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

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1 WeatherPi: 一個 Raspberry Pi 和 Python 的微型氣象站專案 sosorry 2021/10/02 @PyCon Taiwan 2021

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姓名標示 — 非商業性 — 相同方式分享 CC (Creative Commons) 姓名標示 — 你必須給予適當表彰、提供指向本授權條款的連結，以及指出（本作品的原始版本）是否已被變更。你可以任何合理方式為前述表彰，但不得以任何方式暗示授權人為你或你的使用方式背書。非商業性 — 你不得將本素材進行商業目的之使用。相同方式分享 — 若你重混、轉換本素材，或依本素材建立新素材，你必須依本素材的授權條款來散布你的貢獻物。

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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

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5 ● 氣象監測 ● WeatherPi 專案介紹 ● WeatherPi 流程 ● 真實世界的挑戰 ● 結語大綱

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台灣以農立國 https://nspp.mofa.gov.tw/nspp/news.php?post=182906

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但農民看天吃飯 https://www.agriharvest.tw/archives/18330

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現況 : 全國自動氣象站 https://www.rti.org.tw/news/view/id/2105966

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https://memes.tw/wtf/385573

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● 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/

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相關專案介紹

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LASS 空氣盒子專案 https://www.slideshare.net/LingJyhChen1/for-80178578

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● 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

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阿龜微氣候天眼通 https://meet.bnext.com.tw/articles/view/44585

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整合軟體 / 硬體 / 數據分析 https://www.ithome.com.tw/news/116184

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已經有類似專案 , 為什麼還要再做？

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17 過去我們做的專案

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( 本來 ) 和花蓮大學老師合作推廣

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● 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

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● 信用卡大小般的電腦 Raspberry Pi 是什麼 ? http://www.flickr.com/photos/fotero/7697063016/

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David Braben Eben Upton Robert Mullins Alan Mycroft Pete Lomas Jack Lang Liz

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Raspberry Pi Family https://infosec.exchange/@slh/102368284825610438 最早量產規格最好最穩定

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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

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WeatherPi 專案架構農田 / 果園家中 / 閘道器

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如何測量氣象資訊？

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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

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● 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

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● 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

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● 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

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● 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

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收集好一切資訊 , 該傳送出去了

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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

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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

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不同無線傳輸技術的特點 https://www.slideshare.net/PeterREgli/lpwan

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● LPWAN(Low Power Wide Area Network) 低功耗廣域網路 http://www.techbang.com/posts/49656

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從 OSI 模型看 LPWAN https://www.slideshare.net/infiswift/lpwan-for-iot-62591541

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● 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)

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● 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

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真實場域的挑戰

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● 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

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● 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

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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

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● 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？

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Raspberry Pi 功耗比較 https://raspi.tv/2019/how-much-power-does-the-pi4b-use-power-measurements

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太陽能板 + 電池的選擇

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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

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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

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● 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

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● 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

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● 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

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能長時間使用的設備太陽能板 :50W 充電電池 :12V

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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

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● 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

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● 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

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● 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

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● 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