用树莓派RP2040制作简易户外气象站

项目设计思路：

本次WeDesign是第一次接触硬件设计，为了保证功能性，决定以直播中提到的树莓派Minimal参考设计为基础，将参考设计中由排针引出的GPIO管脚替换为项目中计划连接的传感器、屏幕、Lora模块等设备。其中传感器参考了厂家提供的参考设计，板载连接到开发板中。Lora模块和屏幕由于难度较大，选择了成品排针形式连接至开发板。

项目选型：

市面上相关的温湿度测量相关的传感器较多，考虑到性能、价格、参考设计的简易性等因素，主要有以下三种：AHT10/20/30、BMP280、BME680。BME680价格最高，不易购买，溢价主要来自其自带的气体传感器，可以实现气体检测功能。实测温度方面和BMP280以及AHT系列基本相同。BMP280集成了温度和气压的测量，但是缺少湿度检测。且气压检测受到校准影响，准确度存疑。考虑到简易气象站多为固定机位，湿度相对气压更为重要，因此最终选择集成了温湿度测量的AHT10。

光照传感器备选方案有BH1750和VEML7700，考虑到简易气象站对光照测量范围的要求较高，因此最终选择了测量范围较宽的VEML7700。

屏幕方面，最初计划选用1.47inch 172x320的LCD屏幕，但在功能验证阶段发现树莓派pico的264kb内存过小，若采用MicroPython开发，在调用Lora通信库后缺乏足够的内存供LCD 显示缓存使用。无奈最终采用0.96 inch 单色OLED，为了兼容性和后续升级同样采用SPI总线驱动。

通信模块：备选方案主要有WiFi和Lora，树莓派官方采用CYW43439，但没有找到购买渠道，ESP32则有大马拉小车的嫌疑，又考虑简易气象站对传输距离和功耗的要求较高，对于速率则没有要求，因此最终选择了Semtech的Lora方案，模块选用的微雪sx1262模组，通过排针连接至开发板。

设计框图：

树莓派pico分别提供两路SPI和I2C通道。这里充分利用了硬件的资源，各路外接设备均采用了硬件通道。值得注意的是，在MicroPython驱动过程中出现了不少兼容性问题。例如，在mpy版本为v1.9.1时，使用GPIO0-5驱动LCD SPI总线，则RST不能接在GPIO4上。另外在mpy v1.20.0的版本中也存在不能点亮屏幕等问题，因此本项目的实现均基于mpy v1.9.1。

代码部分不是本次报告的重点，主要思路是初始化各个传感器，读取数据，并分别显示和发送出去。

画原理图、PCB制板过程中遇到的问题，以及解决方法

这是个人的第一次接触硬件，也是希望借助参与本次WeDesign活动能够快速入门硬件设计。设计过程中踩的坑有五个

1. 没有理解去耦电容。参考树莓派Minimal设计，可以看到原理图中电源部分共有2+1+1+7个去耦电容，以右侧“并联”的7个100nF电容为例，只看原理图容易误解为7个电容均并联在一起，而非分配到各个管脚，一个引脚一个。第一次设计因为这个问题重新布线。
2. 敷铜面积过大。学习过程中不仔细，误以为板子设计时所有的区域应该默认敷铜，实际上应该是地线多的区域敷铜（不知道理解的对不对），做出来的板子方形敷铜区域肉眼可见，比较丑。
3. USB元器件选型。这里为了简化设计，采用的树莓派Minimal设计中的USB-Micro-B接口，型号是USB_Micro-B_Amphenol_10103594-0001LF_Horizontal_modified，但是该接口在常见平台难以买到。为了偷懒强上了常见的贴片式Micro-B，前两块板子在首次插拔时均成功扯下焊盘上的铜皮，直接报废。教训是要在PCB设计完成后校对BOM表，替换掉不常见的封装以便焊接。
4. 布局合理但是不美观。因为首次设计，只会用双层板，所以布局是迁就走线的。为了gpio引出少走弯路，各个元器件均尽量放置在靠近RP2040芯片引脚的一侧，这也导致了屏幕侧置（或下置）的神奇造型
5. 板载温度传感器的设计可能影响测量精度。设计和验证过程中由于是杜邦线连接，因此没有暴露出上述问题。虽然RP2040+屏幕+LORA模块+传感器的整体功耗平均只有2W，但是还是对测量温度有影响。

结果展示请见视频后半部分

实物调试过程：

在芯片设计过程中，遇到什么难题以及解决方法，或未来针对这个芯片的扩展项目

RP2040的MicroPython支持容易出现各种各样的BUG，导致硬件设计不得不迁就这些问题，例如GPIO4不能作为RST，先前的屏幕代码在1.20.0版本上不兼容一类。

芯片的优势与局限

优势：外设全面，文档全面且易懂，方便新手入门

局限：和竞品ESP32相比硬件性能（RAM、计算性能、外设）不占优势