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デジタル日野気象台

 新しい家を建てたのを機会に、気象観測を思い立ちました。OMソーラシステムという、太陽熱を直接取り込む方式です。いい工務店にめぐまれ、冬暖かく、夏涼しい家ができました。いったい太陽熱をどのくらい取り込むのか、外と、室内と気温の変化はどのくらいか、など、実際に測定してみたくなりました。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概念図(トランジスタ技術SpecialNo.69 79ページより転記)

 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。最近USBに対応したアダプタも発売されました。
 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最近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、温度計だけではつまりませんから、風向計、風速計、気圧計、湿度計などがほしくなります。
 これらは、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。
 最近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、丁度良い大きさのツールレスモジュラコネクタがありましたので、その中にDS18S20をおさめました。そのコネクタを両面テープで、壁面に固定します。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、回路図はこのようになります。

モジュラコネクタの中の黒いのがDS18S20
左のDS9097UによりパソコンのRS232Cシリアルポートに接続すれば最も簡単なデジタル温度計が作れる

 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を用い、DS18S20は補助に用いています。

 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。



 一般にAMeDasなど、自動計測の雨量計は、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、転倒ますに落とし、”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、転倒ますに、マグネットがついており、リードスイッチを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。回路図はこちら
 1回の”カタン”が約0.2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。

この上に漏斗がつく。黒いのが転倒ます。

 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、雨量計のロートの裏側に貼り付けました。30mmX200mmのものを2枚もちい、24V〜40Vの直流を加えます。1枚あたり3.6W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。雨量計の内部温度を環視するため、DS18S20の温度計をつけています。また、別途タイマーを用意しON/OFFできるようにしました。

左のロートの裏側に、面状ヒータを2枚はりつけ

 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。

 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、右端がHIH-3610

 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。当初太陽電池を用いた方式を用いていましたが、 最近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、それに変更しました。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。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。



上の写真は「ごますり器」、下の写真のように、金色のCLD140フォトダイオードをマウント

 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。



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。


 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。家が新築ですから、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。

RJ11(2ピン) RJ11(4ピン) RJ11(6ピン) RJ45(8ピン) RJ45のカラー
空き - - - 1 GreenWhite
+5VPower - - 1 2 Green
PowerGND - 1 2 3 OrangeWhite
1-wireデータ 1 2 3 4 Blue
1-wireGND 2 3 4 5 BlueWhite
空き - 4 5 6 Orange
Unregulated+15V - - 6 7 BrownWhite
空き - - - 8 Brown
DS9097U DALLAS推奨 HobbyBoards
重要な注:以前のAAGの風向風速計は4ピンのモジュラをもちい、1:+5V 2:1-wireデータ 3:1-wireGND 4:PowerGNDとなっていました。これは内蔵する温度計DS18S20のVDD端子が第1ピンに接続されているためである。パラサイト方式で2線でパソコンに配線をするときは、付属のジャンパ線で第1ピンと第3ピンをでショートして使うことになっている。このジャンパ線をつないだまま、4線あるいは6線で他の機器につなぐと、回り込んで大変なことになります。

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。

 読み取り用のソフトウェアはダラスセミコンダクタのサイトからWindows、Linux,Palm用のSDK(開発キット)を無料でダウンロードし、自分で開発することができます。TimBitson氏が最近出版した"Weather Toys"という単行では、Javaで観測ソフトを作っています。
 気象観測用の完成ソフトとしてシェアウアやいくつかの会社から、商品として入手できます。私はニュージランドのBrianHamilton氏が開発しているWeatherDisplay($73US)を用いています。データを自分のパソコンに表示するばかりではなく、LAN接続された他のパソコンにも表示できます。また、データをlogとして蓄えたり、ホームページにアップしたり、世界のアマチュアの気象観測ネットワークにレポートしたり、異常値をe-mailしたり、METARという航空気象情報を取り入れたり、さまざまな機能がついています。

 作者のBrian Hamilton氏から日本語化の方法をメールで教えてもらい、次のように行いました。

1.WeatherDisplayのメイン画面から
Setup>Language>Update from language.ini file>Create language.ini for first time
の順にクリックします。そうするとwdisplayのフォルダにlanguage.iniというファイルができます。

2.それを、エディタで修正します。たとえば
temperature=気温
のように、英語に対応する日本語を記入していきます。出来上がりましたら、上書き保存します。

3.もういちどWeatherDisplayのメイン画面から
Setup>Language>Update from language.ini file>Force update now
とし、WeatherDisplayを再起動します。
以上が作者からの指示で、これで完成かとおもったら、へんてこりんな文字がメインスクリーンにあらわれます。これは使用するフォントが日本語になっていないためとわかりました。

