Reālā laika akas ūdens līmeņa mērītājs: 6 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:51

Šajos norādījumos ir aprakstīts, kā izveidot zemu izmaksu reāllaika ūdens līmeņa mērītāju izmantošanai izraktās akās. Ūdens līmeņa mērītājs ir paredzēts pakarināšanai izraktajā akā, ūdens līmeņa mērīšanai reizi dienā un datu nosūtīšanai, izmantojot WiFi vai mobilo savienojumu, uz tīmekļa vietni tūlītējai apskatei un lejupielādei. Skaitītāja izgatavošanas detaļu izmaksas ir aptuveni 200 USD par WiFi versiju un 300 USD par mobilo versiju. Skaitītājs ir parādīts 1. attēlā. Pilns ziņojums ar būvniecības instrukcijām, detaļu sarakstu, padomiem skaitītāja izgatavošanai un darbībai, kā arī skaitītāja uzstādīšanai ūdens akā ir sniegts pievienotajā failā (Ūdens līmeņa mērītāja instrukcijas.pdf). Ūdens līmeņa mērītāji ir izmantoti, lai izveidotu reģionālu, reāllaika seklu ūdens nesējslāņu monitoringa tīklu Nova Scotia, Kanādā: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm… Norādījumi līdzīga skaitītāja izveidei ūdens mērīšanai temperatūra, vadītspēja un ūdens līmenis ir pieejams šeit:

Ūdens līmeņa mērītājs izmanto ultraskaņas sensoru, lai izmērītu dziļumu ūdenī akā. Sensors ir pievienots lietu interneta (IoT) ierīcei, kas izveido savienojumu ar WiFi vai mobilo tīklu un nosūta ūdens līmeņa datus uz grafisko tīmekļa pakalpojumu. Šajā projektā izmantotais tīmekļa pakalpojums ir ThingSpeak.com, kuru var brīvi izmantot nekomerciāliem maziem projektiem (mazāk par 8 200 ziņojumiem dienā). Lai skaitītāja WiFi versija darbotos, tai jāatrodas tuvu WiFi tīklam. Sadzīves ūdens akas bieži atbilst šim nosacījumam, jo tās atrodas netālu no mājas ar WiFi. Skaitītājs neietver datu reģistrētāju, drīzāk tas nosūta ūdens līmeņa datus uz ThingSpeak, kur tie tiek glabāti mākonī. Tāpēc, ja rodas datu pārraides problēma (piemēram, interneta pārtraukuma laikā), šīs dienas ūdens līmeņa dati netiek pārsūtīti un tiek neatgriezeniski zaudēti.

Skaitītājs tika izstrādāts un pārbaudīts attiecībā uz liela diametra (0,9 m iekšējā diametra) izraktajām akām ar seklu ūdens dziļumu (mazāk nekā 10 m zem zemes virsmas). Tomēr to potenciāli varētu izmantot ūdens līmeņa mērīšanai citās situācijās, piemēram, vides monitoringa urbumos, urbtās akās un virszemes ūdenstilpēs.

Šeit parādītais skaitītāja dizains tika mainīts pēc skaitītāja, kas tika izveidots ūdens līmeņa mērīšanai sadzīves ūdens tvertnē un ziņošanai par ūdens līmeni, izmantojot Twitter, ko Tims Ouslijs publicēja 2015. gadā: https://www.instructables.com/id/Wi -Fi-Twitter-Wa…. Galvenās atšķirības starp sākotnējo dizainu un šeit izklāstīto dizainu ir iespēja darbināt skaitītāju ar AA baterijām, nevis vadu strāvas adapteri, iespēju skatīt datus laikrindas grafikā, nevis Twitter ziņojumā, un izmantošanu Ultraskaņas sensors, kas īpaši paredzēts ūdens līmeņa mērīšanai.

Tālāk ir sniegti soli pa solim norādījumi par ūdens līmeņa mērītāja izveidi. Pirms skaitītāja izveides procesa uzsākšanas ieteicams būvniekam izlasīt visas konstrukcijas darbības. Šajā projektā izmantotā IoT ierīce ir daļiņu fotons, un tāpēc turpmākajās sadaļās termini “IoT ierīce” un “fotons” tiek lietoti savstarpēji aizvietojami.

