Проект " метеостанция в домашних условиях". Очередной умный дом, в нескольких частях. Метеостанция из подручных материалов Как работает самодельный барометр

Изготовьте и установите на высоком шесте флюгер и расскажите детям, как определять направление ветра. Возьмите гладкую палку и вбейте в один из её концов длинный гвоздь. Вырежьте из плотного картона флажок и заламинируйте его, чтобы не промокал при дожде.

Край флажка оберните вокруг гвоздя так, чтобы он мог свободно вращаться при дуновении ветра. Сделайте из тонких проволочек стрелки, указывающие на юг, север, запад и восток и закрепите их на палке. Флюгер готов. Установите его на вашей метеоплощадке, сориентировав стрелки по сторонам света.

С детьми постарше (6–9 лет) изготовление флюгеров замечательно вписывается в уроки по географии, когда вы рассказываете, как образуются ветра, как использовали знания о них первые мореплаватели, что означают ветры на «конских широтах», что такое пассаты.

Моряки, зная о пассатах - устойчивых ветрах, дующих в тропических поясах, - называли их «торговыми ветрами», потому что с их помощью торговые корабли-парусники (тогда ещё не были изобретены двигатели) пересекали Атлантический океан. На парусниках везли товар из Европы в Америку.

Субтропические ветры между 30 и 38 параллелями южных и северных широт были настолько лёгкими, что парусники вставали в штиль. Приходилось месяцами ждать подходящего ветра. Часто ожидания затягивались на 3–5 месяцев. У моряков заканчивалась пресная вода и еда, и им приходилось питаться лошадьми, которых перевозили в больших количествах из Европы. Поэтому эти широты прозвали «конными».

Используя флюгер, дети отмечают в своих календариках наблюдения за погодой направление, силу и смену ветра. Таким образом мы не просто знакомим их с основными метеорологическими приборами, но и с методикой и техникой наблюдений и обработки результатов.

Термометр своими руками

Установите на метеоплощадке большой термометр и научите детей читать значения температур воздуха. Эта работа является также подготовкой для понимания концепции отрицательных чисел в математике, которая предлагается детям 9–12 лет в школе Монтессори.

Малыши 3–6 лет с удовольствием изготовят собственные термометры из картона и цветных ниток. Для этого:

1. Посередине белой полоски картона шириной 4–6 см наносят шкалу термометра (выше и ниже нуля).
2. Соединяют вместе красную и синюю (белую) нити.
3. В верхнем и нижнем концах шкалы делают отверстия и пропускают через них концы ниток, связав их с обратной стороны.

Сверяясь с настоящим термометром, ребята двигают нить на своих самодельных градусниках, устанавливая и записывая значения температур в календарики погоды.

Гигрометр своими руками

Следующим прибором детской метеостанции является гигрометр - прибор для измерения влажности воздуха. Для его изготовления гигрометра понадобятся:

• прямоугольный кусок деревянной дощечки или пенопласта;
• две канцелярские кнопки;
• скотч;
• человеческий волос длиной около 10 см;
• отрезок тонкой проволоки.

Укрепите на дощечке две кнопки на расстоянии примерно 8–10 см. К нижней прикрепите проволоку так, чтобы она могла приходить в движение, то есть нетуго. К верхней кнопке прикрепите кончик волоса, затем протяните его вокруг проволоки и закрепите на верхней кнопке. Прибор готов.

Расскажите детям, как человеческий волос реагирует на влажность воздуха, становясь короче или длиннее. При высокой влажности он удлинится, опустив таким образом стрелку вниз; при низкой влажности, наоборот, волос станет короче и поднимет проволочную стрелку вверх. Это свойство волоса и использовано для изготовления гигрометра.

Осадкомер своими руками

Дополнит вашу метеоплощадку осадкомер - прибор для измерения жидких и твёрдых осадков (града). Возьмите обычное ведро, установите его на небольшой возвышенности (тумбе, табурете). Накапливаемые осадки сливаются в мерный стакан со шкалой. Результаты дети заносят в свои календарики.

Метеостанция, построенная своими руками - это не только часть предметно-развивающей Монтессори-среды, но и увлекательная и познавательная возможность наблюдать за погодой и вести журнал наблюдений.

