【大氣監控站台開發案例(上)】 大氣監控站建置實例介紹

作者:曹永忠、王漢卿、蕭智仁、謝耿順

筆者近年來專注於環境監控系統的開發與推廣,在許多中小學推廣大氣監控站台,期待對於中小學自然科學與資訊科技的跨域整合教學應用,推廣普及到實際基礎教育中。

最常見的環境監控莫過於天氣環境監測的工作,因為在正確的位置和正確的時間獲取準確環境數據是一項非常艱鉅的任務。在農業領域其生產效率對於氣候條件攸關重要,農民和各地政府都努力思考各種方案來應對這種惡劣的天氣條件。

筆者碩士班學生謝耿順在其碩士論文『運用物聯網架構之環境監控系統』一文中(謝耿順, 2020),提出以物聯網架構為核心觀念建立的環境監控系統,所有的感測物件可以進行動態調節,雲端監控平台亦可以透過階層式關聯動態設定,進而顯示監控站與感測資訊的相關資訊。

該研究中並結合政府中央氣象局開放資料,即時將接近全國各地的氣象監控站資料整合到其研究之環境監控系統,其平台亦整合圖資技術(曹永忠, 許智誠, & 蔡英德, 2021a, 2021b),讓本環境監控系統可以用地圖顯示方式顯示所有監控站。

圖1 物聯網為基礎之系統架構(圖片來源:運用物聯網架構之環境監控系統之圖33(謝耿順, 2020))

如上圖所示,筆者相關研究與開發系統中,建立架構與機制可以動態增減其監控站點的感測裝置,透過分散式的架構,可以提供更具彈性且低成本建置環境監控系統,在其物聯網架構下,可以簡化感測器的建置與異動,並且可以即時同步監測與控制對應環境進而達到預警、安全與節能功能。

數據收集器

常見的天氣監測系統中,最常見的氣象資訊是風向、風速、溫度、濕度、降雨量,大氣壓,下雪…等許多環境感測器。

在Yung-Chung Tsao之『An Implementation of IoT-Based Weather Monitoring System』研究中(Tsao, Tsai, Kuo, & Hwang, 2019),可以見到其在台中市清水區吳厝國民小學建立之氣象監控站台。

如圖 2所示,所採用的風速感測器、方向感測器、溫溼度感測器等三種工業級的產品來建構其氣象監控站台之環境感測元件(曹永忠 & 黃朝恭, 2019b, 2021; 曹永忠, 黃朝恭, 謝宏欽, 許智誠, & 蔡英德, 2021b),如下圖(d)所示,並使用RS-485轉TTL訊號轉換器來將風速感測器、方向感測器、溫溼度感測器三種工業級的感測元件進行氣象感測,並透過NodeMCU-32S Lua WiFi開發板(ESPRESSIF SYSTEMS (SHANGHAI) CO., 2021)進行資料收集。

圖2 風向、風速、溫溼度感測元件(圖片來源:風速、溫溼度於環控平台(氣象物聯網)之圖 62(曹永忠, 黃朝恭, et al., 2021b; 曹永忠, 黃朝恭, 謝宏欽, 許智誠, & 蔡英德, 2021c))

新和國小大氣監控站介紹

接下來我們介紹大氣監控站台,該站台設計於新北市新和國小該站台建置是由該校自然科專任教師 王漢卿老師籌資建置,如下圖所示,為建置站台所需的感測器與開發版材料一覽圖。

圖3 大氣監控站材料清單

如下圖所示,筆者將大氣監控站選在空氣流通,可以精準測得風向、風速等資訊的操場旁邊,在下圖百葉箱(白色小木屋)為站台設置的實際地點,該百葉箱堅固且防風防水,箱旁更可以加蓋風速、風向、光罩等感測設備。

圖4 大氣監控站設置之百葉箱

如圖5所示,筆者選擇百葉箱為大氣監控站設置點。

圖5 新北市新和國小大氣監控站外觀圖

如下圖所示,筆者準備鋼條、固定板等一些架設材料。

圖6 大氣監控站架站材料

如下圖所示,筆者將大氣監控站架站知感測器鋼架組立好。

圖7 大氣監控站架站鋼架

如下圖所示,筆者將光罩感測器架設於鋼架上,該光罩感測器內有溫溼度感測器、光罩感測器、大氣壓力感測器等。

圖8 架設光罩、溫溼度等感測器

如下圖所示,將風速感射器架上於鋼架之固定板之上。

圖9 架設風速感測器

如下圖所示,將風向感射器架上於鋼架之固定板之上。

圖10 架設風向感測器

如下圖所示,筆者在百葉箱旁,挖下深洞,準備架設感測器架子。

圖11 將架設鋼架挖洞

如下圖所示,筆者在百葉箱旁,挖下深洞後,把感測器架子至於洞中。

圖12 架設鋼架

如下圖所示,為新北市新和國小大氣監控站之風速、風向、溫度、濕度、大氣壓、亮度等感測器之設備支架圖。

圖13 大氣感測站感測器設備支架圖

如下圖所示,完成大氣感測站感測器架設。

圖14 大氣感測站感測器設備完成圖

如下圖所示,我們準備大氣感測站感測器控制器,本控制器是筆者團隊研發而成(曹永忠, 許智誠, & 蔡英德, 2017a, 2017b; 曹永忠 & 黃朝恭, 2019a, 2019b, 2021; 曹永忠, 黃朝恭, 謝宏欽, 許智誠, & 蔡英德, 2021a; 曹永忠, 黃朝恭, et al., 2021b, 2021c),若讀者有興趣,可以透過作者資訊,與筆者聯絡。

圖15 大氣感測站控制器

如下圖所示,為新北市新和國小大氣監控站之整合控制器內部電路圖,圖中為實際運行畫面。

圖16 新北市新和國小大氣監控站之整合控制器內部電路圖

如圖17所示,為新北市新和國小大氣監控站之之控制盒中所有控制器,電源、通訊界面與通訊線路之內部電路圖,可以見到所有控制器與對應模組與電力連接內容。

圖17 新北市新和國小大氣監控站之設備站內部展示圖

如下圖所示,可以看到整體設備房的內容。

圖18 新北市新和國小大氣監控站之設備站整體展示圖

延伸閱讀:【大氣監控站台開發案例(中)】環境監控雲端平台系統介紹

參考文獻

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(責任編輯:謝涵如)

Author: 曹永忠

國立中央大學資訊管理學系博士,目前在國立暨南國際大學電機工程學系兼任助理教授、國立高雄科技大學商務資訊應用系兼任助理教授自由作家,專注於軟體工程、軟體開發與設計、物件導向程式設計、物聯網系統開發、Arduino開發、嵌入式系統開發。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、物聯網系統開發、軟硬體技術整合等領域,並持續發表作品及相關專業著作,並通過台灣圖霸的專家認證。

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