Ultrasone regenmeter: Raspebbery Pi Open weerstation: deel 1: 6 stappen

2025 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2025-01-23 15:01

Commercieel verkrijgbare IoT (Internet Of Things) Weerstations zijn duur en niet overal verkrijgbaar (zoals in Zuid-Afrika). Extreme weersomstandigheden treffen ons. SA ervaart de zwaarste droogte in decennia, de aarde warmt op en boeren worstelen om winstgevend te produceren, zonder technische of financiële steun van de overheid voor commerciële boeren.

Er zijn een paar Raspberry Pi-weerstations in de buurt, zoals degene die de Raspberry Pi Foundation heeft gebouwd voor Britse scholen, maar het is niet beschikbaar voor het grote publiek. Er zijn veel geschikte sensoren, sommige analoog, sommige digitaal, sommige solid state, sommige met bewegende delen en sommige zeer dure sensoren zoals ultrasone anemometers (windsnelheid en -richting)

Ik besloot dat het bouwen van een open source, open hardware Weerstation, met onderdelen die algemeen beschikbaar zijn in Zuid-Afrika, een zeer nuttig project kan zijn en ik zal veel plezier hebben (en uitdagende hoofdpijn).

Ik besloot te beginnen met een solid state (geen bewegende delen) regenmeter. De traditionele kiepbak maakte toen geen indruk op mij (ik dacht zelfs dat ik er toen nog nooit een had gebruikt). Dus, dacht ik, regen is water en water geleidt elektriciteit. Er zijn veel analoge resistieve sensoren waarbij de weerstand afneemt wanneer de sensor in contact komt met water. Ik dacht dat dit een perfecte oplossing zou zijn. Helaas hebben die sensoren last van allerlei anomalieën zoals elektrolyse en deoxidatie en waren de metingen van die sensoren onbetrouwbaar. Ik heb zelfs mijn eigen roestvrijstalen sondes gebouwd en een kleine printplaat met relais om wisselstroom te creëren (constante 5 volt, maar afwisselend de positieve en negatieve polen) om elektrolyse te elimineren, maar de metingen waren nog steeds onstabiel.

Mijn laatste keuze is Ultrasonic Sound sensor. Deze sensor aangesloten op de bovenkant van de meter, kan de afstand tot het waterniveau meten. Tot mijn verbazing waren deze sensoren zeer nauwkeurig en erg goedkoop (minder dan 50 ZAR of 4 USD)

Stap 1: benodigde onderdelen (stap 1)

Je hebt het volgende nodig:

1) 1 Raspberry Pi (elk model, ik gebruik een Pi 3)

2) 1 Broodbord

3) Sommige startkabels

4) Een weerstand van één Ohm en een weerstand van twee (of 2,2) Ohm

5) Een oude lange beker om de regen in op te bergen. Ik heb de mijne afgedrukt (zachte kopie beschikbaar)

6) Een oude handmatige regenmeter die een onderdeel vastlegt (of u kunt uw eigen onderdeel ontwerpen en afdrukken)

7) Meetapparatuur om milliliter te meten of een weegschaal om water te wegen

8) De HC-SR04 ultrasone sensor (Zuid-Afrikanen kunnen ze krijgen van Communica)

Stap 2: Uw circuit bouwen (stap 2)

Ik vond een zeer nuttige gids om me te helpen het circuit te bouwen en de python-scripts voor dit project te schrijven. Dit script berekent afstanden en u gebruikt het om de afstand te berekenen tussen de sensor die aan de bovenkant van uw metertank is gemonteerd en het waterniveau

Je kunt het hier vinden:

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

Bestudeer het, bouw je circuit, sluit het aan op je pi en speel met de python-code. Zorg ervoor dat u de spanningsdeler correct bouwt. Ik gebruikte een weerstand van 2,2 ohm tussen GPIO 24 en GND.

Stap 3: Bouw uw meter (stap 3)

U kunt uw meter printen, een bestaande meter of beker gebruiken. De HC-SR04-sensor wordt aan de bovenkant van de hoofdtank van uw meter bevestigd. Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat het te allen tijde droog blijft.

