這個(gè)項(xiàng)目是我早期?氣象站?項(xiàng)目的延續(xù)。它在網(wǎng)絡(luò)上非常流行，全球各地的人們都通過關(guān)注它并提供有價(jià)值的反饋來改進(jìn)它。考慮到我早期項(xiàng)目的評論和問答部分，我決定制作這個(gè)新版本的氣象站。我還為這個(gè)項(xiàng)目制作了一個(gè)定制的 PCB，所以任何對電子電路知之甚少的人都可以制作這個(gè)項(xiàng)目。我的 V-2.0 PCB 也可用于 Arduino 平臺中的許多應(yīng)用。以下是新氣象站的顯著特點(diǎn)。

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特征：

1.連接Wi-Fi，將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)（Blynk App和Thingspeak）

2.監(jiān)測天氣參數(shù)，如溫度、壓力、濕度、海拔和紫外線水平等。

3. 額外端口以添加更多傳感器

4. 遠(yuǎn)程電池狀態(tài)監(jiān)測

5. 使用強(qiáng)大的鋰離子電池（3400 mAh）和太陽能電池板（1W）

6. 獨(dú)立于外部電源

7.可安裝在偏遠(yuǎn)地點(diǎn)或地理上具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中

8.太陽能供電，是一種環(huán)保設(shè)備。

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購買電路板：

您可以從PCBWay購買單個(gè)套件中的 PCB 和所有組件?

注意：套件中不包含電池和 3D 打印外殼

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使用的組件：

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1. Wemos D1 Mini Pro（Banggood ?/?亞馬遜?）

2. TP 4056 充電板（?亞馬遜?）

3. BME 280 傳感器（?亞馬遜?/? Bangood ?）

4. BMP280（?邦古德?/?亞馬遜?）

5. DS18B20 傳感器（?亞馬遜?）

6.開關(guān)（亞馬遜）

7.螺絲端子（? Banggood）

8. PCB 支架（?亞馬遜?）

9. 18650電池（?亞馬遜）

10.18650 電池座（? Banggood ?/?亞馬遜）

11.太陽能電池板（?邦古德?）

12. 直頭針（?亞馬遜?）

13. 22 AWG 線（?亞馬遜?）

14.超級膠水（?亞馬遜?）

15. 3D打印燈絲-PLA（? GearBest ?）

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?電源

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我的計(jì)劃是將氣象站部署在偏遠(yuǎn)的地方（我的農(nóng)舍）。要連續(xù)運(yùn)行氣象站，必須有持續(xù)的電源，否則系統(tǒng)將無法工作。為電路提供持續(xù)供電的最佳方式是使用電池。但是幾天后電池電量就會耗盡，去那里充電是一項(xiàng)非常困難的工作。因此，提出了一種太陽能充電電路，讓用戶可以從太陽中釋放能量來為電池充電并為 Wemos 板供電。我使用的是 18650 鋰離子電池。

電池通過 TP4056 充電模塊從太陽能電池板充電。TP4056模塊自帶電池保護(hù)芯片或不帶保護(hù)芯片。我建議購買一個(gè)包含電池保護(hù)芯片的模塊。

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通過 BMP/E280 監(jiān)測溫度和濕度

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在早期，環(huán)境溫度、濕度和氣壓等天氣參數(shù)是使用單獨(dú)的模擬儀器測量的：溫度計(jì)、濕度計(jì)和氣壓計(jì)。但今天市場上充斥著廉價(jià)而高效的數(shù)字傳感器，可用于測量各種環(huán)境參數(shù)。最好的例子是 DHT11、DHT 22、BMP180、BMP/E280 等傳感器。

在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將使用 BMP280 / BME280 傳感器。

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BMP 280：

BMP280 是一款精密傳感器，可以非常準(zhǔn)確地測量氣壓和溫度，并具有合理的精度。BME280 是博世的下一代傳感器，是 BMP085/BMP180/BMP183 的升級產(chǎn)品 - 具有 0.25m 的低海拔噪聲和相同的快速轉(zhuǎn)換時(shí)間。該傳感器的優(yōu)勢在于它可以使用 I2C 或 SPI 與微控制器通信。為了簡單方便的接線，我建議購買I2C版板。

