WetRuler: mesura de l'alçada de l'oceà: 8 passos (amb imatges)

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

L'anunci es va produir a principis d'aquest estiu que la zona anomenada Prince William Sound, a Alaska, seria inesperadament afectada per un tsunami iniciat per l'escalfament global. Els científics que van fer el descobriment van assenyalar una zona de gel que es retirava ràpidament i que havia deixat enrere una muntanya de deixalles que es lliscaria en un fiord i iniciaria una ona de 30 peus que acabaria impactant a la ciutat de Whittier. Això ha passat abans, durant el terratrèmol de 1964, quan la tremolor va provocar múltiples tsunamis als fiords dels voltants i va devastar la costa, inclosos Whittier i Valdez, amb diverses morts. Els vaixells de creuers que ja estaven desconfiats del virus van decidir no acostar-se a la zona i la USFS va oferir reemborsaments a les cabines llogades. Una setmana després, un avís de tsunami va colpejar tots els nostres telèfons mòbils. Una balisa submarina havia detectat una ona associada a un petit terratrèmol a la costa. Es va dir a totes les ciutats regionals que evacuessin si es trobaven a prop de l'aigua. Va quedar en res. Com es mesuren aquests esdeveniments? Aquest document instructiu detalla la construcció de petits sensors capaços de mesurar l’alçada de l’oceà i enviar les dades a un receptor LORA o directament a GSM. Les unitats són compactes i semblen resistents al seu entorn i funcionen amb energia solar. Els he provat aquí per aconseguir altures de marees reproduïbles, però també es podrien utilitzar per a prediccions d'alçada d'ona i tsunami.

Pas 1: reuniu els vostres materials

He construït dues unitats d’enviament: una consisteix en la càrrega GSM (telèfon mòbil) i l’altra càrrega LORA. També podeu considerar la possibilitat de connectar-vos amb una balisa Sat, ja que moltes d’aquestes zones no tenen cobertura de mòbil. El sensor al centre d’aquests instruments és el MS5803-14BA i el seu ús i muntatge en diferents escenaris es pot trobar en aquests llocs web: https://thecavepearlproject.org/2016/09/21/field-… i http: / /owhl.org. El segon d'ells mostra un registrador remot de disseny brillant amb el seu propi PCB dissenyat a mida per mesurar a llarg termini l'alçada de les ones. Els sensors semblaven ser tolerants a l'aigua durant mesos a un any, segons la configuració.

1. MS5803-14BA: podeu obtenir-los de DigiKey per 13 dòlars, però heu de fer una mica de soldadura superficial o obtenir un tauler de ruptura prefabricat de SparkFun, però us retornarà 60 dòlars. Si el feu de bricolatge, necessitareu una petita placa Adafruit per soldar-la i un gel de soldadura a baixa temperatura (140F) que em va semblar útil. El cavepearlproject té un fantàstic tutorial sobre com soldar-los manualment; suggereixo aconseguir una estació de reelaboració barata d’Amazon per 30 dòlars.

2. LILYGO 2pcs TTGO LORA32 868 / 915Mhz ESP32 LoRa - 27 $, són per a la caixa LORA.

3. ARDUINO MKR GSM 1400 $ 55: aquest és un gran tauler. Funciona perfectament amb el simulador Hologram. Malauradament, no he pogut aconseguir que el seu Arduino Sim funcioni amb el seu nou servei malgrat diversos intents. Si encara teniu accés al servei de 2GM, podeu anar amb alguna cosa més barat, però que va fallar totalment a Alaska.

