Ултразвуков габарит: Raspebbery Pi Open Weather Station: Част 1: 6 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

Търговски налични IoT (Интернет на нещата) Метеорологичните станции са скъпи и не се предлагат навсякъде (като в Южна Африка). Екстремни метеорологични условия ни връхлитат. SA преживява най -тежката суша от десетилетия, земята се нагрява и фермерите се борят да произвеждат рентабилно, без техническа или финансова подкрепа от правителството за търговските земеделски производители.

Наоколо има няколко метеорологични станции Raspberry Pi, като тази, която Фондацията Raspberry Pi изгражда за училища във Великобритания, но не е достъпна за широката публика. Съществуват много подходящи сензори, някои аналогови, някои цифрови, някои твърдотелни, някои с движещи се части и някои много скъпи сензори като ултразвукови анемометри (скорост и посока на вятъра)

Реших, че изграждането на метеорологична станция с отворен код, с отворен хардуер, с общи части, налични в Южна Африка, може да бъде много полезен проект и ще се забавлявам много (и предизвикателни главоболия).

Реших да започна с твърдотел (без движещи се части) манометър. Традиционната кофа за преобръщане не ме впечатли на този етап (дори мислех, че никога не съм я използвал дотогава). Така че, помислих си, дъждът е вода и водата провежда електричество. Има много аналогови резистивни сензори, при които съпротивлението намалява, когато сензорът влезе в контакт с вода. Мислех, че това ще бъде перфектно решение. За съжаление тези сензори страдат от всякакви аномалии като електролиза и дезоксидация и показанията от тези сензори са ненадеждни. Аз дори изграждам свои собствени сонди от неръждаема стомана и малка платка с релета, за да създам променлив постоянен ток (постоянен 5 волта, но с редуване на положителния и отрицателния полюс), за да елиминирам електролизата, но показанията все още бяха нестабилни.

Последният ми избор е ултразвуков сензор за звук. Този сензор, свързан към горната част на манометъра, може да измери разстоянието до нивото на водата. За моя изненада тези сензори бяха много точни и много евтини (По -малко от 50 ZAR или 4 USD)

Стъпка 1: Необходими части (Стъпка 1)

Ще ви трябва следното

1) 1 Raspberry Pi (Всеки модел, използвам Pi 3)

2) 1 Борд за хляб

3) Някои джъмперни кабели

4) Един резистор с един ом и два (или 2.2) ома резистор

5) Стара дълга чаша за съхранение на дъжда. Отпечатах моя (налично е меко копие)

6) Стара ръчна част за улавяне на дъждомер (Или можете да проектирате своя собствена и да я отпечатате)

7) Измервателно оборудване за измерване на милилитри или везна за тегло на водата

8) Ултразвуков сензор HC-SR04 (южноафриканците могат да ги получат от Communica)

Стъпка 2: Изграждане на веригата (Стъпка 2)

Намерих някои много полезни ръководства, които да ми помогнат да изградя веригата и да напиша скриптовете на python за този проект. Този скрипт изчислява разстояния и вие ще го използвате, за да изчислите разстоянието между сензора, монтиран в горната част на резервоара за измерване, и нивото на водата

Можете да го намерите тук:

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

Проучете го, изградете веригата си, свържете я към вашия pi и играйте с кода на python. Уверете се, че сте изградили правилно делителя на напрежението. Използвах резистор 2.2 ома между GPIO 24 и GND.

Стъпка 3: Изградете своя габарит (Стъпка 3)

Можете да отпечатате своя габарит, да използвате съществуващ манометър или чаша. Сензорът HC-SR04 ще бъде прикрепен към горната част на основния резервоар на вашия габарит. Важно е да се уверите, че тя ще остане суха през цялото време.

