Умный буй - [Сводка]

Об этом проекте

Сообщение в блоге с кратким изложением умных буев

Всем привет! Это краткое изложение нашего проекта умных буев. Мы разделим техническую сборку на отдельные посты, чтобы объяснить:электроника, 3D-печать и информационная панель.

Будете Потребность

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

• Arduino Nano - Amazon

• Raspberry Pi Zero - Amazon

• Аккумулятор (18650) - Amazon

• Солнечные панели - Amazon

• Блокирующие диоды - Amazon

• Контроллер заряда - Amazon

• Бустер баксов - Amazon

• GPS-модуль - Amazon

• GY-86 (акселерометр, гироскоп, барометр, компас) - Amazon

• Датчик температуры воды - Amazon

• Модуль контроля мощности - Amazon

• Модуль часов реального времени - Amazon

• Радиомодули - Amazon

• Модуль мультиплексора i ^ 2c - Amazon

• 3D-принтер - Amazon

• Нить ПЭТГ - Amazon

• Эпоксидная смола - Amazon

• Грунтовка аэрозольной краски - Amazon

• Веревка - Амазонка

• Поплавки - Amazon

• Клей - Amazon

Весь используемый код можно найти на https://gitlab.com/t3chflicks/smart-buoy.

Что он делает?

Датчики на борту интеллектуального буя 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 он мог проводить, мы были довольно близки к тому, чтобы заставить его работать. Однако это оказалось довольно сложным и на самом деле 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.

Сборка

Корпус буя

Этот буй, наверное, был самым сложным из всех, что мы напечатали. Было так много вещей, которые нужно было принять во внимание, поскольку это будет в море, подверженное воздействию элементов и большого количества солнца. Мы поговорим об этом подробнее в другом эпизоде ​​серии «Умный буй». 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.

Напечатав буй с помощью нити PETG, мы отшлифовали его, покрасили распылением грунтовкой и нанесли несколько слоев эпоксидной смолы.

По завершении подготовки корпуса мы поместили всю электронику внутрь, а затем заклеили 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…

Buoy Electronics

• Изображение полного цикла для буя.

На борту буйка есть 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, еще 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 - метод, который отлично сработал.

Электроника базовой станции

• Изображение схемы Пи

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

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

Один из членов команды T3ch Flicks - веб-разработчик, недавно изучивший Vue JS. Они были очень взволнованы, когда мы решили, что нам нужна панель управления, и поразили нас, сделав этот довольно законный рывок.

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 хочет знать, как мы это сделали, дайте нам знать - постоянный веб-разработчик T3ch Flicks был бы 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. Из соображений 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 он будет выглядеть, когда у вас будет больше данных.

Мы также объясним это более подробно в более позднем эпизоде.

Версия 2 ??

Проблемы

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

• 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!

• Используемые нами алгоритмы были далеки от совершенства. Наши методы определения волновых свойств были довольно грубыми, и в итоге мы потратили много времени на чтение математических расчетов для объединения данных датчиков от магнитометра, акселерометра и гироскопа. В конце концов, это не очень помогло, но мы нашли это интересное видео. Если кто-то поймет это и захочет помочь, мы думаем, что сможем сделать эти измерения более точными.

• Некоторые датчики работали немного странно. Датчик температуры воды оказался особенно изворотливым - временами почти на 10 градусов выше реальной температуры. Причиной этого мог быть просто неисправный датчик или что-то его нагревает ...

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 привело бы к увеличению стоимости и энергопотребления.

Радиомодуль, который мы использовали, имеет ограниченную дальность действия в пару километров при прямой видимости https://www.youtube.com/watch?v=57pdX6b0sfw. Однако с (очень) большим количеством буев вокруг острова мы могли бы сформировать ячеистую сеть, такую ​​как https://www.youtube.com/watch?v=xb7psLhKTMA. 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!

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 воды. 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. Не знаю, как мы собираемся с этим справиться, поэтому, если у кого-то есть какие-то 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 приняты. .

Спасибо за то, что прочитали краткое сообщение в блоге о серии умных буев. Если вы еще этого не сделали, посмотрите видео об этом на нашем канале YouTube. В первой части этой серии мы покажем вам, как мы проводили измерения волн и температуры. Если вам нравится наша работа и вы хотите помочь нам делать больше, было бы замечательно, если бы вы рассмотрели возможность спонсирования нас на Patreon. Большое спасибо Джакомо, нашему первому спонсору Patreon!

Посмотрите следующую запись в блоге, где мы покажем, как мы проводили измерения волн и температуры https://create.arduino.cc/projecthub/t3chflicks/smart-buoy-making-wave-and-temperature-measurements-257ca1

Код

Репо с умными буями

https://gitlab.com/t3chflicks/smart-buoy

Схема