Pluviómetro ultrasónico: Estación meteorológica abierta Raspebbery Pi: Parte 1: 6 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Las estaciones meteorológicas IoT (Internet de las cosas) disponibles comercialmente son caras y no están disponibles en todas partes (como en Sudáfrica). Las condiciones climáticas extremas nos golpean. SA está experimentando la sequía más dura en décadas, la tierra se está calentando y los agricultores luchan por producir de manera rentable, sin el apoyo técnico o financiero del gobierno para los agricultores comerciales.

Hay algunas estaciones meteorológicas de Raspberry Pi, como la que construyó la Fundación Raspberry Pi para las escuelas del Reino Unido, pero no está disponible para el público en general. Existen muchos sensores adecuados, algunos analógicos, algunos digitales, algunos de estado sólido, algunos con partes móviles y algunos sensores muy costosos como anemómetros ultrasónicos (velocidad y dirección del viento)

Decidí que construir una estación meteorológica de código abierto, hardware abierto, con partes generales disponibles en Sudáfrica puede ser un proyecto muy útil y me divertiré mucho (y me divertiré mucho (y dolores de cabeza desafiantes).

Decidí comenzar con un pluviómetro de estado sólido (sin partes móviles). El balde basculante tradicional no me impresionó en ese momento (aunque nunca había usado uno para entonces). Entonces, pensé, la lluvia es agua y el agua conduce la electricidad. Hay muchos sensores resistivos analógicos donde la resistencia disminuye cuando el sensor entra en contacto con el agua. Pensé que esta sería una solución perfecta. Desafortunadamente, esos sensores sufren todo tipo de anomalías, como electrólisis y desoxidación, y las lecturas de esos sensores no eran confiables. Incluso construyo mis propias sondas de acero inoxidable y una pequeña placa de circuito con relés para crear corriente continua alterna (constante de 5 voltios, pero alternando los polos positivo y negativo) para eliminar la electrólisis, pero las lecturas seguían siendo inestables.

Mi última elección es el sensor de sonido ultrasónico. Este sensor conectado a la parte superior del medidor, puede medir la distancia al nivel del agua. Para mi sorpresa, estos sensores eran muy precisos y muy baratos (menos de 50 ZAR o 4 USD)

Paso 1: Piezas necesarias (Paso 1)

Necesitará lo siguiente

1) 1 Raspberry Pi (cualquier modelo, estoy usando un Pi 3)

2) 1 pan Bord

3) Algunos cables de puente

4) Una resistencia de un ohmio y una resistencia de dos (o 2,2) ohmios

5) Una vieja taza larga para guardar la lluvia. Imprimí el mío (copia electrónica disponible)

6) Una pieza de captura de pluviómetro manual antiguo (o puede diseñar el suyo e imprimirlo)

7) Equipo de medición para medir mililitros o una balanza para pesar agua.

8) El sensor ultrasónico HC-SR04 (los sudafricanos pueden obtenerlos de Communica)

Paso 2: Construyendo su circuito (Paso 2)

Encontré una guía muy útil que me ayudó a construir el circuito y escribir los scripts de Python para este proyecto. Esta secuencia de comandos calcula distancias y la usará para calcular la distancia entre el sensor montado en la parte superior de su tanque de medición y el nivel del agua.

Lo puedes encontrar aquí:

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

Estúdielo, construya su circuito, conéctelo a su pi y juegue con el código Python. Asegúrese de construir el divisor de voltaje correctamente. Usé una resistencia de 2.2 ohmios entre GPIO 24 y GND.

Paso 3: construya su medidor (paso 3)

Puede imprimir su medidor, usar un medidor o taza existente. El sensor HC-SR04 se conectará a la parte superior del tanque principal de su medidor. Es importante asegurarse de que se mantenga seco en todo momento.

Es importante comprender el ángulo de medición de su sensor HC-SR04. No se puede colocar en la parte superior de un cono de pluviómetros tradicionales. La copa cilíndrica normal servirá. Asegúrese de que sea lo suficientemente ancho para que una onda de sonido adecuada baje hasta el fondo. Creo que una tubería de PVC de 75 x 300 mm servirá. Para probar si la señal atraviesa su cilindro y rebota correctamente, mida la distancia desde el censor hasta la parte inferior de su cilindro con una regla, compare esa medida con la distancia que obtiene del sensor TOF (tiempo de vuelo) distancia estimada hasta el fondo.

