Wetterstation Schwalbe
Elektronikentwicklung ist für mich Beruf und Hobby zugleich. Im nächsten Impuls des Wunsches, etwas zu tun, stieß ich auf einen preiswerten Amateur-Sensor: Regen, Geschwindigkeit und Windrichtung. Er hat mir ein neues Interessensgebiet eröffnet. In diesem Artikel werde ich über den faszinierenden Prozess der Gestaltung meiner Wetterstation sprechen.Nach einer kurzen Fantasie wurde eine Reihe von Sensoren gebildet:• Temperatur• Luftfeuchtigkeit• Druck• Windrichtung und -geschwindigkeit• Niederschlag• ionisierende Strahlung• BeleuchtungEine der Optionen für die Implementierung - Montage aus vorgefertigten Modulen (Prozessorkarte + Abschirmungen) - gefiel mir aufgrund der folgenden Nachteile nicht :• mangelnde Flexibilität• monströses Design• Stromverbrauch• langweiligAußerdem wollte ich selbst eine Leiterplatte entwickeln. Im Allgemeinen wurde das Projekt als unterhaltsam geplant. Aufgrund der Besonderheiten unserer Entwicklungen muss ich Platinen in ein streng begrenztes Konstrukt einbetten. Daher wollte ich ein „imposantes“ Design der Haupteinheit entwickeln, viele LEDs, schöne Anschlüsse usw. einsetzen. DieEntwicklung eines Mikrocontrollersystems mit einer Reihe von Umgebungssensoren ist eine gewöhnliche Aufgabe wurde durch Sonnenkollektoren und darauf basierende Stromversorgungssysteme ergänzt.Basierend auf der Liste der Sensoren wurde das folgende Blockdiagramm erstellt:
Externe Sensoren
Die Auswahl der Komponenten begann mit der Suche nach einer Alternative zu den oben genannten Sensoren. Ihre Leistung weckte kein Vertrauen, ich wollte etwas zuverlässigeres und schöneres finden. Nach langer Suche fand ich Vaisala, das sich auf die Entwicklung professioneller Lösungen zur Messung von Umweltparametern spezialisiert hat. Dieses Unternehmen stellt beispielsweise ein solches zuverlässiges kombiniertes Anemometer her, das als kostengünstige Lösung positioniert ist.Es hat ein kegelförmiges Laufrad für linearere Eigenschaften. Windgeschwindigkeit - Ausgangsfrequenz. Nachdem ich nach einem Preis gefragt hatte (75.000 Rubel), musste ich immer noch zur ursprünglichen Amateurversion zurückkehren. Diese Sensoren enthalten keine aktiven elektrischen Komponenten, sondern verwenden Reedschalter und Magnete als Bewegungsmelder.Das Windmesser hat einen Frequenzausgang. Wenn sich das Laufrad dreht, schließt der Reedschalter mit einer Frequenz, die proportional zur Windgeschwindigkeit ist. Das Anemometer ist über eine Schutzschaltung und ein RC-Filter mit dem Eingang eines der Timer des Mikrocontrollers verbunden, um Kontaktsprünge zu unterdrücken.Der Windrichtungssensor ist ein abstimmbarer Spannungsteiler an den Reed-Schaltern. Der Ausgang ist Spannung. Es ist auch über eine Schutzschaltung und einen Filter mit dem internen ADC MK verbunden.Der Regensensor hat meiner Meinung nach das schlaueste Design. Es ist eine Schaukel mit zwei Tanks an den Enden, die abwechselnd aus einem Trichter über ihnen gefüllt werden. Bei jedem Überschlag schließt der Reed-Schalter. Der Anschluss an MK entspricht dem des Windmessers.
