Pluímetre per ultrasons: estació meteorològica oberta Raspebbery Pi: part 1: 6 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Les estacions meteorològiques IoT (Internet Of Things) comercials són costoses i no estan disponibles a qualsevol lloc (com a Sud-àfrica). Ens colpeixen les condicions meteorològiques extremes. SA viu la sequera més dura de les últimes dècades, la terra s’escalfa i els agricultors lluiten per produir rendibles, sense cap suport tècnic ni financer del govern per als agricultors comercials.

Hi ha algunes estacions meteorològiques de Raspberry Pi al voltant, com la que la Fundació Raspberry Pi construeix per a escoles del Regne Unit, però no està disponible per al públic en general. Existeixen molts sensors adequats, alguns analògics, d'altres digitals, alguns d'estat sòlid, alguns amb peces mòbils i alguns sensors molt cars com els anemòmetres d'ultrasons (velocitat i direcció del vent)

Vaig decidir construir una estació meteorològica de codi obert i de maquinari obert, amb peces disponibles en general a Sud-àfrica, pot ser un projecte molt útil i em divertiré molt (i tindrà mals de cap difícils).

Vaig decidir començar amb un pluviòmetre d'estat sòlid (sense parts mòbils). La cubeta de propina tradicional no em va impressionar en aquella etapa (fins i tot vaig pensar que mai no n’he utilitzat cap). Així doncs, vaig pensar, la pluja és aigua i l’aigua condueix electricitat. Hi ha molts sensors resistius analògics on la resistència disminueix quan el sensor entra en contacte amb l'aigua. Vaig pensar que seria una solució perfecta. Malauradament, aquests sensors pateixen tot tipus d'anomalies com l'electròlisi i la desoxidació, i les lectures d'aquests sensors no eren fiables. Fins i tot vaig construir les meves pròpies sondes d’acer inoxidable i una petita placa de circuit amb relés per crear corrent continu altern (5 volts constant, però alternant els pols positiu i negatiu) per eliminar l’electròlisi, però les lectures eren encara inestables.

La meva última opció és el sensor de so per ultrasons. Aquest sensor connectat a la part superior de l'indicador, pot mesurar la distància al nivell de l'aigua. Per sorpresa meva, els sensors eren molt precisos i molt econòmics (menys de 50 ZAR o 4 USD)

Pas 1: parts necessàries (pas 1)

Necessitareu el següent

1) 1 Raspberry Pi (qualsevol model, estic fent servir un Pi 3)

2) 1 Bord de pa

3) Alguns cables de pont

4) Una resistència d'un ohm i una resistència de dos (o 2.2) ohms

5) Una antiga tassa llarga per emmagatzemar la pluja. Vaig imprimir la meva (disponible una còpia suau)

6) Una antiga peça de captura de pluviòmetre manual (o podeu dissenyar-la i imprimir-la)

7) Equips de mesura per mesurar mil·lilitres o una bàscula per pesar l'aigua

8) El sensor d'ultrasons HC-SR04 (els sud-africans els poden obtenir de Communica)

Pas 2: construir el vostre circuit (pas 2)

Vaig trobar una guia molt útil per ajudar-me a construir el circuit i a escriure els scripts python d’aquest projecte. Aquest scrip calcula les distàncies i l’utilitzaràs per calcular la distància entre el sensor muntat a la part superior del tanc de calibre i el nivell de l’aigua

El podeu trobar aquí:

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

Estudieu-lo, creeu el vostre circuit, connecteu-lo al vostre pi i jugueu amb el codi python. Assegureu-vos de construir correctament el divisor de tensió. He utilitzat una resistència de 2,2 ohms entre GPIO 24 i GND.

Pas 3: creeu el vostre indicador (pas 3)

Podeu imprimir el vostre indicador, fer servir un indicador o una copa existents. El sensor HC-SR04 s’enganxarà a la part superior del tanc principal. És important assegurar-se que es mantingui sec en tot moment.

És important entendre l’angle de mesura del sensor HC-SR04. No es pot fixar a la part superior d’un con de pluviòmetres tradicionals. Jo la tassa cilíndrica normal ho farà. Assegureu-vos que sigui prou ampla perquè una ona de so adequada baixi cap al fons. Crec que farà una canonada de PVC de 75 x 300 mm. Per provar si el senyal passa pel cilindre i es retira correctament, mesureu la distància des del censor fins a la part inferior del cilindre amb una regla, compareu aquesta mesura amb la distància que obteniu des de la distància estimada del sensor TOF (temps de vol) fins a la part inferior.

