|
|
|
| Meteorologen zouden graag meer gegevens hebben om hun rapporten en voorspellingen op te baseren. Maar de weerstations die informatie geven over windsnelheid en -richting, temperatuur en regenval zijn doorgaans complex en duur. Een techniek voor het verzenden van zowel stroom als bidirectionele gegevens via een enkele getwiste draadkabel neemt deze zorgen weg. |
| Om de huidige weersomstandigheden nauwkeurig te beschrijven en toekomstige gebeurtenissen te voorspellen, hebben meteorologen betrouwbare gegevens nodig. Veel van deze informatie wordt verzameld van weerstations en voorspellers zouden er graag meer van willen hebben. Het probleem is dat conventionele meteorologische instrumentsystemen inefficiënt en duur zijn. |
| |
| Elke sensor in een weerstation heeft zijn eigen bedrading en voeding nodig. De sensoruitgang moet vóór verzending worden geconditioneerd. En het toevoegen van sensoren aan een bestaand station betekent meer kabels en elektronica. |
| |
Een nieuw weerstation (zie foto 1 hierboven), gezamenlijk ontwikkeld door Dallas Semiconductor
en Texas Weather Instruments, Inc., lost veel van deze problemen op door zowel stroom als bidirectionele gegevens over een enkele getwiste draadkabel te verzenden. Deze 1-Wire MicroLAN maakt gebruik van een condensator en een halffasige diodegelijkrichter om parasitaire stroom te leveren vanaf de datalijn voor de verschillende sensoren van het station en om gegevens over te dragen (zie afbeelding 1). |
| |
Elke sensor heeft een uniek serienummer dat hem op de bus identificeert. Het station wordt
bestuurd door een pc of microprocessor die Touch Memory Executive (TMEX) -software uitvoert. Gegevensoverdrachten zijn half-duplex en bitsequentieel over een enkel getwist paar met behulp
van korte en lange tijdslots om de binaire 1-en en 0-en te coderen. |
|
|
 |
| |
Foto 1. Een gebruikers vriendelijke software voor de 1-Wire weather station werkt onder Windows en geeft de actuele informatie van het weerstation |
|
|
|
 |
| Figuur-1 |
|
|
 |
| Figuur-2 |
|
| |
| Figuur 1. Het 1-Wire weerstation identificeert elk kompaspunt door een uniek serienummer aan elke magnetische reed contacten toe te wijzen door gebruik te maken van een serienummer de DS2401. De snelheid van de wind wordt gemeten door het aantal pulsen die door de DS2423 in een bepaalde tijdsinterval worden geteld. De temperatuur wordt gemeten door de digitale thermometer DS1820. |
| |
| Figuur 2. Het weerstation gebruikt multidrop architectuur die lijngevoede 1-Wire apparaten en sensoren die op hen worden gebaseerd om willekeurig overal op de Single Twisted Pair kabel kunnen worden geplaatst. De bi-directionele data wordt gecontroleerd door de interface van PC. De software kan andere variabelen ook berekenen, zoals windchill, gebaseerd op de gemeten parameters. Dit cijfer toont de regeling van de basispost. 1-Wire sensoren voor bliksem, vochtigheid, luchtdruk, en andere weergegevens zijn ook beschikbaar. |
| |
| Het basisweerstation meet windsnelheid en -richting, omgevingstemperatuur en neerslagtotalen (zie figuur 2). Het pakket kan worden uitgebreid met vochtigheids-, luchtdruk- en andere weersensoren door simpelweg de sensor op de gewenste positie op de kabel aan te sluiten en de juiste software toe te voegen. Een andere optie is om meerdere weerstations op dezelfde 1-draads communicatieverbinding aan te sluiten voor kosteneffectieve meting van laminaire luchtstroompatronen en andere klimaatparameters. |
