超低消費電力(数uA)で動作する降雨センサーを作ってみた。

静電容量式の降雨センサーは雨の降り始めはわかるが降り終わりがわからないので雨の強さや降り終わりもわかるボタン電池で動作する超低消費電力なセンサーが作れないものだろうかと考えてみた。

降雨センサーは何種類かあるがそれぞれ一長一短がある。
1.抵抗値(降り終わりがわからない、ヒーター付きは消費電力大)
2.静電容量(降り終わりがわからない、ヒーター付きは消費電力大)
3.電波系(ドップラー方式、消費電力大)
4.光学系(消費電力大)
6.音響系(雨音の検出が難しい?)

電波系や光学系は電力消費が比較的大きいため雨粒の衝突音を検出する音響系の方法が一番消費電力が低くできる可能性がありそうだ。但し、マイクでは特性が良すぎて不必要な環境音まで拾ってしまい雨粒の衝突音だけを検出するのが少々やっかいそうなので他に使えそうな方法は?と探して見つけたのがピエゾセンサー。楽器用にも使われている振動を検出するためのセンサーであるがマイクより感度は低く周波数特性も良くないが雨粒の衝突音の検出用には使えそうだし値段も安く入手もしやすいので早速試してみた。

ピエゾセンサーを一般的なオペアンプを使って試したところかなり感度がいい。大きな音や息を吹きかけたりしても反応する。少し感度が良すぎるかも?とは思ったが使えそうなことがわかったのであとは低消費電力化をどうするかだ。実験の結果、超低消費電力(uA未満)で動作するオペアンプはスルーレートが低すぎて使いものにならなかったので超低消費電力(uA未満)で動作するコンパレータのみで実験してみた。

センサーを屋外に置き実際に試してみるとアンプなしではやはり感度不足っぽい気もするがしっかり濡れるぐらいの降雨であれば検出は可能だ。あまり感度が高いと風とか飛行機とか工事の音とか様々な環境音にも反応してしまうのでこれぐらいの感度のほうがいいのかも。使い物になるかどうかは暫く使い込んでみる必要があるけれどね...

【18:06-00:37までの実測データをグラフ化】
最初の山は19時頃、次の山は00時頃で実際に雨が降っていた。風速7-8m程度の比較的強い風だったため風だけでもセンサーが反応してしまっていたが1分毎のデータなので60以下なら風の影響と考えれそう。グラフ設定がうまくできなかったけど雰囲気だけは出てるっぽいな。(笑)

【回路図】
コンパレータはTS881(210nA)を使ったのだが実測すると4-5uAも流れてた。なぜだろう?

【蓋の裏側にピエゾセンサーを両面テープで貼り付け】

【内部の様子(基板は実験途中の物)】

【蓋を閉めて完成】

省電力化のためコンパレータ出力はスリープ中でも動作するTWELITEのパルスカウンターでカウントしパワーオンやカウントがゼロになったときにディープスリープさせ最初のバルスでウェイクアップさせる。その後はウェイクタイマーにより1分毎にウェイクアップしながらカウントの差分をNVデータ領域にバッファリングしていきカウントがゼロになるまで繰り返す。データはバッファフルになるかカウントがゼロになった時点で送信する。

【ファームウェア(TWELITE)】