Интеграция ультразвукового датчика скорости и направления ветра

21/04/2025 23:37:38

Как показал реальный жизненный опыт, среди всех параметров погоды, которые можно собрать с помощью домашней метеостанции, труднее всего дела обстоят с ветром. Датчики температуры, влажности, освещенности, количества осадков работают годами. Датчик атмосферного давления и вовсе можно располагать внутри помещения. Но ветер - стихия особая. Он могуч, гоняет стаи туч, волнует синее море, веет, понимаешь, всюду на просторе и не боится никого, кроме бога одного. Словом, механические датчики недолговечны. Часто требуют обслуживания или замены. Я использовал два разных механических датчика. Оба проработали недолго. Затем я сделал попытку изготовить "инновационный" твердотельный датчик скорости и направления ветра из 4-х анемометров на термисторах. На столе все работало неплохо, но в условиях настоящего русского климата, точность измерений оказалось, мягко говоря, не слишком высокой. А один из анемометров начал периодически "отваливаться". Осмотр показал коррозию вокруг термистора. Не выдержала влагозащита. В этот раз я решил зайти с козырей.

Ультразвуковой датчик скорости и направления ветра

Ультразвуковые анемометры среди всех датчиков ветра наиболее прогрессивные и сложные. Они измеряют скорость и направление ветра с помощью ультразвуковых волн. Датчик излучает акустические сигналы и смотрит, с какой скоростью эти сигналы проходят от излучателя к приемнику. Если сигнал приходит быстрее, значит ветер дует в том же направлении, попутный. Медленнее - встречный. По изменению скорости прохождения сигнала можно судить и о скорости ветра. Несколько таких излучателей/приемников, размещенных по сторонам света, плюс программный алгоритм расчета в микроконтроллере датчика - вот и готово идеальное решение без механических вращающихся частей.

Пьезоизлучатели 2D-датчика ветра

Еще несколько лет назад датчики подобного типа были очень дорогими. От профессионалов и для профессионалов. Но сегодня есть китайские компании, которые способны навести шухер почти на любом рынке и в любой сфере. Там, где есть массовый спрос, они готовы обеспечить массовое предложение. Какое будет при этом качество проектирования, материалов и изготовления - вопрос отдельный. Широкая публика ведь всегда требует, прежде всего, подешевле. Вот китайские производители и подстраиваются. В апреле 2025 года я приобрел на Алиэкспрессе ультразвуковой датчик скорости и направления ветра с интерфейсом RS485 за 11336 руб. Тоже не даром, но значительно дешевле фирменных. Кстати, на момент написания статьи еще подешевел.

Кисти для макияжа я не искал. Если что...

Продавец любезно предоставил документацию, в которой модель датчика обозначена так: VMS-3000-CFSFX-N01 Ver 2.0 от некой неизвестной Vemsee.

Для интеграции датчика в систему домашней автоматизации я использовал контроллер MegaD-2561 с адаптером RS485-TTL-Auto. В точности так, как описано здесь. Протокол тот же Modbus-RTU. Скорость по умолчанию 4800 бод.

В остальном никаких сложностей.
Коричный провод - питание (10-30В)
Черный провод - земля
Желтый провод - RS485-A
Синий провод - RS485-B

Для запроса данных с датчика с помощью MegaD-2561 я использовал следующие команды:

# Скорость ветра (м/с * 100)
http://192.168.0.14/sec/?uart_tx=010300000002&mode=rs485

# Направление ветра (градусы)
http://192.168.0.14/sec/?uart_tx=010300010002&mode=rs485

#Порывы ветра (м/с * 100)
http://192.168.0.14/sec/?uart_tx=010300020002&mode=rs485

#Сила ветра (попугаи 0-17)
http://192.168.0.14/sec/?uart_tx=010300030001&mode=rs485

Считывание ответа датчика

http://192.168.0.14/sec/?uart_rx=1&mode=rs485

Метакод на языке PHP, который ежесекундно запрашивает и выводит на экран информацию о скорости ветра

<?php
while (true)
{
    $res = file_get_contents("http://192.168.0.14/sec/?uart_tx=010300000002&mode=rs485");
    usleep(100000);
    $res = file_get_contents("http://192.168.0.14/sec/?uart_rx=1&mode=rs485");
    if ( $res != 'CRC Error' )
    {
        $data = explode("|", $res);
        $wind_speed = number_format(hexdec($data[3].$data[4]) / 100, 1);
        echo "Скорость ветра: ".$wind_speed." м/с";
    }
    else
    echo "Ошибка CRC";
    
    sleep(1);
}
?>

Сложности

Направление ветра датчик передает в градусах 0-359. Ноль - северный ветер. 90 - восточный. 180 - южный. 270 - западный. Вроде все понятно, но чтобы получить среднее значение ветра за определенный период (например, выборкой из базы данных) нельзя просто взять среднее. Получится ерунда. Но решение этой проблемы я описал еще в 2011 году, когда подключал свою самую первую домашнюю метеостанцию.

