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カテゴリー「気象センサー」の検索結果は以下のとおりです。

なんちゃって百葉箱の改善2と計画

単純なシステムだが多くの要素があり結構楽しめる

太陽電池

バッテリ充電のための太陽電池出力が不十分なため,秋月で購入した太陽電池モジュール1.15WSY-M1.15Wを使うことにした(おそらくオーバースペックとなると思うが余裕無しよりは良いかと考え採用)

IMG_20181104_134342286.jpgIMG_20181104_134335044.jpg

この太陽電池モジュールは最大で約200mAを5Vで出力することができる

使用しているリポバッテリを充電すると電流が181mAとなるのでバッテリの損傷がない程度の電流であることを確認

IMG_20181104_125033205.jpg

太陽電池モジュールの面積が現状の100均で集合した物より大きいため付替えという訳にはいかない

一体型より分離型にしたほうが融通が利きそうなので取付を分けることにし

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写真立てと棚の金具を利用して組み上げた

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水が入らないようにコーキング処理して取付

IMG_20181117_123136040.jpgIMG_20181118_155233790_HDR.jpg

(没案)

太陽電池パネルを太陽追跡で動かせば効率がアップするのではないかと考えてみた

追跡方法案1:影を追って太陽追跡する

追跡方法案2:日時で太陽の向きを計算して追跡する

上下左右の可動はステッピングモータを使用

等を考えてみたが実際に太陽電池を傾けてみても差ほど発電量が変わらなかったので今回は没とした

このくらいのサイズの太陽電池では経度(時間)に対する追跡は有効だが,緯度(日付)に対する追跡は効果が薄いようだ

尚,時間に対する追跡については,楽にメンテ可能な設置場所で日の出から日の入りまで日照のある場所が無かったので断念した

(運用結果)

日照があれば1時間で一日分の電力が補充できている

少々の曇り空でも問題ないようだ

消費電力結果

低消費に変更したスケッチで実験した結果

BT1028-1117.png

20日間(10/28~11/17)だった

35mAh×20で700mAhとなりバッテリー容量の830mAh位なので自己放電分を合わせて想定内と考えて良いだろう

強制通風筒型への改良

鉢皿の幅を広げて通気性を良くしたが,晴れの日はアメダスとの温度差は変わらなかった

百葉箱は空気の変動が自然によるためもともと気温が高くなるのだが,鉢皿によるなんちゃって百葉箱は内部の空間が狭いため熱が籠り気温の上昇が大きいようだ

流石に4℃は無視できる差ではないので強制通風筒型に新調する方向で考えることにした

しかし問題となるのが強制通風を実装するためのFANの電力である

最小であろうFANでも80mA,最小回転として30mAまで下げられたが初期動作は50mA必要

IMG_20181125_165320271.jpg

案1:24H動作は厳しいので50mAをPWMで減らす工夫が必要(PIN不足とスリープするので別コントロールとなる)

案2:計測前のみ動作させる

FANを動作させる時間の模索が必要となるが案2の方向で考えている

日照時間を追加したい

日照の定義は影ができる光力であるかどうかのことで光センサの出力値を実際に測定して模索することになる

日照0の時は雨センサで雨天かどうかの判定もできそうだ

なんちゃって百葉箱の改善

しばらく運用したところ問題点が浮上したので改善する

消費電力

実際の運用での消費電力量確認のため秋月のニッケル水素電池パック3.6V830mAh(パナソニック製)で室内試行

消費電力を20mAh/日と見積もっていたので40日は厳しくてもひと月は持つかなと思っていたら10日で停止し予想外の結果となる

以下がバッテリー電圧の状態推移で外した時のバッテリーは瀕死だった(試行時のグラフ

WS181028.pngIMG_20181025_063850020.jpg

最初の段階で計測したUSBチェッカーの消費電力値を鵜呑みにしたのが失敗だったようで再度見積もってみる

既に回路は出来上がっているので実際に動作させ登録1回分の電流を計測した

IMG_20181025_212716796.jpgIMG_20181025_212722363.jpg

左が動作時(70mA前後)で約13秒,右がディープスリープ時の電流(0.28mA)(ビデオ

(動作時)

通信のあるなしで70mAを前後するようだが70mAとして考える

(ディープスリープ時)

電流は以下のとおりで装置仕様から裏付けられる

ESP8266 10μA Deep-Sleep時
BME280 0.1μA スリープ・モード
DHT22 50μA 待機中
NJM2884 200μA 無負荷時無効電流
電圧測定 6~7μA 分圧抵抗590KΩ(470+120),4~3.5V
合計 0.268mA  

(計測データから)

1時間で 13秒 × 6回 = 78秒間動作,1日で 78秒 × 24時間 = 1872秒間 となり

70mA × 1872秒 ÷ 3600秒 = 36.4mAh

ディープスリープ時が(実際は1872s分削除だが無視して)

