MiniBTHポータブル旅行気象ステーション

こんにちは この出版物では、私が長年構想しており、最近ハードウェアに実装したポータブル野外気象ステーションについてお話します。



私は、長いハイキングと短い週末旅行の両方で、しばしば自然に行きます。 一方、機器による観測は、「昨日よりも今日は暖かいですか？」または「夜はどのくらい寒かった？」という質問に答えることで、単に好奇心を満たします。一方、原始的な気象情報の存在は、より良いまたは悪い天気や霧を予測するのに役立ちます。 したがって、キャンプでの使用に適し、次の要件を満たす、気象情報を測定、記録、および表示するための自律型デバイスを作成する必要があります。

• 密閉された耐震ハウジング。
• リアルタイムおよび現在の気象データの常時表示：圧力、温度、湿度、および過去数時間および数日間にわたる画面上の変化の履歴。
• 画面は明るい太陽の下で読みました。
• バッテリーの再充電または交換、再充電を行わずに旅行中にデバイスを操作する。
• 気象データの履歴を不揮発性メモリに保存することをお勧めします。

時計、リモコン、個々のデバイスの形でこの目的のデバイスが市場で入手可能であることは注目に値しますが、私の意見では、気象情報の変化の履歴を表示する能力は不十分であり、通常、ロギングはまったくありません。 したがって、私は自分のデバイスを開発することにしました。

将来のデバイスの外観を決定する

設計の初期段階では、利用可能な多くの部品、コンポーネント、および技術の選択を決定し、最適な組み合わせを見つける必要があります。 将来のデバイスの主要コンポーネントと、特定のソリューションを選択する理由を考慮してください。

スクリーン

私の意見では、提案されたデバイスには、同じ座標グリッド上のカラー画面にいくつかのグラフを表示するのが便利であるので、カラー画面が好ましいが、モノクロ画面ではこのような画像は知覚しにくい。 太陽の下での視認性、連続表示、および適度な電力消費の要件を考えると、選択肢は明らかに半透過型TFTディスプレイにかかっています。 ここでの主な問題は、手頃な価格のディスプレイを入手することです。 クイック検索により、オンラインストアで宣言された半透過型スクリーンは利用できず、alibabaで利用可能なオプションには不快なRGBインターフェイスがあり、利用可能な唯一のオプションは古き良きSiemens CX / M / S65電話のスクリーンです。 もちろん、分解するコンポーネントに依存するのはあまり良いことではありませんが、小規模なDIYプロジェクトの場合はそうなります。 ここでの利点には、画面がSPIによって制御されるという事実が含まれます（ボードを配置する方が簡単です）。 画面が電話からのものであるという事実にもかかわらず、 クリスチャン・クランツからこの画面を管理する方法に関する情報が利用可能です（執筆時点では、クリスチャンのウェブサイトはすでに半年間横たわっています）。

センサー

まず、測定可能なパラメーターとセンサーのセットを決定する価値があります。 3つの無条件に必要なパラメーターは、圧力、温度、および湿度です。 光センサーを追加することもできます。

次に、センサーを選択するための基準を定義します。 センサーはサイズが小さく、正確であり、可能であれば、特定のセンサーのストラップを考慮してデバイス回路の複雑化を必要としない必要があります。 理想的には、すべてのセンサーはデジタルであり、同じ電圧で動作します。 また、大気と直接接触する圧力および湿度センサーは、ほこりやほこりから保護されることが望ましい。

圧力センサー クアドロコプターの経験から、私はBPM085およびMS5611センサーに出会いました。両方ともI2Cインターフェースと組み込みの熱補償を備えています。 これらのうち、2番目のものはより正確で安定していることが判明し、わずかな平均で1Paの圧力が可能になりました。これは約10 cmの高さに相当します。 最初にデバイス用に選択しましたが、少ししてから、MS5803と呼ばれるこのセンサーの保護バージョンを使用することにしました。

湿度センサー。 アナログとデジタルの両方の多くのオプションがあります。 私は、sensironのSHT2xセンサーのI2Cファミリーが好きでした。 小型で正確、圧力センサーと同じ電圧範囲（1.8V〜3.6V）で動作し、湿度だけでなく温度も測定します。 さらに、防塵キャップが発行されます。

温度センサー。 上記のセンサーのうち2つはすでに温度を測定しているため、別のセンサーは必要ありません。

光センサー ここでは、非常に広範囲の測定値を持つセンサーを配置することをお勧めします。 直射日光（10万ルクス）から深夜まで、月明かりに照らされた夜（0.2ルクス）以下で測定します。 さらに、センサーは工場でのキャリブレーションに適しています。キャリブレーションするものがないからです。 フォトダイオードにはオプションがありますが、追加のストラップが必要ですが、潜在的に大きな測定範囲を持つことができます。 したがって、一連の統合されたI2C max4400xセンサーに注意が向けられました。 シリーズには複数の類似したセンサーがあり、一部はマルチスペクトル、一部はIRエミッターを備え、近接センサーとして機能します。 測定範囲に関する私の要件は、max44009の1つで満たされます。 ただし、2つのセンサー、高光用のモノクロmax44009と小型用のRGBセンサーmax44008をインストールすることは可能です。 また、調光フィルターを使用すると、max44008の動作範囲を必要な10万個に拡大できます。 スイート 主なものとしてmax44009を使用する単純なオプションを選択し、max44008を追加候補として検討します。

