Zaloguj
W czujnikach deszczu stosowane są różne sposoby pomiaru, np.: rezystancyjne, optyczne, pojemnościowe i akustyczne. Jedną z najprostszych metod wykrywania opadów jest zastosowanie rezystancyjnego czujnika grzebieniowego, opartego na dwóch układach przewodzących ścieżek, umieszczonych w niewielkiej odległości. Kształt zachodzących na siebie grzebieni umożliwia wykrycie nawet niewielkich, pojedynczych kropel deszczu, które – zwierając obydwa grzebienie – powodują spadek rezystancji czujnika.
Najczęstszą praktyką w wykrywaniu kropel deszczu na przedniej szybie samochodu jest wykrywanie światła podczerwonego przechodzącego przez wewnętrzne ścianki szyby przedniej. Gdy na zewnętrznej powierzchni szkła znajdują się krople deszczu, następuje załamanie światła (rozpraszanie wiązki), które redukuje ilość światła powracającego do czujnika w porównaniu z pierwotnymi warunkami (bez obecności wody). Technika ta opiera się na statystycznym prawdopodobieństwie, że gdy pada deszcz, na powierzchni szkła znajdą się krople deszczu przecinające drogę wiązki [8].
Technologia pomiaru pojemnościowego opiera się na wykrywaniu zmian pojemności w wyniku modulacji stałej dielektrycznej materiału oddzielającego przewodniki elektryczne (okładki) kondensatora przez krople wody, które znajdą się na powierzchni czujnika. Pojemnościowy czujnik deszczu precyzyjnie i skutecznie wykrywa tempo, aktualną intensywność oraz moment zakończenia opadów, a ponadto pozostaje nieczuły na fałszywe alarmy spowodowane zanieczyszczeniami, które w czujnikach optycznych powodowałyby odbicia imitujące odbicie deszczu. Ponadto, podczas gdy rezystancyjne czujniki deszczu są wrażliwe na korozję i zanieczyszczenia, topologia pojemnościowa nie ma tych wad [9].
Czujnik akustyczny składa się z okrągłej pokrywy ze stali nierdzewnej, zamontowanej na sztywnej ramie. Pod pokrywą znajduje się detektor piezoelektryczny. Krople deszczu uderzają w powierzchnię czujnika z prędkością, która jest funkcją średnicy kropli deszczu. Pomiar intensywności opadów opiera się na akustycznej detekcji każdej pojedynczej kropli deszczu uderzającej w pokrywę czujnika. Większe krople generują silniejszy sygnał akustyczny niż mniejsze. Detektor piezoelektryczny zamienia sygnały akustyczne na napięcie. Wynik pomiaru obliczany jest na podstawie sumy indywidualnych sygnałów napięciowych na jednostkę czasu, przy znanej powierzchni czujnika.
Ponadto można obliczyć intensywność i czas trwania deszczu [7].
Rezystancyjny czujnik deszczu Steam Sensor
Czujnik Steam Sensor KS0203 firmy Keyestudio jest analogowym czujnikiem rezystancyjnym (fotografia 1) o napięciu zasilania 3,3...5 V. Dwie elektrody w postaci gwiazdki ułożone są naprzemiennie – jedna z nich jest dołączona do masy, a druga – przez rezystor 1 MΩ – do zasiania. Do tej elektrody dołączone jest wyjście analogowe przez rezystor 470 Ω. Czujnik wykrywa krople deszczu oraz parę. Napięcie wyjściowe wzrasta wraz z wilgotnością na powierzchni PCB. Czujnik jest bardzo tani (kilka złotych) i łatwo dostępny [10].
Rezystancyjny czujnik deszczu Raindrops Module
Raindrops Module składa się z dwóch części: sondy pomiarowej i modułu detektora, połączonych przewodami (fotografia 2). Sonda jest dołączona do masy oraz – przez rezystor 10 kΩ – do zasilania VCC. Sygnał z grzebieni jest wyprowadzony na wyjście analogowe A0, a jednocześnie podawany na wejście komparatora LM393 (zasilanie 2…30 V, 1 mA). Wyjście komparatora pozostaje dołączone do wyprowadzenia D0 modułu. Próg zadziałania komparatora można ustawić potencjometrem. Gdy sonda jest sucha, na wyjściu analogowym A0 panuje napięcie zbliżone do VCC. W miarę wzrostu wilgotności sondy napięcie A0 maleje. W artykule [11] pokazano odpowiedź sondy na krokowy wzrost zawilgocenia. Czujnik jest tani i oferowany przez wiele firm, w sprzedaży znajduje się też wersja z tym samym modułem detektora i dołączonym czujnikiem wilgotności gleby (YL-69).
