Ultrazvukový srážkoměr: Otevřená meteorologická stanice Raspebbery Pi: Část 1: 6 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Komerčně dostupné IoT (internet věcí) Meteorologické stanice jsou drahé a nejsou dostupné všude (jako v Jižní Africe). Zasáhly nás extrémní povětrnostní podmínky. SA zažívá nejtěžší sucho za poslední desetiletí, Země se zahřívá a zemědělci se snaží produkovat zisk, bez technické nebo finanční podpory vlády pro komerční farmáře.

V okolí je několik meteorologických stanic Raspberry Pi, jako je ta, kterou Nadace Raspberry Pi staví pro britské školy, ale není k dispozici pro širokou veřejnost. Existuje spousta vhodných senzorů, některé analogové, některé digitální, některé v pevné fázi, některé s pohyblivými částmi a některé velmi drahé senzory, jako jsou ultrazvukové anemometry (rychlost a směr větru)

Rozhodl jsem se vybudovat open source meteorologickou stanici s otevřeným hardwarem, kde jsou obecně dostupné součásti v Jižní Africe, což může být velmi užitečný projekt a já si užiji spoustu zábavy (a náročných bolestí hlavy).

Rozhodl jsem se začít s dešťovým měřidlem v pevném stavu (bez pohyblivých částí). Tradiční vyklápěcí kbelík na mě v té fázi nezapůsobil (i když jsem si myslel, že jsem do té doby žádnou nepoužil). Takže jsem si myslel, že déšť je voda a voda vede elektřinu. Existuje mnoho analogových odporových senzorů, kde odpor klesá při kontaktu senzoru s vodou. Myslel jsem, že to bude perfektní řešení. Bohužel tyto senzory trpí všemi druhy anomálií, jako je elektrolýza a deoxidace, a odečty z těchto senzorů byly nespolehlivé. Dokonce jsem stavěl vlastní sondy z nerezové oceli a malou desku s obvody s relé pro vytváření střídavého stejnosměrného proudu (konstantní 5 voltů, ale střídající se kladný a záporný pól) pro eliminaci elektrolýzy, ale hodnoty byly stále nestabilní.

Moje poslední volba je Ultrazvukový zvukový senzor. Tento senzor připojený k horní části měřidla může měřit vzdálenost k vodní hladině. K mému překvapení byly tyto senzory velmi přesné a velmi levné (méně než 50 ZAR nebo 4 USD)

Krok 1: Potřebné součásti (krok 1)

Budete potřebovat následující

1) 1 Raspberry Pi (jakýkoli model, používám Pi 3)

2) 1 Bread Bord

3) Některé propojovací kabely

4) Jeden ohmový odpor a dva (nebo 2,2) ohmový odpor

5) Starý dlouhý pohár na uložení deště. Vytiskl jsem svůj (k dispozici je tištěná kopie)

6) Starý ruční zachycovací díl srážkoměru (Nebo si můžete navrhnout vlastní a vytisknout)

7) Měřicí zařízení pro měření mililitrů nebo stupnice pro vážení vody

8) Ultrazvukový senzor HC-SR04 (Jihoafričané je mohou získat z Communica)

Krok 2: Budování obvodu (krok 2)

Našel jsem nějaký velmi užitečný průvodce, který mi pomůže vybudovat obvod a napsat skripty pythonu pro tento projekt. Tento skript vypočítá vzdálenosti a použijete ho k výpočtu vzdálenosti mezi snímačem namontovaným v horní části měřicí nádrže a hladinou vody

Najdete ho zde:

www.modmypi.com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi

Prostudujte si to, vytvořte svůj obvod, připojte jej k pi a hrajte si s kódem pythonu. Ujistěte se, že jste dělič napětí sestavili správně. Mezi GPIO 24 a GND jsem použil odpor 2,2 ohmů.

Krok 3: Sestavte si měřidlo (krok 3)

Měřidlo si můžete vytisknout, použít stávající měřidlo nebo šálek. Senzor HC-SR04 bude připevněn k horní části hlavní nádrže vašeho měřidla. Je důležité zajistit, aby vždy zůstala suchá.