CPUとストラップ

画面とすべてのセンサーが3〜3.3ボルトで動作し、SDカードが3.3vで動作すると仮定します。 3-3.3vから実行するプロセッサを使用することをお勧めします。 私はいつものAVRを選びました。 AVRを選択すると、Arduino IDEを使用してプロジェクトをビルドし、Arduinoのライブラリを使用できることに注意してください。 このプロジェクトでは、SDカードを操作するためのライブラリの使用が特に重要です。 原則として、ArduinライブラリはAVR Studioで組み立てられたプロジェクトで使用できますが、これにはいくつかのトリックが必要です。 今後、Arduinoを使用することの唯一の利点は、UARTを介してプログラムをアップロードすることでした。

最初の見積もりによると、32kBのROMと2kBのRAM（SDで作業するための約600バイト、および他のほとんどすべてが測定履歴）はプロジェクトに十分であるため、ATmega328pプロセッサを選択しました。 3Vの電圧は、8 MHz以下のクロック周波数を指示します。 Arduino IDEの下で書き始めたプロジェクト。 このプロセッサ用に組み立てるとき、電圧はターゲットのArduino Pro mini 3.3vを選択するだけです。 リアルタイムクロックはデバイスのすべての機能を実現するために必要であり、RFクォーツは原則として十分な周波数安定性を提供しないため、プロセッサーとクロッククォーツを使用する必要があります（機能により、ATmega328pはRCオシレーターからクロックされます）または別のリアルタイムクロックチップを使用します。 後者の状況を考慮して、DS1337カレンダークロックを備えた別のI2Cチップを使用することにしました。 RTCを備えた別のチップを支持する追加の議論は、クロック設定を失うことなくバッテリー交換を実装する可能性でした。 ただし、このオプションはデバイスの内部バッテリー用に後で選択されました。

コントロールボタン

機器のインターフェースはシンプルになる予定ですが、表示モードの切り替え、時間の設定、高さの調整にはボタンが必要です。 加圧されたエンクロージャーのメカニカルボタンを隠すことは難しいため（このためには、ケースに穴を開けて柔軟なシールをしっかりと挿入するか、シールからプッシャーを入れる必要があります）、容量性タッチコントロールボタンを作成することにしました。 約1平方Cmのタッチパッド領域、約2-4の誘電率（プラスチックで一般的）で2-3 mmの壁の厚さでは、ピコファラドの数分の1で静電容量の変化を確実に記録するデバイスを作成する必要があります。 この問題にはいくつかの解決策があります。 最初のオプションは、特殊なチップ-タッチコントローラーを配置することです。 2つ目は、出力ラインからメガオーム抵抗器を介して接触パッドで入力ラインの入力容量の充電時間を測定するだけで、プロセッサレッグのペアにタッチボタンを作成することです。 メソッドはいくつかのリソースで説明されており、対応するライブラリがあります。 ただし、高感度でノイズのないセンサーを作成するため、3番目のオプションである位相検出器付きセンサーを選択しました。 アイデアはシンプルです。 2つのRF信号が位相検出器の入力に加えられます。 1つはソースから直接、2つ目はRC回路を介して、センサーパッドが容量として使用されます（もちろん、位相検出器の入力の寄生容量も使用されます）。 位相検出器の出力からの信号は、ADCを使用して平均化および測定されます。 このような回路は、少なくともプローブ信号の周波数以外の周波数では、外部干渉の影響を受けにくくなります。 RF信号のソースとして、プロセッサクロック信号のみを取得できます。 ノイズ耐性を高めるために、この信号の位相コード変調を導入することもできますが、動作経験から判断すると、これは過剰です。

住宅設計

DIYプロジェクトで最も難しい質問の1つは、密閉されたエンクロージャを作成することです。 同時に、住宅の設計は、利用可能な技術的基盤によって大きく決定されます。 加圧エンクロージャを製造するための簡単にアクセスできる唯一のツールは、プラスチック、木材、および軟金属のフライス加工に適した3軸CNCフライス盤です。 本体は、プラスチックとアルミニウムで作られたフライス加工部品から組み立てる必要があることがわかります。 ガスケットの選択の問題は残っています。 特殊なシーリングガム、および必要な長ささえ見つけることができませんでしたが、テープレコーダーはシーリングシールとして使用できます。 この技術はすでに他の建物で既にテストされています。 その結果、ケーシングは、シール用の溝を備えた中央ユニットと、クランプフレームで固定された前後のプラスチックカバーで構成されます。 問題は素材の選択です。 中央ユニットはカプラロン製である必要があります。 このプラスチックでは、金属のように、壊れにくく耐摩耗性がないため、確実に糸を切ることができます。 フロントカバーは透明で、できれば壊れにくいものでなければなりません。 透明なプラスチックで利用可能なオプションのうち、ポリカーボネートを選択しました。 この材料の欠点は、ポリメチルメタクリレートに比べて透明度があまり高くないことです。 しかし、延性があり、割れにくい。 後壁には透明性の要件はありません。最終的には、グラスファイバーのバージョンに決めました。 クランプフレームは、全長に沿って弾性体を押しつぶすのに十分な剛性を備えている必要があります。 さらに、周囲のオブジェクトに対して体を打つ可能性の大部分を占めるのは彼らです。 そのため、アルミニウム合金で作ることにしました。

