Priloga sistema okoljskih senzorjev za UAV: 18 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

Namen tega navodila je opisati, kako sestaviti, pritrditi in upravljati okoljski senzorski sistem Integrirane rešitve v povezavi z brezpilotnim letalom DJI Phantom 4. Ti senzorski paketi uporabljajo dron za prevoz v potencialno nevarna okolja za ugotavljanje trenutnih ravni tveganja ogljikovega monoksida (CO), ogljikovega dioksida (CO2) in tekočega propana (LPG) v primerjavi s standardi OSHA in EPA. Pomembno je omeniti, da čeprav je senzor sevanja prikazan tudi v tem navodilu, bo deloval kot ločena enota senzorjev za plin, končni izdelek pa bo vseboval le zgoraj navedene komponente senzorja za plin.

1. korak: Zberite potrebna orodja, programsko opremo in materiale

Uporabljena orodja:

1. Arduino Software (https://www.arduino.cc/en/Main/Software)
2. Klešče
3. Namizna žaga z brusnim rezilom
4. Namizni mlinček

Uporabljeni materiali:

1. DJI Phantom 4
2. Arduino Uno
3. Zunanja baterija Jackery 3350mAh
4. Standardna deska
5. Senzor ogljikovega monoksida - MQ - 7
6. Senzor za tekoči propan - MQ - 6
7. Senzor ogljikovega dioksida CO2 - MG - 811
8. Senzor vlažnosti in temperature AK9750 Si7021
9. Žepni Geigerjev senzor sevanja - tip 5
10. Bluetooth modem - BlueSMiRF Gold
11. Trakovi za obešanje iz mehkega jekla
12. Komplet izumiteljev SparkFun
13. 3M dvostranski montažni trak

2. korak: Sestavite ožičenje senzorja in mikrokrmilnika

Dostopajte do vseh podatkovnih listov senzorjev proizvajalca izdelka, da določite vhodne in izhodne zatiče, potrebne za pravilno delovanje komponente. Za vzpostavitev učinkovite orientacije za vse komponente, ki so na voljo v paketih za plin in sevanje, je treba vsak senzor in modul priključiti ločeno, da zagotovita, da delujeta, ko sta povezana z mikrokrmilnikom pred integracijo na eno ploščo. Za zagotovitev jasnosti je postopek za izdelavo vsakega tipa osnovnega vezja in kode vsebovan v naslednjih korakih.

Korak 3: Določite vhodne in izhodne nožice za senzor ogljikovega monoksida MQ - 7

Kot je prikazano na zgornjem diagramu, bi morala imeti CO komponenta tri vhode vhodne napetosti na skrajni desni tirnici, ki so priključeni na napajanje 5V mikrokrmilnika. Pin analognega vhoda bo povezan z enim od zatičev mikrokrmilnika z oznako A0, A1, A2 itd., Medtem ko so ozemljitveni zatiči povezani z ozemljitvenimi zatiči mikrokrmilnika. Nazadnje se za povezavo spodnjega levega senzorskega zatiča z maso uporabi 10K ohmski upor. Pomembno je omeniti, da se ta pinout uporablja za senzorje CO2 in LPG, ki se uporabljajo tudi v tem sistemu.

Korak 4: Senzor v skladu s pinout priključite na vhodne in izhodne nožice mikrokrmilnika

Kot je razloženo v prejšnjih korakih, je en pin označen kot analogni vhodni pin mikrokrmilnika. V zgornji kodi, prikazani zgoraj in na voljo za prenos v naslednjem koraku, je definiran analogni pin pin A0. V skladu s to oznako priključite zgornji levi zatič na pin A0 mikrokrmilnika. Nato lahko vzpostavite skupni vhodni in ozemljitveni tir 5V tako, da skrajni levi napajalni tir (označen s simbolom "-") priključite na ozemljitveni zatič, skrajno desni tir ("+") pa na 5V pin. S tem, da na ta način povežete ploščo, lahko senzorske zatiče povežete neposredno na tirnice plošče, kar omogoča čiste povezave z mikrokrmilnikom. Ta struktura je predstavljena na zgornjih slikah osnovnega vezja.

5. korak: Prenesite osnovno kodo senzorja plina

Ko ste povezani, naložite osnovno kodo Arduino, pridobljeno s strani izdelka SparkFun (https://www.sparkfun.com/products/9403; priloženo), tako da pritisnete puščico v zgornjem levem kotu vmesnika, da preverite, ali je komponenta ožičena. v skladu s pinout.

