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【物聯網開發系列】氣象物聯網:風向偵測開發感測器上篇

文/曹永忠、許智誠、蔡英德

環境監控是物聯網開發中非常重要的一環,上篇文章「【物聯網開發系列】氣象物聯網 :風力偵測開發感測器篇」(曹永忠,許智誠 & 蔡英德,2017d)、「【物聯網開發系列】氣象物聯網:風力偵測開發微控器篇」(曹永忠,許智誠 & 蔡英德,2017c)中,我們說到如何擷取風速資訊,進而配合筆者有出版 PM2.5 空汙偵測相關的電子書(曹永忠,許智誠 & 蔡英德,2016a,2016b,2016c,2016d)與文章(曹永忠,2016a,2016b,2016c,2016d, 2016e,2016f,2016g,2016h),也開發與 LASS 社群相容的空氣盒子(Tsao,Tsai & Hsu,2016;吳昇峰 et al., 2017;柯清長,2016;陳昱彣,2016),並整合在 GoV 的服務當中(讀者可以參閱網址),風速的加入,可以讓環境監控更加完善。

然而風速的資訊,必須配合風向,整個風速才會有物理上的意義,所以本文將介紹風向感測器。筆者友人是清水吳厝國小校長黃朝恭先生,校址位於台中國際機場邊,也是清水的偏鄉學校,對於學子的健康與社區健康深感重要,委託筆者在該校內建立風向與風速監測站,並透過物聯網的技術,將這樣的資訊網頁化,可以讓各地方的使用者查詢到該區域的風向與風速資訊。

鑑於如此,筆者將在本篇與下列幾篇專欄之中,將風向與風速感測監控的技術分享給讀者,希望可以透過我的經驗號召更多有志之士(曹永忠,許智誠 & 蔡英德,2017a,2017b),可以將環境監控的感測資訊提升到更圓滿的境界。

硬體介紹

筆者並不打算自行開發風向感測器,因為校正本身就是一門學問,加上防水、防曬、穩定與強固性,筆者打算採用工業級的產品簡化整個系統開發的困難度,由於資金有限,筆者於淘寶網找到商家:仁科測控的風向產品:風向傳感器變送器,可以參考下圖所示:

(a)風向感測器

(b)風向感測器底部訊號電源接腳圖

(c)風向感測器上視圖

圖 1:風向感測器產品圖

風向感測器硬體規格

筆者參考商家給的產品資料(下載網址,或參考附錄:RS-FX-N01 風向變送器使用說明書 485 型),並將之轉成繁體字與修正一些語詞後,我們可以得到下列的產品規格,RS-FS-N01 風向感測器(參考參考附錄:RS-FX-N01 風向變送器使用說明書 485 型),外形小巧輕便,便於攜帶和組裝,殼體採用優質鋁合金材質,外部進行電鍍與噴塑處理,具有良好的防腐、防侵蝕等特點,並能夠保證風向感測器長期使用且避免生鏽現象,同時可以保護內部的承軸,更提高了風向感測的精確性,其風向感測器可以被廣泛應用於溫室、環境保護、氣象站、船舶、碼頭、養殖等環境的之風向測量。

風向感測器功能如下:

  • 量程:8 個指示方向
  • 防電磁干擾處理
  • 進口軸承,轉動阻力小,測量精確
  • 全鋁外殼,機械強度大,硬度高,耐腐蝕、不生銹可長期使用於室外
  • 設備結構及重量經過精心設計及分配,轉動慣量小,響應靈敏
  • 標準 ModBus-RTU 通信協定,接入方便

如下表所示,我們可以得到風向感測器的產品規格,由於筆者選擇 RS485 介面,使用 ModBus 通訊協定,可以讓開發更快,且可以應用到工業控制上,且該產品也是校正過,比起輸出電壓型的風向感測器,更加穩定、好用、便利。

表 1:風向感測器規格表

直流供電 10~30V DC
工作溫度 -20℃~+60℃,0%RH~80%RH
通信介面 485 通訊(modbus)協定
串列傳輸速率:2400、4800(預設)、9600
傳輸資料位元長度:8 位
同位方式:無
停止位長度:1 位
預設 ModBus 通信地址:1
支援功能碼:03
參數設置 用提供的配置軟體,透過 485 介面進行參數設定
測量範圍 8 個指示方向
動態回應時間 ≤0.5s

風向感測器組立

如下圖所示,我們拿到風向感測器的產品,會有感測器本體與線材,由於筆者的風向感測器未來會裝置於清水吳厝國小,所以將線材增購為 16 米長。

圖 2:風向感測器產品與線材

如下圖所示,我們拿到風向感測器的線材,將接頭端拿出來,是一個四接點母頭,在母頭圓圈中,有一個凹形缺口,裝置時必須注意這個凹形缺口要卡入正確。

圖 3:風向感測器線材接頭(母頭)