4. Cèl·lules solars Uxcell 2Pcs 6V 180mA Poly Mini Solar Cell Panel Panel DIY DIY for Light Toys Charger 133mm x 73mm

5. 18650 Bateria 4 $

6. TP4056: carregador de 1 $

7. Activa / desactiva l'interruptor robust de metall amb anell LED verd - 16 mm d'encès / apagat verd 5 $

8. Icstation 1S 3.7V Indicador de tensió de la bateria de ions de liti 4 seccions Pantalla LED blava 2 $

9. Adafruit TPL5111 Low Power Timer Breakout: petit dispositiu de cronometratge brillant de 6,00 $

10. MOSFET d'alimentació de canal N: 30V / 60A 1,75 USD

11. Mòdul diferencial extensor de cable llarg I2C PCA9600 de SandboxElectronics X2 (18 dòlars cadascun): hi ha alguns èxits esmentats amb cables llargs per a I2C a la literatura, però amb marees diàries de 25 peus a Alaska necessiteu cables llargs … oh, sí, algun cable.. Vaig fer servir una caixa gran de 23 g de 4 cables de parell trenat adequat per a fora.

12. Adafruit BMP388: pressió baromètrica i altímetre de precisió 10 dòlars

Pas 2: creeu els sensors

Els sensors s'han de soldar superficialment amb petits PCB. Els dos treballs anteriors us donen algunes pistes sobre com fer-ho. Vaig comprar els sensors i les petites taules de Digikey. Utilitzeu la soldadura a baixa temperatura d’Adafruit i col·loqueu la quantitat més petita adjacent als peus del sensor mentre el col·loqueu al tauler. Utilitzeu un bufador de reelaboració per fondre-lo al seu lloc. No he aconseguit fer-ho bé amb la configuració de soldadura manual i he acabat en curtes algunes de les pastilles. La resta del cablejat si comproveu els cables correctament és fàcil: posar un condensador petit (0,1n) entre els cables d'alimentació i terra i elevar els cables CS i PSB Hi per iniciar I2C i controlar l'adreça del sensor. (Veure dibuix) Teniu dues opcions 0 X 76 Hola i 0 X 77 per Lo. Els he utilitzat per formar una vareta de sensors amb els sensors situats a un peu de distància per donar la diferencial de pressió de qualsevol mesura. Vaig dissenyar una carcassa impresa en 3D per al sensor per permetre que estigués totalment encapsulat en epoxi transparent. La boca de la muntura del con s’adapta perfectament al petit coll inoxidable del sensor i la col·locació segellada s’aconsegueix amb un petit anell de superglue que el manté en posició i el segella per a l’encapsulat epoxi.

Pas 3: imprimiu en 3D el vostre habitatge

Els dos allotjaments principals per a GSM i Lora són els mateixos amb insercions de panells laterals per a plaques solars. L'únic mod del Lora era el forat de l'antena a la part superior que s'ha de perforar en funció del diàmetre de la vostra unitat. L’antena GSM s’adapta a l’altra caixa. El tauler de control de cada un és idèntic als forats per activar / desactivar el botó i per activar la pantalla del nivell de la bateria. Els peus s’imprimeixen per separat i s’enganxen a les caixes de les cantonades i ofereixen diverses opcions de muntatge. La torreta petita i el tap cargol s’enganxen al voltant de l’obertura de la muntura microUSB per protegir-la de la incursió d’aigua. La unitat és bàsicament molt resistent a l’aigua i s’imprimeix en PETG per minimitzar la distorsió de la calor. He utilitzat muntatges de cargol de llautó amb inserció tèrmica a la carcassa principal per a cargols de 3 mm a la caixa. Hi ha fitxers per a dos suports per als sensors: un té dos sensors muntats a un peu de distància sobre una vareta de plàstic de lucita amb un suport per a la caixa "booster" I2C amb el circuit muntat i epoxiat a l'interior. Aquesta vareta també té dos forats impresos en 3D per adaptar-se a les opcions de muntatge. L'altra carcassa del sensor és un sol disc amb un dels sensors cargolats i una retallada a la part posterior per al "reforç" I2C epoxiat. Tots aquests estan impresos en PETG. La resta de fitxers són la petita carcassa de la unitat de recepció Lora amb una petita finestra per al OLED.

