diplomová práce

Návrh a vývoj akustického srážkoměru

Text práce 8.1 MB Příloha 12.16 kB

Autor práce: Bc. Timotej Fojtík

Ak. rok: 2025/2026

Vedoucí: Ing. Štěpán Miklánek, Ph.D.

Oponent: Ing. Matěj Ištvánek, Ph.D.

Abstrakt:

Táto diplomová práca sa zaoberá návrhom, realizáciou a experimentálnym overením
autonómneho akustického zrážkomeru s využitím technológie spracovania dát priamo
na zariadení (Edge Computing). Zariadenie využíva piezoelektrický snímač s nerezovou
dopadovou plochou na detekciu mechanických vibrácií spôsobených dopadom kvapiek.
Analógový signál je upravovaný navrhnutým predradeným obvodom s aktívnou filtráciou a následne digitalizovaný mikrokontrolérom ESP32 s využitím priameho prístupu
do pamäte (DMA). Číslicové spracovanie signálu prebieha v reálnom čase a využíva
metódu počítania prechodov nulou na potlačenie okolitého rušenia. Funkčnosť a presnosť celého systému boli overené experimentálnym meraním v exteriéri a porovnaním
s profesionálnym zrážkomerom, pričom výsledky potvrdili stabilitu kalibračného modelu
a životaschopnosť navrhnutého riešenia.

Klíčová slova:

akustický zrážkomer, piezoelektrický senzor, ESP32, DMA, Edge Computing, spracovanie signálu

Termín obhajoby

11.06.2026

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znamkaBznamka

Klasifikace

B

Průběh obhajoby

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?

Jazyk práce

slovenština

Fakulta

Ústav

Studijní program

Audio inženýrství (MPC-AUD)

Specializace

Zvuková produkce a nahrávání (AUDM-ZVUK)

Složení komise

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)

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 Výsledný počet bodů navržený vedoucím: 87

Známka navržená vedoucím: B

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. Otázky k obhajobě:
  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?
Výsledný počet bodů navržený oponentem: 88

Známka navržená oponentem: B

Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová