Pluviometro ad ultrasuoni: Stazione meteorologica aperta Raspebbery Pi: Parte 1: 6 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Le stazioni meteorologiche IoT (Internet Of Things) disponibili in commercio sono costose e non sono disponibili ovunque (come in Sud Africa). Le condizioni meteorologiche estreme ci colpiscono. SA sta vivendo la siccità più dura da decenni, la terra si sta surriscaldando e gli agricoltori lottano per produrre in modo redditizio, senza il supporto tecnico o finanziario del governo per gli agricoltori commerciali.

Ci sono alcune stazioni meteorologiche Raspberry Pi in giro, come quella che la Raspberry Pi Foundation costruisce per le scuole del Regno Unito, ma non è disponibile per il pubblico in generale. Esistono molti sensori adatti, alcuni analogici, alcuni digitali, alcuni a stato solido, alcuni con parti mobili e alcuni sensori molto costosi come gli anemometri a ultrasuoni (velocità e direzione del vento)

Ho deciso che costruire una stazione meteorologica open source e hardware aperta, con parti generali disponibili in Sud Africa, potrebbe essere un progetto molto utile e mi divertirò molto (e impegnativi mal di testa).

Ho deciso di iniziare con un pluviometro a stato solido (senza parti mobili). Il tradizionale secchio ribaltabile non mi ha impressionato in quella fase (anche se a quel punto non ne avevo mai usato uno). Quindi, ho pensato, la pioggia è acqua e l'acqua conduce elettricità. Esistono molti sensori resistivi analogici in cui la resistenza diminuisce quando il sensore entra in contatto con l'acqua. Ho pensato che questa sarebbe stata una soluzione perfetta. Sfortunatamente quei sensori soffrono di tutti i tipi di anomalie come l'elettrolisi e la disossidazione e le letture di quei sensori erano inaffidabili. Ho persino costruito le mie sonde in acciaio inossidabile e un piccolo circuito stampato con relè per creare corrente continua alternata (costante 5 volt, ma alternando i poli positivo e negativo) per eliminare l'elettrolisi, ma le letture erano ancora instabili.

La mia ultima scelta è il sensore di suoni ad ultrasuoni. Questo sensore collegato alla parte superiore del manometro, può misurare la distanza dal livello dell'acqua. Con mia sorpresa, questo sensore era molto preciso e molto economico (meno di 50 ZAR o 4 USD)

Passaggio 1: parti necessarie (passo 1)

Avrai bisogno di quanto segue

1) 1 Raspberry Pi (qualsiasi modello, sto usando un Pi 3)

2) 1 bordo di pane

3) Alcuni cavi jumper

4) Un resistore da un Ohm e un resistore da due (o 2.2) Ohm

5) Una vecchia tazza lunga per riporre la pioggia. Ho stampato il mio (copia digitale disponibile)

6) Un vecchio pluviometro manuale che cattura parte (oppure puoi progettarne uno tuo e stamparlo)

7) Strumenti di misura per misurare i millilitri o una bilancia per pesare l'acqua

8) Il sensore a ultrasuoni HC-SR04 (i sudafricani possono ottenerli da Communica)

Passaggio 2: creazione del circuito (passo 2)

Ho trovato alcune guide molto utili per aiutarmi a costruire il circuito e a scrivere gli script Python per questo progetto. Questo script calcola le distanze e lo utilizzerai per calcolare la distanza tra il sensore montato nella parte superiore del serbatoio dell'indicatore e il livello dell'acqua

Potete trovare qui:

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

Studialo, costruisci il tuo circuito, collegalo al tuo pi e gioca con il codice Python. Assicurati di costruire il partitore di tensione corretto. Ho usato un resistore da 2,2 ohm tra GPIO 24 e GND.

Passaggio 3: costruisci il tuo indicatore (passaggio 3)

Puoi stampare il tuo calibro, utilizzare un calibro o una tazza esistenti. Il sensore HC-SR04 sarà collegato alla parte superiore del serbatoio principale del manometro. È importante assicurarsi che rimanga sempre asciutto.

È importante comprendere l'angolo di misurazione del sensore HC-SR04. Non è possibile fissarlo alla sommità di un cono sotto forma di pluviometri tradizionali. Va bene una normale tazza cilindrica. Assicurati che sia abbastanza largo da consentire a un'onda sonora adeguata di scendere fino in fondo. Penso che un tubo in PVC da 75 x 300 mm andrà bene. Per verificare se il segnale sta attraversando il cilindro e rimbalza correttamente, misurare la distanza dal censore alla parte inferiore del cilindro con un righello, confrontare tale misurazione con la distanza che si ottiene dal sensore TOF (tempo di volo) distanza stimata In fondo.

Fase 4: Calcoli e calibrazione (Fase 4)

Cosa significa pioggia di 1 millimetro? Un mm di pioggia significa che se hai un cubo di 1000 mm X 1000 mm X 1000 mm o 1 m X 1 m X 1 m, il cubo avrà una profondità di 1 mm di acqua piovana se lo hai lasciato fuori quando piove. Se svuoti questa pioggia in una bottiglia da 1 litro, riempirà la bottiglia al 100% e l'acqua misurerà anche 1 kg. Diversi pluviometri hanno diversi bacini di utenza. Se il tuo bacino di utenza del tuo misuratore era 1 m X 1 m è facile.

Inoltre, 1 grammo di acqua è convenzionale 1 ml

Per calcolare la tua pioggia in mm dal tuo manometro puoi fare quanto segue dopo aver pesato l'acqua piovana:

W è il peso delle precipitazioni in grammi o millilitri

A è il tuo bacino di utenza in mm square quadrati

R è la tua piovosità totale in mm

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

Ci sono due possibilità nell'uso dell'HC-SR04 per stimare W (è necessario W per calcolare R).

Metodo 1: usa la fisica semplice

Misurare la distanza dall'HC-SR alla parte inferiore del misuratore (lo stavi facendo anche in un passaggio precedente) con il sensore utilizzando i calcoli TOF (Time of Flight) nello script python da https://www.modmypi. com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi Chiama questo CD (profondità del cilindro)

Misura l'area della parte inferiore interna del cilindro con qualsiasi cosa adatta in mm quadrati. Chiama questo IA.

Ora getta 2 ml di acqua (o qualsiasi quantità adatta) nella bombola. Utilizzando il nostro sensore, stimare la distanza dal nuovo livello dell'acqua in mm, Cal this Dist_To_Water).

La profondità dell'acqua (WD) in mm è:

WD=CD - Dist_To_Water (o la profondità del cilindro meno la distanza dal censore al livello dell'acqua)

No, il peso stimato dell'acqua è

W=WD x IA in ml o grammi (ricorda che 1 ml di acqua pesa 1 grammo)

Ora puoi stimare le precipitazioni (R) in mm con W x [(1000 x 1000)/A] come spiegato in precedenza.

Metodo 2: Calibra il tuo strumento con Statistics

Poiché l'HC-SR04 non è perfetto (possono verificarsi errori), sembra che sia almeno costante nel misurare se il tuo cilindro è adatto.

Costruisci un modello lineare con le letture del sensore (o le distanze del sensore) come variabile dipendente e i pesi dell'acqua iniettata come variabile dipendente.

Passaggio 5: software (passo 5)

Il software per questo progetto è ancora in fase di sviluppo.

Gli script Python su https://www.modmypi.com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi dovrebbero essere utilizzabili.

Attach sono alcune utili applicazioni Python (General Public License) sviluppate da me.

Ho intenzione di sviluppare un'interfaccia web per la stazione meteorologica completa in un secondo momento. Allega alcuni dei miei programmi utilizzati per calibrare lo strumento e fare letture del sensore

Utilizzare lo script di calibrazione allegata per calibrare statisticamente il misuratore. Importa i dati in un foglio di calcolo da analizzare.

Passaggio 6: ancora da fare (passo 6)

È necessaria un'elettrovalvola per svuotare il serbatoio quando è pieno (vicino al sensore)

Le prime gocce di pioggia non vengono sempre misurate correttamente, soprattutto se l'indicatore non è correttamente livellato. Sto sviluppando un disdrometro per catturare correttamente queste gocce. Il disdro il mio futuro prossimo.

Aggiungi un secondo sensore a ultrasuoni per misurare l'effetto della temperatura sul TOF. Presto pubblicherò un aggiornamento su questo.

Ho trovato la seguente risorsa che può aiutare

www.researchgate.net/profile/Zheng_Guilin3/publication/258745832_An_Innovative_Principle_in_Self-Calibration_by_Dual_Ultrasonic_Sensor_and_Application_in_Rain_Gauge/links/540d53e00cf2f2b-Sens-or-D-P-in-p-libbl-Innovative-in-Sebylf Pluviometro.pdf