Station météo

1. Principe

a. Température, humidité, pression

La mesure de température, humidité et pression est confiée à un circuit BME680. Ce circuit a été développé pour des applications mobiles. C’est un boîtier métallique qui combine des capteurs individuels ultra-miniaturisés MEMS (Microsystème électromécanique).

Licence CC BY 2.0 Sparkfun

Le BME680 se situe au centre de la carte ci-dessus. C’est un boîtier métallique de 3x3 mm percé d’une ouverture pour permettre aux capteurs de mesurer les valeurs.

Le BME680 comporte les capteurs suivants :

• Température (0 à 65°C ± 1°C)

• Humidité relative (20 à 80 % ± 3 %)

• Pression atmosphérique (± 0,12 hPa soit ± 1 m)

• Composés organiques volatiles (VOC) (0 à 100 % ± 15 %)

La plage de température d’utilisation est plus étendue (de -40°C à +85°C) mais les températures négatives ainsi que les températures au-delà de 65°C seront moins précises.

b. Composés organiques volatils

Si la température, l’humidité relative et la pression atmosphérique sont des mesures classiques, la mesure des composés organiques volatils dans l’air est moins habituelle.

Ce capteur comporte une couche d’oxyde métallique extrêmement poreuse et granuleuse chauffée par un filament. Le courant électrique qui circule dans l’oxyde métallique rencontre une résistance élevée.

Dans un air "normal", l’oxyde métallique est environné majoritairement d’oxygène (0₂). Il y a peu d’interaction et la résistance reste élevée. Un air pollué contenant des VOC entraînera des réactions de type REDOX (oxydo-réduction) à la surface de l’oxyde métallique. Ces réactions produisent du gaz carbonique (CO₂) et de l’eau (H₂0). Ceci entraîne une modification de la résistance électrique mesurée. La valeur de la résistance diminue de façon prévisible (fonction de la température et de l’humidité)....

1. Principe

L’anémomètre est un appareil permettant de mesurer la vitesse du vent. Il en existe de nombreuses variantes. Parmi celles facilement utilisables pour une station météo personnelle, le modèle à coupelles est le plus courant.

C’est ce modèle qui équipera la station météo. Il est disponible sur les sites de vente en ligne comme pièce de remplacement (spare part) pour des stations météo d’origine asiatique. Pour détecter la rotation des coupelles, il est équipé d’un ILS.

2. ILS

Un ILS (interrupteur à lames souples ou interrupteur reed) est un interrupteur magnétique constitué d’une ampoule de verre contenant une atmosphère inerte et deux lames souples (généralement dorées à l’extrémité) très faiblement espacées. Ces lames sont magnétisables et élastiques.

Interrupteur ILS - Photo CC BY-SA 2.5 André Karwath

Lorsqu’on approche un aimant, les lames se rapprochent et se touchent. Le contact se ferme. Lorsque l’aimant s’éloigne, l’interrupteur s’ouvre. On rencontre ce genre de matériel dans les détecteurs d’ouverture de porte sur les systèmes d’alarme.

L’image ci-dessus montre l’interrupteur ILS présent dans le corps de l’anémomètre. Ces interrupteurs ILS sont très fiables et ont une durée de vie élevée, de l’ordre de 10 millions de cycles ouverture/fermeture.

3. Fonctionnement

Le rotor de l’anémomètre supporte trois coupelles entraînées par le vent. Un aimant est collé à la partie inférieure du rotor. À chaque tour du rotor, l’ILS est déclenché deux fois par l’aimant. La notice de l’anémomètre indique qu’un vent de 2,4 km/h provoque une fermeture du contact par seconde.

4. Connectique de l’anémomètre

L’anémomètre (comme tous les capteurs utilisés dans ce livre) est livré câblé avec une prise RJ11 (ci-dessus). C’est une prise identique à la prise RJ45 utilisée pour connecter le réseau Ethernet filaire, mais elle ne possède...

1. Principe

Le pluviomètre est constitué d’une cuve destinée à recevoir la pluie. Un trou au centre de la cuve permet à l’eau de s’écouler vers l’intérieur de la cuve.

La cuve est munie d’un niveau à bulle qu’il faudra régler au mieux en amenant la bulle au centre du cercle. Ceci permet d’avoir la surface supérieure parallèle au sol et la bascule bien équilibrée, pour des mesures plus précises.

À l’intérieur de la cuve, une balance constituée de deux godets se remplit quand l’eau ruisselle. On l’appelle également pluviomètre à auget basculeur. Il est utilisable jusqu’aux environs de 250 mm de pluie par heure.

