Sam svoj vremenar

Prihaja zima in z njo mrzlo in slabo vreme. Dobra domača vremenska postaja pomaga, da še pravi čas umaknemo rože z balkona, da nam hrana v kleti ne zamrzne, da si v ogrevanem prostoru zagotovimo prijetno bivanje z dovolj vlažnim zrakom … Koliko stane? Jo lahko kupimo po delih? Kako jo naredimo sami?

Preprost segmentni prikazovalnik boljše vremenske postaje

Raje, kot da bi v kriznih časih preučevali zahtevne standarde za nakup in postavitev drage (pol)profesionalne strojne opreme za merjenje in napovedovanje vremena v vremenski hišici na domačem vrtu in upali, da si bomo povrnili vsaj del naložbe s predvajanjem oglasov na svoji »dobro obiskani« vremenski spletni strani, bomo preučili možnosti za nakup ali izgradnjo poceni domače digitalne vremenske postaje. Zanimala nas bo predvsem njena uporabna vrednost, še posebej možnost povezave prek vodila USB in obdelave podatkov v osebnem računalniku; pa tudi, ali lahko vremensko postajo in/ali njene oddaljene merilne enote povežemo s sistemom za avtomatizacijo doma.

Kaj znajo in koliko stanejo

Najenostavnejše vremenske postaje za rabo doma po okoli 20 evrov so sestavljene le iz bazne enote, nemalokrat z uro budilko, včasih celo z radiem, ki meri čas, temperaturo, zračni pritisk in relativno vlažnost zraka. Povezave z osebnim računalnikom ali možnosti za prenos podatkov na ključek USB ni.

Cenovni razred od 30 do 70 evrov prinaša še baterijsko podprto brezžično merilno enoto za merjenje vremenskih parametrov v enem izmed drugih prostorov ali na prostem. Poudarek je predvsem na cenenosti, estetiki, enostavnosti namestitve in sorazmerno majhni porabi energije, ki ne zahteva omrežnega napajanja. Napovedovanje vremena je omejeno na trend upadanja ali naraščanja zračnega tlaka. Naraščanje pomeni, da prihaja lepo vreme, upadanje pa ravno nasprotno. Cena vremenske postaje je odvisna od dokaj enostavnih dodatnih funkcionalnosti, kot so: barvni zaslon, možnost napajanja prek omrežja ter možnosti shranjevanja in prenosa vremenskih podatkov na ključek USB, ki ga lahko beremo z osebnim računalnikom.

Dražje rešitve, za več kot 70 evrov, pogosto že omogočajo neposredno komunikacijo z osebnim računalnikom prek USB in zmogljivejšo zunanjo merilno enoto, ki vsebuje tudi merilnik smeri in hitrosti vetra; pogosto pa še merilnik količine padavin. Večji sta tudi natančnost in točnost meritev. Večina vremenskih postaj hrani tudi nekaj vrednosti zračnega tlaka za nazaj, ki jih na zaslonu prikazuje v obliki stolpčnega diagrama. Večina baznih enot omogoča tudi sprejemanje radijskega signala atomskih ur, DCF-77, ki zagotavlja točno merjenje časa tudi brez internetne povezave. Toda  sprejemnik DCF-77 deluje le, če je nameščen v prostoru z dobrim sprejemom radijskega signala. Veliko je tudi različnih dodatnih funkcionalnosti, kot je prikaz napovedi vremena na podlagi več vremenskih parametrov. Nekatere znajo sproti računati tudi občutek ugodja in točko rosišča. Napajanje iz omrežja je pri dražjih modelih izbirno.

Vremenska postaja z barvnim prikazovalnikom LCD

Eden izmed osnovnih kompletov za polprofesionalno vremensko postajo Oregon Scientific

Sledi velik cenovni preskok, od približno 500 evrov naprej, k polprofesionalnim in profesionalnim vremenskim postajam. Poleg zračnega tlaka, vlažnosti zraka in temperature merijo vsaj še hitrost in smer vera ter količino padavin. Vse vremenske parametre tudi začasno shranjujejo (navadno v polurnih) intervalih, da jih lahko kasneje prek vodila USB prenesemo v osebni računalnik in tam obdelamo. Osnovni paket navadno obsega bazno enoto in osnovna tipala. Dodatna tipala lahko dokupimo posebej in jih prek brezžične povezave enostavno povežemo z vremensko postajo. Eno izmed takih tipal je, denimo, merilnik jakosti ultravijoličnega sevanja in osvetlitve. Vendar so zmogljivost, prilagodljivost in dodatne funkcionalnosti vremenske postaje odvisne od tega, koliko smo pripravljeni odšteti zanjo. Cene se »neusmiljeno« višajo tudi prek 1500 evrov, ko vstopamo v svet profesionalnih vremenskih postaj. Zato ne preseneča, da imamo poleg možnosti napajanja prek omrežja še posebej za merilne enote poleg baterijskega in omrežnega napajana tudi možnost napajanja prek sončnih celic.

