Умный буй [Резюме]: 8 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:48

Все мы любим море. Мы все вместе приезжаем сюда на каникулы, чтобы заняться водными видами спорта или заработать себе на жизнь. Но побережье - это динамичная зона, подверженная влиянию волн. Повышение уровня моря разрушает пляжи, а мощные экстремальные явления, такие как ураганы, полностью уничтожают их. Чтобы понять, как их спасти, нам нужно понять силы, движущие их изменениями.

Исследования обходятся дорого, но если бы вы могли создать дешевые и эффективные инструменты, вы бы смогли собрать больше данных, что в конечном итоге улучшило бы понимание. Это было идеей нашего проекта Smart Buoy. В этом резюме мы кратко опишем наш проект и разберем его на дизайн, марку и представление данных. О, буй, тебе это понравится …!

Запасы

Для полной сборки Smart Buoy вам понадобится МНОГО вещей. У нас будет разбивка конкретных материалов, необходимых для каждого этапа сборки, в соответствующем руководстве, но вот полный список:

• Arduino Nano - Амазонка
• Raspberry Pi Zero - Амазонка
• Аккумулятор (18650) - Amazon
• Солнечные панели - Amazon
• Блокирующие диоды - Amazon
• Контроллер заряда - Amazon
• Бак-бустер - Amazon
• Модуль GPS - Amazon
• GY-86 (акселерометр, гироскоп, барометр, компас) - Amazon
• Датчик температуры воды - Amazon
• Модуль монитора мощности - Amazon
• Модуль часов реального времени - Amazon
• Радиомодули - Amazon
• Модуль мультиплексора i ^ 2c - Amazon
• 3D-принтер - Amazon
• Нить PETG - Amazon
• Эпоксидная смола - Amazon
• Грунтовка аэрозольная краска - Amazon
• Веревка - Амазонка
• Поплавки - Amazon
• Клей - Амазонка

Весь используемый код можно найти на

Шаг 1. Что он делает?

Датчики на борту Smart Buoy позволяют ему измерять: высоту волны, период волны, мощность волны, температуру воды, температуру воздуха, давление воздуха, напряжение, текущее использование и местоположение по GPS.

В идеальном мире он также измерял бы направление волны. Основываясь на измерениях, которые сделал буй, мы были довольно близки к поиску решения, которое позволило бы нам вычислить направление волны. Однако это оказалось довольно сложным и серьезной проблемой для настоящего исследовательского сообщества. Если есть кто-нибудь, кто может помочь нам и предложить эффективный способ измерения направления волн, сообщите нам об этом - мы хотели бы понять, как заставить его работать! Все данные, которые собирает буй, отправляются по радио на базовую станцию, которой является Raspberry Pi. Мы сделали дашборд для их отображения с помощью Vue JS.

Шаг 2: Сборка - Корпус буя

Этот буй, вероятно, был самым сложным из всех, что мы напечатали. Было так много вещей, которые нужно было принять во внимание, так как это будет в море, подверженное воздействию элементов и большого количества солнца. Мы поговорим об этом подробнее позже в серии Smart Buoy.

Вкратце: мы напечатали почти полую сферу на двух половинах. В верхней половине есть прорези для солнечных батарей и отверстие для радиоантенны. В нижней половине есть отверстие для датчика температуры и ручка для привязки веревки.

После печати буя с использованием нити PETG мы отшлифовали его, покрасили распылением грунтовкой, а затем нанесли несколько слоев эпоксидной смолы.

После того, как подготовка корпуса была завершена, мы поместили всю электронику внутрь, а затем запечатали датчик температуры воды, радиоантенну и солнечные панели с помощью клеевого пистолета. Наконец, мы склеили две половинки клеем / клеем StixAll (супер клей для самолетов).

А потом мы надеялись, что он водостойкий …

Шаг 3: Сборка - Электроника буя

Буй имеет на борту множество датчиков, о которых мы подробно расскажем в соответствующем руководстве. Поскольку это резюме, мы постараемся сделать его информативным, но кратким!

Буй питается от аккумулятора 18650, который заряжается от четырех солнечных панелей по 5 В. Однако постоянно получают питание только часы реального времени. Буй использует выходной вывод часов реального времени для управления транзистором, позволяющим подавать питание на остальную часть системы. Когда система включена, она начинает с получения измерений от датчиков, включая значение напряжения от модуля монитора мощности. Значение, выдаваемое модулем монитора мощности, определяет, как долго система находится в спящем режиме, прежде чем снимать следующий набор показаний. На это время ставится будильник, затем система отключается!

Сама система - это множество датчиков и радиомодуль, подключенный к Arduino. Модуль GY-86, RealTimeClock (RTC), модуль Power Monitor и мультиплексор I2C взаимодействуют с Arduino через I2C. Нам был нужен мультиплексор I2C, потому что GY-86 и модуль RTC, который мы использовали, имеют один и тот же адрес. Модуль мультиплексора позволяет вам общаться без лишних хлопот, хотя это может быть немного излишним.

Радиомодуль обменивается данными через SPI.

