Obsah:
2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2025-01-13 06:58
Komerčne dostupné IoT (internet vecí) Meteorologické stanice sú drahé a nie sú k dispozícii všade (ako v Južnej Afrike). Čakajú nás extrémne poveternostné podmienky. SA zažíva najťažšie sucho za posledné desaťročia, Zem sa zahrieva a poľnohospodári majú problémy s produkciou zisku, bez technickej alebo finančnej podpory vlády pre komerčných farmárov.
V okolí je niekoľko meteorologických staníc Raspberry Pi, ako je tá, ktorú Nadácia Raspberry Pi vybudovala pre britské školy, a preto nie je dostupná pre širokú verejnosť. Existuje veľa vhodných senzorov, niektoré analógové, niektoré digitálne, niektoré v pevnom stave, niektoré s pohyblivými časťami a niektoré veľmi drahé snímače, ako sú ultrazvukové anemometre (rýchlosť a smer vetra)
Rozhodol som sa postaviť open source, otvorenú hardvérovú meteorologickú stanicu, pričom súčiastky dostupné v Južnej Afrike môžu byť veľmi užitočným projektom a užijem si veľa zábavy (a náročných bolestí hlavy).
Rozhodol som sa začať s ukazovateľom zrážok v pevnom stave (bez pohyblivých častí). Tradičné vyklápacie vedro na mňa v tej fáze nezapôsobilo (dokonca si myslelo, že som ho dovtedy nikdy nepoužil). Myslel som si teda, že dážď je voda a voda vedie elektrinu. Existuje mnoho analógových odporových senzorov, kde sa odpor pri kontakte senzora s vodou znižuje. Myslel som si, že to bude perfektné riešenie. Tieto senzory bohužiaľ trpia všetkými druhmi anomálií, ako je elektrolýza a deoxidácia, a hodnoty z týchto senzorov boli nespoľahlivé. Dokonca som postavil svoje vlastné sondy z nehrdzavejúcej ocele a malý obvod s relé, aby som vytvoril striedavý jednosmerný prúd (konštantný 5 voltov, ale striedajúci sa kladný a záporný pól) na elimináciu elektrolýzy, ale hodnoty boli stále nestabilné.
Mojou najnovšou voľbou je ultrazvukový zvukový senzor. Tento senzor pripojený k hornej časti meradla môže merať vzdialenosť od hladiny vody. Na moje prekvapenie boli tieto senzory veľmi presné a veľmi lacné (menej ako 50 ZAR alebo 4 USD)
Krok 1: Potrebné diely (krok 1)
Budete potrebovať nasledujúce
1) 1 Raspberry Pi (akýkoľvek model, používam Pi 3)
2) 1 Bread Bord
3) Niektoré prepojovacie káble
4) Jeden ohmový odpor a dva (alebo 2,2) ohmový odpor
5) Starý dlhý pohár na uloženie dažďa. Vytlačil som svoje (k dispozícii je tlačená verzia)
6) Starý ručný zachytávač dažďa (alebo si môžete navrhnúť vlastný a vytlačiť)
7) Meracie zariadenie na meranie mililitrov alebo stupnice na váženie vody
8) Ultrazvukový senzor HC-SR04 (Juhoafričania ich môžu získať z programu Communica)
Krok 2: Budovanie obvodu (krok 2)
Našiel som veľmi užitočného sprievodcu, ktorý mi pomôže vytvoriť obvod a napísať skripty pythonu pre tento projekt. Tento skript vypočítava vzdialenosti a použijete ho na výpočet vzdialenosti medzi snímačom namontovaným v hornej časti meracej nádrže a hladinou vody.
Nájdete ho tu:
www.modmypi.com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi
Študujte to, postavte svoj obvod, pripojte ho k svojmu pí a hrajte sa s kódom pythonu. Uistite sa, že ste rozdeľovač napätia zostavili správne. Medzi GPIO 24 a GND som použil odpor 2,2 ohmu.
Krok 3: Zostavte si meradlo (krok 3)
Môžete si vytlačiť meradlo, použiť existujúci meradlo alebo pohár. Senzor HC-SR04 bude pripevnený k vrchu hlavnej nádrže vášho meradla. Je dôležité zabezpečiť, aby bol vždy suchý.
Je dôležité porozumieť uhlu merania vášho senzora HC-SR04. Nemôžete ho pripevniť na vrchol kužeľa z tradičných zrážkomerov. Ja normálny valcový pohár urobím. Uistite sa, že je dostatočne široký, aby sa správna zvuková vlna dostala až na dno. Myslím, že PVC rúra 75 x 300 mm bude stačiť. Ak chcete otestovať, či signál prechádza vašim valcom, a správne sa odraziť späť, zmerajte pomocou pravítka vzdialenosť od cenzora k spodnej časti valca a porovnajte toto meranie so vzdialenosťou, ktorú získate od snímača Odhadovaná vzdialenosť TOF (čas letu) až na dno.