Обсуждая с детьми погоду, можно расширить тематику и рассказывать им о современных профессиях, зависящих от погодных условий. С детьми постарше (8–9 лет), в рамках Монтессори-программы по экономической географии, мы говорим о том, как климатические условия в целом влияют на экономику разных стран.

Вам понадобится

• - Плата Ардуино или аналог;
• - датчик температуры и влажности DHT11;
• - датчик давления BMP085;
• - датчик углекислого газа MQ135;
• - LCD дисплей 1602;
• - потенциометр 10 кОм;
• - корпус для погодной станции;
• - кусок фольгированного стеклотекстолита;
• - винты для крепления компонентов;
• - компьютер;
• - соединительные провода;
• - разъём для подачи питания;
• - паяльник.

Инструкция

Для начала нужно подобрать подходящий корпус. Туда должны вместиться все комплектующие будущей комнатной метеостанции. Такие корпуса продаются во многих магазинах радиоэлектроники. Или воспользуйтесь любым другим корпусом, который сможете найти.
Прикиньте, как все компоненты будут размещаться внутри. Прорежьте окно для закрепления LCD дисплея, если его нет. Если будете размещать внутри датчик углекислого газа, который достаточно сильно греется, то разместите его в противоположной от других датчиков стороне или сделайте его выносным. Предусмотрите отверстие для разъёма питания.

Несколько слов об используемых компонентах.
LCD-дисплей 1602 использует 6 пинов Arduino + 4 на питание (подсветка и знакосинтезатор).
Датчик температуры и влажности DHT11 подключается к любому цифровому пину. Для чтения значений будем использовать библиотеку DHT11.rar, которую можно скачать, например, тут: https://yadi.sk/d/1LiFmQWITGPAY
Датчик давления BMP085 подключается по интерфейсу I2C к двум пинам Arduino: SDA - к аналоговому пину A4 и SCL - к аналоговому пину A5. Обратите внимание, что для питания на датчик подаётся напряжение +3,3 В.
Датчик углекислого газа MQ135 подключается к одному аналоговому пину.
В принципе, для оценки метеообстановки достаточно иметь данные о температуре, влажности и атмосферном давлении, а датчик углекислого газа необязателен.
Но используя все 3 датчика, у нас будут задействованы 7 цифровых и 3 аналоговых пина Ардуино. Ну и питание, естественно.

Схема метеостанции показана на рисунке. Тут всё ясно.

Напишем скетч для Ардуино. Текст программы, ввиду значительного размера, приводится в виде ссылки в приложении к статье в разделе "Источники". Весь код снабжён подробными и понятными комментариями.
Загрузим скетч в память контроллера платы Ардуино.

Сделаем печатную плату для размещения компонентов внутри корпуса - это самое удобное решение для компоновки и подключения сенсоров. Для изготовления печатной платы в домашних условиях я использую "лазерно-утюжную" технологию (мы её подробно описывали в прошлых статьях) и травление с помощью лимонной кислоты. Предусмотрим на плате места для перемычек ("джамперов"), чтобы иметь возможность отключать датчики. Это будет полезно, если будет нужно перепрограммировать микроконтроллер, когда возникнет желание модифицировать программу.
С помощью пайки установим датчики давления и газов.
Для установки платы Arduino Nano удобно использовать специальные адаптеры или гнёзда с шагом 2,54. Но за неимением этих деталей и из-за экономии пространства внутри корпуса, я установлю Ардуино также пайкой.
Термодатчик будет располагаться на некотором отдалении от платы и будет теплоизолирован от внутренностей метеостанции с помощью специальной изоляционной прокладки.
Предусмотрим места для подводки внешнего питания к нашей самодельной плате. Я буду использовать обычное зарядное устройство на 5 В от старого сломанного роутера. Плюс 5 вольт от зарядного устройства будут подаваться на пин Vin платы Arduino.
ЖК-экран будет крепиться винтами прямо к корпусу, к передней части. Подключаться будет проводами с разъёмами быстрого подключения типа "Dupont".

Сегодня будет подробный рассказ о внутреннем устройстве метеостанции, которую включил в работу. От идеи до её технической реализации прошло более года, за это время пришлось решить массу ожидаемых и неожиданных проблем. Теперь обо всём по порядку...

Начнем с грабель.

Грабли №1 . Наверное кто-нить помнит что в начале прошлого года я радиомодули на базе чипа nRF24L01+ c усилителем RFX2401C и в дальнейшем собирал

Увы, данная конструкция работать не захотела. Не смотря на все попытки, мне так и не удалось обеспечить надёжную двухстороннюю связь радиомодулей на значительных расстояниях. Конструкция отняла довольно много сил и времени, но, в силу объективных причин, пришлось отказаться от этого варианта.

И тогда решил достать из закромов опытно-экспериментальный маршрутизатор TP Link MR3220 c системой OpenWRT на борту.

Принципиальная схема метеостанции несколько отличается от той, которую разрабатывал . Первое отличие - применение вместо Arduino Pro Mini платы Arduino Nano. Это позволило выполнять удалённую перепрошивку микроконтроллера, что очень удобно когда физический доступ на объект затруднён

Грабли №2 Я применил китайский клон Arduino Nano v.3.0, о котором подробнее рассказывал . Но возникла неожиданная проблема - при открытии маршрутизатором USB-порта, ардуинка стала перезагружаться. Все возможные варианты конфигурирования USB порта командой stty результата не принесли. С FT232RL такой проблемы не наблюдалось. Пришлось подключить RC-цепочку R1C1 на свободный порт GPIO7 маршрутизатора, это схемное решение позволило блокировать перезагрузку в нормальном режиме работы микроконтроллера. При необходимости перепрошивки нужно вручную включать GPIO7.

Конфигурирование порта

echo "7" > /sys/class/gpio/export

Конфигурируем GPIO7 как выход

echo out > /sys/class/gpio/gpio7/direction

Включить GPIO7

echo 1 > /sys/class/gpio/gpio7/value

Выключить GPIO7:

echo 0 > /sys/class/gpio/gpio7/value

Проверить состояние порта:

cat /sys/class/gpio/gpio7/value

Так как точность термодатчиков семейства DS1820 при отрицательных температурах оставалась под вопросом, для точного измерения температуры решил дополнительно использовать медный термометр сопротивления ТСМ-50М совместно с измерительным преобразователем Ш79. Разумеется, предварительно откалибровал систему с использованием поверенных образцовых приборов и добился погрешности измерения не более 0.2 градуса в диапазоне температур -50...+50 градусов Цельсия.

Ш79 это уже достаточно древний, весьма надёжный советский преобразователь, построенный по классической МДМ-схеме с унифицированным токовым выходом 0...5 мА или напряжением 0...10 В. В данном случае использовал токовый сигнал.

Несмотря на простую принципиальную схему, столкнулся с огромным объемом механической работы. Одно дело когда схема собрана за полчаса на макетной плате и совсем другое - когда устройству нужно придать законченный вид.

Печатная плата метеоконтроллера

Контроллер поместил в гермобокс

Маршрутизатор и метеоконтроллер закрепил на боковой стенке Ш79.

Вид сбоку

И вся эта система помещается в металлический ящик

Внутренности ящика

Так как ещё не знал в каком помещении будет установлен данный шкаф, решил сделать ему обогрев. Температура внутри ящика поддерживается обыкновенным биметаллическим термостатом, на фото выше виден его круглый корпус.

Резисторы обогрева закрыл металлическим кожухом. Круглые отверстия используются для подведения кабелей внутрь шкафа.

Конструкция в собранном виде

Выносные датчики температуры и влажности расположены на отдельной печатной плате

Для защиты от атмосферных воздействий плата покрыта лаком ХСЛ

Сверху кожух закрывает крышка

Внутрь кожуха поместил плату с датчиками и растянул её при помощи толстой рыболовной лески. Это сделано для того чтобы снизить теплопередачу между кожухом и платой датчиков. Данную конструкцию почему-то решил назвать измерительной ячейкой.

UPD: Не смотря на все предпринимаемые меры, как показала практика, солнечные лучи все-таки влияют на показания термометра - нагревается кожух и от него греется сам датчик. Поэтому в настоящее время используется уличный термокожух заводского исполнения, он показал значительно лучшие результаты. Подробнее о данном термокожухе можно почитать .

О конструкции анемометра более подробно рассказывал .

