Υπερηχητικός μετρητής βροχής: Raspebbery Pi Open Weather Weather: Part 1: 6 Steps

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:35

Εμπορικά διαθέσιμα IoT (Internet Of Things) Οι μετεωρολογικοί σταθμοί είναι ακριβοί και δεν είναι διαθέσιμοι παντού (όπως στη Νότια Αφρική). Οι ακραίες καιρικές συνθήκες μας χτυπούν. Η SA αντιμετωπίζει τη σκληρότερη ξηρασία εδώ και δεκαετίες, η γη θερμαίνεται και οι αγρότες αγωνίζονται να παράγουν κερδοφόρα, χωρίς τεχνική ή οικονομική υποστήριξη της κυβέρνησης για τους εμπορικούς αγρότες.

Υπάρχουν μερικοί μετεωρολογικοί σταθμοί Raspberry Pi, όπως αυτός που κατασκευάζει το Raspberry Pi Foundation για σχολεία του Ηνωμένου Βασιλείου, αλλά δεν είναι διαθέσιμος για το ευρύ κοινό. Υπάρχουν πολλοί κατάλληλοι αισθητήρες, κάποιοι αναλογικοί, άλλοι ψηφιακοί, ορισμένοι στερεοί, μερικοί με κινούμενα μέρη και άλλοι πολύ ακριβοί αισθητήρες όπως υπερηχητικά ανεμόμετρα (ταχύτητα και κατεύθυνση ανέμου)

Αποφάσισα να φτιάξω έναν μετεωρολογικό σταθμό ανοιχτού κώδικα, ανοιχτού υλικού, με γενικά μέρη διαθέσιμα στη Νότια Αφρική μπορεί να είναι ένα πολύ χρήσιμο έργο και θα διασκεδάσω πολύ (και προκλητικούς πονοκεφάλους).

Αποφάσισα να ξεκινήσω με μανόμετρο στερεάς κατάστασης (χωρίς κινούμενα μέρη). Ο παραδοσιακός κάδος ανατροπής δεν με εντυπωσίασε σε εκείνο το στάδιο (ακόμη και νόμιζα ότι δεν είχα χρησιμοποιήσει ποτέ μέχρι τότε). Έτσι, σκέφτηκα, η βροχή είναι νερό και το νερό μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια. Υπάρχουν πολλοί αναλογικοί αισθητήρες αντίστασης όπου η αντίσταση μειώνεται όταν ο αισθητήρας έρχεται σε επαφή με το νερό. Νόμιζα ότι αυτό θα ήταν μια τέλεια λύση. Δυστυχώς, αυτοί οι αισθητήρες υποφέρουν από κάθε είδους ανωμαλίες όπως η ηλεκτρόλυση και η αποξείδωση και οι μετρήσεις από αυτούς τους αισθητήρες ήταν αναξιόπιστες. Έφτιαξα ακόμη και τους δικούς μου ανοξείδωτους ανιχνευτές και μια μικρή πλακέτα κυκλώματος με ρελέ για να δημιουργήσω εναλλασσόμενο συνεχές ρεύμα (σταθερό 5 βολτ, αλλά εναλλάξ θετικούς και αρνητικούς πόλους) για να εξαλείψω την ηλεκτρόλυση, αλλά οι ενδείξεις ήταν ακόμα ασταθείς.

Η τελευταία μου επιλογή είναι ο αισθητήρας υπερήχων ήχου. Αυτός ο αισθητήρας που συνδέεται στο πάνω μέρος του μετρητή, μπορεί να μετρήσει την απόσταση μέχρι τη στάθμη του νερού. Προς έκπληξή μου, αυτοί οι αισθητήρες ήταν πολύ ακριβείς και πολύ φθηνοί (Λιγότερο από 50 ZAR ή 4 USD)

Βήμα 1: Απαιτούνται εξαρτήματα (Βήμα 1)

Θα χρειαστείτε τα παρακάτω

1) 1 Raspberry Pi (οποιοδήποτε μοντέλο, χρησιμοποιώ Pi 3)

2) 1 μπορντούρα ψωμιού

3) Μερικά καλώδια βραχυκυκλωτήρων

4) Αντίσταση ενός Ohms και αντίσταση δύο (ή 2,2) Ohms

5) Ένα παλιό μακρύ κύπελλο για την αποθήκευση της βροχής. Εκτύπωσα το δικό μου (διατίθεται μαλακό αντίγραφο)

