Weerstations zijn een populair project om te experimenteren met diverse omgevingssensoren, waarbij meestal een eenvoudige komvormige anemometer en een windvaan worden gekozen om de windsnelheid en -richting te bepalen. Voor zijn QingStation besloot Jianjia Ma echter een ander type windsensor te bouwen: een ultrasone anemometer.
Ultrasone anemometers hebben geen bewegende onderdelen, maar dit gaat ten koste van een aanzienlijk complexere elektronica. Ze werken door de tijd te meten die een ultrasone geluidspuls nodig heeft om te reflecteren naar een ontvanger op een bekende afstand. De windrichting kan worden berekend door snelheidsmetingen uit te voeren met twee loodrecht op elkaar geplaatste ultrasone sensoren en eenvoudige trigonometrie toe te passen. Een goede werking van een ultrasone anemometer vereist een zorgvuldig ontwerp van de analoge versterker aan de ontvangende kant en uitgebreide signaalverwerking om het juiste signaal te filteren van secundaire echo's, meervoudige signaalpaden en alle omgevingsruis. Het ontwerp en de experimentele procedures zijn goed gedocumenteerd. Omdat [Jianjia] de windtunnel niet kon gebruiken voor testen en kalibratie, installeerde hij de anemometer tijdelijk op het dak van zijn auto en vertrok. De resulterende waarde is evenredig met de GPS-snelheid van de auto, maar iets hoger. Dit kan te wijten zijn aan rekenfouten of externe factoren zoals wind- of luchtstroomverstoringen van het testvoertuig of ander verkeer.
Andere sensoren zijn onder meer optische regensensoren, lichtsensoren en een BME280 voor het meten van luchtdruk, luchtvochtigheid en temperatuur. Jianjia is van plan de QingStation op een autonome boot te gebruiken, dus heeft hij er ook een IMU, kompas, GPS en microfoon voor omgevingsgeluid aan toegevoegd.
Dankzij de vooruitgang in sensoren, elektronica en prototypingtechnologie is het bouwen van een persoonlijk weerstation eenvoudiger dan ooit. De beschikbaarheid van goedkope netwerkmodules zorgt ervoor dat deze IoT-apparaten hun informatie naar openbare databases kunnen verzenden, waardoor lokale gemeenschappen relevante weergegevens uit hun omgeving ontvangen.
Manolis Nikiforakis probeert een weerpiramide te bouwen, een volledig solid-state, onderhoudsvrij, energie- en communicatie-autonoom weermeetapparaat dat is ontworpen voor grootschalige inzet. Weerstations zijn doorgaans uitgerust met sensoren die temperatuur, luchtdruk, luchtvochtigheid, windsnelheid en neerslag meten. Hoewel de meeste van deze parameters met solid-state sensoren kunnen worden gemeten, is voor het bepalen van windsnelheid, -richting en neerslag meestal een elektromechanisch apparaat nodig.
Het ontwerpen van dergelijke sensoren is complex en uitdagend. Bij het plannen van grootschalige implementaties moet er ook voor gezorgd worden dat ze kosteneffectief, eenvoudig te installeren en onderhoudsarm zijn. Het oplossen van al deze problemen zou kunnen leiden tot de bouw van betrouwbaardere en goedkopere weerstations, die vervolgens op grote schaal in afgelegen gebieden geplaatst zouden kunnen worden.
Manolis heeft een aantal ideeën om deze problemen op te lossen. Hij is van plan om de windsnelheid en -richting te meten met behulp van de accelerometer, gyroscoop en kompas in een inertiële sensoreenheid (IMU) (waarschijnlijk een MPU-9150). Het plan is om de beweging van de IMU-sensor te volgen terwijl deze vrij heen en weer zwaait aan een kabel, als een slinger. Hij heeft wat berekeningen op een servetje gemaakt en lijkt er vertrouwen in te hebben dat deze de gewenste resultaten zullen opleveren bij het testen van het prototype. Regenvalmetingen zullen worden uitgevoerd met behulp van capacitieve sensoren, met een speciale sensor zoals de MPR121 of de ingebouwde touchfunctie van de ESP32. Het ontwerp en de plaatsing van de elektroden zijn cruciaal voor een correcte neerslagmeting door het detecteren van regendruppels. De grootte, vorm en gewichtsverdeling van de behuizing waarin de sensor is gemonteerd, zijn ook van essentieel belang, omdat ze van invloed zijn op het bereik, de resolutie en de nauwkeurigheid van het instrument. Manolis werkt aan verschillende ontwerpideeën die hij wil uitproberen voordat hij besluit of het hele weerstation zich in de roterende behuizing bevindt of alleen de sensoren.
Vanwege zijn interesse in meteorologie bouwde Karl een weerstation. Het nieuwste onderdeel daarvan is de ultrasone windsensor, die de looptijd van ultrasone pulsen gebruikt om de windsnelheid te bepalen.
Carla's sensor gebruikt vier ultrasone transducers, gericht op het noorden, zuiden, oosten en westen, om de windsnelheid te meten. Door de tijd te meten die een ultrasone puls nodig heeft om tussen de sensoren in een ruimte te reizen en de veldmetingen daarvan af te trekken, verkrijgen we de looptijd voor elke as en daarmee de windsnelheid.
Dit is een indrukwekkende demonstratie van technische oplossingen, vergezeld van een verbluffend gedetailleerd ontwerpverslag.
Geplaatst op: 19 april 2024