観測機器
2017.11.11 更新

 

 1-Wire LANとは  1-Wire LANによる気象観測機器
 温度計  風向風速計
 雨量計  雨量計の凍結対策
 気圧計  温湿度計
 温湿度計のパゴダ  日照計
 日照計その2  雷センサ
 工作のヒント  パソコンと1−Wire LANの接続
 較正

 省エネと、冬暖かく夏涼しい家をめざし、OMソーラーハウスという、太陽熱利用形住宅をつくりました。新しい家を建てたことを機会に、家の性能をしらべるため、温度などの自動計測を思い立ちました。2002年頃のことです。いろいろしらべると、パソコンに温度センサを取りつけるには、データロッガやソフトが必要で、センサの数が増えると結構なコストで、気軽にというわけにいかないことがわかりました。
 ある電子雑誌(トランジスタ技術SpecialNo.69 2000年1月)をたまたま見ていたら、1-Wire LANというものがあるらしい。すこし勉強することにしました。1-Wire LANは、ダラス・セミコンダクタ社が開発した1ワイヤ・バス・システムで、MicroLANとも呼ばれます。1-Wireとはいっても、正確にはアース線も含めて2本の銅線を用い、300メートルの範囲に散在する数百個のセンサや制御機器を芋づる方式あるいはスター方式で接続し、各センサの情報をパソコンに収集したり、簡単な制御を行うことができます。各デバイスには、64ビットのユニークなIDコードが書き込まれているので、どのような接続をしても、配線を変更しても、目的のセンサからのデータを識別することができます。広い範囲にサンサが点在する場合に、配線の工事が非常に簡便にできます。
 もうひとつ1-Wire LANの特長は、電源供給です。特に屋外の場合、センサごとに独立の電源を準備するのは大変ですし、別線で供給するのは、安定性やノイズの点で厄介です。この1-WireLANは信号線にパラサイト方式というやり方で1ワイアに5ボルトの直流を重畳して給電が可能という優れものです。

1-Wire LAN概念図(トランジスタ技術SpecialNo.69 79ページより転記)

1-Wire LANによる気象観測機器

 1−Wire LANに接続されるデバイスは、たとえばダラスセミコンダクタ社からDS18S20という温度センサが発売されています。3端子のデバイスで、この中に@温度計、AA-Dコンバータ、Bメモリ、Cプロトコル、DID識別の機能が、1チップになっています。私はこのチップを米国のサイトから通信販売で1個4.85ドルで購入いたしました。(送料が馬鹿になりませんが)
 このほか気象観測で使われる、1-Wire LANのデバイスは以下のとおりです。
DS2423 カウンタデバイス
DS2438 ADコンバータ
DS2450 4回路ADコンバータ
 1-Wire LANとパソコンとの接続は、DS9097Uというアダプタがあり、パソコンのRS232Cシリアルポートに接続できます。USBに対応したアダプタもあります。
 いずれもダラスセミコンダクタ社製で、ダラスセミコンダクタ社はその後MAXIM社に買収されました。RSコンポーネンツ は日本語対応で1-wireデバイスを個人にも販売しています。現時点で最も確実、安価な入手方法です。

 気象観測に必要な観測機器は、温度計だけではなく、風向計、風速計、気圧計、湿度計などがほしくなります。
 これらを1-Wire LANで実現したいくつかの論文があり、それに基づく製品や、キットが開発されています。完成品も発売されていますが、高価です。
 Hobby Boardsというサイトで、1-Wireの観測機器のプリント基板のみならず、キット、完成品を購入することができるようになりました。表面実装用ICを用いる苦労が軽減され、楽に組み立てができるようになりました。
 なお、以前から1-Wireの気象観測で活躍していた、Tim Bitson氏が最近"Weather Toys"という単行本を発行しました。英語ですが親切な図解と写真で入門としては最高です。

