Smart Buoy [Περίληψη]: 8 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:32

Όλοι αγαπάμε τη θάλασσα. Ως συλλογικότητα, συρρέουμε σε αυτό για διακοπές, για να απολαύσουμε θαλάσσια σπορ ή για να ζήσουμε. Αλλά η ακτή είναι μια δυναμική περιοχή στο έλεος των κυμάτων. Η άνοδος της στάθμης της θάλασσας τσιμπάει τις παραλίες και ισχυρά ακραία γεγονότα όπως οι τυφώνες τις αποδεκατίζουν εντελώς. Για να καταλάβουμε πώς να τα σώσουμε, πρέπει να κατανοήσουμε τις δυνάμεις που οδηγούν την αλλαγή τους.

Η έρευνα είναι δαπανηρή, αλλά αν μπορούσατε να δημιουργήσετε φθηνά, αποτελεσματικά μέσα, θα μπορούσατε να δημιουργήσετε περισσότερα δεδομένα - βελτιώνοντας τελικά την κατανόηση. Αυτή ήταν η σκέψη πίσω από το έργο μας Smart Buoy. Σε αυτήν τη σύνοψη, σας δίνουμε μια γρήγορη εκτίμηση του έργου μας και το αναλύουμε σε σχεδιασμό, παρουσίαση και παρουσίαση δεδομένων. Ω σημαδούρα, θα το λατρέψεις..!

Προμήθειες

Για την πλήρη κατασκευή Smart Buoy, χρειάζεστε ΠΟΛΛΑ πράγματα. Θα έχουμε την ανάλυση συγκεκριμένων υλικών που απαιτούνται για κάθε στάδιο της κατασκευής στο σχετικό σεμινάριο, αλλά εδώ είναι η πλήρης λίστα:

• Arduino Nano - Amazon
• Raspberry Pi Zero - Amazon
• Μπαταρία (18650) - Amazon
• Ηλιακά πάνελ - Amazon
• Αποκλεισμός διόδων - Amazon
• Ελεγκτής φόρτισης - Amazon
• Buck Booster - Amazon
• Ενότητα GPS - Amazon
• GY -86 (επιταχυνσιόμετρο, γυροσκόπιο, βαρόμετρο, πυξίδα) - Amazon
• Αισθητήρας θερμοκρασίας νερού - Amazon
• Ενότητα παρακολούθησης ισχύος - Amazon
• Ενότητα ρολογιού πραγματικού χρόνου - Amazon
• Ενότητες ραδιοφώνου - Amazon
• i^2c μονάδα πολυπλέκτη - Amazon
• 3D εκτυπωτής - Amazon
• Νήμα PETG - Amazon
• Epoxy - Amazon
• Primer paint spray - Amazon
• Σχοινί - Amazon
• Floats - Amazon
• Κόλλα - Amazon

Όλος ο κωδικός που χρησιμοποιείται μπορεί να βρεθεί στη διεύθυνση

Βήμα 1: Τι κάνει;

Οι αισθητήρες στο Smart Buoy το επιτρέπουν να μετρά: ύψος κύματος, περίοδος κύματος, ισχύ κύματος, θερμοκρασία νερού, θερμοκρασία αέρα, πίεση αέρα, τάση, χρήση ρεύματος και θέση GPS.

Σε έναν ιδανικό κόσμο, θα είχε επίσης μετρημένη κατεύθυνση κύματος. Με βάση τις μετρήσεις που έκανε ο σημαδούρας, ήμασταν αρκετά κοντά στην εξεύρεση μιας λύσης που θα μας επέτρεπε να υπολογίσουμε την κατεύθυνση του κύματος. Ωστόσο, αποδείχθηκε αρκετά περίπλοκο και είναι ένα τεράστιο πρόβλημα στην πραγματική ερευνητική κοινότητα. Εάν υπάρχει κάποιος εκεί έξω που μπορεί να μας βοηθήσει και να προτείνει έναν αποτελεσματικό τρόπο για να λάβουμε μετρήσεις κατεύθυνσης κύματος, ενημερώστε μας - θα θέλαμε να καταλάβουμε πώς θα μπορούσαμε να το κάνουμε να λειτουργήσει! Όλα τα δεδομένα που συλλέγει ο σημαδούρας αποστέλλονται μέσω ραδιοφώνου σε έναν σταθμό βάσης, που είναι ένα Raspberry Pi. Φτιάξαμε έναν πίνακα ελέγχου για να τα εμφανίσουμε χρησιμοποιώντας το Vue JS.