6) Ένα παλιό χειροκίνητο μετρητή βροχής που συλλαμβάνει μέρος (Or μπορείτε να σχεδιάσετε το δικό σας και να το εκτυπώσετε)

7) Εξοπλισμός μέτρησης για τη μέτρηση χιλιοστόλιτρων ή μια κλίμακα βάρους νερού

8) Ο υπερηχητικός αισθητήρας HC-SR04 (οι Νοτιοαφρικανοί μπορούν να τα πάρουν από την Communica)

Βήμα 2: Χτίζοντας το κύκλωμά σας (Βήμα 2)

Βρήκα έναν πολύ χρήσιμο οδηγό που θα με βοηθήσει να φτιάξω το κύκλωμα και να γράψω τα σενάρια python για αυτό το έργο. Αυτή η λωρίδα υπολογίζει τις αποστάσεις και θα τη χρησιμοποιήσετε για να υπολογίσετε την απόσταση μεταξύ του αισθητήρα που είναι τοποθετημένος στο πάνω μέρος της δεξαμενής μετρητή σας και της στάθμης του νερού

Μπορείτε να το βρείτε εδώ:

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

Μελετήστε το, φτιάξτε το κύκλωμά σας, συνδέστε το στο pi και παίξτε με τον κώδικα python. Βεβαιωθείτε ότι έχετε κατασκευάσει σωστά το διαχωριστή τάσης. Χρησιμοποίησα αντίσταση 2,2 ohm μεταξύ GPIO 24 και GND.

Βήμα 3: Δημιουργήστε τον μετρητή σας (Βήμα 3)

Μπορείτε να εκτυπώσετε το μετρητή σας, να χρησιμοποιήσετε ένα υπάρχον μετρητή ή κύπελλο. Ο αισθητήρας HC-SR04 θα τοποθετηθεί στην κορυφή του κύριου ρεζερβουάρ μετρητή σας. Είναι σημαντικό να βεβαιωθείτε ότι θα παραμείνει στεγνό ανά πάσα στιγμή.

Είναι σημαντικό να κατανοήσετε τη γωνία μέτρησης του αισθητήρα HC-SR04. Δεν μπορείτε να το προσαρτήσετε στην κορυφή ενός κώνου από παραδοσιακά μετρητές βροχής. Το κανονικό κυλινδρικό κύπελλο θα κάνει. Βεβαιωθείτε ότι είναι αρκετά ευρύ για να φτάσει ένα σωστό ηχητικό κύμα προς τα κάτω. Νομίζω ότι ένας σωλήνας PVC 75 x 300 mm θα κάνει. Για να ελέγξετε αν το σήμα περνάει από τον κύλινδρο σας και αναπηδήσει σωστά, μετρήστε την απόσταση από το λογοκριτή έως το κάτω μέρος του κυλίνδρου σας με έναν χάρακα, συγκρίνετε τη μέτρηση με την απόσταση που λαμβάνετε από τον αισθητήρα TOF (Time of flight) στον πάτο.

Βήμα 4: Υπολογισμοί και βαθμονόμηση (Βήμα 4)

Τι σημαίνει βροχή 1 χιλιοστό; Η βροχή ενός mm σημαίνει ότι αν είχατε έναν κύβο 1000mm X 1000mm X 1000mm ή 1m X 1m X 1m, ο κύβος θα έχει βάθος 1 mm νερό βροχής αν τον αφήσετε έξω όταν βρέχει. Εάν αδειάσετε αυτή τη βροχή σε ένα μπουκάλι 1 λίτρου, θα γεμίσει το μπουκάλι 100 % και το νερό θα μετρήσει επίσης 1 κιλό. Διαφορετικοί μετρητές βροχής έχουν διαφορετικές περιοχές απορροής. Αν η λεκάνη απορροής του μετρητή σας ήταν 1μ Χ 1μ είναι εύκολο.

Επίσης, 1 γραμμάριο νερού είναι συμβατικό 1 ml

Για να υπολογίσετε τις βροχοπτώσεις σας σε mm από το μετρητή σας, μπορείτε να κάνετε τα εξής αφού σταθμίσετε το νερό της βροχής:

W είναι το βάρος της βροχόπτωσης σε γραμμάρια ή χιλιοστόλιτρο

Το A είναι η λεκάνη απορροής σας σε τετραγωνικά mm

R είναι η συνολική σας βροχόπτωση σε mm

R = W x [(1000 x 1000)/A]

Υπάρχουν δύο δυνατότητες στη χρήση του HC-SR04 για την εκτίμηση του W (Χρειάζεστε W για τον υπολογισμό του R).