Первоначально у нас также был модуль SD-карты, но он вызвал столько головной боли из-за размера SD-библиотеки, что мы решили отказаться от него.

Взгляните на код. Вполне вероятно, что у вас есть вопросы - возможно, и сомнения, - и мы будем рады их услышать. Подробные руководства включают объяснения кода, так что, надеюсь, они сделают его немного понятнее!

Мы попытались логически разделить файлы кода и использовать основной файл для их включения, что, похоже, работало очень хорошо.

Шаг 4: Сборка - Электроника базовой станции

Базовая станция сделана на базе Raspberry Pi Zero с присоединенным радиомодулем. Мы получили кожух с https://www.thingiverse.com/thing:1595429. Ты потрясающий, большое спасибо!

Если у вас есть код, работающий на Arduino, довольно просто получить измерения на Raspberry Pi, запустив код listen_to_radio.py.

Шаг 5: Панель управления

Чтобы показать вам, как мы сделали весь рывок, было бы что-то вроде одиссеи, потому что это был довольно длинный и сложный проект. Если кто-то захочет узнать, как мы это сделали, дайте нам знать - постоянный веб-разработчик T3ch Flicks будет более чем счастлив сделать учебник по этому поводу!

После того, как вы поместите эти файлы на Raspberry Pi, вы сможете запустить сервер и увидеть панель управления с поступающими данными. В целях разработки и для того, чтобы увидеть, как бы выглядел приборный щиток, если бы он был предоставлен с помощью хороших, регулярных данных, мы добавили на сервер генератор фейковых данных. Запустите это, если хотите увидеть, как это будет выглядеть, когда у вас будет больше данных. Мы также объясним это более подробно в следующем руководстве.

(Помните, вы можете найти весь код на

Шаг 6: Версия 2 ?? - Проблемы

Этот проект абсолютно не идеален - нам нравится думать о нем больше как о прототипе / доказательстве концепции. Хотя прототип работает на фундаментальном уровне: он плавает, производит измерения и может передавать их, мы многому научились и изменимся во второй версии:

1. Наша самая большая проблема заключалась в невозможности изменить код буя после его приклеивания. Это действительно была небольшая недоработка, и ее можно было очень эффективно решить с помощью USB-порта, закрытого резиновым уплотнением. Это, однако, добавило бы совершенно другой уровень сложности к процессу гидроизоляции 3D-печати!
2. Используемые нами алгоритмы были далеки от совершенства. Наши методы определения волновых свойств были довольно грубыми, и в итоге мы потратили много времени на изучение математики для объединения данных датчиков с магнитометра, акселерометра и гироскопа. Если кто-то поймет это и захочет помочь, мы думаем, что сможем сделать эти измерения более точными.
3. Некоторые датчики работали немного странно. Датчик температуры воды оказался особенно изворотливым - временами почти на 10 градусов ниже реальной температуры. Причина этого могла быть в том, что датчик просто неисправен, или что-то его нагревает …

Шаг 7: Версия 2 ?? - Улучшения

Arduino был хорош, но, как упоминалось ранее, нам пришлось отказаться от модуля SD-карты (который должен был быть резервной копией данных, если радиосообщения не могли быть отправлены) из-за проблем с памятью. Мы могли бы заменить его на более мощный микроконтроллер, такой как Arduino Mega или Teensy, или просто использовать другой ноль Raspberry Pi. Однако это увеличило бы стоимость и энергопотребление.

Радиомодуль, который мы использовали, имеет ограниченную дальность действия в пару километров при прямой видимости. Однако в гипотетическом мире, где мы смогли разместить (очень) много буев вокруг острова, мы могли бы сформировать подобную ячеистую сеть. Существует так много возможностей для передачи данных на большие расстояния, включая lora, grsm. Если бы мы смогли использовать один из них, возможно, можно было бы создать ячеистую сеть вокруг острова!

Шаг 8: Использование нашего умного буйка для исследований

Мы построили и спустили буй на Гренаде, небольшом острове в южной части Карибского моря. Пока мы были там, мы побеседовали с правительством Гренады, которое заявило, что умный буй, подобный тому, который мы создали, был бы полезен для обеспечения количественных измерений характеристик океана. Автоматические измерения сократят некоторые человеческие усилия и человеческие ошибки и предоставят полезный контекст для понимания меняющихся берегов. Правительство также предложило, чтобы измерения ветра также были полезны для их целей. Понятия не имею, как мы собираемся с этим справиться, поэтому, если у кого-то есть идеи…

Важное предостережение заключается в том, что, хотя это действительно захватывающее время для прибрежных исследований, особенно связанных с технологиями, предстоит пройти долгий путь, прежде чем они будут полностью адаптированы.

Спасибо за то, что прочитали краткое сообщение в блоге о серии Smart Buoy. Если вы еще этого не сделали, посмотрите наше сводное видео на YouTube.

Подпишитесь на нашу рассылку!

Часть 1: Измерение волн и температуры

Часть 2: Радио GPS NRF24 и SD-карта

Часть 3: Распределение мощности для буя

Часть 4: Размещение буя