Pas 4: càlculs i calibració (pas 4)

Què significa 1 mil·límetre de pluja? Una pluja d’un mm significa que si teniu un cub de 1000 mm X 1000 mm X 1000 mm o 1 m X 1 m X 1 m, el cub tindrà una profunditat d’aigua de pluja d’1 mm si la deixeu fora quan plou. Si buideu aquesta pluja en una ampolla d’1 litre, omplirà l’ampolla al 100% i l’aigua també mesurarà 1 kg. Els diferents pluviòmetres tenen diferents zones de captació. Si la vostra zona de captació del mesurador era d’1 x 1 m, és fàcil.

A més, 1 gram d’aigua és 1 ml convencional

Per calcular les precipitacions en mm des del mesurador, podeu fer el següent després de ponderar l'aigua de pluja:

W és el pes de la pluja en grams o mililitre

A és la vostra àrea de captació en mm quadrats

R és la precipitació total en mm

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

Hi ha dues possibilitats d’utilitzar l’HC-SR04 per estimar W (Necessiteu W per calcular R).

Mètode 1: utilitzeu la física simple

Mesureu la distància des de l'HC-SR fins a la part inferior de l'indicador (ho feieu també en un pas anterior) amb el sensor mitjançant els càlculs TOF (Temps de vol) a l'script python de https://www.modmypi. com / blog / hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi Truqueu a aquest CD (profunditat del cilindre)

Mesureu l'àrea del fons interior del cilindre amb qualsevol cosa adequada en mm quadrats. Truqueu a això IA.

Ara tireu 2 ml d’aigua (o qualsevol quantitat adequada) al cilindre. Mitjançant el nostre sensor, estimeu la distància fins al nou nivell de l’aigua en mm, Cal aquest Dist_To_Water).

La profunditat de l'aigua (WD) en mm és:

WD = CD - Dist_To_Water (O Profunditat del cilindre menys la distància del censor al nivell de l'aigua)

No, el pes estimat de l’aigua és

W = WD x IA en ml o en grams (recordeu 1 ml d'aigua pesa 1 gram)

Ara podeu estimar les precipitacions (R) en mm amb W x [(1000 x 1000) / A] tal com s'ha explicat anteriorment.

Mètode 2: calibreu el comptador amb Statistics

Com que l'HC-SR04 no és perfecte (es poden produir errors), sembla que és com a mínim constant a l'hora de mesurar si el vostre cilindre és adequat.

Construïu un model lineal amb lectures del sensor (o distàncies del sensor) com a variable dependent i pesos d’aigua injectats com a variable dependent.

Pas 5: programari (pas 5)

El programari d’aquest projecte encara està en desenvolupament.

Els scripts python de https://www.modmypi.com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi haurien de ser utilitzables.

Adjuntar algunes aplicacions python útils (General Public License) desenvolupades per mi mateix.

Tinc previst desenvolupar una interfície web per a l’estació meteorològica completa més endavant. Adjuntar alguns dels meus programes que s’utilitzen per calibrar el mesurador i fer lectures de sensors

Utilitzeu l’escript de calibració adjunta per calibrar el calibrador estadísticament. Importeu les dades en un full de càlcul per analitzar-les.

Pas 6: Encara per fer (pas 6)

Cal una electrovàlvula per buidar el tanc quan està ple (a prop del sensor)

Les primeres gotes de pluja no sempre es mesuren correctament, sobretot si l’indicador no està ben anivellat. Estic en procés de desenvolupar un mesurador hidràulic per captar correctament aquestes gotes. El següent serà el meu futur.

Afegiu un segon sensor d’ultrasons per mesurar l’efecte de la temperatura sobre el TOF. Aviat publicaré una actualització sobre això.

He trobat el recurs següent que us pot ajudar

www.researchgate.net/profile/Zheng_Guilin3/publication/258745832_An_Innovative_Principle_in_Self-Calibration_by_Dual_Ultrasonic_Sensor_and_Application_in_Rain_Gauge/links/540d53e00cf2f2f2b2a2a2 Rain-Gauge.pdf