Максимальные порывы ветра датчик фиксирует с момента своего включения. И сбросить этот регистр нельзя (или не описано в документации, как). Параметр этот весьма полезный, но какой же смысл в максимумах недельной или месячной давности? Хочется знать, насколько сильные порывы наблюдались в течение хотя бы часа. Выхода два. Или запрашивать текущие данные в цикле постоянно, раз в секунду, чтобы не пропустить порывы. Или запитывать датчик через реле и периодически сбрасывать регистр, отключая на время питание. Последний вариант, кажется, более подходящим. На мой взгляд, серьезная недоработка прошивки датчика.

Что такое сила ветра (Wind power level) я не понял. Документация говорит следующее: The wind level corresponding to the current wind speed Value (Integer, level 0~17). И что с этим делать? Я не знаю. Напишите в комментариях, если знаете.

Недостатки

Цену мы оставим за скобками. Впрочем, стоит сказать, что эти деньги можно приобрести 7-8 обычных механических и менять их каждый год. Других недостатков нет? Есть один. И очень для меня неожиданный.

Ультразвуковой - значит излучающий звуковые волны за пределами человеческого слуха. Например, 40кГц. Верно? Я тоже так думал. Но дело в том, что работу моего датчика вполне себе слышно. Каждый из 4-х излучателей издает звук в слышимом диапазоне. Причем не просто звук, а такое противное потрескивание. Вот подтверждающее видео. Звук только прибавьте.

Я понимаю, что это какие-то гармоники, паразитные сигналы. Простое приложение для телефона (правда, не уверен насчет точности) показывает изменение спектра в районе 6-20кГц. Вот вам и ультразвук.

В чем причина? Ну, тут без исследования не обойтись, а его я не проводил. Это могут быть дешевые излучатели, имеющие побочные резонансы, помехи от генератора импульсов или усилителей, недостатки самой схемы генерации сигналов (резкие фронты). Все, что угодно. Все же не стоит забывать, что это бюджетное решение. А все, что меня связывает с непосредственным производителем - это продавец на Алиэкспресс под ником AliSupplier Store. Тем не менее, я поинтересовался у продавца насчет своего наблюдения, на что получил вполне ожидаемый ответ.

Получается, китайские инженеры решили, что и так норм? Громкость издаваемого звука не слишком велика. Я провел простое измерение с помощью телефона и программы NIOSH SLM. Фоновый шум 28,5 дБ. Шум при работе датчика 36,3 дБ. При этом телефон находился непосредственно рядом с датчиком. Тест человеческими ушами показал, что в полной тишине звук различим на расстоянии до 4 метров.

+8 дБ в слышимом диапазоне

Но крайне любопытно другое. Достаточно побыть 10-15 минут рядом с работающим датчиком, чтобы начать ощущать трудно описуемый дискомфорт в области головы и органов слуха. Сначала подумал, что это просто совпадение, но этот эффект стойко воспроизводился. Находиться в непосредственной близости с включенным датчиком мне тяжело. Возможно это самовнушение, а возможно нет. Я установил датчик на крыше и конечно не слышу каких-либо звуков в доме или из сада. Но в случае монтажа устройства где-то рядом с местом пребывания людей стоит принять данное обстоятельство во внимание. В особенности гиперчувствительным личностям. Плюсы тоже есть. Говорят, мышей подобные звуки тоже бесят. Ну а в крайнем случае можно подавать напряжение на датчик только тогда, когда это необходимо.

Не знаю, нормальное ли это явление для всех датчиков данного типа. Сравнить не с чем. Но было бы крайне интересно "послушать" ультразвуковые датчики от каких-то более известных фирм: Gill Instruments WindSonic, Vaisala WMT700, Thies Clima Ultrasonic Anemometer 3D, Metek uSonic-3, Campbell Scientific WindSonic4-QD, Airmar Technology WX200. Будет ли у них "звук вибрирующего преобразователя"?

 

А что внутри?

Я решил посмотреть, как там внутри. Плату не назвать простой. Видны ключевые компоненты системы: DC-DC преобразователь, микроконтроллер (похож на STM, но маркировку разобрать сложно, возможно STM32F030), высокоточный измеритель времени MS1030 (в центре), драйвер CH444G, силовые ключи. Бросается в глаза наличие внутри разъема I2C. С помощью QR-кода закодирована, видимо, дата производства печатной платы: 20241111. Сама плата покрыта тонким слоем какого-то защитного воска. Но это не прочное полиуретановое покрытие, который используем мы в наших MegaD-Outdoor-Sensor и которое я наблюдал на плате итальянской насосной станции DAB e.Sybox. Воск этот легко стирается пальцем. Но это все же лучше, чем ничего. Ведь герметизация корпуса посредственная. Например, саморезы, которыми крепится нижняя крышка корпуса, никак не загерметизированы и встают не плотно. Четыре стойки, которые связывают площадку для отражения сигнала с основным корпусом вообще полые! Фактически ничем не закрытие отверстия. Внутри может и будет конденсироваться влага. Замазал проблемные места герметиком.

