Ultraskaņas lietus mērītājs: Raspebbery Pi atvērta laika stacija: 1. daļa: 6 soļi

2025 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2025-01-23 14:59

Komerciāli pieejamas IoT (lietu interneta) laika stacijas ir dārgas un nav pieejamas visur (piemēram, Dienvidāfrikā). Mūs piemeklē ārkārtīgi laika apstākļi. SA piedzīvo smagāko sausumu pēdējo gadu desmitu laikā, zeme sakarst un lauksaimnieki cīnās, lai ražotu rentabli, bez valdības tehniskā vai finansiālā atbalsta komerciālajiem lauksaimniekiem.

Apkārt ir dažas Raspberry Pi laika stacijas, piemēram, tā, ko Raspberry Pi fonds būvē Apvienotās Karalistes skolām, taču tā nav pieejama plašai sabiedrībai. Pastāv daudz piemērotu sensoru, daži analogie, daži digitālie, daži cietā stāvoklī, daži ar kustīgām daļām un daži ļoti dārgi sensori, piemēram, ultraskaņas anemometri (vēja ātrums un virziens)

Es nolēmu izveidot atvērtā pirmkoda, atvērtas aparatūras meteoroloģisko staciju ar Dienvidāfrikā vispārēji pieejamām daļām, var būt ļoti noderīgs projekts, un man būs daudz jautrības (un izaicinošas galvassāpes).

Es nolēmu sākt ar cietvielu (bez kustīgām daļām) lietus mērītāju. Tradicionālais izgāšanas spainis mani tajā brīdī neietekmēja (pat domāja, ka līdz tam es nekad to neizmantoju). Tātad, es domāju, lietus ir ūdens un ūdens vada elektrību. Ir daudz analogo pretestības sensoru, kuru pretestība samazinās, kad sensors nonāk saskarē ar ūdeni. Es domāju, ka tas būs ideāls risinājums. Diemžēl šie sensori cieš no visa veida anomālijām, piemēram, elektrolīzes un deoksidācijas, un šo sensoru rādījumi bija neuzticami. Es pat uzbūvēju savas nerūsējošā tērauda zondes un nelielu shēmas plati ar relejiem, lai radītu maiņstrāvu (nemainīga 5 volti, bet mainot pozitīvos un negatīvos polus), lai novērstu elektrolīzi, bet rādījumi joprojām bija nestabili.

Mana pēdējā izvēle ir ultraskaņas skaņas sensors. Šis sensors, kas savienots ar mērierīces augšdaļu, var izmērīt attālumu līdz ūdens līmenim. Man par pārsteigumu, šie sensori bija ļoti precīzi un ļoti lēti (mazāk nekā 50 ZAR vai 4 USD)

1. darbība. Nepieciešamās detaļas (1. darbība)

Jums būs nepieciešams šāds

1) 1 Raspberry Pi (jebkurš modelis, es izmantoju Pi 3)

2) 1 Bread Bord

3) Daži pārejas kabeļi

4) Viena omu rezistors un divu (vai 2,2) omu rezistors

5) Vecs garš kauss lietus uzglabāšanai. Es izdrukāju savu (pieejama mīksta kopija)

6) Veca manuāla lietus mērītāja uztveršanas daļa (vai arī jūs varat izveidot savu un izdrukāt to)

7) Mērīšanas iekārta mililitru mērīšanai vai skala ūdens svara mērīšanai

8) HC-SR04 ultraskaņas sensors (Dienvidāfrikas iedzīvotāji tos var iegūt no Communica)

2. darbība: ķēdes izveide (2. darbība)

Es atradu ļoti noderīgu rokasgrāmatu, kas man palīdzēs izveidot ķēdi un uzrakstīt šī projekta python skriptus. Šis skripts aprēķina attālumus, un jūs to izmantosit, lai aprēķinātu attālumu starp sensora augšpusē uzstādīto sensoru un ūdens līmeni

Jūs to varat atrast šeit:

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

Izpētiet to, izveidojiet ķēdi, savienojiet to ar savu pi un spēlējiet ar pitona kodu. Pārliecinieties, vai esat pareizi izveidojis sprieguma dalītāju. Es izmantoju 2,2 omu rezistoru starp GPIO 24 un GND.

3. darbība. Izveidojiet mērierīci (3. darbība)

Jūs varat izdrukāt savu mērierīci, izmantot esošu mērierīci vai krūzīti. HC-SR04 sensors tiks piestiprināts jūsu mērierīces galvenās tvertnes augšpusē. Ir svarīgi pārliecināties, ka tas vienmēr būs sauss.