4.そこで、WeatherDisplayのメイン画面から
Control panel>Sumary Image & Icons >Font/colour of text>Set label font
の順で、フォント指定の画面を出します。そしてたとえば日本語対応のフォント、MSPゴシック 文字セット”日本語”を指定します。また、メインスクリーンに対しては、同様に
Control panel>Colours>Main screen colour setup のlabel font
で、フォント指定の画面から設定します。

 計測用のパソコンは24時間運転が必要です。消費電力や、騒音について、配慮が必要です。2006年5月からSycom社製のパソコンへ移行しました。 CPUはMobile AMD Turion 64 MT-37, 2000 MHzで、CPUの負荷に応じて、クロック、CPU電圧が自動的に変更され、低消費電力が実現され、CPUはファンが無く、静音パソコンです。
 そのご2010年の夏の暑い時期、暴走、ブルースクリーンが頻繁に発生するようになりました。そのため、メインボードと、CPUを、MSI 785GM-E65、 AMD Athlon II X2に置換しました。ファンレスは無理だったようですので、今回は、CPU温度に応じて可変の低速ファンとしました。

メインボードを入れ替え。CPUファンは1200rpmで、CPU温度40℃。十分に静


 WeatherDisplayは、1秒ごとに計測し、1分ごとにlogファイルを書き出し、さらに設定した時間間隔(当気象台では5分)で、測定した結果をグラフ化し、gifファイルとして保存します。また、その設定した時間間隔で、gifファイルをftp(ファイル転送プロトコル)によりホームページにアップします。従って、それほど高速である必要はありませんが、常時接続でインターネットに接続している必要があります。

 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。

 現在の気象状況を見るために、ライブカメラを作りました。秋月電子通商で売っている簡単なアナログカメラ(25万画素)を用います。NTSCの映像出力が出ますので、それをアイオーデータのUSBキャプタケーブルUSB-CAP2でパソコンに取り込みます。そして、フリーソフトLiveCaptureを用い、10分ごとにftpでホームページにアップします。

 1−Wire LANをもちいた気象観測に関するフォーラムが盛んです。簡単な登録で会員になれます。このフォーラムを通じて、さまざまな最新情報を手にいれることができます。

 世界中にアマチュアの気象マニアが10000人以上いると言われています。この人々が、観測結果をもちより、グローバルな気象情報のネットワークができています。WeatherUndergroundというサイトです。いま私の観測データを毎時送付し世界に発信しています。

2012/07/09追加|Page Top|

 24時間365日、観測装置を連続運転するのは、そう生やさしいものではありません。残念ながら素人細工で作ったものは、たえず故障しますし、修理が必要です。ここでは必要なメンテナンスのノウハウについて述べます。
1.パソコン
一般的なパソコンでも24時間運転は支障なく可能です。ただし、不定期にWindowsUpdateが走ります。そのため知らないときにパソコンが再起動され、連続運転を阻害します。WindowsUpdateは必要なものですから、必ず実施しなければなりませんが、自動更新ではなく「通知」のみの設定とし、マニュアルで更新後、直ちに再起動して、停止時間を短くすることこととしています。
2.壊れやすいセンサー
気象観測のセンサーは、環境の厳しいところに設置せざるをえません。太陽の紫外線にあてられ、雨にさらされ、あるいは40度近い高温やマイナス10度の低温におかれます。このため一般的な室内環境に比べ、センサー半導体は寿命が短くならざるを得ません。最も、壊れやすいのが、温度センサを内蔵したADコンバータDS2438です。一年に一度は壊れて取り替えないといけません。次は、湿度センサーのHIH-4000です。これも約一年でこわれます。また日照計のダイオードや風速を計測するDS2423も交換しました。
継続運転のためには、これら部品は海外から取り寄せると2週間はかかりますので、すぐに修理できるように予備部品として購入し、ストックとして持つようにしています。
メカニカルな、可動部分をもつ、風向計もあらかじめ予備機を購入し、すぐ取り替えることとしています。雨量計は当初購入のものが、10年間無故障です。電子基盤が雨に濡れていますが、意外に強いです

問題は、10年前とメーカの状況が変わってきており、部品や予備基盤が手に入らなくなってきていることです。「リンク集」に記載したサイトは、現状で部品を入手できる貴重なサイトです。ここまで来るとやめるわけに行きません。なんとか修理して、継続して行きたいと考えています。