センサーの配置

温度と湿度の圧力センサーは、大気と通信し、大気と良好に接触する必要があります。 さらに、温度変化に対する反応時間を短縮するために、ハウジングから比較的断熱する必要があります。 同時に、起こりうる衝撃や汚れから保護するためにそれらを配置することをお勧めします。 したがって、ケースのくぼみにあるT字型の突起上のセンサーのレイアウトは有望に見えます。



光センサーは、透明なフロントパネルの後ろ、画面の近くに配置されます。 センサーの感度を調整することにより、壁の透明度の影響を考慮することができます。

動力源

リチウムイオン電池または金属水素化物のいずれかを選択する余地はほとんどありません。 金属水素化物は低温で少し良く機能し、その利点はそこで終わります。 エネルギー強度の観点から、リチウムはより収益性が高くなります。 その結果、リチウムイオンを選択しましたが、この選択はプロジェクトのかなり後期の段階で行われました。 私自身は、バッテリー寿命に関するこのような要件を特定しました。

• 冬の9日間（1週間+ 2日間）（気温-10 ..- 20）;
• 夏の15日間は山で過ごします（気温は一時的に0を下回ります）。
• 暖かい季節には25日間（気温が0を下回らない）。

これらの要件に基づいて、バッテリー容量が決定されます。

電子部品の開発

上記のソリューションに従って、デバイス回路が開発されました。



78HC03チップは、コントローラーとセンサーの供給電圧を安定化します。 オンチップ74AC00および74AC86には、コントローラーのタッチボタンが組み込まれています。 1つ目はセンサープレートへの8 MHz信号の供給をオン/オフするように設計され、2つ目は3つの位相検出器を含みます。 バックライト用の電圧コンバータは、PWM制御LM2733xを備えたDC / DCコンバータチップ上に作られ、安定器をバイパスしてバッテリで駆動され、OSはLEDの電流によって作られます。 出力の動作電圧は約12Vです（画面のバックライトには4つのLEDが直列に接続されています）。 ボードからスクリーンを取り外す場合にコントローラーを保護するために、15vのツェナーダイオードは保護負荷として機能します。 バックライト電流は抵抗R9によって設定され、その電圧降下は1.25Vです。 max1879コントローラはバッテリ充電を制御し、ハーネス付きTS321オペアンプは充電電流を測定するために使用されます。 リアルタイムクロックはDS1337チップで作成されます。 回路とボードの開発時に、時計のバックアップバッテリーを取り付けることができました。 ただし、取り外しできないバッテリーを使用する場合、バッテリーは必要ありません。

ワイヤレス充電

ワイヤレス充電の実装は、このデバイスのタスクの複雑さによって最も過小評価されていたものの1つでした。 利便性の理由、ケース内の部品のレイアウトのために、W-形のコアSh7x7を選択しました。 コアが大きいと、すでに小さいボディが大きくなりますが、大きいほど良いので、1.5 mmのギャップ（後壁の厚さ）を持つ2つの半分は、流れをできるだけ消散させません。 ただし、このようなコアサイズとフロー分散ギャップの厚さであっても、エネルギー伝達をより効率的にするには共振現象を使用する必要がありました。 スプリットトランスは、いくつかのモードで動作できることに注意してください。

a）デバイスは充電クレードル上にあり、バッテリーは充電中です。トランスには、急峻なI-V特性の負荷がかかっています。
b）デバイスが充電クレードル上にあり、バッテリーが充電されているか、PWMモードで充電されているが、変圧器に負荷がかかっていない。
c）デバイスは充電クレードルから取り外されますが、トランスの一次巻線は電源に接続されています。
d）装置の取り付けおよび取り外し時の、変圧器部品の中間位置。

充電器は、巻線の過熱やキーの過負荷なしに4つの状態すべてで動作できる必要があります。 2つのオプションがあります-負荷がない場合に自動周波数調整とシャットダウンを行う複雑なドライバーを作成するか、要素パラメーターを選択します。 状態b）でトランスに負荷がかかっていない場合、大きな電圧が二次巻線に現れ、max1879とキーの最大許容開放電圧を容易に超える可能性があるため、二次巻線から共振回路を作成することは実用的ではありません。 したがって、一次回路でのみ共振を管理します。 非常にシンプルな電源スキームを使用して、良好な充電パラメーターを達成することができました。