 温度計は専用のDS18S20というチップがありますから、これとDS9097Uをツイストペア線(電話用の配線)で結べば、デジタル温度計が簡単にできあがります。DS18S20は−55から100℃まで、分解能(resolution)+−0.5℃で測定します。このチップのマウント方法はいろいろ考えられると思いますが、モジュラジャックで接続できるように、サンハヤト製のコネクタ変換基板CK17を使いました。適当な板に木ねじで取り付け、固定します。直射光をさけ、風通しの良い場所をえらびます。DS18S20は3端子でパラサイト方式の場合、第3端子をアースに落とすことになっているため、回路図は下のようになります。

黒いのがDS18S20 この板を軒先に取り付ける
温度計回路図

 なお、下記に示す湿度計に用いるDS2438は、内部に-55℃から+125℃まで分解能0.03125℃の温度計を内蔵しています。本気象台ではそちらも併用しています。

 オリジナルの風向風速計の開発は、1-Wire Weather Stationとして、ダラスセミコンダクタによってなされました。その後AAG社からVersion3としてキットが発売されました。現在これと同じ物は入手できないようです。
 風速は、風をとらえる3つのカップに連動したマグネットが、リードスイッチを駆動し、そのON/OFFの回数を、DS2423チップが数えます。単位時間あたりON/OFF回数を換算し、風速とします。
 風向は少々複雑です。羽板(Vane)に連動した、リードスイッチが、風向により、異なる抵抗をON/OFFすることにより、風向にみあった電圧が出力されるしくみになっています。それをDS2450のチップでAD変換し、1-Wire LANに出力します。回路図を示します。詳しくは文献を参考にしてください。

風向風速計 内部基板の上下を間違うと風向が誤表示するので注意

風向計回路図

 一般にAMeDasなど、自動計測で用いられる雨量計は、日本庭園にある「獅子脅し」のような構造です。漏斗で集められた水を、転倒枡に落とし、”カタン”という転倒の回数を数え、換算し雨量を知ります。当気象台の雨量計も同様の構造です。文献のように、転倒枡に、マグネットがついており、カウンター基板上のリードスイッチ(回路図のSW1)をON/OFFします。その接点を、DS2423のカウンタで数え、1-WireLANで読み取ります。
 1回の”カタン”が約0.25ミリメートルの雨量に相当します。この値はソフトウエアで詳細調整します。ダラスセミコンダクタ製のオリジナルのキットがイギリスのサイトに残っていたのでそこから入手しました。もう発売中止のようです。他社製の雨量計を1-Wire LANに接続するキットが発売されています。

雨量計 雨量計内部

雨量計カウンター基板回路図(R1は300kΩに変更 2015/09/28)

 10年以上運転するとこの雨量計にトラブルが生ずるようになりました。雨量計内部は湿度が高くカウンター基板の絶縁不良が発生し、リードスイッチがOFFの状態でもカウントアップされ、異常に高い雨量値を計測するようになってしまいました。
このため、カウンター回路を別に作成し、雨量計内ではなく、乾いたケースに格納することとしました。(2014.12.14追記)

自作したカウンター基板

 その後も異常値を計測することがたびたびあり、雨量計を新規に購入しました。もっとも実績のある RainWise社のRainew 111を日本の代理店電子通商株式会社から購入しました。今までのダラスセミコンダクタ製1-wireRainGauge(6インチ)と比べると、直径8インチで、大型です。(2015/09/28追記)
 この機種には簡単なLCD表示カウンタが付属していますが、それは使いません。転倒枡の動きに応じて、磁石がリードスイッチを駆動する構造はダラスセミコンダクタ製と同じですので、コネクタを取り替え上記カウンタ回路に接続します。保護用の100Ω抵抗が入っていますが、そのまま1-wireカウンタ回路に接続しても動作します。ただし上記カウンタ回路のR1(プルダウン抵抗)は、1MΩでは大きすぎ、漏電流で動作してしまうことがわかりましたので、いろいろ実験した結果300kΩに変更してあります(異常動作の原因はこれでした。雨量計を交換せずともよかったようです)。
 ケース(ロート部分)をはずしてみると、水が飛び跳ねないような構造となっており、防水対策は期待できます。
右がRainWise社のRainew 111 水が飛び跳ねないような構造

