MLAB wiki

Máte načtenou starší verzi dokumentu! Pokud ji uložíte, vytvoříte tím novou aktuální verzi.

====== Automatická meteostanice MLAB ======

Konstrukce je součástí řešení [[cs:designs:dms|distribuovaných měřících systémů]] vyvinutých v rámci projektu MLAB. Zařízení má sloužit k plošnému měření na mnoha stanicích zapojených do společné sítě spravované komunitou věnující se konkrétnímu typu měření.

===== Modelové příklady použití =====

* [[cs:abl|Stanice pro automatické vypouštění meteobalónů]]
  * [[cs:dum|Řízení inteligentní budovy]]
  * Meteorologická stanice k pozemní řídící stanicí [[cs:uav|bezpilotního letadla]].

====== Automatická meteostanice AWS02A ======

Konstrukce autonomní stanice s vlastní autodiagnostikou. Meteostanice by měla pracovat v odlehlých oblastech společně s dalšími vědeckými přístroji, jako jsou například robotické teleskopy. Nebo [[cs:programming_tasks|jiné měřící stanice]].

Typickým problémem těchto aplikací jsou omezené energetické zdroje, krátkodobý přenos dat po dlouhých intervalech. Nutnou vlastností je tak možnost bezprostředního nahlášení poruchy přes úzkopásmový datový kanál, aby nedocházelo k dlouhodobému výpadku měření.

Kromě tohoto technicky stále neúplně vyřešeného problému je dalším důvodem pro vývoj takové stanice absence seriózního OpenSource-hardware řešení pro sběr meteorologických dat a jejich odesílání do veřejné sítě pro další zpracování. 
[[http://openweathermap.org/|OpenWeatherMap]] (([[http://www.slideshare.net/Dennsy/gisconf-2012|OpenWeatherMap on the Open GIS Conference 2012]]))

===== Konstrukce snímačů =====

V této verzi stanice bylo ustoupeno od pokusů používat standardní komerční snímače vesměs uzpůsobené k vestavění do konkrétní proprietární meteostanice daného výrobce. Místo toho jsou navrhovány vlastní konstrukce snímačů a jejich zakrytování.

==== Radiační štít ====

Prvním navrženým snímačem je radiační štít tisknutelný na 3D tiskárně.  Štít je navržen v programu [[cs:tools|OpenSCAD]] a jeho zdrojové soubory jsou v SVN repozitáři MLABu. Výtisk na následujících snímcích je z biodegradabilního [[http://en.wikipedia.org/wiki/Polylactic_acid|materiálu PLA]].

{{ :cs:designs:meteo:weather_screen_top.jpg?direct&300 |}}
{{ :cs:designs:meteo:weather_screen_bottom.jpg?direct&300 |}}

==== Ultrazvukový anemometr ====

* http://hackaday.com/2013/08/21/ultrasonic-anemometer-for-an-absurdly-accurate-weather-station/
  * http://www.technik.dhbw-ravensburg.de/~lau/ultrasonic-anemometer.html

==== Tisknutelný mechanický anemometr ====

* Rotační část by mohla mít lepší tvar než klasické kuličky. Například: http://www.thingiverse.com/thing:16504 Pak je možné turbínu otočit i vzhůru nohama okolo pouzdra anemometru a snížit tak těžiště rotoru.
==== Měření srážek ====

* http://www.thingiverse.com/thing:13383

==== Pyranometr ====
  * http://www.thingiverse.com/thing:196191

===== Software  =====
Struktura meteostanice AWS02B je navrhnuta tak, aby neobsahovala žádný těžko aktualizovatelný a udržovatelný firmware. Získávání dat z jednotlivých senzorů lze pomocí knihovny [[cs:pymlab|pymlab]].

==== Implementace ROS  ====
Implementace meteostanice s [[cs:ros|ROS (Robotic operation system)]] nabízí spoustu výhod při potřebě získávat data z meteostanice pro jiná zařízení jako zmiňovaná [[cs:dum|inteligentní budova]] nebo pro [[cs:robozor|robotický dalekohled]].

Tato implementace umožňuje sdílení dat na servery jako [[https://www.wunderground.com/personal-weather-station/|Weather underground]], [[http://openweathermap.org/|Open Weather Map]], [[https://weathercloud.net/|Weather cloud]] a další.

=== Spuštění ===
Instalace systému je popsána na stránce [[cs:ros|ROS]]. Je nutné mít nainstalovaný balík [[cs:pymlab|pymlab]] a ''ROS_pymlab_server.py'' pro přístup k [[cs:i2c|i2c]] senzorům z ROS nodů.