如下圖所示,我們拿到風向感測器的底面,也是一個四接點公頭,在公頭圓圈中,有一個凸起點,這個凸起點必須對準上圖之凹形缺口,必須要對好裝置時,才能正確插入,不可以用蠻力硬插入,這樣風向感測器會毀損。

圖 4:風向感測器底部接頭(公頭)

如下圖所示,如果將凸起點必須對準凹形缺口,正確插入後,我們就完成風向感測器產品組立。

圖 5:完成風向感測器接頭組立

風向感測器接腳說明

如下表所示,我們在風向感測器線材另一端,是電源線與 RS-485 的訊號端。

表 2:風向感測器接腳表

  線材顏色 說明
電源 棕色 電源正(10~30V DC)
黑色 電源負(接地)
通信 黃色 485-A
藍色 485-B

如下圖所示,我們可以看到風向感測器線材另一端,棕線是 10~30V 直流電的正極端、黑線是 10~30V 直流電的負極端、黃線則是 RS 485 訊號的 A 端、藍線是 RS 485 訊號的 B 端,請讀者不要弄錯了。

圖 6:風向感測器接線

風向感測器電源與訊號連接

如下圖所示,我們遵循上面所述,將棕線與黑線接上 12V 的交換式變壓器之 V+ 與 V- 端。

圖 7:接上電源

如下圖所示,由於我們要先用原廠的測試軟體,我們準備一個 RS232/RS485 轉 USB 轉接器,並將黃線(RS 485-A) 交到 RS 485-A(本轉換器為 D+),將藍線(RS 485-B) 交到 RS 485-B(本轉換器為 D-),完成測試電路後,將 RS232/RS485 轉 USB 轉接器接到電腦。

圖 8:接上 RS485

架設風向感測器

由於筆者先將產品於實驗室進行架設與開發,等到開發完成後,等到清水吳厝國小之風向感測器支架建置完成後,在到實地安裝,所以如下圖所示,我們先於實驗室進行架設與開發,我們可以看到將風向感測器架設在相機腳架上,方便筆者開發系統與測試用。

圖 9:架設風向感測器

風向感測器原廠軟體工具測試

如下圖所示,我們將 RS232/RS485 轉 USB 轉接器接到電腦後,在裝置管理員上可以該看到 RS232/RS485 轉 USB 轉接器成為一個連接埠,本文為 COM8,讀者請注意,要以您實際連接與設定的連接埠為主,因為根本為不一定相同的連接埠。

圖 10:裝置管理員畫面

如下圖所示,我們進入原廠提供的「RS485 参数配置工具 2.0」(軟體網址 按此),我們先選擇通訊埠(串口號),上圖所示中,我們得知通訊埠(串口號)為 COM 8,所以我們將之設定為 COM 8。

圖 11:裝置管理員畫面

如下圖所示,我們按下下圖所示之紅框處之按鈕:將 RS232/RS485 轉 USB 轉接器接到電腦後,在裝置管理員上可以該看到 RS232/RS485 轉 USB 轉接器成為一個連接埠,本文為 COM8,讀者請注意,要以您實際連接與設測試波特率,我們可以得到設備號碼與通訊速率。

圖 12:裝置管理員畫面

如下圖所示,如果一切正確裝設與設定後,我們可以得到設備號碼與通訊速率,本文為設備號碼(設備地址):1,通訊速率(設備波特率):9600。

圖 13:測試軟體畫面

後續

本篇是「氣象物聯網」系列中「風向偵測開發感測器上篇」,主要告訴讀者,如何設置風向感測器、組立風向感測器、電路配置、通訊設置、通訊測試等技術。在未來發展中,可以再透過不同開發工具與技巧,來建構更先進,更具使用者需求的系統。

後續筆者還會繼續發表「氣象物聯網」系列的文章,在未來我們可以創造出更優質,更具未來性的物聯網(Internet of Thing:IOT)產品開發相關技術。

敬請期待更多的文章。

作者介紹:

曹永忠(Yung-Chung Tsao) ,目前為自由作家暨專業 Maker,專研於軟體工程、軟體開發與設計、物件導向程式設計,商品攝影及人像攝影。長期投入創客運動、資訊系統設計與開發、企業應用系統開發、軟體工程、新產品開發管理、商品及人像攝影等領域,並持續發表作品及相關專業著作。
Email:prgbruce@gmail.com
Line ID:dr.brucetsao
作者網頁臉書社群 (Arduino.Taiwan)Github網站Youtube

許智誠(Chih-Cheng Hsu),美國加州大學洛杉磯分校(UCLA) 資訊工程系博士,曾任職於美國 IBM 等軟體公司多年,現任教於中央大學資訊管理學系專任副教授,主要研究為軟體工程、設計流程與自動化、數位教學、雲端裝置、多層式網頁系統、系統整合。
Email: khsu@mgt.ncu.edu.tw

蔡英德(Yin-Te Tsai),國立清華大學資訊科學系博士,目前是靜宜大學資訊傳播工程學系教授、靜宜大學計算機及通訊中心主任,主要研究為演算法設計與分析、生物資訊、軟體開發、視障輔具設計與開發。
Email: yttsai@pu.edu.tw

參考文獻:

Tsao, Y. C., Tsai, Y. T., & Hsu, S. F. (2016). Design and Implementation of a LASS-based Environment Monitoring System. Paper presented at the Embedded Multi-core Computing and Applications (EMCA 2016), Paris, France.

