Weather Station One Part 4 - Bộ đo mưa (Rain Gauge)

Tổng quan về dự án

Đây là một phần của dự án Weather Station One, một trạm thời tiết hoàn chỉnh và dạng mô-đun. Thiết kế của hệ thống được xây dựng dựa trên một số yêu cầu sau:

• thu thập đầy đủ các kênh thời tiết phổ biến gồm nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển (barometric pressure), mưa, tốc độ và hướng gió, độ rọi / số giờ nắng, độ ẩm đất
• thiết kế mô-đun cho phép bạn làm từng phần, hoặc mở rộng thêm dải cảm biến
• mức độ tự làm cao; DIY được gì thì DIY tối đa
• hỗ trợ truyền xa – điểm đo có thể đặt xa nhà
• tích hợp vào hệ thống home automation
• chạy ổn định, dễ in, và thiết kế 3D đẹp

Khi cân nhắc làm một dự án kiểu này, bạn lưu ý là dù đã công bố đầy đủ thiết kế thì vẫn sẽ có khá nhiều việc phải làm. Không chỉ 3D printing, mà còn có phần làm mộc, hàn / điện tử, và phần mềm nữa.

Các phần đã được đăng gồm:

1. Part 1: Central Station. Đây là phần trung tâm để kết nối tất cả cảm biến. Nó dùng pin / năng lượng mặt trời để có thể đặt ở vị trí tối ưu cho việc đo đạc. Nó gửi dữ liệu thu thập được bằng chip HC-12 / băng tần 433Mhz (tối đa 1 km).
2. Part 2: Base Station. Đây là phần đối ứng của Central Station. Nó nhận dữ liệu bằng một chip HC-12 khác và đẩy dữ liệu vào hệ thống home-automation. Ngoài ra, nó còn chạy web server để truy cập trực tiếp dữ liệu thời tiết.
3. Part 3: Temperature (và các loại khác) sensor. Cảm biến này được thiết kế để đặt trong Stevenson Screen / Wetterhütte đúng chuẩn. Phiên bản hiện tại đo nhiệt độ môi trường, độ ẩm, và áp suất khí quyển bằng cảm biến số. Nó kết nối về Central Station.
4. Part 4: Rain Gauge. Đây là bộ đo mưa thu nước mưa và đổ vào các xô lật (commuting buckets). Số lần lật được đo bằng reed contact, kích bởi nam châm gắn trên xô khi xô chuyển động. Nó kết nối về Central Station.
5. Part 5: Wind Vane and Anemometer. Có lẽ là phần in phức tạp nhất, đo 16 hướng gió và tốc độ gió. Tương tự rain gauge, đây là phần cơ khí. Hướng gió được đo bằng 8 reed contacts hoặc cảm biến đo góc từ tính. Tốc độ gió được đo bằng một reed contact duy nhất, đóng mạch mỗi khi cánh anemometer quay đủ một vòng. Nó kết nối về Central Station.
6. Part 6: Stevenson Screen / Wetterhütte. Phần này không mô tả chi tiết thêm vì nhóm đã làm theo một tutorial do DWD (Deutscher Wetterdienst) đăng. Do tutorial đã bị gỡ khỏi website của họ từ lâu, bạn có thể tìm bản PDF trong Part 1: Central Station.
7. Part 7: optional Battery Pack. Module solar và mạch sạc được chọn có sẵn ngàm cho pin Lithium cỡ 14500. Tùy mức tiêu thụ điện của Central Station (và cảm biến) bạn có thể muốn dùng thêm Battery Pack rời.
8. Part 8: Software and Electronics. Phần này được đăng trên Github.
9. Part 9: Solar Panel Mount. Đây là ngàm gắn tấm pin mặt trời đang dùng hiện tại. Nó cho phép chỉnh góc nâng để tối ưu phát điện cho mùa Đông và mùa Hè. Về trung hạn sẽ được thay bằng solar tracker bám theo azimuth của mặt trời.

Để tiện cho bạn, mình đã tạo một collection WeatherStationOne bao gồm tất cả trừ phần 6 và 8.

Hết phần tổng quan dùng chung cho tất cả các phần.