 転倒枡の感度(何ミリの雨量でカウントするか)を調節出来るようになっています。1転倒で0.01インチに較正してあるとのことですので、ソフトの設定と合致していれば、このままの使用で問題ありません。私の場合は、以前のデータと差異がありましたので、調整しました。水を正確に量り(メスシリンダで、あるいはキッチン秤で水の重量を量り)、転倒回数を数え、調整ビスをドライバでまわして調整します。 またリードスイッチ部分の防水が不十分でしたので、スーパーセメダインをたっぷりぬりつけました。 (2015.12.22)
転倒枡の真下にリードスイッチがある。
調整用のビスは2カ所。
高さを高くすると少量の水でも転倒し感度が高くなる
パイプの先端に設置しましたが、強度が足りなかったので材木で補強
あまり、格好良くない


 冬期に雪になると、雨量計が凍結し、雪の降っている間は雨量として感知せず、晴れて気温が上がると溶け、その時始めて雨量計が働くという奇妙なことになります。雪の降っている間に、雨量計を凍結させないようにするには、ヒータで雨量計を暖める必要があります。そのために、坂口電熱社の面状ヒータを、RainWise雨量計のロートの裏側に貼り付けました。直径80mmの円形のものを3枚もちいます。両面テープが付かない素材なので、ビニールテープで止めています。これでうまく動くようでしたら、のり付けの予定です。
 24V〜40Vの直流を加えます。1枚あたり数Wの発熱で、ほんのりあたたまり、雪はゆっくりとけて、雨量として観測されます。また、別途タイマーを用意しON/OFFできるようにしました。
 いままでの観測では、雪質によりますが乾いた雪の場合、雨量の約10倍が積雪量に換算できることがわかっています。たとえば1mmの雨量として観測された雪は、1cmの積雪に匹敵します。(2015/12/20追記)

左のロートの裏側に、面状ヒータを3枚はりつけ


 その後面状ヒーターをのり付けしました。面状ヒーターはシリコンゴム製、雨量計はポリプロピレン製です。両素材とも接着剤が効かないことで有名です。唯一、 コニシのボンド「 ウルトラ多用途プレミアムSUソフト」が、今までつきづらかった、ポリプロピレン・合成ゴムにも接着可能ということで、使ってみることにしました。1ヶ月経過しましたが、硬化後も弾力があり良好のようです。耐熱温度:-30℃〜80℃で、念のためハガレがないかときどき検査することとします。(2016/11/21追記)

 雨量計の青色のキャップの内側はドライエリアで雨が入り込まない構造になっています。この中に小さな接続用の基板を入れることにします。配線は底板に穴を開け通します。

接続用の基板(赤丸内がDS18S20)
 
接続用の基板はリードスイッチ、ヒータのリード線をケーブルに接続します。また雨量計内の温度計測用に専用のDS18S20も載せてあります。(2017/3/1追記)

 



 気圧はモトローラ社のMPX4115という半導体の圧力センサを用います。150hPa(ヘクトパスカル)から1150hPaまでが、0ボルトから5ボルトまでに対応して出力します。レンジが広すぎて分解能(resolution)が悪いので、1000hPa付近だけを拡大するための回路を作成します。直流のオペレーションアンプLM358で増幅し、その出力をDS2438のADコンバータで1-Wire LANに出力します。David Bray氏が回路設計したものをJim Jenning氏がプリントボードに焼き付け、実費で送ってくれました。それを用いて、自作です。回路図はこちらです。さらに改良された回路のキットがHobby Boardsから購入できます。

気圧計(丸く見えるのがMPX4115)

気圧計回路図

 オリジナルの湿度計は、ハネウエル製のHIH-3610という半導体の湿度センサを用いていました。0%から100%までの相対湿度に相当する0ボルトから5ボルトの電圧を出力します。それをDS2438でAD変換し、1-Wire LANに出力します。上に書いたように、DS2438には、高分解能の温度計を内蔵していますから、これだけで温湿度計が出来きあがります。最近HIH-3610が入手困難になり、HIH-4021が新規に発売されています。フリーのプリント基板を用いた自作です。屋外と、室内の2台作りました。回路図はこちらに示します。

