玉山日落
黎煥欣 Li Huan Hsin '08-02-26
最近地球暖化問題..... 有很多人說了很多. 當然太陽能是一大熱門, 本人在鹿林天文台建始之時, 參予相當的工作. 其中之一就是建立一個遙測的氣象觀測站, 可以把氣象資料 "直接" 傳送到中壢中央大學. 這個也是很富挑戰的內容. 雖然大部份的計術和方法我就說明它的整個過程吧.
要執行這個計劃,很多東西都是未知的, 由鹿林至中央大學有 200KM 的距離, 而且不能直視, 會通過二佪大山, 所以收到的信號都是由山頂繞射兩次, 會衰減很多. 所以第一個問題就是: 信號到底能否直接鹿林?
頻段有兩個選擇, 141MHz (VHF) 與 431MHz(UHF), VHF 繞射能力較好, 但定向性差但頻段少. 而且非常擁擠, 在中大第一次測試就放棄了. 下圖是一個 UHF 專用的八木天線, 在它正對的方向, 可以有 +15.5dB 的 gain, 在科四館頂樓, 對準了鹿林的方向. 影中人為業餘無線電協會理事蔡鴻章
date: 1997-12-27
因為要用的數據傳輸, 資料量也不太大, 我們使用在原來用做語音傳輸的音頻輸出入端子來傳送.
使用的方法是 1200 bps FSK (frequency shift Key), 以不同的頻率來表示 0 或 1. 我們用 TI 的 TCM3105 1200bps FSK 解編碼 IC (當然它也停產很久很久了....)
在線路中, 將數據資料傳送至 TXD (pin14), 則在 TXA 則會送出編碼後的音頻, 可以看出當輸入 "1" 時它的頻率較高 (2.4KHz), "0" 時頻率較低(1.2KHz), 是一個標準的 FSK 樣式.
把送出的 AFOUT 信號再接回 RXA, 可以再編回原來的碼, 當然時間為有delay 來解碼
上面是輸入數據, 下方是輸出數據.
那個那調變的音頻 (AFOUT) 就接到無線電 mic 端, 它就用無線電送出去了.
下圖為測試用的自製板子 (後來也一直用它就是了)
這是線路圖, 它也負責與電腦的界面
利用座式無線電發射機的 MIC 發送信號
我們也另外做出一個小線路與接收機連接.
這是在用接收機的音頻輸出 "看到" 的信號, 內部是有載碼的, 所以看起來有些凌亂, 但仍然解出原來的編碼.
至此, 就是讓在中央的基地台定時傳送, 看在鹿林收得到嗎? 大伙兒準備器材上山了
DATE: 1998-01-14
因為在玉山國家境內, 沒有馬路到目的地, (現在還是沒有馬路, 不過裝了階梯步道, 比較不會摔倒), 最後一段 (小時級) 要爬上去, 對於不常運動的人是大考驗.....
終於到了目的地, 一個鐡皮屋, 也是鹿林天文台最早的模樣, 現在則是有建築 "群"了, 舒服得很...
當時正好有寒流來, 四週都有殘雪及降霜. 看起來很漂亮, 可是工作可會冷死人的....
在屋子裡開紿準備器材與天線
在戶外裝設天線
對準中央大學的方向 (先用地圖看過)
內部的配置也好了, 嘗試能否讀取中央傳送過來的數據資料
等到都準備好了, 太陽也下山了, 這是當天的日落, 很美, 也很冷......
天線夜景
我們終於收到了來至中大的穩定數據傳送資料 (螢幕上的那一排排字)......
因為無線電的雙向對稱原理, 從這理也可以送到中央了.
大家都累了......... (看僅有一台的台視)
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無線數據傳輸證實可行, 接下來的問題就是要傳輸什麼資料了, 以及最重要的, 操作的能源何來.
先說明要收無的資料, 即然是氣象測站, 那就是氣象資料了, 除此也要監控日照, 降露, 以及各電源系統的狀況. 能源要求就是自己自足, 那就是太陽能板加鉛酸電池了.
整個遙測站分成幾個部份
一, 電力系統 (太陽能板 + 電池 + 電源管理模組)
二, 通訊系統 (包含數提解編碼, UHF 發射機及強波器)
三, 資料收集系統, 將所需量測的數據收集到
四, 主電腦 (當時是用 Z80 系統), 由它整理收集的數據. 以及最重要的
五, 低功率運作的時序模組, 以上所有的系統在開啟的時候, 都會使用大量的能源. 所以只能在一小段時間可以運作, 所以需要可以在以在極低的電流 (~15mA) 操作, 時候到時一定會做系統喚醒, 它設計完全以簡單可靠省電為要.
