Inteligentná bója [Zhrnutie]: 8 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Všetci milujeme more. Ako kolektív sa tam hrneme na prázdniny, na vodné športy alebo na živobytie. Ale pobrežie je dynamická oblasť vydaná napospas vlnám. Stúpajúca hladina mora okusuje pláže a silné extrémne udalosti, ako sú hurikány, ich úplne zdecimujú. Aby sme pochopili, ako ich zachrániť, musíme pochopiť sily, ktoré sú hybnou silou ich zmeny.

Výskum je drahý, ale ak by ste mohli vytvoriť lacné a efektívne nástroje, dokázali by ste vygenerovať viac údajov - a v konečnom dôsledku by to zlepšilo porozumenie. Toto bolo myslenie za naším projektom Smart Buoy. V tomto súhrne vám stručne predstavíme náš projekt a rozdelíme ho na dizajn, značku a prezentáciu údajov. Bójo, toto sa vám bude páčiť..!

Zásoby

Na kompletnú stavbu inteligentnej bóje potrebujete VEĽA vecí. V príslušnom návode budeme mať rozpis konkrétnych materiálov požadovaných pre každú fázu zostavenia, ale tu je kompletný zoznam:

• Arduino Nano - Amazon
• Raspberry Pi Zero - Amazon
• Batéria (18650) - Amazon
• Solárne panely - Amazon
• Blokovacie diódy - Amazon
• Ovládač nabíjania - Amazon
• Bock booster - Amazon
• GPS modul - Amazon
• GY -86 (akcelerometer, gyroskop, barometer, kompas) - Amazon
• Snímač teploty vody - Amazon
• Modul monitorovania napájania - Amazon
• Modul hodín v reálnom čase - Amazon
• Rádiové moduly - Amazon
• Modul multiplexora i^2c - Amazon
• 3D tlačiareň - Amazon
• Vlákno PETG - Amazon
• Epoxid - Amazon
• Základná farba v spreji - Amazon
• Lano - Amazonka
• Pláva - Amazon
• Lepidlo - Amazonka

Všetok použitý kód nájdete na

Krok 1: Čo to robí?

Senzory na palube Smart Buoy umožňujú merať: výšku vlny, vlnovú periódu, vlnový výkon, teplotu vody, teplotu vzduchu, tlak vzduchu, napätie, aktuálne využitie a polohu GPS.

V ideálnom svete by tiež meral smer vĺn. Na základe meraní, ktoré bója vykonala, sme boli celkom blízko k nájdeniu riešenia, ktoré by nám umožnilo vypočítať smer vĺn. Ukázalo sa však, že je to dosť komplikované a je to vážny problém v skutočnej výskumnej komunite. Ak je tu niekto, kto nám môže pomôcť a navrhnúť účinný spôsob merania smeru vlny, dajte nám vedieť - radi by sme pochopili, ako by sme mohli dosiahnuť, aby fungoval! Všetky údaje, ktoré bójka zhromažďuje, sú odoslané prostredníctvom rádia na základňovú stanicu, ktorou je Raspberry Pi. Vytvorili sme informačný panel, ktorý ich bude zobrazovať pomocou Vue JS.

Krok 2: Zostavte - puzdro bóje

Táto bója bola pravdepodobne najťažšia vec, akú sme doteraz vytlačili. Bolo treba vziať do úvahy toľko vecí, koľko bude v mori, vystavenom živlom a množstvu slnka. Viac o tom budeme hovoriť neskôr v sérii Smart Buoy.

Stručne povedané: vytlačili sme takmer dutú guľu na dve polovice. V hornej polovici sú otvory pre solárne panely a otvor na otvorenie rádiovej antény. V spodnej polovici je otvor na prechod teplotného senzora a držadlo na pripevnenie lana.

Po vytlačení bóje pomocou vlákna PETG sme ju prebrúsili, nastriekali natieracím tmelom a potom položili niekoľko vrstiev epoxidu.

