Raspberry Pi Impact Force Monitor !: 16 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

Quin impacte pot suportar el cos humà? Tant si es tracta de futbol, d’escalada o d’un accident de bicicleta, és increïblement important saber quan cal buscar atenció mèdica immediata després d’una col·lisió, sobretot si no hi ha signes evidents de trauma. Aquest tutorial us ensenyarà a construir el vostre propi monitor de força d’impacte.

Temps de lectura: ~ 15 min

Temps de construcció: ~ 60-90 min

Aquest projecte de codi obert utilitza un Raspberry Pi Zero W i un acceleròmetre LIS331 per supervisar i alertar l’usuari de forces G. potencialment perilloses. Per descomptat, no dubteu a modificar i adaptar el sistema per adaptar-lo a les vostres necessitats científiques.

Nota: creeu coses divertides amb l'Impact Force Monitor. Tanmateix, no l’utilitzeu com a substitutiu del consell i diagnòstic mèdic professional. Si creieu que heu patit una caiguda greu, visiteu un professional qualificat i amb llicència per obtenir un tractament adequat.

Pas 1: lectura suggerida

Perquè aquest tutorial sigui breu (eh, bé, tant com sigui possible), suposo que comenceu amb un Pi Zero W. funcional. Necessiteu ajuda? Cap problema! Aquí teniu un tutorial de configuració complet.

També ens connectarem al Pi de forma remota (també coneguda sense fils). Per obtenir una visió general més completa d’aquest procés, consulteu aquest tutorial.

** Estàs atrapat o vols obtenir més informació? Aquí teniu alguns recursos útils: **

1. Excel·lent guia "Introducció" per al Pi.

2. Guia completa de connexió per al tauler de ruptura de l’acceleròmetre LIS331.

3. Més informació sobre els acceleròmetres!

4. Visió general dels pins Raspberry Pi GPIO.

5. Ús dels busos sèrie SPI i I2C al Pi.

6. Full de dades LIS331

Pas 2: materials

• Kit bàsic Raspberry Pi Zero W

  • Aquest kit inclou els següents: targeta SD amb sistema operatiu NOOBS; Cable USB OTG (microUSB a USB femella); Mini HDMI a HDMI; Alimentació MicroUSB (~ 5V)
  • També es recomana: concentrador USB
• Raspberry Pi 3 pins de capçalera
• Taula de ruptura de l’acceleròmetre LIS331
• Bateria amb connector MicroUSB
• LED vermell de 5 mm
• 1k resistència
• Tub de contracció de calor de 6 "o cinta elèctrica
• Pins de capçalera per a l'acceleròmetre (4 - 8) i el LED (2)
• Filferros de pont de dona a dona (6)

Eines

• Soldador i accessoris
• Epoxi (o un altre adhesiu líquid permanent i no conductor)
• Probablement també tisores:)

Pas 3: però espera! Què és la força d’impacte?

Afortunadament, el terme "força d'impacte" és força senzill: la quantitat de força d'un impacte. Però, com la majoria de les coses, mesurar-la requereix una definició més precisa. L'equació de la força d'impacte és:

F = KE / d

on F és la força d’impacte, KE és l’energia cinètica (energia del moviment), i d és la distància d’impacte, o quant s’esgota l’objecte. Hi ha dos punts clau per emportar d’aquesta equació:

1. La força d’impacte és directament proporcional a l’energia cinètica, és a dir, que augmenta si augmenta l’energia cinètica.

2. La força d’impacte és inversament proporcional a la distància d’impacte, és a dir, que disminueix si augmenta la distància d’impacte. (És per això que tenim coixins de seguretat: per augmentar la distància del nostre impacte.)

La força es mesura normalment en Newtons (N), però la força d'impacte es pot discutir en termes d'una "força G", un nombre expressat com a múltiple de g, o l'acceleració gravitacional de la terra (9,8 m / s ^ 2). Quan fem servir unitats de força G, mesurem una acceleració d’objectes en relació amb la caiguda lliure cap a la terra.

Tècnicament parlant, g és una acceleració, no una força, però és útil quan es parla de col·lisions perquè l’acceleració * és la que danya el cos humà.

Per a aquest projecte, utilitzarem unitats de força G per determinar si un impacte és potencialment perillós i mereix atenció mèdica. La investigació ha descobert que les forces g superiors a 9G poden ser fatals per a la majoria dels humans (sense entrenament especial), i que el 4-6G pot ser perillós si es manté durant més d’uns segons.

Sabent això, podem programar el nostre monitor de força d’impacte per alertar-nos si el nostre acceleròmetre mesura una força G per sobre de qualsevol d’aquests llindars. Hurra, ciència!

Per obtenir més informació, llegiu sobre la força d’impacte i la força g a la Viquipèdia.

L’acceleració és un canvi de velocitat i / o direcció

Pas 4: configureu el Pi Zero W

Reuneix el teu Raspberry Pi Zero i els teus perifèrics per configurar el Pi perquè sigui sense cap.

