Master's Thesis

Design and development of an acoustic rain gauge

Final Thesis 8.1 MB Appendix 12.16 kB

Author of thesis: Bc. Timotej Fojtík

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Štěpán Miklánek, Ph.D.

Reviewer: Ing. Matěj Ištvánek, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis focuses on the design, implementation, and experimental verification
of an autonomous acoustic rain gauge leveraging Edge Computing technology. The
device utilizes a piezoelectric sensor attached to a stainless steel impact surface to detect
mechanical vibrations caused by raindrop impacts. The analog signal is conditioned
by a custom front-end circuit with active filtration and subsequently digitized by the
ESP32 microcontroller using Direct Memory Access (DMA). Digital signal processing is
performed in real-time, employing the zero-crossing rate method to suppress ambient
noise. The functionality and accuracy of the system were verified through outdoor
experimental testing and comparison with a professional reference rain gauge, confirming
the stability of the calibration model and the overall viability of the proposed solution.

Keywords:

acoustic rain gauge, piezoelectric sensor, ESP32, DMA, Edge Computing, signal processing

Date of defence

11.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Student obhájil diplomovou práci a odpověděl na otázky členů komise a oponenta. Otázky oponenta: Jak by se změnila přesnost zařízení při intenzivních srážkách, kdy se na dopadové ploše vytvoří souvislý vodní film? Jaký vliv má poloha dopadu kapky na výslednou velikost signálu a bylo by možné tuto závislost experimentálně zmapovat? Jaké změny byste provedl při návrhu další verze zařízení, zejména z hlediska PCB, napájení, dlouhodobé stability a vzdáleného přenosu dat? Jak by bylo možné rozšířit kalibrační dataset tak, aby zahrnoval různé typy srážek, různé intenzity deště a různé environmentální podmínky?

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Audio Engineering (MPC-AUD)

Specialization

Audio Production and Recording (AUDM-ZVUK)

Composition of Committee

prof. Ing. Zdeněk Smékal, CSc. (předseda)
Ing.MgA. Edgar Mojdl, Ph.D. (místopředseda)
Dr. Ing. Libor Husník (člen)
Ing. Václav Mach, Ph.D. (člen)
Ing. Matěj Ištvánek, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Štěpán Miklánek, Ph.D.

Student během řešení diplomové práce prokázal schopnost samostatně řešit technické problémy z oblasti analogové elektroniky i zpracování signálů. V práci navrhl a realizoval prototyp akustického srážkoměru založeného na piezoelektrickém snímači, včetně analogového předřazeného obvodu, vzorkování pomocí mikrokontroléru ESP32 a algoritmů pro detekci dopadů kapek a odhad intenzity srážek.
Pozitivně hodnotím zejména rozsah prakticky realizovaných částí práce a snahu o propojení hardwarového návrhu, mechanické konstrukce i základního zpracování naměřených dat do jednoho funkčního celku. Součástí práce bylo také experimentální ověření zařízení v exteriérových podmínkách a porovnání s referenčním akustickým srážkoměrem Vaisala. Výsledky bohužel nelze interpretovat jako plnohodnotné srovnání s tradičními metodami měření srážek, jak bylo původně zamýšleno v zadání práce, ačkoli některé referenční přístroje byly dostupné na střeše budovy E, Technická 12.
Je škoda, že významná část implementace i experimentálního ověřování byla dokončována až v závěrečné fázi řešení. Student zaznamenal omezený rozsah srážkových dat a nezbyl tak prostor pro dlouhodobější experimentální analýzu. Současně je však nutné dodat, že během letního semestru 2026 spadlo velmi malé množství srážek, což výrazně omezilo možnosti rozsáhlejšího testování zařízení v reálných podmínkách.
Po formální stránce je práce zpracována přehledně, některé grafické výstupy by však mohly být prezentovány úsporněji. Část grafů je zbytečně orientována na šířku stránky s otočením o 90°, přestože by jejich čitelnost byla dostatečná i při menším měřítku v běžné orientaci stránky.
Přes uvedené skutečnosti student splnil hlavní cíle práce a vytvořil funkční prototyp akustického srážkoměru, který může sloužit jako základ pro další vývoj a budoucí experimentální ověřování. Celkově uděluji 87 bodů/B Points proposed by supervisor: 87

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Matěj Ištvánek, Ph.D.