0.28mA × 24 = 6.72mAh

トータルで1日分が

36.4 + 6.72 = 43.12mAh

10日間で430mAhとなるがバッテリーは830mAhなので充電が不十分だったのかへたっていたのかもしれない

省電力化

三端子レギュレーターをNJM2884から消費電力30μAのNJU7223F33するとディープスリープ時の合計が0.098mAとなり約4.4mAh減るが使用したいバッテリー電圧の関係でNJM2884を選択したため変更はしない

そこでESP8266の動作時間を減らすことができれば電力消費を抑えることができるのでこちらを参考に改善してみた

対応したのは再コネクションの部分で明示的に再コネクションするより必要な情報を退避させておいて自動的に行った方が処理が早いらしい(接続は一定時間保持されているのでネゴのやり直しを行わない分が短縮されるのだろうと考える)

結果,動作時間が13秒から10秒の28.0mAhで合計34.72mAhとなる(ビデオ

省電力観測モード

通常は1時間に6回(10分毎)の観測を実行する

観測数を減らせば省電力化できるのでバッテリー容量が少なくなってきたら観測数を減らして太陽電池でのバッテリー回復を増大させる仕組みを導入

具体的にはディープスリープ時間を操作すればよく3.5V未満なら30分,3.4V未満になると60分スリープとし,それぞれ1時間に2回と1回の観測にする

アメダスとの温度差

近くにあるアメダスと日別の最高気温と最低気温を比べてみるとプラス方向に差ができている

10/23 曇・雨
    最高気温(℃) 20.1 (自宅)21.6 +1.5
   最低気温(℃) 13.8 (自宅)15.3 +1.5
10/24 晴
   最高気温(℃) 22.5 (自宅)26.6 +4.1
   最低気温(℃) 13.6 (自宅)14.8 +1.2
10/25 晴
   最高気温(℃) 20.6 (自宅)24.3 +3.7
   最低気温(℃) 11.1 (自宅)12.8 +1.7
10/26 晴・曇・雨
   最高気温(℃) 21.7 (自宅)25.7 +4.0
   最低気温(℃) 10.5 (自宅)11.8 +1.3
10/27 晴(風あり)
   最高気温(℃) 20.0 (自宅)23.1 +3.1
   最低気温(℃) 14.8 (自宅)14.5 -0.3

しかも晴の日で最高気温差の幅が大きいので鎧戸箱の空気の流れが悪く熱が籠っているのではないかと想定

鉢皿の高さは39mmで鉢皿間を20mmのスペーサーで隙間を空けていたのを30mmのスペーサーにした

IMG_20181028_172329635.jpg

20mmの時から比べると大きく隙間が空いたように見える

太陽電池

太陽電池の出力が不足しているようで十分に太陽光が当たっている場合でもバッテリー電圧が上昇しない

搭載する前の実験では40mAの充電量があったため十分かと考えていたが再調整が必要

また太陽電池部分に雨水が溜まるようなので改善しなければならない

IMG_20181027_063359639_HDR.jpg

スケッチ

現状のESP8266のスケッチ

#include <ESP8266WiFi.h>
#include "DHT.h"
#include "BME280.h"

#define DHTTYPE         DHT22    //DHT 22 (AM2302), AM2321
#define DHTPIN          14       //what digital pin we're connected to
#define BME280_ADDRESS  0x76

//DHT22インスタンス
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
//BME280インスタンス
BME280 bme280(BME280_ADDRESS     //BME280 I2C ADDRESS
    , 0b0001                     //Temperature oversampling : x1
   , 0b0001                     //Humidity oversampling : x1
   , 0b0001                     //Pressure oversampling : x1
   , 0b0000                     //Mode : Sleep mode(0), Normal mode(3)
    , 0b0101                     //Stand-by time : 1000ms
    , 0b0000                     //filter : 0ff
);

//Senser
const int locid      = 11;       //場所ID
//WiFi
const char *ssid     = "ssid";
const char *password = "password";
const char *host     = "server_name";
const char *path     = "regTenki.php";
const int httpPort   = 80;
//Sleep
static int sleepTime = 600; //10分(標準)

void deepSleep() {
//第1引数の時間設定はμ秒なので600秒(10分)後に復帰する設定になる
//+7は(10分での)補正値
ESP.deepSleep((sleepTime + 7) * 1000 * 1000 , WAKE_RF_DEFAULT);