6. korak: Odprite serijski monitor, da zagotovite delovanje

Odprite serijski monitor tako, da v zgornjem desnem kotu vmesnika izberete ikono povečevalnega stekla. S tem se odpre ločeno okno, prikazano zgoraj, kjer bo prikazan izhod senzorja, prvotno odčitavanje napetosti. Če podatki niso prikazani na serijskem monitorju, kot je prikazano, preverite, ali se funkcija analogRead sklicuje na pravilno število analognih pin, ožičenih v prejšnjih fazah tega procesa.

Korak 7: Ponovite korake 3-6 za senzorje plina na naftni plin in ogljikov dioksid

Ponovite definicijo zatičev, ožičenja senzorja in nalaganje kode, da zagotovite delovanje dodatnih senzorjev.

8. korak: žični senzor vlažnosti in temperature SparkFun Si7021 (neobvezno)

Isti splošni postopek, opisan za senzorje plina, bo izveden za senzor temperature in vlažnosti. Vendar se pinout razlikuje od senzorjev za plin in je prikazan zgoraj. Zatič VCC (drugi na desni na senzorju) bo priključen na vir napajanja mikrokontrolerja 5 ali 3,3 V, ozemljitveni zatič pa na ozemljitev mikrokrmilnika, kot je prikazano na ožičenju senzorja za plin. Namesto analognega izhodnega zatiča ta senzor vsebuje izhodne zatiče SDA in SCL, ki so odgovorni za prenos podatkov od senzorja do mikrokrmilnika za obdelavo. Ta senzor se lahko uporabi za preverjanje točnosti meritev senzorja plina v primerjavi z vrednostmi v podatkovnem listu.

9. korak: Prenesite osnovno kodo senzorja vlažnosti in temperature Si7021 SparkFun

Po zaključku ožičenja je treba priloženo vzorčno kodo (prilagojeno s https://www.sparkfun.com/products/13763) naložiti v mikrokrmilnik, da se zagotovi pravilna konstrukcija vezja. Kot je opisano s kodo senzorja za plin, z dostopom do serijskega monitorja preverite, ali komponenta oddaja temperaturo in vlago. Pomembno je omeniti, da ta osnovna koda vključuje uporabo dveh različnih knjižnic komponent SparkFun. Če se želi ta koda prevesti in naložiti v mikrokrmilnik, bo moral uporabnik te knjižnice namestiti po metodah, prikazanih v 9. koraku.

10. korak: Dodajte knjižnice Arduino Component

Izvajanje knjižnic Arduino v kodah je opredeljeno z uporabo ukaza #include, kot je prikazano na vrhu kode 8. koraka. Brez vključitve teh knjižnic se koda ne bo mogla prevesti ali naložiti v mikrokrmilnik. Za dostop do teh knjižnic in njihovo namestitev pojdite na zavihek skice, razširite možnost Vključi knjižnico in izberite Upravljanje knjižnic. Vnesite ime potrebne knjižnice (besedilo, ki se prikaže po ukazu #include), kliknite želeno možnost, izberite različico in pritisnite install.

11. korak: Geigerjev senzor sevanja z žičnimi žepi - tip 5

Kot smo že omenili, bo ta komponenta vključena ločeno od senzorjev za plin. Pri nastavitvi tega izdelka je postopek še vedno enak; priključite zatiče sestavnih delov na ustrezne izhode, kot je prikazano na zgornjem izhodu. Pin VCC priključite na vir 5V, ki se nahaja na mikrokrmilniku, in ozemljitveni zatič na ozemljitev mikrokrmilnika, kot je to storjeno s senzorji za plin. Nato priključite signalne in šumne zatiče na zatiča 2 in 5 mikrokrmilnika. Ko dokončate to nalogo, naložite osnovno kodo, prilagojeno iz radia-watch.org, prek Github-a (https://www.sparkfun.com/products/142090) in ta komponenta je pripravljena za uporabo.

