Máy đo gió siêu âm

Trạm thời tiết là một dự án phổ biến để thử nghiệm các cảm biến môi trường khác nhau, và một máy đo gió dạng cốc đơn giản và một cánh quạt gió thường được sử dụng để xác định tốc độ và hướng gió. Đối với trạm QingStation của Jianjia Ma, ông quyết định chế tạo một loại cảm biến gió khác: máy đo gió siêu âm.
Máy đo gió siêu âm không có bộ phận chuyển động, nhưng bù lại là sự gia tăng đáng kể về độ phức tạp của hệ thống điện tử. Chúng hoạt động bằng cách đo thời gian cần thiết để một xung âm thanh siêu âm phản xạ đến bộ thu ở một khoảng cách đã biết. Hướng gió có thể được tính toán bằng cách lấy số liệu tốc độ từ hai cặp cảm biến siêu âm đặt vuông góc với nhau và sử dụng phép lượng giác đơn giản. Hoạt động đúng cách của máy đo gió siêu âm đòi hỏi phải thiết kế cẩn thận bộ khuếch đại tương tự ở đầu thu và xử lý tín hiệu mở rộng để trích xuất tín hiệu chính xác từ các tiếng vang thứ cấp, sự lan truyền đa đường và tất cả các tiếng ồn do môi trường gây ra. Thiết kế và quy trình thử nghiệm đã được ghi chép đầy đủ. Vì [Jianjia] không thể sử dụng đường hầm gió để thử nghiệm và hiệu chuẩn, anh ấy đã tạm thời lắp máy đo gió trên nóc xe của mình và rời đi. Giá trị thu được tỷ lệ thuận với tốc độ GPS của xe, nhưng cao hơn một chút. Điều này có thể là do lỗi tính toán hoặc các yếu tố bên ngoài như nhiễu gió hoặc luồng không khí từ xe thử nghiệm hoặc các phương tiện giao thông đường bộ khác.
Các cảm biến khác bao gồm cảm biến mưa quang học, cảm biến ánh sáng, cảm biến ánh sáng và BME280 để đo áp suất không khí, độ ẩm và nhiệt độ. Jianjia dự định sử dụng QingStation trên một chiếc thuyền tự hành, vì vậy anh cũng đã bổ sung thêm IMU, la bàn, GPS và micro để đo âm thanh xung quanh.
Nhờ những tiến bộ trong công nghệ cảm biến, điện tử và tạo mẫu, việc xây dựng một trạm thời tiết cá nhân trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết. Sự sẵn có của các mô-đun mạng giá rẻ cho phép chúng tôi đảm bảo các thiết bị IoT này có thể truyền thông tin đến các cơ sở dữ liệu công cộng, cung cấp cho cộng đồng địa phương dữ liệu thời tiết liên quan trong môi trường xung quanh.
Manolis Nikiforakis đang cố gắng xây dựng một Kim tự tháp Thời tiết (Weather Pyramid), một thiết bị đo thời tiết hoàn toàn bằng vật liệu bán dẫn, không cần bảo trì, tự động về năng lượng và truyền thông, được thiết kế để triển khai trên quy mô lớn. Thông thường, các trạm thời tiết được trang bị các cảm biến đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, tốc độ gió và lượng mưa. Mặc dù hầu hết các thông số này có thể được đo bằng cảm biến bán dẫn, việc xác định tốc độ gió, hướng gió và lượng mưa thường đòi hỏi một số loại thiết bị cơ điện.
Việc thiết kế các cảm biến như vậy rất phức tạp và đầy thách thức. Khi lập kế hoạch triển khai quy mô lớn, bạn cũng cần đảm bảo chúng tiết kiệm chi phí, dễ lắp đặt và không yêu cầu bảo trì thường xuyên. Việc loại bỏ tất cả những vấn đề này có thể dẫn đến việc xây dựng các trạm thời tiết đáng tin cậy hơn và ít tốn kém hơn, sau đó có thể được lắp đặt với số lượng lớn ở các vùng sâu vùng xa.
Manolis có một số ý tưởng về cách giải quyết những vấn đề này. Anh ấy dự định ghi lại tốc độ và hướng gió từ gia tốc kế, con quay hồi chuyển và la bàn trong một bộ cảm biến quán tính (IMU) (có thể là MPU-9150). Kế hoạch là theo dõi chuyển động của cảm biến IMU khi nó dao động tự do trên một sợi cáp, giống như một con lắc. Anh ấy đã thực hiện một số phép tính trên khăn ăn và dường như tự tin rằng chúng sẽ cho kết quả anh ấy cần khi thử nghiệm nguyên mẫu. Việc cảm biến lượng mưa sẽ được thực hiện bằng cảm biến điện dung sử dụng cảm biến chuyên dụng như MPR121 hoặc chức năng cảm ứng tích hợp trong ESP32. Thiết kế và vị trí của các đường ray điện cực rất quan trọng để đo lượng mưa chính xác bằng cách phát hiện các giọt mưa. Kích thước, hình dạng và phân bố trọng lượng của vỏ bọc cảm biến cũng rất quan trọng vì chúng ảnh hưởng đến phạm vi, độ phân giải và độ chính xác của thiết bị. Manolis đang nghiên cứu một số ý tưởng thiết kế mà anh ấy dự định thử nghiệm trước khi quyết định liệu toàn bộ trạm thời tiết sẽ nằm bên trong vỏ bọc xoay hay chỉ các cảm biến bên trong.
Vì hứng thú với khí tượng học, [Karl] đã xây dựng một trạm thời tiết. Mới nhất trong số này là cảm biến gió siêu âm, sử dụng thời gian bay của các xung siêu âm để xác định tốc độ gió.
Cảm biến của Carla sử dụng bốn đầu dò siêu âm, hướng về phía bắc, nam, đông và tây, để phát hiện tốc độ gió. Bằng cách đo thời gian xung siêu âm di chuyển giữa các cảm biến trong phòng và trừ đi các phép đo thực địa, chúng tôi thu được thời gian bay cho mỗi trục và do đó là tốc độ gió.
Đây là một minh chứng ấn tượng về các giải pháp kỹ thuật, kèm theo báo cáo thiết kế cực kỳ chi tiết.