UPD: В настоящее время используется новая конструкция анемометра, подробнее можно почитать . Программа для работы с данным анемометром приведена в конце статьи.

Все выносные датчики соединяются с контроллером посредством 5 парного магистрального телефонного кабеля ТППэп длиной 100 метров. На конце кабеля распаял слегка модернизированную соединительную коробку КРТН-10.

Грабли №3 Для защиты контроллера от атмосферной статики и возможных грозовых перенапряжений хотел поставить защитные диоды 1.5КЕ7.5 на порты D2, D3, D4. Увы, собственная ёмкость данных диодов не позволила пропускать цифровые данные. Поэтому пришлось ограничиться установкой диода D1 по питанию +5V и заземлением экранной оболочки магистрального кабеля.

К данной коробочке подключаются сами датчики

Измерительная ячейка установлена на относительно открытом участке местности на высоте 3-х метров от поверхности земли, это на метр выше положенного по правилам, но сделал это намеренно, т.к. в нашей местности есть вероятность появления высоких сугробов.

Анемометр укреплён на высоте 5 метров, по хорошему нужно ставить выше, но с этим есть конструктивные сложности. Пусть пока поработает так.

Программная часть особо не изменилась: на маршрутизаторе работает php-скрипт отсылки данных на сервер narodmon

который каждые 5 минут запускается планировщиком cron

Программа ардуинки ждёт приема команды от скрипта и формирует пакет данных. Предусмотрел возможность ручной коррекции атмосферного давления для его приведения к уровню моря, метеостанции или аэродрома.

P.S. А вообще использование Wi-Fi для передачи метеоданных не оптимально, было бы лучше использовать УКВ-диапазон, собственно, так и сделано на автоматических метеостанциях. Это повысит дальность связи и снизит требования к месту установки, точнее к наличию прямой радиовидимости.

Принципиальную схему и печатные платы можно скачать

Вспомнил на досуге о простой самоделке, которую встречал в журнале «Юный натуралист» и делал в восьмидесятых годах прошлого века.

С ее помощью было интересно предсказывать погоду, наблюдать на последующий день за точностью сделанных показаний.

Конечно, сравнивать эту конструкцию с метрологическими приборами не стоит, но в качестве грубого прогноза она вполне работоспособна.

К тому же подобная система позволяет развивать у детей навыки наблюдения и анализа природных явлений.

Поэтому описываю ее в статье как советы домашнему мастеру по изготовлению простого барометра из электрической лампочки и способам расшифровки полученной информации. Текстовый материал дополняется поясняющими картинками, фотографиями и видеороликом.

Как работает самодельный барометр

Для предсказания погоды используется закрытое стеклом лампочки пространство с небольшим отверстием вверху. В эту емкость залита чистая вода. На нее воздействуют:

• атмосферное давление через прорезь в стекле;
• влажность воздуха;
• температура окружающей среды.

Под комплексным действием этих факторов происходит испарение поверхностного слоя с конденсацией паров внутри стеклянного баллона лампочки без выхода через отверстие. По характеру образовавшегося конденсата, его форме и плотности, судят о предстоящей погоде, предсказывают состояние атмосферы на ближайшие 12÷24 часа или чуть дольше.

Необходимые инструменты

В обязательном порядке потребуется:

• перегоревшая или целая лампа накаливания;
• защитные перчатки;
• надфиль или с алмазным сверлом;
• один кристаллик марганцовки либо обломок от грифеля из химического карандаша - не всегда.

Для изготовления крепления барометра потребуется или клей с подставкой.

Технология изготовления

На руки надевают защитные перчатки. Они будут предохранять кожу от порезов и попадания мелких осколков стекла. Лампочка хрупкая, под случайным излишнем усилии она может развалиться на мелкие осколки. Работать с ней следует очень аккуратно.

В верхней части колбы около цоколя необходимо сделать сквозное отверстие с поперечным сечением от одного до нескольких мм кв, не больше. Оно будет сообщать внутреннюю полость баллона с атмосферным воздухом.

Способы создания отверстия

Работа надфилем

Боковой гранью режущей кромки осторожно прорезают отверстие в стекле колбы.

Величину усилия необходимо контролировать: очень легко проточить большую щель или повредить хрупкое стекло. Работу выполняйте над емкостью, в которую будут падать стеклянные опилки. Это обезопасит уборку рабочего места.

