مقياس المطر بالموجات فوق الصوتية: محطة الطقس المفتوحة Raspebbery Pi: الجزء 1: 6 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:39

محطات الطقس IoT (إنترنت الأشياء) المتاحة تجاريًا باهظة الثمن وغير متوفرة في كل مكان (كما هو الحال في جنوب إفريقيا). تضربنا الظروف الجوية القاسية. تعاني جنوب الصحراء من أصعب جفاف منذ عقود ، وتسخن الأرض ويكافح المزارعون لتحقيق أرباح ، دون أي دعم تقني أو مالي من الحكومة للمزارعين التجاريين.

هناك عدد قليل من محطات الطقس Raspberry Pi حولها ، مثل تلك التي أنشأتها مؤسسة Raspberry Pi لمدارس المملكة المتحدة ، وهي غير متاحة لعامة الناس. يوجد الكثير من أجهزة الاستشعار المناسبة ، بعضها تناظري ، وبعضها رقمي ، وبعضها ذو حالة صلبة ، وبعضها يحتوي على أجزاء متحركة وبعض المستشعرات باهظة الثمن مثل أجهزة قياس شدة الريح بالموجات فوق الصوتية (سرعة الرياح واتجاهها)

لقد قررت إنشاء محطة طقس مفتوحة المصدر ومفتوحة للأجهزة ، مع توفر أجزاء عامة في جنوب إفريقيا ، قد يكون مشروعًا مفيدًا للغاية وسأحظى بالكثير من المرح (والصداع الصعب).

قررت أن أبدأ بمقياس مطر بالحالة الصلبة (لا توجد أجزاء متحركة). دلو البقشيش التقليدي لم يذهلني في تلك المرحلة (حتى أنني اعتقدت أنني لم أستخدمه أبدًا بحلول ذلك الوقت). لذلك اعتقدت أن المطر هو الماء والماء يوصل الكهرباء. هناك العديد من مستشعرات المقاومة التناظرية حيث تنخفض المقاومة عندما يتلامس المستشعر مع الماء. اعتقدت أن هذا سيكون حلا مثاليا. لسوء الحظ ، تعاني هذه المستشعرات من جميع أنواع الشذوذ مثل التحليل الكهربائي وإزالة الأكسدة وكانت القراءات من تلك المستشعرات غير موثوقة. حتى أنني أقوم ببناء مجساتي المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ ولوحة دائرة كهربائية صغيرة بها مرحلات لتوليد تيار مباشر متناوب (ثابت 5 فولت ، ولكن بالتناوب بين القطبين الموجب والسالب) للتخلص من التحليل الكهربائي ، لكن القراءات كانت لا تزال غير مستقرة.

خياري الأخير هو مستشعر الصوت بالموجات فوق الصوتية. هذا المستشعر المتصل بأعلى المقياس ، يمكنه قياس المسافة إلى مستوى الماء. لدهشتي ، كانت هذه المستشعرات دقيقة جدًا ورخيصة جدًا (أقل من 50 ZAR أو 4 دولارات أمريكية)

الخطوة 1: الأجزاء المطلوبة (الخطوة 1)

سوف تحتاج ما يلي

1) 1 Raspberry Pi (أي طراز ، أنا أستخدم Pi 3)

2) 1 خبز الخبز

3) بعض الكابلات العبور

4) مقاوم واحد أوم ومقاومان (أو 2.2) أوم

5) كوب طويل قديم لتخزين المطر. لقد طبعت لي (نسخة إلكترونية متوفرة)

6) جزء التقاط مقياس المطر اليدوي القديم (أو يمكنك تصميمه وطباعته)

7) معدات قياس المليلتر أو ميزان لوزن الماء

8) مستشعر الموجات فوق الصوتية HC-SR04 (يمكن لجنوب إفريقيا الحصول عليها من Communica)

الخطوة 2: بناء دائرتك (الخطوة 2)

لقد وجدت بعض الإرشادات المفيدة جدًا لمساعدتي في بناء الدائرة وكتابة نصوص Python لهذا المشروع. يحسب هذا السكريب المسافات وسوف تستخدمه لحساب المسافة بين المستشعر المثبت في الجزء العلوي من خزان القياس الخاص بك ومستوى الماء

يمكنك العثور عليها هنا:

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

ادرسها ، وقم ببناء دائرتك ، وقم بتوصيلها بـ pi الخاص بك والعب مع كود الثعبان. تأكد من بناء مقسم الجهد بشكل صحيح. لقد استخدمت مقاومًا 2.2 أوم بين GPIO 24 و GND.

الخطوة 3: بناء المقياس الخاص بك (الخطوة 3)

يمكنك طباعة المقياس الخاص بك ، باستخدام مقياس أو كوب موجود. سيتم توصيل مستشعر HC-SR04 بأعلى الخزان الرئيسي للقياس. من المهم التأكد من أنه سيظل جافًا في جميع الأوقات.

من المهم فهم زاوية القياس لمستشعر HC-SR04. لا يمكنك إرفاقه بأعلى مخروط من مقاييس المطر التقليدية. أنا عادي كأس أسطواني سيفعل. تأكد من أنها واسعة بما يكفي لتهبط الموجة الصوتية المناسبة إلى الأسفل. أعتقد أن أنبوب PVC مقاس 75 × 300 مم سيفي بالغرض. لاختبار ما إذا كانت الإشارة تمر عبر الأسطوانة وترتد بشكل صحيح ، قم بقياس المسافة من جهاز الرقابة إلى أسفل الأسطوانة بمسطرة ، وقارن هذا القياس مع المسافة التي تحصل عليها من المستشعر TOF (وقت الرحلة) المسافة المقدرة إلى أسفل.

