Laser Schneehöhen-Messer

[joergeli]

Hallo zusammen,

bezugnehmend auf diesen Thread:
http://www.wetterstationen.info/forum/bastlerforum/schneehohe-automatisch-messen-unter-50-euro/
und dem dort von Lukas erwähnten UNI-T UT390B, habe ich mir mal solch einen Laser-Entfernungsmesser zugelegt und mittels eines Arduino einen "Snowduino  " = Laser-Schneehöhenmesser gebastelt.




Beschreibung gibt's hier:
http://arduino.joergeli.de/snowduino/snowduino.php

Testseite mit Messwerten hier:
http://joergeli.de/0_snow/schneehoehe.php
( in Ermangelung von Schnee liegt z. Zt. ein 11,5 cm hoher Kalksandstein unter dem Laser )

Ob der "Snowduino" die Schneehöhe korrekt messen kann, oder ob es Probleme wegen der Oberflächenbeschaffenheit des Schnees geben wird, kann erst ermittelt werden, wenn's schneit.

Das Teil ist nicht für's Hochgebirge gedacht, wobei es durchaus interessant wäre, ob es dort funktionieren würde, wenn die Elektronik in ein beheizten Gehäuse eingebaut wird - der UT390B kann bis 45m messen 


Ok, das "Stativ" hätte man eleganter Lösen können, aber die Alu-Profile hatte ich noch im Bastelkeller.

Was haltet ihr von der Konstruktion ?


Gruß
Jörg
 

[Lukas]

Hallo Jörg

Tolle Arbeit mit guter Dokumentation! 

Der Aufbau/Konstruktion ist gut, wobei ich nicht ganz verstehe wofür der Kalibrierungsabstand so perfekt stimmen muss dass du die LED/Buzzer brauchst. Eine fixe Montage bei einer Höhe wo du auch extreme Schneehöhen messen kannst, sollte doch genügen? Der Laser kalibriert sich ja dann selbst, egal ob 50,00cm oder 73.8cm Montagehöhe.

Misst der Sensor senkrecht nach unten?
Falls sich im Winter Schnee auf dem Sensor sammelt, schmilzt er irgendwann und dann tropfts in den Schnee darunter, dann sind die Messungen nicht mehr repräsentativ mit der wirklichen Schneehöhe.

Ich hoffe dass du gute Messwerte bekommst, falls es mal schön schneit kannst du ja regelmässige Messungen machen. Wenn du ein weisses Blatt Papier auf den Schnee legst, siehst du ob das Medium "Schnee" unterschiedliche Messwerte hervorbringt.

Gruss Lukas

[leknilk0815]

Misst der Sensor senkrecht nach unten?

...nach oben würede es wohl wenig Sinn ergeben...

Falls sich im Winter Schnee auf dem Sensor sammelt, schmilzt er irgendwann und dann tropfts in den Schnee darunter, dann sind die Messungen nicht mehr repräsentativ mit der wirklichen Schneehöhe.

...womit wir dann wieder bei der Tropfenzählerei mittels Regentrichter in Quadratmetergöße wären. Oder vielleicht brennt sich ja auch der Laser im Lauf der Zeit in den Boden?

Wie beim Regen bzw. noch extremer ist die Messung der Schneehöhe. Beim Regen machen 20m zwischen zwei Messstellen schon Unterschiede im Literbereich aus, bei Schnee reicht ein Luftzug, schon sind die Werte "versaut".
Erbsenzählen ist genauer und einfacher...

@Jörg:
das geht nicht gegen Dich, vielleicht baue ich mir das Ding sogar mal nach, prima Arbeit!

[joergeli]

@Lukas

Der Aufbau/Konstruktion ist gut, wobei ich nicht ganz verstehe wofür der Kalibrierungsabstand so perfekt stimmen muss dass du die LED/Buzzer brauchst. Eine fixe Montage bei einer Höhe wo du auch extreme Schneehöhen messen kannst, sollte doch genügen? Der Laser kalibriert sich ja dann selbst, egal ob 50,00cm oder 73.8cm Montagehöhe.

... die  fixe Montage ist das Problem 

Ich habe den Begriff "Kalibrierungsabstand" unglücklich gewählt, besser wäre wohl "Justierhöhe/-abstand" gewesen - sorry.
Es wird nicht der Laser selbst "kalibriert", sondern die Höhe/Abstand des Lasers über Grund eingestellt/justiert.
Wenn der "Snowduino" mit Spannung versorgt wird, erfolgen zuerst 15 Messungen zur Einstellung dieser Höhe. Man muss ja einen definierten Abstand zum Erdboden haben, denn wenn Schnee liegt, wird ja dieser Abstand um die Schneehöhe verringert.
Weil der UT390B in ein extra Gehäuse eingebaut ist, kann man nicht genau feststellen, wo der Laserstrahl "anfängt" (normalerweise die hintere Gehäusekante des UT390B), deshalb wird die kpl. Mimik so lange in der Höhe variiert, bis die Messungen mit dem per Software vorgegeben "Kalibrierabstand" übereinstimmen.

