Jste zde

Experimentální meteostanice

Václav Šnajdr, 23. Červen 2009 - 0:00

Článek se zabývá popisem domácí elektronické meteostanice, určené k automatickému měření teploty, tlaku, relativní vlhkosti vzduchu, rychlosti a směru větru. Měřicí systém je založen na využití mikrokontrolérů a k měření jednotlivých fyzikálních veličin slouží moderní senzorické prvky, práce byla oceněna druhým místem v soutěži Freescale Technology Application 2009.

2 Blokové schéma a popis meteostanice

Meteostanice se skládá ze tří modulů. Dva slouží jako externí čidla pro měření fyzikálních veličin ve svém okolí a třetím modulem je interní jednotka, jejíž funkcí je sběr a prezentace naměřených dat. Blokové schéma meteostanice je na následujícím obrázku.

Obr. 1 Blokové schéma meteostanice a fotografie jednotlivých modulů

2.1 Měření rychlosti a směru větru

K měření rychlosti větru je použita klasická metoda, která je založena na využití tzv. Robinsonova kříže. Jedná se v podstatě o lopatkové kolo na hřídeli, které je působením větru uváděno v rotační pohyb. Měřením otáček tohoto kola, lze po jednoduchém přepočtu stanovit rychlost proudění média, které kolo uvedlo v pohyb. Stanovení rychlosti větru je provedeno měřením počtu impulsů za jednotku času a následným přepočtem podle cejchovní křivky zařízení. Impulsy jsou generovány při přerušování optozávory dvěma clonkami, upevněnými na rotující hřídeli.

K měření směru větru slouží větrná korouhev, která se natáčí vždy proti směru, ze kterého vítr vane. Pro určení směru natočení byla zvolena metoda bezkontaktního snímání, využívající magnetický rotační enkodér AS5040 firmy austriamicrosystems. Enkodér obsahuje Hallovy sondy, které jsou umístěny kolem středu součástky a poskytují napěťovou reprezentaci, vypovídající o rozložení magnetického pole nad povrchem čipu. Obvod poskytuje jak analogový, tak i digitální sériový výstup. Pro práci s obvodem je třeba použít příčně polarizovaný magnet, jak ukazuje Obr. 2.

Analogový výstup je ve formě PWM (Pulse Width Modulation), jejíž střída se mění v závislosti na natočení magnetu vzhledem k pouzdru obvodu. Na tomto výstupu je po připojení integrátoru (dolní propusti) možno snímat napětí v rozsahu 0 až do velikosti napájecího napětí. Výstupní napětí je přímo úměrné úhlu natočení magnetu 0-360°.

Digitální výstup je ve formě sériového synchronního kanálu a hodnota je reprezentována 10 bity, rozlišení úhlu je tedy 360°/1024 = 0,35° , což je pro daný účel více než dostačující. Pro komunikaci čidla s mikrokontrolérem slouží tři vodiče.

Pro přenos dat byl zvolen radiový modul TX-8LAVSA05 Transmitter firmy Aurel. Modul pracuje v bezlicenčním ISM (Industrial Science Medical) pásmu 868 MHz s OOK (On/Off Keying) modulací a výstupním výkonem přibližně 5 dBm. Výhodou tohoto řešení je zejména jeho nižší cena. Nevýhoda spočívá v nutnosti naprogramovat komunikační protokol, který zajistí obnovení synchronizace v přijímači a protichybové zabezpečení.

Na Obr. 3 je zachycen samotný modul tvořený Robinsonovým křížem a plastovou krabicí s krytím IP55 obsahující elektroniku. Uvedené zařízení slouží k měření rychlosti větru. Aby bylo možné z počtu impulzů určit rychlost větru a tedy skutečně provést měření, je nutné znát cejchovní křivku zařízení. Ideální by bylo umístit je do větrného tunelu s možností regulace rychlosti proudění, tento postup však není běžně dostupný a proto byla zvolena snazší a méně – avšak dostatečně přesná, níže popsaná metoda. Měřicí zařízení bylo připevněno na střechu osobního automobilu jak ukazují Obr. 3 a 4. Toto externí čidlo bylo napájeno z 9 V baterie a naměřená data byla bezdrátově přenášena do automobilu, kde byla umístěna interní jednotka meteostanice. Aby bylo možné přesně sledovat rychlost automobilu a udržovat ji konstantní, byl automobil rovněž vybaven přijímačem GPS. Cejchování bylo provedeno při bezvětří, avšak měření může být ovlivněno i turbulencemi vznikajícími kolem karoserie automobilu.