الخطوة 4: الحسابات والمعايرة (الخطوة 4)

ماذا يعني المطر 1 ملم؟ يعني المطر بمقدار مم واحد أنه إذا كان لديك مكعب بحجم 1000 مم × 1000 مم × 1000 مم أو 1 م × 1 م × 1 م ، فسيكون للمكعب عمق 1 مم من مياه الأمطار إذا تركته بالخارج عندما تمطر. إذا قمت بإفراغ هذا المطر في زجاجة سعة 1 لتر ، فسوف تملأ الزجاجة بنسبة 100٪ وسوف يصل حجم الماء أيضًا إلى 1 كجم. مقاييس المطر المختلفة لها مناطق تجمع مختلفة. إذا كانت مساحة مستجمعات المياه الخاصة بك من المقياس 1 م × 1 م ، فمن السهل.

أيضا ، 1 جرام من الماء العادي هو 1 مل

لحساب هطول الأمطار بالملليمتر من المقياس الخاص بك ، يمكنك القيام بما يلي بعد ترجيح ماء المطر:

W هو وزن هطول الأمطار بالجرام أو المليلتر

أ هي مساحة مستجمعات المياه الخاصة بك بالمليمتر المربع

R هو إجمالي هطول الأمطار الخاص بك بالمليمتر

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

هناك احتمالان لاستخدام HC-SR04 لتقدير W (أنت بحاجة إلى W لحساب R).

الطريقة الأولى: استخدم الفيزياء العادية

قم بقياس المسافة من HC-SR إلى أسفل المقياس (كنت تفعل ذلك أيضًا في خطوة سابقة) باستخدام المستشعر باستخدام حسابات TOF (وقت الرحلة) في نص Python النصي من https://www.modmypi. com / blog / hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi اتصل بهذا القرص المضغوط (عمق الأسطوانة)

قم بقياس مساحة الجزء السفلي الداخلي من الأسطوانة بأي شيء مناسب بالمليمتر المربع. نسمي هذا IA.

الآن قم برمي 2 مل من الماء (أو أي كمية مناسبة) في الأسطوانة. باستخدام المستشعر الخاص بنا ، قم بتقدير المسافة إلى مستوى الماء الجديد بالملم ، Cal this Dist_To_Water).

عمق الماء (WD) بالملم هو:

WD = CD - Dist_To_Water (أو عمق الأسطوانة مطروحًا منه المسافة من جهاز الرقابة إلى مستوى الماء)

لا الوزن المقدر للماء

W = WD x IA بالمل أو الجرام (تذكر 1 مل من وزن الماء 1 جرام)

يمكنك الآن تقدير هطول الأمطار (R) بالملليمتر باستخدام W x [(1000 x 1000) / A] كما هو موضح سابقًا.

الطريقة 2: معايرة جهاز القياس الخاص بك باستخدام الإحصائيات

نظرًا لأن HC-SR04 ليس مثاليًا (قد تظهر الأخطاء) ، يبدو أنه ثابت على الأقل في قياس ما إذا كانت الأسطوانة مناسبة.

قم ببناء نموذج خطي بقراءات أجهزة الاستشعار (أو مسافات المستشعر) كمتغير تابع وأوزان محقونة للماء كمتغير تابع.

الخطوة 5: البرنامج (الخطوة 5)

لا تزال برامج هذا المشروع قيد التطوير.

يجب أن تكون نصوص Python على https://www.modmypi.com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi قابلة للاستخدام.

إرفاق بعض تطبيقات python المفيدة (الترخيص العام) التي طورتها بنفسي.

أخطط لتطوير واجهة ويب لمحطة الطقس الكاملة لاحقًا. إرفاق هو بعض البرامج الخاصة بي المستخدمة لمعايرة العداد والقيام بقراءات المستشعر

استخدم نص المعايرة المرفق لمعايرة المقياس إحصائيًا. قم باستيراد البيانات في جدول بيانات لتحليلها.

الخطوة 6: ما زال يتعين القيام به (الخطوة 6)

يلزم وجود صمام الملف اللولبي لتفريغ الخزان عندما يكون ممتلئًا (بالقرب من المستشعر)

لا يتم دائمًا قياس قطرات المطر القليلة الأولى بشكل صحيح ، خاصةً إذا لم يتم تسوية المقياس بشكل صحيح. أنا بصدد تطوير مقياس disdro لالتقاط هذه القطرات بشكل صحيح. disdro مستقبلي المقبل.

إعلان جهاز استشعار فوق صوتي ثان لقياس تأثير درجة الحرارة على TOF. سأقوم قريبا بنشر تحديث عن هذا.

لقد وجدت المورد التالي الذي قد يساعد

www.researchgate.net/profile/Zheng_Guilin3/publication/258745832_An_Innovative_Principle_in_Self-Calibration_by_Dual_Ultrasonic_Sensor_and_Application_in_Rain_Gauge/links/540d53e00cf2f2bibration-Principle_in_Self-Calibration_by_Dual_Ultrasonic_Sensor_and_Application_in_Rain_Gauge/links/540d53e00cf2f2bibration-Principle_in_Self-Calibration_by_Dual_Ultrasonic_Sensor_and_Application_in_Rain_Gauge/links/540d53e00cf2f2bibration-Principle_in_Self-Calibration_B Rain-Gauge.pdf