Beispiel:
Per Software vorgegebene Montagehöhe z.B. 10m über Grund.
Dann wird der "Snowduino" grob in dieser Höhe angebracht.
Er ist aber - aus welche Gründen auch immer - nur auf 9,98m montiert.
Zur Feinjustierung wird er dann ( in meiner Konstruktion mit einer Gewindestange und Flügelschrauben) so lange nach oben/unten verschoben, bis die grüne LED leuchtet und der Buzzer einen entspr. "OK-Piepser" trötet, also der Laserstrahl genau bei 10m Höhe "anfängt".

Ich hatte irgendwo in der Beschreibung auch erwähnt, dass man auf den Buzzer und die LED's kpl. verzichten kann, es ist damit lediglich komfortabler die Feinjustierung durchzuführen, zumal der UT390B kopfüber in dem externen Gehäuse untergebracht ist und man sich sonst den Hals verrenken müsste, um die Messwerte direkt am UT390B abzulesen.
Weiterer Vorteil: Wenn der UT390B in einem nicht mit durchsichtiger Frontplatte abgedecktem Gehäuse untergebracht wird, hat man keine Möglichkeit, die Werte auf dessen LCD abzulesen .
Die LED's kann man aber in entspr. Bohrungen im Gehäuse stecken und kann so auch ohne die LCD-Anzeige des UT390B justieren. Die entspr. LED leuchtet dauerhaft bis zur nächsten Messung, dehalb der Buzzer - er signalisiert akustisch die nächste Messung und man muss nicht mühsam den Punkt suchen, den der Laser auf den Boden projiziert, um zu wissen wann die nächste Messung erfolgt ist.
... aber wie gesagt, es geht auch ohne.

Misst der Sensor senkrecht nach unten?
Falls sich im Winter Schnee auf dem Sensor sammelt, schmilzt er irgendwann und dann tropfts in den Schnee darunter, dann sind die Messungen nicht mehr repräsentativ mit der wirklichen Schneehöhe.

.. ja, er misst senkrecht nach unten.
In oben erwähnten Thread sind ja auch Messungen über z.B. Spiegel im 45 Grad Winkel angesprochen worden. Mag wohl gehen, aber man verkompliziert damit m.E. das Ganze nur ( Spiegel muss "wackelsicher" angebracht sein, Beschlagen des Spiegels muss verhindert werden, etc.).

Schmelzender Schnee auf dem Sensor:
Ich gehe mal davon aus, das bei Sonneneinstrahlung der Schnee auf dem Boden unter dem Sensor ebenfalls schmilzt, sollte m.E. keinen allzu großen Einfluss haben.
Viel mehr Sorgen machen mir Nachbars Katzen, die evtl. den roten Punkt im Schnee fangen wollen und dann alles niedertrampeln 
Was evtl. auch noch zu Problemen führen könnte, ist der Schneefall selbst.
Wenn sich eine Schneflocke denkt, "Hey, was ist das denn für ein Ding ..." und fliegt genau zum Messzeitpunkt in den Laserstrahl, wird die Messung natürlich verfälscht.
Viele Schneeflocken = viele Fehlmessungen ?
Ich hoffe aber, dass das diese evtln. Fehlmessungen durch die beschriebenen Mehrfachmessungen und Filterung via Array automatisch herausgerechnet werden.

Wenn du ein weisses Blatt Papier auf den Schnee legst, siehst du ob das Medium "Schnee" unterschiedliche Messwerte hervorbringt.

... guter Tipp 
 

@Toni

... bei Schnee reicht ein Luftzug, schon sind die Werte "versaut".

... sehe ich auch so.
Wie gesagt, ob das Ding für alpine Regionen geeignet ist, kann ich nicht beurteilen.
Für großflächige Messungen ist er jedenfalls nicht geeignet, aber für die Schneehöhenmessung vor der eigenen Haustür, oder im Garten, sollte es aber reichen.

Apropos alpin:
Ich habe im Internet gelesen, dass in den Skigebieten mittels DGPS ( genauer als GPS) das Gebiet im Sommer  höhenmäßig vermessen wird und im Winter dann mit einem in einer Pistenraupe untergebrachten DGPS-Empfänger das Gebiet nochmals abgefahren wird. Mit den Differenzen dieser Messwerten kann dann ein Flächen-/Höhenmodell erstellt werden, dass grossflächige Schneebedeckungen darstellen kann.

Gruß
Jörg

[Lukas]

@Jörg

Liegt bei dir schon Schnee, bzw. was machen die Messungen so?
In deiner Grafik fehlen leider die Daten

Gruss Lukas

[joergeli]

Hallo Lukas,

es hat hier zwar geschneit, aber das war mehr Schneeregen, als "richtiger" Schnee.
Ist sofort wieder weggetaut und ich hatte keine Zeit/Lust, den Schneehöhenmesser dafür draußen aufzubauen.
Der "Snowduino" steht momentan offline im Bastelkeller, deshalb ist die Grafik leer.