2. Fonctionnement

Sur l’image ci-dessus c’est la cuve gauche qui va se remplir. Lorsque la cuve se remplit, le poids de l’eau augmente jusqu’à faire basculer la partie centrale. C’est alors la cuve droite qui est sous le trou de la partie supérieure. Elle se remplit jusqu’au basculement. Sous les cuves, de chaque côté, des trous permettent à l’eau de s’évacuer.

Dans la partie verticale à l’arrière se trouve un ILS. La partie centrale de la balance comporte un aimant. À chaque basculement, l’aimant passe devant l’ILS et déclenche une impulsion au passage. 

Le constructeur indique que chaque fois qu’il tombe 0,2794 mm de pluie, la partie centrale du pluviomètre bascule et provoque une impulsion. Il suffit donc de compter le nombre d’impulsions dans un temps donné pour calculer la quantité de pluie tombée.

3. Connectique du pluviomètre

1. Présentation

La girouette est un appareil destiné à indiquer la direction d’où provient le vent. Elle est constituée d’un système rotatif dissymétrique comportant une pointe et une plaque qui s’aligne dans la direction du vent. La pointe indique alors la provenance du vent.

Sur les girouettes mécaniques anciennes, les points cardinaux étaient indiqués sur une croix placée sous la girouette. Les girouettes modernes comportent un système électronique qui envoie la valeur relevée vers un écran. Il faudra positionner la girouette pour que les indications correspondent aux valeurs réelles.

La girouette utilisée ici est le modèle associé à l’anémomètre. Elle est équipée à sa partie basse d’une prise RJ11 destinée à recevoir le connecteur de l’anémomètre vu précédemment.

Le fil qui sort de la girouette emmènera les deux signaux (anémomètre + girouette) vers la carte Dev-Lex.

2. Principe

La girouette est équipée de 8 ILS. L’axe de la girouette porte un aimant qui tourne au-dessus des ILS. Chaque ILS est connecté à une résistance. Lorsque la direction coïncide exactement avec la position d’un ILS, celui-ci établit un contact et connecte une résistance. Lorsque l’aimant se trouve entre deux ILS, les deux ILS sont activés et connectent les deux résistances en parallèle.

La girouette présente à un circuit extérieur une résistance dont la valeur dépend de la direction du vent, donc de l’angle de rotation de la girouette par rapport à son origine, conventionnellement positionnée au Nord (0 degré).

Les valeurs de résistance en fonction de la direction sont indiquées dans le tableau ci-dessous.

Puisque la girouette est vue comme une résistance, il va falloir créer un pont diviseur pour pouvoir récupérer une tension qui sera fonction de l’angle de rotation. La résistance extérieure sera connectée aux +3,3 V. Le tableau ci-dessous donne les valeurs de résistance de la girouette. La valeur est trouvée en calculant la valeur résultante de la mise...

1. Démarche progressive

Après avoir testé chaque équipement séparément, il est maintenant possible de connecter tous ces composants pour constituer une station météo complète.

L’étape précédente est importante car elle permet d’appréhender le fonctionnement de chaque matériel et de s’assurer du bon fonctionnement individuel des scripts associés.

Cette démarche progressive est importante dans des projets regroupant plusieurs fonctions. Lorsque le projet est réalisé directement dans sa totalité et qu’il ne fonctionne pas, il est souvent difficile de localiser le défaut.

Avec cette méthode, chaque sous-ensemble est testé et vérifié, les scripts sont testés. Si le projet final ne fonctionne pas, c’est uniquement dans l’assemblage des différents scripts qu’il faudra chercher le dysfonctionnement.

2. Analyse des mesures

La station météo donne accès aux valeurs suivantes :

Une mesure toutes les 5 minutes fournit 12 jeux d’informations par heure, soit 288 par jour, ce qui est largement suffisant pour tracer les courbes d’évolution. Les services météorologiques enregistrent les observations chaque heure dans les stations principales et toutes les six heures dans les stations climatologiques.

Il sera simple de modifier la périodicité des mesures en fonction des besoins, les durées sont présentes sous forme de variable au début du script.

3. Connexion des éléments

La connexion des éléments de la station météo reprend les schémas vus précédemment. L’utilisation de la carte RasPiO Analog Zero bloque le connecteur GPIO du Raspberry Pi. La carte RasPiO possède une rangée de connecteurs qui donne accès à la totalité des ports GPIO. Il suffira de connecter les appareils sur cette rangée de connecteurs.

L’anémomètre est connecté sur la prise RJ11 femelle de la girouette. La girouette et l’anémomètre sont connectés à la prise RJ11 de la carte Dev-Lex. Le pluviomètre est connecté à l’autre prise RJ11 de la carte...