吳昇峰, 陶光柏, 王薇婷, 黃玉甄, 吳佳駿, & 曹永忠. (2017). 實作細懸浮微粒子偵測裝置以進行中國陰霾吹入金門之數據分析(An Implementation of a Particle Detective Device to Display an Impact Analysis of Kinmen Air Pollution from China Haze. Paper presented at the 第24屆中華民國人因工程學會 年會暨學術研討會, 台灣、金門.

柯清長. (2016). LASS 環境感測網路之實作研究.

曹永忠. (2016a). 智慧家庭:PM2.5 空氣感測器(感測器篇). 智慧家庭.  Retrieved from https://vmaker.tw/archives/3812

曹永忠. (2016b). 智慧家庭:PM2.5空氣感測器(上網篇:啟動網路校時功能). 智慧家庭.  Retrieved from https://vmaker.tw/archives/7305

曹永忠. (2016c). 智慧家庭:PM2.5空氣感測器(上網篇:連上MQTT). 智慧家庭.  Retrieved from https://vmaker.tw/archives/7490

曹永忠. (2016d). 智慧家庭:PM2.5空氣感測器(硬體組裝上篇). 智慧家庭.  Retrieved from https://vmaker.tw/archives/3901

曹永忠. (2016e). 智慧家庭:PM2.5空氣感測器(硬體組裝下篇). 智慧家庭.  Retrieved from https://vmaker.tw/archives/3945

曹永忠. (2016f). 智慧家庭:PM2.5空氣感測器(電路設計上篇). 智慧家庭.  Retrieved from https://vmaker.tw/archives/4029

曹永忠. (2016g). 智慧家庭:PM2.5空氣感測器(電路設計下篇). 智慧家庭.  Retrieved from https://vmaker.tw/archives/4127

曹永忠. (2016h). 智慧家庭:PM2.5空氣感測器(檢核資料). 智慧家庭.  Retrieved from https://vmaker.tw/archives/8587

曹永忠, 許智誠, & 蔡英德. (2016a). Ameba 空气粒子感测装置设计与开发(MQTT篇):Using Ameba to Develop a PM 2.5 Monitoring Device to MQTT (初版 ed.). 台湾、彰化: 渥瑪數位有限公司.

曹永忠, 許智誠, & 蔡英德. (2016b). Ameba 空氣粒子感測裝置設計與開發(MQTT篇)):Using Ameba to Develop a PM 2.5 Monitoring Device to MQTT (初版 ed.). 台湾、彰化: 渥瑪數位有限公司.

曹永忠, 許智誠, & 蔡英德. (2016c). Arduino 空气盒子随身装置设计与开发(随身装置篇):Using Arduino to Develop a Portable PM 2.5 Monitoring Device (初版 ed.). 台湾、彰化: 渥瑪數位有限公司.

曹永忠, 許智誠, & 蔡英德. (2016d). Arduino 空氣盒子隨身裝置設計與開發(隨身裝置篇):Using Arduino to Develop a Portable PM 2.5 Monitoring Device (初版 ed.). 台湾、彰化: 渥瑪數位有限公司.

曹永忠, 許智誠, & 蔡英德. (2017a). Ameba风力监控系统开发(气象物联网) (Using Ameba to Develop a Wind Monitoring System (IOT for Weather)) (初版 ed.). 台湾、彰化: 渥瑪數位有限公司.

曹永忠, 許智誠, & 蔡英德. (2017b). Ameba風力監控系統開發(氣象物聯網) (Using Ameba to Develop a Wind Monitoring System (IOT for Weather)) (初版 ed.). 台湾、彰化: 渥瑪數位有限公司.

曹永忠, 許智誠, & 蔡英德. (2017c). 【物聯網開發系列】氣象物聯網 :風力偵測開發微控器篇. 物聯網開發系列.  Retrieved from https://vmaker.tw/archives/19114

曹永忠, 許智誠, & 蔡英德. (2017d). 【物聯網開發系列】氣象物聯網 :風力偵測開發感測器篇. 物聯網開發系列.  Retrieved from https://vmaker.tw/archives/19431

陳昱彣. (2016). 看見空氣 LASS 環境感測.

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曹永忠

目前為自由作家,專注於軟體工程、軟體開發與設計、物件導向程式設計、Arduino開發、嵌入式系統開發,商品攝影及人像攝影。長期投入資訊系統設計與開發、企業應用系統開發、軟體工程、新產品開發管理、商品及人像攝影等領域,並持續發表作品及相關專業著作。