Obr. 2 Typické uspořádání enkodéru a magnetu [2]

Obr. 3 Čidlo rychlosti větru na střeše automobilu Obr. 4 Čidlo rychlosti větru namontované na střeše osobního automobilu – měřicího vozu (konstrukce Robinsonova kříže a větrné korouhve – Jaroslav Frelich)

Dále byl použit přenosný počítač, ke kterému byly interní jednotka meteostanice a přijímač signálu GPS připojeny, a který sloužil jako datalogger údajů jak z GPS, tak z čidla rychlosti větru. Cejchování probíhalo tak, že po dobu, která odpovídala příjmu čtyř vzorků z čidla, byla udržována téměř konstantní rychlost jízdy vozidla a tato rychlost a počet impulzů načítaný za dobu 10 sekund byly zaznamenány. Takto byly odečteny hodnoty počtu impulzů pro rychlosti jízdy 10 až 90 km/h s krokem 10 km/h. Po ukončení měřicí jízdy byla data zpracována a výsledkem je cejchovní křivka uvedená v grafu na Obr. 5.

Obr. 5 Cejchovní křivka zařízení pro měření rychlosti větru (Interval měření po který byla při dané rychlosti zaznamenávána data byl 10 sekund)

2.2 Měření tlaku, teploty a relativní vlhkosti vzduchu

K měření staničního tlaku vzduchu byl zvolen senzor absolutního tlaku MPX6115 firmy Freescale Semiconductor. Obvod na svém analogovém výstupu poskytuje napětí 0,2 - 4,8 V a je schopen měřit v rozsahu 150 - 1150 hPa. Běžné hodnoty atmosférického tlaku se pohybují kolem 1013,25 hPa [3]. Výstup obvodu je připojen k A/D převodníku mikrokontroléru. Napájecí napětí tlakoměru je 5,0 V a je odvozeno z přesné napěťové reference TL431. Další reference je použita jako zdroj referenčního napětí A/D převodníku, toto napětí je nastaveno na 4,7 V. Při použití této hodnoty referenčního napětí, a protože tlakoměrné čidlo má citlivost 45,9 mV/kPa, což je 4,59 mV/hPa a při volbě referenčního napětí převodníku 4,7 V lze nastavit krok převodníku odpovídající 1hPa (při použití 10-bitového převodníku, neboť platí 4,7 V/1024 = 4,59 mV ). K měření teploty a relativní vlhkosti vzduchu slouží jediné čidlo SHT11 firmy Sensirion [1]. Jeho výhodou je zejména možnost přesně stanovit relativní vlhkost vzduchu, která plyne z umístění teplotního i vlhkostního čidla v jejich těsné blízkosti. Komunikace s čidlem je sériová a probíhá po dvou vodičích (DATA, CLK). Pracovní rozsah čidla je 0 - 100% RH pro měření relativní vlhkosti a -40 až 123,8 °C pro měření teploty vzduchu. Přesnost měření je typicky ±3% RH a ±0,4 °C [1].

Data jsou z měřicího modulu vysílána opět pomocí modulu Aurel TX-8LAVSA05. Kromě nastavení napětí obou referencí (5,0 V a 4,7 V) není u tohoto modulu nutné provádět jakékoli cejchování.

2.3 Interní jednotka

Interní jednotka slouží k prezentaci naměřených veličin. Skládá se z přijímače radiového signálu, grafického LCD displeje a ovládacího rozhraní, které je tvořeno jednoduchou klávesnicí. Dále jednotka obsahuje čidlo pokojové teploty a rozhraní USB pro připojení k PC. Jednotka musí zajistit správný příjem dat z čidel a musí umožňovat nastavení nadmořské výšky stanice, které je důležité pro stanovení atmosférického tlaku přepočteného na hladinu moře. Tento přepočet je proveden podle následující rovnice:

která se nazývá barometrická formule [3]. Kde p(0) značí tlak vzduchu přepočtený na hladinu moře, p(h) staniční tlak vzduchu a T(h) staniční teplotu. Rovnice uvažuje lineární změnu teploty s výškou o 0,0065 K/m.