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BME280：

新型 BME280 傳感器，一種具有溫度、氣壓和濕度的環(huán)境傳感器。BME280 是博世的下一代傳感器，是 BMP280 的升級版。博世的這款精密傳感器是最佳的低成本傳感解決方案，用于測量精度為 ±3% 的濕度、絕對精度為 ±1 hPa 的氣壓以及精度為 ±1.0°C 的溫度。它可用于 I2C 和 SPI。

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注意：? BME280 可以測量濕度，但 BMP280 不能。在市場上，BMP280 也有 BME280 的名稱。所以要確定是BMP280還是BME280。

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用于更多傳感器的附加端口

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氣象站 V2.0 板有 5 個(gè)額外的端口來連接更多的氣象傳感器。以下附加傳感器可以輕松連接：

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1. GY-1145傳感器：?用于測量紫外線指數(shù)

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SI1145 是一款帶有校準(zhǔn)的紫外線傳感元件的傳感器，可以計(jì)算紫外線指數(shù)。它可以通過 I2C 通信（地址 0x60）進(jìn)行通信。您可以將此傳感器連接到板上的 I2C 端口，該端口位于電源開關(guān)的一側(cè)。

您可以閱讀?本文?以了解有關(guān)此傳感器的更多信息。

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2. HDC1080：?用于測量溫度和濕度

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HDC1080 是一款帶有集成溫度傳感器的數(shù)字濕度傳感器，可在極低功耗下提供出色的測量精度。它還可以通過 I2C 通信進(jìn)行通信。

您可以閱讀?本文?以了解有關(guān)此傳感器的更多信息。

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3. DS18B20：?用于測量溫度

它可以用最少的硬件和接線來測量溫度。這些傳感器使用數(shù)字協(xié)議將準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)直接發(fā)送到您的開發(fā)板，無需模數(shù)轉(zhuǎn)換器或其他額外硬件。它使用單線協(xié)議與微控制器通信。它可以連接到位于 Wemos 板右側(cè)的板上的端口 P2 中。

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您可以閱讀?本文?以了解有關(guān)此傳感器的更多信息。

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使用外部天線 ( 3dBi )

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Wemos D1 mini Pro 板具有內(nèi)置陶瓷天線以及連接外部天線以提高范圍的規(guī)定。在使用外接天線之前，您必須將天線信號從內(nèi)置陶瓷天線重新路由到外接插座。這可以通過旋轉(zhuǎn)小型表面貼裝 (0603) 零歐姆電阻器（有時(shí)稱為鏈接）來完成。

你可以看到上面的圖片，我是怎么做到的。

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您還可以觀看?Alex Eamesto 制作的視頻?，以旋轉(zhuǎn)零歐姆電阻。然后將天線 SMA 連接器卡入 Wemos Pro 迷你天線插槽。

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監(jiān)控電池電壓

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氣象站由 18650 鋰離子電池供電，因此監(jiān)測其狀態(tài)非常重要。Wemos 板的最大輸入電壓約為 3.2~3.3V，但充滿電的 18650 電池電壓為 4.2V。所以要測量這個(gè)電壓，我們必須通過使用分壓器網(wǎng)絡(luò)來降低電壓。

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Wemos D1 mini 已經(jīng)有一個(gè)內(nèi)部分壓器，將 A0 引腳連接到 ESP8266 芯片的 ADC。分壓器由220k（R1）和100k（R2）組成。因此，我們必須添加一個(gè)帶有內(nèi)置 220k 電阻的外部電阻來讀取電池電壓。通過使用 100k 電阻，我們可以測量電池的最大電壓，但要留出一些余量，選擇 220k 電阻。它在 PCB 板上被命名為 R1，位于電池座的正上方。

