Sewer'Sway: 3 Βήματα

2025 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2025-01-23 14:39

Η τρέχουσα διαδικασία καθαρισμού της αποχέτευσης είναι αντιδραστική και όχι προληπτική. Οι τηλεφωνικές κλήσεις καταγράφονται σε περίπτωση φραγμένης αποχέτευσης σε μια περιοχή. Επιπλέον, είναι δύσκολο για τους χειρωνακτικούς καθαριστές να μηδενιστούν στο σημείο του λάθους. Χρησιμοποιούν τη μέθοδο χτυπήματος και δοκιμής για να πραγματοποιήσουν τη διαδικασία καθαρισμού σε πολλά φρεάτια στην πληγείσα περιοχή, χάνοντας πολύ χρόνο. Επιπλέον, η υψηλή συγκέντρωση των τοξικών αερίων οδηγεί σε ευερεθιστότητα, πονοκεφάλους, κόπωση, λοιμώξεις των κόλπων, βρογχίτιδα, πνευμονία, απώλεια όρεξης, κακή μνήμη και ζάλη.

Η λύση είναι να σχεδιάσουμε ένα πρωτότυπο, το οποίο είναι μια μικρή συσκευή - με συντελεστή τύπου στυλό - ενσωματωμένη στο καπάκι μιας φρεατίου. Το κάτω τμήμα της συσκευής που εκτίθεται στο εσωτερικό του φρεατίου ενώ το καπάκι είναι κλειστό - αποτελείται από αισθητήρες που ανιχνεύουν το επίπεδο του νερού στο εσωτερικό του υπονόμου και τη συγκέντρωση αερίων που περιλαμβάνουν μεθάνιο, μονοξείδιο του άνθρακα, διοξείδιο του άνθρακα και οξείδια του αζώτου Το Τα δεδομένα συλλέγονται σε έναν κύριο σταθμό, ο οποίος επικοινωνεί με αυτές τις συσκευές που είναι εγκατεστημένες σε κάθε φρεάτιο μέσω LoRaWAN και στέλνει τα δεδομένα σε έναν διακομιστή cloud, ο οποίος φιλοξενεί έναν πίνακα ελέγχου για σκοπούς παρακολούθησης. Επιπλέον, αυτό γεφυρώνει το χάσμα μεταξύ των δημοτικών αρχών που είναι υπεύθυνες για τη συντήρηση αποχέτευσης και τη συλλογή απορριμμάτων. Η εγκατάσταση αυτών των συσκευών σε όλη την πόλη θα επιτρέψει μια προληπτική λύση για τον εντοπισμό και τον εντοπισμό της θέσης της βουλωμένης γραμμής αποχέτευσης πριν τα λύματα φτάσουν στην επιφάνεια.

Προμήθειες

1. Αισθητήρας υπερήχων - HC -SR04

2. Αισθητήρας αερίου - MQ -4

3. LoRa gateway - Raspberry pi 3

4. Ενότητα LoRa - Semtech SX1272

5. NodeMCU

6. Ενότητα Buzzer

7. Μπαταρία ιόντων λιθίου 500mAh, 3.7V

Βήμα 1:

Για το πρώτο πρωτότυπο, χρησιμοποίησα ένα tic-tac (κουτί με φρέσκα δυόσμο) ως περίβλημα. Η προσάρτηση αισθητήρων υπερήχων έγινε με τέτοιο τρόπο ώστε να δείχνει τα Tx και Rx προς τη ροή αποχέτευσης. Οι συνδέσεις με τον αισθητήρα υπερήχων και τον αισθητήρα αερίου είναι πολύ εύκολες. Απλώς πρέπει να τροφοδοτήσετε τους μεμονωμένους αισθητήρες και να χρησιμοποιήσετε οποιαδήποτε από τις 8 ψηφιακές ακίδες που διατίθενται στο NodeMCU για την ανάγνωση δεδομένων. Έχω σχεδιάσει τις συνδέσεις για καλύτερη κατανόηση.