Pojemnościowy czujnik deszczu RC-SPC1K
Czujnik opadów RC-SPC1K firmy Radiocontrolli jest wykonany w technologii grubowarstwowej na podłożu allumina (Al2O3) [1]. Jest to materiał o dużej niezawodności elektryczno-termicznej. Czujnik składa się z trzech elementów: sensora pojemnościowego (strona A) oraz grzałki i czujnika temperatury (strona B) – patrz fotografia 3.
Podstawowe parametry czujnika RC-SPC1K [1]:
- Pojemność początkowa (suchy): 100 pF ±10%
- Rezystancja grzałki: 42 Ω ±10%
- Czujnik temperatury NTC (25°C): 1 kΩ ±10%
- Wymiary: 30,48×35,56 mm
Dostępna jest także wersja RC-SPC1KA o większej zmianie pojemności w funkcji wilgotności (ponad 3000 pF @ 100%).
Powierzchnia strony A (niebieska) to obszar wrażliwy (czujnik pojemnościowy), wystawiany na działanie deszczu. W przypadku opadów pojemność wzrasta do wartości wyższej niż w warunkach suchych (ponad 420%), do 550 pF przy 100% wilgotności. Z tyłu czujnika deszczu znajduje się czujnik temperatury NTC oraz grzejnik rezystancyjny. Dzięki przewodności cieplnej ceramiki ciepło emitowane przez grzałkę z tyłu czujnika jest natychmiast przenoszone na górną powierzchnię. Grzejnik zapewnia szybkie wysychanie powierzchni detekcji, chroniąc powierzchnię przed mgłą, skroploną wilgocią i szronem.
W dokumentacji firmowej proponowane są dwa sposoby detekcji zmian pojemności czujnika: włączenie go jako element generatora astabilnego (na jednej bramce logicznej) lub dokonywanie pomiaru czasu odpowiedzi na pobudzenie impulsem prostokątnym. W celu pomiaru temperatury wystarczy dołączyć rezystor 1 kΩ do NTC i mierzyć zmianę napięcia na dzielniku. Wysterowanie grzałki wymaga zastosowania tranzystora kluczującego.
Układ pomiarowy opadów deszczu
W celu uzyskania stabilnej i dokładnej pracy czujnika zastosowano układ generatora astabilnego z popularnym układem NE555 w wersji MOS (rysunek 1).
Układ został zaadaptowany z konstrukcji miernika wilgotności gleby [2]. Do pojemności czujnika wynoszącej 100 pF został dobrany rezystor R2 tak, aby częstotliwość dla suchego czujnika wynosiła 167 kHz:
Fgen=1,44/((R3+2·R2)·Cp)
przy Cp=100 pF i R2=22 kΩ został użyty R3=10 kΩ.
Dodatkowo zastosowano dzielnik cyfrowy SN74HC4060 z podziałem dwunastobitowym (wyprowadzenie Q3). Uzyskany przebieg prostokątny ma częstotliwość:
Fout=Fgen/4096
Maksymalna częstotliwość czujnika w suchym powietrzu wynosi: Fgen=167,2 kHz, Fout=40,65 Hz, a minimalna (czujnik w wodzie): Fgen=41,26 kHz, Fout=10,75 Hz.
Do stabilnej pracy układu potrzebne jest czyste napięcie zasilania pozbawione szpilek. Nie nadaje się do tego napięcie z szyny 3V3 płytki Pico W, dlatego układ jest zasilany czystym napięciem 3,3 V z płytki ADS1115.