Gerätediagramm
Der Mikrocontroller STM32F207VC wurde ausgewählt. Natürlich wird der Mikrocontroller diese Aufgabe einfacher bewältigen, aber die Aufgabe ist unterhaltsam, der Preis für ein einzelnes Produkt ist nicht kritisch, und außerdem verwenden wir diesen Mikrocontroller häufig in unseren Entwürfen - was Zeit beim Entwerfen spart.Der I2C_1-Bus verbindet die Temperatursensoren des Geräts, Druck, Beleuchtung sowie einen Beschleunigungsmesser und zwei Strom-Shunt-Verstärker.Mit dem internen Temperatursensor STLM75 können Sie die Temperatur des Geräts überwachen. Es ist interessant zu beobachten, wie die Innentemperatur in der Sonne ansteigt.Drucksensor von ST LPS25. MEMS-Sensor mit digitalem Ausgang.Lichtsensor OPT3001 mit spektraler Empfindlichkeit in der Nähe des menschlichen Auges. Für diese Aufgabe nicht ganz geeignet, weil Bei der Messung der Leistung der Sonnenstrahlung werden Sensoren mit einem breiteren Spektralbereich mit Erfassung von IR und UV verwendet. Es genügte mir jedoch, die Beleuchtung in Form von Dunkel / Hell zu bestimmen.Beschleunigungsmesser LSM303D. Die Idee ist, es als Diebstahlmelder in der Batterielebensdauer zu verwenden. Zu den interessanten Funktionen gehören die Bestimmung des freien Falls und die Erzeugung eines Interrupts für MK.Mit Verstärkern des Stromshunts mit digitalem Ausgang können Sie die Spannung und den Strom des Versorgungsbusses messen, die Leistung an Bord berechnen und Unterbrechungen erzeugen, wenn die Parameter die festgelegten Grenzen überschreiten. Wird zur Steuerung des Stromverbrauchs verwendet und generiert.Die 3 UART-Schnittstellen funktionieren wie folgt:• Externe verdrahtete Schnittstelle. Der UART-RS485-Wandler mit galvanischer Trennung ist installiert. Die Texas Instruments-Lösung basiert auf dem ISO3086T-Chip. Diese Mikroschaltung enthält einen Transformatortreiber, mit dem Sie den Ausgangsteil des Wandlers ohne zusätzliche Quelle mit Strom versorgen können.• GSM-Modul SIM900. Sie könnten mit 3G und geringem Stromverbrauch etwas Moderneres aufnehmen, aber dieses war im Regal und in der PCB-CAD-Komponentenbibliothek.• GPS-Modul für genaue Zeit, ausgewählt aus den gleichen Gründen.Als "was noch zu setzen" auf freien Stiften fand ich ein schönes grafisches OLED-Display mit einer Auflösung von 128 * 64. Ja, natürlich ist das Display in der Station unbrauchbar, aber durch die transparente Abdeckung des Gehäuses sieht es sehr gut aus und ist während der Installation nützlich, um die Richtigkeit der Verbindungen zu überprüfen.Aufgrund der Liebe zu Gasentladungsgeräten erschien ein Detektor für ionisierende Strahlung auf dem Geigerzähler SBM-20 in der Liste der Sensoren. Es erkennt Gammastrahlung. Ich wollte das SBM-19 einsetzen, es hat aufgrund des größeren Volumens der Kamera eine größere Empfindlichkeit, aber aus dem gleichen Grund passte es nicht in das Gehäuse, das mir gefiel.Ein Geigerzähler benötigt zum Betrieb 400 Volt. Die Hochspannungsquelle wird gemäß einer transformatorlosen Schaltung hergestellt, die auf dem MC33063AD basiert. Eine kontroverse Entscheidung, aber ich wollte versuchen, 400 aus 5 Volt nach diesem Schema zu machen. Von den Merkmalen benötigen Sie einen Hochspannungstransistor mit einer kleinen Gate-Schwellenspannung, zum Beispiel ZVN0545.Der Zähler wird entsprechend der Kathodenerdungsschaltung eingeschaltet. Eine üblichere Schaltung ist ein Widerstand in der Kathoden-Erdungsschaltung zum Erfassen eines Stromsprungs im Zähler. Aus Gründen der Störfestigkeit ist es besser, einen geerdeten Metallgegenzylinder zu haben, bei dem es sich um die Kathode handelt. Es trennt auch erfolgreich die verrauschte Hochspannungsstromquelle vom Rest der Schaltung auf der Platine.Der Detektorabschnitt wird nach einem einfachen Schema hergestellt. Wenn ein Teilchen in den Zähler eintritt, tritt durch ihn ein Stromstoß auf, aufgrund dessen sich das Anodenpotential ändert, was zum Auftreten von Strom im Basisstromkreis und infolgedessen zu einer Abnahme der Spannung am Detektorausgang führt. Nach dem Ende des Ionisationsvorgangs stoppt der Strom und die Spannung am Ausgang des Detektors beträgt 3,3 Volt. Das Signal vom Detektor wird als externer Interrupt MK verarbeitet.
