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 своей метеостанции QingStation Цзяньцзя Ма решил создать другой тип датчика ветра: ультразвуковой анемометр.
Ультразвуковые анемометры не имеют движущихся частей, но компромиссом является значительное увеличение сложности электроники. Они работают, измеряя время, необходимое для отражения ультразвукового импульса до приемника на известном расстоянии. Направление ветра можно рассчитать, сняв показания скорости с двух пар ультразвуковых датчиков, расположенных перпендикулярно друг другу, и используя простую тригонометрию. Для правильной работы ультразвукового анемометра требуется тщательная разработка аналогового усилителя на приемном конце и обширная 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 вычислений или внешними факторами, такими как ветер или воздушные потоки от испытательного автомобиля или другого дорожного движения.
В числе других датчиков — оптические датчики дождя, датчики освещенности и датчик BME280 для измерения атмосферного давления, влажности и температуры. Цзяньцзя планирует использовать QingStation на автономном судне, поэтому он также добавил инерциальный измерительный блок (IMU), компас, GPS и микрофон для записи окружающего звука.
Благодаря достижениям в области датчиков, электроники и технологий прототипирования, создание персональной метеостанции стало проще, чем когда-либо. Наличие недорогих сетевых модулей позволяет нам гарантировать, что эти IoT-устройства смогут передавать информацию в общедоступные базы данных, предоставляя местным сообществам актуальные данные о погоде в их окрестностях.
Манолис Никифоракис пытается создать метеорологическую пирамиду — полностью твердотельное, не требующее обслуживания, энерго- и коммуникационно-автономное устройство для измерения погоды, предназначенное для крупномасштабного развертывания. Обычно метеостанции оснащены датчиками, измеряющими температуру, давление, влажность, скорость ветра и осадки. Хотя большинство этих параметров можно измерить с помощью твердотельных датчиков, для определения скорости, направления ветра и осадков обычно требуется какое-либо электромеханическое устройство.
Разработка таких датчиков — сложная и трудоемкая задача. При планировании масштабных развертываний необходимо также обеспечить их экономичность, простоту установки и отсутствие необходимости в частом техническом 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 считывать скорость и направление ветра с акселерометра, гироскопа и компаса в инерциальном сенсорном блоке (IMU) (вероятно, MPU-9150). План состоит в том, чтобы отслеживать движение датчика IMU, свободно качающегося на кабеле, подобно маятнику. Он провел некоторые расчеты на салфетке и, похоже, уверен, что они дадут необходимые результаты при тестировании прототипа. Измерение количества осадков будет осуществляться с помощью емкостных датчиков, используя специализированный датчик, такой как MPR121, или встроенную сенсорную функцию в ESP32. Конструкция и расположение дорожек электродов очень важны для точного измерения осадков путем обнаружения капель дождя. Размер, форма и распределение веса корпуса, в котором установлен датчик, также имеют решающее значение, поскольку они влияют на дальность, разрешение и точность прибора. Манолис работает над несколькими конструктивными идеями, которые он планирует опробовать, прежде чем решить, будет ли вся метеостанция находиться внутри вращающегося корпуса или только датчики внутри.
Благодаря своему интересу к метеорологии, [Карл] построил метеостанцию. Новейшая из них — ультразвуковой датчик ветра, который использует время распространения 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, необходимое для прохождения ультразвукового импульса между датчиками в помещении, и вычитая полученные значения, мы получаем время прохождения для каждой оси и, следовательно, скорость ветра.
Это впечатляющая демонстрация инженерных решений, сопровождаемая потрясающе подробным проектным отчетом.
Дата публикации: 19 апреля 2024 г.