一次巻線は、IR2153ドライバージェネレーターと12Vで駆動する2つのキーで構成されるAC電圧源に接続されています。 一次巻線と直列に、コンデンサC7がオンになり、発振回路を形成します。 一次巻線と並行して、過負荷から保護するために、約160Vのイグニッション電圧を持つネオンランプ（私の場合、一対の直列ランプ）がオンになります。 ジェネレーターの周波数（約100 kHz）はチューニング抵抗R1によって設定され、モードa）で回路が共振に非常に近づくように設定されます。 この場合、一次巻線の電圧の振幅値は100-110Vに達し、二次巻線の平均電流（バッテリー充電電流は約600mA）です。 モードb）で、負荷が切断されると、回路は共振を終了し（無負荷の二次巻線を備えた回路の共振周波数は発電機周波数よりも低くなります）、一次巻線の電圧は60V未満に低下し、したがってフェライトの無駄な損失も低下し、二次巻線の振幅値は超えません14B。 モードc）では、トランスの「半分」のインダクタンスが小さく、回路の共振周波数が発電機の周波数よりも高く、一次巻線の電圧が低下し、フェライトの損失が小さくなります。 モードd）では、無負荷の一次回路が共振する可能性があります。このため、ネオンランプが「保護」負荷として使用されます。 一次巻線（充電器内）には32ターンのPEV-1 0.6ワイヤが含まれ、二次巻線（デバイス内）には32ターンのPEV-1 0.3ワイヤが含まれます。 回路の品質係数、したがって負荷に送信される最大電力は、フェライトの損失によって制限されることに注意してください。二次巻線と並列に、電圧サージから充電回路を保護するために15V p6ke15caサプレッサーが接続されています。動作モードで選択した回路パラメーターでは、サプレッサーは加熱されませありません。

ソフトウェア開発

Arduinoのセンサーやその他の周辺機器を操作するためのライブラリは多数ありますが、それらの多くは不便で扱いにくいものです。開発プロセスでは、他の人の小さなライブラリは最小限で使用し、独自のシンプルな機能を実装する必要があるという結論に達しました。これにより、一部のコントローラーリソースと使用されるROMの量が節約されますが、開発は遅くなります。ネイティブのArduinoライブラリは面倒で不便でした。その結果、プロジェクトで使用された唯一のサードパーティライブラリは、William GreimanによるSdFatLibでした。。sht21およびmax44009およびRTC i2cセンサーを使用するためのモジュールはゼロから作成され、ms5611 / 5803を使用する作業はmultiwiiプロジェクトから借用して完成しました。Christian Kranzのx65スクリーンモジュールは、特定のプロジェクトのニーズに合うように再設計されました。異なるコントローラーを搭載したSiemens x65には、Epson L2F50、Sharp LS020、およびHitcah LPH88の3種類の画面があります。最初の2つのサンプルしか取得できなかったため、プロジェクトでは2種類のディスプレイコントローラーのみをサポートしています。特定のタイプは設定で設定されます。デバイスがArduinoの非標準のFUSES構成を必要とすることにも注意する価値があります-CLKOラインをオンにし、電圧低下検出器を2.7ボルトに設定します。

センサーを操作する

センサーのポーリングに特別な困難はありませんでした。センサー（およびクロック）はプログラムのメインサイクルで継続的に調査され、メインサイクルの持続時間は約180msにほぼ等しくなります。センサーMS5611 / 5803の1つの機能に注目する価値があります。数千回の測定の後、証言を「凍結」することがあります。 multiwiiをデバッグするときにこの機能に気づき、それからまた遭遇しました。状況から抜け出す方法は簡単です。256回のポーリングごとにセンサーをリセットするだけで、フェージングの問題はもうありません。圧力センサーの読み取り値の最後の数値は3〜4Paの範囲で常に変動します（センサーの分解能は1Paです）が、最後の16回の測定結果を平均すると、変動を完全に除去できます。また、これはMS5611のすべての機能ではなく、感光性であることが判明したため、遮光キャップの取り付けが必要でした。残りのセンサーは驚くことなく機能しました。

情報表示

画面に表示される情報がどのように見えるかという質問は、最初は難しいように思われました。しかし、開発の初期段階では、単純なマッピングの原則が定められ、その後改善されました。原理は簡単です-デバイスには2つの表示モードがあります。最初の図は、気象情報と、デジタル形式でセンサーから読み取られた主なデータを含むグラフを示しています。



2番目のモードでは、デバイスとセンサーの現在の状態に関するすべての情報が画面に表示されます：バッテリー充電の電圧と電流、2つのセンサーからの温度、湿度、圧力、露点と気圧高度の計算値、ゼロ標高マークの圧力、照明、時間、日付また、高度計のゼロマークで時計と気圧を設定することもできます。画面サイズが132x176ピクセルの場合、グラフのサイズは96x100になりましたが、可能な限り小さいサイズのフォントでスケールの署名を入れ、8x14フォントで4時間の現在の情報を配置する余地がまだありました。温度曲線は座標系の下部に、圧力曲線は上部に配置されます。縦軸のスケールは、表示されているデータに合わせて自動的に調整されます。湿度は、チャートの背景を明るい青色で比例的に塗りつぶすことで表示されます。ラベルと縦座標軸のグリッド線の位置は一定であり、ラベルラベルのみが変更されます。グリッドと横座標は、グラフとともに時間とともに移動します。重要な問題は、使用可能な横軸スケールの選択です。使用可能なRAMボリュームを考えると、2つのスケールで停止することが決定されました：高速2分/ピクセル（過去3時間と10分のデータが表示されます）と低速30分/ピクセル（過去48時間のデータが表示されます）。低速モードでは、30分間隔で平均化されたデータが表示されます。このモードでは、現在のデータは2秒ごとに0秒で保存されます。これは、現在と比較してクイックチャート上のデータの目に見える「遅れ」を削除するために行われます。グラフ表示モードごとに、圧力、湿度、温度の96の測定値が保存されます。スケジュールを過去に戻すことはできません。データは1分間に1回カードに書き込まれますが、すべての読み取り値の平均化が行われます。