中央が変換基板にのせたDS2438、左端がHIH-4021
温湿度計回路図

 温湿度計を屋外に設置する場合、雨にさらされず、風通しが良く、直射日光が当たらないようにしなければなりません。そのための覆いをつくりました。その形が仏塔に似ていることから、パゴダと呼ばれます。材料は写真のように植木鉢の受け皿を加工します。このほか、長さ120mmのねじ、スぺーサなどです。
 一日中、日の射さない軒下に設置しています。



材料費は500円未満

 晴れ、曇り、雨などの天気をどのように判断したらいいでしょうか。雨量計があれば、雨が降っているかどうかはわかりますが、晴れているか、曇っているかはわかりません。そのために日照計をつくりました。太陽からのエネルギーは晴天で1平方mあたり約1kW(太陽定数といいます)降り注いでいます。雲がかかるとその量は低下します。120W/m2以上の場合を「日照あり」と言います。
 日照計は太陽が照っているか、その強さはどのくらいか測ります。文献ではいろいろな方法が提案されています。フォトダイオードを用いたHobby BoardsのSolar Sensorのキットが手に入りましたので、それをつくりました。これはCLD140という140度の広い指向性をもったフォトダイオードを用いています。このデバイスが販売停止となり代替品は SFH203Pです。
 回路図をこちらに示します。DS2438 ADコンバータのVsens端子を用います。オリジナルの回路では、ノイズが乗ってしまうので、RfとCfのローパスフィルタを挿入してあります。問題は、フォトダイオードのマウント方法で,もっとも日当たりのよいところに設置しないといけません。また防水対策も必要です。100円ショップで、卓上「ごますり器」を見つけましたので、それを加工しケースとしました。また、フォトダイオードは、太陽にさらされ劣化が進むため、交換できるようビス止めにしました。

     
ごますり器   金色のCLD140フォトダイオードをマウント
   
 
フォトダイオードによる日照計回路図

 フォトダイオードを用いた日照計はフォトダイオードはの劣化のため、たびたび故障しました。そのためふたたび太陽電池による日照計をつくりました。
秋月電子の最も小形のシリコン太陽電池モジュール(0.5V250mA)ETMP250−0.5Vをもちいました。太陽電池は安定で劣化は問題ありません。しかしながら平面のため指向性に難があり、太陽が低い位置にあるとき、たとえ晴れていても曇りと判定することになります。

 
試作1
シリコン太陽電池モジュールをジャムの瓶にいれる
 
 
 つぎに試みたのはフレキシブル太陽電池です。共立電子から TX3-25が売られています。これを円筒状のものに巻き付ければ、指向性が広くとれ日の出から日没までの角度に対し、一定の出力が得られそうです。下の写真のようにいくつか試作をしました。現在は試作4のように2枚のフレキシブル太陽電池をアクリルの半球(東急ハンズ)の中に入れ並列接続するのが最もよろしいようで、満足しています。太陽電池は必ず負荷抵抗が必要で、回路図のRLに電流を流し、その両端の電圧を測るようにします。RLの値は太陽電池の特性データから求めます。TX3-25の場合は 開放電圧4.1V、短絡電流40mAですので、4.1/0.04=100Ωとしています。

共立電子TX3-25
試作2 直径5センチのジャム瓶にいれる 試作3 直径10センチのPCBパイプに貼り付ける
試作4 アクリルの半球の内側に2枚貼り付け 最も日当たりの良いところに設置
試作4の回路図

再度、故障しましたので、 秋月電子のシリコン太陽電池モジュール(0.5V250mA)ETMP250−0.5Vを復活させました。(2017/11/13)
2枚の太陽電池がお互いに競合していましたので、シンプルに元に戻しました。1.5Ωの負荷抵抗で、最大375mVの出力です。DS2438のVsensは最大250mVですから可変抵抗器で調整します。防水加工(ラミネート)してありますので、むき出しです。

 
小さい基板に負荷抵抗 ビスと両面テープで固定。水平に設置
 
 