Βήμα 2: Κατασκευή - Θήκη σημαδούρας

Αυτό το Buoy ήταν ίσως το πιο δύσκολο πράγμα που έχουμε τυπώσει μέχρι τώρα. Υπήρχαν τόσα πολλά πράγματα που πρέπει να ληφθούν υπόψη, καθώς θα ήταν στη θάλασσα, εκτεθειμένα στα στοιχεία και πολύ ήλιο. Θα μιλήσουμε περισσότερο για αυτό αργότερα στη σειρά Smart Buoy.

Εν συντομία: εκτυπώσαμε μια σχεδόν κοίλη σφαίρα σε δύο μισά. Το πάνω μισό διαθέτει υποδοχές για τους ηλιακούς συλλέκτες και μια τρύπα για να περάσει μια κεραία ραδιοφώνου. Το κάτω μισό έχει μια τρύπα για να περάσει ένας αισθητήρας θερμοκρασίας και μια λαβή για να δέσει ένα σχοινί.

Αφού εκτυπώσαμε το σημαδούρα χρησιμοποιώντας νήμα PETG, το τρίψαμε, το βάψαμε με σπρέι με ένα αστάρι πλήρωσης και στη συνέχεια βάλαμε μερικές στρώσεις εποξειδικού.

Μόλις ολοκληρώθηκε η προετοιμασία του κελύφους, βάλαμε όλα τα ηλεκτρονικά μέσα και στη συνέχεια σφραγίσαμε τον αισθητήρα θερμοκρασίας νερού, τους ραδιοεραυτικούς και ηλιακούς συλλέκτες χρησιμοποιώντας ένα πιστόλι κόλλας. Τέλος, σφραγίσαμε τα δύο μισά με κόλλα/κόλλα StixAll (κόλλα σούπερ αεροπλάνου).

Και τότε ελπίζαμε ότι ήταν αδιάβροχο…

Βήμα 3: Κατασκευή - Ηλεκτρονικά σημαδούρας

Το Buoy έχει πολλούς αισθητήρες επί του σκάφους και τους αναλύουμε λεπτομερώς στο σχετικό σεμινάριο. Καθώς πρόκειται για μια περίληψη, θα προσπαθήσουμε να το κρατήσουμε ενημερωτικό, αλλά σύντομο!

Το Buoy τροφοδοτείται από μια μπαταρία 18650, η οποία φορτίζεται από τέσσερα ηλιακά πάνελ 5V. Ωστόσο, μόνο το ρολόι πραγματικού χρόνου τροφοδοτείται συνεχώς. Το Buoy χρησιμοποιεί τον πείρο εξόδου του ρολογιού σε πραγματικό χρόνο για τον έλεγχο ενός τρανζίστορ που επιτρέπει την εισροή ισχύος στο υπόλοιπο σύστημα. Όταν το σύστημα είναι ενεργοποιημένο, ξεκινά με τη λήψη μετρήσεων από τους αισθητήρες - συμπεριλαμβανομένης της τιμής τάσης από τη μονάδα παρακολούθησης ισχύος. Η τιμή που δίνεται από τη μονάδα παρακολούθησης ισχύος καθορίζει πόσο χρόνο κοιμάται το σύστημα πριν λάβει το επόμενο σύνολο μετρήσεων. Ρυθμίζεται συναγερμός για αυτό το διάστημα και μετά το σύστημα απενεργοποιείται!

Το ίδιο το σύστημα είναι πολλοί αισθητήρες και μια μονάδα ραδιοφώνου συνδεδεμένη με ένα Arduino. Η μονάδα GY-86, η RealTimeClock (RTC), η μονάδα Power Monitor και ο πολυπλέκτης I2C επικοινωνούν όλα με το Arduino χρησιμοποιώντας I2C. Χρειαζόμασταν τον πολυπλέκτη I2C, επειδή το GY-86 και η μονάδα RTC που χρησιμοποιήσαμε έχουν και την ίδια διεύθυνση. Η μονάδα πολυπλέκτη σάς επιτρέπει να επικοινωνείτε χωρίς επιπλέον ταλαιπωρία, αν και μπορεί να είναι λίγο υπερβολική.

Η μονάδα ραδιοφώνου επικοινωνεί μέσω SPI.

Αρχικά, είχαμε επίσης μια μονάδα κάρτας SD, αλλά προκάλεσε τόσο πολλούς πονοκεφάλους λόγω του μεγέθους της βιβλιοθήκης SD που αποφασίσαμε να την ακυρώσουμε.