//deepsleepモード移行までのダミー命令
delay(1000);
}

void setup() {
//WiFi接続
if(WiFi.SSID() != ssid) {
//設定が記憶されていないなら接続し記憶させる
WiFi.persistent(true); //ssidとpasswordを保存させる設定
WiFi.mode(WIFI_STA); //STA(子機)モード
WiFi.setAutoConnect(true); //次回起動時に保存内容で接続
WiFi.begin(ssid, password); //初回接続
}
unsigned long timeout = millis();
while(WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
if(millis() - timeout > 30000) deepSleep();
delay(500);
}
//DHT22の開始
dht.begin();

//BME280の開始
double dTemperature, dHumidity, dPressure;
bme280.begin();

//DHT22: 温度,湿度
float dhtTemp = dht.readTemperature();
float dhtHumi = dht.readHumidity();

//BME280: 気圧,温度,湿度
bme280.getData(dTemperature, dHumidity, dPressure );

//ADC: バッテリー電圧
float vbat = ((119.0 + 469.0) / 119.0) * system_adc_read() / 1024.0;
if(vbat < 3.4) {
sleepTime = 3600; //3.4V未満になったら60分(最大は71.5分)
} else if(vbat < 3.5) {
sleepTime = 1800; //3.5V未満で30分
} else {
sleepTime = 600; //通常は10分
}

//Requesting POST data
WiFiClient client;
String data = "LOC=" + String(locid) + "&PRES=" + String(dPressure)
+ "&TEMP=" + String(dhtTemp) + "&HUMI=" + String(dhtHumi)
+ "&BVOLT=" + String(vbat);
if(!client.connect(host, httpPort)) {
deepSleep();
}
//Send request to the server
client.println(String("POST ") + path + " HTTP/1.1");
client.println(String("Host: ") + host);
client.println("Content-Type: application/x-www-form-urlencoded");
client.println("Content-Length: " + String(data.length()));
client.println();
client.print(data);
timeout = millis();
while(!client.available()) {
if(millis() - timeout > 5000) {
client.stop();
deepSleep();
}
}
//HTTPヘッダを含むデータの読み取り(1文字毎)
String body = "";
while(client.available()) {
body += client.readStringUntil('\r');
}
if(client.connected()) client.stop();
WiFi.persistent(false); //保存したssidとpasswordが消去させないようにする
//trueのままdisconnect()すると消去される
WiFi.disconnect();
deepSleep();
}

void loop() {}

#include "DHT.h" は,一般的に出回っているので検索で手に入る

#include "BME280.h" は,前に記載したとおりこちらからいただいたスケッチの入出力部(SPIからI2C)とコンストラクタを修正したもの(再配布可能か不明なので記載のみ)

なんちゃって百葉箱を作ってみる(完成)

メインの百葉箱が完成

IMG_20181020_130501996.jpgIMG_20181020_130533350.jpg

構成

全7段で一番上には設置のための取っ手を付け2段目にはバッテリーを置く

IMG_20181018_174122683.jpgIMG_20181018_174138807.jpg

2段目の下部にはセンサーを縦置き

IMG_20181018_174614741.jpgIMG_20181018_191600721.jpg

当初はセンサーにホコリが積もらないようボードに置いて横置きを考えていたが,他のパーツやボードにもホコリが積もらないように縦置きに変更した

残りの下段5個は同じで中央に風穴を空ける

IMG_20181018_153452939.jpg

組立

組立に使ったパーツ

IMG_20181020_112425780.jpg

4㎜サイズの丁度良いスペーサーが無かったので5㎜のアルミ菅を使って作製

IMG_20181020_122932709.jpgIMG_20181020_125317175.jpg

最終段は虫が入らないように網で塞いだ

設置

設置場所は芝生の上の1200~1500㎜が理想的ということでポールを設置しようと考えたが,そこまでこだわることも無いのでまずはベランダに設置

IMG_20181020_172004361.jpgIMG_20181020_172139311.jpg

標高95mの場所から2800㎜の高さに設置となる

今後

残りは以下のとおりで更にコツコツやっていく

  • 気象データ閲覧の充実
  • 室内気温の観測
  • バッテリーの残量確認(太陽電池での捕充電に問題ないか)
  • 現在正確な消費電力量計測中

なんちゃって百葉箱を作ってみる(続き2)

相変わらずのんびりと進めている

電源部を決定

結局は電源部が決まらないと回路が落ち着かないので先に検討

使用する太陽電池の出力が4~6V位なのでニッケル水素電池なら3本(3.6V),リポなら1本(3.7V)が妥当かと考えるが,手持ちの低損失CMOS三端子レギュレータ3.3V500mA(NJU7223F33)を使うとするとドロップアウトが0.4Vなのでギリギリでありバッテリー効率が悪くなりそうである

そこでニッケル水素電池なら2本から昇圧すればどうかとHT7733Aで実験したところ大失敗・・・前にもやったのを記録してなかったので忘れていた

IMG_20181014_095627684.jpg

(忘れないよう今回は以下に結果と実験用にボード化しておこうと思う)

