WetRuler - Измерение высоты океана: 8 шагов (с изображениями)

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

В начале лета было объявлено, что область на Аляске под названием пролив Принца Уильяма неожиданно пострадает от цунами, вызванного глобальным потеплением. Ученые, которые сделали открытие, указали на область быстро отступающего льда, оставившего после себя гору обломков, которая соскользнет в фьорд и вызовет 30-футовую волну, которая в конечном итоге обрушится на город Уиттиер. Это уже случалось раньше, во время землетрясения 1964 года, когда сотрясение вызвало множественные цунами в окружающих фьордах и опустошило побережье, включая Уиттиер и Вальдес, с множеством смертей. Круизные лодки, уже опасавшиеся вируса, решили не приближаться к этому району, и USFS предложило возмещение за любые арендованные каюты. Через неделю предупреждение о цунами поразило все наши мобильные телефоны! Подводный маяк обнаружил волну, связанную с небольшим землетрясением у побережья. Всем районным городам было приказано эвакуироваться, если они находятся рядом с водой. Это ни к чему не привело. Как вы оцениваете эти события? В этом руководстве подробно описывается создание небольших датчиков, которые могут измерять высоту океана и отправлять данные либо на приемник LORA, либо прямо в GSM. Агрегаты компактны, устойчивы к окружающей среде и работают от солнечной энергии. Я протестировал их здесь для достижения воспроизводимых высот приливов, но они также могут использоваться для прогнозов высоты волн и цунами.

Шаг 1. Соберите материалы

Я построил два передающих устройства: одно включает загрузку через GSM (сотовый телефон), а другое - через LORA. Вы также можете рассмотреть возможность подключения к спутниковому радиомаяку, поскольку во многих из этих областей нет сотовой связи. В основе этих инструментов лежит датчик MS5803-14BA, его использование и сборка в различных сценариях можно найти на следующих веб-сайтах: https://thecavepearlproject.org/2016/09/21/field-… и http: / /owhl.org. На втором изображен великолепно спроектированный удаленный регистратор с собственной специально разработанной печатной платой для долгосрочного измерения высоты волны. Датчики, в зависимости от настройки, казались устойчивыми к воде от месяцев до года.

1. MS5803-14BA - вы можете получить их от DigiKey за 13 долларов, но вам нужно будет сделать некоторые работы по пайке поверхности или получить готовую коммутационную плату от SparkFun, но это обойдется вам в 60 долларов. Если вы сделаете это самостоятельно, вам понадобится небольшая плата Adafruit, чтобы припаять ее, и немного низкотемпературного паяльного геля (140F), который, как мне показалось, оказался полезным. В cavepearlproject есть отличное руководство о том, как паять их вручную - я предлагаю купить дешевую станцию для ремонта от Amazon за 30 долларов.

2. LILYGO 2шт TTGO LORA32 868/915Mhz ESP32 LoRa - 27 долларов за коробку LORA.

3. ARDUINO MKR GSM 1400 55 $ - это отличная плата. Он отлично работает с голограммой sim. К сожалению, мне не удалось заставить их Arduino Sim работать с их новой службой, несмотря на несколько попыток. Если у вас все еще есть доступ к услуге 2GM, вы можете пойти с чем-то более дешевым, но это полностью не удалось на Аляске.

4. Солнечные элементы Uxcell 2Pcs 6V 180mA Poly Mini Solar Cell Panel Module DIY for Light Toys Charger 133mm x 73mm $ 8

5. Аккумулятор 18650 $ 4

6. TP4056 - зарядное устройство 1 $

7. Переключатель. Прочный металлический переключатель включения / выключения с зеленым светодиодным кольцом - 16 мм, зеленый вкл. / Выкл. 5 долларов США.

8. Индикатор тестера напряжения литий-ионной батареи Icstation 1S 3,7 В, 4 секции, синий светодиодный дисплей $ 2

9. Adafruit TPL5111 Low Power Timer Breakout - блестящее маленькое устройство отсчета времени $ 6,00

10. N-канальный силовой полевой МОП-транзистор - 30 В / 60 А $ 1,75

11. Дифференциальный модуль удлинителя длинного кабеля I2C PCA9600 от SandboxElectronics X2 (18 долларов каждый) - в литературе есть упоминания об успехе с длинными кабелями для I2C, но с ежедневными 25-футовыми приливами на Аляске вам нужны длинные кабели… о да, какой-то кабель.. Я использовал большую коробку 23 г, 4 витую пару, подходящую для наружного монтажа.