Ρίξτε μια ματιά στον κώδικα. Είναι πιθανό να έχετε κάποιες ερωτήσεις - πιθανότατα και μεγάλες αμφιβολίες - και θα χαρούμε να τις ακούσουμε. Τα σε βάθος σεμινάρια περιλαμβάνουν επεξηγήσεις κώδικα, οπότε ελπίζουμε ότι θα το κάνουν λίγο πιο σαφές!

Προσπαθήσαμε να διαχωρίσουμε λογικά τα αρχεία κώδικα και να χρησιμοποιήσουμε ένα κύριο αρχείο για να τα συμπεριλάβουμε, το οποίο φαινόταν να λειτουργεί αρκετά καλά.

Βήμα 4: Κατασκευή - Ηλεκτρονικά σταθμού βάσης

Ο σταθμός βάσης κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας ένα Raspberry Pi Zero με μια ραδιοφωνική μονάδα προσαρτημένη. Πήραμε το περίβλημα από τη διεύθυνση https://www.thingiverse.com/thing:1595429. Είσαι υπέροχη, ευχαριστώ πολύ!

Μόλις εκτελέσετε τον κώδικα στο Arduino, είναι πολύ απλό να λάβετε τις μετρήσεις στο Raspberry Pi εκτελώντας τον κώδικα listen_to_radio.py.

Βήμα 5: Πίνακας ελέγχου

Το να σας δείξουμε πώς φτιάξαμε ολόκληρη την παύλα θα ήταν λίγο Οδύσσεια γιατί ήταν ένα αρκετά μακρύ και περίπλοκο έργο. Αν κάποιος θέλει να μάθει πώς το κάναμε, ενημερώστε μας - ο προγραμματιστής ιστού της T3ch Flicks θα χαρεί να κάνει ένα σεμινάριο για αυτό!

Μόλις τοποθετήσετε αυτά τα αρχεία σε ένα Raspberry Pi, θα πρέπει να μπορείτε να εκτελέσετε τον διακομιστή και να δείτε τον πίνακα ελέγχου με τα δεδομένα που έρχονται. Για λόγους ανάπτυξης και για να δείτε πώς θα ήταν η παύλα εάν παρέχονταν από καλά, κανονικά δεδομένα, προσθέσαμε μια ψεύτικη γεννήτρια δεδομένων στον διακομιστή. Εκτελέστε το αν θέλετε να δείτε πώς φαίνεται όταν έχετε περισσότερα δεδομένα. Θα το εξηγήσουμε επίσης λεπτομερώς σε μεταγενέστερο σεμινάριο.

(Θυμηθείτε ότι μπορείτε να βρείτε όλο τον κωδικό στη διεύθυνση

Βήμα 6: Έκδοση 2; - Προβλήματα

Αυτό το έργο δεν είναι απολύτως τέλειο - μας αρέσει να το θεωρούμε περισσότερο ως πρωτότυπο/απόδειξη της ιδέας. Αν και το πρωτότυπο λειτουργεί σε θεμελιώδες επίπεδο: επιπλέει, λαμβάνει μετρήσεις και είναι σε θέση να τις μεταδώσει, υπάρχουν πολλά που έχουμε μάθει και θα αλλάζαμε για τη δεύτερη έκδοση:

1. Το μεγαλύτερο ζήτημά μας ήταν να μην μπορούμε να αλλάξουμε τον κωδικό για το σημαδούρα αφού το κλείσαμε. Αυτό ήταν πραγματικά μια μικρή παραβίαση και θα μπορούσε να λυθεί πολύ αποτελεσματικά με μια θύρα USB καλυμμένη με ελαστική σφράγιση. Αυτό, ωστόσο, θα είχε προσθέσει ένα εντελώς άλλο επίπεδο πολυπλοκότητας στη διαδικασία στεγανοποίησης 3D εκτύπωσης!
2. Οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιήσαμε δεν ήταν καθόλου τέλειοι. Οι μέθοδοί μας για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων των κυμάτων ήταν αρκετά ακατέργαστες και καταλήξαμε να αφιερώνουμε πολύ χρόνο στο διάβασμα μαθηματικών για τον συνδυασμό των δεδομένων αισθητήρων από το μαγνητόμετρο, το επιταχυνσιόμετρο και το γυροσκόπιο. Αν κάποιος το καταλάβει αυτό και είναι πρόθυμος να βοηθήσει, πιστεύουμε ότι θα μπορούσαμε να κάνουμε αυτές τις μετρήσεις πολύ πιο ακριβείς.
3. Μερικοί από τους αισθητήρες ενήργησαν λίγο περίεργα. Ο αισθητήρας θερμοκρασίας νερού ήταν αυτός που ξεχώρισε ως ιδιαίτερα ασταθής - σχεδόν 10 μοίρες από την πραγματική θερμοκρασία μερικές φορές. Ο λόγος για αυτό θα μπορούσε να είναι απλώς ένας κακός αισθητήρας ή κάτι που τον ζεσταίνει…