タッチボタンに問い合わせるために、定期的に（メインサイクルごとに1回）5ミリ秒間テストRF信号（プロセッサのCLKO出力から8 MHz）を受信し、その後、位相検出器の出力の信号値を読み取ります。 ADCには10ビットがあり、出力値は0から1023まで変化します。選択されたR1からR3の値について、8x10 mmのフリーセンサープレートは500から700の値で特徴付けられます。カウントアップ。一方では、これは74AC86ロジックエレメントの大きな入力容量を示します。他方では、信号の変化は、誘電体の厚さが2〜3 mmに増加しても、タッチを確実に決定して応答しきい値を調整するのに十分すぎます。タッチボタンの論理状態を判断するために、現在の読み取り値が最後のいくつかの読み取り値の平均値と比較されます。それらの差がしきい値を超えると、センサーの状態は「押された」として固定されます。差が休暇のしきい値を下回ると、状態は「リリース済み」に固定されます。各センサーのしきい値は個別に設定されるため、誤検知を防ぐのに十分なほどセンサーの感度を上げることが容易になります。適応比較回路は、さまざまな温度とケースの汚染の可能性の下でのタッチボタンの信頼できる動作を保証します。各センサーのしきい値は個別に設定されます。これにより、誤検知を回避するのに十分な感度のセンサーを簡単に作成できます。適応型比較回路は、さまざまな温度とケースの汚染の可能性の下でのタッチボタンの信頼できる動作を保証します。各センサーのしきい値は個別に設定されるため、誤検知を防ぐのに十分なほどセンサーの感度を上げることが容易になります。適応比較回路は、さまざまな温度とケースの汚染の可能性の下でのタッチボタンの信頼できる動作を保証します。

これらのボタンは、モードを切り替えるための定期的なアクションや、クロックの設定などの重要なアクションを実行するように設計されています。重要なアクションを有効にするには、特別な「開始」ボタンの組み合わせを選択する必要がありますが、これは偶然押すのが困難です。ボタンは一列に並んでいるので、このような組み合わせの自然なオプションは、リリースされた平均で極端な状態を保持することです。この場合、残りのアクションは1つのボタンを押し続けることで実行されます。隣接するボタンのペアが押されると、両方のボタンがリリースされるまでアクションがブロックされます。トリガーの組み合わせは、バックライトをオンにするためにも使用されます。さらに、照明が100luxのしきい値より低い場合、開始する組み合わせは常にバックライトをオンにします。さらに、表示モードに応じて、この組み合わせをもう一度押すと、バックライトがオフになるか、時計設定モードがオンになります。入力された日時を確認するには、開始する組み合わせをもう一度押します。便宜上、上部カバーの暗い場所にある検索ボタンは特別なタブを作成しました。

測定プログラムの主要部分を書いた後、平均してバックライトがオフのとき、デバイスは約7.5mAの電流を消費し、そのうち約3mAがディスプレイを消費することが示されました。残りの消費は、主にプロセッサ、タッチボタンのコントローラー、microSDカード、およびセンサーにわずかに該当します。 「空き」時間にプロセッサが省エネモードに移行し、センサーのポーリングと情報の更新の頻度が減ると、エネルギー消費をわずかに削減できます。ただし、大幅に減らすことはできません;ほぼ半分は常時オンのディスプレイを消費します。消費電力をさらに削減するために、ADCの測定中にプロセッサがADCノイズ低減モードに切り替わるように、ADCを操作するための標準Arduinoライブラリが変更されました（myadcモジュールを参照）。同時に、ADCの精度はわずかに向上しますが、最も重要なことは、プロセッサの消費電力は、測定中に大幅に削減されます。大幅に節約するために、メインループの単純な遅延は、充電電流の複数の測定値に置き換えられます。これにより、消費電流を6mAに減らすことができました。より経済的なスリープモードを使用すると、エネルギー消費量が最大で約5.5mA減少する可能性がありますが、この減少はそれほど重要ではなく、元々提供されていなかったプロセッサをウェイクアップするために外部信号ソースが必要です。同時に、ポーリングセンサーの頻度と画面の再描画速度が著しく低下するため、消費電力を最大3.5mAまで削減するための目立った余裕があります。ただし、このような変更は、継続的な運用上の指示のために行われたものではありません。それとは別に、デバイスの消費電力は使用するSDカードに依存することに注意してください。異なるカードの静止電流は大きく異なり、2mAに達する可能性があります。

住宅設計

開発の初期段階で、ハウジングは、電子部品を備えた密閉コンパートメントの2つの主要なボリュームと、センサーを収容するための換気された凹部で構成されることが明らかになりました。センサーは小さく、そのレイアウトは問題を引き起こしません。メインボードはより複雑です。画面、タッチパッド（画面右下）、光センサー（画面上）が必要です。上からセンサーで深化を行うことは合理的であり、デバイスがサポート（テーブル、地面、石など）上にある場合-センサーは上からです。また、デバイスを首に掛けるためのマウントは下から行う必要があります。ストラップまたはデバイスの首に吊るされたバックパックの画面を見る方が便利です。