Ir svarīgi saprast HC-SR04 sensora mērīšanas leņķi. Jūs nevarat to piestiprināt konusa augšpusē, veidojot tradicionālos lietus mērītājus. Es normāls cilindrisks kauss darīs. Pārliecinieties, vai tas ir pietiekami plašs, lai pienācīgs skaņas vilnis nokristu līdz apakšai. Es domāju, ka 75 x 300 mm PVC caurule derēs. Lai pārbaudītu, vai signāls iet caur jūsu cilindru un pareizi atlec, izmēriet attālumu no cenzora līdz cilindra apakšai ar lineālu, salīdziniet šo mērījumu ar attālumu, ko iegūstat no sensora aprēķinātā attāluma TOF (lidojuma laiks) līdz apakšai.

4. darbība. Aprēķini un kalibrēšana (4. darbība)

Ko nozīmē 1 milimetru lietus? Viens mm lietus nozīmē, ka, ja jums būtu kubs 1000 mm X 1000 mm X 1000 mm vai 1 m X 1 m X 1 m, kuba dziļums būtu 1 mm lietus ūdens, ja jūs to atstājāt ārā, kad līst lietus. Ja iztukšosiet šo lietu 1 litra pudelē, tas piepildīs pudeli par 100 %, un ūdens mērīs arī 1 kg. Dažādiem lietus mērītājiem ir dažādi sateces baseini. Ja jūsu mērinstrumenta sateces baseins bija 1 m x 1 m, tas ir vienkārši.

Arī 1 g ūdens ir parasts 1 ml

Lai pēc lietus ūdens svara aprēķinātu nokrišņu daudzumu mm, varat veikt šādas darbības:

W ir nokrišņu daudzums gramos vai mililitros

A ir jūsu sateces baseins kvadrātmetros

R ir jūsu kopējais nokrišņu daudzums mm

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

Ir divas iespējas, kā izmantot HC-SR04, lai novērtētu W (jums ir nepieciešams W, lai aprēķinātu R).

1. metode: izmantojiet vienkāršu fiziku

Izmēriet attālumu no HC-SR līdz mērinstrumenta apakšdaļai (jūs to darījāt arī iepriekšējā solī) ar sensoru, izmantojot TOF (lidojuma laika) aprēķinus python skriptā no https://www.modmypi. com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-aveņu-pi Zvaniet šim kompaktdiskam (cilindra dziļums)

Izmēriet cilindra apakšējās daļas laukumu ar jebkuru piemērotu kvadrātmetru. Sauciet šo IA.

Tagad ielejiet cilindrā 2 ml ūdens (vai jebkura cita piemērota daudzuma). Izmantojot mūsu sensoru, novērtējiet attālumu līdz jaunajam ūdens līmenim milimetros, aprēķiniet šo Dist_To_Water).

Ūdens dziļums (WD) mm ir:

WD = CD - Dist_To_Water (vai cilindra dziļums mīnus attālums no cenzora līdz ūdens līmenim)

Nav aprēķinātais ūdens svars

W = WD x IA ml vai gramos (atcerieties, ka 1 ml ūdens sver 1 gramu)

Tagad jūs varat novērtēt nokrišņu daudzumu (R) mm ar W x [(1000 x 1000)/A], kā aprakstīts iepriekš.

2. metode: kalibrējiet skaitītāju, izmantojot statistiku

Tā kā HC-SR04 nav ideāls (var rasties kļūdas), šķiet, ka tas ir vismaz nemainīgs, ja jūsu cilindrs ir piemērots.

Izveidojiet lineāru modeli ar sensoru rādījumiem (vai sensora attālumiem) kā atkarīgo mainīgo un ievadīto ūdens svaru kā atkarīgo mainīgo.

5. darbība: programmatūra (5. darbība)

Šī projekta programmatūra joprojām tiek izstrādāta.

Python skriptiem vietnē https://www.modmypi.com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi jābūt izmantojamiem.

Pievienot ir noderīgas dažas python lietojumprogrammas (vispārējā publiskā licence), ko esmu izstrādājis pats.

Vēlāk plānoju izstrādāt tīmekļa saskarni visai meteostacijai. Pievienot ir dažas no manām programmām, ko izmanto, lai kalibrētu skaitītāju un veiktu sensora rādījumus

Izmantojiet pievienoto kalibrēšanas skriptu, lai statistiski kalibrētu mērierīci. Importējiet datus izklājlapā, lai tos analizētu.

6. darbība. Vēl jādara (6. darbība)

Lai iztukšotu tvertni, ir nepieciešams solenoīda vārsts (tuvu sensoram)

Pirmie lietus pilieni ne vienmēr tiek mērīti pareizi, it īpaši, ja mērinstruments nav pareizi izlīdzināts. Es izstrādāju disdro mērītāju, lai pareizi notvertu šos pilienus. Disdro mana nākotne.

Pievienojiet otru ultraskaņas sensoru, lai izmērītu temperatūras ietekmi uz TOF. Es drīz publicēšu atjauninājumu par šo.

Es atradu šādu resursu, kas var palīdzēt

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- Lietus mērītājs.pdf