12. korak: Razvijte integrirano ožičenje senzorja

Po posameznem ožičenju vsakega senzorja, da potrdite njegovo delovanje, začnite integrirati vsako ožičenje senzorja v zgoščeni obliki, tako da so vsi zgoraj opisani senzorji povezani na matično ploščo, kot je prikazano na zgornjih slikah. Skličite se na zgornjo tabelo, da pravilno priključite potrebne zatiče Arduino na ustrezne komponente, tako da spodnjih kod ni treba spreminjati pred nalaganjem. Za podporo zgoščenega formata uporabite skupno napajalno in ozemljitveno tirnico tako, da ožičite eno napajalno tirnico na 5V, drugo pa na 3.3V. Povežite dve ozemljitveni tirnici skupaj, hkrati pa zagotovite povezavo z ozemljitvenim zatičem mikrokrmilnika Arduino. Ko končate, naložite priloženo kodo za dostop do zmogljivosti senzorja plina, sestavljenih na plošči. Priložena koda Arduino bo nadzirala senzorje plina, pa tudi senzor temperature in vlažnosti ter prikazala njihove merilne podatke v delih na milijon prek serijskega monitorja. Zagotovil bo tudi razvrstitev izmerjenih podatkov glede na stopnjo nevarnosti. Senzor sevanja je lahko odvisen od časovno omejenih meritev (tj. Štetja na minuto), zato je priporočljivo, da to komponento upravljate ločeno od senzorjev za plin. V podporo tej razliki bodo senzorji CO, LPG in CO2 edine razpravljane komponente, ko bo mikrokrmilnik seznanjen z modulom Bluetooth. Pomembno pa je omeniti, da lahko za dosego enakega rezultata s senzorjem sevanja sledimo naslednjemu postopku.

Korak: Vzpostavite povezavo Bluetooth med telefonom in modulom

Ko je želeni senzorski sistem sestavljen, kodiran in zgoščen, je naslednji korak brezžična povezava uporabniške naprave s sistemom. To bo omogočilo pošiljanje odčitkov senzorjev v živo uporabniku na oddaljenosti od nevarnega območja. Povezovanje senzorskega sistema in uporabnikove naprave bo olajšano z modulom Bluetooth Arduino BlueSMiRF. Ta modul bo povezan z mobilno aplikacijo "Arduino Bluetooth Data", ki jo lahko prenesete iz trgovine Google Play. Ta vmesnik bo neposredno prikazal odčitke, pridobljene s senzorji za plin, človeško prisotnost ali senzorji sevanja, in bo dostopen do 350 čevljev ter bo uporabnika opozoril na spremembe v odčitkih senzorja, hkrati pa bo uporabniku omogočil oceno, ali so nevarne ravni okoljske nevarnosti se odkrijejo v skladu s predpisi OSHA in EPA.

Komponento je treba ožičiti posamično, kot je bilo prikazano s senzorji, za inicializacijo nastavitve komponente in oceno delovanja. S pomočjo sestavnega diagrama, prikazanega na zgornji sliki, bo komponenta ožičena z vhodom za napajanje 5V in ozemljitvenim zatičem, medtem ko bodo komponentni zatiči TX in RX povezani z dvema uporabniško določenima digitalnima zatičema. Kot prikazuje slika, je bil TX pin dodeljen drugemu digitalnemu zatiču, RX pa opredeljen kot tretji. Ko končate to nalogo, zaženite spodnjo kodo primera, da začnete namestitev komponente. Na tej točki bi morala LED dioda počasi utripati z rdečim odtenkom. Odprite serijski monitor in preklopite možnosti na dnu okna, da se v spustnih poljih glasijo »Brez konca vrstice« in »9600 baud«. Nato v ukazno polje vnesite »$$$« in pritisnite »Pošlji«. To bo sprožilo "Command Mode" v komponenti in povzročilo, da LED hitro utripa rdeče. Poleg tega bo komponenta poslala sporočilo »CMD« nazaj na serijski monitor.

Preden nadaljujete z nastavitvijo, znova preklopite spustne nastavitve serijskega monitorja, da preberete »Newline« in »9600 baud«. Pošlji ukaze "D" in "E" serijskemu monitorju za prikaz nastavitev komponente, vključno z imenom tovarne. Če se želite seznaniti z mobilnim telefonom, odprite nastavitve Bluetooth, izberite dano ime modula Bluetooth (primer ECEbluesmirf). Po tem izboru pošljite ukaz "I" za iskanje naprav, ki podpirajo Bluetooth. Prva številka bo uporabljena za sinhronizacijo obeh naprav s pošiljanjem »C, prva številka«. Ko je Bluetooth končan, sveti zeleno.