Это никакой не Vemsee, а Shandong Renke Control Technology

А еще на плате указан адрес сайта. Это, вероятнее всего, и есть разработчик, а может быть и производитель данного изделия. Китайсая компания Shandong Renke Measurement and Control Technology Co., Ltd., которая специализируется на производстве различных датчиков и измерительных приборов. Каталог продукции на сайте этой компании насчитывает десятки различных позиций. Ну, прямо скажем, не похоже на ноунейм из шанхайской подворотни.

А вот и мой датчик (его основная верхняя часть) в составе метеостанции. Модель: RS-FSXCS-N01-1
Я написал в компанию письмо с вопросами по поводу звуков, создаваемых датчиком, но пока ответа не получил. И вряд ли получу.

Промежуточные результаты

На первый взгляд "ультразвуковой" датчик работает очень хорошо. Показания как скорости, так и направления ветра адекватные. Датчик очень чувствительный и фиксирует малейшее дуновение. Поэтому полного штиля почти никогда не бывает. Никакие параметры не требуют программной коррекции. С механическими датчиками приходилось вводить некий программный коэффициент, чтобы показания скорости ветра были похожими на правду. Иначе они казались сильно заниженными. С этим датчиком в этом плане все прекрасно.
Данные считываются ежеминутно. Сброс максимумов производится каждые 30 минут автоматически кратковременным отключением питания. О том, как будет работать устройство в сложных погодных условиях: при штормовых ветрах, в ливень, в снегопад, в туман и т.д., сообщу дополнительно.

Вот такие графики "рисует" устаовленный датчик в Web-интерфейсе домашнего сайта. Красочная иллюстрация того, как меняется сила ветра в течение суток.

Update 2025.07.05

После сильного ливня (ближе к шторму) датчик на какое-то время (1-2 часа) перестает работать. Думаю, это связано с тем, что излучатели и приемники намокают. И пока не высохнут данных нет. Механические датчики в этих условиях продолжают работать. Данную особенность стоит отнести к минусам ультразвуковых датчиков. Но и штормы, конечно, бывают не каждые день.

 

Автор: Andrey_B
Любое использование материалов сайта возможно только с разрешения автора и с обязательным указанием источника.

---

Добавить комментарий:

Имя

Е-mail(необязательно, не отображается на сайте)

Комментарий

---

Сортировка комментариев: Последние сверху | Первые сверху

2025-05-01 15:50:16 | Ruslan
Интересно! В свое время с измерением уровня освещенности (качественным) разобрались, ну и для измерения параметров ветра рано или позно будет найдено надежное, работающее и недорогое решение.

2025-10-22 22:06:39 | Андрей
За чуть большие, а на распродаже за эти же деньги можно купить целый массив метеодатчиков Ecowitt (Misoll) WS90. Или намного дешевле с меньшим количеством датчиков WS85. Бывают с разными интерфейсами. Там кроме ультразвукового датчика ветра, еще куча датчиков (температура, влажность, освещенность и т.п.). Эти массивы датчиков хорошего качества, производятся фирмами которые профессионально и давно занимаются метеоборудованием. Постоянно модернизируются (есть комплекты для модернизации), прошивки выходят очень часто, устраняются замеченные проблемы в измерениях. Есть большое сообщество энтузиастов, откуда можно почерпнуть всю необходимую техническую информацию. https:/meshka.eu/Ecowitt/dokuwiki/doku.php?id=starttroubleshooting
В WS90 есть встроенный подогрев для ультразвукового датчика ветра (надо внешнее питание 12В), что гарантирует точность показаний скорости и направления ветра в зимнее время при осадках. Усреднение показателей максимальной скорости ветра и порывов делаются на уровне прошивки.
У меня работает пару месяцев Ecowitt WN1981, это массив WS90 и консоль с экраном WN1980_C. В консоле есть Wifi шлюз, со своей веб страницей. Можно получать данные в json (протокол описан в документации). Кроме того может слать данные на погодные сервера. У меня сервер парсит данные и передает в умный дом.

2025-10-22 22:13:09 | Андрей
По поводу намокания датчиков: Ecowitt (Misoll) WS90 и WS85 нижняя поверхность отражения - это мелкая сетка, а под ней поверхность с уклоном и канавками для стока воды. Даже в сильные ливни показатели не только не пропадают, а достаточно точны (сравнивал с показаниями местной метеовышки). Вы можете перепечатать нижнюю поверхность на 3Д принтере, сделав аналогичную конструкцию.

2025-10-22 23:51:58 | Andrey_B
Андрей, спасибо. Как-то не попадался ранее этот продукт на глаза. Судя по описанию, интересное изделие. В следующий раз, когда буду делать апгрейд погодных датчиков, обязательно изучу продукцию данного бренда.
Что касается намокания, то мой датчик перестает работать только в _очень_ сильные ливни. Или даже скорее в шторм. За это лето было только два таких эпизода.
Насчет зимы. Подогрева нет. И как будет работать понаблюдаю.