Merač hladiny vody v studni v reálnom čase: 6 krokov (s obrázkami)

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

Tieto pokyny popisujú, ako postaviť lacný vodomer hladiny v reálnom čase na použitie v kopaných studniach. Merač hladiny vody je navrhnutý tak, aby visel vo vykopanej studni, meral hladinu vody raz denne a odosielal údaje prostredníctvom WiFi alebo mobilného pripojenia na webovú stránku na okamžité prezeranie a sťahovanie. Náklady na diely na stavbu meradla sú približne 200 dolárov za verziu WiFi a 300 dolárov za mobilnú verziu. Merač je znázornený na obrázku 1. Úplná správa s pokynmi na stavbu, zoznamom dielov, tipmi na konštrukciu a prevádzku meradla a ako nainštalovať meradlo do studne je v priloženom súbore (Pokyny k hladinomeru.pdf). Vodomery boli použité na vývoj regionálnej plytkej monitorovacej siete vodonosných vrstiev v reálnom čase v Novom Škótsku v Kanade: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm… Pokyny na stavbu podobného merača, ktorý meria vodu teplotu, vodivosť a hladiny vody nájdete tu:

Vodomer meria hĺbku vody v studni pomocou ultrazvukového senzora. Senzor je pripojený k zariadeniu Internet-of-Things (IoT), ktoré sa pripája k WiFi alebo mobilnej sieti a odosiela údaje o hladine vody do webovej služby, ktorá sa má graficky znázorniť. Webová služba použitá v tomto projekte je ThingSpeak.com, ktorú je možné zadarmo používať na nekomerčné malé projekty (menej ako 8 200 správ denne). Na to, aby WiFi verzia meradla fungovala, musí byť umiestnená v blízkosti WiFi siete. Domáce studne často spĺňajú túto podmienku, pretože sa nachádzajú v blízkosti domu s WiFi. Merač neobsahuje záznamník údajov, ale odosiela údaje o hladine vody do ThingSpeak, kde sú uložené v cloude. Preto ak dôjde k problému s prenosom údajov (napr. Počas výpadku internetu), údaje o hladine vody pre daný deň sa neprenesú a natrvalo sa stratia.

Merač bol navrhnutý a testovaný pre kopané studne s veľkým priemerom (0,9 m vnútorný priemer) s malou hĺbkou vody (menej ako 10 m pod povrchom zeme). Mohol by sa však potenciálne použiť na meranie hladín vody v iných situáciách, ako sú studne na monitorovanie životného prostredia, vŕtané studne a útvary povrchových vôd.

Tu predstavený dizajn merača bol upravený po tom, čo bol merač vyrobený na meranie hladiny vody v nádrži na vodu pre domácnosť a nahlásenie hladiny vody prostredníctvom služby Twitter, ktorú zverejnil Tim Ousley v roku 2015: https://www.instructables.com/id/Wi -Fi-Twitter-Wa…. Hlavnými rozdielmi medzi pôvodným dizajnom a tu prezentovaným dizajnom sú schopnosť prevádzkovať merač na batériách AA namiesto káblového napájacieho adaptéra, schopnosť zobrazovať údaje v grafe časových radov namiesto správy na Twitteri a používanie. ultrazvukového senzora, ktorý je špeciálne navrhnutý na meranie hladín vody.

Podrobný návod na stavbu vodomeru je uvedený nižšie. Odporúča sa, aby si staviteľ pred začatím postupu stavby merača prečítal všetky kroky konštrukcie. Zariadenie IoT použité v tomto projekte je fotón častíc, a preto sa v nasledujúcich častiach termíny „zariadenie IoT“a „fotón“používajú zameniteľne.

Zásoby

Elektronické súčiastky:

Senzor - MaxBotix MB7389 (dosah 5 m)

Zariadenie IoT - fotón častíc so hlavičkami

Anténa (vnútorná anténa inštalovaná vo vnútri puzdra merača) - 2,4 GHz, 6 dBi, konektor IPEX alebo u. FL, dĺžka 170 mm

Batéria - 4 x AA

Vodič - prepojovací kábel s nasúvacími konektormi (dĺžka 300 mm)

Batérie - 4 x AA

Vodovodné a hardvérové diely:

Rúra - ABS, priemer 50 mm (2 palce), dĺžka 125 mm

Horný kryt, ABS, 50 mm (2 palce), so závitom s tesnením, ktoré vytvára vodotesné tesnenie

Spodný kryt, PVC, 50 mm (2 palce) so ¾ palcovým vnútorným závitom NPT, ktorý pasuje na snímač

2 spojky rúrok, ABS, 50 mm (2 palce) na pripojenie horného a dolného krytu k potrubiu ABS

Skrutka s okom a 2 maticami z nehrdzavejúcej ocele (1/4 palca) na zavesenie na horný kryt

Ostatné materiály: elektrická páska, teflónová páska, spájka, silikón, lepidlo na montážne puzdro

Krok 1: Zostavte puzdro merača

Zostavte puzdro merača tak, ako je to znázornené na obrázkoch 1 a 2 vyššie. Celková dĺžka zostaveného metra, od špičky k špičke vrátane senzora a skrutky s okom, je približne 320 mm. Rúrka ABS s priemerom 50 mm použitá na výrobu puzdra merača by mala byť narezaná na dĺžku približne 125 mm. To umožňuje dostatok priestoru vo vnútri puzdra na umiestnenie zariadenia IoT, batérie a vnútornej antény dlhej 170 mm.