Βήμα 2: Γνωριμία με το SEMTECH SX1272

Το επόμενο βήμα μας θα ήταν να εγκαταστήσουμε τις βιβλιοθήκες στο NodeMCU.

Μπορείτε να βρείτε τις βιβλιοθήκες της ενότητας Semtech LoRa σε αυτόν τον σύνδεσμο:

Για να εγκαταστήσετε αυτήν τη βιβλιοθήκη:

• Εγκαταστήστε το χρησιμοποιώντας το Arduino Library manager ("Sketch" -> "Include Library" -> "Manage Libraries…"), ή
• Κατεβάστε ένα αρχείο zip από το github χρησιμοποιώντας το κουμπί "Λήψη ZIP" και εγκαταστήστε το χρησιμοποιώντας το IDE ("Sketch" -> "Include Library" -> "Add. ZIP Library …"
• Κλωνοποιήστε αυτό το αποθετήριο git στο φάκελο sketchbook/βιβλιοθηκών σας.

Για να λειτουργήσει αυτή η βιβλιοθήκη, το Arduino (ή οποιαδήποτε πλακέτα συμβατή με το Arduino που χρησιμοποιείτε) θα πρέπει να είναι συνδεδεμένη με τον πομποδέκτη. Οι ακριβείς συνδέσεις εξαρτώνται λίγο από την πλακέτα πομποδεκτών και το Arduino που χρησιμοποιείται, οπότε αυτή η ενότητα προσπαθεί να εξηγήσει για ποιο σκοπό εξυπηρετεί κάθε σύνδεση και σε ποιες περιπτώσεις (δεν) απαιτείται.

Σημειώστε ότι η μονάδα SX1272 λειτουργεί στα 3.3V και πιθανότατα δεν της αρέσει το 5V στις καρφίτσες της (αν και το φύλλο δεδομένων δεν λέει τίποτα για αυτό και ο πομποδέκτης μου προφανώς δεν έσπασε μετά από τυχαία χρήση 5V I/O για μερικές ώρες). Για να είστε ασφαλείς, βεβαιωθείτε ότι χρησιμοποιείτε μετατροπέα στάθμης ή Arduino που λειτουργεί στα 3.3V. Ο πίνακας αξιολόγησης Semtech έχει αντιστάσεις 100 ohm σε σειρά με όλες τις γραμμές δεδομένων που μπορεί να αποτρέψουν τη ζημιά, αλλά δεν θα το υπολογίσω.

Οι πομποδέκτες SX127x χρειάζονται τάση τροφοδοσίας μεταξύ 1,8V και 3,9V. Είναι χαρακτηριστική η χρήση τροφοδοσίας 3.3V. Ορισμένες μονάδες έχουν έναν μόνο ακροδέκτη τροφοδοσίας (όπως οι μονάδες HopeRF, με ετικέτα 3.3V), αλλά άλλες εκθέτουν πολλαπλές ακίδες τροφοδοσίας για διαφορετικά μέρη (όπως ο πίνακας αξιολόγησης Semtech που διαθέτει VDD_RF, VDD_ANA και VDD_FEM), οι οποίοι μπορούν να συνδεθούν όλοι μαζί. Οποιοσδήποτε ακροδέκτες GND πρέπει να συνδεθούν με τους (τους) καρφίτσες (ες) Arduino GND.