要選擇分壓器電阻值，您可以使用此在線?計(jì)算器。

您還可以閱讀?這篇?關(guān)于電池電壓監(jiān)控的文章。

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?實(shí)現(xiàn)深度睡眠模式

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我們氣象站中使用的 Wemos 板的核心是 ESP8266 SOC，它是一個(gè)耗電的芯片。我們的目標(biāo)是使用 18650 電池運(yùn)行設(shè)備，但對電力的需求通常使電池操作不切實(shí)際。

另一個(gè)問題是，由于設(shè)備會持續(xù)運(yùn)行，很明顯設(shè)備會發(fā)熱，因此測得的溫度會高于環(huán)境溫度。

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從上面可以看出，我們必須降低 ESP8266 WiFi 芯片的功耗。為此，我們將使用?深度睡眠模式?，這是 ESP 芯片最省電的選項(xiàng)。它允許將 ESP8266 置于休眠狀態(tài)并節(jié)省電池。您可以定期喚醒它以進(jìn)行測量并發(fā)布它們。

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組件操作模式-----睡眠模式

1. ESP8266 170 mA -------- 10 uA

2. CH340 12 mA --------- 50 uA

3. 內(nèi)置 LED 3 mA ----------- 0 uA

4. 電壓監(jiān)控 0.006 mA ----- 6 uA

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總計(jì)185 mA ?---- ?66 uA

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如果睡眠-喚醒周期為 10 分鐘，喚醒時(shí)間為 30 秒，則能耗預(yù)算如下所示：

喚醒時(shí)間 185 mA 0.5 分鐘 = 92.5 mA 分鐘

睡眠時(shí)間 0.066 mA 9.5 分鐘 = 0.627 mA 分鐘

10 分鐘總計(jì) = 93.13 mA 分鐘

因此，平均電流消耗為 9.3 mA。

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選擇太陽能電池板

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從上一步得出，平均電流消耗為 9.3 mA

運(yùn)行設(shè)備一整天所需的電量 = 9.3 mA x 24 小時(shí) = 223.2 mAh

WeMos 中使用的線性穩(wěn)壓器沒有電流增益，因此在 3.3V 下使用的任何電流都會在 3.7V 或任何電池電壓下產(chǎn)生相同的電流。

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日照量根據(jù)您所在的地球的哪個(gè)部分而有所不同。要了解您所在地區(qū)的日照量，您可以使用?Global Solar Atlas。考慮到最少 1 小時(shí)的充足陽光，我們將選擇太陽能電池板。

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因此，我們的目標(biāo)是在 1 小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生 223.2 mAh。

要為 3.7V 鋰離子電池充電，電壓為 5 至 6V 的太陽能電池板就足夠了。

所需的太陽能電池板額定值 = 223.2 mA，電壓約為 5 至 6 伏。

太陽能電池板額定值 = 223.2mA x 5V = 1.1W

太陽能電池板選擇：1W / 5V 至 6V

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在這個(gè)項(xiàng)目中，我使用了 5V、200mA 太陽能電池板（99 x 69 毫米）

因此，即使在高緯度地區(qū)的冬季，一個(gè) 1W 的面板也足以運(yùn)行該項(xiàng)目。

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注意：?如果您的位置接收到充足的陽光，那么我在早期版本中使用的 0.66W 太陽能電池板也可以使用。

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PCB設(shè)計(jì)

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?切換到PCB布局后，我使用?EasyEDA在線軟件繪制了原理圖。

您在原理圖中添加的所有組件都應(yīng)該在那里，彼此堆疊，準(zhǔn)備好放置和布線。通過抓住其焊盤來拖動組件。然后將其放在矩形邊界線內(nèi)。

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以使電路板占用最小空間的方式排列所有組件。電路板尺寸越小，PCB制造成本就越便宜。如果此板上有一些安裝孔以便可以將其安裝在外殼中，那將很有用。

現(xiàn)在你必須路由。路由是整個(gè)過程中最有趣的部分。這就像解決一個(gè)難題！使用跟蹤工具，我們需要連接所有組件。您可以同時(shí)使用頂層和底層以避免兩個(gè)不同軌道之間的重疊并使軌道更短。