ケースのサイズは、バッテリーと充電トランスのレイアウトに基づいて選択されます。バッテリーは、必要な稼働時間に基づいて選択されます。 6mA以下の消費電流と上記の動作期間では、バッテリー容量は約6000mA * hを選択する必要があります。この場合、デバイスコンパートメントができるだけ密に配置されるようにバッテリーを選択することをお勧めします。利用可能なバッテリーを分析した後、私はパナソニック製の2つのNCR18650Bのオプションを決定しました。同時に、加圧ケースとボードのサイズを70x50mmにすることができます。次に、このサイズにより、シーリングガムの長さ（半周70 + 50 +マージン= 125mm）およびボディのサイズが決まります。 Passikのゴムバンドは硬いので、多くのクランプネジが必要になります。必要な締め付けねじの数は、有限要素法により歯肉と体の変形の問題を解決することで計算するか、実験的に決定することができます。 2番目のオプションを選択し、8本のネジで十分であると実験的に判断しました。ケースのサイズでは、より簡単なフォームを作成するためにあまり節約しませんでした。センサーを含むニッチのサイズも、通気性を高めるためのマージンを考慮して作成されています。その結果、中央ユニットのサイズは103x68mmになり、圧力フレームはさらに大きくなります。次に、ケースの要素の写真を提供します。記事の最後にあるリンクを使用して、ボードの図面、曲線、およびケースのフライス加工操作の説明を含むアーカイブをダウンロードできます。よりシンプルなフォームを作成します。センサーを含むニッチのサイズも、通気性を高めるためのマージンを考慮して作成されています。その結果、中央ユニットのサイズは103x68mmになり、圧力フレームはさらに大きくなります。次に、ケースの要素の写真を提供します。記事の最後にあるリンクを使用して、ボードの図面、曲線、およびケースのフライス加工操作の説明を含むアーカイブをダウンロードできます。よりシンプルなフォームを作成します。センサーを含むニッチのサイズも、通気性を高めるためのマージンを考慮して作成されています。その結果、中央ユニットのサイズは103x68mmになり、圧力フレームはさらに大きくなります。次に、ケースの要素の写真を提供します。記事の最後にあるリンクを使用して、ボードの図面、曲線、およびケースのフライス加工操作の説明を含むアーカイブをダウンロードできます。

ケースの製造と組み立て

中央ユニットはフライス加工によるカプラロン製です。中央ユニットの高さは31mmです。シーリングガムの溝の寸法は、試行錯誤によって以前に選択されました。柔らかい材料（発泡PVCシート）に試験溝をフライス加工し、それに弾性材を塗布し、その後、溝の寸法を修正しました。加圧されたコンパートメントの内側に2つの突起が作られ、そこにデバイスのメインボードが取り付けられます。



センサーユニットは、2つのステンレス鋼M3x10ネジで上部に取り付けられています。センサーに通じるトラックと、ワイヤがハウジングに入る場所は、シリコンシーラントで絶縁されています。センサーボードと本体の間に、厚さ0.5mmのステンレスワッシャーが敷かれています。これらのワッシャーは、注入時にトラックを覆うシーラント層の厚さを指定します。シーラントは、湿度センサーの上にSF2キャップを接着します。文書によると、キャップの取り付けとセンサーのシーリングには、シーラントのみを使用する必要がありますが、蒸発してもセンサーに永続的な損傷を与えることはありません。これらの1つはDOW Conring 732酸性シリコーンシーラントで、これを使用してセンサーをシールしました。 （ただし、他のシリコンは動作する可能性がありますが、安全にプレイすることにしました）。シーラントが乾燥したら、湿度センサーを脱気し、100〜120℃の温度で10〜12時間浸す必要があります。そのために、通常のヘアドライヤーを使用しました。



フロントパネルは2mmのポリカーボネートから削り出されています。背面パネルは1.5mmのグラスファイバー製です。プレッシャープレートはアルミニウム合金（ジュラルミン）からフライス加工されています。フロントプレートは、センサープレートの触覚的探索を容易にする突起を備えているという点で、リアとは異なります。バッテリーと充電トランスは、カプラロン製の2つのスペーサーとカーボン製プレッシャープレートを使用してリアパネルに固定されています。プリント回路基板はLUT技術を使用して作成され、銅線はビアにはんだ付けされています。



使用するMS5803センサーは、水や汚れに対する耐性がありますが、明るい光をセンサーに照射すると、測定値に大きな影響があります。そのため、遮光キャップでセンサーを閉じることにしました。キャップはポリスチレンで作られており、溶剤接着されています。キャップの内側部分は黒く、光を吸収し、外側は白く光を散乱させ、太陽の熱を排除します。キャップは、シアノアクリル系接着剤でセンサーボードに接着されています。後に、光がセンサーボードを貫通し、下から圧力センサーを照らすことが判明しました。このため、追加の遮光板がセンサーボードの上部に取り付けられました。

タッチパッド付きのプレートは、厚い両面テープのいくつかの層の将来のカバーと同じ高さに画面の近くに設置されます。



ケーシングは密閉されているため、低温での結露を防ぐために、ケーシング内部の残りの空気を排出する必要があります。これを行うために、シリカゲルで満たされた小さな布製バッグをケースに入れました（バッテリーの右下の写真）。