Die Entwicklung eines Energieplans erforderte die meiste Zeit. Es gibt drei Energiequellen: ein externes Netzwerk, ein Solarpanel und eine eingebaute Batterie. Am externen Stromeingang ist ein galvanisch getrennter DC-DC-Wandler installiert. Der Eingangsbereich beträgt 9-36 Volt, der Ausgang beträgt 5 Volt.
Für die Arbeit mit der Solarbatterie wird ein spezieller Aufwärtswandler-Mikrokreis mit integrierter MPPT-Funktion (Maximum Power Point Tracking) verwendet. Diese Methode wird verwendet, um die maximal mögliche Ausgangsleistung der Fotomodule zu erhalten.Die Schaltung verwendet 2 selbstschaltende Leistungsmultiplexer, um automatisch eine Stromquelle auszuwählen. In diesem Schaltschema wurden Fehler gemacht. Es gibt keine Möglichkeit, die Stromversorgung auszuschalten, wenn der Akku fast leer ist. Und wahrscheinlich wäre es richtiger, die Solarbatterie die Batterie aufladen zu lassen, ohne das Gerät zu speisen. Bei schlechten Lichtverhältnissen reicht die Leistung aus, um den Akku langsam aufzuladen, reicht jedoch nicht aus, um das Gerät selbst mit Strom zu versorgen.Nach der Rückverfolgung erhielt das Board das folgende Formular:
Es wurde ein geräumiger Koffer mit einer transparenten Frontabdeckung ausgewählt. Die Option des Herstellers war sehr praktisch - ein Element zum Druckausgleich (auf dem Foto unten links neben den Anschlüssen). Es sorgt für gleiche Drücke innerhalb und außerhalb des Gehäuses, die für einen im Inneren befindlichen Drucksensor erforderlich sind, und sorgt auch bei Druckabfällen für eine größere Dichtheit des Geräts. M12-Industriestecker dienen zum Anschluss externer Sensoren, Stromversorgung und Kommunikation. Der M12-Stecker bietet eine hohe Dichtheit und eine zuverlässige elektrische Verbindung. Um das Gehäuse auf einem Gestell zu installieren, passen die Armaturen für Wasserleitungen perfekt.
Die Ausstellung rückte näher, aber der Solarstromkreis war noch nicht getestet worden. Daher wurde beschlossen, externen Strom und eine kabelgebundene Schnittstelle zu verwenden.Die Firmware war schnell geschrieben. Zunächst beschränkten wir uns darauf, alle Sensoren abzufragen, die Parameter anzuzeigen und Daten über die RS-485-Kabelschnittstelle auszutauschen. Für den PC wurde ein Programm geschrieben, das den Austausch mit der Station und die Ausgabe von Parametern implementiert.Zum Anschließen an einen Computeradapter USB - RS485 mit einem Power Injector. Das Gehäuse wurde bei SoldWorks entworfen und besteht aus transparentem Kunststoff, um die Innenseiten betrachten zu können. Es wurde in der nächsten Werbewerkstatt mittels Laserschneiden hergestellt. Es ist meiner Meinung nach ziemlich gut geworden.
