Pluviometru cu ultrasunete: stație meteo deschisă Raspebbery Pi: Partea 1: 6 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:44

Stațiile meteo comerciale disponibile IoT (Internet Of Things) sunt scumpe și nu sunt disponibile oriunde (Ca în Africa de Sud). Condițiile meteo extreme ne lovesc. SA se confruntă cu cea mai grea secetă din ultimele decenii, pământul se încălzește și fermierii se luptă să producă profit, fără sprijin tehnic sau financiar al guvernului pentru fermierii comerciali.

Există câteva stații meteo Raspberry Pi în jur, cum ar fi cea pe care Raspberry Pi Foundation o construiește pentru școlile din Marea Britanie, dar nu este disponibilă pentru publicul larg. Există o mulțime de senzori adecvați, unii analogici, unii digitali, unii cu stare solidă, unii cu piese în mișcare și unii senzori foarte scumpi, cum ar fi anemometrele cu ultrasunete (viteza și direcția vântului)

Am decis să construiesc o stație meteo open source, cu hardware deschis, cu piese disponibile în general în Africa de Sud, poate fi un proiect foarte util și mă voi distra mult (și dureri de cap provocatoare).

Am decis să încep cu un pluviometru în stare solidă (fără piese în mișcare). Găleată tradițională de basculare nu m-a impresionat în acea etapă (chiar am crezut că nu am folosit niciodată una până atunci). Deci, m-am gândit, ploaia este apă, iar apa conduce electricitatea. Există mulți senzori analogici rezistenți în care rezistența scade atunci când senzorul intră în contact cu apa. Am crezut că aceasta va fi o soluție perfectă. Din păcate, acei senzori suferă de tot felul de anomalii, cum ar fi electroliza și dezoxidarea, iar citirile acestor senzori nu au fost fiabile. Chiar îmi construiesc sondele din oțel inoxidabil și o mică placă de circuite cu relee pentru a crea curent continuu alternativ (constant de 5 volți, dar alternând polii pozitivi și negativi) pentru a elimina electroliza, dar citirile erau încă instabile.

Cea mai recentă alegere a mea este senzorul de sunet cu ultrasunete. Acest senzor conectat la partea superioară a indicatorului poate măsura distanța până la nivelul apei. Spre surprinderea mea, acesti senzori au fost foarte exacți și foarte ieftini (mai puțin de 50 ZAR sau 4 USD)

Pasul 1: Piese necesare (Pasul 1)

Veți avea nevoie de următoarele

1) 1 Raspberry Pi (Orice model, folosesc un Pi 3)

2) 1 Pâine Bord

3) Câteva cabluri jumper

4) Un rezistor de un Ohm și un rezistor de doi (sau 2.2) Ohm

5) O ceașcă lungă veche pentru a păstra ploaia. Am tipărit-o pe a mea (este disponibilă o copie electronică)

6) O piesă de captură manuală veche a pluviometrului (sau puteți să o proiectați și să o imprimați)

7) Echipament de măsurare pentru a măsura mililitri sau o cântare pentru a cântări apa

8) Senzorul cu ultrasunete HC-SR04 (sud-africanii le pot obține de la Communica)

Pasul 2: Construirea circuitului dvs. (Pasul 2)

Am găsit un ghid foarte util care să mă ajute să construiesc circuitul și să scriu scripturile python pentru acest proiect. Acest scrip calculează distanțele și îl veți utiliza pentru a calcula distanța dintre senzorul montat în partea superioară a rezervorului de măsurare și nivelul apei

O găsiți aici:

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

Studiați-l, construiți-vă circuitul, conectați-l la pi și jucați-vă cu codul python. Asigurați-vă că construiți corect divizorul de tensiune. Am folosit un rezistor de 2,2 ohmi între GPIO 24 și GND.

Pasul 3: Construiți-vă ecartamentul (Pasul 3)

Puteți imprima gabaritul, utilizați un gabarit existent sau o cupă. Senzorul HC-SR04 va fi atașat la partea superioară a rezervorului principal al gabaritului. Este important să vă asigurați că va rămâne uscat în orice moment.

Este important să înțelegeți unghiul de măsurare al senzorului dvs. HC-SR04. Nu îl puteți atașa la partea de sus a unui con sub formă de pluviometre tradiționale. Am o cană cilindrică normală. Asigurați-vă că este suficient de largă pentru ca o undă sonoră adecvată să coboare în partea de jos. Cred că o țeavă din PVC de 75 x 300 mm va funcționa. Pentru a testa dacă semnalul trece prin cilindrul dvs. și să revină în mod corespunzător, măsurați distanța de la cenzor până la partea inferioară a cilindrului cu o riglă, comparați această măsurare cu distanța pe care o obțineți de la distanța estimată a senzorului TOF (Ora zborului) până la fund.

