Метеостанции — популярный проект для экспериментов с различными датчиками окружающей среды, и для определения скорости и направления ветра обычно выбирают простой чашечный анемометр и флюгер. Для QingStation Цзяньцзя Ма решил создать другой тип датчика ветра: ультразвуковой анемометр.
Ультразвуковые анемометры не имеют движущихся частей, но это приводит к значительному увеличению сложности электроники. Принцип их действия основан на измерении времени, необходимого ультразвуковому импульсу для отражения от приёмника на известном расстоянии. Направление ветра можно рассчитать, сняв показания скорости с двух пар ультразвуковых датчиков, расположенных перпендикулярно друг другу, и используя простую тригонометрию. Для корректной работы ультразвукового анемометра требуется тщательное проектирование аналогового усилителя на приёмной стороне и тщательная обработка сигнала для извлечения правильного сигнала из вторичных эхо-сигналов, многолучевого распространения и всех шумов, создаваемых окружающей средой. Конструкция и экспериментальные процедуры хорошо документированы. Поскольку [Цзяньцзя] не смог использовать аэродинамическую трубу для испытаний и калибровки, он временно установил анемометр на крыше своего автомобиля и уехал. Полученное значение пропорционально скорости автомобиля по GPS, но немного выше. Это может быть связано с ошибками расчётов или внешними факторами, такими как возмущения ветра или воздушного потока от испытываемого автомобиля или другого дорожного движения.
Среди других датчиков — оптические датчики дождя, датчики освещённости, датчики освещённости и BME280 для измерения давления, влажности и температуры воздуха. Цзяньцзя планирует использовать QingStation на автономном судне, поэтому он также добавил инерциальный измерительный блок (IMU), компас, GPS и микрофон для измерения окружающего шума.
Благодаря достижениям в области датчиков, электроники и технологий прототипирования создание персональной метеостанции стало проще, чем когда-либо. Доступность недорогих сетевых модулей позволяет нам гарантировать, что эти устройства Интернета вещей смогут передавать информацию в общедоступные базы данных, предоставляя местным сообществам актуальные данные о погоде в их районе.
Манолис Никифоракис пытается построить «Погодную пирамиду» — полностью твердотельное, не требующее обслуживания, энерго- и коммуникационно-автономное устройство для измерения погоды, предназначенное для крупномасштабного использования. Обычно метеостанции оснащены датчиками температуры, давления, влажности, скорости ветра и количества осадков. Хотя большинство этих параметров можно измерить с помощью твердотельных датчиков, для определения скорости, направления ветра и количества осадков обычно требуется электромеханическое устройство.
Конструкция таких датчиков сложна и ответственна. При планировании крупных проектов необходимо также обеспечить их экономическую эффективность, простоту установки и отсутствие необходимости в частом обслуживании. Устранение всех этих проблем может привести к созданию более надежных и менее дорогих метеостанций, которые затем можно будет устанавливать в больших количествах в отдаленных районах.
У Манолиса есть несколько идей по решению этих проблем. Он планирует регистрировать скорость и направление ветра с помощью акселерометра, гироскопа и компаса в инерциальном датчике (IMU) (вероятно, MPU-9150). План состоит в том, чтобы отслеживать движение датчика IMU, свободно качающегося на кабеле, подобно маятнику. Он выполнил некоторые расчёты на салфетке и, похоже, уверен, что они дадут необходимые результаты при тестировании прототипа. Измерение количества осадков будет осуществляться с помощью ёмкостных датчиков, например, MPR121, или встроенной сенсорной функции в ESP32. Конструкция и расположение электродных дорожек очень важны для правильного измерения количества осадков путём обнаружения капель дождя. Размер, форма и распределение веса корпуса, в котором установлен датчик, также имеют решающее значение, поскольку влияют на дальность, разрешение и точность прибора. Манолис работает над несколькими конструктивными идеями, которые он планирует опробовать, прежде чем решить, будет ли вся метеостанция размещена внутри вращающегося корпуса или только датчики.
Интересуясь метеорологией, [Карл] построил метеостанцию. Новейшая из них — ультразвуковой датчик ветра, который использует время прохождения ультразвуковых импульсов для определения скорости ветра.
Датчик Карлы использует четыре ультразвуковых преобразователя, ориентированных на север, юг, восток и запад, для определения скорости ветра. Измеряя время прохождения ультразвукового импульса между датчиками в помещении и вычитая результаты измерений в поле, мы получаем время прохождения по каждой оси и, следовательно, скорость ветра.
Это впечатляющая демонстрация инженерных решений, сопровождаемая потрясающе подробным отчетом о проекте.
Время публикации: 19 апреля 2024 г.