Wind Speed(weather Station)

풍속계

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전형적인 풍속계는 3개의 날개를 가지며, 끝에서 바람을 받아 날개가 회전한다.

날개가 회전하는 속도로 풍속을 계산하게 된다.

여기서 확인해볼 풍속계는 SKU:SENO186 모델이다.

제품은 풍속, 풍향, 우량계 세트 품이지만 여기서는 풍속계만 확인 하도록 하겠다.

풍속계를 분해하면 날개 가운데 자석이 부착되어 있는 것으 보일것이다.'

이 자석과 하단 몸통에 장착되어 있는 리드 스위치 두가지 부품으로 풍속을 계산하게 된다.

위에 그림이 리드 스위치를 보여준다.

리드 스위치는 자석의 영향을 받아 서로 접촉하는 두 개의 금속 점점으로 회로를 구성하게 된다.

풍속계가 회전하면 자석이 리드 스위치를 통과하여 일시적으로 폐회로를 형성한다.

이에 리드 스위치의 신호 개수를 사용하여 풍속계가 얼마나 회전하는지 계산할 수 있다.

(리드 스위치 : https://makerjeju.tistory.com/19?category=802329 참조)

풍속계가 한바퀴를 회전할 때 리드 스위치는 2번의 폐회로를 형성하게 된다.

일정 시간의 회전 수를 감지 하면 풍속계의 회전 속도를 계산 할수 있게 되는 것이다.

풍속 계산

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풍속계는 한 스핀마다 두 개의 신호를 생성하므로 감지 된 입력 수를 반으로 줄여서 센서의 전체 회전 수를 계산 할 수 있다.

속도 = 거리 / 시간

속도를 계산하려면 특정 시간 내에 이동 한 거리를 알아야 한다. 

측정 시간은 고정된 시간 동안 신호의 수를 계산하면 알 수 있다.

날개 중 하나에 의해 이동 된 거리는 회전 수에 원의 가장자리 주의위 거리(원주)를 곱한 것과 같다.

속도 = (회전수 x 둘레의 길이) / 시간

원의 반지름이나 지름을 알면 원의길이를 계산할 수 있다.

원주는 L = π x 2r = 2πr

중앙에서 날개 끝가지의 길이를 측정하여 풍력계로 만든 원의 반지름을 알수 있다.

반지름을 알면 원주를 계산할 수 있다. 

전체 회전이 2번의 신호를 생성하므로 탐지 된 신호의 수를 반으로 줄여야 한다.

속도 = ((신호 / 2) * ( 2 * PI * Radius)) / 시간

여기에 사용된 풍속계의 반경은 9.0cm이다.

풍속계의 크기가 다른경우에는 다른 반지름의 값을 입력하여야 한다.

파이썬 풍속 계산 예제

import math radius_cm = 9.0 wind_interval = 5 wind_count = 17 circumference_cm = (2 * math.pi) * radius_cm rotations = count / 2.0 dist_cm = circumference_cm * rotations speed = dist_cm / wind_interval print(speed)

속도를 km/h 로 변환하려면

• 속도 = 속도 / 100,000( km/s )
• 속도 = 속도 * 3600 ( km/h )

교정(Calibration)

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보통 풍력계에는 센서의 정확성을 테스트하는 데 도움이 되는 보정 자료가 포함되어 있다.

여기에 사용된 풍속계의 데이터시트에 의하면 초당 1회전은 2.4km/h와 같아야 한다.

예를 들어 5초 간격으로 5개의 스핀(10개의 신호)이 동일한 2.4km/h 풍속과 동일해야 한다.

데이터 시트 :  80422_datasheet.pdf

그러나 실행을 하면 DataSheet의 값과 일치 하지 않을 수 있다. 

이 정확성의 손실은 풍속게 인자(anemometer factor)라고 한다.

이것은 날개가 돌아가면서 바람에너지 일부가 손실 된 결과이다.

이를 보안하기 위해 프로그램에서 생성한 판독 값에 조정 인자를 곱한다.

권장되는 풍력계의 경우 조정인자의 값은 "1.18" 이다.

이 조정인자의 값을 속도에 곱하여 주면 된다.

Raspberry Pi Sample code

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풍력계는 2개의 연결선을 가지고 있다.

하나는 GND로 연결하고 다른 하나는 라즈베리파이의 GPIO 5에 연결한다.

RJ11 커넥터를 사용하는 경우 풍속계는 케이블의 가운데 두 선을 사용한다.

from gpiozero import DigitalInputDevice from time import sleep import math count = 0 radius_cm = 9.0 # Radius of the anemometer interval = 5 # How often to report speed ADJUSTMENT = 1.18 # Adjustment for weight of cups CM_IN_A_KM = 100000.0 SECS_IN_AN_HOUR = 3600 def calculate_speed(time_sec): global count circumference_cm = (2 * math.pi) * radius_cm rotations = count / 2.0 dist_km = (circumference_cm * rotations) / CM_IN_A_KM km_per_sec = dist_km / time_sec km_per_hour = km_per_sec * SECS_IN_AN_HOUR return km_per_hour * ADJUSTMENT def spin(): global count count = count + 1 print (count) wind_speed_sensor = DigitalInputDevice(5) wind_speed_sensor.when_activated = spin while True: count = 0 sleep(interval) print ( calculate_speed(interval), "kph")

참고

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• https://github.com/raspberrypilearning/sensing-the-weather/blob/master/lesson-2/lesson.md
  
• https://projects.raspberrypi.org/en/projects/build-your-own-weather-station/6
• https://projects.raspberrypi.org/en/projects/build-your-own-weather-station/7