Mesurador de nivell d’aigua de pou en temps real: 6 passos (amb imatges)

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

Aquestes instruccions descriuen com construir un mesurador de nivell d’aigua en temps real de baix cost per utilitzar-lo en pous excavats. El mesurador de nivell d’aigua està dissenyat per penjar-se dins d’un pou excavat, mesurar el nivell de l’aigua un cop al dia i enviar les dades per WiFi o connexió mòbil a una pàgina web per a la seva visualització i descàrrega immediata. El cost de les peces per construir el comptador és aproximadament de 200 dòlars canals per a la versió WiFi i de 300 dòlars per a la versió mòbil. El comptador es mostra a la figura 1. Al fitxer adjunt es proporciona un informe complet amb instruccions de construcció, llista de peces, consells per construir i operar el comptador i com instal·lar-lo en un pou d’aigua (Water Level Meter Instructions.pdf).. Els comptadors del nivell de l'aigua s'han utilitzat per desenvolupar una xarxa regional de control d'aqüífers superficials en temps real a Nova Escòcia, Canadà: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm… Instruccions per construir un comptador similar que mesuri l'aigua la temperatura, la conductivitat i els nivells d’aigua estan disponibles aquí:

El mesurador de nivell d’aigua utilitza un sensor d’ultrasons per mesurar la profunditat de l’aigua del pou. El sensor està connectat a un dispositiu Internet-of-Things (IoT) que es connecta a una xarxa Wi-Fi o mòbil i envia les dades del nivell de l’aigua a un servei web perquè es mostri gràficament. El servei web utilitzat en aquest projecte és ThingSpeak.com, que és gratuït per a projectes petits no comercials (menys de 8, 200 missatges / dia). Per tal que la versió WiFi del comptador funcioni, s’ha de situar a prop d’una xarxa WiFi. Els pous d’aigua domèstica solen complir aquesta condició perquè es troben a prop d’una casa amb WiFi. El comptador no inclou un registrador de dades, sinó que envia les dades del nivell de l'aigua a ThingSpeak on s'emmagatzema al núvol. Per tant, si hi ha un problema de transmissió de dades (per exemple, durant una interrupció d’Internet), les dades sobre el nivell d’aigua d’aquest dia no es transmeten i es perden definitivament.

El mesurador va ser dissenyat i provat per detectar pous de gran diàmetre (0,9 m de diàmetre interior) excavats amb profunditats d’aigua poc profundes (menys de 10 m sota la superfície del sòl). Tot i això, es podria utilitzar potencialment per mesurar els nivells d’aigua en altres situacions, com ara pous de vigilància ambiental, pous perforats i masses d’aigua superficials.

El disseny del mesurador presentat aquí es va modificar després d’un mesurador que es va fer per mesurar els nivells d’aigua en un dipòsit d’aigua domèstic i informar del nivell de l’aigua a través de Twitter, publicat per Tim Ousley el 2015: https://www.instructables.com/id/Wi -Fi-Twitter-Wa…. Les principals diferències entre el disseny original i el disseny presentat aquí són la possibilitat d’utilitzar el comptador amb bateries AA en lloc d’un adaptador de corrent per cable, la possibilitat de visualitzar les dades en un gràfic de sèries temporals en lloc d’un missatge de Twitter i l’ús d’un sensor d’ultrasons dissenyat específicament per mesurar els nivells d’aigua.

A continuació es proporcionen instruccions pas a pas per construir el comptador de nivell d’aigua. Es recomana que el constructor llegeixi tots els passos de la construcció abans d’iniciar el procés de construcció del comptador. El dispositiu IoT utilitzat en aquest projecte és un fotó de partícules i, per tant, a les seccions següents s’utilitzen indistintament els termes “dispositiu IoT” i “fotó”.

Subministraments

Parts electròniques:

Sensor: MaxBotix MB7389 (abast de 5 m)

Dispositiu IoT: fotó de partícules amb capçaleres

Antena (antena interna instal·lada a la caixa del mesurador): 2,4 GHz, 6 dBi, connector IPEX o u. FL, 170 mm de llarg

Bateria: 4 X AA

Fil: cable de pont amb connectors de pressió (longitud de 300 mm)

Bateries: 4 X AA

Components de fontaneria i maquinari:

Tub: ABS, 50 mm (2 polzades) de diàmetre, 125 mm de llarg

Tapa superior, ABS, 50 mm (2 polzades), roscada amb junta per fer un segell hermètic

Tapa inferior, PVC, 50 mm (2 polzades) amb rosca NPT femella de ¾ polzades per adaptar-se al sensor