Je důležité porozumět úhlu měření senzoru HC-SR04. Nemůžete jej připevnit na vrchol kužele z tradičních srážkoměrů. I normální válcový pohár bude stačit. Ujistěte se, že je dostatečně široký, aby se řádná zvuková vlna dostala dolů. Myslím, že PVC trubka 75 x 300 mm bude stačit. Chcete -li vyzkoušet, zda signál prochází vaším válcem a správně se odrazit zpět, změřte pomocí pravítka vzdálenost od cenzoru ke spodní části válce, porovnejte toto měření se vzdáleností, kterou získáte od snímače TOF (Time of flight) odhadovaná vzdálenost ke dnu.

Krok 4: Výpočty a kalibrace (krok 4)

Co znamená 1 milimetr deště? Jeden mm deště znamená, že pokud máte krychli o rozměrech 1 000 mm x 1 000 mm x 1 000 mm nebo 1 m X 1 m X 1 m, bude mít krychle hloubku 1 mm dešťové vody, pokud ji necháte venku, když prší. Pokud tento déšť vyprázdníte v 1litrové láhvi, naplní láhev 100 % a voda bude měřit také 1 kg. Různé srážkoměry mají různé spádové oblasti. Pokud byla vaše spádová oblast vašeho měřidla 1 m x 1 m, je to snadné.

Také 1 gram vody je konvenční 1 ml

Chcete -li vypočítat srážky v mm z měřidla, můžete po zvážení dešťové vody provést následující:

W je hmotnost srážek v gramech nebo mililitrech

A je vaše spádová oblast ve čtverečních mm

R jsou vaše celkové srážky v mm

R = Š x [(1 000 x 1 000)/A]

Při odhadování W pomocí HC-SR04 existují dvě možnosti (k výpočtu R potřebujete W).

Metoda 1: Použijte obyčejnou fyziku

Změřte vzdálenost od HC-SR ke spodní části měřidla (Dělali jste to také v předchozím kroku) pomocí senzoru pomocí výpočtů TOF (Time of Flight) ve skriptu pythonu z https://www.modmypi. com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi Call This CD (Cylinder Depth)

Změřte plochu vnitřního dna válce pomocí čehokoli vhodného ve čtverečních mm. Říkej tomu IA.

Nyní nalijte 2 ml vody (nebo jakéhokoli vhodného množství) do svého válce. Pomocí našeho senzoru odhadněte vzdálenost k nové vodní hladině v mm, Cal This Dist_To_Water).

Hloubka vody (WD) v mm je:

WD = CD - Dist_To_Water (Nebo hloubka válce mínus vzdálenost od cenzoru k vodní hladině)

Ne, odhadovaná hmotnost vody je

W = WD x IA v ml nebo gramech (pamatujte na 1 ml vody o hmotnosti 1 gram)

Nyní můžete odhadnout srážky (R) v mm pomocí W x [(1 000 x 1 000)/A], jak bylo vysvětleno dříve.

Metoda 2: Kalibrace měřiče pomocí statistik

Vzhledem k tomu, že HC-SR04 není dokonalý (mohou se vyskytnout chyby), zdá se, že je v měření alespoň konstantní, pokud je váš válec vhodný.

Sestavte lineární model s naměřenými hodnotami senzorů (nebo vzdálenostmi senzorů) jako závislou proměnnou a vstřikovanými hmotnostmi vody jako závislou proměnnou.

Krok 5: Software (krok 5)

Software pro tento projekt je stále ve vývoji.

Použitelné by měly být skripty pythonu na adrese

Attach je několik užitečných aplikací pythonu (General Public License), které jsem vytvořil sám.

Plánuji později vyvinout webové rozhraní pro kompletní meteorologickou stanici. Attach je některý z mých programů používaných ke kalibraci měřiče a odečtu senzorů

Ke kalibraci měřidla použijte statistický kalibrační skript. Importujte data do tabulky k analýze.

Krok 6: Stále je co dělat (krok 6)

K vyprázdnění nádrže je zapotřebí solenoidový ventil (blízko senzoru)

Prvních několik kapek deště není vždy změřeno správně, zvláště pokud měřidlo není správně vyrovnáno. Probíhá vývoj disdrometru, který by správně zachytil tyto kapky. Další diskuse o mé budoucnosti.

Chcete -li změřit účinek teploty na TOF, přidejte druhý ultrazvukový senzor. Brzy o tom zveřejním aktualizaci.

Našel jsem následující zdroj, který může pomoci

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- Srážkoměr.pdf