Piegādes

Elektroniskās detaļas:

Sensors - MaxBotix MB7389 (5 m diapazons)

IoT ierīce - daļiņu fotons ar galvenēm

Antena (iekšējā antena uzstādīta skaitītāja korpusā) - 2,4 GHz, 6dBi, IPEX vai u. FL savienotājs, 170 mm garš

Akumulators - 4 x AA

Vads - džemperis ar stiepjamiem savienotājiem (300 mm garš)

Baterijas - 4 X AA

Santehnikas un aparatūras daļas:

Caurule - ABS, 50 mm (2 collu) diametrs, 125 mm garš

Augšējais vāciņš, ABS, 50 mm (2 collas), vītņots ar blīvi, lai izveidotu ūdensnecaurlaidīgu blīvējumu

Apakšējais vāciņš, PVC, 50 mm (2 collas) ar ¾ collu iekšējo NPT vītni sensoram

2 cauruļu savienojumi, ABS, 50 mm (2 collas), lai augšējo un apakšējo vāciņu savienotu ar ABS cauruli

Acu skrūve un 2 uzgriežņi, nerūsējošais tērauds (1/4 collas), lai izveidotu pakaramo uz augšējā vāka

Citi materiāli: elektriskā lente, teflona lente, lodmetāls, silikons, līmi korpusa salikšanai

1. darbība: salieciet skaitītāja korpusu

Salieciet skaitītāja korpusu, kā parādīts 1. un 2. attēlā. Saliktā skaitītāja kopējais garums no gala līdz galam, ieskaitot sensoru un skrūvi, ir aptuveni 320 mm. 50 mm diametra ABS caurule, ko izmanto skaitītāja korpusa izgatavošanai, ir jāgriež apmēram 125 mm garumā. Tas nodrošina pietiekami daudz vietas korpusa iekšpusē, lai ievietotu IoT ierīci, akumulatoru un 170 mm garu iekšējo antenu.

Noslēdziet visus savienojumus ar silīciju vai ABS līmi, lai korpuss būtu ūdensnecaurlaidīgs. Tas ir ļoti svarīgi, pretējā gadījumā mitrums var nokļūt korpusā un iznīcināt iekšējās sastāvdaļas. Korpusa iekšpusē var ievietot nelielu sausinātāja iepakojumu, lai absorbētu mitrumu.

Uzstādiet cilpas skrūvi augšējā vāciņā, izurbjot caurumu un ievietojot cilpiņas skrūvi un uzgriezni. Acu skrūves nostiprināšanai gan uz korpusa iekšpuses, gan ārpuses jāizmanto uzgrieznis. Silīcijs vāciņa iekšpusē pie skrūvju atveres, lai padarītu to ūdensnecaurlaidīgu.

2. darbība: pievienojiet vadus sensoram

Trīs vadi (sk. 3.a attēlu) jāpielodē pie sensora, lai to piestiprinātu pie fotona (ti, sensora tapas GND, V+un 2. tapa). Vadu pielodēšana pie sensora var būt sarežģīta, jo sensora savienojuma caurumi ir mazi un cieši kopā. Ir ļoti svarīgi, lai vadi būtu pareizi pielodēti pie sensora, lai būtu labs, spēcīgs fiziskais un elektriskais savienojums un nebūtu lodēšanas loka starp blakus esošajiem vadiem. Labs apgaismojums un palielināmā lēca palīdz lodēšanas procesā. Tiem, kuriem nav iepriekšējas lodēšanas pieredzes, pirms vadu pielodēšanas pie sensora ir ieteicams veikt kādu lodēšanas praksi. Tiešsaistes apmācība par lodēšanu ir pieejama vietnē SparkFun Electronics (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…).

Pēc tam, kad vadi ir pielodēti pie sensora, no padeves esošos stieples pārpalikumus var nogriezt ar stieples griezējiem līdz aptuveni 2 mm garumam. Lodēšanas savienojumus ieteicams pārklāt ar biezu silīcija lodīti. Tas savienojumiem piešķir lielāku izturību un samazina korozijas un elektrisko problēmu iespējamību sensoru savienojumos, ja mitrums nokļūst skaitītāja korpusā. Elektrisko lenti var ietīt arī ap trim vadiem pie sensora savienojuma, lai nodrošinātu papildu aizsardzību un samazinātu spriedzi, samazinot iespēju, ka vadi plīsīs pie lodēšanas savienojumiem.