Posredovanje meritev v splet

Za posredovanje podatkov ni potrebna stalna povezava vremenske postaje z osebnim računalnikom. Bazne enote vremenskih postaj shranjujejo izmerjene vrednost vremenskih parametrov v (pred)nastavljenih časovnih intervalih (npr. na pol ure). Prek vodila USB podatke prenesemo v osebni računalnik, na njem jih lahko ob pomoči ustrezne aplikacije tudi grafično in statistično obdelujemo in pošiljamo v omrežja za posredovanje vremenskih podatkov.

Več o programskih aplikacijah za profesionalne in polprofesionalne vremenske postaje si lahko preberete na spletni strani en.wikipedia.org/wiki/Category:Meteorological_data_and_networks.

Kako pomembna je estetika?

Marsikdo napačno meni, da je kakovost vremenske postaje pogojena zmogljivim barvnim, grafičnim prikazovalnikom (GLCD) in napisom z angleško besedo »professional«. Raba besede »profesionalen(a)« pri vremenskih postajah ni zakonsko določena. Zato jo številni izdelovalci izkoriščajo tudi za označevanje izdelkov iz nižjih cenovnih razredov, pri čemer je edina »profesionalnost« v estetskem videzu.

Barvne prikazovalnike pogosteje najdemo v razredu vremenskih postaj od 50 do 70 evrov, v katerem razmeroma drag barvni prikazovalnik navadno pomeni, da morajo biti zato preostale komponente nekoliko cenejše in podobne komponentam vremenskih postaj iz cenovnega razreda do 50 evrov.

Druge vremenske postaje imajo večinoma enostavne, navadno segmentne prikazovalnike LCD, ki so namensko izdelani. Kljub temu lahko t. i. »okvir za fotografije«, opremljen z aktualnimi vremenskimi podatki, za nekaj 100 evrov dokupimo tudi za polprofesionalno vremensko postajo. To je razumljivo tudi zato, ker že za vse potrebne elektronske komponente in ohišje za solidno lastno vremensko postajo z modro-belim GLCD zapravimo okoli 50 evrov …

Cenejša vremenska postaja z zunanjo brezžično, baterijsko merilno enoto

Delovanje: bazna enota

Delovanje vseh digitalnih merilnih postaj je podobno. Za uporabnost so ključni berljiv prikaz izmerjenih vrednosti  in kakovostna tipala. Meritve vremenskih parametrov navadno izvaja tako bazna enota kot oddaljene merilne enote. Delovanje vremenske postaje najlaže razložimo na praktičnem zgledu.

Na spletni strani Modularna vremenska postaja, PC USB Projects (sites.google.com/site/pcusbprojects/5-custom-projects/bg-weather-station), najdemo opis gradnje modularne vremenske postaje, ki jo sestavljajo bazna in merilne enote. Vremenska postaja je grajena iz zmogljivejših elektronskih komponent. Napajanje je izvedeno prek vodil USB, a jo lahko priključimo tudi na lasten napajalnik.

Osrčje vremenske postaje je 8-bitni mikrokrmilnik PIC18F26J50, ki bere podatke iz dveh digitalnih tipal, ki z mikrokrmilnikom komunicirata prek industrijskega zaporednega vodila I2C (vodilo med integriranimi vezji, angl. inter-integrated circuit bus). Prvo, HP03MA, meri zračni tlak in temperaturo, drugo, TH02, pa relativno vlažnost zraka in temperaturo. Vrednost temperature je namreč ključna za izračun zračnega tlaka v prostoru kot tudi relativne vlažnosti zraka, obenem je tudi uporaben podatek.

Tipalo za zračni tlak, HP03MA, deluje v temperaturnem območju med –20° C in 60° C, v območju tlaka od 300 hPa do 1100 hPa. Ločljivost tipala je 0,1 hPa, relativna točnost v merilnem območju med 750 hPa in 1100 hPa pa je ±1,5 hPa. Tipalo je tovarniško umerjeno, koeficienti umerjanja, ki jih potrebujemo za izračun zračnega tlaka, so shranjeni v njegovem bralnem pomnilniku. HP03MA lahko kljub temu še dodatno programsko umerimo na ožjem merilnem območju in s tem zagotovimo večjo točnost. Zajem in digitalizacija vrednosti tlaka trajata približno 35 ms. Zato je tipalo primerno tudi za merjenje višinske razlike na temelju spremembe zračnega tlaka. Je pa res, da ni najbolj poceni, saj stane okoli 15 evrov, lahko pa tudi več, odvisno od tega, kje ga kupimo.