Akonáhle bola príprava škrupiny dokončená, vložili sme všetku elektroniku dovnútra a potom pomocou lepiacej pištole utesnili snímač teploty vody, rádiové antény a solárne panely. Nakoniec sme dve polovice zalepili lepidlom/lepidlom StixAll (lepidlo na super lietadlo).

A potom sme dúfali, že je vodotesný …

Krok 3: Zostavte - bójová elektronika

Bója má na palube veľa senzorov a podrobne o nich ideme v príslušnom návode. Pretože toto je súhrn, pokúsime sa udržať to informatívne, ale krátke!

Bójku poháňa batéria 18650, ktorá sa nabíja štyrmi 5V solárnymi panelmi. Neustále sú však napájané iba hodiny reálneho času. Bójka používa výstupný kolík hodín reálneho času na ovládanie tranzistora, ktorý umožňuje vstupu energie do zvyšku systému. Keď je systém zapnutý, začína sa meraním zo senzorov - vrátane hodnoty napätia z modulu monitora napájania. Hodnota daná modulom monitora napájania určuje, ako dlho systém spí pred vykonaním ďalšej sady meraní. Na túto dobu je nastavený alarm, potom sa systém sám vypne!

Samotný systém je veľa senzorov a rádiového modulu pripojeného k Arduinu. Modul GY-86, RealTimeClock (RTC), modul Power Monitor a multiplexor I2C komunikujú s Arduino pomocou I2C. Potrebovali sme, aby bol potrebný multiplexor I2C, pretože modul GY-86 a modul RTC, ktoré sme použili, majú rovnakú adresu. Modul multiplexora vám umožňuje komunikovať bez ďalších problémov, aj keď to môže byť trochu prehnané.

Rádiový modul komunikuje prostredníctvom SPI.

Pôvodne sme mali aj modul karty SD, ale kvôli veľkosti knižnice SD to spôsobilo toľko bolesti hlavy, že sme sa ho rozhodli zošrotovať.

Pozrite sa na kód. Je pravdepodobné, že máte nejaké otázky - pravdepodobne aj pretrvávajúce pochybnosti - a radi ich vypočujeme. Hĺbkové návody obsahujú vysvetlenia kódu, takže dúfajme, že to urobia o niečo jasnejšie!

Pokúsili sme sa logicky oddeliť súbory kódu a použiť ich hlavný súbor, čo vyzeralo, že funguje celkom dobre.

Krok 4: Zostavte - elektronika základňovej stanice

Základňa je vyrobená z Raspberry Pi Zero s pripojeným rádiovým modulom. Kryt sme získali z https://www.thingiverse.com/thing:1595429. Ste skvelí, ďakujem veľmi pekne!

Akonáhle máte kód spustený na Arduine, je celkom jednoduché získať merania na Raspberry Pi spustením kódu listen_to_radio.py.

Krok 5: Hlavný panel

Ukázať vám, ako sme vyrobili celú palubnú dosku, by bola trochu Odysea, pretože to bol dosť dlhý a komplikovaný projekt. Ak niekto chce vedieť, ako sme to urobili, dajte nám vedieť - rezidentný webový vývojár T3ch Flicks by bol rád, keby vám o tom urobil návod!

Hneď ako vložíte tieto súbory na Raspberry Pi, malo by byť možné spustiť server a zobraziť hlavný panel s prichádzajúcimi údajmi. Z vývojových dôvodov a kvôli tomu, aby ste videli, ako by pomlčka vyzerala, keby bola poskytovaná dobrými, pravidelnými údajmi, pridali sme na server falošný generátor údajov. Spustite to, ak chcete vidieť, ako to vyzerá, keď máte viac údajov. Tiež to podrobne vysvetlíme v neskoršom návode.

