Weather Station One Phần 5 - Cảm biến hướng gió và tốc độ gió

Tổng quan về dự án

Đây là một phần của dự án Weather Station One, một trạm quan trắc thời tiết hoàn chỉnh và có tính module. Thiết kế của hệ thống được định hướng bởi nhiều yêu cầu:

• Thu thập tất cả các chỉ số thời tiết thông thường bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển, lượng mưa, tốc độ và hướng gió, cường độ sáng/số giờ nắng, độ ẩm đất
• Thiết kế module cho phép thực hiện một phần hoặc mở rộng phạm vi cảm biến
• Khả năng tùy biến cao; ưu tiên làm thủ công (DIY) tối đa
• Hỗ trợ truyền tải tầm xa - với điểm đo cách xa nhà
• Tích hợp vào hệ thống nhà thông minh
• Thiết kế 3D đẹp mắt, chức năng tốt và dễ in

Khi xem xét một dự án như thế này, hãy lưu ý rằng dù tất cả các bản thiết kế đã được công bố, bạn vẫn cần bỏ ra nhiều công sức. Điều này bao gồm không chỉ in 3D, mà còn là công việc mộc, hàn mạch/điện tử và lập trình.

Các phần đã công bố bao gồm:

1. Phần 1: Trạm trung tâm (Central Station). Đây là nơi kết nối tất cả các cảm biến. Thiết bị sử dụng năng lượng pin/mặt trời để đặt ở vị trí đo tốt nhất. Nó gửi dữ liệu bằng chip HC-12/băng tần 433Mhz (khoảng cách lên tới 1km).
2. Phần 2: Trạm cơ sở (Base Station). Đây là đối tác của Trạm trung tâm. Nó nhận dữ liệu qua chip HC-12 và truyền đến hệ thống nhà thông minh của chúng ta. Ngoài ra, nó tích hợp máy chủ web cho phép truy cập trực tiếp dữ liệu thời tiết.
3. Phần 3: Cảm biến nhiệt độ (và các loại khác). Cảm biến này được thiết kế để đặt trong hộp Stevenson Screen (Wetterhütte). Phiên bản hiện tại đo nhiệt độ môi trường, độ ẩm và áp suất khí quyển bằng cảm biến kỹ thuật số. Nó được kết nối với Trạm trung tâm.
4. Phần 4: Máy đo mưa. Thiết bị thu gom nước mưa và đổ vào các gàu đo. Số lần gàu đổ được đo bằng tiếp điểm từ (reed contact) kích hoạt bởi nam châm gắn trên gàu.
5. Phần 5: Cảm biến hướng gió và tốc độ gió (Wind Vane and Anemometer). Đây có lẽ là phần in phức tạp nhất, dùng để đo 16 hướng gió và tốc độ gió. Tương tự như máy đo mưa, đây là bộ phận cơ khí. Hướng gió được đo bằng 8 tiếp điểm từ hoặc cảm biến góc từ tính. Tốc độ gió được đo bằng một tiếp điểm từ đóng lại mỗi khi cánh quạt quay một vòng trọn vẹn.
6. Phần 6: Stevenson Screen / Wetterhütte. Phần này không được mô tả chi tiết vì chúng tôi dựa trên hướng dẫn của DWD (Deutscher Wetterdienst). Vì hướng dẫn đã bị gỡ, bạn có thể tìm thấy tệp PDF trong Phần 1.
7. Phần 7: Bộ pin tùy chọn. Module năng lượng mặt trời và sạc đi kèm giá đỡ cho pin Lithium 14500.
8. Phần 8: Phần mềm và linh kiện điện tử. Phần này được công bố trên Github.
9. Phần 9: Giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời. Cho phép điều chỉnh độ cao để tối ưu hóa việc tạo năng lượng theo mùa.

Để thuận tiện, tôi đã tạo bộ sưu tập WeatherStationOne bao gồm tất cả các phần trừ phần 6 và 8.

Phần 5 - Cảm biến hướng gió và tốc độ gió (Wind Vane and Anemometer)

Cảm biến kết hợp này đo hướng gió và tốc độ gió.

Cập nhật ngày 19/2/2022: đã thêm tùy chọn AS5600

Hướng gió sử dụng reed contact

Phiên bản ban đầu sử dụng 8 reed contact lắp thành vòng tròn. Một nam châm di chuyển cùng cánh hướng gió sẽ kích hoạt một, hai hoặc ba tiếp điểm cùng lúc để xác định 16 hướng (N, NE, E, SE, S, SW, W, NW và cả NNE, ENE, v.v.).