2 acoblaments de canonades, ABS, de 50 mm (2 polzades) per connectar la tapa superior i inferior a la canonada ABS

Cargol d'ull i 2 femelles d'acer inoxidable (1/4 de polzada) per fer penjador a la tapa superior

Altres materials: cinta elèctrica, cinta de tefló, soldadura, silicona, cola per muntar caixa

Pas 1: munteu la caixa del mesurador

Munteu la caixa del mesurador tal com es mostra a les figures 1 i 2 anteriors. La longitud total del comptador muntat, punta a punta, inclòs el sensor i el pern d'ull, és d'aproximadament 320 mm. La canonada ABS de 50 mm de diàmetre que s’utilitza per fer la caixa del mesurador s’ha de tallar a una longitud aproximada de 125 mm. Això permet que hi hagi prou espai dins de la caixa per allotjar el dispositiu IoT, la bateria i una antena interna de 170 mm de longitud.

Segelleu totes les juntes amb cola de silici o ABS per fer l’estanca de la caixa. Això és molt important, en cas contrari, la humitat pot entrar a la caixa i destruir els components interns. Es pot col·locar un petit paquet dessecant dins de la caixa per absorbir la humitat.

Instal·leu un cargol a la tapa superior mitjançant un forat i introduïu el cargol i la femella. S'ha d'utilitzar una femella tant a l'interior com a l'exterior de la caixa per assegurar el pern de l'ull. Feu silicona a l'interior de la tapa al forat del cargol per fer-la estanca.

Pas 2: connecteu els cables al sensor

S’han de soldar tres cables (vegeu la figura 3a) al sensor per connectar-lo al fotó (és a dir, els pins GND, V + i el pin 2 del sensor). Soldar els cables al sensor pot ser un repte perquè els forats de connexió del sensor són petits i estan junts. És molt important que els cables estiguin soldats correctament al sensor, de manera que hi hagi una bona connexió física i elèctrica i no hi hagi arcs de soldadura entre els cables adjacents. Una bona il·luminació i una lupa ajuden al procés de soldadura. Per a aquells que no tenen experiència prèvia de soldadura, es recomana practicar la soldadura abans de soldar els cables al sensor. Un tutorial en línia sobre com soldar està disponible a SparkFun Electronics (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…).

Després de soldar els cables al sensor, qualsevol excés de fil nu que surti del sensor es pot retallar amb talladors de cables de 2 mm aproximadament de longitud. Es recomana que les juntes de soldadura estiguin cobertes amb un gruixut de silici. Això proporciona a les connexions més força i redueix la possibilitat de corrosió i problemes elèctrics a les connexions del sensor si la humitat entra a la caixa del mesurador. La cinta elèctrica també es pot embolicar al voltant dels tres cables a la connexió del sensor per proporcionar protecció addicional i alleujar la tensió, reduint la possibilitat que els cables es trenquin a les juntes de soldadura.

Els cables del sensor poden tenir connectors tipus push-on (vegeu la figura 3b) a un extrem per connectar-los al fotó. L’ús de connectors push-on facilita el muntatge i desmuntatge del mesurador. Els cables del sensor han de tenir una longitud mínima de 270 mm per poder estendre tota la longitud de la caixa del mesurador. Aquesta longitud permetrà connectar el fotó des de l’extrem superior de la caixa amb el sensor situat al final de la caixa. Tingueu en compte que aquesta longitud de fil recomanada suposa que el tub ABS utilitzat per fer la caixa del mesurador es talla a una longitud de 125 mm. Confirmeu abans de tallar i soldar els cables al sensor que una longitud de filferro de 270 mm és suficient per estendre’s més enllà de la part superior de la caixa del mesurador de manera que el fotó es pugui connectar després de muntar la caixa i que el sensor estigui fixat permanentment a el cas.

Ara el sensor es pot connectar a la caixa del mesurador. S'ha de cargolar fermament a la tapa inferior, mitjançant cinta de tefló per assegurar un tancament estanc.

Pas 3: connecteu el sensor, el paquet de bateries i l'antena al dispositiu IoT

Connecteu el sensor, el paquet de bateries i l'antena al fotó (figura 4) i introduïu totes les parts a la caixa del mesurador. A continuació es proporciona una llista de les connexions de pins indicades a la figura 4. Els cables del sensor i de la bateria es poden connectar soldant directament al fotó o mitjançant connectors tipus push-on que s’uneixen als passadors de capçalera de la part inferior del fotó (tal com es veu a la figura 2). L’ús de connectors push-on facilita el desmuntatge del mesurador o la substitució del fotó si falla. La connexió d’antena del fotó requereix un connector tipus U. FL (Figura 4) i s’ha d’empènyer fermament al fotó per fer la connexió. No instal·leu les bateries a la bateria fins que el mesurador no estigui llest per ser provat o instal·lat en un pou. No hi ha cap interruptor d’encès / apagat inclòs en aquest disseny, de manera que el mesurador s’encén i apaga instal·lant i traient les bateries.

