観測機器の作り方　　　2005.10.01 　2006.11.19　2006.11.23 　2007.02.18　2007.03.06　2008.02.18 2008.06.27　2008.8.24　2008.9.27改版

はじめに
 １－ＷｉｒｅＬＡＮとは
 １－Ｗｉｒｅデバイス
 １－ＷｉｒｅＬＡＮによる気象観測機器
 温度計
 風向風速計
 雨量計
 気圧計
 温湿度計
 日照計
 雷センサ
 工作のヒント
 パソコンと１－ＷｉｒｅＬＡＮの接続
 ソフトウェア
 WeatherDisplayの日本語化
 パソコンとインターネット環境
 校正
 ガイガーカウンタ
 地震計
 ライブカメラ
 フォーラム
 世界のアマチュアの気象観測ネットワーク

はじめに
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）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とは
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、２００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-Wire LAN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デバイス
１－ＷｉｒｅＬＡＮ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①温度計、②A-Dコンバータ、③メモリ、④プロトコル、⑤ID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。日本国内にも代理店があり、入手可能です。また、少量であれば、サンプル提供にも対応しています。下に示すように、最近Hobby Boardsというサイトで、これらのデバイスを１個単位で購入できます。現時点で最も確実、安価な入手方法です。

１-Wire LANによる気象観測機器
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。親切な図解と写真で入門としては最高です。

温度計
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。

風向風速計
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。現在はAAGからVersion3としてキットが発売されています。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。

雨量計
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-Wire LAN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。

　　

気圧計
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。

温湿度計
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-4000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

日照計
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。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。いろいろ物色したところ、サトーパーツ製の頭が透明のネオンブラケットを見つけました。写真のようにネオン管の代わりにフォトダイオードをいれ、それを市販のPVCパイプに穴を開けマウントし、風向計を載せているパイプに設置しました。

左の写真のアクリルキャップのなかに、金色のCLD140フォトダイオードが見える。

雷センサ 2008.06.27
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。回路は図に示すとおりで、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

工作のヒント
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。

パソコンと１－ＷｉｒｅＬＡＮの接続
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：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となっている。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る。

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、AAG社の1-Wire HubTAI8595を導入しました。その後動作が不安定になり、直結にしてしまいました。

ソフトウェア
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。Tim Bitson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Brian Hamilton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。

WeaterDisplayの日本語化
作者のBrian Hamilton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。

パソコンとインターネット環境
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社製の静音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ます。

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１０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。

校正
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、校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。

ガイガーカウンタ　2005.11.3
隣国で核兵器の実験が行われ、物騒になってきましたので、自宅でも放射線量を測定することとしました。放射線はガイガカウンタを用いて測定しますが、国内ではまず手に入りません。米国のBlack Cat Systems という会社が、パソコンに接続する、ガイガーカウンタを販売しています。通信販売でリーゾナブルな費用で手に入れることができます。USBで接続するタイプが、webへのアクセスソフト付きで、＄１９９USでした。
放射線の人体への影響量を表す単位はシーベルトで、古い単位としてはレムが用いられました。１シーベルトが100レムです。ガイガーカウンタの計測は１分ごとのカウント値すなわちCPM(count　per　minute）で表現され、購入したガイガアウンタの場合１００ CPM が約 1 マイクロシーベルト/hr に相当します。
計測の結果、当地では CPM = 15 を超えることはなく、0.15マイクロシーベルト/ｈｒに相当します。自然界の放射線量の世界平均は２．４ミリシーベルト/年だそうで、１時間あたりに直すと0.27マイクロシーベルト/ｈｒですので、当地はその約半分です。
幸い今のところ、大きな異常値の観測はありません。

ガイガーカウンタ
内蔵ガイガーミューラ管の大きさ：直径１５mm、長さ４１mm
USBでパソコンに直結

地震計　(2008.9.27)
以前から、半導体の加速度センサーを使い地震計を作成しようと試みましたが、うまくいかず、断念していました。ウェザーニュース社が、2008年8月から全国に1000台の”ゆれセンサー”を無料で配布し、リアルタイムにデータを収集し、公開するというYureプロジェクトを開始しました。さっそく参加し、地震を感知するゆれステーションを設置しました。ゆれステーションは”ゆれ”をヨコ揺れ（東西方向と南北方向）とタテ揺れ(上下方向）に分けてはかることができます。はかったデータは30秒に１回ウェザーニュース社に送信され、データがグラフと地図で公開されます。
ゆれステーションはパソコンのＵＳＢ端子に接続するようになっています。パソコンからはなれた、静かな場所に設置するためには、ＬＡＮケーブルによってUSBポートを延長する必要があります。このためのCG-EXUSBというアダプタがコレガ社から出ていましたので、それを用いました。

ライブカメラ
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。

フォーラム
１－ＷｉｒｅＬＡＮ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。

世界のアマチュアの気象観測ネットワーク
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。また、私と同じように、1-Wireをつかった気象観測を行っているサイトや、WeateherStationを用いているサイトのリンク集が、WebRingとして、集められています。