Фоторегистратор града
HAIL PHOTO RECORDER

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения интенсивности твердых осадков (града), температуры воздуха, влажности воздуха, атмосферного давления, для последующего определения ущерба, например, сельскохозяйственных культур от градобитий.
2
Известны наземные индикаторы или, иначе называемые, градовые подушки, основанные на определении кинетической энергии выпадающего града (1). Наземные индикаторы представляют собой пенополистироловую пластину площадью поверхности 0,1 м и толщиной 2 см. Поверхность индикатора покрывается тонкой алюминиевой фольгой толщиной 100 мкм. Град, падая на поверхность индикатора, оставляет отпечатки (реплики), по размеру и количеству которых определяют суммарную кинетическую энергию выпавшего града на единицу поверхности грунта, а затем по данному уровню энергии судят о масштабах причиненного ущерба.
К недостаткам можно отнести необходимость калибровки наземных индикаторов, которая производится с помощью стальных, пластиковых либо ледяных ядер, сталкивающихся с чувствительной поверхностью подушки и имеющих кинетическую энергию, равную энергии градин соответствующего диаметра, падающих с установившейся скоростью. Кроме того, требуется значительный ручной труд при подсчетах кинетической энергии по отпечаткам градин, а также требует создания мощной градомерной сети на обширных территориях, что затруднительно из-за значительных трудозатрат.
Известны устройства, позволяющие получать информацию о наличии осадков и уровне их интенсивности на основе видеоданных (2-8).
Известен Измеритель интенсивности осадков (9), который может быть расположен как на неподвижных, так и движущихся объектах. Измеритель интенсивности осадков по видеоизображению содержит видеокамеру, блок цифровой обработки видеоизображения, а также импульсный источник света с частотой вспышек, близкой к частоте кадров видеокамеры. При этом видеокамера установлена с возможностью фиксации яркости изображения капель осадков на расстоянии от видеокамеры от 0,5 до 1,5-2 м.
Известен также Детектор осадков (10). Он включает рамку, поверхность, прикрепленную к рамке и приспособленную для приема града, и средство обнаружения для преобразования атмосферного импульса столкновения с градом в электрический сигнал. Согласно изобретению, поверхность для приема града является выпуклой, жесткой и жестко связанной с рамкой детектора, а средство обнаружения фиксирует воздействие града.
Недостатками вышеприведенных аналогов являются отсутствие функции фиксировать время начала появления града и окончание его выпадения с одновременным фотографированием негативных последствий неблагоприятного метеорологического события.
Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению, принятому за прототип, является HLI сенсор града фирмы Sommer Messtechnik, Austria, (11). Устройство представляет собой установленный на штанге диск из стали с акустическим сенсором, электронной системой управления и модемом. Устройство преобразует акустический сигнал от столкновения градин с диском из стали, на котором жестко закреплен установлен акустический сенсор, в электрический сигнал. Полученный электрический сигнал пропорциональный количеству градин и определяет интенсивность градобития. Информация об интенсивности градобития с помощью электронной системы управления и модема передается на удаленный сервер. Устройство снабжено солнечной панелью для обеспечения энергонезависимости.
Недостатками прототипа являются отсутствие функции фиксировать время начала появления града и окончание его выпадения с одновременным фотографированием негативных последствий неблагоприятного метеорологического события с целью оценки степени ущерба, к примеру, посевам на полях, а также невозможность измерять температуру, влажность, давление в момент выпадения града.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка устройства, которое обладало бы возможностью фиксировать начало появления града и окончание его выпадения с возможностью фотографирования негативных последствий неблагоприятного метеорологического события и измерять различные метеорологические показатели, такие как температура, влажность, давление в момент начала выпадения града, а также после окончания выпадения града и передавать информацию на удаленный сервер в сеть Интернет.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства и увеличение информативности получаемых данных при метеомониторинге.
Указанный результат достигается тем, что Фоторегистратор града содержит установленный на мачте герметичный корпус с жестко закрепленным на нем акустическим сенсором и электронной системой управления, солнечную панель, соединенную с аккумулятором, и модем.
В отличие от прототипа, фоторегистратор града дополнительно снабжен, закрепленными в корпусе, миниатюрной широкоугольной фотокамерой, электронными часами реального времени, а также датчиками температуры, давления и влажности, связанными с электронной системой управления, реализованной посредствам микроконтроллера.
Так как явление града связано с циклонической деятельностью атмосферы, момент наступления града существенно влияет на метеорологическую обстановку в месте его возникновения, что сопровождается резкими скачками атмосферного давления (возникают барические ступени), изменениями температуры и влажности, так как град в большинстве случаев сопровождается ливнем. Датчики температуры, давления и влажности в предлагаемом устройстве используются для фиксации скоротечных изменений метеорологической обстановки, что расширяет информативность устройства в целом.
На фиг. 1 изображен внешний вид фоторегистратора града.
На фиг. 2 изображена схема взаимодействия датчиков.
Устройство (фиг. 1) представляет собой герметический корпус 1 на 2-х метровой мачте (штанге) 2 с акустическим сенсором 3, который срабатывает при появлении града из-за того, что на корпусе устройства возникают акустические сигналы (стук градин), что вызывает появление электрических импульсов, которые запускают микроконтроллер (показан на фиг. 2).
В качестве акустического сенсора 3 использован KPR-G3510L.
2
Устройство также содержит миниатюрную широкоугольную фотокамеру 4, позволяющую сделать снимок поля, площадью не менее 500 м, солнечную панель 5, которая подзаряжает встроенный в корпус источник электропитания (аккумулятор) 6.