Важно е да разберете ъгъла на измерване на вашия сензор HC-SR04. Не можете да го прикрепите към върха на конус от традиционните дъгомери. Аз нормална цилиндрична чаша ще го направя. Уверете се, че е достатъчно широк, за да може правилната звукова вълна да слезе до дъното. Мисля, че PVC тръба 75 х 300 мм ще се справи. За да проверите дали сигналът преминава през цилиндъра ви и да отскочите правилно, измерете разстоянието от цензора до дъното на цилиндъра си с линийка, сравнете това измерване с разстоянието, което получавате от прогнозираното разстояние на сензора TOF (време на полет) до дъното.

Стъпка 4: Изчисления и калибриране (Стъпка 4)

Какво означава 1 милиметров дъжд? Един мм дъжд означава, че ако сте имали куб от 1000 мм х 1000 мм х 1000 мм или 1 м х 1 м х 1 м, кубът ще има дълбочина от 1 мм дъждовна вода, ако сте го оставили навън, когато вали. Ако изпразните този дъжд в бутилка от 1 литър, тя ще напълни бутилката 100 %, а водата също ще измери 1 кг. Различните дъгомери имат различни водосбори. Ако вашата водосборна площ на вашия габарит е 1m X 1m, това е лесно.

Също така, 1 грам вода е конвенционален 1 мл

За да изчислите валежите си в мм от вашия габарит, можете да направите след след претегляне на дъждовната вода:

W е теглото на валежите в грамове или милилитри

A е вашата водосборна площ в квадратни мм

R е общото количество валежи в мм

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

Има две възможности при използване на HC-SR04 за оценка на W (имате нужда от W, за да изчислите R).

Метод 1: Използвайте обикновена физика

Измерете разстоянието от HC-SR до дъното на вашия манометър (Правехте го и в предишна стъпка) със сензора, като използвате TOF (Time of Flight) изчисления в скрипта на python от https://www.modmypi. com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi Обадете се на този компактдиск (Дълбочина на цилиндъра)

Измерете площта на вътрешното дъно на вашия цилиндър с всичко подходящо в квадратни мм. Обадете се на това IA.

Сега изсипете 2 ml вода (или друго подходящо количество) в бутилката си. Използвайки нашия сензор, преценете разстоянието до новото ниво на водата в mm, Cal this Dist_To_Water).

Дълбочината на водата (WD) в мм е:

WD = CD - Dist_To_Water (Или дълбочина на цилиндъра минус разстоянието от цензора до нивото на водата)

Не, приблизителното тегло на водата е

W = WD x IA в ml или грамове (Не забравяйте, че 1 ml вода тежи 1 грам)

Сега можете да оцените валежите (R) в mm с W x [(1000 x 1000)/A], както е обяснено по -рано.

Метод 2: Калибрирайте измервателния уред със статистика

Тъй като HC-SR04 не е перфектен (може да се получат грешки), изглежда, че той е поне постоянен при измерването дали вашият цилиндър е подходящ.

Изградете линеен модел с показания на сензора (или разстояния на сензора) като зависима променлива и инжектирани тегла на водата като зависима променлива.

Стъпка 5: Софтуер (Стъпка 5)

Софтуерът за този проект все още се разработва.

Скриптовете на python на адрес https://www.modmypi.com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi трябва да бъдат използваеми.

Attach са някои полезни приложения на Python (Общ публичен лиценз), разработени от мен.

Планирам по -късно да разработя уеб интерфейс за пълната метеорологична станция. Attach са някои от моите програми, използвани за калибриране на глюкомера и извършване на показания на сензора

Използвайте скрипта за калибриране за прикачване, за да калибрирате статистически измервателния уред. Импортирайте данните в електронна таблица за анализ.

Стъпка 6: Все още предстои (Стъпка 6)

Необходим е електромагнитен клапан за изпразване на резервоара, когато е пълен (близо до сензора)

Първите няколко капки дъжд не винаги се измерват правилно, особено ако манометърът не е правилно изравнен. В процес съм на разработване на измервателен уред за дистрибуция, който да улавя правилно тези капки. Следващото бъдеще е моето бъдеще.

Добавете втори ултразвуков сензор за измерване на ефекта от температурата върху TOF. Скоро ще публикувам актуализация по този въпрос.

Открих следния ресурс, който може да помогне

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