Medidor de chuva ultrassônico: Estação meteorológica aberta Raspebbery Pi: Parte 1: 6 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

As estações meteorológicas de IoT (Internet Of Things) disponíveis comercialmente são caras e não estão disponíveis em todos os lugares (como na África do Sul). Condições meteorológicas extremas nos atingem. O SA está enfrentando a maior seca em décadas, a terra está esquentando e os agricultores lutam para produzir lucrativamente, sem nenhum apoio técnico ou financeiro do governo para os agricultores comerciais.

Existem algumas estações meteorológicas Raspberry Pi ao redor, como a que a Fundação Raspberry Pi construiu para escolas do Reino Unido, mas não está disponível para o público em geral. Existem muitos sensores adequados, alguns analógicos, alguns digitais, alguns de estado sólido, alguns com peças móveis e alguns sensores muito caros, como anemômetros ultrassônicos (velocidade e direção do vento)

Decidi que construir uma estação meteorológica de código aberto e hardware aberto, com peças gerais disponíveis na África do Sul, pode ser um projeto muito útil e terei muita diversão (e dores de cabeça desafiadoras).

Decidi começar com um pluviômetro de estado sólido (sem peças móveis). O balde basculante tradicional não me impressionou naquela fase (embora eu nunca tenha usado um até então). Então, pensei, chuva é água e água conduz eletricidade. Existem muitos sensores resistivos analógicos onde a resistência diminui quando o sensor entra em contato com a água. Achei que seria uma solução perfeita. Infelizmente, esses sensores sofrem de todos os tipos de anomalias, como eletrólise e desoxidação, e as leituras desses sensores não eram confiáveis. Cheguei a construir minhas próprias sondas de aço inoxidável e uma pequena placa de circuito com relés para criar corrente contínua alternada (constante 5 volts, mas alternando os pólos positivo e negativo) para eliminar a eletrólise, mas as leituras ainda eram instáveis.

Minha última escolha é o sensor de som ultrassônico. Este sensor conectado ao topo do medidor, pode medir a distância até o nível da água. Para minha surpresa, esses sensores eram muito precisos e muito baratos (menos de 50 ZAR ou 4 dólares)

Etapa 1: peças necessárias (etapa 1)

Você precisará do seguinte

1) 1 Raspberry Pi (qualquer modelo, estou usando um Pi 3)

2) 1 Pão Bord

3) Alguns cabos de ligação

4) Um resistor de um ohms e um resistor de dois (ou 2,2) ohms

5) Um copo comprido e velho para guardar a chuva. Eu imprimi o meu (cópia eletrônica disponível)

6) Parte de captura de um pluviômetro manual antigo (ou você pode projetar o seu próprio e imprimi-lo)

7) Equipamento de medição para medir mililitros ou uma balança para pesar água

8) O sensor ultrassônico HC-SR04 (os sul-africanos podem obtê-los na Communica)

Etapa 2: Construindo Seu Circuito (Etapa 2)

Encontrei um guia muito útil para me ajudar a construir o circuito e escrever os scripts Python para este projeto. Este script calcula distâncias e você vai usá-lo para calcular a distância entre o sensor montado na parte superior de seu tanque medidor e o nível de água

Você pode encontrá-lo aqui:

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

Estude-o, construa seu circuito, conecte-o ao seu pi e brinque com o código python. Certifique-se de construir o divisor de tensão correto. Usei um resistor de 2,2 ohms entre GPIO 24 e GND.

Etapa 3: construir seu medidor (etapa 3)

Você pode imprimir seu medidor, usar um medidor ou copo existente. O sensor HC-SR04 será conectado à parte superior do tanque principal do medidor. É importante certificar-se de que permanecerá seco o tempo todo.

É importante entender o ângulo de medição do seu sensor HC-SR04. Você não pode prendê-lo no topo de um cone de medidores de chuva tradicionais. Um copo cilíndrico normal servirá. Certifique-se de que é largo o suficiente para que uma onda sonora adequada desça até o fundo. Acho que um tubo de PVC de 75 x 300 mm serve. Para testar se o sinal está passando pelo cilindro e é devolvido corretamente, meça a distância do censor até a parte inferior do cilindro com uma régua, compare essa medição com a distância que você obtém do sensor TOF (tempo de vôo) distância estimada ao fundo.

Etapa 4: Cálculos e calibração (Etapa 4)

O que significa chuva de 1 milímetro? Um mm de chuva significa que se você tivesse um cubo de 1000 mm X 1000 mm X 1000 mm ou 1 m X 1 m X 1 m, o cubo terá uma profundidade de 1 mm de água da chuva se você o deixou do lado de fora durante a chuva. Se você esvaziar esta chuva em uma garrafa de 1 litro, ela encherá a garrafa 100% e a água também medirá 1kg. Diferentes medidores de chuva têm diferentes áreas de captação. Se a sua área de captação do medidor era de 1m X 1m, é fácil.

Além disso, 1 grama de água é 1 ml convencional

Para calcular a precipitação em mm a partir do medidor, você pode fazer o seguinte após pesar a água da chuva:

W é o peso da chuva em gramas ou mililitro

A é a sua área de captação em mm quadrados

R é a sua precipitação total em mm

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

Existem duas possibilidades no uso do HC-SR04 para estimar W (você precisa de W para calcular R).

Método 1: use a física simples

Meça a distância do HC-SR até a parte inferior de seu medidor (você estava fazendo isso também na etapa anterior) com o sensor usando os cálculos TOF (tempo de vôo) no script python de https://www.modmypi. com / blog / hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi Ligue para este CD (profundidade do cilindro)

Meça a área da parte inferior interna de seu cilindro com qualquer coisa adequada em mm quadrados. Chame isso de IA.

Agora jogue 2 ml de água (ou qualquer quantidade adequada) em seu cilindro. Usando nosso sensor, estime a distância para o novo nível de água em mm, Cal this Dist_To_Water).

A profundidade da água (WD) em mm é:

WD = CD - Dist_To_Water (ou profundidade do cilindro menos a distância do censor ao nível da água)

Não, o peso estimado da água é

W = WD x IA em ml ou gramas (lembre-se de que 1 ml de água pesa 1 grama)

Agora você pode estimar a precipitação (R) em mm com W x [(1000 x 1000) / A] conforme explicado anteriormente.

Método 2: Calibre seu medidor com estatísticas

Visto que o HC-SR04 não é perfeito (podem ocorrer erros), parece que ele é pelo menos constante na medição se seu cilindro for adequado.

Construa um modelo linear com leituras do sensor (ou distâncias do sensor) como variável dependente e pesos injetados de água como variável dependente.

Etapa 5: Software (Etapa 5)

O software para este projeto ainda está em desenvolvimento.

Os scripts python em https://www.modmypi.com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi devem ser utilizáveis.

Em anexo estão algumas aplicações python úteis (General Public License) desenvolvidas por mim.

Eu pretendo desenvolver uma interface da web para a estação meteorológica completa mais tarde. Em anexo estão alguns dos meus programas usados para calibrar o medidor e fazer leituras do sensor

Use o script de calibração anexado para calibrar o medidor estatisticamente. Importe os dados em uma planilha para análise.

Etapa 6: Ainda por fazer (Etapa 6)

Uma válvula solenóide é necessária para esvaziar o tanque quando cheio (perto do sensor)

As primeiras gotas de chuva nem sempre são medidas corretamente, especialmente se o medidor não estiver devidamente nivelado. Estou desenvolvendo um medidor de disdro para capturar essas quedas corretamente. O disdro meu futuro próximo.

Adicione um segundo sensor ultrassônico para medir o efeito da temperatura no TOF. Em breve postarei uma atualização sobre isso.

Encontrei o seguinte recurso que pode 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/540d53ein00cf2byf2bovative-29ainciPrincipio-salvador-salvador-livres-livres-sia-livs-snv-livs-livr-39a540d53e00cf2byf2b2bovative-29ainclive-lcf2-4-vs-lc-39a1-9aplication-srvs-lc-39a1-9aplication-livor-liv-vs-39a1-9aplication-livor-liv- -vs-29a-liv-4-9aplication-liv-4-39-9aplication/ Rain-Gauge.pdf