12. Adafruit BMP388 - Прецизионный барометрический датчик давления и высотомер 10 долларов США.

Шаг 2: Соберите датчики

Датчики должны быть припаяны к небольшим печатным платам. Две предыдущие работы дадут вам несколько советов о том, как это сделать. Я купил и датчики, и крошечные платы от Digikey. Используйте низкотемпературный припой от Adafruit и нанесите лишь мельчайшее количество припоя рядом с ножками датчика, когда вы размещаете его на плате. Воспользуйтесь специальной воздуходувкой, чтобы растопить его на месте. Я не справился с этой задачей с помощью ручной пайки, и в итоге закоротил некоторые контактные площадки. Остальная часть проводки, если вы правильно проверите свои выводы, проста - поместите небольшой конденсатор (0,1 н) между проводами питания и заземления и поднимите выводы CS и PSB Hi, чтобы инициировать I2C и управлять адресом для датчика. (См. Рисунок). У вас есть два варианта: 0 X 76 Hi и 0 X 77 для Lo. Я использовал оба, чтобы сформировать сенсорную палочку с сенсорами, расположенными на расстоянии одной ступни друг от друга, чтобы получить перепад давления независимо от того, что вы измеряете. Я спроектировал корпус датчика, напечатанный на 3D-принтере, чтобы он был полностью покрыт прозрачной эпоксидной смолой. Устье конуса идеально подходит к крошечной шейке датчика из нержавеющей стали, а герметичное размещение достигается с помощью крошечного кольца суперклея, которое удерживает его на месте и герметизирует для герметизации эпоксидной смолой.

Шаг 3: 3D-печать вашего жилья

Два основных корпуса для GSM и Lora одинаковы со вставками в боковые панели для солнечных панелей. Единственной модификацией Lora было отверстие для антенны наверху, которое необходимо просверлить в зависимости от диаметра вашего устройства. Антенна GSM помещается в другую коробку. Панель управления в каждом из них идентична с отверстиями для включения / выключения и кнопки для включения экрана уровня заряда батареи. Ножки напечатаны отдельно и приклеены к корпусу по углам и обеспечивают различные варианты монтажа. Маленькая револьверная головка и завинчивающаяся крышка наклеены вокруг отверстия для крепления microUSB, чтобы защитить его от проникновения воды. Устройство в основном очень водостойкое и напечатано на PETG, чтобы минимизировать тепловые искажения. Я использовал латунные винтовые крепления с тепловыми вставками в основном корпусе для 3-миллиметровых винтов в корпусе. Есть файлы для двух креплений для датчиков - в одном есть два датчика, установленных на расстоянии ноги на палочке из люцитового пластика с креплением для блока «бустера» I2C со схемой, смонтированной и покрытой эпоксидной смолой внутри. У этой палочки также есть два отверстия, напечатанных на 3D-принтере, для различных вариантов монтажа. Другой корпус датчика представляет собой одиночную шайбу с ввинченным в нее одним из датчиков и вырезом в задней части для «бустера» I2C, залитого эпоксидной смолой. Все они напечатаны в формате PETG. Остальные файлы представляют собой крошечный корпус для приемника Lora с небольшим окошком для OLED.

Шаг 4: Подключите его

Датчики подключаются параллельно линиям SDA, линиям SCL, Pos и Gnd, соединенным в один скрученный кабель с четырьмя проводниками. Бустеры I2C очень просты в использовании - оба датчика подключаются к входным линиям, а промежуточный кабель длиной до 60 метров подключается к одному и тому же типу приемника. Если вы продержитесь дольше, вам, возможно, придется заменить подтягивающие резисторы на платах. Схемы подключения остальных находятся выше. Схема работает путем включения / выключения переключателя, подающего питание на Adafruit TPL5111, который настроен на 57 Ом, чтобы включить высокий уровень каждые 10 минут - вы, конечно, можете настроить это на меньшую или большую частоту передачи данных. Он управляет полевым МОП-транзистором на земле основной платы (либо Lora, либо Arduino 400 GSM). (Я обнаружил, что такие платы, как GSM и ESP32, имеют слишком большую потребляемую мощность для TPL, если вы не используете с ними MOSFET…) Питание датчиков и BMP388 поступает от основной платы, когда она включена: 3 В. Подтягивающие резисторы установлены на усилителях I2C, и они вам не нужны для датчиков в этой цепи. Плата для зарядки TP4056 отлично работает с двумя солнечными панелями и аккумулятором 18650. Кнопка просто соединяет выход батареи с маленьким экраном уровня заряда батареи. Два датчика, прикрепленные к люцитовой палочке, используют два доступных адреса, включая адрес BMP388 (0 X 77), поэтому вы должны подключить BMP с SPI к основным платам, если вы используете два датчика давления воды. Если вы используете только один (шайбу), вы можете подключить его к I2C и использовать оставшийся доступный адрес (0 X 77) для BMP.

Шаг 5: Создайте это

Я использовал перфокарты, чтобы все смоделировать. Основная плата TPL, BMP все шло на одной плате. Переключатели были прикручены резиновыми втулками. Плата зарядного устройства устанавливается на выносной опоре лицевой панели управления разъемом microUSB наружу. Турель для защиты от воды была приклеена к передней части, а винтовая крышка была покрыта силиконовой смазкой на резьбе. Люцитовая палочка была вырезана из двух слоев пластика 1/4 с датчиками, установленными точно на расстоянии одного фута друг от друга. Крепления с отверстиями, напечатанные на 3D-принтере, были размещены на концах, а усилитель I2C был прикручен посередине, где были выполнены все соединения проводов. Датчик шайбы был напечатан на 3D-принтере, бустер покрыли эпоксидной смолой и подключили к одному датчику. В верхней части блока Lora было просверлено отверстие для размещения антенны, и отверстия были размещены в задней части каждого блока для размещения провода от датчиков. Предусмотрен прижим для проводов, напечатанный на 3D-принтере. Прикрепите к нему провод с помощью молнии, предварительно приклеив его на место. Все соединения проводов термоусадочны и окрашены жидкой изолентой для обеспечения водной безопасности.