Het is belangrijk om de meethoek van uw HC-SR04-sensor te begrijpen. Je kunt het niet aan de bovenkant van een kegel bevestigen van traditionele regenmeters. Ik normale cilindrische beker zal doen. Zorg ervoor dat het breed genoeg is voor een goede geluidsgolf om naar de bodem te gaan. Ik denk dat een PVC-buis van 75 x 300 mm voldoende is. Om te testen of het signaal door je cilinder gaat en goed terugkaatst, meet je de afstand van de censor tot de onderkant van je cilinder met een liniaal, vergelijk die meting met de afstand die je krijgt van de sensor TOF (Time of flight) geschatte afstand naar de bodem.

Stap 4: Berekeningen en kalibratie (stap 4)

Wat betekent 1 millimeter regen? Eén mm regen betekent dat als je een kubus van 1000 mm x 1000 mm x 1000 mm of 1 m x 1 m x 1 m had, de kubus een diepte van 1 mm regenwater heeft als je hem buiten laat als het regent. Als je deze regen in een fles van 1 liter leegt, vult deze de fles voor 100% en meet het water ook 1 kg. Verschillende regenmeters hebben verschillende stroomgebieden. Als uw stroomgebied van uw meter 1m X 1m was, is het gemakkelijk.

Ook is 1 gram water conventioneel 1 ml

Om uw regenval in mm uit uw meter te berekenen, kunt u het volgende doen na het wegen van het regenwater:

W is het neerslaggewicht in gram of milliliter

A is uw verzorgingsgebied in vierkante mm

R is je totale regenval in mm

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

Er zijn twee mogelijkheden om de HC-SR04 te gebruiken om W te schatten (u hebt W nodig om R te berekenen).

Methode 1: Gebruik gewone natuurkunde

Meet de afstand van de HC-SR tot de onderkant van je meter (je deed het ook in een vorige stap) met de sensor met behulp van de TOF (Time of Flight) berekeningen in het python-script van https://www.modmypi. com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi Bel deze cd (cilinderdiepte)

Meet het gebied van de binnenkant van de bodem van uw cilinder met alles wat geschikt is in vierkante mm. Noem dit IA.

Gooi nu 2 ml water (of een andere geschikte hoeveelheid) in je cilinder. Schat met behulp van onze sensor de afstand tot het nieuwe waterniveau in mm, Cal this Dist_To_Water).

De Waterdiepte (WD) in mm is:

WD=CD - Dist_To_Water (of cilinderdiepte minus de afstand van de censor tot het waterniveau)

Nee, het geschatte gewicht van het water is

W=WD x IA in ml of gram (onthoud dat 1 ml water 1 gram weegt)

Nu kun je Neerslag (R) in mm schatten met B x [(1000 x 1000)/A] zoals eerder uitgelegd.

Methode 2: Kalibreer uw meter met Statistieken

Aangezien de HC-SR04 niet perfect is (er kunnen fouten optreden), lijkt het alsof hij op zijn minst constant is in het meten of uw cilinder geschikt is.

Bouw een lineair model met sensormetingen (of sensorafstanden) als afhankelijke variabele en geïnjecteerde gewichten van water als afhankelijke variabele.

Stap 5: Software (stap 5)

Software voor dit project is nog in ontwikkeling.

De python-scripts op https://www.modmypi.com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi zouden bruikbaar moeten zijn.

Attach is een aantal nuttige python-applicaties (General Public License) die door mijzelf zijn ontwikkeld.

Ik ben van plan om later een webinterface voor het volledige weerstation te ontwikkelen. Attach is een aantal van mijn programma's die worden gebruikt om de meter te kalibreren en sensormetingen uit te voeren

Gebruik het bijgevoegde kalibratiescript om de meter statistisch te kalibreren. Importeer de gegevens in een spreadsheet om te analyseren.

Stap 6: Nog te doen (stap 6)

Een magneetventiel is nodig om de tank te legen wanneer deze vol is (dicht bij de sensor)

De eerste paar regendruppels worden niet altijd goed gemeten, zeker niet als de meter niet goed waterpas staat. Ik ben bezig met het ontwikkelen van een disdrometer om deze druppels correct te meten. De disdro mijn toekomst hierna.

Voeg een tweede ultrasone sensor toe om het effect van temperatuur op de TOF te meten. Ik zal hier binnenkort een update over plaatsen.

Ik heb de volgende bron gevonden die kan helpen:

www.researchgate.net/profile/Zheng_Guilin3/publication/258745832_An_Innovative_Principle_in_Self-Calibration_by_Dual_Ultrasonic_Sensor_and_Application_in_Rain_Gauge/links/540d53e00cf2f2b29a-Innovative- Regenmeter.pdf