Станция для измерения скорости и направления ветра06.06.2017 12:51

Обычная бытовая фирменная или самодельная метеостанция измеряет две температуры-влажности (в комнате и на улице), атмосферное давление и дополнительно имеет часы с календарем. Однако, настоящая метеостанция имеет еще много всего — датчик солнечной радиации, измеритель осадков и всякое подобное, что, в общем, требуется только для профессиональных нужд, за одним исключением. Измеритель параметров ветра (скорости, и, главное, направления) — очень полезное дополнение для загородного дома. Причем фирменные датчики ветра довольно дороги даже на Али-Бабе, и имеет смысл присмотреться к самодельным решениям.
Сразу скажу, что если бы я заранее знал, в какой объем ручной работы и потраченных на эксперименты денег выльется моя задумка, может быть и не стал бы начинать. Но любопытство перевесило, а читатели этой статьи имеют шанс избежать тех подводных камней, о которые мне приходилось спотыкаться.
Для измерения скорости ветра (анемометрии) существует стопицот способов, главные из которых такие:
— термоанемометрический,
— механический — с пропеллером (точнее, импеллером ru.wikipedia.org/wiki/Импеллер) или чашечной горизонтальной крыльчаткой (классический чашечный анемометр ru.wikipedia.org/wiki/Анемометр#/media/File: Anemometer.jpg), Измерение скорости в этих случаях эквивалентно измерению частоты вращения оси, на которой закреплена пропеллер или крыльчатка.
—, а также ультразвуковой, объединяющий измерения скорости и направления.
Для измерения направления способов меньше:
— упомянутый ультразвуковой;
— механический флюгер с электронным съемом угла поворота. Для измерения угла поворота есть также много различных способов: оптические, резистивные, магнитные, индуктивные, механические. Можно, кстати, просто закрепить на валу флюгера электронный компас — вот только надежные и простые (для «наколеночного» повторения) способы передачи показаний с хаотично вращающейся оси придется еще поискать. Потому мы далее выбираем традиционный оптический способ.
При самостоятельном повторении любого из этих способов следует держать в уме требования минимального энергопотребления и круглосуточного (а, может, и круглогодичного?) пребывания на солнце и под дождем. Датчик ветра нельзя разместить под крышей в тени — наоборот, он должен быть максимально удален от всех мешающих факторов и «открыт всем ветрам». Идеальное место размещения — конек крыши дома или, на худой конец, сарая или беседки, удаленных от других строений и деревьев. Такие требования предполагают автономное питание и, очевидно, беспроводной канал передачи данных. Этими требованиями обусловлены некоторые «навороты» конструкции, которая описывается далее.

Познавательную историю о том, как я пытался воспроизвести самый современный и продвинутый из способов — ультразвуковой, и потерпел неудачу, я расскажу как-нибудь в другой раз. Все другие способы предполагают раздельное измерение скорости и направления, потому пришлось городить два датчика. Поизучав теоретически термоанемометры, я понял, что готовый чувствительный элемент любительского уровня у нас приобрести не получится (на западном рынке они доступны!), а самостоятельно изобретать — ввязываться в очередные НИиОКР с соответствующими тратами времени и денег. Потому по некотором размышлении я решил сделать унифицированную конструкцию на оба датчика: чашечный анемометр с оптическим измерением скорости вращения и флюгер с электронным съемом угла поворота на основе кодирующего диска (энкодера).

Конструкции датчиков

Преимущество механических датчиков в том, что никакие НИиОКР там не требуются, принцип прост и понятен, а качество результата зависит только от аккуратности исполнения тщательно продуманной конструкции.
Так казалось теоретически, на практике это вылилось в кучу механических работ, часть из которых пришлось заказывать на стороне, ввиду отсутствия под рукой токарного и фрезерного станков. Сразу скажу, что я ни разу не пожалел о том, что с самого начала сделал ставку на капитальный подход, а не стал городить конструкции из подручных материалов.
Для флюгера и анемометра нужны следующие детали, которые пришлось заказать у токаря и фрезеровщика (количество и материал указаны сразу для обоих датчиков):

Оси, заметим, обязательно вытачиваются на токарном станке: изготовить на коленке ось с острием точно по центру практически невозможно. А размещение острия точно по оси вращения здесь — определяющий фактор успеха. Кроме того, ось должна быть идеально прямой, никакие отклонения не допускаются.