Сверление отверстия в стекле

Этот метод позволяет сделать строго калиброванное отверстие круглой формы. Однако он требует практических навыков обработки стекол сверлами мелких диаметров. Работать можно дрелью или шуруповертом.

Обычное сверло для обработки металла должно быть хорошо заточено, а место сверления отмечено и очищено. Лампочку необходимо надежно зафиксировать, а дрель использовать на средних оборотах и постепенно снижать их величину. Отклонение сверла от вертикали, как и нажим, не допускается. Даже при выполнении этих требований высока вероятность повреждения колбы.

Поэтому для сверления отверстия подбирают специальные сверла с алмазным напылением наконечника. Работают ими очень осторожно.

Наполнение колбы водой

Внутрь лампочки через прорезанное отверстие необходимо налить чистой отстоявшейся или лучше кипяченной воды чуть меньше трети ее внутреннего объема.

Самодельный барометр из лампочки в принципе готов к эксплуатации. Но для удобства использования его можно:

• подкрасить воду прибора, например, раствором марганцовки. Конденсат станет лучше виден;
• снабдить устройством подвешивания или подставкой.

О креплении самодельного барометра

Крепежный узел прибора изготавливают для эксплуатации в одном из двух вариантах:

1. подвешивании на ручку или крючок;
2. стационарной установке на подоконнике.

Петля для подвешивания

Используют отрезок медной проволоки, сгибают его петлей, а свободные концы впаивают внутрь контакта цоколя.

Остается подвесить самодельный барометр на подготовленный крючок или ручку.

Подставка

Можно использовать подходящий по диаметру колпачок от бутылочки с косметикой или моющих средств.

В него вклеивают лампочку либо ее крепят другим доступным способом, например, на пластилин или замазку. Такую самодельную конструкцию прибора удобно ставить на подоконник в любом свободном месте.

Главное условие безопасности - ограничить доступ к прибору малолетних детей и домашних животных, которые могут легко опрокинуть или разбить стеклянную колбу.

Как расшифровать информацию и пользоваться прибором

Наблюдение за конденсатом

Анализировать состояние влажности в колбе, предсказывать по ней погоду поможет следующая таблица.

Эту таблицу можно распечатать на принтере и разместить поблизости от самодельного прибора. Помнить все эти сведения не обязательно. Дети же, когда будут вовлечены в игру по метеорологии, очень быстро станут держать всю информацию в уме.

Особенности эксплуатации

Пользоваться самодельным барометром придется только в отапливаемом помещении. При отрицательной температуре вода и конденсат просто замерзнут. Располагают его на окне либо подоконнике. Желательно, чтобы оно было установлено с северной стороны здания. Считается, что так обеспечиваются более точные показания.

Объяснить это можно только тем, что такое окно меньше подвергается нагреву солнечными лучами, работает в более холодной части дома, точнее моделирует состояние погоды на улице.

О точности показаний

Наш организм, как и все живое, реагирует на изменения погоды. Особенное влияние на него оказывают давление и влажность воздуха. Поскольку они сменяются не мгновенно, а постепенно, то возникает возможность ее прогнозирования.

Для их отслеживания метеорологи используют:

Мы же значительно искажаем все эти процессы.

Исторически сложилось так, что под термином «барометр» люди стали понимать прибор, который позволяет предсказывать погоду по изменению атмосферного давления. Этому способствовало нанесение на анероидной шкале таких обозначений, как «Ясно», «Сухо», «Дождь» и других природных явлений.

Это довольно упрощенное представление о прогнозе метеорологических событий, но даже этот уровень наш самодельный прибор не сможет полностью охватить:

• атмосферное давление в колбе немного изменяется при прохождении через строительные конструкции и отверстия;
• на показаниях сказываются условия влажной среды комнаты, которые созданы системой вентиляции, .

К тому же в последнее время в быту стали массово использоваться . А они тоже регулируют влажность в помещениях, влияют на работу самодельного барометра.

Однако даже с учетом этих условий в летнее время можно уверенно предсказывать поведение погоды с точностью до 70%. Зимой, благодаря действию отопления, этот показатель снижается, но не критично.