Ο κύριος τρόπος επικοινωνίας με τον πομποδέκτη είναι μέσω SPI (Serial Peripheral Interface). Χρησιμοποιεί τέσσερις ακίδες: MOSI, MISO, SCK και SS. Τα τρία πρώτα πρέπει να συνδέονται άμεσα: έτσι MOSI με MOSI, MISO με MISO, SCK με SCK. Όπου αυτές οι καρφίτσες βρίσκονται στο Arduino σας ποικίλλει, δείτε για παράδειγμα την ενότητα "Συνδέσεις" της τεκμηρίωσης του Arduino SPI. Η σύνδεση SS (slave select) είναι λίγο πιο ευέλικτη. Από την πλευρά του SPI slave (ο πομποδέκτης), αυτός πρέπει να συνδεθεί με τον πείρο (τυπικά) με την ένδειξη NSS. Από την πλευρά του κύριου SPI (Arduino), αυτός ο πείρος μπορεί να συνδεθεί με οποιονδήποτε πείρο εισόδου/εξόδου. Τα περισσότερα Arduinos διαθέτουν επίσης μια καρφίτσα με την ένδειξη "SS", αλλά αυτό ισχύει μόνο όταν το Arduino λειτουργεί ως σκλάβος SPI, κάτι που δεν συμβαίνει εδώ. Όποια καρφίτσα και αν επιλέξετε, πρέπει να πείτε στη βιβλιοθήκη ποια καρφίτσα χρησιμοποιήσατε μέσω της αντιστοίχισης καρφιτσών (δείτε παρακάτω).

Οι ακίδες DIO (ψηφιακή είσοδος/έξοδος) στον πίνακα πομποδεκτών μπορούν να διαμορφωθούν για διάφορες λειτουργίες. Η βιβλιοθήκη LMIC τα χρησιμοποιεί για να λάβει άμεσες πληροφορίες κατάστασης από τον πομποδέκτη. Για παράδειγμα, όταν ξεκινά μια μετάδοση LoRa, ο πείρος DIO0 διαμορφώνεται ως έξοδος TxDone. Όταν ολοκληρωθεί η μετάδοση, ο πείρος DIO0 γίνεται υψηλός από τον πομποδέκτη, ο οποίος μπορεί να ανιχνευθεί από τη βιβλιοθήκη LMIC. Η βιβλιοθήκη LMIC χρειάζεται μόνο πρόσβαση σε DIO0, DIO1 και DIO2, οι υπόλοιπες ακίδες DIOx μπορούν να μείνουν αποσυνδεδεμένες. Από την πλευρά του Arduino, μπορούν να συνδεθούν με οποιονδήποτε ακροδέκτη εισόδου/εξόδου, καθώς η τρέχουσα εφαρμογή δεν χρησιμοποιεί διακοπές ή άλλες ειδικές δυνατότητες υλικού (αν και αυτό μπορεί να προστεθεί στη λειτουργία, ανατρέξτε επίσης στην ενότητα "Χρονισμός").

Στη λειτουργία LoRa, οι ακίδες DIO χρησιμοποιούνται ως εξής:

• DIO0: TxDone και RxDone
• DIO1: RxTimeoutIn

Λειτουργία FSK χρησιμοποιούνται ως εξής:

• DIO0: PayloadReady και PacketSent
• DIO2: TimeOut

Και οι δύο λειτουργίες χρειάζονται μόνο 2 ακίδες, αλλά το tranceiver δεν επιτρέπει τη χαρτογράφησή τους με τέτοιο τρόπο ώστε όλες οι αναγκαίες διακοπές να διακόπτουν το χάρτη στις ίδιες 2 ακίδες. Έτσι, εάν χρησιμοποιούνται και οι δύο λειτουργίες LoRa και FSK, πρέπει να συνδεθούν και οι τρεις ακίδες. Οι καρφίτσες που χρησιμοποιούνται στην πλευρά του Arduino θα πρέπει να διαμορφωθούν στη χαρτογράφηση των καρφιτσών στο σκίτσο σας (δείτε παρακάτω). Επαναφορά Ο πομποδέκτης έχει έναν ακροδέκτη επαναφοράς που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ρητή επαναφορά του. Η βιβλιοθήκη LMIC το χρησιμοποιεί για να διασφαλίσει ότι το τσιπ είναι σε συνεπή κατάσταση κατά την εκκίνηση. Στην πράξη, αυτός ο πείρος μπορεί να μείνει αποσυνδεδεμένος, καθώς ο πομποδέκτης θα είναι ήδη σε λογική κατάσταση κατά την ενεργοποίηση, αλλά η σύνδεση του μπορεί να αποτρέψει προβλήματα σε ορισμένες περιπτώσεις. Από την πλευρά του Arduino, μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιαδήποτε ακίδα εισόδου/εξόδου. Ο αριθμός καρφιτσών που χρησιμοποιείται πρέπει να διαμορφωθεί στη χαρτογράφηση καρφιτσών (δείτε παρακάτω).