==== Meteo-observer ====
Při použití meteostanice samostatně, bez návaznosti na další systémy, lze použít softwarový balík [[cs:meteo-observer|WeeWX s meteo-observer]].

====== Automatická meteostanice AWS01B ======

Tato konstrukce využívá meteorologická čidla ze stanice wh1080.  Jejich vyčítání je řešeno Microchip [[cs:pic16f87xtq44|PIC]] MCU. Od této konstrukce je postupně upouštěno z důvodu špatné dostupnosti náhradních mechanických dílů, jejich kvalitě a omezeným možnostem MCU. Ostatní kvalitní v této konstrukci ověřené snímače jsou však přeneseny do následující verze.

===== Měřící snímače =====

{{ :cs:designs:meteo:snimace_wh1080_wh1090.jpg?200 |Vnější meteočidla}}

==== Anemometr ====

klasická konstrukce anemometru s kalíškovým rotorem.

Generuje impulzy s periodou nepřímo úměrnou rychlosti větru. Výhodou je snadné vyčítání pomocí čítače pulzů a časovače.

Požadavkům snímání rychlosti větru vyhovuje vzorkování 1 Hz, nebo při příchodu impulzu. (Týká se velmi nízkých rychlostí větru a nebo poruchy)

=== Typické problémy ===

* Mechanická degradace
  * Zamrzání 
  * Omezení maximální měřené rychlosti větru
  * Zadření(([[http://www.digitalham.co.uk/weather/equipment/watson-w8681/wind-speed/|W8681 wind speed indicator disassembly and repair]]))

Lze řešit jinou technologií např. ionizačním, nebo ultrazvukovým anemometrem.

==== Směr větru ====

{{:cs:designs:meteo:wind_vector.jpg?200 |}} Základním snímačem je větrná růžice s otočnou korouhví. Poloha praporku je pak snímána jazýčkovými kontakty.

Pozice praporku je měřena a zaznamenávána při změně.

=== Typické problémy ===

Podobné, jako u anemometru.

* Mechanická degradace
  * Zamrzání

Řešením je použití sofistikovanějšího anemometru měřícího vektor (Ionizační / ultrazvukový)

==== Srážky ====

{{:cs:designs:meteo:rain_gauge.jpg?200 |}} Klasický člunkový srážkoměr generuje impulz při překlopení člunku. Překlápění není přílíš časté. Proto je vhodnější zaznamenávat okamžik překlopení pro přesnější lokalizaci srážek v čase.

Do tohoto srážkoměru je třeba přidat vytápění a snímač teploty pro regulaci rozpouštění ledu.

=== Typické problémy ===

* Ucpávání, zamrzání

==== Sněhové srážky ====

U sněhové pokrývky lze měřit mnoho parametrů a záleží na požadavcích provozovatele meteorologické stanice, které parametry bude měřit.

=== Tloušťka ===

{{:cs:sous-snih.jpg?200 |}}Výšku sněhové pokrývky lze měřit dálkoměrem (většinou ultrazvukovým), který měří  z definované výšky kolmo na zem. Možné je i použít optický triangulační senzor.

V případě akustického měření by bylo vhodné využít konstrukci [[cs:echo|ECHO01A]].

=== Mechanické vlastnosti ===

V případě použití ultrazvukového dálkoměru lze z odraženého signálu odhadnout některé mechanické vlastnosti, jako je tvrdost a tuhost.
V případě použití optického dálkoměru může být zajímavým údajem reflexivita sněhové pokrývky, případně i její spektrální závislost.

=== Hmotnost ===

Celková hmotnost sněhové pokrývky je důležitý ůdaj z hlediska bezpečnostních rizik. Tuto veličinu lze měřit odraznou deskou umístěnou pod měřičem výšky sněhové pokrývky. Tato deska může sloužit, jako váha.

==== Vlhkost ====

Snímače umístěné v radiačním štítě.

[[cs:sht25v|SHT25V01A]] - čidlo s I²C výstupem a možností self-testu zahřátím měřícího elementu.

Časová kostanta čidel je cca 3s, proto vyhovuje vzorkování uložených dat menší než 10s.

=== Typické problémy ===

* Postupná degradace měřícího elementu
  * Poškození čidla
  * Saturace měřícího elementu a spoždění měření během odpařování vody. 
 
Diagnostikou by měl být self-test v pseudonáhodném čase.