Βήμα 7: Έκδοση 2; - Βελτιώσεις

Το Arduino ήταν καλό, αλλά όπως αναφέρθηκε προηγουμένως έπρεπε να αφαιρέσουμε τη μονάδα κάρτας SD (η οποία υποτίθεται ότι ήταν το αντίγραφο ασφαλείας των δεδομένων εάν τα ραδιοφωνικά μηνύματα δεν ήταν σε θέση να στείλουν) λόγω προβλημάτων μνήμης. Θα μπορούσαμε να το αλλάξουμε σε έναν πιο ισχυρό μικροελεγκτή όπως ένα Arduino Mega ή ένα Teensy ή απλά να χρησιμοποιήσουμε ένα άλλο Raspberry Pi zero. Ωστόσο, αυτό θα είχε αυξημένο κόστος και κατανάλωση ενέργειας.

Η μονάδα ραδιοφώνου που χρησιμοποιήσαμε έχει περιορισμένη εμβέλεια δύο χιλιομέτρων με άμεση οπτική επαφή. Ωστόσο, σε έναν υποθετικό κόσμο όπου μπορέσαμε να βάλουμε (πολύ) πολλούς σημαδούρες γύρω από το νησί, θα μπορούσαμε να είχαμε δημιουργήσει ένα πλέγμα όπως αυτό. Υπάρχουν τόσες πολλές δυνατότητες για μετάδοση δεδομένων μεγάλης εμβέλειας, συμπεριλαμβανομένων των lora, grsm. Αν μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε ένα από αυτά, ίσως να ήταν δυνατό ένα δίκτυο πλέγματος γύρω από το νησί!

Βήμα 8: Χρήση του Έξυπνου Φορητού μας για Έρευνα

Κατασκευάσαμε και ξεκινήσαμε το Buoy στη Γρενάδα, ένα μικρό νησί στη νότια Καραϊβική. Ενώ βρισκόμασταν εκεί έξω, είχαμε μια συνομιλία με την κυβέρνηση της Γρενάδας, η οποία είπε ότι ένα Smart Buoy όπως αυτό που δημιουργήσαμε θα ήταν χρήσιμο για την παροχή ποσοτικών μετρήσεων των χαρακτηριστικών του ωκεανού. Οι αυτοματοποιημένες μετρήσεις θα αποκόψουν κάποια ανθρώπινη προσπάθεια και ανθρώπινο λάθος και θα παρέχουν χρήσιμο πλαίσιο για την κατανόηση των μεταβαλλόμενων ακτών. Η κυβέρνηση πρότεινε επίσης ότι η λήψη μετρήσεων ανέμου θα ήταν επίσης χρήσιμο χαρακτηριστικό για τους σκοπούς τους. Δεν έχω ιδέα πώς θα το διαχειριστούμε, οπότε αν κάποιος έχει ιδέες…

Μια σημαντική προειδοποίηση είναι ότι παρόλο που είναι μια πραγματικά συναρπαστική περίοδος για την παράκτια έρευνα, ιδιαίτερα για την τεχνολογία, υπάρχει πολύς δρόμος για να υιοθετηθεί πλήρως.

Σας ευχαριστούμε που διαβάσατε την περίληψη της σειράς Smart Buoy για το blog. Εάν δεν το έχετε κάνει ήδη, ρίξτε μια ματιά στο συνοπτικό μας βίντεο στο YouTube.

Εγγραφείτε στη λίστα αλληλογραφίας μας!

Μέρος 1: Πραγματοποίηση μέτρησης κύματος και θερμοκρασίας

Μέρος 2: Ραδιόφωνο GPS NRF24 και κάρτα SD

Μέρος 3: Προγραμματισμός ισχύος στον σημαδούρα

Μέρος 4: Ανάπτυξη του σημαδούρα