Part 4 - Rain Gauge

Cập nhật v2:

• RainGaugeBase đã được chỉnh để có máng (gutter) rộng hơn nhiều.
• Máng giờ cho nước chảy xuống theo hướng dốc xuống.
• Khe hở giữa Bucket và RainGaugeBase đã được tăng để xử lý hiện tượng sức căng bề mặt do nước đọng giữa xô và đế.
• Máng được kéo dài vượt ra ngoài thân để nước không chảy dọc theo thân.
• Bucket được thêm một độ nghiêng nhỏ ở phía trên. Cách này xử lý trường hợp xô đang nằm ngang và nước thu được bị chia đều sang trái và phải. Nếu bạn vẫn thấy trạng thái nằm ngang, cân nhắc dùng nam châm nhỏ hơn hoặc tăng khoảng cách giữa nam châm và reed contact.
• File đã được cập nhật và phần mô tả đã chỉnh theo v2.
• Các món cần in lại khi nâng cấp: chỉ Bucket và RainGaugeBase. Bốn vít M3x10 cần thay bằng vít M3x20.
• Có 2 video test ở đây: bucket test, stress test

Bộ đo mưa thu nước mưa trong một vùng diện tích hình tròn nhất định. Nước thu được sẽ rơi vào một cái xô và xô sẽ lật (commute) khi đầy. Chuyển động này sẽ kích một reed contact và ESP32 trong Central Station sẽ đếm số lần tiếp điểm được tạo. Từ kích thước xô, diện tích hứng mưa và số lần đếm, mình suy ra lượng mưa theo mm hoặc lít trên mét vuông, v.v.

Giống như đa số phần của Weather Station One, mình dùng filament PETG. Để đồng bộ về mặt nhìn với wind vane / anemometer, rain gauge có các miếng sealing để in bằng TPE hoặc TPU.

Hộp sẽ bị ướt cả bên trong lẫn bên ngoài. Với tất cả chi tiết kim loại, bạn vui lòng chọn inox (stainless steel).

Phần này cần hiệu chuẩn sau khi lắp xong. Bạn cần đo lượng nước có thể đổ vào gauge trước khi xô lật. Dùng một ống tiêm nhỏ sẽ rất tiện.

Trường hợp reed không kích khi xô lật, bạn thử chỉnh khoảng cách giữa reed và nam châm bằng hai con vít đi xuyên qua trục. Dùng nam châm mạnh hơn nên để như phương án cuối vì nó có thể tạo thêm lực cản làm xô khó chuyển động.

Cẩn thận với reed contact loại vỏ kính vì uốn dây là bể rất nhanh. Mình dán chúng vào RainGaugeBase bằng keo 2 thành phần để bảo vệ. Dây cáp đi xuống trạm cần được kẹp vào đế để bảo vệ dây reed.

Cấu hình in

• Layer height 0.2mm
• nozzle 0.4mm
• 15% infill
• filament PETG màu trắng
• filament TPE / TPU màu đen
• đặt phần gauge và base úp ngược
• support tự động (chỉ từ build plate)

Các phần khác cần chuẩn bị

• 2x vòng bi thép mini 3x8x4mm
• 2x vít M3x10 làm trục xuyên qua vòng bi
• 1x reed contact 2x14mm
• 3x vít M3x10 (RainGaugeBase/RainGaugeBaseBottom)
• 4x vít M3x20 (M3x16 hoặc 18 cũng được) (Gauge/RainGaugeBase)
• 1x nam châm 5x1mm (mua dư vài cái để tinh chỉnh)
• dây cáp chạy từ gauge về central station, đường kính ngoài 4.7mm
• 1x đầu cắm MiniDIN (PS/2) 6 pin
• 2x ê-cu M6 cho phần đế và làm ê-cu hãm
• 1x ty ren M6 để gắn lên Stevenson Screen

Kết

Đây là một mẫu 3D miễn phí khác được chia sẻ cho bạn. Việc thiết kế, test, chuẩn bị, upload và bảo trì model tốn công sức. Nếu bạn thấy thích, bạn có thể donate bằng nút đồng xu ở góc trên bên phải. Cảm ơn nhiều!