気象計測センサー 雨量計 その九センサー ノードコントローラ 「AMEWO-UART」回路 基板

気象センサー　シリーズの　雨量計「雨ヲ君」対応の試作基板の設計が終わりました。

ミーリングまたはエッチングのあとパターンがくっつく(または切れる)とか穴が開け難いとか
れば若干パターン変更はあるかもしれませんが基本的にはこのままです。
汎用を狙いすぎて余計な端子名がありますが気にしないでください。

この基板では　雨量計「雨ヲ君」として動作させる場合は、T1,T7しか使用しません。

残りの端子は拡張性を持たせるため　すべて端子として配線されていますが、保護回路も入っていませんので静電破壊やラッチアップ対策としてすべて5-10kΩ程度の抵抗で　プルダウンかプルアップしてください。(プルアップ推奨)　T(ターミナル端子)の部品穴を利用すると良いと思います。




発注している「生基板」さえ届けばすぐに制作に取り掛かります。

頒布予定の基板の情報は、

https://drive.google.com/open?id=1ZtVGZopA85Whbau-n7gfQ6bhVNiM7wpG

気象計測センサー その11 雷センサー

気象センサーシリーズに　雷センサーを追加しました。
センサー自体は　秋月電子から発売されている秋月電子　雷センサー
を組み込んで屋外設置が可能なように防水構造になっています。

このセンサーモジュールは非常に小さく動作電圧3Vとバッテリで動作しますから携帯型にも固定設置型でもいろいろ応用できそうです。

屋外設置した場合は、屋内に多数ある電子、電気機器が発する電気的なノイズの影響を受けにくくなり、特に電灯のON/OFF、掃除機のモーター、サーモスタットなどの電磁波ノイズの発生源から距離をとることで人工ノイズによる誤検出を大幅に低減できるようです。

センサーケースはアンテナ部を樹脂製のキャップで覆い、センサーチップ部分は金属製で囲むことで電磁シールド効果を持たせるような構造です。
また半透明樹脂部にはLEDを組み込んでありますので、雷検出時にLEDもピカピカ光ります。　夜なら見てると面白いかもしれません。


実物は後ほど..

気象計測センサー ⑩マルチセンサー ノードコントローラ

気象センサー　ノードコントローラのソフト開発も大体終わりましたので、基板制作に入ります。

ここで問題が発覚..　入るのか?   入らないのか?

多層基板は作れませんのでせいぜい両面基板で何とかしなければなりません。

気象計測センサー 地震計 その①

気象センサーシリーズに　地震計(振動センサー)を追加しました。

屋内設置型と　屋外(地中埋設)型の二種類をリリース予定で、これは地中埋設型です。

地中埋設型は、地面の振動をより正確に検出することができ、建物や構造物の固有振動による誤差を低減できますが、地中に埋設する際に必要な防水構造と丈夫な外郭を持つ必要があります。

この製品では、耐食性に優れたステンレス材による厚さ3mmの筒状の外郭に +2G ～+16Gまで 計測可能な加速度センサーを組み込んであります。

直径32mm　長さ40mmと小さく頑丈な構造でセンサーはシリコンゴムで防水性を確保し地中に埋設します。

ケーブルは多芯ケーブルで1メートル程度伸ばしますが、耐候性を考慮したケーブルが必要になります。

地震波形は、標準400Hz　　最大1000Hz程度の周波数成分を維持したまま記録できますが

大量のデータを吐き出すことになりますので、センサー近傍に　地震計ロギング機能を持つノードコントローラが必要になります。

現在開発中ですが標準400Hz  最大加速度2Gならば X,Y,Z軸それぞれ独立して、振動が検出されなくなったあと30秒程度継続して記録することができます。

記録した波形は一時的にX,Y,Z独立して強震データフォーマット(未対応)
１行目：観測点コード
　２行目：観測点の緯度
　３行目：観測点の経度
　４行目：サンプリング周波数
　５行目：データの単位
　６行目：データ開始の時刻 (左から、年　月　日　時　分　秒）　
　７行目：成分名
　８行目以降：データ（左から７行目の成分の順、符号は北・東・上が正、南・西・下が負）

もしくは

CSVファイルかWAVファイルに変換してSDカードに格納します。

気象計測センサー ⑨マルチセンサー ノードコントローラ(ロギング機能付き)

気象観測を自動的かつ電子的に長期間継続的に行おうとすると最後まで問題になるのが「電源」と「表示/操作」です。

特に東日本大震災で経験した一週間にも及ぶ停電も考慮すると低消費電力であることは必須項目になるわけです。

表示器やキー入力機能に関しては常時必要はないのですが、メンテナンスやロギングしたデータや現在値をその場で確認したい場合は必要になり、操作性や視認性も考慮すると大きな画面が必要になり、こちらも停電を考慮するとパソコンは使えません。

