Насколько точны IoT-дождемеры для сельского хозяйства и мониторинга погоды?

Точные данные об осадках могут помочь в принятии многих практических решений. К ним относятся оптимизация графика орошения и управления дренажем, мониторинг наводнений, анализ местных погодных явлений и регистрация параметров окружающей среды. Сельскохозяйственные предприятия, метеостанции, проекты по управлению водными ресурсами и «умные города» используют дождемеры на основе Интернета вещей для сбора данных и их удаленной передачи на платформы Интернета вещей.

Но насколько точен дождемер, использующий интернет вещей?

Правильно установленный и регулярно обслуживаемый датчик осадков может предоставлять точные данные для принятия решений в сельском хозяйстве, рутинных метеорологических наблюдений, регистрации параметров окружающей среды и гидрологических приложений. На общую точность влияют не только “компоненты Интернета вещей”. К таким факторам относятся принцип измерения, разрешение, интенсивность осадков, условия установки, процедура калибровки, процедуры технического обслуживания и обработка данных.

В принципе, применение технологий Интернета вещей для мониторинга осадков упрощает доступ к данным, но это не автоматически повышает точность датчиков дождя.

Что такое IoT-дождемер?

Ан Интернет вещей — дождемер Это не собственный принцип измерения осадков. Возможности IoT означают, что дождемер подключается к дополнительным компонентам. Опрокидывающееся ведро, весовой, оптический или пьезоэлектрический датчик дождя обычно могут быть подключены к регистратору данных, устройству связи и платформе IoT.

Комплексная система мониторинга осадков с возможностями Интернета вещей может включать в себя:

* Датчик осадков

* Блок сбора данных (RTU)

* RS485, импульсный выход, SDI-12, LoRaWAN, NB-IoT, 4G или другой интерфейс связи

* Источник питания: солнечная энергия или переменный ток

* Встроенное хранилище данных

* Облачная платформа мониторинга

* Возможности оповещения и формирования отчетов

Эти функции позволяют пользователям удаленно отслеживать количество осадков, сравнивать данные о дождевых событиях на многих участках, получать оповещения и экспортировать исторические данные об осадках, не посещая каждую точку мониторинга.

Однако точность измерений по-прежнему начинается с самого датчика осадков.

Точность — это не то же самое, что разрешение.

Распространенная ошибка при выборе дождемера заключается в том, что точность и разрешение считаются взаимозаменяемыми характеристиками.

Разрешение

Разрешение — это количество осадков, которое датчик может обнаружить и зарегистрировать за один раз. Например, дождемер с опрокидывающимся ведром может быть настроен на выдачу одного импульса на каждые 0,1 мм, 0,2 мм или 0,5 мм собранных осадков. Разрешение — это размер каждого приращения измерения, а не общая погрешность измерения.

Точность

Точность измерения количества осадков определяется тем, насколько близко измеренное значение к истинному значению при заданных условиях. Тот факт, что дождемер имеет разрешение 0,2 мм, не означает, что его точность составляет плюс-минус 0,2 мм. Точность дождемера может варьироваться в зависимости от интенсивности осадков, механических условий, настроек калибровки, близлежащих препятствий, ветра и надлежащего технического обслуживания.

Повторяемость

Ещё один важный аспект при измерениях — это стабильность показаний дождемера при многократном воздействии одних и тех же условий.

Доступность данных

Для систем Интернета вещей доступность данных также имеет значение. Если датчик очень точен, но возникают проблемы со связью, из-за которых данные об осадках теряются, какой смысл в дождемере? Хранение данных на месте с функцией автоматической повторной передачи может помочь в сетях сбора данных, где есть пробелы в связи.

Какие факторы влияют на точность измерения количества осадков с помощью IoT-устройств?

дождемер

Первое существенное различие между дождемерами заключается в технологии измерения осадков. Вот как работают четыре распространенных принципа измерения осадков.

1.Дождемеры с опрокидывающимся ведром

Дождемеры с опрокидывающимся ведром работают за счет сбора осадков через воронку. Дождевая вода собирается с одной стороны небольшого внутреннего ведра. Когда собирается достаточно воды, чтобы механизм опрокинулся, он опустошается и посылает сигнал на регистратор. Общее количество осадков равно количеству опрокидываний, умноженному на количество осадков, необходимое для каждого опрокидывания.

Дождемеры с опрокидывающимся ведром популярны благодаря своей простоте, доступности, легкости подключения к регистраторам данных и хорошей работе в сетях с несколькими точками мониторинга.

К потенциальным проблемам данного метода относятся:

* Снижение точности при интенсивных осадках

* Задержка в предоставлении отчетов во время слабых дождей

* Износ и проблемы с балансировкой механизма опрокидывания

* Засорение воронки или дождеотводящего отверстия

* Потеря воды во время работы наконечника

Поскольку между моментом попадания воды в воронку и моментом регистрации опрокидывания существует временная задержка, для достижения наилучших результатов датчик необходимо динамически калибровать. Исследования дождемеров с опрокидывающимся ведром показали, как неопределенность измерений связана с интенсивностью осадков, методами калибровки, механическими свойствами опрокидывающегося ведра и методами коррекции ошибок.