前面パネルと背面パネルは、8本のステンレス鋼のM3x12ネジで引き付けられます。審美的な理由から、2mmの六角キャップが選択されています。デバイス全体の重量は330g、全体寸法は110x70x38mm（ねじキャップの場合は41mm）です。

機器操作の経験

このデバイスは、夏にはカレリアと白海でのカヤック旅行でテストされ、秋には山岳クリミアでのハイキング旅行でテストされました。カヤックを運転している間、私はデバイスを上からカヤックに置き、ロープをフレームに固定しました。カレリアでの放射状の歩行中、およびクリミアでのハイキング中、デバイスは常に首にかかっていました。駐車中および昼間の間に、デバイスは木の枝の日陰に吊り下げられました。このデバイスを使用する一般的な印象は非常に肯定的です。文字通り、別の感覚器官があるようです。

大きな湖や海でカヤックをするとき、測定された圧力グラフは実際に1つの高さに対応し、天気を判断できます。原則として、圧力の集中的な低下は、1-2日での天気の悪化、圧力の集中的な増加に先行します-天気を改善するために。強いとは、1日あたり約10〜20 mm Hgの圧力の変化と考えることができます。安定した天候の間、圧力の変化はずっとゆっくりです。 1日程度の時間スケールで、圧力の変化は、私が観察しなかった1日あたり20 mmの水銀よりも大幅に速かった。しかし、嵐の中、街に一度入ると、1.5 mm Hgの圧力ジャンプが観測され、2〜3分以内に発生しました。

歩きながら、高度グラフは圧力グラフで「読み取られます」。ただし、大気圧が一定ではないという事実を考慮すると、目に見えるプロファイルにエラーが発生する可能性があります。ただし、駐車中の圧力変化を観察することで、その日に発生するエラーの可能な値を推定できます。 1 mmHgあたりの圧力の変化は約10メートルの高さの変化に対応しますが、累積誤差は圧力の激しい変化で1日あたり200 mに達することがあり、圧力が安定している場合ははるかに小さくなります。山岳地帯で運転する場合、上昇速度がそれぞれ50-300m / hである場合、過去数時間の通過プロファイルを分析するとき、圧力変化に起因する累積高さ誤差は無視できます。

これは、圧力グラフが山を登るようなものです（カレリアのカリコルヴァ山）：



温度と湿度のグラフも、それ自体が非常に興味深いものです。グラフィカルな情報表示により、最近の天気がどのように変化したかを簡単に確認できます。ただし、温度と湿度の測定には多くの機能があります。経験により、デバイスの温度と空気温度を等しくするための時定数は、吹いていない状態で約20分であり、風が吹いている場合は数回減少します（吹くと、センサーと空気の温度がすばやく調整され、センサーの温度に対するハウジングの影響が減少します）。ただし、温度は実際の気温よりもやや「遅れています」。さらに、デバイスを太陽で加熱すると、測定値にわずかに影響します。いくつかのサポートから吊り下げられたデバイスが日陰から明るい太陽の下に持ち出された場合、わずかな風で読み値は2〜4度増加します。デバイスをカヤック、または太陽で加熱される地球上に配置する場合、測定値は気温と5〜15度大きく異なる場合があります。雨天時の湿度測定にはいくつかの問題があります。デバイスが雨で濡れると、パネルとセンサーの保護キャップの間の隙間が濡れて長時間水を保持し、測定値が最大値で「固着」します（sht21センサーの場合、これは95％です）。最大値での読み取り値の「固着」につながります（sht21センサーのこのインスタンスでは、95％です）。最大値での読み取り値の「固着」につながります（sht21センサーのこの例では、95％です）。

日中に松の木にぶら下がっているデバイスの写真：



別のショット、朝。昨日の日の移行中、デバイスはカヤックに横たわり、太陽によって非現実的な温度に加熱されました。



ルクスメーターを使用すると、夕暮れの深さや雲の厚さを判断できます。観測によると、晴れた日の照明は60〜90キロルクスであり、3〜20キロルクスの日中は曇り層の下で、雷雨前線の通過中は非常に減少します。たとえば、午後9時（日没の3時間前）にカレリアで雷雨が発生した場合、照度が最大で30lux、その後の雨で500-2000luxに低下しました。カレリアのキャンペーン開​​始時の晴天時の白夜の照明は10ルクスでしたが、2週間ですでに0.2ルクスでした。照度計の読み取り値は照度だけでなく、デバイスと周囲のオブジェクトの空間位置にも強く依存するため、デバイスで照度のグラフを構築する可能性は提供されません。そのようなグラフから有用な情報を抽出することは実際には不可能です。

カレリアへの旅行の後、特定された欠点を考慮してデバイスの小さな修正が行われました。グラフの下の情報の構成が変更されました-圧力センサーの有益でない温度とバッテリー電圧が削除され、メートル単位の気圧高度と露点温度が追加されました。メイン画面でバッテリー電圧を示す代わりに、点滅するバッテリー低下警告が入力されました。気圧高度は何らかの意味で圧力を複製しますが、それはその機能であるため、上り坂を移動するときは、圧力ではなくメートル単位で高さを追跡する方がはるかに便利です。また、前面カバーは新しいものに交換され、ボタンが付いています。デバイスを分解すると、内部の圧力板の腐食の小さな痕跡が明らかになり、おそらくキャンペーンの海の部分で海水が原因です。

