Kanalizácia: 3 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:56

Súčasný proces čistenia kanalizačných potrubí je skôr reaktívny než proaktívny. Telefónne hovory sa registrujú v prípade upchatia kanalizácie v danej oblasti. Navyše je pre manuálne zachytávače ťažké vynulovať v bode chyby. Používajú metódu pokusu a pokusu na vykonanie čistiaceho procesu vo viacerých šachtách v postihnutej oblasti, pričom strácajú veľa času. Vysoká koncentrácia toxických plynov navyše spôsobuje podráždenosť, bolesti hlavy, únavu, infekcie dutín, zápal priedušiek, zápal pľúc, stratu chuti do jedla, slabú pamäť a závraty.

Riešením je navrhnúť prototyp, ktorý je malým zariadením s tvarovým perom zabudovaným do veka šachty. Spodná časť zariadenia, ktorá je počas zatvoreného veka odkrytá dovnútra šachty, pozostáva zo senzorov, ktoré zisťujú hladinu vody vo vnútri kanalizácie a koncentráciu plynov, medzi ktoré patrí metán, oxid uhoľnatý, oxid uhličitý a oxidy dusíka. Dáta sú zhromaždené na nadradenú stanicu, ktorá komunikuje s týmito zariadeniami nainštalovanými v každom šachte cez LoRaWAN a odosiela ich na cloudový server, ktorý je hostiteľom palubnej dosky na účely monitorovania. Ďalej sa tým preklenuje priepasť medzi obecnými úradmi zodpovednými za údržbu kanalizácie a zber odpadu. Inštalácia týchto zariadení v celom meste umožní preventívne riešenie identifikovať a presne určiť polohu upchatého kanalizačného potrubia skôr, ako sa odpadová voda dostane na povrch.

Zásoby

1. Ultrazvukový senzor - HC -SR04

2. Senzor plynu - MQ -4

3. Brána LoRa - Raspberry pi 3

4. Modul LoRa - Semtech SX1272

5. NodeMCU

6. Modul bzučiaka

7. Li-ion batéria 500 mAh, 3,7 V

Krok 1:

Pri prvom prototype som ako prílohu použil tic-tac (krabica čerstvých mincovní). Pripojenie ultrazvukových senzorov sa uskutočnilo takým spôsobom, aby smerovalo Tx a Rx smerom k kanalizačnému toku. Pripojenie k ultrazvukovému senzoru a plynovému senzoru je veľmi jednoduché. Stačí napájať jednotlivé snímače a na čítanie údajov použiť ktorýkoľvek z 8 digitálnych pinov dostupných v NodeMCU. Nakreslil som súvislosti pre lepšie pochopenie.

Krok 2: Zoznámenie sa s SEMTECH SX1272

Našim ďalším krokom by bolo nainštalovať knižnice na náš NodeMCU.

Knižnice modulu Semtech LoRa nájdete na tomto odkaze:

Ak chcete nainštalovať túto knižnicu:

• Nainštalujte ho pomocou správcu knižnice Arduino („Sketch“-> „Include Library“-> „Manage Libraries…“), alebo
• Stiahnite si súbor zip z github pomocou tlačidla „Stiahnuť ZIP“a nainštalujte ho pomocou IDE („Sketch“-> „Include Library“-> „Add. ZIP Library…“
• Klonujte toto úložisko git do priečinka skicár/knižnice.

Aby táto knižnica fungovala, vaše Arduino (alebo akákoľvek doska kompatibilná s Arduino, ktorú používate) by malo byť pripojené k transceiveru. Presné pripojenia sú trochu závislé od dosky transceiveru a použitého Arduina, preto sa táto časť pokúša vysvetliť, na čo každé pripojenie slúži a v akých prípadoch je (ne) požadované.

Všimnite si toho, že modul SX1272 beží na 3,3 V a pravdepodobne nemá rád 5 V na svojich kolíkoch (aj keď údajový list o tom nič nehovorí a môj transceiver sa evidentne nerozbil po náhodnom použití 5 V I/O na niekoľko hodín). Aby ste boli v bezpečí, použite radič úrovne alebo Arduino pracujúce na 3,3 V. Hodnotiaca doska Semtech má 100 ohmové odpory v sérii so všetkými dátovými linkami, ktoré by mohli zabrániť poškodeniu, ale s tým by som nerátal.

Prijímače SX127x vyžadujú napájacie napätie medzi 1,8 V a 3,9 V. Typické je použitie napájania 3,3 V. Niektoré moduly majú jeden napájací kolík (ako moduly HopeRF s označením 3,3 V), iné však obsahujú viac napájacích kolíkov pre rôzne časti (napríklad hodnotiaca doska Semtech s VDD_RF, VDD_ANA a VDD_FEM), ktoré je možné všetky navzájom prepojiť. Všetky piny GND je potrebné pripojiť k pinom GNU Arduino.

Primárny spôsob komunikácie s transceiverom je prostredníctvom SPI (Serial Peripheral Interface). Používa štyri piny: MOSI, MISO, SCK a SS. Prvé tri je potrebné priamo prepojiť: teda MOSI na MOSI, MISO na MISO, SCK na SCK. Tam, kde sa tieto piny nachádzajú na vašom Arduino, sa líšia, pozrite sa napríklad na časť „Pripojenia“v dokumentácii Arduino SPI. Pripojenie SS (slave select) je o niečo flexibilnejšie. Na strane SPI slave (transceiver) musí byť pripojený k kolíku (spravidla) označenému NSS. Na strane SPI master (Arduino) sa tento pin môže pripojiť k akémukoľvek I/O pinu. Väčšina Arduinos má tiež pin označený ako „SS“, ale to je relevantné iba vtedy, keď Arduino funguje ako otrok SPI, čo v tomto prípade neplatí. Bez ohľadu na to, ktorý pin vyberiete, musíte knižnici povedať, ktorý pin ste použili, pomocou mapovania pinov (pozri nižšie).

Kolíky DIO (digitálne I/O) na doske transceiveru je možné konfigurovať pre rôzne funkcie. Knižnica LMIC ich používa na získanie okamžitých informácií o stave z transceiveru. Napríklad, keď sa spustí prenos LoRa, pin DIO0 je nakonfigurovaný ako výstup TxDone. Keď je prenos dokončený, pin DIO0 je zosilnený transceiverom, čo môže zistiť knižnica LMIC. Knižnica LMIC potrebuje iba prístup k DIO0, DIO1 a DIO2, ostatné piny DIOx je možné nechať odpojené. Na strane Arduino sa môžu pripojiť k akémukoľvek pinu I/O, pretože súčasná implementácia nepoužíva prerušenia ani iné špeciálne hardvérové funkcie (aj keď to možno do funkcie pridať, pozrite si tiež časť „Časovanie“).

V režime LoRa sa piny DIO používajú nasledovne:

• DIO0: TxDone a RxDone
• DIO1: RxTimeoutIn

Režim FSK sa používajú nasledovne:

• DIO0: PayloadReady a PacketSent
• DIO2: TimeOut

Oba režimy vyžadujú iba 2 piny, ale tranceiver ich neumožňuje mapovať tak, aby sa všetky potrebné prerušenia mapovali na rovnaké 2 piny. Ak sú teda použité režimy LoRa aj FSK, musia byť prepojené všetky tri piny. Piny použité na strane Arduino by mali byť nakonfigurované v mapovaní pinov vo vašej skici (pozri nižšie). Reset Transceiver má resetovací kolík, pomocou ktorého ho môžete explicitne resetovať. Knižnica LMIC to používa na zaistenie konzistentného stavu čipu pri štarte. V praxi môže byť tento kolík ponechaný odpojený, pretože transceiver už bude pri zapnutí v rozumnom stave, ale jeho pripojenie môže v niektorých prípadoch zabrániť problémom. Na strane Arduino je možné použiť akýkoľvek I/O pin. Použité číslo PINu musí byť nakonfigurované v mapovaní pinov (pozri nižšie).

Transceiver obsahuje dve samostatné anténne pripojenia: jedno pre RX a jedno pre TX. Typická doska transceiveru obsahuje čip prepínača antény, ktorý umožňuje prepínanie jednej antény medzi týmito pripojeniami RX a TX. Takémuto prepínaču antény možno typicky povedať, v akej polohe by mal byť, prostredníctvom vstupného kolíka, často označovaného ako RXTX. Najľahší spôsob ovládania prepínača antény je použiť pin RXTX na transceiveri SX127x. Tento kolík je automaticky nastavený na vysokú počas vysielania a nízky počas príjmu. Napríklad dosky HopeRF majú toto spojenie na svojom mieste, takže nevystavujú žiadne piny RXTX a pin môže byť v mapovaní pinov označený ako nepoužitý. Niektoré dosky odkrývajú pin prepínača antény a niekedy aj kolík SX127x RXTX. Hodnotiaca rada SX1272 napríklad nazýva prvý FEM_CTX a druhý RXTX. Opäť platí, že najjednoduchším riešením je jednoducho ich prepojiť prepojovacím káblom. Alternatívne, alebo ak pin SX127x RXTX nie je k dispozícii, je možné nakonfigurovať LMIC na ovládanie prepínača antény. Pripojte ovládací kolík prepínača antény (napr. FEM_CTX na hodnotiacej doske Semtech) k akémukoľvek pinu I/O na strane Arduino a nakonfigurujte pin použitý na mape pinov (pozri nižšie). Nie je však úplne jasné, prečo by vysielač a prijímač nemal ovládať anténu priamo.

Krok 3: 3D tlač prílohy

Keď som mal všetko pripravené a spustené, rozhodol som sa pre modul vytlačiť puzdro pre lepšie vyzerajúci dizajn.

S hotovým výrobkom v ruke bola inštalácia do diery a získanie výsledkov v reálnom čase na palubnú dosku jednoduchá. Hodnoty koncentrácie plynu v reálnom čase s indikáciou hladiny vody umožnili úradom proaktívny prístup spolu s bezpečnejším spôsobom riešenia problému.