3 Popis softwarového řešení

Firmware jednotlivých modulů je napsán v jazyce C a je tvořen několika základními prvky. Po připojení napájení dojde k inicializaci komunikačního rozhraní USART (Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter) [4] a nastavení registrů používaných bloků mikrokontroléru (A/D převodník, časovače). Dále se program skládá z nekonečné smyčky, ve které se periodicky opakují následující funkce:

probuzení z režimu spánku (každých 8 sekund) a kontrola, zda již nastal čas měření, pokud ne – vstup do režimu spánku. Pokud ano, proběhne následující kód:
měření teploty okolí a relativní vlhkosti vzduchu
aktivace napájení pro reference TL431
měření tlaku, měření napětí baterie
deaktivace napájení pro reference TL431
aktivace napájení vysílače, odvysílání naměřených dat
deaktivace napájení vysílače
vstup do režimu spánku.

A v případě čidla rychlosti a směru větru:

probuzení z režimu spánku (každých 8 sekund) a kontrola, zda již nastal čas měření, pokud ne – vstup do režimu spánku. Pokud ano, proběhne následující kód:
aktivace napájení optozávory a magnetického rotačního enkodéru
měření rychlosti a směru větru
deaktivace napájení optozávory a magnetického rotačního enkodéru
aktivace napájení děliče pro měření napětí baterie
měření napětí baterie
deaktivace napájení děliče pro měření napětí baterie
připojení napájení vysílače
odvysílání naměřených dat
odpojení napájení vysílače
vstup do režimu spánku
Přenos dat je prozatím řešen pouze odvysíláním naměřených hodnot přes jednotku USART, ke které je připojen vysílač/přijímač s OOK modulací/demodulací. Softwarově je vysílání řešeno pomocí standardní funkce printf() a příjem pomocí funkce scanf(), které jsou součástí knihovny stdio. Každé z externích čidel zároveň s posloupností naměřených dat vysílá svůj identifikátor a to „THP“ (Temperature, Humidity, Pressure) v případě čidla teploty, vlhkosti a tlaku a „WND“ (Wind) v případě čidla rychlosti a směru větru. Po tomto identifikátoru následují naměřená data.

Firmware přijímače vypadá následovně:

inicializace grafického LCD a digitálního teploměru DS18B20
příjem dat – probíhá v nekonečné smyčce:
skenování přijímacího bufferu, v případě nalezení posloupnosti „THP“ nebo „WND“ zpracuje data, která následují po tomto identifikátoru tak, že je načte do jednotlivých proměnných a jejich obsah zobrazí na displeji

přečtení dat z DS18B20 a jejich zobrazení na displeji

4 Závěr

Článek pojednává o realizované meteostanici a ve stručnosti popisuje zejména použité senzory, firmware a také metodu, kterou bylo ocejchováno čidlo rychlosti větru. V současné době jsou realizovány všechny popsané moduly. Dále je možné zaměřit se na zvýšení radiového dosahu čidel implementací robustního komunikačního protokolu s opravou chyb, ke kterým může při přenosu dojít, a v budoucnu se počítá s vytvořením aplikace pro prezentaci naměřených dat na internetu.

Reference

[1] Datasheet SHT1x Humidity and Temperature Sensor. Sensirion AG, 2009. [online]. [cit. 27. února 2009]. Dostupné na WWW: <http://www.sensiron.com>

[2] AS5040 10-bit Programmable Magnetic Rotary Encoder with Digital Absolute and Incremental Outputs. austriamicrosystems AG, 2009. [online]. [cit. 27. února 2009]. Dostupné na WWW: <http://www.austriamicrosystems.com>

[3] Barometrische Höhenformell. [online]. [cit. 27. února 2009]. Dostupné na WWW: <http://de.wikipedia.org/wiki/Barometrische_H%C3%B6henformel>

[4] ATmega16. Atmel Corporation, 2009. [online]. [cit. 27. února 2009]. Dostupné na WWW: <http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2466.pdf>