デバイスはカヤックにあります。



クリミアでの秋のキャンペーン中、デバイスの印象は多少異なりました。カレリアで気圧情報が天気について天気の変化を推測できる場合、クリミア山脈では気圧センサーは高度計としてのみ価値があります。高度計の存在により、長い道のりの道についても新しいことを学ぶことができ、標高がわかっている場合は、上昇または下降のどの部分に行ったかを追跡できます。駐車場に記録された圧力グラフのこれらの「スニッチ」は、有用な気象情報を提供しません。少なくとも秋には、明日、雲の上、雲の中、雲の下にいるか、雲がまったくないかもしれません。



温度と湿度に関するデータの認識方法も異なりますが、これはむしろ移動ルートに沿った天候のカットです。山を数日間歩いた後、圧力グラフを裏返し、高さに変換したいと思います。
この形式ではありますが、曲がりくねった/下がる経路での上昇または下降の傾向、および最近の動きのプロファイルを明確にします。



最後の写真を見ると、好奇心itive盛な読者は、私が山の近くで夜を過ごすのが好きなグラフから学ぶことができます。

秋のキャンペーンでは、日中の風に吹かれたデバイスを加熱しても、日陰での測定と比較して温度測定に大きな誤差が生じないという事実がもう1つ確認されましたが、デバイスが表面にあり、空気の流れが困難な場合、誤差は大きくなります。

最後に、デバイスの使用経験をまとめます。計画されたすべての技術的ソリューションと計画されたすべての測定チャネルが実装されたことは注目に値します。これはキャンペーンで多かれ少なかれ有用であることが判明しました。温度、圧力、湿度が最近どのように変化したかを追跡できるグラフを表示するというアイデアは、完全に成果を上げています。タッチボタンは、雨などのあらゆる天候で確実に機能します。デバイスのバッテリー寿命は十分です。画面からの読み取り値は、どんな座標系でも簡単に読み取り可能で、グラフは同じ座標系に3つあるにもかかわらず、簡単に区別できます。カウントダウンの2分の時間間隔は、上昇または下降で運転するときの短時間の停止を含む、読み取り値の速い変化を追跡するのに十分です。温度または湿度の場合、この周波数は過剰に見えるかもしれません。ワイヤレス充電は機能しますが、その使用はデバイスの軽量化には寄与しませんでした。



ただし、デバイスの個々の操作上の欠点に注意する価値があります。

• デバイスは重すぎることが判明し、長時間首に装着するのは不便です。全体の寸法も小さくしたいと思いますが、これはそれほど基本的なことではありません。
• アルミニウム製の圧力フレームは、摂氏+5度未満の温度では触り心地が悪く、塩水が入ると腐食しやすくなります。
• 湿度センサーの保護キャップに入り、パネル間の隙間に水が入ると、湿度の測定値が「固着」します。
• 表示するのに十分なデータがありません。たとえば、夕方には、今朝2分/ピクセルで何が起こったかを見ることができません。30分/ピクセルの解像度での「昨日」のデータも完全ではありません。
• 圧力の代わりに高さグラフを表示できる必要があります。
• 高度ゼロの読み取り値で圧力設定を変更する十分な履歴はありません。 旅行中に何度も同じ高さまたは同じポイントで修正を行う場合は特に重要です。
• 低照度範囲でルクスメーターの分解能を上げたいと思います。

その結果、デバイスの2番目のバージョンを作成する際に使用する多くのソリューションが提案されています。 デバイスの最初のバージョンの主な欠点の1つは大きな質量であるため、重量を減らして使いやすさを向上させるための多くの対策が提案されています。

• バッテリーの必要な容量と重量を減らすために、常時表示を拒否します。
• デバイスの側壁の厚さを減らします。
• 軽量でコンパクトな圧力シールを優先して、ワイヤレス充電を放棄します。
• ボードと内部コンパートメントのサイズを画面のサイズに縮小します（これはバッテリーの削減により可能です）。センサープレートを側壁に移動します。
• センサーブロックのサイズを小さくし、圧力センサーの光を保護します。 湿度センサーのキャップから出ます。
• ケーシングが水平な水平面に直立できるように、このようなケーシング設計とロープ取り付け方式を提供します。

デバイスの機能を拡張するために、プロジェクトをAVR StudioとGCCに転送し、16メガバイトのRAMと128キロバイトのROMを備えたATmega1284pプロセッサを使用することに切り替えました。 これによりプログラムが複雑になり、次の機能が実装されます。

• 2分で1カウントダウンの解像度で、過去4日間の気象データを保存します。
• 表示されたウィンドウを保存されたデータセット全体に移動する機能を使用して、いくつかのタイムスケールでグラフにデータを表示します。
• 圧力グラフまたは高さグラフとして圧力データを表示する機能。
• 相対湿度のグラフまたは露点温度のグラフとして湿度データを表示する機能。
• ゼロ高度測定値での圧力変化の履歴を保存します。

ボード、ソースコード、フライス加工用の曲線、およびその他の情報は、 ここからダウンロードできます 。

PS現時点では、デバイスの2番目のバージョンが組み立てられ、テスト中です。 近日公開。