WeatherPi:一個 Raspberry Pi 和 Python 的微型氣象站專案

這是我們在 PyCon Taiwan 2021 的分享，主要介紹 WeatherPi 微型氣象站的專案。
https://tw.pycon.org/2021/zh-hant/conference/talk/188

這專案的硬體使用 Raspberry Pi + 氣象站套件 + APRS 轉接板讀取資訊，再搭配 LoRa 做無線傳輸。並且因應戶外的電力需求，需外接太陽能板和機車電瓶。

軟體方面使用 Python 開發，透過 LoRa 將氣象資料和地理座標傳輸到閘道器後，再使用 MQTT 將資料傳送到雲端 Broker，最後以地圖方式視覺化氣象資料。

Transcript

1. 1 WeatherPi: 一個 Raspberry Pi 和 Python 的微型氣象站專案 sosorry <sosorry@piepie.com.tw> 2021/10/02 @PyCon Taiwan 2021
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3. 3 • Raspberry Pi 官方經銷商 • 專注 Raspberry Pi 應用與推廣 , 舉辦社群活動 關於我們
5. 5 • 氣象監測 • WeatherPi 專案介紹 • WeatherPi 流程 • 真實世界的挑戰 • 結語 大綱
6. 台灣以農立國 https://nspp.mofa.gov.tw/nspp/news.php?post=182906
7. 但農民看天吃飯 https://www.agriharvest.tw/archives/18330
8. 現況 : 全國自動氣象站 https://www.rti.org.tw/news/view/id/2105966
9. https://memes.tw/wtf/385573
10. • 溫度 ( 日平均 / 最高 / 最低 ) • 風速 / 風向 ( 日最大十分鐘 / 最大瞬風 ) • 雨量 ( 日雨量 / 前一分鐘 / 前十分鐘 ) • 日照 ( 強度 / 時數 ) • 相對濕度 • 氣壓 什麼是氣象資訊？ https://www.jbatrust.org/how-we-help/weather-station/
11. 相關專案介紹
12. LASS 空氣盒子專案 https://www.slideshare.net/LingJyhChen1/for-80178578
13. • https://pm25.lass-net.org/GIS/voronoi/ • https://pm25.lass-net.org/GIS/IDW/ • https://v5.airmap.g0v.tw/#/map 提供不同角度的視覺化
14. 阿龜微氣候天眼通 https://meet.bnext.com.tw/articles/view/44585
15. 整合軟體 / 硬體 / 數據分析 https://www.ithome.com.tw/news/116184
16. 已經有類似專案 , 為什麼還要再做？
17. 17 過去我們做的專案
18. ( 本來 ) 和花蓮大學老師合作推廣
19. • 使用 Raspberry Pi 加 Python 的開源專案 • 可長時間測量溫濕度 , 風速 , 風向 , 雨量等氣象資訊 WeatherPi 專案
20. • 信用卡大小般的電腦 Raspberry Pi 是什麼 ? http://www.flickr.com/photos/fotero/7697063016/
21. David Braben Eben Upton Robert Mullins Alan Mycroft Pete Lomas Jack Lang Liz
22. Raspberry Pi Family https://infosec.exchange/@slh/102368284825610438 最早量產 規格最好 最穩定
23. WeatherPi 所需硬體 太陽能板 防水盒 GPS 太陽能充電控制板 + 充電電池 LoRa Pi4 INA219 母母排線 風速 / 風向 / 雨量氣象站
24. WeatherPi 專案架構 農田 / 果園 家中 / 閘道器
25. 如何測量氣象資訊？
26. 微型氣象站 https://projects.raspberrypi.org/en/projects/build-your-own-weather-station 測量風向 測量雨量 測量風速 測量溫濕度
27. • 計算連接到風速杯的電磁開關被觸發的頻率 • 風速 = 距離 / 時間 • 每秒旋轉一圈應等於 2.4 公里 / 小時 ( 半徑 9cm) 風速測量原理 https://projects.raspberrypi.org/en/projects/build-your-own-weather-station/5 電磁開關
28. • 根據分壓電路計算不同方向的電阻值 , 再轉換成 16 種可能的角度 風向測量原理 https://projects.raspberrypi.org/en/projects/build-your-own-weather-station/7
29. • 當累積雨量達 0.2794 mm 將會傾倒水桶並觸發 雨量測量原理 https://projects.raspberrypi.org/en/projects/build-your-own-weather-station/8
30. • 建構於 Plotly.js, React.js 和 Flask 的網頁框架 • 可快速建立高互動性的圖表和儀表板 Dash 整合式儀表板 http://bit.ly/3FlpYXR
31. 收集好一切資訊 , 該傳送出去了
32. 這些場景需要哪種無線技術？ https://www.lora-alliance.org/portals/0/documents/whitepapers/LoRa-Alliance-Whitepaper_NBIoT_vs_LoRa.pdf 智慧電錶 農業監控 寵物追蹤 智慧城市
33. 速度與距離的考量 https://www.slideshare.net/PeterREgli/lpwan 數公里以上 數百公尺到一公里 數十公尺 >10Mbps 100Kbps ~ 10Mbps <10Kbps
34. 不同無線傳輸技術的特點 https://www.slideshare.net/PeterREgli/lpwan
35. • LPWAN(Low Power Wide Area Network) 低功耗廣域網路 http://www.techbang.com/posts/49656
36. 從 OSI 模型看 LPWAN https://www.slideshare.net/infiswift/lpwan-for-iot-62591541
37. • 法國公司 Cycleo 設計 ,Semtech 在 2012 收購 • LoRa 是實體層 (PHY) 的調變技術 • 採用 CSS(Chirp Spread Spectrum) 調變技術 • 常用頻段 :433/470~510/868/900-925MHz • 低功耗 , 低資料率 , 長距離 , 低價格 • 低功耗 :RX<10mA, Sleep<200nA • 長距離 :500m 到 15Km • 靈敏度 : 低於 -137 dBm • 資料率 :0.3kbps 到 50kbps LoRa(Long Range)
38. • 從捷運古亭站到捷運南勢角站 (~5KM) 實測距離 興南路南勢派出所 和平西路 & 牯嶺街口 SNR=-11
39. 真實場域的挑戰
40. • Raspberry Pi 功耗要小 • 太陽能板要大 • 電池電容量要大 能長時間使用的關鍵 , 輸入 > 輸出
41. • 利用分壓電路計算流經負載的直流電流和電壓差 • 可量測 0~±8A, 精度為 1mA • 功耗 =( 電源 - 負載的電壓差 )*( 電流 ) 使用 INA219 測量功耗 https://wiki.dfrobot.com/Gravity%3A%20I2C%20Digital%20Wattmeter%20SKU%3A%20SEN0291
42. 使用 INA219 監控充放電狀況 http://bit.ly/3zrIz08 測量太陽能板的充電功率 測量充電電池的輸出功率 太陽能板 充電電池
43. • 選擇適合型號的 Raspberry Pi • 安裝 Raspberry Pi OS Lite • 將 CPU 和 RAM 降頻 + 關掉不必要的週邊 • 只安裝必要程式 + 只啟動必要的服務 • 將收集氣象資料的程式執行頻率降低 如何省電？
44. Raspberry Pi 功耗比較 https://raspi.tv/2019/how-much-power-does-the-pi4b-use-power-measurements
45. 太陽能板 + 電池的選擇
46. 號稱可以使用的設備 https://www.rs-online.com/designspark/solar-powering-your-raspberry-pi-cn 太陽能板 :1.25W 充電電池 :6V
47. 最初買來測試的設備 https://www.waveshare.com/solar-power-manager-b.htm 太陽能板 :10W 充電電池 :3.7V
48. • Pi4 每日所需功耗= 電壓 x 電流 x 小時 = 5V x 800mA x 24hrs = 96Wh • 用 Pi Zero 功耗 = 5V x 120mA x24hrs = 14.4Wh • 50W 太陽能板充電功率 = 電壓 x 電流 x 小時 = 14V x 900mA x 6hrs = 75.6Wh 計算 Raspberry Pi 每日所需功耗
49. • 最大輸出功率 = 工作電壓 x 工作電流 • 實際輸出功率≅ 40%~90% 之間 • 建議選擇功率 50W 以上 太陽能板的選用與計算 太陽能 單元： 單晶 15.6x15.6cm 峰值功率： 50W 工作電壓： 18V 峰值電流 : 2.86A 開路電壓： 22V 短路電流： 3.23A 轉換效率： 21.6% 重 量： 5Kg
50. • 電池容量 (Ah) = 放電電流 (A) × 持續時間 (h) • 8.4Ah(20HR) 可用 120mA 持續放電 70hrs 以上 電池的選用與計算
51. 能長時間使用的設備 太陽能板 :50W 充電電池 :12V
52. 使用 APRS 轉接板讀取天氣資訊 雨量 風速風向 PMS5003 UART 輸出 SHT 溫濕度感測器 公制 / 英制 Baud Rate RJ11 輸出
53. • 每 0.5 秒輸出 80 個 Byte, 包括換行符號 (OD,OA) • 每個欄位由英文 + 數字組成 • 範例 : • A4095B000C0000D0000E0000F0000G0000H00 00I0000J0000K0000L0200M611N10066O.....*53 • A4095: 風向測量 AD 值 (0-4095) • B000: 風向角速度 (16 方向 ) • C0000: 即時風速頻率 (Hz) • D0000: 即時風速 (0.1m/s) • *53: 循環冗餘校驗 (CRC) APRS 通訊協定
54. • 使用 Dash vs. 不使用 Dash • 可降低使用功耗 , 從 280mA 到 200mA • 使用 HTTP RESTFul vs. 使用 MQTT • 可降低網路用量和使用功耗 • 使用 GPIO 觸發 vs. 使用 pySerial • 可降低因為觸發可能造成的計算錯誤 • 使用 pySerial vs. 使用 pigpiod • 可同時接多組 UART, 例如 GPS 和 APRS Python 套件的選擇題和答案
55. • 使用 Dash vs. 不使用 Dash( 搭配 Pi Zero) • 可降低使用功耗 , 從 280mA 到 200mA • 使用 HTTP RESTFul vs. 使用 MQTT • 可降低網路用量和使用功耗 • 使用 GPIO 觸發 vs. 使用 pySerial • 可降低因為觸發可能造成的計算錯誤 • 使用 pySerial vs. 使用 pigpiod • 可同時接多組 UART, 例如 GPS 和 APRS Python 套件的選擇題和答案
56. • 陽光 : 光強度 , 輻射量 , 紫外線 • 空氣 : 大氣溫溼度 , 氣壓 , 風速 , 風向 • 水 : 降雨量 • 土壤 : 土壤溫溼度 , EC( 電導度 ), pH • 作物 : 葉面溫溼度 , 葉綠素 未來將增加更多農業觀察資訊 https://mopcon.org/2017/speakerDetail.php?speaker=25
57. 可介接自動位置回報系統 (APRS) https://aprs.fi/
58. 資料分析和視覺化 https://www.beehivedt.com/
59. 開發過程一景 / 感謝雷格協助
60. 60 Raspberry Pi Rocks the World Thanks