Ultraschall-Regenmesser: Raspebbery Pi Open Weather Station: Teil 1: 6 Schritte

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:19

Kommerziell verfügbare IoT (Internet of Things) Wetterstationen sind teuer und nicht überall verfügbar (wie in Südafrika). Extreme Wetterbedingungen treffen uns. Südafrika erlebt die härteste Dürre seit Jahrzehnten, die Erde heizt sich auf und die Landwirte haben Mühe, rentabel zu produzieren, ohne technische oder finanzielle Unterstützung der Regierung für kommerzielle Landwirte.

Es gibt ein paar Raspberry Pi-Wetterstationen, wie die, die die Raspberry Pi Foundation für britische Schulen gebaut hat, aber sie ist nicht für die breite Öffentlichkeit zugänglich. Es gibt viele geeignete Sensoren, einige analog, einige digital, einige Festkörper, einige mit beweglichen Teilen und einige sehr teure Sensoren wie Ultraschall-Anemometer (Windgeschwindigkeit und -richtung)

Ich entschied mich, eine Open-Source-Wetterstation mit offener Hardware zu bauen, deren Teile allgemein in Südafrika erhältlich sind, möglicherweise ein sehr nützliches Projekt und ich werde viel Spaß haben (und Kopfschmerzen herausfordern).

Ich beschloss, mit einem Festkörper-Regenmesser (keine beweglichen Teile) zu beginnen. Die traditionelle Kippschaufel hat mich zu diesem Zeitpunkt nicht beeindruckt (auch wenn ich dachte, dass ich bis dahin noch nie eine benutzt habe). Also dachte ich, Regen ist Wasser und Wasser leitet Strom. Es gibt viele analoge Widerstandssensoren, bei denen der Widerstand abnimmt, wenn der Sensor mit Wasser in Kontakt kommt. Ich dachte, das wäre eine perfekte Lösung. Leider leiden diese Sensoren unter allen möglichen Anomalien wie Elektrolyse und Desoxidation und die Messwerte dieser Sensoren waren unzuverlässig. Ich baue sogar meine eigenen Edelstahlsonden und eine kleine Platine mit Relais, um Wechsel-Gleichstrom (konstant 5 Volt, aber abwechselnd positive und negative Pole) zu erzeugen, um die Elektrolyse zu beseitigen, aber die Messwerte waren immer noch instabil.

Meine neueste Wahl ist Ultraschall-Soundsensor. Dieser an der Oberseite des Messgeräts angeschlossene Sensor kann den Abstand zum Wasserstand messen. Zu meiner Überraschung waren diese Sensoren sehr genau und sehr günstig (weniger als 50 ZAR oder 4 USD).

Schritt 1: Benötigte Teile (Schritt 1)

Du benötigst folgendes

1) 1 Raspberry Pi (Jedes Modell, ich verwende einen Pi 3)

2) 1 Brot Bord

3) Einige Überbrückungskabel

4) Ein Widerstand von einem Ohm und ein Widerstand von zwei (oder 2,2) Ohm

5) Eine alte lange Tasse, um den Regen aufzubewahren. Ich habe meine gedruckt (Softcopy verfügbar)

6) Ein altes manuelles Regenmesser-Erfassungsteil (Oder Sie können Ihr eigenes entwerfen und ausdrucken)

7) Messgerät zum Messen von Millilitern oder eine Waage zum Wiegen von Wasser

8) Der Ultraschallsensor HC-SR04 (Südafrikaner können ihn von Communica beziehen)

Schritt 2: Aufbau Ihrer Schaltung (Schritt 2)

Ich habe eine sehr nützliche Anleitung gefunden, die mir beim Aufbau der Schaltung und beim Schreiben der Python-Skripte für dieses Projekt hilft. Dieses Skript berechnet Entfernungen und Sie werden es verwenden, um die Entfernung zwischen dem Sensor, der an der Oberseite Ihres Tanks angebracht ist, und dem Wasserstand zu berechnen

Sie finden es hier:

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

Studieren Sie es, bauen Sie Ihre Schaltung auf, verbinden Sie sie mit Ihrem Pi und spielen Sie mit dem Python-Code herum. Stellen Sie sicher, dass Sie den Spannungsteiler richtig bauen. Ich habe einen 2,2 Ohm Widerstand zwischen GPIO 24 und GND verwendet.

Schritt 3: Bauen Sie Ihr Messgerät (Schritt 3)

Sie können Ihr Messgerät drucken, ein vorhandenes Messgerät oder einen Becher verwenden. Der HC-SR04-Sensor wird oben am Haupttank Ihres Messgeräts befestigt. Es ist wichtig, dass es immer trocken bleibt.