Krok 4: Výpočty a kalibrácia (krok 4)
Čo znamená 1 milimetrový dážď? Jeden mm zrážok znamená, že ak máte kocku s rozmermi 1 000 mm x 1 000 mm x 1 000 mm alebo 1 m x 1 m x 1 m, bude mať kocka hĺbku 1 mm, ak ju necháte vonku, keď prší. Pokiaľ tento dážď vyprázdnite v 1 litrovej fľaši, naplní fľašu na 100 % a voda bude merať aj 1 kg. Rôzne zrážkomery majú rôzne spádové oblasti. Ak je vaša spádová oblasť vášho rozchodu 1 m x 1 m, je to jednoduché.
1 gram vody je tiež bežný 1 ml
Ak chcete z zrážky vypočítať zrážky v mm, po zvážení dažďovej vody môžete urobiť nasledovné:
W je hmotnosť zrážok v gramoch alebo mililitroch
A je vaša spádová oblasť v štvorcových mm
R sú vaše celkové zrážky v mm
R = Š x [(1 000 x 1 000)/A]
Existujú dve možnosti použitia HC-SR04 na odhad W (na výpočet R potrebujete W).
Metóda 1: Používajte obyčajnú fyziku
Zmerajte vzdialenosť od HC-SR k spodnej časti svojho meradla (Robili ste to aj v predchádzajúcom kroku) pomocou senzora pomocou výpočtov TOF (Time of Flight) v pythonovom skripte z https://www.modmypi. com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi Call This CD (Cylinder Depth)
Zmerajte plochu vnútorného dna valca niečím vhodným v štvorcových mm. Hovorte tomu IA.
Teraz nalejte do valca 2 ml vody (alebo akékoľvek vhodné množstvo). Pomocou nášho senzora odhadnite vzdialenosť k novej hladine vody v mm, Cal Cal Dist_To_Water).
Hĺbka vody (WD) v mm je:
WD = CD - Dist_To_Water (Alebo hĺbka valca mínus vzdialenosť od cenzora k hladine vody)
Nie je odhadovaná hmotnosť vody
W = WD x IA v ml alebo gramoch (pamätajte na 1 ml vody s hmotnosťou 1 gram)
Teraz môžete odhadnúť zrážky (R) v mm pomocou W x [(1 000 x 1 000)/A], ako bolo vysvetlené vyššie.
Metóda 2: Kalibrácia glukomera pomocou štatistiky
Pretože HC-SR04 nie je dokonalý (môžu sa vyskytnúť chyby), zdá sa, že je prinajmenšom konštantný v meraní, pokiaľ je váš valec vhodný.
Zostavte lineárny model s hodnotami senzorov (alebo vzdialenosťami senzorov) ako závislou premennou a vstrekovanými hmotnosťami vody ako závislou premennou.
Krok 5: Softvér (krok 5)
Softvér pre tento projekt je stále vo vývoji.
Skripty pythonu na adrese https://www.modmypi.com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi by mali byť použiteľné.
Attach je niekoľko užitočných aplikácií pre Python (General Public License), ktoré som vytvoril sám.
Neskôr plánujem vyvinúť webové rozhranie pre celú meteorologickú stanicu. Attach je niektorý z mojich programov, ktoré sa používajú na kalibráciu merača a čítanie údajov zo senzorov
Pomocou priloženého kalibračného skriptu kalibrujte meradlo štatisticky. Importujte údaje do tabuľky na analýzu.
Krok 6: Stále je čo robiť (krok 6)
Na vyprázdnenie nádrže je potrebný solenoidový ventil (blízko senzora)
Prvých niekoľko dažďových kvapiek nie je vždy správne zmeraných, najmä ak meradlo nie je správne vyrovnané. Prebieha vývoj disdrometra na správne zachytenie týchto kvapiek. Nasleduje moja budúcnosť.
Pripojte druhý ultrazvukový senzor na meranie účinku teploty na TOF. Čoskoro o tom uverejním aktualizáciu.
Našiel som nasledujúci zdroj, ktorý môže pomôcť
www.researchgate.net/profile/Zheng_Guilin3/publication/258745832_An_Innovative_Principle_in_Self-Calibration_by_Dual_Ultrasonic_Sensor_and_Application_in_Rain_Gauge/links/540d53e00cf2f2b29a38392b/An-Innovative-Principle-in-Self-Calibration-by-Dual-Ultrasonic-Sensor-and-Application-in- Dažďový rozchod.pdf