 近くで、雷が光ったり、ごろごろしたりを検出します。積乱雲が発達すると、雲の中の電荷が正負に分かれ、大きな電位差を生じます。雷はこの電位差が大きくなると発生し、雲の中でおこる空中放電と、雲と地面との間で起こる対地放電があります。いずれも強い電磁波を発生し、雷センサはこの電磁波を捕らえます。Tim Bitson氏の開発した雷センサのキットが、Hobby Boards社から発売されていますので、それを用いました。回路はに示すとおりで、2つのパートからなります。左側は雷の電波を受信する回路、右側は雷の回数をカウントする回路で、その間はフォトリレーで絶縁してあります。アンテナで受信した雷エネルギーはダーリントン接続のトランジスタアンプで増幅され、フォトリレーを駆動します。そして、カウンタDS2423でその回数を数え、1-wireLANでパソコンで読み取れるようにします。アンテナは1mほどの銅線を、アースは50センチのアース棒を地面に打ち込みました。 (2014年12月現在休止中。新しい雷センサとRaspberryPiによる方式を別途作成しました。)



雷センサ 基板・電池・アンテナ線は塩ビパイプに入れる

 1-Wireデバイスは、DS18S20以外は、表面実装用のパッケージ、自作のための2.54ミリピッチのユニバーサル基板には、直接半田付けができません。そのための変換基板を用います。(湿度計の写真を参照)
 またパラサイト電源供給のための回路に用いるdual diode BAT54Sは手に入りくいですが、通常の小電力ショットキバリアダイオードで十分です。わたしは富士電機ERA82-004(秋葉原ラジオデパートで70円)で代用しました。


 1-Wire LANとパソコンとの接続は、DS9097Uというアダプタがあり、パソコンのRS232Cシリアルポートに接続します。 各センサとの配線には、ケーブル長が長い場合は、キャパシタの影響が少ない、カテゴリ5のLANケーブルが推奨です。家を新築するとき、事前にすべての部屋とベランダなどに、CAT5EのLAN配線をしました。2線の電話ケーブルでも十分のようです。ただし電話ケーブルの場合極性に注意する必要があります。いわゆるストレートケーブルで、内部でよじれていないことを確認します。
 接続にはモジュラジャックを使いますが、オリジナルのDALLASやAAGでは2ピンあるいは6ピンモジュラを、最近のHobby Boardsでは8ピンモジュラ(RJ45)を使うようになっています。ピンアサインが混乱していますが、私はDALLASの推奨規格を用いています。1-wireだけの場合はすべて共通です。

DS9097U RJ11(2ピン) DALLAS推奨 RJ11(6ピン) HobbyBoards RJ45(8ピン)
- - - PowerGND 1
- +5VPower 1 +5VPower 2
- PowerGND 2 3
1-wireデータ 1 1-wireデータ 3 1-wireデータ 4
1-wireGND 2 1-wireGND 4 1-wireGND 5
- 空き 5 6
- Unregulated+15V 6 +12V〜24V 7
- - - PowerGND 8

カテゴリ5のLANケーブルをRJ11(6ピン)コネクタにつけたところ。ピン番号は写真うえから1,2,3,4,5,6


 たくさんのセンサを接続したり、多方面へケーブルを延ばす場合、1-Wire Hubとよばれる装置を使ったほうがよいとされています。私の場合、むしろ動作が不安定になり、直結にしています。

 観測機器は完成しましたが、その測定値は正しいのでしょうか、較正する必要があります。公開されているアメダスのデータや公的な観測データを元に校正します。温度、風速、風向、湿度は1−Wire の機器で十分な精度であると認められます。気圧と雨量について、詳細な校正を必要としました。私のところから、一番近い気圧データを公表しているサイトは、大手町の気象庁で、気象庁のアメダスデータとして公開されています。自分の測定データとアメダスのデータをExcelにとりこみ、相関をみます。offset値を調整し、相関係数0.9969をえています。気象庁の大手町から30kmはなれていますがよく一致しています。
 雨量のデータはアメダスとの比較もよろしいが、気圧と異なり、雨量は局所的ですのでなるべく近い観測点と校正する必要があります。国土交通省の水分水質データベースが10分ごとに1級河川について、雨量計のデータを公開しています。私のところから、3kmの多摩川日野橋のデータと校正しました。