Μέθοδος 1: Χρησιμοποιήστε απλή Φυσική

Μετρήστε την απόσταση από το HC-SR στο κάτω μέρος του μετρητή (το κάνατε και σε προηγούμενο βήμα) με τον αισθητήρα χρησιμοποιώντας τους υπολογισμούς TOF (Time of Flight) στο σενάριο python από τη διεύθυνση https://www.modmypi. com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi Καλέστε αυτό το CD (βάθος κυλίνδρου)

Μετρήστε την περιοχή του εσωτερικού πυθμένα του κυλίνδρου σας με οτιδήποτε είναι κατάλληλο σε τετραγωνικά mm. Καλέστε αυτό το IA.

Τώρα ρίξτε 2 ml νερό (ή οποιαδήποτε κατάλληλη ποσότητα) στον κύλινδρο σας. Χρησιμοποιώντας τον αισθητήρα μας, υπολογίστε την απόσταση από τη νέα στάθμη του νερού σε mm, Cal this Dist_To_Water).

Το βάθος νερού (WD) σε mm είναι:

WD = CD - Dist_To_Water (Or βάθος κυλίνδρου μείον την απόσταση από τον λογοκριτή στην στάθμη του νερού)

Όχι το εκτιμώμενο βάρος του νερού είναι

W = WD x IA σε ml ή γραμμάρια (Θυμηθείτε 1 ml βάρους νερού 1 γραμμάριο)

Τώρα μπορείτε να εκτιμήσετε τη βροχόπτωση (R) σε mm με W x [(1000 x 1000)/A] όπως εξηγήθηκε προηγουμένως.

Μέθοδος 2: Βαθμονομήστε τον μετρητή σας με στατιστικά στοιχεία

Δεδομένου ότι το HC-SR04 δεν είναι τέλειο (ενδέχεται να προκύψουν σφάλματα), φαίνεται ότι είναι τουλάχιστον σταθερό στη μέτρηση εάν ο κύλινδρός σας είναι κατάλληλος.

Δημιουργήστε ένα γραμμικό μοντέλο με μετρήσεις αισθητήρων (ή αποστάσεις αισθητήρα) ως εξαρτημένη μεταβλητή και έγχυση βαρών νερού ως εξαρτώμενη μεταβλητή.

Βήμα 5: Λογισμικό (Βήμα 5)

Το λογισμικό για αυτό το έργο είναι ακόμα σε εξέλιξη.

Τα σενάρια python στη διεύθυνση https://www.modmypi.com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi θα πρέπει να είναι χρήσιμα.

Το Attach είναι μερικές χρήσιμες εφαρμογές python (General Public License) που αναπτύχθηκαν από τον εαυτό μου.

Σχεδιάζω να αναπτύξω μια διεπαφή ιστού για τον πλήρη μετεωρολογικό σταθμό αργότερα. Το Attach είναι μερικά από τα προγράμματά μου που χρησιμοποιούνται για τη βαθμονόμηση του μετρητή και την ανάγνωση αισθητήρων

Χρησιμοποιήστε το σενάριο βαθμονόμησης επισύναψης για να βαθμονομήσετε το μετρητή στατιστικά. Εισαγάγετε τα δεδομένα σε υπολογιστικό φύλλο για ανάλυση.

Βήμα 6: Ακόμα πρέπει να κάνετε (Βήμα 6)

Απαιτείται ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα για να αδειάσετε τη δεξαμενή όταν είναι γεμάτη (Κοντά στον αισθητήρα)

Οι πρώτες λίγες σταγόνες βροχής δεν είναι πάντα σωστά μετρημένες, ειδικά αν το εύρος δεν είναι σωστά ισοπεδωμένο. Είμαι σε διαδικασία ανάπτυξης ενός μετρητή disdro για να καταγράψω σωστά αυτές τις πτώσεις. Το disdro το μέλλον μου στη συνέχεια.

Διαφημίστε έναν δεύτερο υπερηχητικό αισθητήρα για να μετρήσετε την επίδραση της θερμοκρασίας στο TOF. Σύντομα θα δημοσιεύσω μια ενημέρωση για αυτό.

Βρήκα τον ακόλουθο πόρο που μπορεί να βοηθήσει

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- Rain-Gauge.pdf