Pas 4: connecteu-lo

Els sensors estan connectats en paral·lel a les línies SDA, línies SCL, Pos i Gnd, units en un cable trenat amb quatre conductors. Els amplificadors I2C són molt fàcils d’utilitzar: connecten ambdós sensors a les línies d’entrada i al cable llarg intermedi de fins a 60 metres connectat al mateix tipus d’unitat receptora. Si aneu més temps, potser haureu de canviar les resistències de tracció cap amunt de les taules. Els esquemes de cablejat per a la resta es mostren a sobre. El circuit funciona mitjançant l’interruptor d’encesa / apagada enviant l’alimentació a l’Adafruit TPL5111, que està configurat per a 57 ohms per augmentar la seva habilitació cada 10 minuts; per descomptat, podeu ajustar-ho per obtenir una freqüència de transmissió de dades inferior o superior. Això controla un MOSFET a la terra de la placa principal (ja sigui Lora o l'Arduino 400 GSM). (He trobat que les plaques com el GSM i l'ESP32 tenen una alimentació massa gran per al TPL tret que utilitzeu un MOSFET amb ells …) L'alimentació dels sensors i el BMP388 provenen de la placa principal quan està encès: 3v. Els resistors de tracció es troben als impulsors I2C i no els necessiteu per als sensors d’aquest circuit. La placa de càrrega TP4056 funciona molt bé amb els dos panells solars i la bateria 18650 connectada. El polsador només connecta la sortida de la bateria a la pantalla de nivell de bateria petita. Els dos sensors connectats a la vareta de lucita utilitzen les dues adreces disponibles, inclosa l'adreça del BMP388 (0 X 77), de manera que heu de connectar el BMP amb SPI a les plaques principals si utilitzeu dos sensors de pressió d'aigua. Si només en feu servir un (el disc), podeu connectar-lo amb I2C i utilitzar l’adreça restant disponible (0 X 77) per al BMP.

Pas 5: construïu-lo

Vaig fer servir taules de perf per maquillar-ho tot. El tauler principal TPL, BMP, anava en un tauler. Els interruptors es van cargolar al seu lloc amb els seus passadors de goma. La placa del carregador es munta a la plataforma del control amb el microUSB cap a fora. La torreta de protecció de l'aigua es va enganxar a la part frontal i es va segellar el tap cargol amb una mica de greix de silici als fils. La vareta de lucita es va tallar de dues capes de 1/4 de plàstic amb els sensors muntats exactament a un peu de distància. Els forats impresos en 3D es van col·locar als extrems i es va cargolar el reforç I2C al centre on es van fer totes les connexions de filferro. El sensor de disc es va imprimir en 3D i el reforç es va epoxidar a l'interior i es va connectar a l'únic sensor. Es va practicar un forat a la part superior de la unitat Lora per acomodar l’antena i es van col·locar forats a la part posterior de cada unitat per acomodar el cable dels sensors. Es proporciona un retenció de fil imprès en 3D. Lligueu-hi el cable després de super-enganxar-lo al seu lloc. Totes les connexions de filferro es redueixen per calor marí i després es pinten amb cinta elèctrica líquida per garantir la seguretat de l’aigua.

Pas 6: programeu-lo

Realment no hi ha molt al programa. Es basa en gran mesura en les biblioteques proporcionades per als sensors, que funcionen perfectament i el miracle del programari GSM Blynk per a la placa Arduino, que combina perfectament amb el núvol d’hologrames. Registreu-vos per obtenir un compte Hologram i obteniu-ne una targeta SIM per col·locar-la a la vostra placa Arduino 400 GSM. La biblioteca Blynk-GSM Arduino gestiona tot el procés d’estrenyiment de mans. Adafruit va escriure la biblioteca per al BMP i jo vaig utilitzar la biblioteca SparkFun per al MS5803. Tots dos subministren sortides de temperatura dels vostres sensors si voleu. Els pins ajustats pel programari poden utilitzar gairebé qualsevol cosa del tauler principal. He utilitzat la rutina del temporitzador Blynk per no sobrecarregar accidentalment l’aplicació Blynk. Per descomptat, heu de tenir precaució amb la quantitat de dades que poseu a través de l'enllaç GSM-Hologram o podeu generar una petita factura (gairebé poc), que feia servir uns 3 MB a la setmana, que arriben als 40 centaus. Només penjava les tres mesures de pressió: 2 de sota l'aigua i una de la caixa (BMP). L'última part del programa és apagar el TPL elevant a HI el pin fet a la unitat que diu que les dades s'han transferit. L’aplicació Blynk és meravellosa com sempre i podeu dissenyar qualsevol tipus de pantalla de sortida que vulgueu i la millor part és la possibilitat de descarregar la pila de dades per correu electrònic quan vulgueu.