==== Teplota ====

Měření teploty vzduchu je jednou z nejdůležitějších funkcí meteostanice, přesto bývá v některých případech provedeno špatně, tak že dochází k ovlivnění měřené teploty například Sluncem. Tento problém lze však řešit použitím tzv. radiačního štítu, který zamezí ovlivnění čidla zářením.

K měření teploty lze kromě klasického čidla [[cs:wire_sensors#mereni_teploty|DS18B20]] využít i modernější snímač [[cs:lts|LTS01A]]

==== Tlak ====

[[cs:altimet|ALTIMET01A]]

==== Magnetometr ====

[[cs:mag|MAG01A]]

==== Oblačnost ====

=== Pokrytí ===

[[cs:mrakomer4|MRAKOMĚR 4]]

=== Výška (ceilometr) ===

Laserový ceilometr lze sestavit z již navržených modulů.

==== Radiometr (měření Slunečního svitu) ====

=== Měření světelného toku ===

Použití fotovoltaického článku. Pro změření výkonu záření ve W/m².

=== UV index ===

Měření UV indexu pro určení bezpečné expozice. (obdoba [[cs:uvepd|UV dozimetru]]) Lze použít modul [[cs:isl|ISL02A]]

=== Měření intenzity osvětlení ===

Možné je použít integrované čidlo [[cs:isl29020|ISL2902001A]]

==== Ionizační detektor ====

Měření intenzity ionizujícího záření [[cs:gmcount|GM]], nebo polovodičovým detektorem.

==== Infrazvukový detektor ====

==== Hlukoměr ====

==== Limnimetr ====

Měření výšky hladiny a průtoku.

==== Chemické snímače ====

* Detekce plynů  CO, CO2, N2... H2S, CH4.. [[http://www.ti.com/lsds/ti/data-converters/sensor-afe-products.page?paramCriteria=no#p158=Serial%20I2C|Sensor AFE]]
  * PH-metr

===== Komunikační rozhraní =====

Meteostanice má několik variant připojení a komunikace s dalšími zařízeními.

==== RS232/RS485 ====

K připojení lze použít modul [[cs:rs232single|RS232SINGLE01A]] nebo [[cs:ttlrs485|TTLRS48501A]] a mikrokontroler podle složitosti požadované aplikace.

==== Ethernet ====

=== Wifi router ===

Použití routeru s operačním systémem [[https://openwrt.org/|OpenWrt]] je jednou z nejuniverzálnějších metod připojení meteostanice, protože umožňuje použití jednak ethernetu, tak i Wifi a dalších rozhraní v podobě modemů, které lze případně k routeru připojit přes USB.

Samotná meteostanice s routerem pak komunikuje přes sběrnici I2C, která je buď vyvedena přímo z desky routeru. A nebo vytvořená převodníkem [[cs:i2c-pic-usb|I²C na USB]].
=== ARM modul ===

Jako komunikační rozhraní lze v tomto případě využít modul s ARM [[cs:stm32f10xrxt|STM32F10xRxT01A]] a modul pro ethernet [[cs:eth|ETH01A]]. Výhodou oproti řešení s použitím routeru je podstatně menší spotřeba energie a jednodušší konstrukce.

==== USB ====

=== I²C master ===

V tomto případě se celé zařízení chová jako [[cs:usbi2c|převodník I²C na USB]]. A vyčítání jednotlivých čidel je realizováno programem v USB HOST zařízení. Toto řešení má výhodu, že lze získat poměrně přesnou informaci o absolutním čase ve kterém jsou hodnoty změřeny. Navíc změnu softwaru a konfigurace lze udělat jednoduše přímo aktualizací ovládacího programu. Není tedy třeba riskantní výměna firmwaru.

=== Emulovaný COM port ===

Meteostanice v tomto případě je připojena přes modul [[cs:usb232r|USBRS23201B]], který vytváří virtuální rozhraní RS232.

==== Bezdrátové ====

=== Wifi ===

Viz použití wifi routeru s OpenWRT pro vyčítání dat.

=== GSM ===

Pro datový přenos přes GSM, nebo 3G/4G sítě je možné použít modul [[cs:gsm|GSM01A]]

=== ISM pásmo ===

Jde o pásmo [[http://cs.wikipedia.org/wiki/P%C3%A1smo_ISM|industrial, scientific and medical]], kde pro datový přenos není vyžadovaná licence. Stavebnice MLAB obsahuje již několik modulů umožňujících použití tohoto pásma.