Механический датчик направления ветра — электронный флюгер

Основой флюгера (как и датчика скорости далее) служит П-образная скоба из дюраля Д-16, изображенная на чертеже вверху слева. В нижнее углубление запрессовывается кусочек фторопласта, в котором делается ступенчатое углубление последовательно сверлами 2 и 3 мм. В это углубление острым концом вставляется ось (для флюгера — из латуни). Сверху она свободно проходит через отверстие 8 мм. Над этим отверстием винтами М2 к скобе прикрепляется прямоугольный кусочек того же фторопласта толщиной 4 мм так, чтобы он перекрывал отверстие. Во фторопласте сделано отверстие точно по диаметру оси 6 мм (расположенное точно по общей оси отверстий — см. сборочный чертеж ниже). Фторопласт вверху и внизу здесь играет роль подшипников скольжения.

Ось в месте трения о фоторопласт можно отполировать, а площадь трения уменьшить, отзенковав отверстие во фторопласте. Для флюгера это не играет особой роли — некоторая «заторможенность» ему даже полезна, а для анемометра придется постараться минимизировать трение и инерцию.
Теперь о съеме величины угла поворота. Классический энкодер Грея на 16 положений применительно к нашему случаю выглядит так, как показано на рисунке:

Размер диска был выбран, исходя из условия надежной оптической изоляции пар излучатель-приемник друг от друга. При такой конфигурации щели шириной 5 мм располагаются с промежутком также 5 мм, а оптические пары расположены на расстоянии ровно 10 мм. Размеры скобы, к которой крепится флюгер, были рассчитаны именно исходя из диаметра диска 120 мм. Все это, конечно, можно уменьшить (особенно, если подобрать светодиоды и фотоприемники как можно меньшего диаметра), но было принята во внимание сложность изготовления энкодера: выяснилось, что фрезеровщики за такую тонкую работу не берутся, потому его пришлось выпиливать вручную надфилем. А тут чем больше размеры, тем надежнее результат и меньше хлопот.
На сборочном чертеже выше показано крепление диска к оси. Тщательно отцентрованный диск крепится винтиками М2 к капролоновой втулке. Втулка размещается на оси так, чтобы зазор вверху был минимальным (1–2 мм) — так, чтобы ось в нормальном положении вращалась свободно, а при перевороте острие не выпадало из гнезда внизу. Блоки фотоприемников и излучателей прикрепляются к скобе сверху и снизу диска, более конкретно об их конструкции далее.
Вся конструкция помещается в пластиковый (АБС или поликарбонат) корпус 150×150×90 мм. В собранном виде (без крышки и флюгера) датчик направления выглядит следующим образом:

Отметьте, что выбранное направление на север помечено стрелкой, его нужно будет соблюдать при установке датчика на место.
На верхушку оси крепится собственно флюгер. Он изготовлен на основе такой же латунной оси, в разрез на тупой стороне которой впаивается хвостовик из листовой латуни. На остром конце на некоторую длину нарезается резьба М6, и на ней с помощью гаек закрепляется круглый груз-противовес, отлитый из свинца:

Груз рассчитан так, чтобы центр тяжести приходился точно на место крепления (передвигая его вдоль резьбы, можно добиться идеальной балансировки). Крепление флюгера к оси осуществляется с помощью нержавеющего винта М3, который проходит через отверстие в оси флюгера и ввинчивается в резьбу, нарезанную в оси вращения (крепящий винт виден на фото выше). Для точной ориентации верхушка оси вращения имеет полукруглое углубление, в которое ложится ось флюгера.