Sensora vadiem vienā galā var būt iespiežami savienotāji (skat. 3.b attēlu), lai tos piestiprinātu pie fotona. Izmantojot iespiežamus savienotājus, skaitītāju ir vieglāk salikt un izjaukt. Sensora vadiem jābūt vismaz 270 mm gariem, lai tie varētu pagarināt visu skaitītāja korpusa garumu. Šis garums ļaus fotonu savienot no korpusa augšējā gala ar sensoru vietā korpusa apakšējā galā. Ņemiet vērā, ka šajā ieteicamajā stieples garumā tiek pieņemts, ka skaitītāja korpusa izgatavošanai izmantotā ABS caurule ir sagriezta 125 mm garumā. Pirms vadu griešanas un lodēšanas pie sensora pārliecinieties, ka ar 270 mm stieples garumu ir pietiekami, lai pārsniegtu skaitītāja korpusa augšpusi, lai fotonu varētu pievienot pēc korpusa salikšanas un sensora pastāvīgas piestiprināšanas lieta.

Tagad sensoru var piestiprināt pie skaitītāja korpusa. Tam jābūt cieši ieskrūvētam apakšējā vāciņā, izmantojot teflona lenti, lai nodrošinātu ūdensnecaurlaidīgu blīvējumu.

3. darbība: pievienojiet sensoru, akumulatoru bloku un antenu IoT ierīcei

Pievienojiet sensoru, akumulatoru bloku un antenu fotonam (4. attēls) un ievietojiet visas detaļas skaitītāja korpusā. Tālāk ir sniegts 4. attēlā norādīto tapu savienojumu saraksts. Sensora un akumulatora bloka vadus var piestiprināt, lodējot tieši pie fotona, vai ar iespiežamiem savienotājiem, kas piestiprināmi pie galvenes tapām fotona apakšpusē (kā redzams 2. attēlā). Izmantojot iespiežamus savienotājus, ir vieglāk izjaukt skaitītāju vai nomainīt fotonu, ja tas neizdodas. Antenas savienojumam uz fotona ir nepieciešams u. FL tipa savienotājs (4. attēls), un tas ir ļoti stingri jāpiespiež uz fotona, lai izveidotu savienojumu. Neievietojiet baterijas akumulatorā, kamēr mērītājs nav gatavs testēšanai vai ievietošanai akā. Šajā dizainā nav iekļauts ieslēgšanas/izslēgšanas slēdzis, tāpēc skaitītājs tiek ieslēgts un izslēgts, ievietojot un izņemot baterijas.

IoT ierīces tapu savienojumu saraksts (daļiņu fotons):

Fotonu tapa D3 - pievienojiet - Sensora tapa 2, dati (brūns vads)

Fotonu tapa D2 - pievienojiet - Sensora tapa 6, V+ (sarkans vads)

Fotonu tapa GND - pievienojiet - Sensora tapa 7, GND (melnais vads)

Fotonu tapa VIN - savienojiet ar - Akumulators, V+ (sarkans vads)

Fotonu tapa GND - savienojums ar - Akumulators, GND (melns vads)

Photon u. FL pin - pievienojiet - Antena

4. solis: programmatūras iestatīšana

Lai uzstādītu skaitītāja programmatūru, jāveic piecas galvenās darbības:

1. Izveidojiet daļiņu kontu, kas nodrošinās tiešsaistes saskarni ar fotonu. Lai to izdarītu, lejupielādējiet mobilo lietotni Particle viedtālrunī: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. Pēc lietotnes instalēšanas izveidojiet daļiņu kontu un izpildiet tiešsaistes norādījumus, lai kontam pievienotu fotonu. Ņemiet vērā, ka visus papildu fotonus var pievienot tam pašam kontam bez nepieciešamības lejupielādēt lietotni Particle un izveidot kontu vēlreiz.

2. Izveidojiet ThingSpeak kontu https://thingspeak.com/login un izveidojiet jaunu kanālu ūdens līmeņa datu parādīšanai. Ūdens skaitītāja ThingSpeak tīmekļa lapas piemērs ir parādīts 5. attēlā, kuru var apskatīt arī šeit: https://thingspeak.com/channels/316660. Norādījumi ThingSpeak kanāla iestatīšanai ir pieejami vietnē https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w… Ņemiet vērā, ka tajā pašā kontā var pievienot papildu kanālus citiem fotoniem, neizveidojot citu ThingSpeak kontu..