資料收焦的線路圖, 都是一些 sensor 的標準線路
及它的外觀(也是手工藝品)
右側是 CPU 板, 這是資料收集部份還在製作與測試拍的
CPU 板的線路圖 (如今可以一顆 8951.....)
這是低功率時序模組, 在待機狀態下, 它只用 ~15mA 的電, 然後不管如何, 在 10 分鐘時, 會把整個系統
叫醒, 開始工作, 一直到資料傳送出去為止, 整個過程大約 一分鐘. 整個系統又進入休眠狀態....
設計時是用簡單的 counter, 保證把它叫醒, 也保證一定進入休眠
另外, 裡面還放了一顆 146818 時鐘 IC, 可以提供傳送時的時間標記
它的外觀
最後就是電源模組了. 我們用太陽電池或外界(發電機, 有人的時候) 對鉛酸電池充電, 它可以算是相當容易處理的充電電池, 要看它的電量, 看它在無負載或輕負載時的電壓輸出即可. 14V~15V 以上大約就有 90%以上的容量, 要是小於 13V, 電量大約就在 50% 以下了. 若是沒電的時候, 要用大電流充它, 當它電壓大於一個值時, 電流就要變小了. 此時一直都要用小電流來充, 它可以長期是滿載的情況. 當用過大負載, 電量變小時, 它的電壓也會變小, 就用大電流去充它了. 中間要設計一個過渡階段, 用磁滯的方式操作, 下面是線路圖, 負責一組電池 (一共有四組)
實體照片
四個汽車電池, 便宜又大碗, 都有 50AH 的容量
在實驗室裡整合測試的景觀
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現在要回到一個基本問題, 我們怎麼知道這樣的 太陽電池 + 汽車電池 x 4 可以在完全自給自足. 大約推算如下:
電池線量為 200AH
休眠狀態約為 0.015A, 一天不過 24(Hour) x 0.015(A) = 0.36(AH)
運轉狀態 (收集氣象資料), 約為 0.1A, 每次約30秒鐘, 每十分鐘一次耗電量為 0.1A
所需電量為 0.1(A) x 30/3600 (消耗時間以小時計) X 6(次/小時) X 24(小時) = 0.12(AH)
無線電傳送狀態, 每十分鐘一次, 每一次為 9.64 秒, 使用電流為 14-16Amp (很大吧...都給它了...)
所需電量為 16(A) x 9.64/3600 x 6 x 24 = 6.16AH
把上面幾個數字加起來, 就是系統所需要的能量 = 0.36 +0.12 + 6.16 = 6.64(AH/天)
我們的電池有 200AH 的電量, 在充飽後, 理論上不需外力, 可以運作這個系約 30 天, 餘裕算是很大的, 但我們當然不能讓它持續如此. 總要有輸入的電. 這就是太陽電池運用的地方....
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我們買到了一個有 11% 至 12% 效率, 17V, 53W輸出 (at 700lux, 大太陽底下)的單晶式太陽電池, 專門用來充鉛酸電池, 大太陽測試的時候, 其效能大致與規格一致, 價錢還滿貴的, 當初好像是拿到試製的樣品, 不知是現在那一個熱門股???
下圖是在陰天的時收給它加上負載, 看輸出的狀況如何. 以它的輸出能量來說, 它還做得滿小的..
上面提到我們的系統有 200AH 的電池(energe pool), 每天會固定用掉 6.64AH 的電量, 不下雨的話這個 pool 三十天就乾了. 那太陽電池可以給 pool 多少雨水呢?
一個簡單的算法, 它有 53W 輸出功率, 換成電流約為 3.8A @ 14V (一般充電時的電壓）若是整個白天 12個小時都有這樣的輸出, 那它灌進去的電就有 3.8 ｘ12 = 45.6 (AH) !!!!!!一當然晚上是沒有電的..
相對於每天耗電量 6.64AH, 輸入 45.6AH 簡直太好了. 多了近 6 倍, 若真的把電池充飽了, 多出的電會在電源管理系統處理. 但它真的有那麼好嗎?
當然沒有, 第一個, 它擺的角度相對於太陽是有關係的, 53W 是無雲的情況下, 正午的大太陽對著它才能產生, 若是徧差了一個角度, 可以很容易地想像效率就是 cos(徧角), 再加上太陽的角度東昇西落, 夏天和冬天不一樣. 這個 factor 很容易就到 0.8 了. 落塵覆蓋而上, 氣不好更不用講了, 所以太陽能板在多雨的地方效果很差 在陰天的時候, 太陽板輸出大約只有 1/10 ~ 1/20 , (這個數值其實比我想像的高滿多的). 總的加起來, 它的平均每天輸入能量就會建相當的量. 這個 factor 要怎麼取決多少要靠經驗及設備所放置的處所而定。這個系統的 power buget redonedce factor (餘裕度比率) 目前設為 6. 經過約三年的驗證, 它是可行的, 而且似乎是太多了 (factor = 6 太大), 電池大部份都在 85% ~ 95% 電量運作, 三年後依然如新....