Všetky spoje utesnite silikónovým alebo ABS lepidlom, aby bolo puzdro vodotesné. Je to veľmi dôležité, inak sa vlhkosť môže dostať dovnútra skrinky a zničiť vnútorné komponenty. Do obalu je možné vložiť malé balenie vysúšadla, ktoré absorbuje vlhkosť.

Nainštalujte skrutku s okom do horného krytu vyvŕtaním otvoru a zaskrutkovaním skrutky s okom a maticou. Na zaistenie skrutky s okom by mala byť na vnútornej aj vonkajšej strane puzdra použitá matica. Silikónová vnútorná strana uzáveru v otvore na skrutku je vodotesná.

Krok 2: Pripojte vodiče k senzoru

Na snímač je potrebné pripájať tri vodiče (pozri obrázok 3a), aby bolo možné ich pripojiť k fotónu (t. J. Kolíky snímača GND, V+a pin 2). Spájkovanie vodičov k senzoru môže byť náročné, pretože otvory na pripojenie senzora sú malé a tesne pri sebe. Je veľmi dôležité, aby boli vodiče správne připájané k senzoru, aby bolo medzi pevnými vodičmi dobré a silné fyzické a elektrické spojenie a aby medzi nimi neboli žiadne spájkovacie oblúky. Dobré osvetlenie a lupa pomáhajú pri procese spájkovania. Pre tých, ktorí nemajú predchádzajúce skúsenosti s spájkovaním, sa odporúča pred spájkovaním vodičov k senzoru vykonať určité spájkovanie. Online návod na spájkovanie je k dispozícii od spoločnosti SparkFun Electronics (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…).

Po spájkovaní vodičov so senzorom je možné prebytočný holý drôt, ktorý vyčnieva zo snímača, odstrihnúť nožnicami na dĺžku približne 2 mm. Odporúča sa, aby boli spájkované spoje pokryté silnou kremíkovou perlou. To dáva spojom väčšiu pevnosť a znižuje možnosť korózie a elektrických problémov na spojoch snímačov, ak sa do puzdra merača dostane vlhkosť. Elektrická páska môže byť tiež omotaná okolo troch vodičov na pripojení senzora, aby poskytovala dodatočnú ochranu a odľahčenie napätia, čím sa zníži pravdepodobnosť, že sa drôty zlomia v spájkovacích spojoch.

Vodiče snímača môžu mať na jednom konci nasúvacie konektory (pozri obrázok 3b) na pripojenie k fotónu. Použitie nasúvacích konektorov uľahčuje montáž a demontáž meradla. Drôty snímača by mali byť minimálne 270 mm dlhé, aby mohli predĺžiť celú dĺžku skrinky merača. Táto dĺžka umožní prepojenie fotónu z horného konca puzdra so snímačom umiestneným na spodnom konci puzdra. Upozorňujeme, že táto odporúčaná dĺžka drôtu predpokladá, že rúrka ABS použitá na výrobu puzdra merača je skrátená na dĺžku 125 mm. Vopred potvrďte odstrihnutie a spájkovanie vodičov k senzoru, že dĺžka drôtu 270 mm je dostatočná na to, aby presahovala hornú časť puzdra merača, aby bolo možné fotón pripojiť po zostavení puzdra a snímači je trvalo pripevnený k púzdro.

Senzor je teraz možné pripevniť k puzdru merača. Mal by byť pevne zaskrutkovaný do spodného krytu pomocou teflónovej pásky, aby sa zabezpečilo vodotesné tesnenie.

Krok 3: Pripojte snímač, batériu a anténu k zariadeniu IoT

Pripojte snímač, batériu a anténu k fotónu (obrázok 4) a vložte všetky diely do puzdra merača. Zoznam pinových spojení uvedených na obrázku 4 je uvedený nižšie. Vodiče snímača a batérie je možné pripevniť spájkovaním priamo k fotónu alebo pomocou konektorov typu push-on, ktoré sa pripájajú k kolíkom záhlavia na spodnej strane fotónu (ako je znázornené na obrázku 2). Použitie nasúvacích konektorov uľahčuje demontáž merača alebo výmenu fotónu, ak zlyhá. Pripojenie antény na fotóne vyžaduje konektor typu u. FL (obrázok 4) a na pripojenie je potrebné veľmi pevne zatlačiť na fotón. Batérie neinštalujte do batérie, kým nebude merač pripravený na testovanie alebo inštaláciu do studne. Tento dizajn neobsahuje žiadny vypínač, takže sa merač zapína a vypína vložením a vybratím batérií.

