Merilnik vodostaja v realnem času: 6 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:02

Ta navodila opisujejo, kako zgraditi poceni merilnik nivoja vode v realnem času za uporabo v izkopanih vodnjakih. Merilnik nivoja vode je zasnovan tako, da visi v izkopanem vodnjaku, enkrat na dan izmeri nivo vode in podatke prek WiFi ali mobilne povezave pošlje na spletno stran za takojšen ogled in prenos. Stroški delov za izdelavo števca so približno 200 USD za različico WiFi in 300 USD za mobilno različico. Merilnik je prikazan na sliki 1. Celotno poročilo z navodili za gradnjo, seznamom delov, nasveti za izdelavo in uporabo števca ter načinom namestitve števca v vodnjak je v priloženi datoteki (Navodila za merjenje nivoja vode.pdf). Merilniki nivoja vode so bili uporabljeni za razvoj regionalnega omrežja za spremljanje plitvih vodonosnikov v realnem času v Novi Škotski v Kanadi: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm… Navodila za izgradnjo podobnega števca, ki meri vodo temperatura, prevodnost in nivo vode so na voljo tukaj:

Merilnik nivoja vode uporablja ultrazvočni senzor za merjenje globine vode v vrtini. Tipalo je pritrjeno na napravo Internet-of-Things (IoT), ki se poveže z WiFi ali mobilnim omrežjem in pošlje podatke o nivoju vode v spletno storitev, ki jo je treba preslikati. Spletna storitev, uporabljena v tem projektu, je ThingSpeak.com, ki jo lahko brezplačno uporabljate za nekomercialne majhne projekte (manj kot 8, 200 sporočil na dan). Da bi različica merilnika WiFi delovala, mora biti v bližini omrežja WiFi. Vodnjaki za domačo vodo pogosto izpolnjujejo ta pogoj, ker se nahajajo v bližini hiše z WiFi. Merilnik ne vključuje zapisovalnika podatkov, temveč podatke o nivoju vode pošlje v ThingSpeak, kjer so shranjeni v oblaku. Če se torej pojavi težava s prenosom podatkov (npr. Med izpadom interneta), se podatki o nivoju vode za ta dan ne prenesejo in se trajno izgubijo.

Merilnik je bil zasnovan in preizkušen za izkopane vodnjake velikega premera (0,9 m z notranjim premerom) z globino plitke vode (manj kot 10 m pod površino zemlje). Lahko pa se potencialno uporabi za merjenje vodostaja v drugih situacijah, na primer pri vodnjakih za spremljanje okolja, izvrtanih vrtinah in površinskih vodnih telesih.

Zasnova števca, predstavljena tukaj, je bila spremenjena po merilniku, ki je bil izdelan za merjenje ravni vode v rezervoarju za gospodinjstvo in poročanje o nivoju vode prek Twitterja, ki ga je leta 2015 objavil Tim Ousley: https://www.instructables.com/id/Wi -Fi-Twitter-Wa…. Glavne razlike med prvotno zasnovo in zasnovo, predstavljeno tukaj, so zmožnost delovanja merilnika na baterije AA namesto z žičnim napajalnikom, možnost ogleda podatkov v grafikonu časovnih vrst namesto sporočila Twitter in uporaba ultrazvočnega senzorja, ki je posebej zasnovan za merjenje vodostaja.

Navodila po korakih za izdelavo vodomera so podana spodaj. Priporočljivo je, da graditelj pred začetkom gradnje števca prebere vse korake gradnje. Naprava IoT, uporabljena v tem projektu, je foton iz delcev, zato se v naslednjih razdelkih izraza "naprava IoT" in "Photon" uporabljata zamenljivo.

Zaloge

Elektronski deli:

Senzor - MaxBotix MB7389 (domet 5 m)

Naprava IoT - Foton delcev z glavami

Antena (notranja antena, nameščena v ohišju merilnika) - 2,4 GHz, 6dBi, priključek IPEX ali u. FL, dolg 170 mm

Baterija - 4 x AA

Žica - mostična žica s potisnimi priključki (dolžina 300 mm)

Baterije - 4 x AA

Vodovodni in strojni deli:

Cev - ABS, premer 50 mm (2 palca), dolžina 125 mm

Zgornji pokrov, ABS, 50 mm (2 palca), z navojem s tesnilom, da naredi vodotesno tesnilo

Spodnji pokrov, PVC, 50 mm (2 palca) z ¾ -palčnim navojem NPT za namestitev senzorja