| Om verschillende redenen werden magnetisch geactiveerde reed-schakelaars gekozen als windsensoren. Ze hebben geen stroom nodig om te werken. Omdat ze noch bewegings- noch snelheidsafhankelijk zijn, kunnen ze statische omstandigheden meten. Ze hebben geen signaalconditionering nodig. En ze hebben een zeer hoge impedantie in open toestand en een verwaarloosbare impedantie (150 m) in gesloten toestand. |
| |
Interessant is dat reed-schakelaars normaal gesproken worden beoordeeld als defect of einde levensduur wanneer de aan-weerstand van de schakelaar 1 of 2 bereikt bij gebruik op nominaal vermogensniveau. Een reed-schakelaar kan meer dan 100 miljoen of meer cycli uitvoeren bij
50 V/100 mA-niveaus of hoger voordat hij defect raakt. 1-draads apparaten, die werken op 5 V/4 mA, vormen echter bijna geen belasting en
kunnen werken met weerstandswaarden tot 100 . De functionele levensduur van een reed-schakelaar in een 1-Wire omgeving zoals het
weerstation is daardoor veel groter. Lopende tests op het weerstation laten geen verslechtering zien na meer dan 3 miljard cycli |
| |
| De windrichtingsensor bestaat uit acht reed-schakelaars die radiaal op een printplaat zijn gemonteerd met intervallen van 22,5º (zie afbeelding 3). Elke switch is aangesloten tussen de datalijn en een DS2401-siliciumserienummer dat het ID-nummer van de switch levert. Een rechthoekige activeringsmagneet, gepolariseerd met een enkele pool gericht naar de reed-schakelaar, is gemonteerd in een rotor die aan de as van de windwijzer is bevestigd. De rotor is zo ontworpen dat er één lay-out kan worden gebruikt voor zowel de windsnelheids- als richtingssensoren. Als de sensor alleen voor de windrichting wordt gebruikt, wordt een enkele magneet in een van de twee gaten nabij het midden van de rotor gemonteerd. Terwijl de wind de schoep en de daaraan bevestigde rotor laat draaien, sluit de magneet de schakelaar terwijl deze over het riet gaat. |
| |
Wanneer een reed is gesloten, is de bijbehorende DS2401 verbonden met de bus
(als de adresseerbare schakelaar DS2407 is ingeschakeld) en kan de busmaster het serienummer lezen. Dit nummer identificeert zowel de schakelaar als het kompaspunt dat het vertegenwoordigt. Om isolatieredenen kan de busmaster alleen informatie over de windrichting lezen als de adresseerbare schakelaar gesloten is. Anders zou
de communicatie worden verstoord telkens wanneer een reed-schakelaar werd gesloten en het bijbehorende serienummer zijn aanwezigheid op de lijn aangaf. |
| |
| De communicatie met de windrichtingsensor begint wanneer de busmaster de DS2407-uitgang inschakelt en een kant van alle DS2401's verbindt met de 1-draads busaardingslijn. Met zijn rotor en magneet activeert (sluit) de windvaan ten minste één van de reed-schakelaars, waardoor de andere kant van die DS2401 op de datalijn wordt aangesloten, zodat de busmaster het serienummer kan lezen. Omdat de master eerder heeft geleerd welk kompaspunt elke DS2401 identificeert, weet hij in welke richting de vaan wijst wanneer een bepaalde DS2401 zich op de bus bevindt. |
| |
| De acht reed-schakelaars geven direct acht kompaspunten aan. Vanwege de lengte van de magneet zijn echter beide gesloten wanneer de magneet zich ongeveer halverwege tussen twee aangrenzende reed-schakelaars bevindt. De busleider begrijpt dat dit betekent dat de windwijzer zich halverwege tussen twee kompas-punten bevindt, dus er worden 8 extra punten afgeleid, voor een totaal van 16. |
|
|
 |
| |
Figuur 3. Alle elektronica voor het basisweerstation zijn gemonteerd op een enkelzijdige PCB. Twee standaard RJ11 telefoon connectoren worden gebruikt voor de aansluiting naar de interface of extra sensors..