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即然測試完了, 大家再上山去裝機器吧
Date: 1998-02-25
爬山前的合照
到了...把所有東西堆到桌上
這次又遇上寒流了, 戶外的水桶結冰了
地面也結冰了
戶外的小水池(我們都叫它小天池) 也結冰凍起來了, 921地震時它整個消失了.....
開始配線了, 影中人為配線專家小胖..., 先裝上風向風速計
風速風向計, 是美國公司 Davis 的, 有零買, 現在還很普偏
降水計, 因為這裡是要做為天文台的用途, 等到雨量計真的有數宇差的時候, 儀器恐怕都淋壞了, 所以裝了一個當有結露現像就可以偵側出來的降水計. 實際上就是印刷線路板上印出相互間隔的金泊, 若是有水氣進去, 電阻值就會降得非常多...
太陽照度計, 就是一個小負載的小太陽電池板, 期望它可以監控太陽能量的變化(大板子有大負載, 不能量它)
雨量計, 裡面是個蹺蹺板的結構, 每變一次大約對約 0.3 mm 的雨量, 它是唯一在休眠狀態下還是維持工作的 sensor, 理由也很簡單, 我們要量的是總雨量..
戶外的溫溼度量測模組.
把各個 Sensor 的線整理整理
房子裡面的配線
全部的機組就定位
機器打開, 開始自動操作, 這是它全力 "發功" 的情形, 下面的強波器都滿格了
做完時已是晚上, 留下了這張夜景.
打道回府了
Date: 1998-02-27
回到中大實驗室, 趕快看看否傳送回來?, 它就在架子的最裡面....
雖然有亂碼, 還是傳成了資料......
它開始忠實工作了, 日復一日, 每十分鐘傳送資料, 到中大的電腦儲存起來.....
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當然也會有意外狀況, 有一天颳颱風後, 信號都收不到了, 想是不是山上的機器壞了, 後來搞清楚是中大的天線被吹歪了.
Date: 1998-08-04
再把它拉正, 信號就又回來了. 山上一點問題都沒有...
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1999-09-21
集集大地震, 平地的電都沒了, 山上當時沒有人, 什麼東西都一塌糊塗, 但信號仍然定時傳輸, 也是一點問題都沒有. 不過因為平地的電時有時無, 這時期的資料就散失了...
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921 之前, 天文台的大型建物群已經開始動工, 配電, 網路等工程也一一在做. 這個系統的需求性就在降低了. 下面照片可以看出旁邊的宏偉建築, 當時還在施工中..
Date: 1998-11-28
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after 921
中央去鹿林天文台的最主要道路 "新中橫" 在 921 之後幾乎完全中斷, 只好取道阿里山, 再做系統的檢查, 途中看到了滿山的櫻花
Date: 2000-01-12
到了山上, 鐡皮屋要拆掉的決策已定, 鐡皮屋變成堆放建材的地方, 將來也做為新建物附屬倉庫的建材, 不過此時太陽能遙測機還在努力工作..
Date: 2000-01-12
0
換一個角度看, 新天文台真的富麗堂皇
雨量計不動了, 原來前些日子天氣太好, 沒有下雨, 裡面結了蜘蛛絲, 把它卡住了, 清掉就恢復正常了
降水計的金泊變色了, 這裡還是有污染, 不過沒影響到它的動作就是了....
手工製造的資料收集板, 看起來還很新.....
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結束....
最後要拆掉鐡皮屋, 當時 921 未過多久, 新中橫路況仍差, 札札實實的要練 S 型轉彎 (我還沒減速, 用時速 60 過去, 學弟嚇得.....)
Date: 2000-03-14
到了山上, 鐡皮屋已經解體, 傳送器自然也收起來了.
鐡皮屋屋頂已經成為一堆建材. 前方時髦的 "鐡皮屋" 是中研院天文所 TAOS 計劃的建物. 它也有自己的氣象測站了. 而且基本上都是有人運作的 (它們希望以後可以全遙控)...
至此, 太陽能遙測傳送器結束. 這二年多的運作讓我們有了很多的經驗.....
最後放一張從鹿林看玉山的落日 (就是開頭那一張), 還有殘雪...
bye bye....
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