Smart Buoy [Resum]: 8 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:11

A tots ens agrada la platja. Com a col·lectiu, hi acudim per vacances, per practicar esports aquàtics o per guanyar-nos la vida. Però la costa és una zona dinàmica a mercè de les ones. La pujada del nivell del mar picota a les platges i els esdeveniments extrems potents, com els huracans, els delminen completament. Per entendre com salvar-los, hem d’entendre les forces que impulsen el seu canvi.

La investigació és cara, però si pogueu crear instruments barats i eficaços, podríeu generar més dades, millorant la comprensió. Aquest era el pensament del nostre projecte Smart Buoy. En aquest resum, us donem una ràpida descripció del nostre projecte i el desglossem en el disseny, la marca i la presentació de dades. Ai boia, això t'encantarà..!

Subministraments

Per a la construcció completa de Smart Buoy, necessiteu MOLTES coses. Tindrem el desglossament dels materials específics necessaris per a cada etapa de la construcció al tutorial corresponent, però aquí teniu la llista completa:

• Arduino Nano: Amazon
• Raspberry Pi Zero: Amazon
• Bateria (18650): Amazon
• Panells solars: Amazon
• Diodes de bloqueig: Amazon
• Controlador de càrrega: Amazon
• Buck Booster: Amazon
• Mòdul GPS: Amazon
• GY-86 (acceleròmetre, giroscopi, baròmetre, brúixola): Amazon
• Sensor de temperatura de l'aigua: Amazon
• Mòdul de control de potència: Amazon
• Mòdul de rellotge en temps real: Amazon
• Mòduls de ràdio: Amazon
• Mòdul de multiplexor i ^ 2c: Amazon
• Impressora 3D: Amazon
• Filament PETG: Amazon
• Epoxi - Amazon
• Pintura en aerosol imprimable: Amazon
• Corda: Amazon
• Flotadors: Amazon
• Cola: Amazon

Tot el codi utilitzat es pot trobar a

Pas 1: què fa?

Els sensors a bord de l’Smart Buoy li permeten mesurar: alçada de les ones, període d’ones, potència de les ones, temperatura de l’aigua, temperatura de l’aire, pressió de l’aire, tensió, ús actual i ubicació GPS.

En un món ideal, també hauria mesurat la direcció de les ones. Basant-nos en les mesures que va fer la Boia, vam estar a punt de trobar una solució que ens permetés calcular la direcció de l’ona. Tot i això, va resultar bastant complicat i és un problema enorme a la comunitat investigadora real. Si hi ha algú que ens pugui ajudar i suggerir una manera eficaç de mesurar la direcció de les ones, feu-nos-ho saber; ens encantaria entendre com podríem fer que funcionés. Totes les dades que recull Buoy s’envien per ràdio a una estació base, que és un Raspberry Pi. Hem creat un tauler per mostrar-los amb Vue JS.

Pas 2: construir - carcassa de boia

Aquesta boia va ser probablement la cosa més difícil que hem imprès fins ara. Hi havia tantes coses a tenir en compte ja que anava a estar al mar, exposada als elements i a molt de sol. En parlarem més endavant més endavant a la sèrie Smart Buoy.

En resum: vam imprimir una esfera gairebé buida en dues meitats. La meitat superior té ranures per als panells solars i un forat per passar una antena de ràdio. La meitat inferior té un forat per passar un sensor de temperatura i un mànec per lligar una corda.

Després d’imprimir la boia amb filament PETG, la vam polir, la vam pintar per esprai amb una imprimació de farciment i després vam posar un parell de capes d’epoxi.

Un cop acabada la preparació de la closca, vam posar tota l’electrònica a dins i vam segellar el sensor de temperatura de l’aigua, la ràdio aèria i els panells solars mitjançant una pistola de cola. Finalment, hem segellat les dues meitats amb cola / adhesiu StixAll (cola super avió).

I després esperàvem que fos impermeable …

Pas 3: Construir - Buoy Electronics

El Buoy té molts sensors a bord i els detallem al tutorial corresponent. Com que es tracta d’un resum, intentarem mantenir aquesta informació però breu.

El Buoy funciona amb una bateria 18650, que es carrega amb quatre panells solars de 5V. Tanmateix, només el rellotge en temps real s’alimenta constantment. El Buoy utilitza el pin de sortida del rellotge en temps real per controlar un transistor que permet que l’energia entri a la resta del sistema. Quan el sistema està engegat, comença obtenint mesures dels sensors, inclòs un valor de tensió del mòdul del monitor de potència. El valor que dóna el mòdul de control de potència determina quant de temps dorm el sistema abans de fer el següent conjunt de lectures. S'ha configurat una alarma per a aquest moment i el sistema s'apaga.

El sistema en si és un munt de sensors i un mòdul de ràdio connectat a un Arduino. El mòdul GY-86, el RealTimeClock (RTC), el mòdul Power Monitor i el multiplexor I2C es comuniquen amb Arduino mitjançant I2C. Necessitàvem el multiplexor I2C perquè el GY-86 i el mòdul RTC que hem utilitzat tenen la mateixa adreça. El mòdul multiplexor us permet comunicar-vos sense molèsties addicionals, tot i que pot ser una mica excessiu.

El mòdul de ràdio es comunica mitjançant SPI.

Originalment, també teníem un mòdul de targeta SD, però va causar tants maldecaps a causa de la mida de la biblioteca SD que vam decidir desfer-lo.

Mireu el codi. És probable que tingueu algunes preguntes (probablement també dubtes persistents) i estaríem encantats d’escoltar-les. Els tutorials en profunditat inclouen explicacions del codi, així que espero que ho facin una mica més clar.

Vam intentar separar lògicament els fitxers de codi i utilitzar un fitxer principal per incloure'ls, que semblava que funcionava força bé.

Pas 4: Construir - Electrònica de l'estació base

L'estació base es fa mitjançant un Raspberry Pi Zero amb un mòdul de ràdio connectat. Vam obtenir la carcassa de https://www.thingiverse.com/thing:1595429. Ets fabulós, moltes gràcies!

Un cop tingueu el codi executat a Arduino, és molt senzill obtenir les mesures al Raspberry Pi executant el codi listen_to_radio.py.

Pas 5: Tauler de control

Mostrar-vos com vam fer tot el guió seria una mica Odissea perquè era un projecte bastant llarg i complicat. Si algú vol saber com ho hem fet, feu-nos-ho saber; el desenvolupador web resident de T3ch Flicks estaria encantat de fer un tutorial sobre això.

Un cop hàgiu posat aquests fitxers a un Raspberry Pi, hauríeu de poder executar el servidor i veure el tauler amb les dades que arriben. Per motius de desenvolupament i veure com seria el tauler si el proporcionessin dades bones i regulars, hem afegit un fals generador de dades al servidor. Executeu-ho si voleu veure el seu aspecte quan tingueu més dades. També ho explicarem amb cert detall en un tutorial posterior.

(Recordeu que podeu trobar tot el codi a

Pas 6: versió 2 ?? - Problemes

Aquest projecte no és absolutament perfecte; ens agrada pensar-ho més com un prototip / prova de concepte. Tot i que el prototip funciona a un nivell fonamental: flota, pren mesures i és capaç de transmetre-les, n’hem après moltes i canviaríem per a la versió dos:

1. El nostre problema més important era no poder canviar el codi de la Buoy després d’enganxar-lo. Això era realment una mica desconegut i es podia solucionar de manera molt efectiva amb un port USB cobert amb un segell de goma. Això, però, hauria afegit una altra capa de complexitat al procés d’impermeabilització de la impressió 3D.
2. Els algoritmes que vam utilitzar eren lluny de ser perfectes. Els nostres mètodes per determinar les propietats de les ones eren bastant bruts i vam acabar dedicant molt del nostre temps a llegir matemàtiques per combinar les dades del sensor del magnetòmetre, l’acceleròmetre i el giroscopi. Si algú ho entén i està disposat a ajudar-lo, creiem que podríem fer aquestes mesures molt més precises.
3. Alguns dels sensors van actuar una mica estranyament. El sensor de temperatura de l’aigua va ser el que va destacar per ser especialment esquifit, gairebé 10 graus de la temperatura real de vegades. La raó d’això podria haver estat simplement un mal sensor, o alguna cosa ho escalfava …

Pas 7: versió 2 ?? - Millores

L’Arduino era bo, però, com s’ha esmentat abans, vam haver de desfer el mòdul de la targeta SD (que suposadament era la còpia de seguretat de dades si els missatges de ràdio no eren capaços d’enviar-los) a causa de problemes de memòria. Podríem canviar-lo per un microcontrolador més potent com un Arduino Mega o un Teensy o simplement utilitzar un altre Raspberry Pi zero. No obstant això, això hauria augmentat el cost i el consum d'energia.

El mòdul de ràdio que hem utilitzat té un abast limitat d’un parell de quilòmetres amb una línia de visió directa. No obstant això, en un hipotètic món on vam poder posar (molt) moltes boies a l’illa, podríem haver format una xarxa de malla com aquesta. Hi ha tantes possibilitats per a la transmissió de dades a llarg abast, incloses lora, grsm. Si poguéssim utilitzar-ne un, potser seria possible una xarxa de malla al voltant de l'illa.

Pas 8: utilitzar la nostra boia intel·ligent per a la investigació

Vam construir i llançar el Buoy a Granada, una petita illa al sud del Carib. Mentre érem allà fora, vam mantenir una xerrada amb el govern granadí, que va dir que una boia intel·ligent com la que vam crear seria útil per proporcionar mesures quantitatives de les característiques dels oceans. Les mesures automatitzades reduirien l’esforç humà i l’error humà i proporcionarien un context útil per entendre el canvi de costes. El govern també va suggerir que prendre mesures de vent també seria una característica útil per als seus propòsits. Ni idea de com ho gestionarem, així que si algú té alguna idea …

Una advertència important és que, tot i que és un moment realment emocionant per a la investigació costanera, en particular la tecnologia, hi ha un llarg camí per recórrer fins que es pugui adoptar completament.

Gràcies per llegir la publicació de resum de la sèrie Smart Buoy. Si encara no ho heu fet, mireu el nostre vídeo resum a YouTube.

Inscriviu-vos a la nostra llista de correu!

Part 1: Mesurament d'ona i temperatura

Part 2: ràdio GPS NRF24 i targeta SD

Part 3: Programació del poder a la boia

Part 4: Desplegament de la boia