Ultrazvučni mjerač kiše: Raspebbery Pi Open Weather Station: Dio 1: 6 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:07

Komercijalno dostupan IoT (Internet of Things) Vremenske stanice su skupe i nisu dostupne svugdje (kao u Južnoj Africi). Ekstremni vremenski uslovi nas pogađaju. SA doživljava najtežu sušu u posljednjih nekoliko decenija, zemlja se zagrijava i poljoprivrednici se bore za proizvodnju profitabilne, bez tehničke ili finansijske podrške vlade komercijalnim poljoprivrednicima.

U blizini postoji nekoliko meteoroloških stanica Raspberry Pi, poput one koju je Fondacija Raspberry Pi izgradila za škole u Velikoj Britaniji, ali nije dostupna široj javnosti. Postoji mnogo odgovarajućih senzora, neki analogni, neki digitalni, neki čvrsti, neki s pokretnim dijelovima i neki vrlo skupi senzori poput ultrazvučnih anemometara (brzina i smjer vjetra)

Odlučio sam da izgradnja open source, hardverske meteorološke stanice, sa dijelovima općenito dostupnim u Južnoj Africi, može biti vrlo koristan projekt i ja ću se jako zabaviti (i izazvati glavobolje).

Odlučio sam početi s polumjerom za kišu (bez pokretnih dijelova). Tradicionalna korpa za prevrtanje me u toj fazi nije impresionirala (čak sam mislila da je do tada nisam ni koristila). Pa sam mislio, kiša je voda, a voda provodi električnu energiju. Postoji mnogo analognih otpornih senzora kod kojih se otpor smanjuje pri kontaktu senzora s vodom. Mislio sam da će ovo biti savršeno rješenje. Nažalost, ti senzori pate od svih vrsta anomalija poput elektrolize i deoksidacije, a očitanja tih senzora bila su nepouzdana. Čak sam i izgradio vlastite sonde od nehrđajućeg čelika i malu ploču s relejima za stvaranje izmjenične istosmjerne struje (konstantnih 5 volti, ali naizmjenično pozitivnih i negativnih polova) kako bih uklonio elektrolizu, ali očitanja su i dalje bila nestabilna.

Moj posljednji izbor je ultrazvučni senzor zvuka. Ovaj senzor spojen na vrh mjerača može mjeriti udaljenost do nivoa vode. Na moje iznenađenje, ovi senzori su bili vrlo precizni i vrlo jeftini (Manje od 50 ZAR ili 4 USD)

Korak 1: Potrebni dijelovi (Korak 1)

Trebat će vam sljedeće

1) 1 Raspberry Pi (bilo koji model, koristim Pi 3)

2) 1 Bread Bord

3) Neki kratkospojni kablovi

4) Otpornik od jednog oma i otpornik od dva (ili 2,2) oma

5) Stara duga čaša za čuvanje kiše. Ja sam svoje štampao (dostupna mekana kopija)

6) Stari dio za hvatanje ručnim mjeračem kiše (ili možete sami dizajnirati i odštampati)

7) Merna oprema za merenje mililitara ili vaga za merenje težine vode

8) HC-SR04 ultrazvučni senzor (Južnoafrikanci ih mogu nabaviti putem Communica)

Korak 2: Izgradite svoj krug (korak 2)

Našao sam vrlo koristan vodič koji će mi pomoći u izgradnji kola i pisanju python skripti za ovaj projekt. Ovaj skript izračunava udaljenosti i pomoću njega ćete izračunati udaljenost između senzora montiranog na vrhu vašeg mjerača i razine vode

Možete ga pronaći ovdje:

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

Proučite ga, izgradite svoj krug, povežite ga na svoj pi i igrajte se s python kodom. Provjerite jeste li pravilno izgradili razdjelnik napona. Koristio sam otpornik od 2,2 ohma između GPIO 24 i GND.

Korak 3: Izgradite svoj mjerač (korak 3)

Možete ispisati svoj mjerač, upotrijebiti postojeći mjerač ili čašu. Senzor HC-SR04 bit će pričvršćen na vrh glavnog spremnika vašeg mjerača. Važno je osigurati da uvijek ostane suho.