Ich werde berichten, wie er sich verhält, wenn's "richtig" schneit.

Gruß
Jörg

[joergeli]

Sodele,

ich habe den "Snowduino" seit 2. Dez.  mal in's Freie gestellt.
Es liegt allerdings kein Schnee, so dass es auf der Testseite
http://joergeli.de/0_snow/schneehoehe.php
momentan nur "Nullen" zu sehen gibt.

Andererseits konnte ich mich bei der Überarbeitung der Testseite mit dem
Java-Script "datepicker" beschäftigen, welches Datumseingaben über einen
Kalender ermöglicht.
Hauptarbeit/-problem waren danach die Plausibilitäts-Checks der Eingabefelder,
damit wirklich nur Datums-Eingaben entgegen genommen werden.
Wieder was mit "Try & Error" gelernt

Ach ja, ich habe (tagsüber) in die Test-Seite noch ein Mini-Webcambild integriert, so dass man auch sehen kann, wenn's draussen weiß ist

Ich bin jetzt bis in's neue Jahr häufig unterwegs, so dass ich mich nicht um evtle. Ausfälle
des "Snowduino" kümmern kann - bitte deshalb um Nachsicht.

Gruß
Jörg

[Lukas]

Super!
Ich freue mich auf deine automatischen Messungen, vielleicht hast du ja sogar mal Zeit für eine händische Referenzmessung

Auf Schnee hoffend,
Lukas

[joergeli]

Hallo zusammen,

heute ist bei uns ein wenig Schnee gefallen und ich konnte erstmalig Messungen mit dem "Snowduino" beobachten.

Hier die Ergebnisse:



Anmerkungen zu Screenshot 1:
In der Nacht hatte es geschneit und am Morgen lag der Pulverschnee ca. 1,5 cm hoch (mit Zollstock gemessen).
Der Snowduino hat nur 0,3 - 0,5 cm angezeigt.
Komischerweise gingen die Meßwerte ab ca. 08:10 (Sonnenschein?) dann auf 0,0 cm, obwohl es lt. Zollstock immer noch ca. 1,5 cm waren.
Gegen 11:20 habe ich dann ein weißes Blatt Papier unter den Laser gelegt, damit stimmten die Meßwerte mit der realen Schneehöhe überein.



Anmerkungen zu Screenshot 2:
Gegen 12:00 Uhr habe ich den Standort des Snowduino geändert, sprich an einer Stelle platziert, wo etwas mehr Schnee lag.
Lt. Zollstock betrug die Schneehöhe hier ca. 3,5 cm.
Der Snowduino zeigte aber auch hier geringere Werte an: 1,2 - 1,9 cm.

Eine Besonderheit stellte ich zwischen 12:30 und 13:30 fest, als die Sonne nochmals hervor kam und die Meßwerte bis auf 0,7 cm herunter gingen. Ab 13:40 bewölkte es sich wieder und die Meßwerte gingen wieder hoch.


Meine Schlußfolgerungen:
1.) Der Laser dringt wahrscheinlich ca. 1-2 cm in die (Pulver-)Schneeoberfläche ein, denn mit untergelegtem weißen Blatt Papier stimmten die Meßwerte ziemlich genau.
Wie es sich z.B. bei Pappschnee , oder größeren Schneehöhen verhält, kann ich noch nicht sagen.

2.) Direkte Sonneneinstrahlung auf den Snowduino verfälscht die Meßwerte geringfügig nach unten.
Ich muß dazu sagen, dass es in dem engen (zwar nach unten offenem) Gehäuse sowieso rel. warm ist, da der uA7805-Spannungsregler ziemlich heiß wird, weil das eingebaute WLAN-Modul rel. viel Strom zieht.
Evtl. würde da ein großflächigerer Sonnenschutz/Abschattung helfen ?
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@Lukas:
Hast Du ähnliche Erfahrungen, bzw. andere Theorien ?


Gruß
Jörg

[jimjack]

Hallo Jörg,

ich verfolge Dein projekt mit grossem Interesse.
Wollte es auch nachbauen, hatte alle Komponenten schon da, nur die Zeit war irgendwie nicht im Paket enthalten...   8

Habe ich das richtig verstanden, dass die Höhe bei Sonneneinstahlung nur während der Sonneneinstrahlung verfälscht wird? Dann muss es einen Einfluss auf die Messwerte haben, eventuell sind es mechanische verspannugen im Gehäuse/Aufbau?

Ich denke auch, dass der Laser ein paar mm/cm in den Pulverschnee eindringt. Bei Nassschnee/Pappschnee wird es vermutlich besser funktionieren. Das wird wohl das gleiche Problem wie bei den Ultraschallmessungen sein. Das habe ich auch schon hinter mir, hat leider auch nicht zuverlässig funktioniert.

Eventuell musst Du ein wohl dosiertes Warmluftgebläse zum Anschmelzen undVverdichten der Oberfläche einsetzen... 

VG
Steffen