Llista de connexions de pins al dispositiu IoT (Particle Photon):

Pin de fotó D3: connectar-se a: Pin del sensor 2, dades (fil marró)

Pin de fotó D2: connectar-se a: Pin del sensor 6, V + (fil vermell)

Pin de fotó GND: connectar-se a: Pin del sensor 7, GND (fil negre)

Pin de fotó VIN - connectar-se a - Bateria, V + (fil vermell)

Pin de fotó GND: connectar-se a: bateria, GND (fil negre)

Photon u. FL pin - connect to - Antena

Pas 4: Configuració del programari

Es necessiten cinc passos principals per configurar el programari per al comptador:

1. Creeu un compte de Particle que proporcionarà una interfície en línia amb el fotó. Per fer-ho, descarregueu l'aplicació mòbil Particle a un telèfon intel·ligent: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. Després d'instal·lar l'aplicació, creeu un compte de Particle i seguiu les instruccions en línia per afegir el fotó al compte. Tingueu en compte que es poden afegir fotons addicionals al mateix compte sense necessitat de descarregar l'aplicació Particle i crear-ne un de nou.

2. Creeu un compte de ThingSpeak https://thingspeak.com/login i configureu un canal nou per mostrar les dades del nivell de l'aigua. A la figura 5 es mostra un exemple de pàgina web ThingSpeak per a un comptador d’aigua, que també es pot veure aquí: https://thingspeak.com/channels/316660. Les instruccions per configurar un canal ThingSpeak es proporcionen a https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. Tingueu en compte que es poden afegir canals addicionals per a altres fotons al mateix compte sense la necessitat de crear un altre compte ThingSpeak..

3. Es requereix un "webhook" per passar les dades del nivell de l'aigua del fotó al canal ThingSpeak. Les instruccions per configurar un webhook es proporcionen a https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. Si es construeix més d’un comptador d’aigua, s’ha de crear un nou webhook amb un nom únic per a cada fotó addicional.

4. El webhook que es va crear al pas anterior s'ha d'inserir al codi que opera el fotó. El codi de la versió WiFi del mesurador de nivell d’aigua es proporciona al fitxer adjunt (Code1_WiFi.txt). En un ordinador, aneu a la pàgina web de Particle https://login.particle.io/login?redirect=https://… accediu al compte de Particle i aneu a la interfície de l'aplicació Particle. Copieu el codi i utilitzeu-lo per crear una aplicació nova a la interfície de l'aplicació Particle. Inseriu el nom del webhook creat a la línia 87 del codi. Per fer-ho, suprimiu el text de les cometes i inseriu el nou nom del webhook dins de les cometes de la línia 87, que diu el següent:

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

5. Ara es pot verificar, desar i instal·lar el codi al fotó. Tingueu en compte que el codi s’emmagatzema i s’instal·la al fotó des del núvol. Aquest codi s’utilitzarà per fer funcionar el comptador d’aigua quan es troba al pou d’aigua. Durant la instal·lació de camp, caldrà fer alguns canvis al codi per establir la freqüència d’informació un cop al dia i afegir informació sobre el pou d’aigua (es descriu al fitxer adjunt Instruccions del comptador de nivell d’aigua.pdf a la secció titulada “Instal·lació del comptador en un pou d’aigua”).

Pas 5: proveu el mesurador

La construcció del comptador i la configuració del programari ja s’han completat. En aquest punt es recomana provar el mesurador. S'han de completar dues proves. La primera prova s’utilitza per confirmar que el comptador pot mesurar correctament els nivells d’aigua i enviar les dades a ThingSpeak. La segona prova s'utilitza per confirmar que el consum d'energia del fotó està dins del rang esperat. Aquesta segona prova és útil perquè les bateries fallaran abans del previst si el fotó consumeix massa energia.

A efectes de proves, el codi està configurat per mesurar i informar dels nivells d’aigua cada dos minuts. Aquest és un període de temps pràctic per esperar entre mesures mentre es prova el mesurador. Si es desitja una freqüència de mesura diferent, canvieu la variable anomenada MeasureTime a la línia 16 del codi per la freqüència de mesura desitjada. La freqüència de mesura s’introdueix en segons (és a dir, 120 segons equivalen a dos minuts).