Do termistora NTC czujnika opadów został dołączony rezystor 1 kΩ, podłączony do czystego napięcia 3,3 V. Do tego samego napięcia został dołączony też dzielnik z dwoma rezystorami 3,61 kΩ 0,25% dający napięcie referencyjne. Oba potencjały dołączono do wolnych wejść przetwornika ADS1115 – ich pomiar pozwala na określenie temperatury czujnika opadów i ma istotne znaczenie przy używaniu grzałki czujnika. W dokumentacji firmowej znajduje się tabela wartości rezystancji NTC w funkcji temperatury, występuje jednak problem niskiej dokładności (10%) rezystancji NTC – całość wymaga więc skalibrowania napięcia pomiarowego w znanej temperaturze.
Kubełkowy czujnik opadów (COM-B020)
Większość deszczomierzy określa poziom opadów w milimetrach wysokości, w przeliczeniu na 1 m² w określonym czasie [3]. Czujnik deszczu COM-B020, dostarczany z zestawem stacji pogodowej Enviro Weather, jest w rzeczywistości prostym urządzeniem mechanicznym – jego działanie opisano już w EP 04/2024.
Modyfikowany moduł DFRobot I²C ADS1115
Moduł DFRobot I²C ADS1115 (DFR0553) firmy DFRobot [12] zawiera układ przetwornika analogowo-cyfrowego ADS1115. Opis samego modułu oraz zalecanej jego modyfikacji znajduje się w EP 10/2024.
Modyfikacja dołączenia czujnika kierunku wiatru do modułu Enviro Weather
Pomiar napięcia wyjściowego dzielnika, złożonego z 8 kontaktronów oraz wbudowanych rezystorów czujnika wiatru z zestawu Enviro Weather, jest dokonywany za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego w mikrokontrolerze i pozwala określić kierunek, w który skierowany jest wiatrowskaz. W zestawie Enviro Weather dzielnik jest zasilany z szyny 3V3 RPI Pico W. Jednak zakłócenia szpilkowe na tej szynie praktycznie uniemożliwiają dokładne pomiary napięcia [4].
Napięcie z dzielnika jest podawane na wejście przetwornika ADC procesora RP2040. Wbudowany przetwornik ADC procesora RP2040 jest tylko 12-bitowy. Dla kompatybilności z arytmetyką 16-bitową odczytane słowa danych są przesuwane w lewo o 4 bity. Powoduje to duże skoki wartości dla niewielkich zmian poziomu wejściowego. Brak dokładnego napięcia odniesienia przetwornika powoduje duże skokowe, przypadkowe zmiany odczytu dla impulsowych zakłóceń przetwornicy zasilania procesora. Dlatego w układzie został zastosowany zewnętrzny przetwornik ADC typu ADS1115. Bardzo duża rezystancja wejściowa przetwornika nie zaburza pracy dzielnika napięciowego z rezystorami o wartościach kiloomowych. Zasilanie płytki I²C ADS1115 jest pobierane z szyny VSYS płytki Rasberry Pi PicoW modułu Enviro Weather. Płytka przetwornika ma wbudowany układ LDO typu LP5907MFX-3.3, dostarczający do 250 mA czystego napięcia 3,3 V. Z płytki ADS1115 zostało pobrane czyste napięcie zasilania 3,3 V i dołączone do dzielnika pomiaru kierunku wiatru zestawu COM-B020.
Dołączenie czujników zewnętrznych do modułu Enviro Weather
Do płytki Enviro Weather dołączany jest czujnik opadów deszczu i anemometr zestawu COM-B020 według opisu fabrycznego [3], a czujnik kierunku wiatru – według opisu powyżej. Zasilanie i sygnał pomiarowy rezystancyjnych czujników deszczu Raindrops Module oraz Steam Sensor są dołączone do płytki przetwornika ADS1115. Zasilanie i napięcie dzielnika z termistorem NTC zostały również dołączone do płytki ADS1115. Wyjściowy sygnał prostokątny układu pomiarowego opadów deszczu z czujnika pojemnościowego został natomiast skierowany na wejście GP15 procesora RP20240.
Praca czujników z modułem Enviro Weather
Zastosowanie płytki Enviro Weather wymaga najpierw wpisania do niej najnowszej wersji firmowego pliku obrazu (uf2) zawierającego MikroPythona oraz biblioteki firmowe, np. Pico Graphics. Następnie należy wpisać folder projektu najnowszej aplikacji Enviro. Jest to dokładnie omówione w poprzednim artykule „Stacja pogodowa Enviro Weather firmy Pimoroni” [3].