* RFM01SMD01A
  * RFM02SMD01A
  * RX433MHz01A
  * TXsaw433MHz01A
  * ZIGBEE01A
  * [[cs:ant]]

===== Vyčítání měřených hodnot =====

Předností této konstrukce je možnost připojení různých senzorů. Které jsou inicializovány při každém spuštění stanice. Tato konstrukce využívá [[cs:i2c|I²C sběrnici]] s modulem [[cs:i2chub|I2CHUB02A]] a předdefinovanou strukturou senzorů.
Samotné čtení dat pak probíhá [[cs:meteo-observer|serverem]], který je připojen k hardware. 
==== Instalace software ====

Aktuálně je nejvhodnější použití metody přímého vyčítání čidel z nadřazeného systému přes [[cs:i2c|I²C]], neboť existuje značné množství starších nevyužitých wifi routerů s možností [[http://wiki.openwrt.org/oldwiki/port.i2c.rtc?s[]=i2c|přímého připojení I²C]].

Lukáš Mičan z klubu [[http://www.robozor.cz/|Robozor]] naprogramoval [[https://github.com/MLAB-project/meteostationSW|obslužný program]], který periodicky vyčítá čidla z meteostanice a naměřené hodnoty publikuje na [[http://openweathermap.org/station/104333|OpenWeathermap.org]].

Tento program je napsaný v jazyce Python a používá knihovnu [[cs:pymlab|pymlab]] pro vyčítání I²C snímačů.

===== Napájení =====

* Z autonomního zdroje, jako např. fotovoltaický panel. 
  * Z lokální sítě

===== Auto diagnostika =====

Implementovat algoritmy hlídající vzájemné korelace měřených hodnot a detekovat anomálie.

* Směr větru se nemůže změnit bez indikace rychlosti anemometrem.

==== Uvažované poruchy ====

=== Náhodná mechanická destrukce ===

Jde o poruchy, které pravděpodobně vzniknou vadou materiál, nebo jeho únavou vlivy okolního prostředí. Jako je degradace teplotními cykly, UV zářením.

== Anemometr ==

Anemometr může být poškozen odlomením jedné, nebo více lopatek, Případně poškozením jeho rotačního uložení. Tento problém by mělo být možné detekovat měřením nepravidelné rychlosti během jedné otáčky.

* Směr větru
  * Teploměry

=== Falešný výstup ===

Týká se čidel:

* Anemometr - zadření
  * Směr větru - odlomeni praporku
  * Srážky - ucpani 
  * Relativní vlhkost

=== Degradace ===

Týká se čidel:

* Teplota 
  * Relativní vlhkost

=== Výpadek napájení ===

Důsledky

* Ztráta dat z doby výpadku.

===== Formát výstupních dat =====

Datový výstup by měl ideálně být kompatibilní s některým již používaným protokolem na shromažďování meteorologických dat.

* NMEA
  * [[https://en.wikipedia.org/wiki/SDI-12|SDI-12]]
  * RMYT?
  * Přímé vyčítání I²C

Datový výstup by měl obsahovat i přesný čas pro záznam měření. Přesný čas lze získat z [[cs:gps|GPS01A]] Výstup z meteostanice by měl podporovat několik sběrnicových systémů (USB, CAN, RS232, RS485, Ethernet), aby bylo možné meteostanici integrovat do dalších složitějších projektů.

==== Záznam měření ====

Měřená data z meteostanice by měla mít možnost být zaznamenávána a zobrazována lokálně. Program obsluhující meteostanici by tedy měl buď běžet na lokálním počítači, nebo přímo na řídícím procesoru meteostanice. V takovém případě by meteostanice pravděpodobně vytvářela i webový server, který by poskytoval lokální náhledy na data a zároveň řešil odesílání dat do sběrné sítě.

Zde je vypsáno několik nejrozšířenějších Open-Source programů pro lokální záznam a zpracování meteorologických dat.