Шаг 6: запрограммируйте

В программе действительно немногое. Он в значительной степени полагается на библиотеки, предоставленные для датчиков, которые отлично работают, и чудо программного обеспечения GSM Blynk для платы Arduino, которое идеально взаимодействует с облаком голограмм. Зарегистрируйте учетную запись Hologram и получите от них SIM-карту для установки в свою плату Arduino 400 GSM. Процесс установления связи полностью обрабатывается библиотекой Blynk - GSM Arduino. Adafruit написал библиотеку для BMP, а я использовал библиотеку SparkFun для MS5803. Если хотите, оба обеспечивают вывод температуры от ваших датчиков. Программно настроенные контакты могут использовать практически все, что есть на основной плате. Я использовал программу таймера Blynk, чтобы случайно не перегрузить приложение Blynk. Вы, конечно, должны быть осторожны с объемом данных, которые вы передаете через ссылку GSM-голограмма, или вы можете выставить небольшой счет - не слишком много - он использовал около 3 МБ в неделю, что составляет около 40 центов. Я загружал только три измерения давления - 2 из подводных и одно из футляра (BMP). Последняя часть программы - это отключение TPL путем поднятия в положение HI вывода «done» на устройстве, которое сообщает, что данные были переданы. Приложение Blynk, как всегда, замечательно, и вы можете создать любой вид экрана вывода, какой захотите, а лучшая часть - это возможность загружать кучу данных по электронной почте в любое время.

Устройство Lora использует те же библиотеки и использует устройство OLED (я отключил это в программном обеспечении устройства-отправителя для экономии энергии) и устанавливает частоту для вашего конкретного местоположения. Затем он создает строку данных с разделителями, которые позволяют отправлять показания датчика за один раз. Затем он активирует свой вывод «Готово», чтобы выключиться. Устройство-приемник разбивает слово и отправляет информацию в приложение Blynk по постоянно действующему каналу Wi-Fi. Ресивер невероятно маленький и подключается к стенной бородавке.

Шаг 7: Использование

Крошечная лицевая панель датчика с высокой степенью точности улавливает всю силу давления, оказываемую на нее сверху, включая все давление воздуха и воды. Таким образом, прерывистые изменения высоты океана - такие как волны и изменения давления воздуха из-за штормов над океаном - все это влияет на это. Это причина включения датчика атмосферного давления в корпус (убедитесь, что вы предусмотрели пару крошечных отверстий для воздуха, чтобы он мог правильно считывать). Сенсорная палочка с двумя сенсорами закреплена в океане на такой глубине, где она все еще будет покрыта водой даже во время отлива. На какой глубине вы размещаете датчики произвольно, поскольку они будут измерять только изменение высоты водяного столба над абсолютной высотой. Я использовал кирпич в качестве якоря с привязанной веревкой, чтобы закрепить сенсорную палочку на расстоянии пары футов от дна. К верхнему полюсу палочки был прикреплен поплавок, чтобы удерживать датчики в их стопах отдельно друг от друга в вертикальной ориентации. Витая пара и веревка вели к доку, где они были привязаны с большим провисанием, чтобы выдержать приливную экскурсию. Передатчик GSM был установлен на соседнем судне. Мониторинг проходил более месяца. Два датчика давали показания, последовательно разделенные на 28 единиц, которые представляли разницу давления в футе водяного столба в этом месте. Барометрическое давление было вычтено из данных нижнего датчика и разделено на 28, чтобы получить футовый эквивалент подъема и опускания поверхности океана за 10-минутные периоды. Приведенная выше диаграмма дает сравнение с диаграммой NOAA за тот же период. Фактические датчики подъема и опускания / опоры были проверены по фактическому перемещению док-станции и оказались точными с точностью до 1/2 дюйма. Даже при высоком энергопотреблении GSM передает каждые десять минут солнечные батареи легко справляются со спросом в этой тусклой среде тропического леса.

Шаг 8: Подробнее

Ранее упомянутые источники использовали эти датчики для изучения высоты волн. Мои результаты были получены в спокойной гавани с минимальной активностью ветровых волн, но вы можете получить эти данные, увеличив частоту выборки и используя скользящие средние результатов. Система Lora хорошо работает на расстояниях, которые могут обеспечить ячеистую сеть волновой информации для нескольких мест вдоль побережья. Это было бы идеально для тех, кто интересуется серфингом. Низкая стоимость и очень маленький размер этих независимых единиц сделали бы сбор информации о прибрежной зоне легкой задачей. В настоящее время сбор информации о приливах и отливах - это очень сложная и зависящая от инфраструктуры деятельность правительства, но это может измениться с принятием альтернативных устройств. Блинк теперь запрограммирован, чтобы уведомить меня о следующем цунами!