Važno je razumjeti mjerni kut vašeg senzora HC-SR04. Ne možete ga pričvrstiti na vrh konusa iz tradicionalnih mjerača kiše. Ja normalna cilindrična čaša će to učiniti. Uvjerite se da je dovoljno širok da se pravi zvučni val spusti do dna. Mislim da će PVC cijev 75 x 300 mm biti dovoljna. Da biste provjerili prolazi li signal kroz vaš cilindar i pravilno se odskočio, izmjerite udaljenost od cenzora do dna cilindra ravnalom, usporedite to mjerenje s udaljenošću koju dobijete od senzora TOF (vrijeme leta) procijenjene udaljenosti do dna.

Korak 4: Proračuni i kalibracija (Korak 4)

Šta znači 1 milimetar kiše? Kiša od 1 mm znači da ako ste imali kocku 1000 mm X 1000 mm X 1000 mm ili 1 m X 1 m X 1 m, kocka će imati dubinu od 1 mm kišnice ako ste je ostavili vani dok pada kiša. Ako ovu kišu ispraznite u bocu od 1 litre, ona će napuniti bocu 100 %, a voda će mjeriti i 1 kg. Različiti mjerači kiše imaju različita slivna područja. Ako je vaša slivna površina vašeg gabarita bila 1m X 1m, to je lako.

Takođe, 1 gram vode je uobičajen 1 ml

Da biste izračunali svoje količine oborina u mm iz vašeg mjerača, možete učiniti sljedeće nakon vaganja kišnice:

W je masa kiše u gramima ili mililitrima

A je vaša slivna površina u kvadratnim mm

R su vaše ukupne količine padavina u mm

R = Š x [(1000 x 1000)/A]

Postoje dvije mogućnosti korištenja HC-SR04 za procjenu W (trebate W za izračunavanje R).

Metoda 1: Koristite običnu fiziku

Izmjerite udaljenost od HC-SR do dna vašeg mjerača (radili ste to i u prethodnom koraku) pomoću senzora pomoću TOF (Time of Flight) proračuna u python skripti sa https://www.modmypi. com/blog/hc-sr04-ultrazvučni senzor dometa-na-malini-pi Nazovite ovaj CD (dubina cilindra)

Izmjerite površinu unutrašnjeg dna vašeg cilindra bilo čime prikladnim u kvadratnim mm. Nazovite ovo interne revizije.

Sada bacite 2 ml vode (ili bilo koju odgovarajuću količinu) u svoj cilindar. Pomoću našeg senzora procijenite udaljenost do novog nivoa vode u mm, izmjerite ovu Dist_To_Water).

Dubina vode (WD) u mm je:

WD = CD - Dist_To_Water (Ili dubina cilindra minus minus udaljenost od cenzora do nivoa vode)

Ne, procijenjena težina vode je

W = WD x IA u ml ili gramima (Zapamtite 1 ml vode težine 1 gram)

Sada možete procijeniti količinu padavina (R) u mm sa W x [(1000 x 1000)/A] kao što je prethodno objašnjeno.

Metoda 2: Kalibrirajte svoj mjerač pomoću statistike

Budući da HC-SR04 nije savršen (mogu se pojaviti greške), čini se da je barem konstantan u mjerenju je li vaš cilindar prikladan.

Izgradite linearni model sa očitanjima senzora (ili udaljenostima senzora) kao zavisnom promenljivom i ubrizganom težinom vode kao zavisnom promenljivom.

Korak 5: Softver (Korak 5)

Softver za ovaj projekat je još u razvoju.

Python skripte na https://www.modmypi.com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi trebale bi biti upotrebljive.

Attach su neke korisne aplikacije za Python (Opća javna licenca) koje sam razvio.

Kasnije planiram razviti web sučelje za kompletnu meteorološku stanicu. Attach je neki od mojih programa koji se koriste za kalibraciju mjerača i očitavanje senzora

Upotrijebite skriptu za kalibraciju za pričvršćivanje da biste statistički kalibrirali mjerač. Uvezite podatke u proračunsku tablicu za analizu.

Korak 6: Još uvijek trebate učiniti (Korak 6)

Elektromagnetni ventil je potreban za pražnjenje rezervoara kada je pun (blizu senzora)

Prvih nekoliko kapi kiše nije uvijek pravilno izmjereno, posebno ako mjerač nije pravilno izravnan. Trenutno razvijam mjerač za mjerenje diska koji će ispravno zabilježiti te kapi. Sledeća je moja budućnost.

Dodajte drugi ultrazvučni senzor za mjerenje učinka temperature na TOF. Uskoro ću objaviti ažuriranje o ovome.

Pronašao sam sljedeći izvor koji bi mogao pomoći

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