Датчик скорости ветра — чашечный анемометр своими руками

Как вы уже поняли, основа для датчика скорости в целях унификации была выбрана та же самая, что и для флюгера. Но требования к конструкции тут несколько иные: в целях снижения порога трогания анемометр должен быть максимально облегчен. Поэтому, в частности, ось для него сделана из дюраля, диск с отверстиями (для измерения частоты вращения) уменьшен в диаметре:

Если для четырехбитного энкодера Грея требуется четыре оптопары, то для датчика скорости всего одна. По окружности диска на равном расстоянии просверлено 16 отверстий, таким образом один оборот диска в секунду эквивалентен 16 герцам частоты, поступающей с оптопары (можно больше отверстий, можно меньше — вопрос только в масштабе пересчета и экономии энергии на излучатели).
Самодельный датчик все равно получится достаточно грубым (порог трогания не менее полуметра-метра в секунду), но его снизить можно только если радикально изменить конструкцию: например, вместо чашечной вертушки поставить пропеллер. У чашечной вертушки разность сил сопротивления потоку, обуславливающая крутящий момент, относительно невелика — она достигается исключительно за счет разной формы поверхности, встречающей набегающий поток воздуха (поэтому форма чашек должна быть как можно более обтекаемой — в идеале это половинка яйца или шара). У пропеллера вращающий момент гораздо больше, его можно сделать гораздо меньшим по весу, и, наконец, само изготовление проще. Но пропеллер нужно устанавливать по направлению потока воздуха — например, разместив его на конце того же флюгера. Вопрос вопросов при этом: как передавать показания с датчика, хаотично вращающегося вокруг вертикальной оси? Я его решить не смог, и судя по тому, что профессиональные чашечные конструкции до сих пор широко распространены, решается он отнюдь не с полпинка (ручные анемометры в расчет не берем — их ориентируют по потоку воздуха вручную).
Мой вариант чашечного анемометра сделан на основе лазерного диска. Вид сверху и снизу показан на фото:

Чашки сделаны из донышек от бутылочек из-под детской воды «Агуша». Донышко аккуратно отрезается, причем все три — на одинаковом расстоянии, чтобы имели равный вес, локально прогревается по центру (ни в коем случае не грейте целиком — необратимо покоробится!) и тыльной стороной деревянной ручки от напильника выгибается наружу, чтобы сделать его более обтекаемым. Будете повторять — запаситесь бутылочками побольше количеством, из пяти-шести штук вам, вероятно, удастся сделать три более-менее одинаковых чашки. В изготовленных чашках делается сбоку прорезь и они закрепляются по периметру диска под 120° по отношению друг к другу с помощью водостойкого клея-герметика. Диск строго центруется относительно оси (я это делал с помощью вложенной металлической шайбы) и закрепляется на капролоновой втулке винтами М2.

Общая конструкция и установка датчиков

Оба датчика, как уже говорилось, размещаются в пластиковых корпусах 150×150×90 мм. К выбору материала корпуса надо подходить продуманно: АБС или поликарбонат имеют достаточную атмосферостойкость, но полистирол, оргстекло и тем более полиэтилен тут решительно не подойдут (и окрасить для защиты от солнца их тоже будет затруднительно). Если нет возможности приобрести фирменную коробку, лучше самостоятельно спаять корпус из фольгированного стеклотекстолита, и затем окрасить для защиты от коррозии и придания эстетического вида.
В крышке точно в месте выхода оси делается отверстие 8–10 мм, в которое тем же клеем-герметиком вклеивается пластиковый конус, вырезанный из носика от баллончика со строительным герметиком или клеем:

Чтобы отцентровать конус по оси, струбциной закрепите снизу крышки деревяшку, наметьте на ней точный центр и немного углубитесь перовым сверлом 12 мм, сделав вокруг отверстия кольцевое углубление. Конус туда должен войти точно, после чего его можно обмазывать клеем. Можно его дополнительно зафиксировать в вертикальном положении на время застывания винтом М6 с гайкой.
Датчик скорости сам накрывает ось с этим конусом, как зонтиком, предотвращая попадание воды внутрь корпуса. Для флюгера стоит дополнительно разместить над конусом втулку, которая закроет зазор между осью и конусом от прямого стока воды (см. фото общего вида датчиков далее).
Провода от оптопар у меня выведены на отдельный разъем типа D-SUB (см. фото датчика направления выше). Ответная часть с кабелем вставляется через прямоугольное отверстие в основании корпуса. Отверстие затем прикрывается крышкой с прорезью для кабеля, которая удерживает разъем от выпадания. К основанию корпуса привинчиваются дюралевые скобы для крепления на месте. Конфигурация их зависит от места установки датчиков.
В собранном виде оба датчика выглядят следующим образом:

Здесь они показаны уже установленными на место — на конек беседки. Обратите внимание, что углубления для крепящих крышку винтов защищены от воды заглушками из сырой резины. Датчики устанавливаются строго горизонтально по уровню, для чего пришлось использовать подкладки из кусочков линолеума.