Aplikacija za mobilni telefon 4G, ki omogoča prenos podatkov iz vremenske postaje

Tipalo za relativno vlažnost zraka, TH02 (stane koli 3 evre), ne potrebuje tovarniškega umerjanja. Zato so koeficienti za izračun relativne vlažnosti zraka že v navodilih za uporabo. Deluje v merilnem območju od 20 % do 80 % relativne vlažnosti zraka (točnost ±4,5 %), pri temperaturi med –40° C in 85° C. Trajanje pretvorbe in digitalizacije je okoli 40 ms pri 14-bitnem vzorčenju temperature in 12-bitnem vzorčenju relativne vlažnosti.

Bazna postaja ima vgrajeno tudi uro realnega časa. Po vnovičnem zagonu vremenske postaje (odklop in priklop napajanja) jo nastavimo ob pomoči odprtokodne aplikacije za PC. Na podlagi ure realnega časa je mogoče natančno izračunavati položaj Lune in vse, kar je povezano z njim. Omogočeno je tudi periodično shranjevanje izmerjenih vrednosti v pomnilnik mikrokontrolorja bazne enote, od tam pa jih lahko prek vodila USB prenesemo v osebni računalnik.

Poleg omenjenih digitalnih tipal je z bazno enoto prek vodila SPI (zaporedni zunanji vmesnik, angl. serial peripheral interface) izbirno povezan še zmogljiv oddajno-sprejemni modul (RFM69CW, stane okoli 5 evrov) za brezžično komunikacijo z oddaljenimi merilnimi enotami. Vgrajena programska oprema omogoča PIC18F26J50 komunikacijo z do 65535 do 90 m oddaljenimi merilnimi enotami. Vendar samodejno zajema podatke iz lastnih tipal in iz največ dveh merilnih enot. Podatke iz preostalih merilnih enot lahko zajamemo le ob pomoči aplikacije za PC.

Bazna enota omogoča tudi izbirni priklop dveh prikazovalnikov: znakovnega LCD z možnostjo dodajanja osmih lastnih znakov ali modro-belega grafičnega LCD (GLCD) z lastnim mikrokrmilnikom. Enostavni LCD omogoča prikaz dvakrat po 16 znakov, kar je ravno dovolj za hkraten izpis temperature, zračnega tlaka in relativne vlažnosti. Za prikaz časa in datuma moramo izpustiti prikaz relativne vlažnosti. A je ta še vedno na voljo v odprtokodni aplikaciji za PC, ki jo dobimo na spletni strani Modularna vremenska postaja, PC USB Projects. Za popoln izpis trenutnih vremenskih parametrov, brez PC, moramo sestaviti modul GLCD z lastnim mikrokrmilnikom, ki ga z bazno enoto povežemo prek vodila I2C. Več podatkov najdemo na spletni strani: sites.google.com/site/pcusbprojects/5-custom-projects/bj-graphics-lcd-with-touchscreen.

Vremenska postaja s povezavo z GLCD

Delovanje: Oddaljene merilne enote

Zunanje merilne enote merijo enega ali več vremenskih parametrov. Polprofesionalne in profesionalne vremenske postaje imajo navadno za merjenje vsakega od parametrov svoj merilnik z lastnim oddajnikom, brezžične merilne enote cenejših vremenskih postaja pa združujejo več tipal v istem ohišju ali pa so ta priključena nanje prek žične povezave. Zato je dovolj en sam oddajniški oziroma oddajno-sprejemni modul.

Brezžična povezava z modulom RFM69CW ima sorazmerno dolg domet, okoli 90 m. Oddaljene merilne enote zato brez zadržkov namestimo v druge prostore stanovanja ali hiše, ne da bi se morali pretirano bati sten, ki ovirajo njihove brezžične povezave z bazno enoto.

Sestava merilnih enot je sorazmerno enostavna, saj imajo navadno le po eno tipalo in oddajniški modul, s katerim v določenih časovnih intervalih bazni enoti posredujejo nove izmerjene vrednosti s svojih tipal. Na spletni strani Modularna vremenska postaja, PC USB Projects, je tudi načrt za gradnjo zunanje merilne naprave z 32-bitnim mikrokrmilnikom, PIC32MX250F128B, z dvema 16-bitnima temperaturnima tipaloma ADT7410 in oddajno-sprejemnim modulom RFM69CW. Modularna merilna enota lahko hkrati deluje tudi kot termostat. Če krmilnega dela ne potrebujemo, lahko merilno enoto izvedemo brez relejskih krmil.