Z pobranego pliku Enviro_Rain.zip (https://ep.com.pl/files/afx/13710-Enviro_Rain.zip) podmieniane są pliki main.py i config.py.
Dokładny opis konfiguracji płytki znajduje się w artykule [3].
Na początku programu wykrywane są wszystkie układy na szynie I²C, a na czarnym tle wyświetlacza pokazywany jest napis „Nowy pomiar”. Następnie inicjalizuje się obsługę Enviro Weather i synchronizuje zegar RTC PCF85063A płytki z czasem pobranym poprzez Wi-Fi z Internetu. Potem następuje aktywacja dostępu do czujników BME280, BME688 i LTR-599 na szynie I²C oraz pobranie wyników pomiarów parametrów z modułu Enviro Weather: temperatury, wilgotności, ciśnienia atmosferycznego, poziomu oświetlenia, prędkości wiatru oraz poziomu i prędkości opadów deszczu.
Następnie wykonywany jest pomiar opadów deszczu na podstawie sygnału z pojemnościowego czujnika RC-SPC1K. Wykrywane są zbocza sygnału i na tej podstawie mierzy się czas półokresu przebiegu prostokątnego (wypełnienie 50%). Wyliczana jest też procentowa pozycja wartości pomiędzy minimalnym (czujnik suchy) i maksymalnym (czujnik mokry) czasem. Na tej podstawie określa się (dosyć arbitralnie) słowną ocenę intensywności opadów. Ostatnim etapem jest odczyt napięcia z czujnika kierunku wiatru i konwersja danych na osiem kierunków świata.
Wszystkie wyniki pomiarów i obliczeń są pokazywane na wyświetlaczu e-paper. W prawym górnym rogu wyświetlana jest data i godzina ostatniego pomiaru, a po lewej: temperatura, wilgotność, ciśnienie atmosferyczne, poziom oświetlenia oraz prędkość wiatru. Ostatni z tych parametrów jest określany na podstawie zliczania impulsów od czujnika. Gdy czujnik nie jest podłączony, to brak impulsów oznacza prędkość zerową (fotografia 5).
Poniżej wyświetla się kierunek geograficzny wiatru. W przypadku braku czujnika kierunku wiatru na ekranie znajduje się napis None. Dalej prezentowane są dane z pojemnościowego czujnika deszczu: w postaci słownej oceny intensywności oraz procentowej intensywności opadów. Na dole znajdują się ilościowe dane z kubełkowego czujnika opadów z zestawu Enviro Weather: pomiar poziomu opadów deszczu i prędkość opadów deszczu (fotografia 6).
Na koniec działania aplikacji wywoływana jest firmowa funkcja enviro.sleep programująca RTC na wybudzenie procesora oraz wprowadzająca procesor na pewien czas (np. 1 min) w uśpienie. Podczas zasilania z wejścia BAT wyłączane jest zasilanie całej płytki Enviro Weather oraz wszystkich dołączonych czujników, z wyjątkiem układu RTC. Sygnał alarmu z RTC wymusza reset procesora. Oprogramowanie było uruchamiane w środowisku Thonny. Na listingu 1 jest pokazane okno Shell widoczne po włączeniu aplikacji pomiarowej.
Do dynamicznego pomiaru prądu zasilania bardzo dobrze nadaje się zestaw Power Profiler Kit II (PPK2) firmy Nordic Semiconductor. Pobór prądu całego układu przy zasilaniu bateryjnym 4,2 V został pokazany na rysunku 2. Pierwszy blok pomiarowy jest dłuższy (13 s), a następne trwają tylko 7,7 s i są powtarzane dokładnie co 1 minutę.
Pik prądowy przy ponownym włączaniu zasilania (zaznaczony na górnym wykresie) to 1,47 A (600 μs), a w trakcie wykonywania bloku pomiarowego wartość szczytowa to 202 mA (średni prąd: 41 mA). Średni pobór za cały okres pomiarowy 1 minuty (zaznaczony na dolnym wykresie) wynosi tylko 5,37 mA. Pomiędzy blokami pomiarowymi pobór prądu wynosi 30 μA.