Sử dụng 8 reed contact đòi hỏi 8 dây cộng một dây chung. Để giảm số lượng dây, chúng tôi sử dụng chip giải mã (multiplexer) trong giá đỡ gió để chỉ cần 7 dây (xem sơ đồ), phù hợp với loại cáp 6 lõi (có lớp chống nhiễu) mà chúng ta sử dụng cho cả dự án.

Tùy chọn này được gọi là Reed Option trong hướng dẫn in.

Tùy chọn mới! Hướng gió sử dụng cảm biến góc

Phiên bản thứ hai dựa trên cảm biến đo góc từ tính (AS5600). Nó có cùng mức giá rẻ như reed contact và bộ giải mã.

AS5600 có ba giao tiếp: I2C, PWM và analog. Do chúng ta chỉ sử dụng 16 hướng gió, phiên bản này sử dụng cách tiếp cận đơn giản qua đầu ra analog và chuyển đổi A2D ở phía bộ xử lý.

Tùy chọn này được gọi là AS5600 Option trong hướng dẫn in.

Tốc độ gió

Việc đo tốc độ gió sử dụng một reed contact đặt phía trên.

Giống như hầu hết các bộ phận của Weather Station One, chúng ta sử dụng nhựa PETG. Mô hình 3D bao gồm các miếng đệm được in bằng nhựa TPE hoặc TPU để giữ cho bên trong cảm biến khô ráo.

Anemometer cần được hiệu chỉnh sau khi lắp ráp. Mối quan hệ giữa số vòng quay của trục và tốc độ gió có thể được đặt thành một hệ số trong chương trình ESP của Trạm trung tâm.

Lưu ý Reed Option: Các reed contact thủy tinh rất dễ vỡ khi lắp đặt. Sau hai lần thử nghiệm, chúng tôi khuyên dùng loại có vỏ nhựa sẽ bền và dễ sử dụng hơn.

Lưu ý AS5600 Option: Tùy chọn này cần hiệu chỉnh phần cứng; gắn nam châm sao cho hệ thống báo hướng Bắc khi đầu cánh hướng gió chỉ vào chữ N được khắc trên giá đỡ.

Giá đỡ gió có lỗ M6 ở dưới để gắn vào thanh ren trên Stevenson Screen.

Cấu hình in

• Chiều cao lớp in: 0.2mm
• Đầu phun: 0.4mm
• Infill: 15%
• Nhựa PETG màu trắng
• Nhựa TPE / TPU màu đen
• In thành 4 lần in:
  • Lần 1: Phần giá đỡ (mount) - úp mặt trên xuống
  • Lần 2: Phần cánh hướng gió (vane) - đặt mũi cánh thẳng đứng; in 100% infill ở phần mũi để cân bằng trọng lượng; tùy chọn này khác nhau giữa Reed Option và AS5600 Option
  • Lần 3: Anemometer (cốc gió) - in 3 cốc, đặt miệng cốc úp xuống
  • Lần 4: Gioăng/miếng đệm (seals)
• Hỗ trợ tự động (chỉ từ bàn in)

Các linh kiện cần thiết khác

• 4x vòng bi thép nhỏ 3x8x4mm
• 2x vít M3 dài hoặc thanh ren M3 cắt ngắn cho trục
• 14x vít M3x10
• 1x reed contact thủy tinh 2x14mm cho anemometer
• Reed Option: 8x reed contact nhựa 3x14mm; 1x chip giải mã HC4051
• 2x nam châm 4x1mm
• AS5600 Option: 1x cảm biến AS5600 (loại hàn trên PCB tròn); 1x nam châm neodymium 8x1mm
• Cáp 4.7mm; 1x giắc MiniDIN (PS/2) 6 chân; 2x đai ốc M6; 1x thanh ren M6

Kết luận

Đây là một mô hình 3D miễn phí khác dành cho bạn. Việc thiết kế, kiểm thử và duy trì các mô hình này tốn khá nhiều công sức. Nếu bạn thấy hữu ích, hãy ủng hộ mình bằng nút quyên góp ở góc trên bên phải nhé. Cảm ơn rất nhiều!