Als Quelle wird ein 24-V-AC-DC-Wandler verwendet. Der USB-UART-Konverter basiert auf dem beliebten FTDI FT232 UART-RS485 und basiert auf der gleichen Lösung von Texas Instruments wie in der Wetterstation.Auf der Ausstellung erregte die Wetterstation großes Interesse. Fachleute der Wetterbranche, die an unseren Stand kamen, nannten ihn Handwerk, Studenten machten Fotos vor dem Hintergrund, wir waren zufrieden.Nach der Ausstellung wollte ich unbedingt die Station auf dem Dach installieren, um die schwerwiegenden Elemente zu testen. Die Basis wurde aus improvisierten Materialien zusammengesetzt. Jetzt hat uns das Aussehen nicht gestört, Hauptsache Zuverlässigkeit. Das Ergebnis war ein hartes Design mit Abspannstangen aus Haarnadel und Kette. Überlebe einen Hurrikan!Die Station wurde auf dem Dach eines Wohngebäudes installiert. Twisted Pair vom Dach durch 5 Stockwerke in die Wohnung zu ziehen, war ein sehr aufregender Zeitvertreib.
Betriebserfahrung
Sobald die Temperatur unter Null fiel, fror der Regensensor natürlich fest ein. Er weiß immer noch nicht, wie man Schnee erkennt. Während des Entwicklungsprozesses sah ich, dass Handwerker in diesem Sensor leistungsstarke Widerstände zum Heizen bauten, aber dieser Ansatz gefiel mir nicht. In Zukunft habe ich beschlossen, einen einfachen Niederschlagsdetektor zu entwickeln, der ungefähr so ​​aussieht:Das Funktionsprinzip lautet wie folgt: Es gibt eine Leiterplatte mit Leiterpaaren, die nicht von einer Maske bedeckt sind, und wenn Wasser in die Oberfläche der Leiterplatte eintritt, nimmt der Widerstand zwischen ihnen ab. Damit der Sensor in der kalten Jahreszeit funktioniert, muss die Leiterplatte erwärmt werden.Es war auch ein Problem, einen funktionierenden Geigerzähler zu finden. Zwei SBM-20 waren auf Lager, aber beide funktionierten nicht. Jetzt hat das Gerät einen unbekannten winzigen Geigerzähler, der auf der Tafel in der unteren linken Ecke zu sehen ist.In dieser Phase konzentrieren sich alle Bemühungen auf die Fertigstellung der Software und die Erhöhung des Webservers für die Wetterstation. Es wurde eine Open-Source-Software von WeeWX gefunden, die mit den meisten Wetterstationen kommunizieren, ihre Messwerte in die Datenbank schreiben, HTML-Seiten mit Grafiken und aktuellen Messwerten erstellen usw. kann. Für WeeWX wurde ein Treiber geschrieben, der unser Austauschprotokoll implementiert.Eine Seite mit den Messwerten unserer Wetterstation finden Sie hier . Während der Entwicklung werden die Daten möglicherweise nicht richtig angezeigt.Eine der ehrgeizigen Ideen ist die Entwicklung eines Ultraschall-Windrichtungs- und Geschwindigkeitssensors, der gegenüber mechanischen einen großen Vorteil hat - er kann aufgrund von Vereisung nicht blockieren. Das Funktionsprinzip von Ultraschall-Anemometern basiert auf der Messung der Schallgeschwindigkeit, die in Abhängigkeit von der Ausrichtung des Luftbewegungsvektors (Windrichtung) relativ zum Schallausbreitungsweg variiert.Dieser Entwurf sieht wie folgt aus.Gemessen an der Zeit, die in der Redmine verbracht wurde, dauerte die Entwicklung des Eisenteils etwa einen Monat. Ein Großteil dieser Zeit wurde damit verbracht, verschiedene Sensoren zu bewundern und die Seele bei der Auswahl der Systemkomponenten zu werfen. Ungefähr zwei Wochen wurden für die Software aufgewendet, und ungefähr eine Woche dauerte die Entwicklung eines Treibers für WeeWX.Insgesamt erwies sich das Projekt für mich als sehr interessant, es wurde eine spannende Reise in die Welt der meteorologischen Messungen unternommen.Ich möchte mich auch bei ana_lazareva für seine aktive Teilnahme an der Schaffung der Wetterstation bedanken . Source: https://habr.com/ru/post/de387589/
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