2 Spojke za cevi, ABS, 50 mm (2 palca) za povezavo zgornjega in spodnjega pokrova s cevjo ABS

Vijak in 2 matici iz nerjavečega jekla (1/4 palca) za obešanje na zgornjem pokrovčku

Drugi materiali: električni trak, teflonski trak, spajkanje, silikon, lepilo za montažo ohišja

1. korak: Sestavite ohišje merilnika

Sestavite ohišje merilnika, kot je prikazano na slikah 1 in 2 zgoraj. Skupna dolžina sestavljenega števca, od konice do konice, vključno s senzorjem in očesnim vijakom, je približno 320 mm. ABS cev s premerom 50 mm, uporabljena za izdelavo ohišja merilnika, je treba razrezati na približno 125 mm v dolžino. To omogoča dovolj prostora v notranjosti ohišja za namestitev naprave IoT, baterije in 170 mm dolge notranje antene.

Zatesnite vse spoje s silikonom ali ABS lepilom, da bo ohišje vodotesno. To je zelo pomembno, sicer lahko v notranjost ohišja pride vlaga in uniči notranje komponente. V ohišje lahko vstavite majhen paket sušilnega sredstva, ki absorbira vlago.

V zgornji pokrovček namestite očesni vijak, tako da izvrtate luknjo in vstavite ušesni vijak in matico. Za pritrditev ušesa je treba na notranji in zunanji strani ohišja uporabiti matico. Silicirajte notranjost pokrovčka na luknji za vijak, da postane vodotesen.

Korak: Priključite žice na senzor

Tri žice (glej sliko 3a) je treba spajkati na senzor, da jih pritrdimo na foton (tj. Zatiči senzorjev GND, V+in pin 2). Spajkanje žic na senzor je lahko zahtevno, ker so priključne luknje na senzorju majhne in blizu skupaj. Zelo pomembno je, da so žice pravilno spajkane na senzor, tako da obstaja dobra, močna fizična in električna povezava ter med sosednjimi žicami ni spajkalnih lokov. Dobra osvetlitev in povečevalna leča pomagata pri postopku spajkanja. Tistim, ki nimajo predhodnih izkušenj s spajkanjem, je priporočljivo nekaj spajkanja spajkati pred spajkanjem žic na senzor. Spletna vadnica o spajkanju je na voljo na spletnem mestu SparkFun Electronics (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…).

Ko so žice spajkane na senzor, lahko odvečno golo žico, ki štrli iz senzorja, odrežete z rezalniki žice na približno 2 mm dolžine. Priporočljivo je, da so spajkalni spoji pokriti z debelo silicijevo kroglico. To daje priključkom večjo trdnost in zmanjša možnost korozije in električnih težav na priključkih senzorja, če vlaga pride v ohišje števca. Električni trak lahko ovijete tudi okoli treh žic na priključku senzorja, da zagotovite dodatno zaščito in razbremenitev napetosti, kar zmanjša možnost zloma žic na spajkalnih sklepih.

Žice senzorja imajo lahko na enem koncu priključke tipa push-on (glej sliko 3b) za pritrditev na Photon. Uporaba potisnih priključkov olajša sestavljanje in razstavljanje števca. Žice senzorja morajo biti dolge najmanj 270 mm, da lahko segajo po celotni dolžini ohišja števca. Ta dolžina bo omogočila povezavo Photona z zgornjega konca ohišja s senzorjem na spodnjem koncu ohišja. Upoštevajte, da ta priporočena dolžina žice predpostavlja, da je cev ABS, uporabljena za izdelavo ohišja merilnika, razrezana na dolžino 125 mm. Pred rezanjem in spajkanjem žic na senzor se prepričajte, da je dolžina žice 270 mm dovolj, da se razteza čez zgornji del ohišja merilnika, tako da je mogoče foton priključiti, ko je ohišje sestavljeno in je senzor trajno pritrjen na Primer.

Senzor je zdaj mogoče pritrditi na ohišje merilnika. Močno ga privijte v spodnji pokrov s teflonskim trakom, da zagotovite vodotesnost.

3. korak: Senzor, baterijo in anteno priključite na napravo IoT

Senzor, baterijo in anteno pritrdite na foton (slika 4) in vse dele vstavite v ohišje merilnika. Spodaj je seznam pin priključkov, prikazan na sliki 4. Žice senzorja in akumulatorja lahko pritrdite s spajkanjem neposredno na Photon ali s priključki tipa push-on, ki se pritrdijo na zatiče glave na spodnji strani Photona (kot je prikazano na sliki 2). Uporaba potisnih priključkov olajša razstavljanje merilnika ali zamenjavo Photona, če ne uspe. Za priključitev antene na Photonu je potreben priključek tipa u. FL (slika 4) in ga je treba za povezavo zelo trdno potisniti na Photon. Baterij ne vstavljajte v baterijo, dokler merilnik ni pripravljen za preskušanje ali ga vstavite v vodnjak. V tej zasnovi ni stikala za vklop/izklop, zato se števec vklopi in izklopi z namestitvijo in odstranitvijo baterij.

Seznam zatičnih povezav na napravi IoT (foton delcev):

Fotonski zatič D3 - priključite na - Senzorski zatič 2, podatki (rjava žica)

Fotonski zatič D2 - priključite na - Senzorski zatič 6, V+ (rdeča žica)

Fotonski zatič GND - priključite na - Senzorski zatič 7, GND (črna žica)

Foton pin VIN - priključite na - Baterija, V+ (rdeča žica)

Fotonski zatič GND - priključite na - Baterija, GND (črna žica)

Photon u. FL pin - priključite se na - anteno

4. korak: Namestitev programske opreme

Za nastavitev programske opreme za števec je potrebnih pet glavnih korakov:

1. Ustvarite račun za delce, ki bo zagotavljal spletni vmesnik s Photonom. Če želite to narediti, prenesite mobilno aplikacijo Particle na pametni telefon: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. Po namestitvi aplikacije ustvarite račun Particle in sledite spletnim navodilom, da dodate Photon v račun. Upoštevajte, da je mogoče v isti račun dodati vse dodatne fotone, ne da bi morali prenesti aplikacijo Particle in znova ustvariti račun.

2. Ustvarite račun ThingSpeak https://thingspeak.com/login in nastavite nov kanal za prikaz podatkov o nivoju vode. Primer spletne strani ThingSpeak za vodomer je prikazan na sliki 5, ki si jo lahko ogledate tudi tukaj: https://thingspeak.com/channels/316660. Navodila za nastavitev kanala ThingSpeak so na voljo na naslovu https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w… Upoštevajte, da je mogoče v isti račun dodati dodatne kanale za druge fotone, ne da bi morali ustvariti nov račun ThingSpeak.

3. Za prenos podatkov o nivoju vode iz Photona v kanal ThingSpeak je potreben "webhook". Navodila za nastavitev spletnega kljuka so na voljo na naslovu https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. Če se gradi več kot en vodomer, je treba za vsak dodatni Photon ustvariti nov webhook z edinstvenim imenom.

4. Spletni kljuk, ki je bil ustvarjen v zgornjem koraku, mora biti vstavljen v kodo, ki upravlja Photon. Koda za različico merilnika nivoja vode WiFi je v priloženi datoteki (Code1_WiFi.txt). V računalniku pojdite na spletno stran Particle https://login.particle.io/login?redirect=https://… prijavite se v račun Particle in se pomaknite do vmesnika aplikacije Particle. Kopirajte kodo in jo uporabite za ustvarjanje nove aplikacije v vmesniku aplikacije Particle. V vrstico 87 kode vstavite ime zgoraj ustvarjenega spletnega kljuka. To naredite tako, da izbrišete besedilo v narekovajih in vnesete novo ime webhook v narekovaje v vrstici 87, ki se glasi tako:

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

5. Kodo je zdaj mogoče preveriti, shraniti in namestiti na Photon. Upoštevajte, da je koda shranjena v in nameščena na Photon iz oblaka. Ta koda se bo uporabljala za delovanje vodomera, ko je v vodnjaku. Med namestitvijo na terenu bo treba v kodo narediti nekaj sprememb, da nastavite pogostost poročanja enkrat na dan in dodate podatke o vodnjaku (to je opisano v priloženi datoteki Navodila za merjenje nivoja vode.pdf v razdelku z naslovom » Namestitev merilnika v vodnjak «).

5. korak: Preverite merilnik

Konstrukcija števca in nastavitev programske opreme sta zdaj zaključeni. Na tej točki je priporočljivo preskusiti merilnik. Dokončati je treba dva preskusa. Prvi test se uporablja za potrditev, da lahko merilnik pravilno meri nivo vode in podatke pošlje v ThingSpeak. Drugi preskus se uporablja za potrditev, da je poraba energije Photona v pričakovanem območju. Ta drugi test je koristen, ker baterije porabijo hitreje, kot je bilo pričakovano, če Photon porabi preveč energije.