• Connecteu el Pi a un monitor i als perifèrics associats (teclat, ratolí), connecteu la font d'alimentació i inicieu la sessió.

• Actualitzeu el programari per mantenir el Pi ràpid i segur. Obriu la finestra del terminal i escriviu aquestes ordres:

  Escriviu i introduïu:

sudo apt-get update

Escriviu i introduïu:

sudo apt-get upgrade

Restableix:

sudo shutdown -r ara

Pas 5: activeu WiFi i I2C

• Feu clic a la icona WiFi a l'extrem superior dret de l'escriptori i connecteu-vos a la vostra xarxa WiFi.
• Al terminal, escriviu aquesta ordre per mostrar l'eina de configuració de programari de Pi:

sudo raspi-config

• Seleccioneu "Opcions d'interfície" i, a continuació, "SSH" i trieu "Sí" a la part inferior per activar-la.
• Torneu a "Opcions d'interfície", després a "I2C" i seleccioneu "Sí" per activar-la.
• Al terminal, instal·leu el programari de connexió d’escriptori remot:

sudo apt-get install xrdp

• Escriviu "Y" (sí) al teclat a les dues indicacions.
• Cerqueu l’adreça IP del Pi passant el cursor per sobre de la connexió WiFi (és possible que també vulgueu escriure-la).
• Canvieu la contrasenya del Pi amb l’ordre passwd.

Pas 6: reinicieu el Pi i inicieu la sessió remotament

Ara podem abandonar l’HDMI i els perifèrics, woohoo!

• Configureu una connexió d'escriptori remot.

  • En un PC, obriu Connexió d’escriptori remot (o PuTTY si esteu còmode).
  • Per a Mac / Linux, podeu instal·lar aquest programa o utilitzar un programa VNC.
• Introduïu la IP del Pi i feu clic a "Connecta" (Ignoreu les advertències sobre un dispositiu desconegut).
• Inicieu la sessió al Pi amb les vostres credencials i ja no hi anem.

Pas 7: Construïu-lo: electrònica

Les dues fotografies anteriors mostren l’esquema elèctric d’aquest projecte i el Pin Zero Pinout. Necessitarem tots dos per afrontar les connexions de maquinari.

Nota: El tauler de ruptura LIS331 de l’esquema és una versió anterior: utilitzeu les etiquetes dels pins com a guia

Pas 8: connecteu l’acceleròmetre al GPIO del Pi

• Soldeu i traieu amb cura els residus de flux de l’acceleròmetre i dels passadors de capçalera de Pi GPIO.
• A continuació, connecteu els cables de pont entre la placa de ruptura LIS331 i Pi entre els pins següents:

LIS331 Breakout Board Raspberry Pi Pin GPIO

GND GPIO 9 (GND)

VCC GPIO 1 (3,3 V)

SDA GPIO 3 (SDA)

SCL GPIO 5 (SCL)

Per facilitar la connexió del sensor al Pi Zero, es va fabricar un adaptador personalitzat mitjançant un cable femella i un capçal femella. Es va afegir la contracció de calor després de provar les connexions

Pas 9: afegiu un LED d'alerta

• Soldeu una resistència de limitació de corrent a la pota negativa del LED (pota més curta) i afegiu un embolcall retràctil (o cinta elèctrica) per a l'aïllament.
• Utilitzeu dos cables de pont o pins de capçalera per connectar la pota LED positiva a GPIO26 i la resistència a GND (posicions de capçalera 37 i 39, respectivament).
• Connecteu la bateria a la potència d’entrada del Pi per completar la configuració.

Pas 10: programeu-lo

El codi Python per a aquest projecte és de codi obert. Aquí teniu un enllaç al dipòsit de GitHub.

Per a gent nova en programació:

Llegiu el codi del programa i els comentaris. Les coses fàcils de modificar es troben a la secció "Paràmetres d'usuari" de la part superior

Per a gent més còmoda amb les tècniques "Deets:

Aquest programa inicialitza l’acceleròmetre LIS331 amb paràmetres predeterminats, inclòs el mode d’alimentació normal i la velocitat de dades de 50Hz. Llegiu el full de dades LIS331 i modifiqueu la configuració d’inicialització segons vulgueu

Tots

• L’escala d’acceleració màxima que s’utilitza en aquest projecte és de 24G, perquè la força d’impacte és molt ràpida.
• Es recomana comentar les declaracions d'impressió d'acceleració a la funció principal quan estigueu a punt per al desplegament complet.

Abans d'executar el programa, comproveu que l'adreça de l'acceleròmetre sigui 0x19. Obriu la finestra del terminal i instal·leu algunes eines útils amb aquesta ordre:

sudo apt-get install -y i2c-tools

A continuació, executeu el programa i2cdetect:

i2cdetect -y 1

Veureu una taula d’adreces I2C com es mostra a la imatge superior. Suposant que aquest és l’únic dispositiu I2C connectat, el número que veieu (en aquest cas: 19) és l’adreça de l’acceleròmetre. Si veieu un número diferent, preneu nota i canvieu al programa (variable addr).