De regenmeter die in Figuur 2 wordt getoond kan op deze wijze worden toegevoegd. |
|
|
|
Het weerstation verwerkt windsnelheidsmetingen op een vergelijkbare manier. De sensor bestaat uit twee magneten die zijn gemonteerd op een tweede rotor die is bevestigd aan de as van de windbeker. De magneten bedienen een reed-schakelaar die is aangesloten op de DS2423-tellerchip
die het serienummer van de sensor levert. In elk van de twee buitenste gaten van de rotor is één magneet gemonteerd, die twee tellingen per omwenteling levert en zo de respons bij lage windsnelheden verbetert. De opstelling met twee magneten zorgt ook voor een rotatiebalans van de rotor, een belangrijke overweging aangezien de rotor 2400 tpm kan bereiken bij windsnelheden van 160 km / u (100 mph). |
| |
| De tellerchip houdt het totale aantal omwentelingen van de windbeker bij en stuurt de gegevens op verzoek door naar de busmaster. De chip bevat twee 232-bits tellers en kan 10 jaar van stroom worden voorzien met een kleine lithiumbatterij. Stroom voor de tellerchip komt van diode CR1 en condensator C1 (weer verwijzend naar figuur 1), die de halfgolfgelijkrichter vormen die stroom van de datalijn steelt. De teller kan alleen op nul worden teruggezet als deze parasitaire stroom wegvalt. |
| |
De busmaster berekent de windsnelheid door het verschil te nemen tussen twee waarden die in de teller zijn opgeslagen, de ene gegenereerd vóór
en de andere gegenereerd na een geklokt interval. De berekening houdt ook rekening met andere factoren zoals de verhouding van omwentelingen per minuut tot kilometers per uur. |
| De omgevingstemperatuur wordt gemeten met de DS1820 1-draads digitale thermometer. Deze op zichzelf staande sensor meet de temperatuur als het verschil tussen twee oscillatoren, waarvan er één temperatuurafhankelijk is. De sensor werkt binnen een bereik van 55 ºC tot 125 ºC en biedt een ongecorrigeerde nauwkeurigheid van ± 0,5 ºC boven 0 ºC tot 70 ºC. (Voor een hogere resolutie, zie de berekeningen in het gegevensblad.) |
| |
| Voor meetnauwkeurigheid wordt deze sensor normaal gesproken in een aparte, geventileerde behuizing gemonteerd. In overeenstemming met de nadruk op eenvoud van het oorspronkelijke ontwerp, werd het echter op de printplaat van het weerstation gemonteerd. Omdat blootstelling aan de zon de binnenkant van de behuizing kan verhogen tot 20°C boven de omgevingstemperatuur, kan deze opstelling leiden tot grote leesfouten. Het probleem kan worden opgelost door een extra digitale thermometer in een aparte behuizing te monteren en deze aan de bus toe te voegen door deze in de RJ-12 connector op de printplaat te steken. Een meting van zonnestraling kan dan worden berekend uit het verschil tussen de twee temperatuurmetingen. De binnentemperatuur kan worden gemeten met een andere DS1820 die op de gewenste locatie is gemonteerd en is aangesloten op hetzelfde getwiste paar dat naar het weerstation gaat. Er kunnen zelfs meerdere DS1820's aan de 1-draads kabel worden toegevoegd om de temperatuur overal langs de lengte te meten, tot 300 m. |
Neerslag wordt gewoonlijk gemeten met de vul-en-tipmethode. Regen komt de collector binnen, druppelt door een klein gaatje in de trechtervormige bodem en valt in een van de twee identieke bakken met een bekend volume die aan weerszijden van een balk zijn gemonteerd. Het ene vat is omhoog, het andere omlaag. Wanneer de bovenste houder vol is, draait dat uiteinde van de balk naar beneden. Het water stroomt eruit en loopt weg. Deze actie brengt de onderste houder omhoog in de bovenste positie en de cyclus gaat verder. Elke keer dat de straal beweegt, sluit een magneet die erop is gemonteerd tijdelijk een reed-schakelaar, waarbij elke sluiting typisch 0,01 inch regen vertegenwoordigt. Omdat het systeem
een DS2423 1-draads tellerchip bevat met de reed-schakelaar, kan regenmeting aan het weerstation worden toegevoegd door simpelweg de
I/O-pin aan te sluiten op de twisted-pair bus. |
| |
| Samenvatting |
| |
| 1-Wire-technologie biedt verschillende voordelen ten opzichte van conventionele weerinstrumenten. Een enkele draad plus aarde levert stroom en bidirectionele communicatie. Omdat elke sensor wordt geïdentificeerd door een uniek serienummer, is het eenvoudig om sensoren toe te voegen waar nodig op elk punt op het getwiste paar. Naast het basisweerstationpakket van windsnelheid- en richtings-, temperatuur- en regenvalsensoren, zijn er apparaten beschikbaar voor het meten van luchtdruk, vochtigheid, bliksem en bodemvocht. Meerdere weerstations die een enkele kabel delen, kunnen op verschillende hoogten boven de grond worden gemonteerd voor real-time meting van laminaire luchtstroom of temperatuurvariatie met de hoogte. Een systeem bestaande uit ten minste zes 1-draads weerstations wordt momenteel overwogen voor gebruik op een zendantenne van een televisiestation. |
| Bronnen: Dan Awtrey. Feb. 1997. "Transmitting
Data and Power Over a One-Wire Bus,"
Sensors:48-51. |
|
|
|
|
|
|
