Costruire un Pluviometro LORA


di Paolo Bonelli





Sommario
Premessa
Che cos'è un pluviometro?
Come funziona
Sensore pluviometrico Davis
Sensore di pioggia
Microcontrollore
Schema elettrico
Assorbimento in corrente del sistema
Firmware
Logica di funzionamento
Funzionalità di auto-reset
La centralina di ricezione LoRa
Conclusioni




Premessa
Il presente documento descrive un prototipo di strumento per la misura della precipitazione, appositamente progettato e costruito per la Difesa Civica. La Difesa Civica è un progetto che intende realizzare un sistema di previsione e allerta di fenomeni di dissesto idrogeologico, partendo dal basso, organizzato e gestito da volontari che provvedano alla formazione dei cittadini sulla gestione del rischio nonché al monitoraggio dei fenomeni più intensi. Per questo motivo il pluviometro deve rispondere a requisiti particolari, che vengono descritti più avanti e non ha uno scopo commerciale, ma rientra nella categoria dei dispositivi open source.
Che cos'è un pluviometro?

Un pluviometro, in inglese rain gauge, è uno strumento che serve a misurare la precipitazione acquosa: pioggia, grandine o neve. L'unità di misura è il mm (millimetro) che corrisponde ad un volume di acqua liquida di un litro (dm3) su una superficie di un metro quadrato (m2). Nel caso della neve, alcuni pluviometri sono in grado di misurare l'equivalente in acqua, vale a dire i litri ottenuti dalla neve sciolta.Non misurano quindi l'altezza della neve in cm, che invece è stimata da altri strumenti. Per la grandine vale lo stesso discorso che per la neve.

Come funziona

Il pluviometro si compone di una parte meccanica ed una elettronica. La prima è composta da un imbuto di raccolta e un sistema che traduce la quantità di acqua piovana in impulsi elettrici, a loro volta inviati in tempi casuali alla parte elettronica; ogni impulso corrisponde ad una quantità fissa di acqua o mm di pioggia, tipicamente 0,2 mm.
Per passare dalla quantità di acqua raccolta ai mm di pioggia si usa la seguente formula:
R (mm) = A (L) / S (m2);
dove R è la precipitazione in millimetri,
A è la quantità di acqua misurata in litri,
S è la superficie dell'imbuto di raccolta del pluviometro in metri quadrati.
Un parametro molto importante ai fini degli effetti al suolo della pioggia, come portata dei fiumi, esondazioni, frane, è l'intensità della pioggia, espressa in millimetri all'ora ( mm/h ).
Tipicamente una pioggia di intensità moderata si aggira sui 10 mm/h, mentre una pioggia violenta sui 100 mm/h. Spesso le piogge di intensità molto forte si manifestano con una durata inferiore all'ora, quindi ai fini di un sistema di allerta meteo basato su misure di pluviometri è bene non aspettare un'ora di misure per prevedere un rischio di alluvione, ma raccogliere i dati più frequentemente, ad esempio ogni 3 minuti come nel sistema qui descritto.
La misura dell'intensità di precipitazione è fondamentale per prevedere possibili esondazioni di corsi d'acqua e frane dovute ad instabilità di un versante montano per imbibimento del terreno.
La parte meccanica del pluviometro, in particolare quello usato in questo progetto, è costituita da un cucchiaino basculante che raccoglie l'acqua proveniente dall'imputo sovrastante e, una volta pieno, si inclina verso il basso scaricando l'acqua. Il cucchiaino, una volta svuotatosi, ritorna immediatamente nella posizione di partenza. Ogni basculamento del cucchiaino, che corrisponde a 0,2 mm di pioggia, genera un impulso elettrico tramite un magnete e un sensore, che viene acquisito dalla parte elettronica.
Un sistema di protezione civile, che usi osservazioni in tempo reale dei fenomeni al suolo, oltre alle previsioni meteo, comprende uno o più pluviometri dislocati in punti significativi del territorio, dove precedentemente è stata fatta un'analisi dei possibili rischi.Gli strumenti devono soddisfare i seguenti requisiti:
1. Trasmettere i dati almeno ogni 3 minuti dall'inizio della precipitazione;
2. Usare una tecnologia di trasmissione dati a lunga distanza con bassi consumi di energia;
3. Avere un'alimentazione autonoma a batteria con eventuale pannello solare FV.
4. Essere affidabile da un punto di vista hardware e software.

La parte meccanica del pluviometro qui descritto è fornita dalla ditta statunitense Davis, abbastanza famosa nel mondo per vendere stazioni meteo con un buon compromesso tra affidabilità e prezzo.
La ditta Davis fornisce stazioni complete di sensori e sistemi di trasmissione e raccolta dati su Internet. Lo svantaggio della stazione completa Davis, in commercio, è quello di non avere un sistema di trasmissione dei dati wireless a lunga distanza e di inviare i dati esclusivamente ad un suo server proprietario, rendendo quindi difficile la personalizzazione del sistema di raccolta e presentazione dati.
Nel presente progetto si è preferito adottare solo la parte meccanica del pluviometro Davis collegandola ad un'elettronica costruita ad hoc.
Assieme al pluviometro Davis è stato installato un doppio sensore di pioggia con lo scopo di avviare il conteggio degli impulsi solo alle prime gocce. Si è preferito raddoppiare il sensore di pioggia per migliorare l'affidabilità del sistema.
La parte elettronica del pluviometro è composta da un nodo trasmettitore (TX), posto vicino alla parte meccanica e autonomo energeticamente, e un nodo ricevitore (RX), posto in luogo con alimentazione elettrica e connessione WiFi che può essere distante alcuni chilometri dal nodo TX. Un solo nodo RX è in grado di ricevere molti nodi TX.
L'elettronica del TX ha lo scopo di contare gli impulsi provenienti dal pluviometro, trasformarli in grandezze legate alla quantità di pioggia e alla sua intensità e trasmetterli via radio con la tecnologia LoRa (Long Range).
I parametri trasmessi, oltre a quelli dell'identificativo del nodo, sono:
* il numero di impulsi contati in un certo tempo(periodo) dall'inizio della precipitazione;
* il periodo in cui vengono contati gli impulsi (attualmente 180 s = 3 min);
* i decimi di millimetro di pioggia al minuto;
* i valori 1 o 0 dei sensori di pioggia (1: dry; 0: wet);
* la tensione della batteria;
* il numero progressivo dei messaggi inviati;
Il software del nodo TX è ottimizzato per consumare meno energia possibile, a tal fine, in assenza di pioggia la CPU del nodo viene messa in sleep mode.
Appena uno dei due sensori di pioggia segnala la presenza di gocce d'acqua, il software comincia a contare gli eventuali impulsi provenienti dal cucchiaino del pluviometro e trasmette un messaggio radio ogni periodo prefissato (3 min).
Nel caso di presenza di gocce d'acqua sui sensori in assenza di pioggia, per esempio con la rugiada mattutina o alla fine del fenomeno piovoso, il conteggio andrà avanti fino al prosciugamento dei sensori, ma il dato trasmesso in questi casi sarà 0 mm di pioggia.
Dopo un certo tempo con assenza di pioggia (attualmente di circa 4 min), il nodo trasmette comunque un messaggio.
Il nodo di ricezione RX ha le seguenti funzioni:
1. riceve i messaggi provenienti da tutti i nodi TX siano essi dotati di pluviometri o di altri sensori;
2. calcola, per ogni nodo, i mm di pioggia misurati nell'ora precedente;
3. trasmette al server Internet tutti i dati, tramite una connessione WiFi.

Per tutti i dettagli sul protocollo di trasmissione dati usato e le modalità con cui il nodo RX invia i dati al server, si veda il documento Come costruirsi una Mini Rete LoRa.

Sensore pluviometrico Davis
segue....
scarica il documento PDF completo con i link , lo sketch ecc ecc
PLUVIOMETRO.PDF


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