Создание сенсорной сети для мельницы 18-го века

Мониторинг 100 лет старые заводские процессы сложны, но они становятся проще, безопаснее и надежнее с сетью радиопередатчиков nRF24L01.

История

Современный производственный процесс в значительной степени зависит от цифровых технологий для наблюдения за различными частями предприятия. Благодаря цифровым технологиям предприятия стали безопаснее, производительнее и проще в эксплуатации. Эта технология воспринимается как должное, что становится очевидным, когда вы посещаете старые и старые фабрики. Я работаю на мельнице 18 века, где почти не используется электричество. Плоские ремни и шкивы передают мощность от линейных валов к машинам, и большая часть нашего оборудования сделана из дерева, вырезана вручную и собрана в начале 1900-х годов. Когда меня попросили разработать сеть датчиков для наблюдения за различными частями производственного процесса моей работы, я ухватился за возможность перенести свое рабочее место в 21 век.

Комбинат можно рассматривать как одну большую машину, в которой одновременно происходит множество более мелких процессов. Поэтому нам требовались различные датчики, которые могли бы наблюдать за этими процессами и предупреждать нас, когда что-то работает не так, как должно. Первоначальные датчики, включенные при запуске проекта, проводят измерения внутри зернового бункера, чтобы определить, насколько он заполнен, контролируют выходное напряжение 0–10 В постоянного тока контроллера AC Tech SMVector и снимают показания температуры и влажности в различных частях здания. Будущие датчики будут включать в себя расходомеры с носиком, которые измеряют количество зерна, протекающего через носик, магнитные переключатели на 2-ходовых клапанах, которые фиксируют, через какой поток проходит зерно, и датчики температуры на подшипниках линейного вала, которые позволяют нам узнать, насколько нагрелся подшипник.

С введением этой сети мы можем сэкономить время, не прогуливаясь визуально, не проверяя процессы на четырех этажах здания, и можем количественно оценить части различных процессов, чтобы получить данные для статистических целей.

Сеть состоит из стандартных узлов, устройств с питанием от Arduino, подключенных к датчикам, базового узла, устройства Arduino, которое действует как сетевой концентратор, и Raspberry Pi, устройства, которое действует как сервер и интерпретатор данных.

«Фрезерная дека» или первый этаж нашей фабрики.

Оборудование

Модуль nRF24L01 (RF24) - это радиочастотный передатчик, способный отправлять и получать данные другим модулям RF24. Модули RF24 можно подключить к Arduino Nano, следуя схеме подключения ниже.

Схема подключения модуля RF24 и Arduino Nano

Модули RF24 могут питаться от 5 вольт, но рекомендуется запитать его от 3,3 вольт. Чтобы модуль RF24 не терял мощность спорадически, необходим развязывающий конденсатор. Я использовал электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ как можно ближе к контактам питания и заземления ВЧ-модуля (не показаны на схеме). Без этого конденсатора ВЧ-модуль не будет работать.

Когда я разобрался с модулем RF24, пришло время сделать печатную плату, которую можно было бы настроить для работы с различными датчиками.

Дизайн, который я использовал для всех своих сетевых узлов

Печатная плата, которую я разработал, состоит из Arduino Nano, модуля RF24, электролитического конденсатора 10 мкФ, 2 светодиодных индикаторов, двух резисторов для светодиодов и одного пятно, чтобы поставить гнездовой разъем micro usb для питания узла. Когда узел собирается, он выглядит так…

Собранная плата без RF24 и полностью собранного узла Arduino NanoA

Затем каждый узел помещается в корпус, напечатанный на 3D-принтере, что упрощает его установку на стены и поверхности.

Пример узла и корпуса

Из-за проблем с дальностью действия я модифицировал RF24, добавив более длинную антенну. Модификация антенны увеличивает дальность действия стандартного модуля RF24 с 5-10 футов до 20 или 30 футов. Чтобы модифицировать антенну RF24, я отрезал кусок сплошного провода калибра 18 до примерно 7 дюймов и припаял его к концу дорожки для антенны RF24. ВНИМАНИЕ! Удлинение антенны RF24 может привести к появлению ранее существовавшей трассы на модуле RF24, если к антенне приложить слишком большое давление.

Стандартный RF24 и антенна Предварительно припаяйте след RF24, выровняйте антенну, примените паяльник Используйте большое количество припоя

Я нанес большой шарик горячего клея на обе стороны новой антенны, потому что во время экспериментов Я обнаружил, что это помогает укрепить новую антенну модуля RF24.

Базовый узел и сервер Raspberry Pi

Чтобы объединить систему, каждой сети нужен базовый узел, на который направляются все данные. В своем проекте я использую узел, подключенный к Raspberry Pi через последовательный кабель. Узел используется для отправки и получения сетевых сообщений, а RPI используется в качестве центрального сервера для записи и интерпретации данных (программа сервера объясняется позже в этом проекте).

Узлы и корпуса

Узловое и базовое программирование

В этом проекте я использовал исключительно библиотеку RF24Network (созданную Tmrh20) для обработки сообщений RF24. Библиотека RF24Network позволяет структурировать сеть узлов в виде древовидной структуры. Адреса записываются в восьмеричном формате. Каждый модуль RF24 может разветвляться не более чем на 5 узлов, и за адресами этих подузлов следует адрес родителей. Следовательно, если мы хотим назначить два узла под Узлом 2, то мы адресуем один узел как 012 (1-й узел, который является дочерним узлом 2), а другой узел как 022 (2-й узел, который является дочерним узлом 2). .

Адресация выполняется в виде древовидной структуры

Чтобы вы могли немного лучше понять, вот базовая схема нескольких узлов, подключенных к моей сети.

Моя сетевая структура

Я использую узлы 01, 011, 0111 и 01111 в качестве узлов повторителя, то есть они в основном используются для передачи информации от узлов, расположенных дальше по древовидной структуре. Узлы 03, 0211 и 0311 являются узлами датчиков, то есть к ним подключены датчики, которые генерируют данные, которые нам нужно отправить обратно на узел 00.

Пример ретранслятора (это ретранслятор 2-го этажа) Другой пример ретранслятора (это ретранслятор 3-го этажа)

Программа узла и датчика

Программа Node запускается на создаваемом вами узле. Это программа, которая действует как конечная точка, где данные генерируются с датчиков, подключенных к узлу. Я предоставил версию кода узла без каких-либо модификаций моего датчика (с комментариями, объясняющими, что происходит), но я также включаю написанную мной программу (немного отличающуюся от кода узла) для сети моего проекта.

Базовая программа

Базовая программа - это программа, которую вы запускаете на базовом узле (обозначенном как узел 00).

Что следует отметить в отношении программ:когда вы создаете структуру данных для своего сообщения, структура C должна быть идентична как в вашей программе конечной точки, так и в вашей базовой программе.

Присоединение датчиков к узлу

Сеть была запущена с 3 типами датчиков:датчиками для измерения заполнения зерновых бункеров, датчиками для контроля выходной мощности определенных двигателей и датчиками, которые дают нам показания температуры и влажности по всему зданию.

Определение емкости для зерна

Электропроводка ультразвукового датчика

Чтобы измерить глубину бункера для зерна, я установил ультразвуковые датчики наверху бункера для зерна так, чтобы датчик был направлен в бункер. Затем я подключил 3 ультразвуковых датчика к контактам, которые я установил в области прототипной платы узла. Каждый вывод эхо-сигнала подключен к отдельному выводу Arduino, но вывод триггера является общим для упрощения программирования.

Узел измерения бункера (3 ультразвуковых датчика для 3 бункеров) Другой узел с 3 прикрепленными ультразвуковыми датчиками Изображение ультразвукового датчика, установленного на бункере

Измерение температуры и влажности

Подключение DHT11

DHT11 используется для измерения температуры и влажности во всем здании завода. Это важная информация, поскольку при работе с зерном и мукой колебания температуры и влажности могут повлиять на степень измельчения муки.

Подробнее:построение сенсорной сети для мельницы XVIII века