Meteorologická stanice – metodika měření
Úvod
Vytvořil jsem funkční meteorologickou stanici, která dokáže snímat rychlost a směr větru, atmosférický tlak, sluneční svit a teplotu. Do budoucna se plánuje zdokonalení stanice o měření množství srážek a vlhkosti vzduchu.
Zadání
Vybudování co nekomplexnější meteorologické stanice pro svojí školu s pomocí Amini-E.
Cíle
Vybudování meteorologické stanice která bude schopna celý rok zaznamenávat a uchovávat data po několik let z naměřených hodnot směru větru, rychlosti větru, atmosférického tlaku, slunečního svitu, venkovní teploty a množství srážek. Stanice Amini-E musí komunikovat s internetem a zaznamenávat hodnoty. Naměřené hodnoty by měli být co nejaktuálnější a uchovávat data s historii a grafy.
Metodika
Rychlost a směr větru
Na měření jsem použil hvězdici od kanadské firmy-Peet bros company. Funguje na principu spínání dvou relé jazýčků když kolem projde kov. Jeden je umístěn u otočné hvězdice (rychlost) a druhý u šipky (směr). Na šipce a hvězdici je kov materiál, který způsobuje sepnutí relé. To způsobí signál který je zpracováván v Ami-ni. V Ami-ni se při příchodu zpustí čas v milisekundách. Poté je vyhodnocován a převáděn na rychlost nebo směr. Směr je časově závislý na rychlosti, protože potřebuje určité procento z rychlosti. U rychlosti a směru jsem musel ošetřit nežádoucí kmity které v růžici vznikaly. Z počátku jsem práci trochu kazil svojí neopatrností a nedbalostí. Spálil jsem jedno ze 2 spínacích relé a musel sehnat jiné.
Měření rychlosti
Rychlost je vypočítávána v=s/t. s= 0.4398 metru, tuto hodnotu jsem získal z naměření poloměru hvězdice do půlky lopatky na hvězdici. s=2*pí*r kde r=7cm. Měření času jsem prováděl na ….. zjistil jsem si délku signálu mezi sepnutími a pak změřil rozdíl nástupných hran. Poté jsem sestavil algoritmus pro tento výpočet rychlosti ve stanici. Čím delší čas mezi hranami tím je vítr slabší(menší rychlost).
Měření směru
Výpočet směru se prováděl načtením nástupní hrany rychlosti větru a pak nástupní hrany rychlosti a vypočítat si rozdíl v %. Nejmenší rozdíl bylo asi 4% a to u západu a největší u jihozápadu 95%. Šipka sama o sobě se netočila, ale při průchodu hvězdice se vzájemně spínaly. U směru jsou určeny dva způsoby měření. Jeden je v azimutech a druhý je určovaní směru na Západ, Severozápad atd. Jelikož jsme naměřily 0 milisekund na 248°. Tak jsem to řešil tak, že do 360° (severu) jsem přičítal 248° a přes 360° jsem odečítal 112°. Tyto výpočty jsou prováděny po směru hodinových ručiček.
- připočítávání 248° při výpočtu
- odečítaní 112° při výpočtu
- Při poslední výměně poškozeného relé se sever posunul na 0. Z toho vyplývá, že předchozí snaha o zjištění a správné vypočítání severu nevyšlo a stačilo vyměnit spínací směrové relé.
Barometr
Použil jsem návod na Digitální barometr - s tlakovým čidlem Motorola MPX4115A. Je to barometr dělaný na Voltmetr který ukazuje ve voltech přesný tlak. To mi celkem usnadnilo práci protože jsem mohl využít analogového vstupu k vyřešení přesného tlaku. Z počátku jsem to trochu nechápal a dělal chyby. Zároveň plošný spoj pro barometr byla moje první práce s micropájkou. Omylem jsem upálil dělič napětí a ohrozil tak tlakové čidlo, když jsem do obvodu pustil 15V a dělič nefungoval. Čidlo je stavěné na míň než 10V. viz. obrázek č.10
Měření atmosférického tlaku
Použití analogového vstupu bylo s překážkou. Analogový vstup totiž měřil do 10voltu a barometr měřil plus minus. Ošetřil jsem to přepočtem a snížením vstupního napětí o 2 volty na. Z 10 voltů na 8 voltů, abych mohl měřit přesně a bez poškození stanice nebo barometru. Normální vývod, který byl v plánku jsem nepoužil. Využil jsem výstupu na 7 nožičce.
-v červeném místě jsem vyvedl drátek k připojení ke stanici Ami-ni.
Solární články
Byly využity na měření množství světla. Bylo dáno dohromady 6 solárních článků. Každý při plném světlevydával 0,57 voltu. Tak že 6 článků vytvářelo napětí 3,42. Dostačující napětí k jeho rozdělení na 6 částí viz. tabulka.
Jediným problémem solárních článků byla jejich křehkost a možnost upatlání neopatrným zacházením. Viz obrázek č.10
Měření jasnosti
Na měření tabulky jsem použil tuto stupnici. Stanice vyhodnocuje napětí z analogového vstupu, který je nastaven na 5V. Má to podobné řešení jako barometr.