La primera prova es pot fer a l'oficina penjant el comptador per sobre del terra, engegant-lo i comprovant que el canal ThingSpeak informa amb exactitud la distància entre el sensor i el terra. En aquest escenari de proves, el pols d'ultrasons es reflecteix al terra, que s'utilitza per simular la superfície de l'aigua al pou.

Per a la segona prova, s’ha de mesurar el corrent elèctric entre la bateria i el fotó per confirmar que coincideix amb les especificacions del full de dades del fotó: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… L’experiència ha demostrat que aquesta prova ajuda a identificar els dispositius IoT defectuosos abans de desplegar-los al camp. Mesureu el corrent col·locant un mesurador de corrent entre el cable positiu V + (fil vermell) de la bateria i el pin VIN del fotó. El corrent s’ha de mesurar tant en mode de funcionament com en mode de repòs profund. Per fer-ho, enceneu el fotó i s'iniciarà en mode de funcionament (tal com indica el LED del fotó amb un color cian), que funciona durant aproximadament 20 segons. Utilitzeu el comptador de corrent per observar el corrent de funcionament durant aquest temps. El fotó passarà automàticament al mode de repòs profund durant dos minuts (tal com indica el LED del fotó apagat). Utilitzeu el comptador actual per observar el corrent de son profund en aquest moment. El corrent de funcionament hauria d’estar entre 80 i 100 mA i el de son profund hauria d’estar entre 80 i 100 µA. Si el corrent és superior a aquests valors, s'hauria de substituir el fotó.

El comptador ja està a punt per instal·lar-se en un pou d’aigua (Figura 6). Al fitxer adjunt es proporcionen instruccions sobre com instal·lar el comptador en un pou d’aigua (Instruccions del comptador de nivell d’aigua.pdf).

Pas 6: Com fer una versió mòbil del comptador

Es pot construir una versió cel·lular del comptador d’aigua fent modificacions a la llista de parts, instruccions i codi descrites prèviament. La versió mòbil no requereix WiFi perquè es connecta a Internet mitjançant un senyal mòbil. El cost de les peces per construir la versió mòbil del comptador és d’aproximadament 300 dòlars canals (impostos i despeses d’enviament exclosos), més aproximadament 4 dòlars al mes per al pla de dades mòbils que s’inclou amb el dispositiu IoT mòbil.

El mesurador cel·lular utilitza les mateixes parts i passos de construcció que s’enumeren anteriorment amb les modificacions següents:

• Substituïu el dispositiu IoT WiFi (Particle Photon) per un dispositiu IoT mòbil (Particle Electron): https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. En construir el comptador, utilitzeu les mateixes connexions de pin descrites anteriorment per a la versió WiFi del comptador al pas 3.

• El dispositiu IoT mòbil consumeix més energia que la versió WiFi i, per tant, es recomanen dues fonts de bateria: una bateria Li-Po de 3,7 V, que inclou el dispositiu IoT, i un paquet de bateries amb 4 bateries AA. La bateria LiPo de 3,7 V es connecta directament al dispositiu IoT amb els connectors proporcionats. El paquet de bateries AA està connectat al dispositiu IoT de la mateixa manera que es descriu anteriorment per a la versió WiFi del comptador al pas 3. Les proves de camp han demostrat que la versió cel·lular del comptador funcionarà aproximadament durant 9 mesos mitjançant la configuració de la bateria descrita anteriorment.. Una alternativa a l’ús tant de la bateria AA com de la bateria Li-Po de 3,7 V de 2000 mAh és utilitzar una bateria Li-Po de 3,7 V amb una capacitat més alta (per exemple, 4000 o 5000 mAh).

• Cal connectar una antena externa al comptador, com ara: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. Assegureu-vos que estigui classificat per a la freqüència utilitzada pel proveïdor de serveis mòbils on s’utilitzarà el comptador d’aigua. L'antena que ve amb el dispositiu IoT mòbil no és adequada per a ús a l'aire lliure. L'antena externa es pot connectar amb un cable llarg (3 m) que permet connectar l'antena a l'exterior del pou al cap del pou (Figura 7). Es recomana inserir el cable de l'antena per la part inferior de la caixa i tancar-lo completament amb silici per evitar l'entrada d'humitat (Figura 8). Es recomana un cable d’extensió coaxial a l’aire lliure, impermeable i de bona qualitat.

• El dispositiu IoT mòbil funciona amb un codi diferent de la versió WiFi del comptador. El codi de la versió mòbil del comptador es proporciona al fitxer adjunt (Code2_Cellular.txt).