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您可以使用 Silk 層將文本添加到板上。此外，我們可以插入圖像文件，因此我在我的網(wǎng)站徽標(biāo)上添加了一個(gè)圖像以打印在板上。最后使用銅區(qū)域工具，我們需要創(chuàng)建 PCB 的接地區(qū)域。

現(xiàn)在 PCB 已準(zhǔn)備好進(jìn)行制造。

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PCB制造

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完成 PCB 設(shè)計(jì)后，我們只需單擊“Gerber 輸出”按鈕，保存項(xiàng)目，我們就可以下載用于制造 PCB 的 Gerber 文件。

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組裝印刷電路板

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從 PCB 工廠收到電路板后，您必須焊接組件。

對于焊接，您將需要一個(gè)像樣的烙鐵，焊錫，鉗子。

首先，我切割了 Wemos Board、TP4056、BMP/E 280 和所有端口的直公母頭針。

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以下是有關(guān)標(biāo)頭的詳細(xì)信息：

1. Wemos 板 - 2 x 8pins 母頭

2. BMP280 - 1 x 6pins 母頭

3. I2C 端口 - 1 x 4pins

4. 端口 P1 - 1 x 4pins

5. 端口 P2- 1 x 3pins

6. 端口 P3- 1 x 4pins

7. 端口 P4- 1 x 3 針

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根據(jù)元件的高度焊接元件是一種很好的做法。首先焊接高度較低的組件。

我已經(jīng)開始焊接電阻器、開關(guān)，然后轉(zhuǎn)向更大的組件，如插頭銷、螺絲端子和電池座。

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添加模塊和電池

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組裝好插頭引腳、開關(guān)和螺絲端子后，就可以將電路板插入各自的插頭了。接頭在 PCB 上清晰標(biāo)記，因此不會混淆。

首先，我放置 TP4056 板并焊接所有焊盤。

然后我添加了 Wemos 板和 BME280 傳感器。

最后，我將18650電池插入電池座。

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?安裝支架

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添加所有部件后，將支架安裝在 4 個(gè)角上。我使用了 M3 黃銅六角支架。

使用支架將為焊點(diǎn)和電線提供足夠的離地間隙。

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3D打印外殼

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為了給商業(yè)產(chǎn)品一個(gè)漂亮的外觀，我為這個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)外殼。我使用 Autodesk Fusion 360 來設(shè)計(jì)外殼。

外殼有兩部分：

一、主體

2. 蓋子

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主體基本設(shè)計(jì)為適合氣象站 V2.0 PCB (85mm* 83mm)。

罩蓋用于蓋住主體開口。

我使用我的 Creality? CR-10?打印機(jī)和 1.75 毫米綠色 PLA 燈絲來打印零件。我花了大約 11 個(gè)小時(shí)來打印主體，大約 3 個(gè)小時(shí)來打印頂蓋。

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我的設(shè)置是：

打印速度：60 毫米/秒

層高：0.2mm（0.3也可以）

填充密度：25%

擠出機(jī)溫度：200℃

床溫：60攝氏度

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從Thingiverse下載 STL 文件?

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您還可以查看由?3KU_Delta設(shè)計(jì)的外殼。

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從Thingiverse下載他設(shè)計(jì)的 STL 文件?

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將 PCB 放入外殼內(nèi)

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首先，將 MF 六角支座插入外殼的四個(gè)安裝槽中。

然后通過對齊角落處的四個(gè)螺絲孔將 PCB 板固定在支架上。

插入四個(gè)支架后，由于小錯(cuò)位，我很難固定 PCB。所以我正在考慮修改安裝支架以直接固定 3M 螺釘而不是六角支架。

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安裝組件

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安裝 PCB 后，您必須安裝 BME280 模塊和 Wemos 板。