Korak 14: Povežite sistem z mobilno aplikacijo - uporabniki Android

Za dostop do podatkov senzorjev v sistemu Android prenesite mobilno aplikacijo "Arduino Bluetooth Data" iz trgovine Google Play. Odprite mobilno aplikacijo in se dotaknite imena imena modula Bluetooth na uporabniškem vmesniku, da se povežete. Ko boste pozvani, izberite aplikacijo kot sprejemnik. Prikazal se bo vmesnik, ki prikazuje podatke senzorja, modul pa bo vseboval zeleno LED. Po zaključku naložite priloženo kodo, da aktivirate senzorje in pridobite podatke o nevarnosti za okolje. Imena senzorjev je mogoče posodobiti, da se prilagodijo uporabljenim senzorjem, kot je bilo dokončano za dosego zgornjega posnetka zaslona.

Korak 15: Ustvarite podporne nosilce za pritrditev senzorskega sistema

Za sestavljanje senzorskega sistema sta za pritrditev na brezpilotni letalnik DJI Phantom 4 potrebni dve pritrdilni trakovi iz mehkega jekla in 3M dvostranski lepilni pritrdilni trak. Prvi korak je upogniti in oblikovati pasove obešalnikov iz mehkega jekla do drona. To zahteva skupno začetno dolžino pasu 23 palcev. Iz te zaloge izrežite enake trakove z namizno žago z abrazivnim rezilom. Nato zmeljemo konce, da odstranimo zareze. Rezultat postopka je prikazan na prvi od zgornjih številk. Med tem postopkom se želite izogniti rezanju vzdolž odprtih rež, da ne bi oslabili koncev traku.

Naslednji korak bo upogibanje trakov, da se prilegajo dronu. Priporočljivo je, da uporabite klešče, da upognete jeklo in položite trak na dno tirnic. Trakove na tirnicah za noge drona centrirajte in označite, kje je rob tirnic. To bo služilo kot vizualno, kje upogniti jekla. Trakove upogibajte v majhnih korakih, dokler se ne ovijejo okoli ograj in tako preprečijo drsenje.

Korak 16: Sestavite sistem na Drone

Primer montaže senzorskega sistema bo prikazan z uporabo obešalnih trakov iz mehkega jekla in lepilnega traku. Kot smo že omenili, so bili pasovi obešalnikov iz mehkega jekla upognjeni in nameščeni na dno drona, da bi ustvarili platformo za namestitev komponent. Ko je to končano, pritrdite komponente na trakove z lepilom, da so varni, vendar ne motijo normalnega delovanja brezpilotnega letala. Da bi zagotovili dovolj prostora, primer uporablja dva obešalna trakova, ki podpirata zunanjo baterijo, mikrokrmilnik in ploščo. Poleg tega so senzorji nameščeni proti zadnjem delu drona.

Korak 17: Uporaba tega sistema za oceno tveganja nevarnosti

Za določitev resnosti ravni nevarnosti, ki jih predstavlja ta sistem, se je treba sklicevati na naslednje standarde. Zelena označuje varno okolje za vse prisotne na tem območju, vijolična pa označuje najslabšo možno koncentracijo v okolju, kar vodi do smrtonosnih učinkov. Uporabljeni barvni sistem izhaja iz programa zastav za kakovost zraka EPA.

Ogljikov monoksid (OSHA)

• 0-50 PPM (zelena)
• 50-100 PPM (rumena)
• 100-150 PPM (oranžna)
• 150-200 PPM (rdeča)
• > 200 PPM (vijolično)

Tekoči propan (NCBI)

• 0-10, 000 PPM (zelena)
• 10, 000-17, 000 PPM (rumena)
• > 17 000 PPM (rdeča)

Ogljikov dioksid (Global CCS Institute)

• 0-20, 00 PPM (zelena)
• 20, 000-50, 000 PPM (rumena)
• 50, 000-100, 000 PPM (oranžno)
• 100, 000-150, 000 PPM (rdeča)
• > 150 000 PPM (vijolično)

18. korak: Uporabite sistem za zbiranje merjenih podatkov

Ko je končna montaža končana, je sistem pripravljen za delovanje. Ker je koda, ki je potrebna za omogočanje delovanja mikrokontrolerja s sistemom senzorjev, že naložena, lahko mikrokontroler povežemo z mobilno baterijo za prenos podatkov, namesto računalnika. Sistem je zdaj pripravljen za uporabo v aplikacijah za ocenjevanje nevarnosti za okolje!