Электронная часть

Метеостанция в целом состоит из двух модулей: выносного блока (который обслуживает оба датчика ветра, а также снимает показания с внешнего датчика температуры-влажности), и основного модуля с дисплеями. Выносной блок оборудован беспроводным передатчиком для отправки данных, установленным внутри него (антенна торчит сбоку). Основной модуль принимает данные от выносного блока (приемник для удобства его ориентации вынесен на кабеле в отдельный блок), а также снимает показания с внутреннего датчика температуры-влажности и выводит все это на дисплеи. Отдельная составляющая основного блока — часы с календарем, которые для удобства общей настройки станции обслуживаются отдельным контроллером Arduino Mini, и имеют свои дисплеи.

Выносной модуль и измерительная схема датчиков ветра

В качестве фотоизлучателей были выбраны светодиоды ИК-диапазона АЛ-107Б. Эти старинные светодиоды, конечно, не самые лучшие в своем классе, зато имеют миниатюрный корпус диаметром 2,4 мм и способны пропускать ток до 600 мА в импульсе. Между прочим, при испытаниях выяснилось, что образец этого светодиода около 1980 года выпуска (в корпусе красного цвета) имеет примерно вдвое большую эффективность (выразившуюся в дальности уверенной работы фотоприемника), чем современные экземпляры, купленные в «Чипе-Дипе» (они имеют прозрачный желтовато-зеленый корпус). Вряд ли в 1980 году кристаллы были лучше, чем сейчас, хотя чем черт не шутит? Возможно, однако, дело в разных углах рассеяния в том и другом оформлении.
Через светодиод в датчике скорости пропускался постоянный ток около 20 мА (резистор 150 Ом при питании 5 вольт), а в датчике направления — импульсный (меандр со скважностью 2) ток около 65 мА (те же 150 Ом при питании 12 вольт). Средний ток через один светодиод датчика направления при этом около 33 мА, всего через четыре канала — около 130 мА.
В качестве фотоприемников были выбраны фототранзисторы L-32P3C в корпусе диаметром 3 мм. Сигнал снимался с коллектора, нагруженного на резистор 1,5 или 2 кОм от питания 5 В. Эти параметры подобраны так, чтобы на расстоянии ~20 мм между фотоизлучателем и приемником на вход контроллера поступал сразу полноразмерный логический сигнал в 5-вольтовых уровнях без дополнительного усиления. Токи, фигурирующие здесь, могут показаться вам несоразмерно большими, если исходить из озвученного выше требования минимального энергопотребления, но как вы увидите, фигурируют они в каждом цикле измерения на протяжении максимум нескольких миллисекунд так, что общее потребление остается небольшим.
Основой для крепления приемников и излучателей послужили отрезки кабельного канала (видны на фото датчиков выше), вырезанные так, чтобы у основания образовать «ушки» для крепления на скобе. Для каждого из этих обрезков к запирающей крышке изнутри приклеивалась пластиковая пластинка, по ширине равная ширине канала. Светодиоды и фототранзисторы закреплялись на нужном расстоянии в отверстиях, просверленных в этой пластинке так, чтобы выводы оказались внутри канала, а наружу выступали только выпуклости на торце корпусов. Выводы распаиваются в соответствии со схемой (см. ниже), внешние выводы делаются обрезками гибкого разноцветного провода. Резисторы для излучателей датчика направления также размещаются внутри канала, от них делается один общий вывод. После распайки крышка защелкивается на место, все щели герметизируются пластилином и дополнительно липкой лентой, которой также закрывается отверстие со стороны, противоположной выводам, и вся конструкция заливается эпоксидной смолой. Внешние выводы, как можно видеть на фото датчиков, выводятся на клеммную колодку, закрепленную на тыльной стороне скобы.
Принципиальная схема блока обработки датчиков ветра выглядит так:

О том, откуда берется питание 12–14 вольт, см. далее. Кроме компонентов, указанных на схеме, выносной блок содержит датчик температуры-влажности, который на схеме не показан. Делитель напряжения, подключенный к выводу A0 контроллера, предназначен для контроля напряжения источника питания с целью своевременной замены. Светодиод, подключенный к традиционному выводу 13 (вывод 19 корпуса DIP) — суперяркий, для его нормального, не слепящего свечения достаточно тока в доли миллиампера, что и обеспечивается необычно высоким номиналом резистора 33 кОм.
В схеме используется «голый» контроллер Atmega328 в DIP-корпусе, запрограммированный через Uno и установленный на панельку. Такие контроллеры с уже записанным Arduino-загрузчиком, продаются, например, в «Чипе-Дипе» (или загрузчик можно записать самостоятельно). Такой контроллер удобно программировать в привычной среде, но, лишенный компонентов на плате, он во-первых, получается экономичнее, во-вторых, занимает меньше места. Полноценный энергосберегающий режим можно было бы получить, избавившись и от загрузчика тоже (и вообще расписав весь код на ассемблере:-)), но здесь это не очень актуально, а программирование при этом неоправданно усложняется.
На схеме серыми прямоугольниками обведены компоненты, относящиеся отдельно к каналам скорости и направления. Рассмотрим функционирование схемы в целом.
Работа контроллера в целом управляется сторожевым таймером WDT, включенным в режиме вызова прерывания. WDT выводит контроллер из режима сна через заданные промежутки времени. В случае, если в вызванном прерывании таймер взводится заново, перезагрузки с нуля не происходит, все глобальные переменные остаются при своих значениях. Это позволяет накапливать данные от пробуждения к пробуждению и в какой-то момент обрабатывать их — например, усреднять.
В начале программы сделаны следующие объявления библиотек и глобальных переменных (чтобы не загромождать текст и без того обширных примеров, здесь выпущено все, что относится к датчику температуры-влажности):

#include 
#include 
#include 
. . . . .
#define ledPin 13 //вывод светодиода (PB5 вывод 19 ATmega)
#define IR_Pin 10 //управление транзистором IRLU (PB2 вывод 16 Atmega)
#define in_3p 9 //вход приемника разряд 3
#define in_2p 8 //вход приемника разряд 2
#define in_1p 7 //вход приемника разряд 1
#define in_0p 6 //вход приемника разряд 0
#define IR_PINF 5 //(PD5,11) вывод для ИК-светодиода частоты
#define IN_PINF 4 //(PD4,6) вход обнаружения частоты 

volatile unsigned long ttime = 0;        //Период срабатывания датчика
float ff[4]; //значения частоты датчика скорости для осреднения
char msg[25]; //посылаемый месседж
byte count=0;//счетчик
int batt[4]; //для осреднения батарейки
byte wDir[4]; //массив направлений ветра
byte wind_Gray=0; //байт кода направления ветра

Для инициации режима сна и WDT (пробуждение каждые 4 с) служат следующие процедуры:

// перевод системы в режим сна
void system_sleep() {
  ADCSRA &= ~(1 << ADEN); //экв. cbi(ADCSRA,ADEN); выключим АЦП
  set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN); // режим сна
  sleep_mode();                        // система засыпает
    sleep_disable(); // система продолжает работу после переполнения watchdog
    ADCSRA |= (1 << ADEN); /экв. sbi(ADCSRA,ADEN); включаем АЦП
}

//****************************************************************
// ii: 0=16ms, 1=32ms,2=64ms,3=128ms,4=250ms,5=500ms
// 6=1 sec,7=2 sec, 8=4 sec, 9= 8sec
void setup_watchdog(int ii) {
  byte bb;
  if (ii > 9 ) ii=9;
  bb=ii & 7;
  if (ii > 7) bb|= (1<<5); //в bb - код периода
  bb|= (1<

void setup() {
  pinMode(IR_PINF, OUTPUT); //на выход
  pinMode(IN_PINF, INPUT); //вывод обнаружения частоты на вход
  pinMode(13, OUTPUT); //светодиод
  vw_setup(1200); // скорость соединения VirtualWire
  vw_set_tx_pin(2);   //D2, PD2(4) вывод передачи VirtualWire
//  Serial.begin(9600); // Serial-порт для контроля при отладке
  setup_watchdog(8); //WDT период 4 c
  wdt_reset();
}

