Le stazioni meteorologiche sono un progetto popolare per sperimentare con vari sensori ambientali, e solitamente si scelgono un semplice anemometro a coppette e una banderuola segnavento per determinare la velocità e la direzione del vento. Per la QingStation di Jianjia Ma, si è deciso di costruire un diverso tipo di sensore del vento: un anemometro a ultrasuoni.
Gli anemometri a ultrasuoni non hanno parti in movimento, ma il compromesso è un aumento significativo della complessità elettronica. Il loro funzionamento si basa sulla misurazione del tempo impiegato da un impulso sonoro ultrasonico per riflettersi verso un ricevitore posto a una distanza nota. La direzione del vento può essere calcolata rilevando la velocità da due coppie di sensori a ultrasuoni perpendicolari tra loro e utilizzando la trigonometria. Il corretto funzionamento di un anemometro a ultrasuoni richiede un'attenta progettazione dell'amplificatore analogico all'estremità ricevente e un'ampia elaborazione del segnale per estrarre il segnale corretto da echi secondari, propagazione multipath e tutto il rumore causato dall'ambiente. Le procedure di progettazione e sperimentali sono ben documentate. Poiché [Jianjia] non ha potuto utilizzare la galleria del vento per i test e la calibrazione, ha installato temporaneamente l'anemometro sul tetto della sua auto e se n'è andato. Il valore risultante è proporzionale alla velocità GPS dell'auto, ma leggermente superiore. Ciò potrebbe essere dovuto a errori di calcolo o a fattori esterni come il vento o le perturbazioni del flusso d'aria generate dal veicolo di prova o da altro traffico stradale.
Altri sensori includono sensori ottici per la pioggia, sensori di luce e un BME280 per misurare la pressione atmosferica, l'umidità e la temperatura. Jianjia prevede di utilizzare la QingStation su un'imbarcazione autonoma, quindi ha aggiunto anche un'IMU, una bussola, un GPS e un microfono per il suono ambientale.
Grazie ai progressi nei sensori, nell'elettronica e nella tecnologia di prototipazione, costruire una stazione meteorologica personale è più facile che mai. La disponibilità di moduli di rete a basso costo ci permette di garantire che questi dispositivi IoT possano trasmettere le proprie informazioni a database pubblici, fornendo alle comunità locali dati meteorologici pertinenti al loro territorio.
Manolis Nikiforakis sta cercando di costruire una Piramide Meteorologica, un dispositivo di misurazione meteorologica interamente a stato solido, esente da manutenzione, autonomo dal punto di vista energetico e delle comunicazioni, progettato per un'implementazione su larga scala. In genere, le stazioni meteorologiche sono dotate di sensori che misurano temperatura, pressione, umidità, velocità del vento e precipitazioni. Mentre la maggior parte di questi parametri può essere misurata utilizzando sensori a stato solido, la determinazione della velocità e della direzione del vento e delle precipitazioni richiede in genere una qualche forma di dispositivo elettromeccanico.
La progettazione di tali sensori è complessa e impegnativa. Quando si pianificano installazioni su larga scala, è inoltre necessario garantire che siano economicamente vantaggiosi, facili da installare e che non richiedano una manutenzione frequente. Eliminare tutti questi problemi potrebbe portare alla costruzione di stazioni meteorologiche più affidabili ed economiche, che potrebbero poi essere installate in gran numero in aree remote.
Manolis ha alcune idee su come risolvere questi problemi. Prevede di rilevare la velocità e la direzione del vento tramite accelerometro, giroscopio e bussola in un'unità di sensori inerziali (IMU) (probabilmente una MPU-9150). L'idea è di tracciare il movimento del sensore IMU mentre oscilla liberamente su un cavo, come un pendolo. Ha fatto alcuni calcoli approssimativi e sembra fiducioso che gli forniranno i risultati necessari durante la fase di test del prototipo. Il rilevamento delle precipitazioni avverrà tramite sensori capacitivi, utilizzando un sensore dedicato come l'MPR121 o la funzione touch integrata nell'ESP32. Il design e la posizione delle piste degli elettrodi sono fondamentali per una corretta misurazione delle precipitazioni tramite il rilevamento delle gocce di pioggia. Anche le dimensioni, la forma e la distribuzione del peso dell'alloggiamento in cui è montato il sensore sono cruciali, poiché influenzano la portata, la risoluzione e la precisione dello strumento. Manolis sta lavorando su diverse idee di design che intende testare prima di decidere se l'intera stazione meteorologica sarà all'interno dell'alloggiamento rotante o solo i sensori.
Grazie al suo interesse per la meteorologia, [Karl] ha costruito una stazione meteorologica. L'elemento più recente è il sensore anemometrico a ultrasuoni, che utilizza il tempo di volo degli impulsi ultrasonici per determinare la velocità del vento.
Il sensore di Carla utilizza quattro trasduttori a ultrasuoni, orientati a nord, sud, est e ovest, per rilevare la velocità del vento. Misurando il tempo impiegato da un impulso ultrasonico per viaggiare tra i sensori in una stanza e sottraendo le misurazioni del campo, si ottiene il tempo di volo per ciascun asse e quindi la velocità del vento.
Si tratta di una dimostrazione impressionante di soluzioni ingegneristiche, accompagnata da una relazione progettuale incredibilmente dettagliata.
Data di pubblicazione: 19 aprile 2024