Метеостанції є популярним проектом для експериментів з різними датчиками навколишнього середовища, і для визначення швидкості та напрямку вітру зазвичай вибирають простий чашковий анемометр і флюгер. Для станції QingStation Цзяньцзя Ма вирішив створити інший тип датчика вітру: ультразвуковий анемометр.
Ультразвукові анемометри не мають рухомих частин, але компромісом є значне збільшення електронної складності. Вони працюють, вимірюючи час, необхідний для відбиття ультразвукового звукового імпульсу до приймача на відомій відстані. Напрямок вітру можна розрахувати, знімаючи показники швидкості з двох пар ультразвукових датчиків, перпендикулярних один одному, та використовуючи просту тригонометрію. Правильна робота ультразвукового анемометра вимагає ретельного проектування аналогового підсилювача на приймальному кінці та ретельної обробки сигналу для вилучення правильного сигналу з вторинних відлунь, багатопроменевого поширення та всіх шумів, спричинених навколишнім середовищем. Конструкція та експериментальні процедури добре задокументовані. Оскільки [Цзяньцзя] не міг використовувати аеродинамічну трубу для тестування та калібрування, він тимчасово встановив анемометр на даху свого автомобіля та поїхав. Отримане значення пропорційне швидкості автомобіля за даними GPS, але трохи вище. Це може бути пов'язано з помилками розрахунків або зовнішніми факторами, такими як вітер або збурення повітряного потоку від випробувального транспортного засобу чи іншого дорожнього руху.
Інші датчики включають оптичні датчики дощу, датчики світла, датчики освітленості та BME280 для вимірювання тиску повітря, вологості та температури. Цзяньцзя планує використовувати QingStation на автономному човні, тому він також додав IMU, компас, GPS та мікрофон для навколишнього звуку.
Завдяки розвитку датчиків, електроніки та технологій прототипування, створення персональної метеостанції стало простішим, ніж будь-коли. Наявність недорогих мережевих модулів дозволяє нам забезпечити передачу інформації цими пристроями Інтернету речей до загальнодоступних баз даних, надаючи місцевим громадам відповідні дані про погоду в їхньому оточенні.
Маноліс Нікіфоракіс намагається створити «Піраміду погоди» – повністю твердотільний, не потребує обслуговування, автономний в енергетичному та комунікаційному плані пристрій для вимірювання погоди, призначений для масштабного розгортання. Зазвичай метеостанції оснащені датчиками, які вимірюють температуру, тиск, вологість, швидкість вітру та кількість опадів. Хоча більшість цих параметрів можна виміряти за допомогою твердотільних датчиків, визначення швидкості, напрямку та кількості опадів зазвичай вимагає певного електромеханічного пристрою.
Конструкція таких датчиків є складною та проблематичною. Плануючи масштабне розгортання, також необхідно переконатися, що вони економічно ефективні, прості в установці та не потребують частого обслуговування. Усунення всіх цих проблем може призвести до будівництва надійніших та менш дорогих метеостанцій, які потім можна буде встановлювати у великій кількості у віддалених районах.
У Маноліса є кілька ідей щодо вирішення цих проблем. Він планує фіксувати швидкість і напрямок вітру з акселерометра, гіроскопа та компаса за допомогою інерційного сенсорного блоку (IMU) (ймовірно, MPU-9150). План полягає у відстеженні руху датчика IMU, коли він вільно коливається на тросі, як маятник. Він виконав деякі розрахунки на серветці та здається впевненим, що вони дадуть необхідні результати під час тестування прототипу. Вимірювання опадів буде здійснюватися за допомогою ємнісних датчиків, використовуючи спеціалізований датчик, такий як MPR121, або вбудовану сенсорну функцію в ESP32. Конструкція та розташування електродних доріжок дуже важливі для правильного вимірювання опадів шляхом виявлення крапель дощу. Розмір, форма та розподіл ваги корпусу, в якому встановлений датчик, також є критичними, оскільки вони впливають на діапазон, роздільну здатність та точність приладу. Маноліс працює над кількома ідеями дизайну, які він планує випробувати, перш ніж вирішити, чи буде вся метеостанція знаходитися всередині обертового корпусу, чи лише датчики всередині.
Через свою зацікавленість метеорологією [Карл] побудував метеостанцію. Найновішим з них є ультразвуковий датчик вітру, який використовує час польоту ультразвукових імпульсів для визначення швидкості вітру.
Датчик Карли використовує чотири ультразвукові перетворювачі, орієнтовані на північ, південь, схід та захід, для визначення швидкості вітру. Вимірюючи час, необхідний ультразвуковому імпульсу для проходження між датчиками в кімнаті, та віднімаючи вимірювання поля, ми отримуємо час прольоту для кожної осі та, отже, швидкість вітру.
Це вражаюча демонстрація інженерних рішень, що супроводжується приголомшливо детальним звітом про проектування.
Час публікації: 19 квітня 2024 р.