В качестве солнечной панели 5 использована поликристаллическая панель 5 В 1,2 Вт, а в качестве аккумулятора 6 использован литий-ионный аккумулятор 4,2 В 2000 мА.
В корпусе 1 (фиг. 2) установлены электронные часы реального времени 7, а также датчики температуры 8, давления 9, влажности 10, выходы которых соединены с микроконтроллером 11, и специальный модем 12 для передачи данных по радиоканалу или через сети мобильных операторов связи в Интернет.
В качестве часов реального времени 7 использованы RTC DS1307, в качестве датчика температуры 8 - DS18b20, в качестве датчика давления 9 - BMP 280, в качестве датчика влажности 10 - HIH-5031, в качестве электронной системой управления использован микроконтроллер 11 ESP32, а в качестве модема 12 - SIM800L.
Устройство работает следующим образом.
1. В начальный момент времени устройство, установленное на мачте (штанге) 2, находится в «спящем» режиме. Изначально известны его географические координаты (определяются в момент установки устройства).
2. В момент появления града, по корпусу устройства 1 начинают попадать градины, которые вызывают появление сигнала включения устройства в работу. Этот сигнал формируется акустическим сенсором 3, который должен срабатывать только на отчетливые постукивания по корпусу. Для этого в качестве акустического сенсора 3 целесообразно использовать пьезокристаллический датчик, который менее подвержен помехам от шума ветра, дождя, или пенья птиц.
3. Внутренние электронные часы реального времени 7 фиксируют точное время начала возникновения града. В этот же момент фиксируется температура датчиком 8, давление датчиком 9 и влажность воздуха датчиком 10. Эти данные поступают в электронную систему управления, реализованную на микроконтроллере 11, и записываются во внутреннею память устройства.
4. Встроенная фотокамера 5 начинает последовательно делать фотоснимки окружающего пространства через каждые 10-30 секунд и до тех пор, пока продолжается град.
5. Как только град прекратился, о чем свидетельствует отсутствие электрического сигнала от акустического сенсора, фиксируется точное время окончания града с помощью часов реального времени 7, а также температура, давление и влажность воздуха датчиками 8, 9 и 10 соответственно.
6. Устройство на удаленный сервер передает информацию о времени начала града, времени окончания града, о температуре, влажности, давлении в момент начала и в момент окончания града, и последовательные фотоснимки окружающего пространства (для дальнейшего анализа специалистам), а также географические координаты. Информация передается на удаленный сервер в сети Интернет по радиоканалу или через сотовую мобильную связь, для чего в устройстве имеется специальный модем 12.
7. Устройство переходит в режим «сна» с возможностью вновь регистрировать появление града при необходимости.
Устройство, которое расположено на поле, (или ином сельскохозяйственном угодье, к примеру, в саду и т.п.) позволяет измерять температуру окружающей среды, влажность, давление, фиксировать начало появления града и фотографировать негативные последствия от воздействия града, передавать информацию на удаленный сервер, с целью дальнейшей оценки фактической степени ущерба от града с помощью экспертов или с использованием компьютерной обработки изображений, используя, к примеру, нейронные сети или иные цифровые алгоритмы обработки фотоизображений. Фотографии являются фактическим доказательством появления града, что является важным для страховых компаний и Росгидромета. Для расширения территории охвата при мониторинге града устанавливаются несколько устройств, которые могут быть объединены в сети и взаимодействовать между собой, организуя сеть Интернет-вещей (IoT).
Список литературы
1. Тлисов М.И., Хучунаев Б.М. Исследование физических характеристик градобитий при помощи наземных индикаторов. - Труды ВГИ, 1986, вып. 69, с. 81-86).
2. К. Garg, S.K. Nayar, "Detection and removal of rain from videos", in Computer Vision and Pattern Recognition, Proceedings of the 2004 IEEE Computer Society Conference on, IEEE, 2004, Vol. 521, pp. I-528-I-535.
3. X. Zhang, H. Li, Y. Qi, W.K. Leow, Т.К. Ng, "Rain removal in video by combining temporal and chromatic properties", Multimedia and Expo, IEEE International Conference on, IEEE, 2006, pp. 461-464.
4. M. Shen, P. Xue, "A fast algorithm for rain detection and removal from videos, in Multimedia and Expo (ICME), IEEE International Conference on, IEEE, 2011, pp. 1-6.
5. P.C. Barnum, S. Narasimhan, Т. Kanade, "Analysis of rain and snow in frequency space", International Journal of Computer Vision, Vol. 86, No. 2-3, Jan. 2010, pp. 256-274.
6. W.-J. Park, K.-H. Lee, "Rain removal using Kalman filter in video, Smart Manufacturing Application", in ICSMA 2008, International Conference on, IEEE, 2008, pp. 494-497.
7. X. Zhao, P. Liu, J. Liu, T. Xianglong, "The application of histogram on rain detection in video", Proceedings of the 11th Joint Conference on Information Science, 2008.
8. G. Malekshahi, H. Ebrahimnezhad, "Detection and Removal of Rain from Video Using Predominant Direction of Gabor Filters", Journal of Information Systems and Telecommunication, Vol. 3, No. 1, Jan. 2015, pp. 41-49.
9. Патент RU 2724298. Заявка: 2019115954, 13.11.2018
10. Патент JP 2005504298 A, G01W 1/14
11. Extremely robust and reliable acoustic hail sensor with size classification. Sommer Messtechnik, Austria. WWW. Sommer.at file:///C:/Users/biolo/Desktop/Brochure-HDI-V1.41.pdf