1ux (lx) 1lx = 1lm/m2
Měření teploty
Nejprve jsme chtěly zapojit senzor SMT160. Našel jsem vhodné zapojení i správný výpočet pro realizaci SMT160. Bohužel jsem nezjistil jak naprogramovat PSP3 tak aby snímal frekvenci teploměru SMT160. Po neúspěšnosti senzoru SMT160 jsem přestoupil na odporové čidlo PT100. Je založené na snímání odporu 100-315.65ohmu. Toto rozpětí je po teplotu 0-600°C. V programu PSP3 je pro PT100 příkaz Pt100R2T. Příkaz pro přepočítávání odporu z odporového čidla. Pro meteorologickou stanici využijem pouze rozmezí teploty od -20°C až po teploty +40°C. Tento postup, nebyl příliš ideální protože Ami-ni nedokázal snímat dostatečně malé napětí pro potřebné rozsahy( 2,5 °C na 5mV, pro naše venkovní měření nedostačující přesnost). Z důvodů vetší přesnosti jsme hledaly různé zesilovače a též jsme se chtěly vrátit zpět k snímači SMT160. Po různých zkoušení ani SMT160 neobstál z důvodů nedostatečného kmitočtu. Z těchto důvodu jsme našli v učebně neprogramovatelný převodník pro Pt100, Ni1000 atd. P5102. Naprogramovaný a připravený byl doladěn a zprovozněn. Převodník konvertoval dané rovnou napětí na stupně Celsia a Ami-ni již snímal dané napětí. Příkaz Pt100R2T již nebyl zapotřebí.
Zapojení pro sluneční svit (nastavená na 5V vstup) a pro barometr (zapojení na 10V vstup)
Splnění cílů
Všechny požadované a zadané cíle byly splněny, s každým senzorem byly menší potíže které byly odstraněny a senzory fungují bez problému. Stanice je plně funkční a do budoucna počítáme se senzorem na měření a zaznamenávání vlhkosti a množství srážek.
Závěr
Na závěr bych chtěl poděkovat panu profesoru Pavlu Votrubci a všem co mi s něčím pomohli a měli se mnou velkou trpělivost. Problému bylo dost, ale kdyby nebyly tak by potom všechno byla hračka. Naštěstí jsou všechny problémy vyřešeny a těším se na další spolupráci.
Meteorologická stanice – webová prezentace
Přenos a skladování dat
Základem zobrazování dat na internetu je ty data nejprve přenést z měřící stanice do nějaké databáze, já sem si zvolil MySQL protože s ním mám nejvíce zkušeností. Teď k samotnému přenosu, data se nejprve přenesou pomocí aplikace v Control Webu z měřící stanice do počítače komunikace probíhá po ethernetu protokolem TCP/IP, přenášeno je několik kanálů (teplota, tlak ...) a celou komunikaci zajišťuje ovladač DBNET. Po přečtení údajů ze stanice se jednou za 5 minut přenesou na MySQL server pomocí ODBC spojení, kde se všechny naměřené údaje skladují a jsou připraveny pro další zpracování.
Zobrazování dat
O zobrazování dat se stará skript v jazyku PHP který běží na Linuxovém serveru s web serverem Apache a MySQL serverem. Skript nejprve přečte požadováná data z MySQL, data zpracuje a zaokrouhlí a následně data zobrazí. Webová prezentace ma dva různé výstupy: textový (archiv, aktuální hodnoty) a grafický (grafy). Textový výstup je výtvářen přímo jazykem PHP, grafický výstup je vytvářen pomocí knihoven JpGraph a GD. Při zobrazování dat je možné si vybrat časový úsek který nas zajímá, na výběr tu jsou aktuální hodnoty, 2 dny, týden, měsíc a rok. Také je možné si vybrat jestli chceme vidět všechny měřené veličiny nebo jen některou z nich. Navíc je možné si zobrazit archiv textových hodnot z jednoho dne. Poslední odkaz vede na stránku s informacemi o meteorologické stanici a o metodice měření. Veškerý HTML výstup je validní a jde zobrazit v jakémkoliv prohlížeči.
Fotografie stanice
Odkazy
http://www.amit.cz
http://www.spsul.cz
http://www.peetbros.com
http://lide.uhk.cz/home/fim/student/skaliji1/www/oblacnost.html
http://www.hw.cz/Teorie-a-praxe/Programovani/ART387-Jak-na-prevodnik-SMT160-30-92.html
http://server.solartec.cz
http://www.chmi.cz/
http://www.shaman.cz/
http://www.hksw.org
http://www.smartec.cz
http://www.priroda.cz
http://www.energonova.cz/ceniky/nove/prevodniky.pdf
http://www.sensit.cz/docs/prospekty/cz_101_1.pdf
http://www.aditus.nu/jpgraph/
http://geography.ujep.cz/geo_s/meteo.html