Es ist wichtig, den Messwinkel Ihres HC-SR04-Sensors zu verstehen. Sie können es nicht an der Spitze eines Kegels bei herkömmlichen Regenmessern befestigen. Ich normale zylindrische Tasse wird tun. Stellen Sie sicher, dass es breit genug ist, damit eine richtige Schallwelle nach unten geht. Ich denke, ein 75 x 300 mm PVC-Rohr reicht aus. Um zu testen, ob das Signal durch Ihren Zylinder geht und richtig zurückprallt, messen Sie den Abstand vom Zensor zum Boden Ihres Zylinders mit einem Lineal, vergleichen Sie diesen Messwert mit dem Abstand, den Sie von der geschätzten TOF-Entfernung (Flugzeit) des Sensors erhalten zum Boden.

Schritt 4: Berechnungen und Kalibrierung (Schritt 4)

Was bedeutet 1 Millimeter Regen? Ein mm Regen bedeutet, dass bei einem Würfel von 1000 mm x 1000 mm x 1000 mm oder 1 m x 1 m x 1 m der Würfel eine Tiefe von 1 mm Regenwasser hat, wenn Sie ihn bei Regen draußen gelassen haben. Wenn Sie diesen Regen in eine 1-Liter-Flasche leeren, wird die Flasche zu 100 % gefüllt und das Wasser misst auch 1 kg. Unterschiedliche Regenmesser haben unterschiedliche Einzugsgebiete. Wenn Ihr Einzugsbereich Ihres Messgeräts 1 m x 1 m beträgt, ist es einfach.

Auch 1 Gramm Wasser ist konventionell 1 ml

Um Ihren Niederschlag in mm von Ihrem Messgerät zu berechnen, können Sie nach dem Wiegen des Regenwassers Folgendes tun:

W ist das Niederschlagsgewicht in Gramm oder Milliliter

A ist Ihr Einzugsgebiet in Quadrat-mm

R ist dein Gesamtniederschlag in mm

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

Es gibt zwei Möglichkeiten bei der Verwendung des HC-SR04, um W zu schätzen (Sie benötigen W, um R zu berechnen).

Methode 1: Verwenden Sie einfache Physik

Messen Sie den Abstand vom HC-SR zum Boden Ihres Messgeräts (Sie haben es auch in einem vorherigen Schritt getan) mit dem Sensor unter Verwendung der TOF-Berechnungen (Time of Flight) im Python-Skript von https://www.modmypi. com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi Diese CD aufrufen (Zylindertiefe)

Messen Sie die Fläche des Innenbodens Ihres Zylinders mit einem geeigneten Quadrat in mm. Nennen Sie das IA.

Gießen Sie nun 2 ml Wasser (oder eine beliebige geeignete Menge) in Ihren Zylinder. Schätzen Sie mit unserem Sensor den Abstand zum neuen Wasserstand in mm, Cal this Dist_To_Water).

Die Wassertiefe (WD) in mm beträgt:

WD=CD - Dist_To_Water (Oder Zylindertiefe abzüglich der Distanz vom Zensor zum Wasserstand)

Nein, das geschätzte Gewicht des Wassers beträgt

W=WD x IA in ml oder Gramm (Denken Sie daran, dass 1 ml Wasser 1 Gramm wiegt)

Jetzt können Sie den Niederschlag (R) in mm mit W x [(1000 x 1000)/A] schätzen, wie zuvor erklärt.

Methode 2: Kalibrieren Sie Ihr Messgerät mit Statistik

Da der HC-SR04 nicht perfekt ist (Fehler können auftreten), scheint er zumindest konstant zu messen, ob Ihr Zylinder geeignet ist.

Erstellen Sie ein lineares Modell mit Sensormesswerten (oder Sensorabständen) als abhängige Variable und injizierten Wassergewichten als abhängige Variable.

Schritt 5: Software (Schritt 5)

Die Software für dieses Projekt befindet sich noch in der Entwicklung.

Die Python-Skripte unter https://www.modmypi.com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi sollten verwendbar sein.

Attach ist einige nützliche Python-Anwendungen (General Public License), die von mir entwickelt wurden.

Ich plane später ein Webinterface für die komplette Wetterstation zu entwickeln. Attach ist einige meiner Programme, die verwendet werden, um das Messgerät zu kalibrieren und Sensormessungen durchzuführen

Verwenden Sie das angehängte Kalibrierungsskript, um das Messgerät statistisch zu kalibrieren. Importieren Sie die Daten in eine Tabelle, um sie zu analysieren.

Schritt 6: Noch zu tun (Schritt 6)

Ein Magnetventil wird benötigt, um den Tank zu leeren, wenn er voll ist (in der Nähe des Sensors)

Die ersten Regentropfen werden nicht immer richtig gemessen, insbesondere wenn das Messgerät nicht richtig nivelliert ist. Ich bin dabei, ein Disdro-Meter zu entwickeln, um diese Tropfen korrekt zu erfassen. Die disdro meine Zukunft als nächstes.

Fügen Sie einen zweiten Ultraschallsensor hinzu, um den Einfluss der Temperatur auf den TOF zu messen. Dazu werde ich demnächst ein Update posten.

Ich habe die folgende Ressource gefunden, die helfen könnte

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-Calibris Regenmesser.pdf