* [[http://misterhouse.sourceforge.net/|MisterHouse]]
  * [[http://www.wviewweather.com/|wview]]
  * [[http://jim-easterbrook.github.io/pywws/doc/en/html/index.html|pywws]]
  * [[http://www.weewx.com/index.htm|Weewx]]
  * [[http://code.google.com/p/fowsr/|Fine Offset Weather Station Reader]]

[[http://www.wunderground.com/weatherstation/setup.asp?MR=1#software|zdroj]]

Ideálním takovým programem by byl nějaký multiplatformní s minimálními provozními nároky na zdroje a s možností odesílání dat do některé celosvětové sítě stanic. Zároveň by data ale měla být lokálně zálohovatelná a kombinovatelná s daty z dalších meteorologických stanic. Například databáze[[http://www.arpa.emr.it/dettaglio_documento.asp?id=514&idlivello=64| DB-All.e]]  nebo [[http://www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/docs/|NetCDF]]

==== Publikace dat ====

* [[http://en.wikipedia.org/wiki/Citizen_Weather_Observer_Program|CWOP]]

====== Automatická meteostanice AWS01A ======

===== Měřící snímače =====

==== Teplota ====
Samostatná teplota je měřena čidlem [[cs:wire_sensors#mereni_teploty|DS18B20]]

==== Tlak ====

Tlak je měřen modulem [[cs:altimet|ALTIMET01A]] se snímačem MPL115A1

==== Vlhkost ====

Pro měření relativní vlhkosti a  teploty vzduchu je použito čidlo [[http://www.sensirion.com/en/products/humidity-temperature/humidity-sensor-sht11/|SHT11]] zaletované na univerzálním plošném spoji a dále čidlo SHT25 v modulu [[cs:sht25v|SHT25v01A]]

==== Anemometr ====

[[http://www.meteo-sykora.cz/produkty/anemometr-top.php|Anemo-T]]

Vycitani je realizováno dvěma časovači - jeden je taktován krystalem (timer1) a druhý (timer0) počítá impulzy.

===== Datový výstup =====

# AWS01A 0.1 (C) 2013 www.mlab.cz 
  # ver seq  temp[K] hum_temp[K] hum[%] bar_temp[K] pressure[hPa] anemo[m/s] check
  
  $AWS0.1 0 29271 29390 64.3 29416 959.4 6.0 *5C
  $AWS0.1 1 29271 29390 64.3 29416 961.1 6.3 *53
  $AWS0.1 2 29277 29389 64.3 29416 960.7 7.0 *59

Význam jednotlivých veličin je následující:

* **ver** je označení zařízení a verze firmware
  * **seq** je pořadové číslo měření
  * **temp[K]** je teplota z místního teploměru v setinach Kelvinu
  * **hum_temp[K]** - teplota 1. čidla vlhkosti
  * **hum[%]** - relativní vlhkost 1. čidla vlhkosti
  * **bar_temp[K]** - velmi nepřesná teplota barometru, je zajímavá spíše pro případnou relativní teplotní kompenzaci. 
  * **pressure[hPa]** - tlak měřený barometrem
  * **anemo[m/s]** - anemometrem měřená rychlost větru.
  * **check** - kontrolní součet stejný jako ve formátu NMEA

===== Aktualizace firmware =====

Firmware lze aktualizovat bez speciální utility pouze odeslánim HEX souboru s firmwarem na sériovou linku procesoru v době, kdy očekává firmware a vypisuje  
  uf?uf?
  
Tento stav nastává po resetu zařízení.

Novy firmware pak lze odeslat následujícím příkazem pod účtem roota, nebo uživatelem s absolutním přístupem k sériové lince.

$ echo uf > /dev/ttyUSB0  
  ascii-xfr -s -v -l 110 ./firmware.hex > /dev/ttyUSB0
  
Program ascii-xfr je v Ubuntu součástí balíku minicom. Pro sledování dat při nahrávání je možné si na stejný port spustit příposlech:

picocom /dev/ttyUSB0
  
 
===== Použití meteostanice =====

* BART Ondřejov
  * dalekohled D50 (Ondřejov)

=== Reference ===

* [[http://en.wikipedia.org/wiki/Automatic_weather_station|Automatic weather station]]
  * [[http://iepas.net/update-on-the-mma-weather-station/|MMA Weather Station]] - Projekt s podobnými cíly.
  * [[http://en.wikipedia.org/wiki/Automated_airport_weather_station|Automated airport weather station]]
  * [[http://en.wikipedia.org/wiki/Climate_and_Forecast_Metadata_Conventions|Climate and Forecast Metadata Conventions]]
  * [[http://mcs.uwsuper.edu/sb/Electronics/CP2112/|Weather Station without Microcontroller]]
  * [[http://openmeteostation.org/|Open Meteo Station]]

Vyplňte, prosím, všechna písmena v poli, abyste dokázali, že nejste robot. E M P Y T Ponechte prosím toto pole prázdné:

Komentář k úpravám

Poznámka: Tím, že editujete tuto stránku, souhlasíte, aby váš obsah byl licencován pod následující licencí: CC Attribution-Noncommercial-Share Alike 4.0 International