Ο πομποδέκτης περιέχει δύο ξεχωριστές συνδέσεις κεραίας: Μία για RX και μία για TX. Ένας τυπικός πίνακας πομποδεκτών περιέχει ένα τσιπ διακόπτη κεραίας, το οποίο επιτρέπει την εναλλαγή μίας κεραίας μεταξύ αυτών των συνδέσεων RX και TX. Ένας τέτοιος εναλλάκτης κεραίας μπορεί συνήθως να ειπωθεί σε ποια θέση πρέπει να βρίσκεται μέσω ενός πείρου εισόδου, που συχνά φέρει την ένδειξη RXTX. Ο ευκολότερος τρόπος ελέγχου του διακόπτη κεραίας είναι η χρήση του πείρου RXTX στον πομποδέκτη SX127x. Αυτός ο πείρος ρυθμίζεται αυτόματα υψηλά κατά τη διάρκεια του TX και χαμηλά κατά τη διάρκεια του RX. Για παράδειγμα, οι πίνακες HopeRF φαίνεται να έχουν αυτήν τη σύνδεση στη θέση τους, επομένως δεν εκθέτουν ακίδες RXTX και ο πείρος μπορεί να επισημανθεί ως αχρησιμοποίητος στην αντιστοίχιση καρφιτσών. Μερικοί πίνακες εκθέτουν τον πείρο εναλλαγής κεραίας και μερικές φορές επίσης τον πείρο SX127x RXTX. Για παράδειγμα, ο πίνακας αξιολόγησης SX1272 καλεί το πρώην FEM_CTX και το δεύτερο RXTX. Και πάλι, η απλή σύνδεση αυτών με ένα καλώδιο άλματος είναι η ευκολότερη λύση. Εναλλακτικά, ή εάν ο πείρος SX127x RXTX δεν είναι διαθέσιμος, το LMIC μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να ελέγχει τον διακόπτη κεραίας. Συνδέστε τον πείρο ελέγχου του διακόπτη κεραίας (π.χ. FEM_CTX στον πίνακα αξιολόγησης Semtech) σε οποιονδήποτε πείρο εισόδου/εξόδου στην πλευρά του Arduino και διαμορφώστε τον πείρο που χρησιμοποιείται στον χάρτη καρφιτσών (δείτε παρακάτω). Δεν είναι απολύτως σαφές γιατί δεν θα ήθελε ο πομποδέκτης να ελέγχει άμεσα την κεραία.

Βήμα 3: Τρισδιάστατη εκτύπωση ενός περιβλήματος

Μόλις τα είχα όλα σε λειτουργία, αποφάσισα να εκτυπώσω 3D μια θήκη για τη μονάδα για ένα καλύτερο σχέδιο.

Με το τελικό προϊόν στο χέρι, η εγκατάσταση στην τρύπα του ανθρώπου και η λήψη αποτελεσμάτων σε πραγματικό χρόνο σε ένα ταμπλό ήταν εύκολη. Οι τιμές συγκέντρωσης αερίου σε πραγματικό χρόνο με την ένδειξη στάθμης του νερού επέτρεψαν στις αρχές μια προληπτική προσέγγιση μαζί με έναν ασφαλέστερο τρόπο αντιμετώπισης του προβλήματος.