void loop() {
  wdt_reset(); //обнуляем таймер
  digitalWrite(ledPin, HIGH); //включаем светодиод для контроля
  batt[count]=analogRead(0); //читаем и сохраняем текущий код батарейки
/*=== частота ==== */ 
  digitalWrite(IR_PINF, HIGH); //включаем ИК-светодиод датчика скорости
  float f=0; //переменная для частоты
      ttime=periodInLong(IN_PINF, LOW, 250000); //ожидание 0,25 сек
//        Serial.println(ttime); //для контроля при отладке
       if (ttime!=0) {//на случай отсутствия частоты
       f = 1000000/float(ttime);} // вычисляем частоту сигнала в Гц
       digitalWrite(IR_PINF, LOW); //выключаем ИК-светодиод
 ff[count]=f; //сохраняем вычисленное значение в массиве    
. . . . .

//каждые 16 сек усредняем батарейку и определяем максимальное значение 
//частоты из 4-х значений:
if (count==3){ 
    f=0; //значение частоты
    for (byte i=0; i<4; i++) if (f

/* ===== Wind Gray ==== */
//направление:
  tone(IR_Pin,5000);//частоту 5 кГц на транзистор
  boolean yes = false;
  byte i=0;
  while(!yes){ //разряд 3
    i++;
    boolean state1 = (digitalRead(in_3p)&HIGH);
    delayMicroseconds(100); // задержка в 100 микросекунд 
    yes=(state1 & !digitalRead(in_3p));
    if (i>4) break; //пробуем четыре раза
  } 
  if (yes) wDir[3]=1; else wDir[3]=0;
    yes = false;
    i=0;
  while(!yes){ //разряд 2
    i++;
    boolean state1 = (digitalRead(in_2p)&HIGH);
    delayMicroseconds(100); // задержка в 100 микросекунд 
    yes=(state1 & !digitalRead(in_2p));
    if (i>4) break; //пробуем четыре раза
  } 
  if (yes) wDir[2]=1; else wDir[2]=0;
    yes = false;
    i=0;
  while(!yes){ //разряд 1
    i++;
    boolean state1 = (digitalRead(in_1p)&HIGH);
    delayMicroseconds(100); // задержка в 100 микросекунд 
    yes=(state1 & !digitalRead(in_1p));
    if (i>4) break; //пробуем четыре раза
  } 
  if (yes) wDir[1]=1; else wDir[1]=0;
    yes = false;
    i=0;
  while(!yes){ //разряд 0
    i++;
    boolean state1 = (digitalRead(in_0p)&HIGH);
    delayMicroseconds(100); // задержка в 100 микросекунд 
    yes=(state1 & !digitalRead(in_0p));
    if (i>4) break; //пробуем четыре раза
  } 
  if (yes) wDir[0]=1; else wDir[0]=0;
  noTone(IR_Pin); //выключаем частоту
  //собираем в байт в коде Грея:
  wind_Gray=wDir[0]+wDir[1]*2+wDir[2]*4+wDir[3]*8; //прямой перевод в дв. код
  int wind_G=wind_Gray*10+1000; //дополняем до 4-х дес. разрядов
. . . . .

/*=====Transmitter=====*/
  String strMsg="DAT"; //сигнатура - данные
  strMsg+=volt; //присоединяем батарейку 4 разряда
  strMsg+=wind_G; //присоединяем wind 4 разряда
  strMsg+=fi; //присоединяем частоту 4 разряда
  strMsg.toCharArray(msg,16); //переводим строку в массив
//  Serial.println(msg); //для контроля
  vw_send((uint8_t *)msg, strlen(msg)); // передача сообщения
  vw_wait_tx(); // ждем завершения передачи - обязательно!
  delay(50); //+ еще на всякий случай задержка
   count=0; //обнуляем счетчик
}//end count==3 
else count++;
  digitalWrite(ledPin, LOW); //гасим сигнальный светодиод
  system_sleep(); //систему — в сон
} //end loop