ということで上記を解決する方法を検討した結果もしかするとこの方法で実現できるかもしれません。

基本的にバッテリで動作し停電時でも動作し、記録するデータには正確なタイムスタンプを書き込めるようにRTC (Real Time Clock)を持たせ、時刻合わせは、無線LAN経由で、NICTのNTPサーバにアクセスし一週間に一度程度の頻度で日本標準時JSTとRTCを同期させます。ネットが寸断された場合は月差30秒程度の誤差になります。

各種センサーは、I2Cにより複数接続可能で拡張性があり、データを大容量のフラッシュメモリ16Gbyte(32G,64G)に蓄えます。

記録したデータは今やだれでも持っている可能性の高いスマホに転送します。

電源以外の主要な部品は左側のブレッドボードがほぼ全てで、右側の小さいブレッドボードは、現在開発中の「3軸地震計」です。

デバッグ環境として使用しているArduino Uno R3はAVR 8ピンマイコンの代用で、最終的には使用しません。

左側のブレッドボードにはSDカードとD3231 の載ったRTC基板があるだけです。

　

あれれ..表示器とキーボード、そしてメインコントローラはどこに?

ご心配はいりません。今回の主役はなんといっても左側のブレッドボードに乗っているSDカードでしょう..

あれがスマホに刺せない(microSDではないし)寸法の大きなただのメモリカード見えてしまっているそこのアナタ..

もう少ししたら「正体」を明かしましょう..

アレはただのSDカードではありません..

切手サイズのLinux.....

気象計測センサー 雨量計 その⑧センサー ノードコントローラ 「AMEWO-UART」

気象計測センサー キットシリーズ　雨量計　センサー　ノードコントローラ 「AMEWO-UART」のUART ノードコントローラの頒布を開始しました。

モールス信号版は、AVR　2313マイコンプログラム領域にモールスコードのデータ領域がプログラム領域を圧迫して全機能を実装できませんでしたがUART版はそのような制限もなく多くの機能を組み込むことができました。

共通仕様

　0.5mm/転倒パルス式雨量計対応

　雨量計測　　　　　10分間降水量、1時間降水量,24時間降水量、48時間降水量

　アラーム信号　　　積算雨量　300mmを超えた場合　(設定変更可能)

電源電圧　　3-5Vです。

ノードコントローラからの結果出力は、

無線方式と有線(ケーブル)出力の両方に対応しており

1) 通信方式　UART 2400,4800,9600,14400baud　8bit parity none

動作の様子はyoutube にアップロードしました。

パソコンへの接続はFTDI232を経由したUSBシリアル通信で行っています。

センサーメカユニットのオプションパーツとしての取り扱いになります。

尚マイコン側からはロジックレベルの信号になりますので、長い距離の配線が必要であれば、RS-422で　1.54km または　RS-485　等　のドライバ回路が必要になります。

フォトカップラでの絶縁は簡易的ですが10m程度なら実用域になります。

気象計測センサー 雨量計 その⑦センサー ノードコントローラ 「AMEWO-WTXA3-900K」

気象計測センサー キットシリーズ　雨量計　センサー　ノードコントローラ 「AMEWO-WTXA3-900K」の仕様が決まりました。

AVRマイコン　AT90S2313-10PCのプログラムサイズの制限からすべての機能を組み込むことはできませんでしたが、通信方式別に雨量計ノードコントローラとして頒布を開始します。


共通仕様
　0.5mm/転倒パルス式雨量計対応
　雨量計測　　　　　10分間降水量、1時間降水量,24時間降水量、48時間降水量
　アラーム信号　　　積算雨量　300mmを超えた場合

電源電圧　　3-5Vです。

ノードコントローラからの結果出力は、

無線方式と有線(ケーブル)出力の両方に対応しており

1) UART 9600baud

2) I2C

3) パルス　トーン併用式　トーン300-2400Hz

4) モールス信号

なんと前近代的な...と思われるかもしれませんが無線を趣味にしている方たちのためにモールス信号での出力もできます、

動作の様子はyoutube にアップロードしました。

送信周波数次第ですが　AMラジオ、FMラジオ、そのた無線機やSDR受信機で雨量を確認できます。

特に停電時ではラジオがあれば雨量が確認できます。

この機会にモールス信号を覚えてもいいですね。

気象計測センサー 雨量計 その⑥センサー ノードコントローラ

雨量センサーのノードコントローラの開発が終盤です。

雨量計センサーメカキット「雨ヲ君」に接続すると、自動計測を行います。

出力は　第一弾としては　微弱電波によるAM/FMラジオで降水量を確認することができます。

超低消費電力+微弱無線ですのでバッテリによる動作が簡単で　配線不要です。　
PC不要で停電時もラジオさえあれば降雨状況を確認できます。
電波到達距離は気象状況にもよりますが数十mです。