Zoznam pinových spojení na zariadení IoT (Particle Photon):

Fotónový kolík D3 - pripojenie k - kolíku snímača 2, dáta (hnedý vodič)

Fotónový kolík D2 - pripojenie k - kolíku senzora 6, V+ (červený vodič)

Fotónový pin GND - pripojenie k - pin senzora 7, GND (čierny vodič)

Fotónový pin VIN - pripojenie k - batérii, V+ (červený vodič)

Fotónový pin GND - pripojenie k - batérii, GND (čierny vodič)

Pin fotónu u. FL - pripojenie k - anténe

Krok 4: Nastavenie softvéru

Na nastavenie softvéru pre merač je potrebných päť hlavných krokov:

1. Vytvorte si účet Particle, ktorý bude poskytovať online rozhranie s fotónom. Za týmto účelom si stiahnite mobilnú aplikáciu Particle do smartfónu: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. Po inštalácii aplikácie si vytvorte účet Particle a podľa online pokynov pridajte fotón do účtu. K tomu istému účtu je možné pridať ďalšie fotóny bez toho, aby ste si museli sťahovať aplikáciu Particle a znova si vytvárať účet.

2. Vytvorte si účet ThingSpeak https://thingspeak.com/login a vytvorte nový kanál na zobrazenie údajov o hladine vody. Príklad webovej stránky ThingSpeak pre vodomer je zobrazený na obrázku 5, ktorý je možné tiež zobraziť tu: https://thingspeak.com/channels/316660. Pokyny na nastavenie kanála ThingSpeak sú k dispozícii na stránke https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w… Upozorňujeme, že k rovnakému účtu je možné pridať ďalšie kanály pre iné fotóny bez toho, aby ste si museli vytvárať ďalší účet ThingSpeak..

3. Na prenos údajov o hladine vody z fotónu do kanála ThingSpeak je potrebný „webhook“. Pokyny na zriadenie webhooku nájdete na stránke https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. Ak sa stavia viac ako jeden vodomer, pre každý ďalší fotón musí byť vytvorený nový webhook s jedinečným názvom.

4. Webhook, ktorý bol vytvorený v predchádzajúcom kroku, je potrebné vložiť do kódu, ktorý prevádzkuje fotón. Kód pre WiFi verziu vodomeru je uvedený v priloženom súbore (Code1_WiFi.txt). V počítači prejdite na webovú stránku Particle https://login.particle.io/login?redirect=https://… prihláste sa do účtu Particle a prejdite do rozhrania aplikácie Particle. Skopírujte kód a použite ho na vytvorenie novej aplikácie v rozhraní aplikácie Particle. Zadajte názov webhooku vytvorený vyššie do riadku 87 kódu. Za týmto účelom vymažte text v úvodzovkách a vložte nový názov webhooku do úvodzoviek v riadku 87, ktorý znie takto:

Particle.publish ("Insert_Webhook_Name_Inside_These_Quotes", String (GWelevation, 2), PRIVATE);

5. Kód je teraz možné overiť, uložiť a nainštalovať do fotónu. Všimnite si toho, že kód je uložený a nainštalovaný na fotón z cloudu. Tento kód bude použitý na obsluhu vodomeru, keď je vo vodnej studni. Pri inštalácii v teréne bude potrebné vykonať niekoľko zmien v kóde, aby sa frekvencia hlásenia nastavovala raz denne a aby sa doplnili informácie o studni (je to popísané v priloženom súbore Water Level Meter Instructions.pdf v sekcii s názvom „ Inštalácia meradla do studne “).

Krok 5: Otestujte merač

Konštrukcia merača a nastavenie softvéru sú teraz dokončené. V tomto mieste sa odporúča testovať meradlo. Mali by byť dokončené dva testy. Prvý test slúži na potvrdenie, že merač dokáže správne merať hladiny vody a odoslať údaje do ThingSpeak. Druhý test slúži na potvrdenie, že spotreba energie fotónu je v očakávanom rozsahu. Tento druhý test je užitočný, pretože batérie spotrebujú príliš veľa energie skôr, ako sa očakávalo.

Na účely testovania je kód nastavený na meranie a hlásenie hladín vody každé dve minúty. Toto je praktické časové obdobie na čakanie medzi meraním počas testovania meradla. Ak je požadovaná iná frekvencia merania, zmeňte premennú s názvom MeasureTime v riadku 16 kódu na požadovanú frekvenciu merania. Frekvencia merania sa zadáva v sekundách (t.j. 120 sekúnd sa rovná dvom minútam).

Prvý test je možné vykonať v kancelárii zavesením merača nad podlahu, zapnutím a kontrolou, či kanál ThingSpeak presne hlási vzdialenosť medzi senzorom a podlahou. V tomto scenári testovania sa ultrazvukový impulz odráža od podlahy, ktorý sa používa na simuláciu hladiny vody v studni.

Pri druhom teste by sa mal merať elektrický prúd medzi batériou a fotónom, aby sa potvrdilo, že zodpovedá špecifikáciám v technickom liste fotónu: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… Prax ukázala, že tento test pomáha identifikovať chybné zariadenia IoT pred ich nasadením v teréne. Zmerajte prúd umiestnením merača prúdu medzi kladný vodič V+ (červený vodič) na batérii a kolík VIN na fotóne. Prúd by sa mal merať v prevádzkovom režime aj v režime hlbokého spánku. Za týmto účelom zapnite fotón a spustí sa v prevádzkovom režime (ako ukazuje LED dióda na fotóne, ktorý zafarbí na azúrovo), ktorý beží približne 20 sekúnd. Počas tejto doby sledujte prevádzkový prúd pomocou merača prúdu. Fotón sa potom automaticky prepne do režimu hlbokého spánku na dve minúty (ako to naznačuje LED dióda na fotóne, ktorá sa vypne). V tomto čase použite aktuálny merač na sledovanie prúdu v hlbokom spánku. Prevádzkový prúd by mal byť medzi 80 a 100 mA a prúd v hlbokom spánku by mal byť medzi 80 a 100 µA. Ak je prúd vyšší ako tieto hodnoty, fotón by mal byť vymenený.

Merač je teraz pripravený na inštaláciu do studne (obrázok 6). Pokyny, ako nainštalovať merač do studne s vodou, nájdete v priloženom súbore (Water Level Meter Instructions.pdf).

Krok 6: Ako vytvoriť mobilnú verziu meradla

Mobilnú verziu vodomeru je možné vytvoriť vykonaním úprav predtým popísaného zoznamu dielov, pokynov a kódu. Mobilná verzia nevyžaduje WiFi, pretože sa k internetu pripája pomocou mobilného signálu. Náklady na diely na stavbu mobilnej verzie meradla sú približne 300 dolárov (bez daní a poštovného) a približne 4 doláre mesačne za plán mobilných dát, ktorý sa dodáva s mobilným zariadením IoT.

Mobilný merač používa rovnaké časti a konštrukčné kroky, ako sú uvedené vyššie, s nasledujúcimi úpravami:

• Nahraďte zariadenie WiFi IoT (Particle Photon) za mobilné zariadenie IoT (Particle Electron): https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. Pri konštrukcii meradla použite rovnaké kolíkové pripojenia, ako je popísané vyššie pre WiFi verziu meradla v kroku 3.

• Mobilné zariadenie IoT spotrebuje viac energie ako verzia WiFi, a preto sa odporúčajú dva zdroje batérie: 3,7 V Li-Po batéria, ktorá sa dodáva so zariadením IoT, a batéria so 4 batériami AA. 3,7 V batéria LiPo sa pripája priamo k zariadeniu IoT pomocou dodaných konektorov. Batéria AA je k zariadeniu IoT pripevnená rovnakým spôsobom, ako je popísané vyššie pre WiFi verziu meradla v kroku 3. Terénne testy ukázali, že mobilná verzia merača bude fungovať približne 9 mesiacov s použitím vyššie popísaného nastavenia batérie.. Alternatívou k použitiu batérií AA aj 2000 mAh 3,7 V Li-Po batérie je použitie jednej 3,7 V Li-Po batérie s vyššou kapacitou (napr. 4000 alebo 5000 mAh).

• K meraču musí byť pripojená externá anténa, napríklad: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. Zaistite, aby bola hodnotená podľa frekvencie používanej poskytovateľom mobilných služieb, kde bude vodomer používať. Anténa dodávaná s mobilným zariadením IoT nie je vhodná na vonkajšie použitie. Externú anténu je možné pripojiť dlhým (3 m) káblom, ktorý umožňuje pripevnenie antény na vonkajšiu stranu studne v mieste vrtu (obrázok 7). Odporúča sa, aby bol kábel antény vložený cez spodok skrinky a dôkladne utesnený kremíkom, aby sa zabránilo vstupu vlhkosti (obrázok 8). Odporúča sa kvalitný, vodotesný, vonkajší koaxiálny predlžovací kábel.

• Mobilné zariadenie IoT beží na inom kóde ako verzia WiFi meradla. Kód pre mobilnú verziu meradla je uvedený v priloženom súbore (Code2_Cellular.txt).