Předložená diplomová práce se zabývá návrhem, realizací a experimentálním ověřením autonomního akustického srážkoměru. Téma je aktuální a technicky zajímavé, snaží se představit nízkonákladovou alternativu ke konvenčním mechanickým srážkoměrům. Za hlavní přínos práce považuji realizaci funkčního prototypu zařízení se slibnými výsledky.
Práce je po textové stránce rozsáhlá a ukazuje, že autor musel řešit problémy z více oblastí: analogové elektroniky, mechanické konstrukce, číslicového zpracování signálů, programování a experimentální validace. Oceňuji zejména praktický charakter práce, popis iterativního vývoje hardwaru a snahu kriticky diskutovat omezení navrženého řešení. Autor podrobně popisuje jednotlivá inženýrská rozhodnutí, někdy mi však přijde rozdělení na informace k původní verzi a finální verzi prototypu rušivé, a raději bych volil ucelenější formu – prvotní verze samostatně a finální verze detailně popsaná.
Práce má však i několik slabších míst. Teoretická část je místy možná až příliš popisná a některé pasáže působí jako obecný úvod do známých principů, aniž by byly důsledněji propojeny s konkrétním návrhem zařízení. Rešerše existujících akustických a piezoelektrických srážkoměrů mohla být hlubší, zejména pokud jde o porovnání s publikovanými metodami kalibrace, korekce vlivu polohy dopadu kapky, vlivu vodního filmu na dopadové ploše nebo metod zpracování impulzních signálů. V práci jsou citovány relevantní zdroje, ale trochu mi tu chybí systematičtější porovnání navrženého řešení se současným stavem techniky.
Významnější slabinou je omezený rozsah experimentální validace. Autor sám uvádí, že reálné testování probíhalo pouze na omezeném datasetu z důvodu nedostatku vhodných srážkových událostí. Závěry o přesnosti zařízení, zejména uváděná objemová přesnost 94,49 % a koeficient determinace R² = 0,88 pro hodinovou agregaci, je proto nutné interpretovat opatrně. Není zcela zřejmé, do jaké míry byla kalibrační data oddělena od validačních dat, případně zda nebyl stejný dataset použit současně pro odvození kalibračního modelu i pro vyhodnocení jeho přesnosti. To může vést k nadhodnocení reálné generalizační schopnosti systému. Vliv mechanické rezonance, přesné polohy dopadu kapky, vodního filmu, intenzity srážek a možného překryvu impulzů je sice diskutován, ale není kvantitativně analyzován v dostatečném rozsahu. Některá tvrzení o robustnosti, vodotěsnosti nebo dlouhodobé stabilitě by bylo vhodné doložit standardizovanějšími testy. Obecně je škoda, že student nerealizoval dlouhodobější venkovní měření, nebo alespoň robustnější experimentální ověření funkčnosti. Formální stránka práce je celkově dobrá, text je srozumitelný a logicky členěný. Práce místy obsahuje typografické nedostatky.
Celkově se jedná o prakticky zaměřenou a zajímavou diplomovou práci. Autor prokázal schopnost navrhnout, realizovat a experimentálně ověřit komplexní měřicí systém. Hlavní přínos práce spočívá ve funkčním prototypu a v ověření životaschopnosti zvoleného principu. Slabší stránkou je především omezený rozsah experimentální validace a s tím související nejistota ohledně obecné přesnosti zařízení v různých typech srážek a dlouhodobých provozních podmínkách. Přesto práce splňuje zadání a představuje dobrý základ pro další vývoj akustického srážkoměru. Celkem 88/B. Topics for thesis defence:
  1. Jak by se změnila přesnost zařízení při intenzivních srážkách, kdy se na dopadové ploše vytvoří souvislý vodní film?
  2. Jaký vliv má poloha dopadu kapky na výslednou velikost signálu a bylo by možné tuto závislost experimentálně zmapovat?
  3. Jaké změny byste provedl při návrhu další verze zařízení, zejména z hlediska PCB, napájení, dlouhodobé stability a vzdáleného přenosu dat?
  4. Jak by bylo možné rozšířit kalibrační dataset tak, aby zahrnoval různé typy srážek, různé intenzity deště a různé environmentální podmínky?
Points proposed by reviewer: 88

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová