Развертывание беспроводной сети датчиков на мельнице XVIII века

Мониторинг вековых промышленных процессов — вызов, но сеть nRF24L01 RF-передатчиков делает его безопаснее, быстрее и надежнее.

История

Современные заводы полагаются на цифровой мониторинг для повышения безопасности, производительности и удобства эксплуатации. В отличие от этого, мельница XVIII века — приводящаяся в действие валовыми валами и деревянными блокирующими шкивами — всё еще работает с минимальным электричеством. Когда мне поручили спроектировать сеть датчиков для этого исторического объекта, я увидел возможность соединить наследие с передовой технологией.

Мельница функционирует как одна большая машина с множеством одновременных процессов. Для управления этой сложностью мы установили разные датчики, отслеживающие уровень зерна, выход двигателя, температуру, влажность, а в будущих фазах — поток зерна и температуру подшипников. Полученный поток данных устраняет необходимость ручных обходов по четырём этажам здания и предоставляет количественные метрики для статистического анализа.

Сеть состоит из стандартных узлов на Arduino, центрального базового узла и Raspberry Pi, служащего сервером и интерпретатором данных.

Обзор железа

Каждый узел использует Arduino Nano, парный с nRF24L01 (RF24) модулем. RF24 модуль может работать на 3.3 В для оптимальной производительности; я добавил 10 мкФ электролитический конденсатор близко к его питанию для предотвращения спорадических потерь питания.

Я спроектировал пользовательскую PCB, интегрирующую Arduino Nano, RF24 модуль, конденсатор, два индикаторных LED и micro-USB порт. Собранная плата помещается в 3D-печатный корпус для легкого настенного или поверхностного монтажа.

Для расширения диапазона за стандартные 5–10 футов, я припаял 7-дюймовый 18 AWG провод к антенной дорожке RF24, достигнув 20–30 футов. Щедрая порция термоклея фиксирует антенну, предотвращая деформацию дорожки.

Программирование узлов и базы

Библиотека RF24Network (от Tmrh20) структурирует mesh как дерево. Адрес каждого узла октален; узел может ветвиться не более чем в пять детей. Например, узлы 011 и 022 оба ветвятся от узла 02. Репитерные узлы (например, 01, 011, 0111, 01111) пересылают данные, тогда как сенсорные узлы (например, 03, 0211, 0311) генерируют измерения для базового узла (00).

Программы узла и базы используют идентичные C-структуры для полезной нагрузки сообщений, обеспечивая бесшовную сериализацию и десериализацию по сети.

Подключение датчиков к узлу

Детектирование уровня зерна

Ультразвуковые датчики на вершине зерновых бункеров измеряют глубину. Три датчика делят один триггерный пин, но используют отдельные эхо-пины для четкой временной изоляции.

Детектирование температуры и влажности

Модули DHT11 предоставляют данные температуры и влажности по всему зданию. Поддержание стабильных экологических условий критично для постоянной тонкости муки.

Читать подробнее: Построение сети датчиков для мельницы XVIII века