• Взвешивание дождемеров

Взвешивание автоматические дождемеры Эти приборы регистрируют, насколько увеличивается или уменьшается вес собранных осадков. Они обеспечивают непрерывную запись накопленных осадков. Для количественной оценки количества выпавших осадков им не нужны показания опрокидывающихся емкостей ведер.

Поскольку эти весы измеряют общий вес, они, как правило, хорошо работают при различной интенсивности осадков. Весы широко используются в профессиональной метеорологии, климатологии и научных исследованиях. Некоторые модели даже предназначены для количественной оценки смешанных осадков или твердых осадков, таких как снег и град.

Компромиссы могут включать в себя:

* Более высокая первоначальная стоимость

* Установка более сложная.

* Более высокое энергопотребление и затраты на техническое обслуживание

* Уязвим к вибрации, испарению, температуре и изменению параметров системы.

• Оптические датчики дождя

Оптические датчики дождя определяют дождь по изменениям освещенности, вызванным каплями дождя. Эти датчики не имеют опрокидывающегося резервуара и часто имеют небольшие размеры, что позволяет легко интегрировать их в компактные метеорологические системы.

К преимуществам относятся минимальные требования к техническому обслуживанию и компактные размеры. К недостаткам относятся ограниченный диапазон измерений и то, что расчет накопленного количества осадков полностью зависит от алгоритма производителя.

• Пьезоэлектрические датчики дождя

Пьезоэлектрические датчики измеряют энергию удара дождевых капель. Пьезодатчики обладают очень быстрым временем отклика и имеют другие размеры, чем обычные ведра.

Пьезоэлектрические датчики полезны для обнаружения дождя, получения данных о тенденциях интенсивности осадков, компактных метеостанций и небольших узлов мониторинга IoT. На точность расчета количества осадков влияют размер капель, вибрация датчика, способ его установки, ветер и алгоритм обработки данных, используемый производителем.

Как интенсивность осадков влияет на точность измерений

Интенсивность осадков также может влиять на точность регистрации дождемером количества осадков. Слабые дожди, сильные дожди и быстро меняющиеся условия выпадения осадков по-разному влияют на работу дождемеров.

1. Дождей практически не было.

Если дождь идет очень медленно, дождемер с опрокидывающимся ведром должен сначала собрать достаточно воды, чтобы ведро опрокинулось. Это означает, что небольшое количество дождя может оказаться на воронке или внутри устройства и не быть зафиксировано.

• Сильный дождь

Если идёт сильный дождь, больше воды будет пытаться попасть в дождемер с опрокидывающимся ведром во время его опорожнения. Дождемер будет занижать количество осадков, если система измерения не учитывает этот фактор.

Взаимосвязь между поступающей водой и движением ведра объясняет, почему динамическая калибровка полезна. Именно поэтому при оценке дождемеров следует обращать внимание не только на заявленную точность.

Как условия установки влияют на точность данных об осадках

Качественно изготовленный дождемер может давать неверные данные, если он установлен неправильно.

1. Дождемер должен быть установлен ровно.

Дождемер с опрокидывающимся ведром должен быть установлен идеально ровно. Любой наклон может нарушить баланс механизма опрокидывания, что, в свою очередь, повлияет на количество осадков, необходимое для опрокидывания.

Проверку следует проводить во время первоначальной установки и регулярно в рамках планового технического обслуживания. Особенно важно проводить повторную проверку после сильного ветра, движения грунта или при проведении технического обслуживания вблизи дождемера.

• Близлежащие объекты

Точность прогнозирования осадков может зависеть от находящихся поблизости объектов, таких как деревья, стены, здания, заборы, башни или другие сооружения, которые могут блокировать осадки или создавать турбулентность.

В идеале дождемер должен располагаться достаточно далеко от этих препятствий, чтобы не оказывать существенного влияния на измерения количества осадков. Инструкции по установке также должны соответствовать метеорологическим или гидрологическим стандартам, используемым в данном проекте.

• Ветровые условия

Ветер также может вызывать недоулов, разнося капли дождя вокруг сборной воронки. При проектировании установки следует максимально ограничить воздействие ветра. Для проектов, требующих высококачественных справочных данных, следует рассмотреть возможность использования ветрозащитного экрана или выбора более защищенного места установки.

• Брызги дождя

Капли дождя могут попадать в дождемер или выплескиваться из него. Ограничение этих эффектов начинается с правильной высоты установки и использования подходящих поверхностей под дождемером.

• Коллектор и воронка должны содержаться в чистоте.

Насекомые, птичий помет, листья, пыль, песок и другие материалы могут накапливаться на дождемере и влиять на то, как он собирает и измеряет дождевую воду. Если мусор частично блокирует воронку, выпадение осадков может задержаться до того, как механизм опрокидывания зарегистрирует опрокидывание.

• Калибровка и техническое обслуживание имеют значение.

Точность показаний дождемера зависит от способа его калибровки и частоты технического обслуживания.

Возможности Интернета вещей не исключают необходимости правильной установки, технического обслуживания и калибровки. Эти факторы помогают гарантировать, что дождемер предоставляет точную и достоверную информацию о дождевых событиях на вашем участке мониторинга.