3. Lai pārsūtītu ūdens līmeņa datus no fotona uz ThingSpeak kanālu, ir nepieciešams “tīmekļa āķis”. Instrukcijas tīmekļa āķa iestatīšanai ir pieejamas vietnē https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. Ja tiek būvēts vairāk nekā viens ūdens skaitītājs, katram papildu fotonam ir jāizveido jauns tīmekļa āķis ar unikālu nosaukumu.

4. Tīmekļa āķis, kas tika izveidots iepriekš minētajā solī, jāievieto kodā, kas darbina fotonu. Ūdens līmeņa mērītāja WiFi versijas kods ir norādīts pievienotajā failā (Code1_WiFi.txt). Datorā dodieties uz daļiņu tīmekļa vietni https://login.particle.io/login?redirect=https://… piesakieties daļiņu kontā un dodieties uz lietotnes Particle interfeisu. Kopējiet kodu un izmantojiet to, lai izveidotu jaunu lietotni daļiņu lietotnes saskarnē. Ievietojiet iepriekš izveidotā tīmekļa āķa nosaukumu koda 87. rindā. Lai to izdarītu, izdzēsiet tekstu pēdiņās un ievietojiet jauno tīmekļa āķa nosaukumu pēdiņās 87. rindā, kas skan šādi:

Particle.publish ("Insert_Webhook_Name_Inside_These_Quotes", String (GWelevation, 2), PRIVATE);

5. Tagad kodu var pārbaudīt, saglabāt un instalēt fotonā. Ņemiet vērā, ka kods tiek saglabāts un instalēts fotonā no mākoņa. Šis kods tiks izmantots ūdens skaitītāja darbināšanai, kad tas atrodas ūdens akā. Lauka uzstādīšanas laikā kodā būs jāveic dažas izmaiņas, lai ziņošanas biežumu iestatītu reizi dienā un pievienotu informāciju par ūdens aku (tas ir aprakstīts pievienotajā failā Ūdens līmeņa mērītāja instrukcijas.pdf sadaļā ar nosaukumu “Skaitītāja uzstādīšana ūdens akā”).

5. darbība: pārbaudiet skaitītāju

Skaitītāja uzbūve un programmatūras iestatīšana ir pabeigta. Šajā brīdī ir ieteicams pārbaudīt skaitītāju. Jāizpilda divi testi. Pirmais tests tiek izmantots, lai apstiprinātu, ka skaitītājs var pareizi izmērīt ūdens līmeni un nosūtīt datus uz ThingSpeak. Otro testu izmanto, lai apstiprinātu, ka fotona enerģijas patēriņš ir paredzētajā diapazonā. Šis otrais tests ir noderīgs, jo, ja fotons patērē pārāk daudz enerģijas, baterijas neizdosies ātrāk, nekā gaidīts.

Pārbaudes nolūkos kods ir iestatīts ūdens līmeņa mērīšanai un ziņošanai ik pēc divām minūtēm. Šis ir praktisks laika posms, kurā jāgaida starp mērījumiem, kamēr tiek pārbaudīts skaitītājs. Ja ir nepieciešama cita mērīšanas frekvence, mainiet mainīgo ar nosaukumu MeasureTime koda 16. rindā uz vēlamo mērīšanas frekvenci. Mērījumu biežums tiek ievadīts sekundēs (t.i., 120 sekundes atbilst divām minūtēm).

Pirmo pārbaudi var veikt birojā, pakarot skaitītāju virs grīdas, ieslēdzot to un pārbaudot, vai kanāls ThingSpeak precīzi ziņo par attālumu starp sensoru un grīdu. Šajā testēšanas scenārijā ultraskaņas impulss atstarojas no grīdas, ko izmanto, lai simulētu ūdens virsmu akā.

