باران سنج التراسونیک: ایستگاه هواشناسی باز Raspebbery Pi: قسمت 1: 6 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:55

IoT (اینترنت اشیاء) تجاری موجود ایستگاه های آب و هوایی گران هستند و در همه جا در دسترس نیستند (مانند آفریقای جنوبی). شرایط سخت جوی به ما ضربه می زند. SA سخت ترین خشکسالی دهه های گذشته را تجربه می کند ، زمین گرم می شود و کشاورزان برای تولید سودآور تلاش می کنند ، بدون حمایت فنی یا مالی دولت برای کشاورزان تجاری.

چند ایستگاه هواشناسی رزبری پای در اطراف وجود دارد ، مانند ایستگاهی که Raspberry Pi برای مدارس انگلستان ساخته است ، اما برای عموم مردم در دسترس نیست. بسیاری از سنسورهای مناسب وجود دارد ، برخی آنالوگ ، برخی دیجیتال ، برخی حالت جامد ، برخی دارای قطعات متحرک و برخی دیگر سنسورهای بسیار گران قیمت مانند بادسنج های اولتراسونیک (سرعت و جهت باد)

من تصمیم گرفتم که یک ایستگاه آب و هوایی منبع باز و سخت افزاری باز بسازم ، با قطعات عمومی موجود در آفریقای جنوبی ممکن است یک پروژه بسیار مفید باشد و من بسیار سرگرم کننده خواهم بود (و سردردهای چالش برانگیز).

تصمیم گرفتم با یک باران سنج حالت جامد (بدون قطعات متحرک) شروع کنم. سطل نوک سنتی من را در آن مرحله تحت تأثیر قرار نداد (حتی فکر می کردم تا آن زمان هرگز از آن استفاده نکرده بودم). بنابراین ، من فکر کردم ، باران آب است و آب الکتریسیته را هدایت می کند. بسیاری از سنسورهای مقاومتی آنالوگ وجود دارد که در صورت برخورد سنسور با آب مقاومت کاهش می یابد. من فکر کردم این یک راه حل کامل خواهد بود. متأسفانه آن سنسورها از انواع ناهنجاری هایی مانند الکترولیز و اکسیداسیون رنج می برند و قرائت این سنسورها قابل اعتماد نبود. من حتی پروبهای فولادی ضد زنگ خودم و یک برد مدار کوچک با رله برای ایجاد جریان مستقیم متناوب (ثابت 5 ولت ، اما متناوب قطبهای مثبت و منفی) برای از بین بردن الکترولیز می سازم ، اما بازخوانی ها هنوز ناپایدار بود.

آخرین انتخاب من سنسور صوت اولتراسونیک است. این سنسور متصل به بالای گیج می تواند فاصله تا سطح آب را اندازه گیری کند. در کمال تعجب این سنسورها بسیار دقیق و بسیار ارزان بودند (کمتر از 50 ZAR یا 4 USD)

مرحله 1: قطعات مورد نیاز (مرحله 1)

شما به موارد زیر نیاز خواهید داشت

1) 1 Raspberry Pi (در هر مدلی ، من از Pi 3 استفاده می کنم)

2) 1 عدد نان

3) برخی از کابل های جهنده

4) یک مقاومت یک اهم و یک مقاومت دو (یا 2.2) اهم

5) یک فنجان بلند قدیمی برای ذخیره باران. من خودم را چاپ کردم (نسخه نرم آن موجود است)

6) یک قطعه باران سنج دستی قدیمی (یا می توانید خودتان آن را طراحی کرده و چاپ کنید)

7) تجهیزات اندازه گیری میلی لیتر یا مقیاس وزن آب

8) سنسور اولتراسونیک HC-SR04 (آفریقای جنوبی می تواند آنها را از Communica دریافت کند)

مرحله 2: ایجاد مدار (مرحله 2)

من راهنمای بسیار مفیدی پیدا کردم که به من در ساختن مدار و نوشتن اسکریپت های پایتون برای این پروژه کمک کرد. این خط فاصله را محاسبه می کند و از آن برای محاسبه فاصله بین سنسور نصب شده در بالای مخزن اندازه گیری خود و سطح آب استفاده خواهید کرد.

میتوانید اینجا پیدایش کنید:

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

آن را مطالعه کنید ، مدار خود را بسازید ، آن را به pi خود وصل کنید و با کد پایتون بازی کنید. مطمئن شوید که تقسیم ولتاژ را درست درست کرده اید. من از یک مقاومت 2.2 اهم بین GPIO 24 و GND استفاده کردم.

مرحله 3: اندازه گیری خود را بسازید (مرحله 3)

می توانید اندازه گیری خود را چاپ کنید ، از اندازه گیری یا فنجان موجود استفاده کنید. سنسور HC-SR04 به بالای مخزن اصلی سنج شما متصل می شود. مهم است که مطمئن شوید همیشه خشک می ماند.

درک زاویه اندازه گیری سنسور HC-SR04 بسیار مهم است. شما نمیتوانید آن را به شکل مخروطی با اندازه گیری باران سنتی وصل کنید. من فنجان استوانه ای معمولی انجام خواهد داد. مطمئن شوید که عرض آن به اندازه کافی باشد تا یک موج صوتی مناسب به پایین برود. من فکر می کنم یک لوله PVC 75 در 300 میلی متر این کار را انجام می دهد. برای بررسی اینکه آیا سیگنال از سیلندر شما عبور می کند و به درستی باز می گردد ، فاصله سانسور تا انتهای سیلندر خود را با خط کش اندازه بگیرید ، این اندازه گیری را با فاصله تخمینی سنسور TOF (زمان پرواز) مقایسه کنید. به پایین

مرحله 4: محاسبات و کالیبراسیون (مرحله 4)

باران 1 میلی متری به چه معناست؟ باران یک میلی متری به این معنی است که اگر شما یک مکعب 1000 میلی متر X 1000 میلی متر X 1000 میلی متر یا 1 متر X 1 متر X 1 متر داشتید ، اگر آن را هنگام باران بیرون بگذارید ، 1 متر عمق آب باران خواهد داشت. اگر این باران را در یک بطری 1 لیتری خالی کنید ، بطری را 100 full پر می کند و آب آن نیز 1 کیلوگرم است. باران سنج های مختلف دارای حوضه های آبریز متفاوت است. اگر سطح آبریز اندازه گیری شما 1 متر X 1 متر بود ، کار آسانی است.

همچنین ، 1 گرم آب معمولی 1 میلی لیتر است

برای محاسبه میزان بارندگی بر حسب میلی متر از اندازه گیری خود ، می توانید پس از وزن دهی آب باران موارد زیر را انجام دهید:

W وزن بارندگی بر حسب گرم یا میلی لیتر است

A منطقه آبریز شما در میلی متر مربع است

R کل بارندگی شما بر حسب میلی متر است

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

دو روش در استفاده از HC-SR04 برای برآورد W وجود دارد (برای محاسبه R به W نیاز دارید).

روش 1: از فیزیک ساده استفاده کنید

فاصله HC-SR تا پایین سنج خود را (در مرحله قبل نیز این کار را انجام می دادید) با حسگر با استفاده از محاسبات TOF (زمان پرواز) در اسکریپت پایتون از https://www.modmypi. com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi با این سی دی تماس بگیرید (عمق سیلندر)

مساحت قسمت داخلی سیلندر خود را با هر چیزی که در میلی متر مربع مناسب است اندازه بگیرید. این را IA بنامید.

حالا 2 میلی لیتر آب (یا هر مقدار مناسب) در سیلندر خود بریزید. با استفاده از سنسور ما ، فاصله تا سطح آب جدید را بر حسب میلی متر ، Cal this Dist_To_Water) تخمین بزنید.

عمق آب (WD) بر حسب میلی متر:

WD = CD - Dist_To_Water (یا عمق سیلندر منهای فاصله سانسور تا سطح آب)

بدون وزن تخمینی آب است

W = WD x IA در میلی لیتر یا گرم (وزن 1 میلی لیتر آب 1 گرم را به خاطر بسپارید)

اکنون می توانید بارش (R) را بر حسب میلی متر با W x [(1000 x 1000)/A] همانطور که قبلاً توضیح داده شد برآورد کنید.

روش 2: متر خود را با آمار کالیبره کنید

از آنجا که HC-SR04 کامل نیست (ممکن است خطاها رخ دهد) ، به نظر می رسد که در اندازه گیری سیلندر شما حداقل ثابت است.

یک مدل خطی با قرائت سنسور (یا فاصله سنسور) به عنوان متغیر وابسته و وزنهای تزریق شده آب به عنوان متغیر وابسته بسازید.

مرحله 5: نرم افزار (مرحله 5)

نرم افزار این پروژه هنوز در حال توسعه است.

اسکریپت های پایتون در https://www.modmypi.com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi باید قابل استفاده باشند.

ضمیمه برخی از برنامه های پایتون مفید (مجوز عمومی عمومی) است که توسط خودم توسعه یافته است.

من قصد دارم بعداً یک رابط وب برای ایستگاه کامل هواشناسی ایجاد کنم. ضمیمه برخی از برنامه های من برای کالیبراسیون متر و انجام قرائت سنسور است

از اسکریپت کالیبراسیون پیوست برای کالیبراسیون اندازه گیری آماری استفاده کنید. برای تجزیه و تحلیل داده ها را در یک صفحه گسترده وارد کنید.

مرحله 6: هنوز باید انجام دهید (مرحله 6)

برای خالی شدن مخزن در صورت پر بودن ، به شیر برقی نیاز است (نزدیک سنسور)

چند قطره اول باران همیشه به درستی اندازه گیری نمی شود ، به خصوص اگر اندازه گیری به درستی انجام نشده باشد. من در حال توسعه یک دیسدومتر برای ضبط صحیح این قطره ها هستم. نفرت آینده من بعدی

یک سنسور اولتراسونیک دوم برای اندازه گیری اثر دما بر روی TOF تبلیغ کنید. بزودی آپدیتی در این مورد ارسال خواهم کرد.

من منبع زیر را پیدا کردم که ممکن است کمک کند

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