(Nezabudnite, že celý kód nájdete na

Krok 6: Verzia 2 ?? - Problémy

Tento projekt nie je úplne dokonalý - radi ho považujeme skôr za prototyp/dôkaz koncepcie. Napriek tomu, že prototyp funguje na základnej úrovni: pláva, robí merania a je schopný ich prenášať, existuje veľa vecí, ktoré sme sa naučili a ktoré by sme zmenili pre verziu dva:

1. Našim najväčším problémom bolo, že sme nemohli zmeniť kód bóje po jej nalepení. Toto bol skutočne trochu nedopatrenie a dalo sa to veľmi efektívne vyriešiť pomocou portu USB pokrytého gumovým tesnením. To by však procesu hydroizolácie 3D tlače prinieslo ďalšiu vrstvu zložitosti!
2. Algoritmy, ktoré sme použili, neboli ani zďaleka dokonalé. Naše metódy na určovanie vlastností vĺn boli dosť hrubé a nakoniec sme strávili veľa času čítaním matematiky na kombináciu údajov senzorov z magnetometra, akcelerometra a gyroskopu. Ak to niekto tam vonku chápe a je ochotný pomôcť, myslíme si, že by sme mohli tieto merania urobiť oveľa presnejšie.
3. Niektoré zo senzorov pôsobili trochu divne. Zvlášť riskantný bol snímač teploty vody - niekedy takmer 10 stupňov od skutočnej teploty. Dôvodom mohlo byť to, že to bol iba zlý senzor, alebo ho niečo zahrievalo …

Krok 7: Verzia 2 ?? - Vylepšenia

Arduino bolo dobré, ale ako už bolo spomenuté, kvôli problémom s pamäťou sme museli zošrotovať modul karty SD (čo malo byť zálohovanie údajov, ak sa rádiové správy nemohli odosielať). Mohli by sme to zmeniť na výkonnejší mikrokontrolér ako Arduino Mega alebo Teensy alebo jednoducho použiť inú nulu Raspberry Pi. To by však zvýšilo náklady a spotrebu energie.

Rádiový modul, ktorý sme použili, má obmedzený dosah niekoľko kilometrov s priamou viditeľnosťou. V hypotetickom svete, kde sme boli schopní umiestniť (veľmi) veľa bójí okolo ostrova, sme však mohli vytvoriť takú sieťovú sieť. Existuje toľko možností pre prenos údajov na veľké vzdialenosti, vrátane lora, grsm. Ak by sme boli schopní použiť jednu z nich, možno by bola možná sieťová sieť okolo ostrova!

Krok 8: Použitie našej inteligentnej bóje na výskum

Postavili sme a spustili bójku na Grenade, malom ostrove v južnom Karibiku. Keď sme boli vonku, porozprávali sme sa s grenadskou vládou, ktorá povedala, že taká inteligentná bója, akú sme vytvorili, by pomohla pri kvantitatívnom meraní charakteristík oceánov. Automatizované merania by obmedzili úsilie ľudí a ľudské chyby a poskytli užitočný kontext pre pochopenie meniacich sa pobreží. Vláda tiež naznačila, že meranie vetra by bolo tiež užitočnou funkciou na ich účely. Netušíme, ako to spravujeme, takže ak má niekto nejaké nápady …

Dôležitou výhradou je, že napriek tomu, že je to skutočne vzrušujúci čas na pobrežný výskum, najmä pokiaľ ide o technológie, je potrebné prejsť ešte dlhú cestu, kým bude plne prijatý.

Ďakujeme, že ste si prečítali súhrnný blogový príspevok o sérii Smart Buoy. Ak ste to ešte neurobili, pozrite sa na naše súhrnné video na YouTube.

Zaregistrujte sa do nášho zoznamu adries!

Časť 1: Meranie vĺn a teploty

Časť 2: Rádio GPS NRF24 a karta SD

Časť 3: Plánovanie výkonu bóje

Časť 4: Nasadenie bóje