محطات الأرصاد الجوية مشروع شائع لإجراء تجارب على مختلف أجهزة الاستشعار البيئية، وعادةً ما يُختار مقياس سرعة الرياح البسيط على شكل كوب ودوارة طقس لتحديد سرعة الرياح واتجاهها. بالنسبة لمحطة تشينغ التي أنشأها جيانجيا ما، قرر بناء نوع مختلف من أجهزة استشعار الرياح: مقياس سرعة الرياح بالموجات فوق الصوتية.
لا تحتوي مقاييس سرعة الرياح بالموجات فوق الصوتية على أجزاء متحركة، ولكن العيب يكمن في زيادة كبيرة في التعقيد الإلكتروني. تعمل هذه المقاييس عن طريق قياس الوقت الذي تستغرقه نبضة صوتية فوق صوتية للانعكاس إلى جهاز استقبال على مسافة معروفة. يمكن حساب اتجاه الرياح عن طريق أخذ قراءات السرعة من زوجين من أجهزة استشعار فوق صوتية متعامدة على بعضها البعض واستخدام علم المثلثات البسيط. يتطلب التشغيل السليم لمقياس سرعة الرياح بالموجات فوق الصوتية تصميمًا دقيقًا للمضخم التناظري في الطرف المستقبل ومعالجة مكثفة للإشارات لاستخراج الإشارة الصحيحة من الأصداء الثانوية وانتشار المسارات المتعددة وجميع الضوضاء الناتجة عن البيئة. تم توثيق التصميم والإجراءات التجريبية جيدًا. نظرًا لعدم تمكن [جيانجيا] من استخدام نفق الرياح للاختبار والمعايرة، فقد قام بتركيب مقياس سرعة الرياح مؤقتًا على سطح سيارته وغادر. القيمة الناتجة تتناسب طرديًا مع سرعة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) للسيارة، ولكنها أعلى قليلاً. قد يكون هذا بسبب أخطاء حسابية أو عوامل خارجية مثل الرياح أو اضطرابات تدفق الهواء من مركبة الاختبار أو حركة المرور على الطرق الأخرى.
تشمل المستشعرات الأخرى مستشعرات مطر بصرية، ومستشعرات ضوء، ومستشعرات ضوئية، وجهاز BME280 لقياس ضغط الهواء والرطوبة ودرجة الحرارة. يخطط جيانجيا لاستخدام محطة تشينغ على متن قارب ذاتي القيادة، لذا أضاف أيضًا وحدة قياس بالقصور الذاتي (IMU)، وبوصلة، ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، وميكروفونًا للصوت المحيط.
بفضل التطورات في أجهزة الاستشعار والإلكترونيات وتقنيات النماذج الأولية، أصبح بناء محطة أرصاد جوية شخصية أسهل من أي وقت مضى. يتيح لنا توفر وحدات الشبكة منخفضة التكلفة ضمان قدرة أجهزة إنترنت الأشياء هذه على نقل معلوماتها إلى قواعد البيانات العامة، مما يوفر للمجتمعات المحلية بيانات الطقس ذات الصلة في محيطها.
يسعى مانوليس نيكيفوراكيس إلى بناء هرم طقس، وهو جهاز قياس طقس يعمل بكامل طاقته وحالته الصلبة، ولا يحتاج إلى صيانة، ويعتمد على الطاقة والاتصالات، ومُصمم للاستخدام على نطاق واسع. عادةً ما تكون محطات الأرصاد الجوية مُجهزة بأجهزة استشعار لقياس درجة الحرارة والضغط والرطوبة وسرعة الرياح وهطول الأمطار. وبينما يُمكن قياس معظم هذه المعلمات باستخدام أجهزة استشعار الحالة الصلبة، فإن تحديد سرعة الرياح واتجاهها وهطول الأمطار يتطلب عادةً جهازًا كهروميكانيكيًا.
تصميم هذه المستشعرات معقدٌ ويتطلب تحديات. عند التخطيط لعمليات نشر واسعة النطاق، يجب أيضًا التأكد من أنها فعالة من حيث التكلفة، وسهلة التركيب، ولا تتطلب صيانة متكررة. قد يؤدي حل جميع هذه المشكلات إلى بناء محطات أرصاد جوية أكثر موثوقية وأقل تكلفة، والتي يمكن تركيبها بأعداد كبيرة في المناطق النائية.
لدى مانوليس بعض الأفكار حول كيفية حل هذه المشكلات. يخطط لالتقاط سرعة الرياح واتجاهها من مقياس التسارع والجيروسكوب والبوصلة في وحدة استشعار بالقصور الذاتي (IMU) (ربما MPU-9150). تتمثل الخطة في تتبع حركة مستشعر IMU أثناء تأرجحه بحرية على كابل، مثل البندول. أجرى بعض الحسابات على منديل ويبدو واثقًا من أنها ستعطي النتائج التي يحتاجها عند اختبار النموذج الأولي. سيتم استشعار هطول الأمطار باستخدام أجهزة استشعار سعوية باستخدام مستشعر مخصص مثل MPR121 أو وظيفة اللمس المدمجة في ESP32. يعد تصميم وموقع مسارات الأقطاب الكهربائية أمرًا بالغ الأهمية لقياس هطول الأمطار بشكل صحيح من خلال اكتشاف قطرات المطر. كما أن حجم وشكل وتوزيع وزن الغلاف الذي يُركب فيه المستشعر أمر بالغ الأهمية لأنه يؤثر على مدى الجهاز ودقته ودقته. ويعمل مانوليس على عدة أفكار تصميمية يخطط لتجربتها قبل أن يقرر ما إذا كانت محطة الطقس بأكملها ستكون داخل الغلاف الدوار أم مجرد أجهزة الاستشعار الموجودة بالداخل.
بسبب اهتمامه بعلم الأرصاد الجوية، قام [كارل] ببناء محطة للأرصاد الجوية. وأحدث هذه الأجهزة هو جهاز استشعار الرياح بالموجات فوق الصوتية، والذي يستخدم وقت طيران النبضات فوق الصوتية لتحديد سرعة الرياح.
يستخدم مستشعر كارلا أربعة محولات طاقة فوق صوتية، موجهة شمالًا وجنوبًا وشرقًا وغربًا، لرصد سرعة الرياح. بقياس الوقت الذي تستغرقه نبضة فوق صوتية للانتقال بين المستشعرات في غرفة ما، وطرح قياسات المجال، نحصل على زمن انتقال كل محور، وبالتالي سرعة الرياح.
يعد هذا عرضًا مثيرًا للإعجاب للحلول الهندسية، مصحوبًا بتقرير تصميم مفصل بشكل مذهل.
وقت النشر: ١٩ أبريل ٢٠٢٤