Natančnost in točnost meritev

Natančnost meritve temperature je navadno 0,5° C, redko 0,1° C. Večja natančnost za meritve vremena ni smiselna zaradi šuma digitalnih tipal, ki nastane zaradi analogno-digitalne pretvorbe izmerjene vrednosti temperature. Boljša digitalna tipala sicer zmorejo tudi do desetkrat večjo natančnost, a je izmerjene vrednosti težko dovolj dobro linerarizirati čez celotno merilno področje, potreben pa je tudi zmogljivejši prikazovalnik. Zato se izdelovalci vremenskih postaj več kot enega decimalnega mesta ne prikazujejo.

Natančnost meritve zračnega tlaka je navadno 1 hPa (hekto pascal, oz. mili bar). Kakovostna elektronska tipala zmorejo tudi desetkrat večjo natančnost. Toda točnost meritve je dostikrat pomembnejša od natančnosti. Zračni tlak se spreminja tudi z nadmorsko višino. Zato agencija Republike Slovenije za okolje v spletu za večino krajev objavlja vrednosti tlaka, preračunane na gladino morja. Tak izračun je uporaben le do višine 700 m. Izmerjene vrednosti nad to višino ne preračunajo. To je dobro vedeti, če podatke z lastne vremenske postaje primerjamo z uradno izmerjenimi vrednostmi v spletu.

Vremenska postaja kot del PC

Med namiznimi pripomočki za Windows 7 (angl. deskop gadgets) najdemo tudi pripomočke za uro, koledar in prikaz vremenskih podatkov z vremensko napovedjo za tri dni. Več kot očitno je, da so pripomočki sad izraženih želja ključnih uporabnikov Windows XP in predprodukcijskih različic Windows 7. Čeprav se zdijo ob začetku uporabe Windows 7 marsikomu moteči, se jih hitro navadimo in postanejo celo nepogrešljivi. Toda nanje se lahko zanesemo le zato, ker sproti dobivajo podatke iz spletnih omrežij za zbiranje vremenskih podatkov in napovedovanje vremena. Če se internetna povezava pretrga ali je ni mogoče vzpostaviti ali v naši širši okolici ni (polprofesionalne) vremenske postaje, se lahko na zaslonu pokažejo tudi napačni podatki.

Kljub temu ni treba veliko, da usposobimo domači namiznik, prenosnik, tablico ali mobilni telefon za pridobivanje vremenskih podatkov. Bistven je tak ali drugačen komunikacijski vmesnik, s katerim  računalnik bere podatke iz tipal. Ker ima večina PC danes le vodila USB z dokaj zapletenim komunikacijskim protokolom, potrebujemo vsaj enostaven mikrokrmilnik, prek katerega implementiramo povezavo USB z osebnim računalnikom in SPI, I2C, 1-WIRE ali drugo vodilo za zajem podatkov iz tipal in priklop modula za brezžično komunikacijo.

Doma narejen prikazovalnik GLCD z zaslonom na dotik, lastnim mikrokrmilnikom, ki prikazuje podatke z vremenske postaje v ohišju, sicer namenjenem za avtomatske omrežne odklopnike

Zato skoraj z gotovostjo trdimo, da bo naslednja evolucijska stopnja digitalnih vremenskih postaj brezžična modularna vremenska postaja, ki bo sestavljena iz bazne enote z brezžično ethernetno povezavo za komunikacijo s pametnimi napravami, in oddajno-sprejemni modul za zbiranje podatkov iz brezžičnih merilnih enot. Kaj pa zaslon? Že danes lahko uporabimo katerokoli pametno napravo z zaslonom na dotik in napajanjem iz omrežja (npr. tablico), ki zna komunicirati prek brezžične ethernetne povezave, na katero namestimo ustrezno programsko aplikacijo.

To je tudi osnovni koncept Modularne vremenske postaje, ki smo jo predstavili v osrednjem delu članka. Do polprofesionalnosti ji manjkajo le še nekatera tipala, kot je merilnik smeri in hitrosti vetra ter merilnik količine padavin. A to ne pomeni, da jih ne moremo dokaj enostavno dodati. Veliko teže jih je pravilno namestiti, če ne živimo v hiši z velikim vrtom.