  • 60mA位なら連続で出力できるが100mAあたりで一気に1.2V位まで電圧降下する
  • 一度電圧降下すると一度電源OFFしないと3.3Vに回復しない
  • ブレッドボード上での実験なので少しはまともに実装すれば200mA位までいけるかもしれないが諦めた

現状の手持ちパーツでは良い解決案がでてこないので低ドロップ(1.8V)の低飽和型レギュレーター3.3V500mA(NJM2884U1-33)を購入することにした

購入するなら今後のためにと太陽電池モジュール1.15WSY-M1.15Wを同時に購入

IMG_20181014_101607855.jpgIMG_20181013_114203283.jpg

少しの太陽光で160mAを軽く出力した(コストの良い太陽電池モジュールかと)

今回はここまでの高出力は必要ないので当初の予定通りで構成(実は秋月の300mWを使えば良かったかと・・・)

IMG_20181014_101425024.jpgIMG_20181013_114045217_HDR.jpg

最終的に6枚(費用は\648)となったが,40mAhあれば平均20mAhの日照が4時間としても80mAhとなり消費が20mAh/日なので4日分を1日で補充できる

4日で十分なのかどうかは実際にやってみないと判らないがバッテリーは1000mAh(50日分)は確保しているため余裕の日数のなかで補充できれば良い計算である

本体(センサー部)を完成

秋月で購入したBME280は実験用に置いておいてアマゾンで購入(2個)したBMP280(¥368)を使う

IMG_20181002_172232562.jpgIMG_20181002_172244035.jpg

ところがBME280と勘違いしてBMP280だったので湿度センサが無い

もともとLPS25Hを使うつもりだったので気圧センサとしてのみ使い温度と湿度は精度の良いDHT22を使用することにした

ここでSHT31を採用しなかったのは単に精度の差がないのと既にDHT22は動作確認していたため扱い易かったからである

これで最終的な回路が決定する

(回路図)

homeTenki_回路図.png

注)DHT22のDataPinのプルアップが抜けていた(無しでもESP8266内部でプルアップされているのか電圧は出ている)

NJM2884の部分は実際は以下となる

NJM2883.png

リファレンス回路では出力側のコンデンサ(セラミック可能)は2.2μFだが4.7μFのほうが安価なので採用した

CONTROLのプルアップは300KΩ位まで問題ないようだ

ちっとミスってやってしまったことだが,入出力で使用しているコンデンサ(0.33μFと4.7μF)は無くても今回の回路は動作した

以下はニッケル水素3本(830mAh)で消費状況を試行実行中

IMG_20181014_095802517.jpg

この回路からBMP280を除いたDHT22とした版を室内用として設置する予定

室外版

室外に設置する版はダイソーのモバイルバッテリーを利用する

IMG_20181014_115224745.jpgIMG_20181014_115409773.jpg

充電部はそのままのだが出力は5Vに昇圧する必要がないし機能上の問題もあるため直接18650から引き出す

内部の基板から標準の方のUSBメスコネクタを外しケースのUSBの口から太陽電池からの充電と18650から供給するケーブルを通す

IMG_20181014_200032106.jpgIMG_20181014_200210935.jpg

(もう1セットのパーツで)室外運用基板として実装

IMG_20181014_201646576.jpg

太陽電池による補充電はしてないがリポで試行運用中

IMG_20181014_204324063.jpg

鎧戸の箱

測定機は完成,問題は外側となる筐体で雨をしのぎながら風通しのよい箱を作らないとならない

一般的に鎧戸と呼ばれている形状で作製された筐体で購入すると結構な価格のようだが,現在のアメダスで実際に使用されているものはFAN付きの空洞のような形で昔の白い箱型ではなくなり進化している

つまり見た目は懐かしいが昔の白い鎧戸の箱にこだわることはない

ということでググってみるとトレイを裏返しにして重ねることで鎧戸を構成するってアイデアをいただくことにした

丸いプランターの鉢皿を使用している方が多いのに対抗する訳でなく四角の鉢皿の方が考えてる形に合うので採用

IMG_20181007_162520875.jpgIMG_20181018_121701733.jpg

一番上となる鉢皿は太陽電池の性能確認のため先に作製

IMG_20181007_201745857_BURST000_COVER_TOP.jpgIMG_20181007_210149972.jpg

鉢皿をひっくり返し太陽電池6枚の形でくり抜き加工してスマホ等のフィルムを貼って付けた

IMG_20181014_101408834.jpgIMG_20181014_101442465.jpg

裏側は美しくないが見えないので問題なし

2段目はバッテリー置き場となり3段目以降はこれから再検討して作製

課題は虫(特に蜘蛛)かな

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