Paso 4: Cálculos y calibración (Paso 4)

¿Qué significa 1 milímetro de lluvia? Un mm de lluvia significa que si tuviera un cubo de 1000 mm X 1000 mm X 1000 mm o 1 m X 1 m X 1 m, el cubo tendrá una profundidad de agua de lluvia de 1 mm si lo deja afuera cuando llueve. Si vacía esta lluvia en una botella de 1 litro, llenará la botella al 100% y el agua también medirá 1 kg. Diferentes pluviómetros tienen diferentes áreas de captación. Si el área de captación de su medidor era de 1 mx 1 m, es fácil.

Además, 1 gramo de agua es convencional 1 ml

Para calcular su precipitación en mm desde su medidor, puede hacer lo siguiente después de ponderar el agua de lluvia:

W es el peso de la lluvia en gramos o mililitros

A es su área de influencia en mm cuadrados

R es la precipitación total en mm

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

Hay dos posibilidades al usar el HC-SR04 para estimar W (necesita W para calcular R).

Método 1: usa física simple

Mida la distancia desde el HC-SR hasta la parte inferior de su medidor (también lo estaba haciendo en un paso anterior) con el sensor utilizando los cálculos TOF (tiempo de vuelo) en el script de Python de https://www.modmypi. com / blog / hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi Llame a este CD (Profundidad del cilindro)

Mida el área de la parte inferior interior de su cilindro con cualquier cosa adecuada en mm cuadrados. Llame a este IA.

Ahora arroje 2 ml de agua (o cualquier cantidad adecuada) en su cilindro. Usando nuestro sensor, estime la distancia al nuevo nivel de agua en mm, Cal this Dist_To_Water).

La profundidad del agua (WD) en mm es:

WD = CD - Dist_To_Water (o profundidad del cilindro menos la distancia desde el censor hasta el nivel del agua)

No, el peso estimado del agua es

W = WD x IA en ml o gramos (recuerde que 1 ml de agua pesa 1 gramo)

Ahora puede estimar la precipitación (R) en mm con W x [(1000 x 1000) / A] como se explicó anteriormente.

Método 2: calibre su medidor con estadísticas

Dado que el HC-SR04 no es perfecto (se pueden producir errores), parece que al menos es constante al medir si su cilindro es adecuado.

Construya un modelo lineal con lecturas de sensor (o distancias de sensor) como variable dependiente y pesos inyectados de agua como variable dependiente.

Paso 5: software (paso 5)

El software para este proyecto aún está en desarrollo.

Los scripts de Python en https://www.modmypi.com/blog/hc-sr04-ultrasonic-range-sensor-on-the-raspberry-pi deberían ser utilizables.

Adjuntar son algunas aplicaciones de Python útiles (Licencia Pública General) desarrolladas por mí.

Planeo desarrollar una interfaz web para la estación meteorológica completa más adelante. Adjuntar es algunos de mis programas que se utilizan para calibrar el medidor y hacer lecturas de sensores

Utilice el guión adjunto de calibración para calibrar estadísticamente el medidor. Importe los datos en una hoja de cálculo para analizar.

Paso 6: Aún por hacer (Paso 6)

Se necesita una válvula solenoide para vaciar el tanque cuando está lleno (cerca del sensor)

Las primeras gotas de lluvia no siempre se miden correctamente, especialmente si el medidor no está nivelado correctamente. Estoy en proceso de desarrollar un medidor de disdro para capturar estas gotas correctamente. El próximo disdro de mi futuro.

Agregue un segundo sensor ultrasónico para medir el efecto de la temperatura en el TOF. Pronto publicaré una actualización sobre esto.

Encontré el siguiente recurso que puede ayudar

www.researchgate.net/profile/Zheng_Guilin3/publication/258745832_An_Innovative_Principle_in_Self-Calibration_by_Dual_Ultrasonic_Sensor_and_Application_in_Rain_Gauge/links/540d53e00cf2b2b2b29 Rain-Gauge.pdf