Pasul 4: Calcule și calibrare (Pasul 4)

Ce înseamnă ploaie de 1 milimetru? O ploaie de un mm înseamnă că dacă ați avut un cub de 1000 mm X 1000 mm X 1000 mm sau 1 m X 1 m X 1 m, cubul va avea o adâncime de 1 mm apă de ploaie dacă l-ați lăsat afară când plouă. Dacă goliți această ploaie într-o sticlă de 1 litru, aceasta va umple sticla 100%, iar apa va măsura și 1 kg. Diferite aparate de ploaie au zone de captare diferite. Dacă zona de captare a gabaritului dvs. a fost 1m X 1m, este ușor.

De asemenea, 1 gram de apă este 1 ml convențional

Pentru a calcula precipitațiile în mm de la gabarit, puteți face următoarele după ce ați cântărit apa de ploaie:

W este greutatea precipitațiilor în grame sau mililitri

A este zona dvs. de captare în mm pătrat

R este cantitatea totală de precipitații în mm

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

Există două posibilități în utilizarea HC-SR04 pentru a estima W (aveți nevoie de W pentru a calcula R).

Metoda 1: Utilizați fizică simplă

Măsurați distanța de la HC-SR până la partea inferioară a indicatorului (făceați și un pas anterior) cu senzorul folosind calculele TOF (Time of Flight) din scriptul python de la https://www.modmypi. com / blog / hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-raspberry-pi Apelați acest CD (adâncimea cilindrului)

Măsurați zona inferioară a cilindrului cu orice lucru potrivit în mm pătrat. Chemați acest IA.

Acum aruncați 2 ml apă (sau orice cantitate adecvată) în cilindru. Folosind senzorul nostru, estimați distanța până la noul nivel al apei în mm, Cal acest Dist_To_Water).

Adâncimea apei (WD) în mm este:

WD = CD - Dist_To_Water (Sau adâncimea cilindrului minus distanța de la cenzor la nivelul apei)

Nu, greutatea estimată a apei este

W = WD x IA în ml sau grame (Amintiți-vă 1 ml greutăți de apă 1 gram)

Acum puteți estima precipitațiile (R) în mm cu W x [(1000 x 1000) / A] așa cum s-a explicat anterior.

Metoda 2: Calibrați contorul cu statistici

Deoarece HC-SR04 nu este perfect (pot apărea erori), se pare că este cel puțin constant în măsurarea dacă cilindrul dvs. este potrivit.

Construiți un model liniar cu citiri ale senzorilor (sau distanțele senzorului) ca variabilă dependentă și greutățile injectate ale apei ca variabilă dependentă.

Pasul 5: Software (Pasul 5)

Software-ul pentru acest proiect este încă în curs de dezvoltare.

Scripturile python de la https://www.modmypi.com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi ar trebui să poată fi utilizate.

Atașați câteva aplicații python utile (General Public License) dezvoltate de mine.

Plănuiesc să dezvolt o interfață web pentru stația meteo completă mai târziu. Atașați sunt câteva dintre programele mele utilizate pentru calibrarea contorului și efectuarea citirilor senzorilor

Utilizați scriptul de calibrare atașare pentru a calibra indicatorul statistic. Importați datele într-o foaie de calcul pentru a le analiza.

Pasul 6: Încă de făcut (Pasul 6)

Este necesară o electrovalvă pentru a goli rezervorul când este plin (Aproape de senzor)

Primele câteva picături de ploaie nu sunt întotdeauna măsurate corect, mai ales dacă gabaritul nu este nivelat corespunzător. Sunt în proces de dezvoltare a unui contor de apă pentru a captura corect aceste picături. Mi-ar fi viitorul viitor.

Adăugați un al doilea senzor cu ultrasunete pentru a măsura efectul temperaturii asupra TOF. În curând voi posta o actualizare în acest sens.

Am găsit următoarea resursă care vă poate ajuta

www.researchgate.net/profile/Zheng_Guilin3/publication/258745832_An_Innovative_Principle_in_Self-Calibration_by_Dual_Ultrasonic_Sensor_and_Application_in-Rain_Gauge/links/540d53e00cf2f2f2b2b2a2a2 Rain-Gauge.pdf