La unitat Lora utilitza les mateixes biblioteques i fa servir una unitat OLED (ho vaig desactivar al programari de la unitat remitent per estalviar energia) i estableix la freqüència de la vostra ubicació particular. A continuació, crea una cadena de dades amb separadors que li permeten enviar lectures del sensor en un sol tret. A continuació, activa el seu pin realitzat per apagar-se. La unitat receptora trenca la paraula i envia la informació a l’aplicació Blynk mitjançant un enllaç WIFI sempre. El receptor és increïblement petit i es connecta a una berruga de paret.

Pas 7: utilitzar-lo

La petita cara del sensor capta amb un alt grau de precisió tota la força de pressió que hi influeix des de dalt; això inclou tota la pressió de l’aire i de l’aigua. Així, els canvis intermitents en l’altura de l’oceà, com ara les ones i els canvis en la pressió de l’aire provinents de les tempestes sobre l’oceà, ho fan. Aquesta és la raó per la qual s’inclou el sensor de pressió baromètrica a la caixa (assegureu-vos que proporcioneu un petit parell de forats d’aire perquè es pugui llegir correctament). La vareta del sensor amb els dos sensors està ancorada a l'oceà a una profunditat on encara estarà coberta per l'aigua fins i tot amb la marea baixa. És arbitrari a quina profunditat col·loqueu els sensors, ja que només mesuraran el canvi d'alçada de la columna d'aigua per sobre de l'alçada absoluta. Vaig utilitzar un maó com a àncora amb una corda connectada per muntar la vareta del sensor a uns quants metres del fons. Es va fixar un flotador al pol superior de la vareta per mantenir els sensors al peu separats de l'orientació vertical. El filferro de parells trenats i la corda conduïen a un moll on es lligaven amb molta fluixa per donar cabuda a l’excursió de la marea. La unitat remitent GSM es va muntar en un vaixell proper. El seguiment es va dur a terme durant un mes. Els dos sensors donaven lectures separades constantment per 28 unitats que representaven la diferència de pressió en un peu d’aigua en aquest lloc. La pressió baromètrica es va restar de les dades del sensor inferior i es va dividir per 28 per donar un peu equivalent a la pujada i baixada de la superfície oceànica durant períodes de 10 minuts. El gràfic anterior proporciona la comparació amb el gràfic NOAA del mateix període de dates. El sensor / pujada i caiguda reals es va comprovar amb el moviment real del moll i es va trobar que era precís a 1/2 polzada. Fins i tot amb l’ús elevat d’energia de GSM que transmet cada deu minuts, els panells solars es mantenen fàcilment amb la demanda en aquest entorn de bosc tropical.

Pas 8: més

Els usos anteriors d’aquests sensors per les fonts ja esmentades van ser per estudiar l’alçada de les ones. Els meus resultats van ser d'un port tranquil amb una activitat mínima d'ona impulsada pel vent, però podeu capturar aquestes dades augmentant la freqüència de mostreig i tenint mitjanes rotatives dels resultats. El sistema Lora funciona bé a distàncies que subministrarien una xarxa de malla d'informació d'ones per a diverses ubicacions al llarg d'una costa. Això seria ideal per a aquells que estiguessin interessats en activitats de surf. El baix cost i la mida molt petita d’aquestes unitats independents farien que la informació costanera fos senzilla. Actualment, la captura d'informació sobre marees és una activitat governamental molt complicada i que depèn de la infraestructura, però això pot canviar amb l'adopció de dispositius alternatius. Ara Blynk està programat per avisar-me del proper tsunami.