然后插入跳線 JP2。

將 SMA 連接器插入外殼中提供的孔中。然后連同墊圈一起擰緊螺母。現(xiàn)在通過與 SMA 連接器正確對齊來安裝天線。

最后將18650電池放入電池座內(nèi)。確保您必須以正確的極性插入。極性標(biāo)記在電池座、PCB 以及電池上。

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3D 打印史蒂文森屏幕

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我的外殼設(shè)計(jì)是一個(gè)看起來不錯(cuò)的外殼，但它不適合氣象站。放置天氣傳感器的理想外殼是史蒂文森屏幕。史蒂文森屏幕是天氣傳感器的??外殼，可防止雨水和來自外部的直接熱輻射，同時(shí)仍允許空氣在它們周圍自由循環(huán)。

太陽能氣象站 V2 的史蒂文森屏幕是由我的朋友?格倫設(shè)計(jì)的。這有一個(gè)簡單的壁掛架和一個(gè)兩部分的蓋子，用于隔離太陽能電池板的熱傳遞。我真的很欣賞他的工作。

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您可以從Thingiverse下載 .STL 文件?

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您可以觀看上述 3D 打印史蒂文森屏幕組裝視頻。

視頻來源： digiblurDIY

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提示：?用噴漆劑噴涂完全組裝好的 PCB??以保護(hù)電路板和組件，但您確實(shí)需要在 BME280 溫度傳感器孔上貼一點(diǎn)膠帶以免堵塞它。

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與 Blynk 應(yīng)用程序的接口

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第 1 步：下載 Blynk 應(yīng)用程序

1.?安卓版

2. 對于?iPhone

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步驟 2：獲取 Auth Token

為了連接 Blynk App 和您的硬件，您需要一個(gè) Auth Token。

1. 在 Blynk App 中創(chuàng)建一個(gè)新帳戶。

2. 按頂部菜單欄上的 QR 圖標(biāo)。通過掃描上面顯示的二維碼創(chuàng)建該項(xiàng)目的克隆。一旦成功檢測到，整個(gè)項(xiàng)目將立即在您的手機(jī)上。

我制作了 Sol 氣象站應(yīng)用程序。歡迎您試用！

要開始使用它： 1. 下載 Blynk 應(yīng)用程序：http://j.mp/blynk_Android 或 http://j.mp/blynk_iOS 2. 觸摸二維碼圖標(biāo)并將相機(jī)對準(zhǔn)下面的代碼 3. 享受我的應(yīng)用程序！

3. 項(xiàng)目創(chuàng)建后，我們將通過電子郵件向您發(fā)送 Auth Token。

4. 檢查您的電子郵件收件箱并找到 Auth Token。

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第 3 步：為 Wemos 板準(zhǔn)備 Arduino IDE

要將 Arduino 代碼上傳到 Wemos 板，您必須遵循這個(gè)?Instructables

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第 4 步：Arduino 草圖

安裝上述庫后，粘貼下面給出的 Arduino 代碼。

輸入步驟 1 中的驗(yàn)證碼、ssid 和路由器的密碼。

然后上傳代碼。

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將傳感器數(shù)據(jù)上傳到 ThingSpeak

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首先，在?ThingSpeak上創(chuàng)建一個(gè)帳戶。

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然后在您的 ThingSpeak 帳戶上創(chuàng)建一個(gè)新頻道。

了解如何創(chuàng)建新通道填充字段 1 作為壓力，字段 2 作為溫度，字段 3 濕度，字段 4 作為海拔高度，字段 5 作為電池電壓。

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在您的 ThingSpeak 帳戶中選擇“頻道”，然后選擇“我的頻道”。

點(diǎn)擊您的頻道名稱。

單擊“API Keys”選項(xiàng)卡并復(fù)制“Write API Key”

打開 Solar_Weather_Station_ThingSpeak 代碼。

將“WRITE API”替換為復(fù)制的“Write API Key”。

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你可以看到我的?直播。

軟件和庫

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要將 Wemos D1 與 Arduino 庫一起使用，您必須使用支持 ESP8266 板的 Arduino IDE。如果您還沒有這樣做，您可以按照 Sparkfun 的本?教程輕松將 ESP8266 Board 支持安裝到您的 Arduino IDE ?。

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