Przy zasilaniu z USB (5V) nie występują szpilki prądowe na początku bloku pomiarowego, średni prąd podczas realizacji całej procedury jest podobny, zaś pomiędzy blokami średni pobór prądu utrzymuje się na poziomie 38 mA.
Podsumowanie
Ocena jakości pracy zestawu elektronicznego wymaga nie tylko sprawdzania jego funkcjonalności, ale również parametrów elektrycznych, zwłaszcza jakości zasilania. Jest to szczególnie ważne, gdy w układzie są obwody cyfrowe zasilane z przetwornicy impulsowej oraz obwody analogowe – często o dużej czułości i wzmocnieniu.
W przypadku urządzenia IoT, pracującego w czasie rzeczywistym, dodatkowo bardzo ważne są zależności czasowe.
Analiza niepoprawnego działania pomiaru kierunku wiatru doprowadziła do zastosowania zewnętrznego przetwornika ADC z niskoszumnym zasilaniem rezystorowej drabinki pomiarowej. Rezultatem jest stabilny i dokładny pomiar 8 kierunków geograficznych.
Również układ pomiaru opadów z czujnikiem pojemnościowym, zaadaptowany z pomiaru wilgotności gleby, zmontowany na płytce stykowej i dołączony przy zastosowaniu dosyć długich kabelków, działał zaskakująco stabilnie przy zasilaniu czystym napięciem.
Niezwykle trudno jest przeprowadzić w warunkach domowych wiarygodne próby pomiaru opadów deszczu. Ograniczone testy pokazały, że zmiana pojemności czujnika zależy od rozmiaru powierzchni pokrytej wodą oraz – częściowo – od grubości tej powierzchni. Ustawienie czujnika deszczu pod kątem 30 stopni ułatwia spływanie wody i przyspiesza reakcję czujnika na zmiany natężenia opadów.
Funkcjonalność układu można łatwo rozszerzyć o obliczenia temperatury pojemnościowego czujnika deszczu i sterowanie jego podgrzewaniem. Można również dołączyć inne czujniki, co zostało pokazane w innych artykułach z tej serii.
Realizacja oprogramowania bazuje na projekcie „Pomiar parametrów otoczenia, w tym prędkości i kierunku wiatru, opadów deszczu i wilgotności powietrza”, wykonanego w ramach przedmiotu „Systemy wbudowane i oprogramowanie” na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej przez zespół w składzie: Weronika Jamróz, Julia Dollani, Kamil Szwagierczak i Mikołaj Pliś.
Henryk A. Kowalski
Instytut Informatyki
Politechnika Warszawska
Bibliografia
[1] Capacitive Rain Sensor, Radiocontrolli https://tiny.pl/7x6_61xt
[2] Hacking a Capacitive Soil Moisture Sensor (v1.2) for Frequency Output, April 20, 2021, https://tiny.pl/d59hm
[3] Stacja pogodowa Enviro Weather firmy Pimoroni, EP 04/2024, https://tiny.pl/d93r1
[4] Optymalizacja poboru mocy urządzenia IoT z płytką Raspberry Pi Pico W, EP 05/2024, https://tiny.pl/d59hg
[5] Enviro MicroPython firmware, Pimoroni, https://tiny.pl/dt49f
[6] Profilowanie mocy z zastosowaniem Power Profiler Kit II, EP 05/2022, https://tiny.pl/d93rd
[7] Vaisala RAINCAP® Technology, https://tiny.pl/6bb8brgq
[8] Build Your Own IR Windshield Rain Sensor, Jorge Martinez, Dec. 21, 2017, https://tiny.pl/vcf2gzf8
[9] Ceramic capacitive rain sensor avoids false positives, 2nd November 2016, Telecontrolli, Barney Scott, https://tiny.pl/9f4z7dq2
[10] Moduł z czujnikiem opadów, Kamami, https://tiny.pl/2c_646mb
[11] Czujnik deszczu – KAmduino UNO oraz Raindrops Module, Mikrokontroler, 04.08.2017, https://tiny.pl/89-6h9rx
[12] Gravity: I2C ADS1115 16-Bit ADC Module, DFR0553, DFRobot, https://tiny.pl/n6qfj60b
[13] ADS1115_mpy, A MicroPython module for the ADS1115 ADC. Wolfgang (Wolle) Ewald, https://tiny.pl/twv9zkq9