Otrajā testā ir jāmēra elektriskā strāva starp akumulatoru un fotonu, lai pārliecinātos, ka tā atbilst fotonu datu lapas specifikācijām: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… Pieredze rāda, ka šis tests palīdz identificēt bojātas IoT ierīces pirms to izvietošanas uz lauka. Izmēriet strāvu, novietojot strāvas mērītāju starp akumulatora bloka pozitīvo V+ vadu (sarkano vadu) un fotona VIN tapu. Strāva jāmēra gan darba režīmā, gan dziļā miega režīmā. Lai to izdarītu, ieslēdziet fotonu un tas sāks darboties darba režīmā (kā norāda gaismas diode uz fotona, kas pārvērš ciāna krāsu), kas darbojas aptuveni 20 sekundes. Izmantojiet strāvas mērītāju, lai novērotu darba strāvu šajā laikā. Pēc tam fotons uz divām minūtēm automātiski ieslēgsies dziļā miega režīmā (kā norāda gaismas diode, kas izslēdzas uz fotona). Izmantojiet strāvas mērītāju, lai šajā laikā novērotu dziļā miega strāvu. Darba strāvai jābūt no 80 līdz 100 mA, un dziļās miega strāvai jābūt starp 80 un 100 µA. Ja strāva ir lielāka par šīm vērtībām, fotonu vajadzētu nomainīt.

Tagad skaitītājs ir gatavs uzstādīšanai ūdens akā (6. attēls). Norādījumi par skaitītāja uzstādīšanu ūdens akā ir sniegti pievienotajā failā (Ūdens līmeņa mērītāja instrukcijas.pdf).

6. darbība. Kā izveidot skaitītāja mobilo versiju

Ūdens skaitītāja šūnu versiju var izveidot, veicot izmaiņas iepriekš aprakstītajā detaļu sarakstā, instrukcijās un kodā. Mobilā versija neprasa WiFi, jo tā savienojas ar internetu, izmantojot mobilo sakaru signālu. Daļu izmaksas, lai izveidotu skaitītāja mobilo versiju, ir aptuveni 300 ASV dolāri (bez nodokļiem un piegādes), kā arī aptuveni 4 dolāri mēnesī par mobilo datu plānu, kas tiek piegādāts kopā ar mobilo sakaru interneta ierīci.

Šūnu skaitītājs izmanto tās pašas iepriekš uzskaitītās detaļas un konstrukcijas darbības ar šādām izmaiņām:

• Nomainiet WiFi IoT ierīci (daļiņu fotonu) ar šūnu IoT ierīci (daļiņu elektronu): https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. Konstruējot skaitītāju, izmantojiet tos pašus tapu savienojumus, kas aprakstīti skaitītāja WiFi versijai 3. darbībā.

• Mobilā IoT ierīce patērē vairāk enerģijas nekā WiFi versija, tāpēc ieteicams izmantot divus akumulatora avotus: 3,7 V Li-Po akumulatoru, kas tiek piegādāts kopā ar IoT ierīci, un akumulatoru komplektu ar 4 AA baterijām. 3,7 V LiPo akumulators tiek pievienots tieši IoT ierīcei ar komplektā esošajiem savienotājiem. AA bateriju komplekts ir pievienots IoT ierīcei tādā pašā veidā, kā aprakstīts iepriekš skaitītāja WiFi versijai 3. darbībā. Lauka testēšana parādīja, ka skaitītāja mobilā versija darbosies aptuveni 9 mēnešus, izmantojot iepriekš aprakstīto akumulatora iestatījumu. Alternatīva AA bateriju komplekta un 2000 mAh 3,7 V Li-Po akumulatoru izmantošanai ir izmantot vienu 3,7 V Li-Po akumulatoru ar lielāku jaudu (piemēram, 4000 vai 5000 mAh).

• Skaitītājam jāpiestiprina ārēja antena, piemēram: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. Pārliecinieties, vai tas ir novērtēts atbilstoši frekvencei, ko izmanto mobilo sakaru pakalpojumu sniedzējs, kur tiks izmantots ūdens skaitītājs. Antena, kas tiek piegādāta kopā ar mobilo IoT ierīci, nav piemērota lietošanai ārpus telpām. Ārējo antenu var savienot ar garu (3 m) kabeli, kas ļauj antenu piestiprināt pie urbuma ārpuses pie akas galvas (7. attēls). Antenas kabeli ieteicams ievietot cauri korpusa apakšai un rūpīgi noslēgt ar silīciju, lai novērstu mitruma iekļūšanu (8. attēls). Ieteicams izmantot kvalitatīvu, ūdensnecaurlaidīgu āra koaksiālo pagarinātāju.

• Mobilā IoT ierīce darbojas ar citu kodu nekā skaitītāja WiFi versija. Skaitītāja mobilās versijas kods ir norādīts pievienotajā failā (Code2_Cellular.txt).