Za namene testiranja je koda nastavljena za merjenje in poročanje o nivoju vode vsaki dve minuti. To je praktično časovno obdobje za čakanje med meritvami med preskušanjem merilnika. Če želite drugačno merilno frekvenco, spremenite spremenljivko, imenovano MeasureTime, v vrstici 16 kode na želeno merilno frekvenco. Merilna frekvenca se vnese v sekundah (tj. 120 sekund je enako dve minuti).

Prvi preskus lahko opravite v pisarni tako, da merilnik obesite nad tla, ga vklopite in preverite, ali kanal ThingSpeak natančno poroča o razdalji med senzorjem in tlemi. V tem preskusnem scenariju se ultrazvočni impulz odbije od tal, ki se uporablja za simulacijo vodne površine v vrtini.

Za drugi preskus je treba izmeriti električni tok med baterijo in fotonom, da se potrdi, da ustreza specifikacijam v podatkovnem listu Photon: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… Izkušnje so pokazale, da ta preizkus pomaga identificirati okvarjene naprave IoT, preden jih razmestijo na terenu. Izmerite tok tako, da postavite merilnik toka med pozitivno žico V+ (rdeča žica) na akumulatorju in vtič VIN na fotonu. Tok je treba meriti tako v načinu delovanja kot v načinu globokega spanja. Če želite to narediti, vklopite Photon in zagnal se bo v načinu delovanja (kot kaže LED na Photonu, ki obarva modro barvo), ki deluje približno 20 sekund. Z merilnikom toka v tem času opazujte obratovalni tok. Photon bo nato za dve minuti samodejno preklopil v način globokega spanja (kar označuje LED na Photonu, ki se izklopi). Z merilnikom toka trenutno opazujte tok globokega spanja. Delovni tok mora biti med 80 in 100 mA, tok globokega spanja pa med 80 in 100 µA. Če je tok višji od teh vrednosti, je treba Foton zamenjati.

Merilnik je zdaj pripravljen za vgradnjo v vodnjak (slika 6). Navodila za namestitev števca v vodnjak so v priloženi datoteki (Navodila za merjenje nivoja vode.pdf).

6. korak: Kako narediti celično različico merilnika

Celično različico vodomera lahko sestavite s spreminjanjem prej opisanega seznama delov, navodil in kode. Mobilna različica ne zahteva WiFi, ker se poveže z internetom prek mobilnega signala. Stroški delov za izdelavo celične različice števca znašajo približno 300 USD (brez davkov in poštnine) ter približno 4 USD na mesec za mobilno podatkovno shemo, ki je priložena mobilni IoT napravi.

Celični števec uporablja iste dele in konstrukcijske korake, navedene zgoraj, z naslednjimi spremembami:

• Zamenjajte WiFi IoT napravo (Particle Photon) za mobilno IoT napravo (Particle Electron): https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. Pri izdelavi števca uporabite iste pin -povezave, opisane zgoraj za različico merilnika WiFi v 3. koraku.

• Mobilna naprava IoT porabi več energije kot različica WiFi, zato sta priporočljiva dva vira baterij: 3,7 V Li-Po baterija, ki je priložena napravi IoT, in baterija s 4 baterijami AA. 3,7 V LiPo baterija se s priloženimi priključki pritrdi neposredno na napravo IoT. Baterija AA je pritrjena na napravo IoT na enak način, kot je opisano zgoraj za različico merilnika WiFi v koraku 3. Terensko testiranje je pokazalo, da bo mobilna različica števca delovala približno 9 mesecev z zgoraj opisano nastavitvijo baterije.. Druga možnost za uporabo baterije AA in 3,7 V Li-Po baterije 2000 mAh je uporaba ene 3,7V Li-Po baterije z večjo zmogljivostjo (npr. 4000 ali 5000 mAh).

• Na števec je treba priključiti zunanjo anteno, na primer: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. Prepričajte se, da je ocenjen za frekvenco, ki jo uporablja ponudnik mobilnih storitev, kjer bo uporabljen vodomer. Antena, ki je priložena mobilni IoT napravi, ni primerna za zunanjo uporabo. Zunanjo anteno lahko povežemo z dolgim (3 m) kablom, ki omogoča pritrditev antene na zunanjo stran vrtine pri vdolbini vrtine (slika 7). Priporočljivo je, da antenski kabel vstavite skozi dno ohišja in temeljito zatesnite s silicijem, da preprečite vdor vlage (slika 8). Priporoča se kakovosten, vodoodporen zunanji koaksialni podaljšek.

• Mobilna naprava IoT deluje na drugačni kodi kot različica merilnika WiFi. Koda za mobilno različico merilnika je v priloženi datoteki (Code2_Cellular.txt).