Во всяком случае, его всегда можно сравнить с профессиональными расчетами метеорологических программ, выложенных в интернете, использовать для привития детям наблюдательности, развития склонности к анализу сложных природных явлений.

Этим не стоит пренебрегать, ведь изготовление самодельного барометра не составляет труда, занимает порядка десятка минут. Дети оценят вашу работу, получив обучающую игрушку-базу в виде развивающей внимание домашней метеостанции.

Сейчас предлагаю посмотреть видеоролик владельца MrSam0delkin «Барометр из лампочки».

• Эта "метеостанция своими руками" предназначена для работы в походных условиях, а не внутри и снаружи помещения, как сказано вначале статьи. Батарейки, собственный экран. Гораздо проще и удобней было бы использовать для этого ноутбук.
• Не могу скачать прошивки:(Можете запостить в другом месте? или замылить на allmail@ mail.ru
• Довольно все замудренно и дороговато.
• Согласен, что замудренно, но полюбому получается сопостовимо (по деньгам) с китайскими погодниками, а устройство рекомендую рассматривать как один из "кубиков" умного дома, чуточку поправив прошивку данные можно передавать по RS232 например на ПК используемый как фоторамка-центр управления дома или КПК.
• К стати прошива и исходники нормально скачиваются с англоязычной странички проекта
• Смутно представляю, для чего такая сложность в быту. Самая крутая станция не даст прогноза сравнимого с тем, что дает космическая съемка. Разве что - в походах в такую глушь, где нет ни мобильного ни радио-интернета. И то врядли: все серьезные компании, у которых жизнь может от погоды зависеть, (планеристы, альпинисты) имеют спутниковый навигатор, а значит - и выход на прогноз.
• Так это устройство не дает прогноза, а выводит на экран текущие значения параметров погоды. И основное назначение ее не походное, а, к примеру, измерение параметров в теплице и передача ее в дом. Кстати, начало статьи можно перевести и следующим образом: "Погодная станция с измерением давления, относительной влажности, внутренним и отдаленным наружным измерением температуры" , где не говорится о помещении.
• Схема немного мудреная, но интересная и найдет применение в быту и производстве, для отслеживания параметров помещений, для автоматизации каких-либо процессов.
• Доброе время суток! Укого есть скачанные файлы печатки и прошивки, скиньте, пожалуйста форум,или на [email protected] . Заранее благодарен!
• Ну,если,ни у кого нет файлов прошивки и печатной платы, то скажите - какой КРЕТИН удалил все ети файлы?
• Советую успокоиться, такое ощущение, что весь мир Вам по гроб чем-то обязан. См. страницу первоисточника http://www.elxproject.com/elx/news.php?readmore=36
• У меня уже года два такая с беспроводным датчиком температуры и влажности.
• Да нет, никто мне ничем не обязан. За резкость,конечно, извиняюсь - просто был я по етой ссылке.Такое впечатление по етой ссылке создалось,что я, просто категорически обязан зарегиться в Face Book, а ето "сильно" раздражает.Скачать не получилось. Просьба - если укого есть, скачанный архивчик - скинте,пожалуйста, если не трудно, на форум. Заранее благодарю. P.S Я так думаю, форумы,кроме основной функции, так же существуюти для того,что бы избавлять людей от подобного геморроя - просмотра дибильной рекламы и принудительной регистрации в соцсетях и.т.д
• Пожалуйста, архив во вложении. Схемы, печатки, исходники, прошивки. Не стоит принимать "близко к сердцу", но [I]на будущее вам - не стоит сразу ругаться и возмущаться. Я, как и многие форумчане, прекрасно понимают, что вам нужна какая-то инфа, файлы, схемы и возможно даже очень срочно нужны, но не всегда вы это получаете моментально. Я видел вашу просьбу в сообщении от 28.07.2013, но ответить или чем-то помочь до сегодня не мог (может и других пользователь форума похожая ситуация) Если бы админ быстренько не вмешался, то возможно, что в ваш адрес посыпались бы высказывания и слова "определенной направленности", а дальше "цепная реакция" с ругней, и в итоге обсуждение (тема) разрастается не по делу и остается очень плохое мнение о форуме в целом... Удачи! Если чего, спрашивайте, поможем чем сможем!
• Добрый день VADZZ! Благодарю за архивчик!