira jamais de cette intervalle de taille 255.

Pour la température, l'intervalle va de -128 à +127 degré.

La mesure de l'humidité ne pose aucun problème puisqu'elle s'effectue en pourcent.

Ces conversions s'effectue avant l'affichage, par le script javascript.

Le côté serveur (Raspberry Pi)

Aperçu de la réponse du serveur websocket quand il a reçu une requête de l'application web

Partie electronique

Le montage électrique final est en 2 partie, la partie Arduino et la partie FPGA. Le montage Arduino est composé de la partie capteurs et la partie réception constitué d'un module Xbee fixé à un shield, relié à la Raspberry Pi. Nous utilisons une liaison sans-fil Xbee pour récupérer les données des capteurs. Les Xbee sont des modules échangeant des données par communication série.

Voici la 1ere partie, la partie sensorielle :

Partie émetteur du montage Arduino

Voici la 2e partie, la réception surla Raspberry Pi

Partie récepteur du montage Arduino

La 2e partie, programmé par FPGA, est l'anémomètre. Ce circuit composé de 2 capteurs ultrasons, permet de détecter la vitesse du vent. Le principe est simple. Le vent est un déplacement de particules qui constituent l'air. Le son est le déplacement d'une onde mécanique dans l'air. Si les particules sont en mouvement pendant le déplacement de l'onde mécanique, alors la vitesse de cette onde est modifiée. Le premier capteur émet une impulsion, au même moment, on déclenche un chronomètre. Ce chronomètre s'arrête quand le second capteur reçoit l'impulsion. Il suffit de mesurer la vitesse de l'impulsion. En effectuant sa différence avec la vitesse d'une onde mécanique dans l'air quand les particules sont immobiles, on obtient la vitesse du vent.

Montage de l'anémomètre, ce montage permet de détecter la vitesse du vent dans une direction (au sens vectoriel)

Séance 1

Partie électronique

Lors de cette première séance, nous avons pu récupérer et nous informer sur les capteurs BME280 et GA1A1S202WP. Après avoir regardé les documentations de ces deux capteurs, nous avons téléchargé la librairie permettant de faire fonctionner le capteur BME280 (https://github.com/adafruit/Adafruit_BME280_Library).

Capteur Adafruit BME280. Mesure la pression, la température et l'humiditée

Une fois câblé comme il le fallait, nous avons donc d'abord testé le capteur BME280 et écrit un petit script Arduino qui affichait donc la température, la pression et l'humidité. Puis nous avons branché le capteur de luminosité (GA1A1S202WP) seul à l'arduino, et lancé un nouveau script qui affichait alors la luminosité en Lux de l'objet vers lequel on pointait le capteur. On a ainsi pu constaté une grande différence entre un ciel nuageux, le soleil, et la luminosité de la pièce. Ces observation permettront à l'application web de déduire si le temps est clair ou nuageux uniquement grâce aux relevés du luxmètre.

Capteur Adafruit GA1A12S202, mesure la lumière

Partie informatique

Nous avons effectué les test des capteurs BME280 et luxmètres sur une carte programmable Arduino Uno. Ces test nous ont permis de bien comprendre le fonctionnement de ces 2 capteurs. Les données du capteur de luminosité se lisent très facilement sur un port analogique. NOTE:Nous aurions pu le faire fonctionner par FPGA à l'aide d'un convertisseurs analogique numérique.

Le capteur BME280, contrôlé par une puce, communique par protocole I2C ou SPI, nous devons donc utiliser une carte Arduino pour extraire les données du capteurs, du flot d'information envoyé par la puce. De plus, les données des capteurs sont envoyées à la carte arduino, uniquement si une demande de transfert a été envoyé à la puce du capteur. Le programme qui permet de lire les valeurs est donc complexe. Nous utilisons donc les bilbiothèques Adafruit_Sensor.h et Adafruit_BME280.h pour nous faciliter le travail.

Séance 2

Partie électronique

Dans le but de faire notre anémomètre, nous avons commencé à faire un montage avec deux capteurs HC-SR04 : nous devons en placer un face à l'autre, le premier captant les ultrasons du second. En effet, si on sait que v = d/t où v est une vitesse, d une distance et t un temps, le temps mis par les ultrasons pour aller d'un point A vers un point B en étant portés par un vent allant à une vitesse v est : tab = d/(v+c) où c est la vitesse du son. Dans l'autre sens, on obtient tba = d/(c-v) puisque le vent s'oppose à la propagation du son dans ce cas.

Partie informatique

Initialisation et appairage des 2 modules Xbee. Ces modules servent à rendre sans-fil la connexion entre les capteurs et la Raspberry Pi sur laquelle se trouve le serveur websocket et l'application web. Ce choix est motivé par notre volonté d'avoir une station météo réaliste et portable. Ainsi des mesures peuvent être prise n'importe où. Des difficultés de configuration ont rendu la réalisation de la tâche, très longue.

Préparation du serveur websocket. Nous utilisons un ordinateur Raspberry Pi comme "cerveau" de notre station météo. Elle se chargera de récupérer les données des capteurs et de les afficher sur l'application web. Nous avons modifié les différents fichiers de configuration. Nous avons notamment modifié les paramètres IP de la carte pour qu'elle soit accessible depuis les ordinateurs de Polytech. L'IP attribuée pour notre carte sera 172.26.79.15

Séance 3

Partie électronique

Partie informatique

Séance supplémentaire 1

Partie électronique

Partie informatique

Conclusion