仕様
①　電源は2種類　5V、3Vいずれか
②　雨量計測　10分間降水量、1時間降水量,24時間降水量、48時間降水量
③　計測可能な最大10分間降水量　75mm/10分
④　それぞれの降水量の最大値は電源を遮断しても保持し続けます。　リセットで消去されます。
⑤　国土交通省基準　想定最大規模降雨　567mm/48時間　または220mm/1時間　60mm/10分間を検出すると 「緊急/非常」信号端子がONします。リレー、またはLEDランプを接続すると目視で確認できます。
微弱電波による通信でも通信電文を「緊急/非常」に切り替えます。


24,48,72時間降水量は、気象庁による集計は0時10分を起点とする降水計測ですが、本ノードコントローラーでは、RTCを増設することで可能になります。
RTCは、リアルタイムクロックという時計モジュールの総称でコイン電池CR2032を内蔵していますので、センサー電源が遮断された状態でも常時計時作を継続します。
CR2032電池寿命は状態にもよりますが約2年です。

RTCオプションを増設しない場合は、降り始めを起点といたしますのでご注意ください。

気象計測センサー 積雪深計 その②

一昨日から寒気が流入し気温が下がり予報通り積雪になりました。
積雪深計の動作はほぼ仕様通りの動作を確認できました。　


この積雪深計ですが、使用方法により二種類のバージョンがありますので、それぞれの違いについて説明します。


1) メカユニットだけの積雪深計
無線送信機能付のコントローラユニットと組み合わせて使います。
積雪深計に内蔵された温度および超音波センサの制御はコントローラが行い積雪深を計算しますのでセンサメカ単体では動作しません。
お客様自身で実験も含めた制御が可能な場合に低コストで導入できるバージョンです。



2) コントローラ付(I2C,RS232C出力)　積雪深計
このコントローラ内蔵タイプは、+5V電源を与えるだけで、積雪深と気温を計測、計算しPCに送信します。

さて、ここで気象コントローラの無線送信機能について説明します。無線ユニットは日本国内での使用認証のとれているDigi International Inc社製の無線通信ユニットを使用しています。お使いの地域の環境にもよりますが、周囲に住宅の無い農地などでは通信ユニット単体間500m-1km程度の到達距離を持ち中継器を設置することで大手キャリアの通信エリア外でも配線工事無しに伝送経路数キロをカバーできます。(実績あり)

携帯電話の通信網を利用した通信と違い契約不要ですので、安価にメンテナンスは自分で..という方にお勧めです。

気象計測センサー 積雪深計 その①

ここ一関市もだいぶ冷え込むようになりました。　11月も下旬になると平地でも降雪が観測されるようになります。

その積雪を5mm単位で観測できる積雪深計を気象計測センサーシリーズに加えました。

外筒ケースは耐候性に優れ安価に入手可能なPVC水道パイプ 内部構造材をABS3Dプリントしています。

用途としては、小規模なエリアでの雪害防止や監視などに応用できます。　特に温室やビニールハウスの上部に取り付け、警告を発する積雪深を設定すると警告や信号を出力することができます。
この警告をハウス内のヒーターのON/OFFの判断に利用することで雪害による倒壊などを防止することが可能になると思われます。　

測定原理は、一般的な超音波による距離計測を行い、平地の距離と積雪面の距離の差分を計測することになります。

音速は　1気圧(1013.25hPa)下なら331.5+0.6tが一般的に用いられますが、より厳密な式（20.055 (t + 273.15 )^1/2 ）もあります。　t=気温
どちらにしろ積雪深を計測するためには温度も同時に計測しないといけませんね。

計測可能な範囲は、雪の音圧反射率が10%前後ということでおそらく実力で2-3mといったところでしょう。

平地の一般住宅地での計測がとりあえずの目標です。

ただし実際にセンサー-対地間の距離を屋外で計測してみると風による影響が大きく、計測誤差として無視できない大きさになります。

この誤差は音波が伝搬し移動する伝搬路である大気の空間が風により歪み延びることが原因なのですが、風速計と組み合わせて補正するかフィルター処理で平滑化するなど対策が必要ですね。　とりあえず外筒とフレーム材に温度センサーと超音波センサーを組み込めるセンサーキットとして頒布いたします。　

新雪の中空(内部のスカスカな)構造の雪面をどれだけ正確に計測可能なのか今から楽しみです。
　雪が待ち遠しいです。　　(はぁ?って声が多数聞こえたような 聞こえないような 笑)