Pas 11: Visió general ràpida del programa

El programa llegeix l’acceleració x, y, z, calcula una força g i, a continuació, desa les dades en dos fitxers (a la mateixa carpeta que el codi del programa) segons correspongui:

• AllSensorData.txt: proporciona una marca de temps seguida de la força g en els eixos x, y i z.
• AlertData.txt: igual que l'anterior, però només per a lectures que superin els nostres llindars de seguretat (llindar absolut de 9G o 4G durant més de 3 segons).

Les forces G superiors als nostres llindars de seguretat també activaran el LED d'alerta i el mantindran encès fins que reiniciem el programa. Atureu el programa escrivint “CTRL + c” (interrupció del teclat) al terminal d’ordres.

La foto superior mostra els dos fitxers de dades creats durant les proves.

Pas 12: proveu el sistema

Obriu la finestra del terminal, aneu a la carpeta on heu desat el codi del programa mitjançant l'ordre cd.

ruta del CD / a / carpeta

Executeu el programa mitjançant privilegis d'arrel:

sudo python NameOfFile.py

Comproveu que els valors d’acceleració en la direcció x, y i z s’estiguin imprimint a la finestra del terminal, que siguin raonables i enceneu la llum LED si la força g supera els nostres llindars.

• Per provar, gireu l’acceleròmetre de manera que cada eix apunti cap a la terra i comproveu que els valors mesurats siguin 1 o -1 (correspon a l’acceleració per gravetat).
• Agiteu l’acceleròmetre per assegurar-vos que augmenten les lectures (el signe indica la direcció de l’eix, ens interessa més la magnitud de la lectura).

Pas 13: assegureu-vos les connexions elèctriques i instal·leu-les

Un cop tot funcioni correctament, assegurem-nos que el monitor de força d’impacte realment pugui suportar l’impacte.

• Utilitzeu un tub termoretràctil i / o recobriu les connexions elèctriques de l’acceleròmetre i el LED en epoxi.

• Per a instal·lacions super duradores i permanents, penseu a recobrir tot el shebang amb epoxi: el Pi Zero, el LED i l’acceleròmetre (però NO els connectors de cable Pi o la targeta SD).

  Atenció! Encara podeu accedir al Pi i fer totes les coses de l’ordinador, però una capa completa d’epoxi impedirà l’ús dels pins GPIO per a futurs projectes. Com a alternativa, podeu fabricar o comprar una funda personalitzada per al Pi Zero, tot i comprovar-ne la durabilitat

Assegureu-vos al casc, a la vostra persona o a un mode de transport com ara el monopatí, la bicicleta o el gat *.

Comproveu completament que el Pi està ben fixat o que els passadors GPIO poden quedar solts i provocar un bloqueig del programa.

* Nota: Originalment volia escriure "cotxe", però pensava que un monitor de força d'impacte per a un gat també podria aportar algunes dades interessants (amb el consentiment del gatet, és clar).

Pas 14: incrustar el circuit en un casc

Hi ha alguns mètodes per incrustar el circuit en un casc. Aquest és el meu enfocament sobre la instal·lació d’un casc:

• Si encara no ho heu fet, connecteu la bateria a Pi (amb la bateria apagada). Assegureu l’acceleròmetre a la part posterior del Pi amb un aïllament no conductor pel mig (com l’embolcall de bombolles o l’escuma fina d’embalatge).
• Mesureu les dimensions de la combinació de connectors Pi Zero, acceleròmetre, LED i bateria. Afegiu un 10% a banda i banda.
• Dibuixeu un retall per al projecte en un costat del casc, amb el connector de la bateria cap a la part superior del casc. Retalleu el farciment del casc deixant uns quants mil·límetres (~ 1/8 de polzada).
• Col·loqueu el sensor, el Pi i el LED al retall. Tallar trossos de l'excés de farciment del casc o utilitzar espuma d'embalatge per aïllar, protegir i mantenir l'electrònica al seu lloc.
• Mesureu les dimensions de la bateria, afegiu-hi un 10% i seguiu el mateix tall per a la bateria. Introduïu la bateria a la butxaca.
• Repetiu la tècnica d’aïllament de la bateria a l’altre costat del casc.
• Mantingueu el farciment del casc al seu lloc amb cinta adhesiva (el cap els mantindrà al seu lloc quan el porteu).

Pas 15: desplegament

Enceneu la bateria.

Ara podeu iniciar sessió remotament al Pi mitjançant SSH o escriptori remot i executar el programa a través del terminal. Un cop el programa s’executa, comença a enregistrar dades.

Quan us desconnecteu del WiFi de casa, la connexió SSH es trencarà, però el programa encara hauria de registrar dades. Penseu en connectar el Pi al punt d'accés Wi-Fi del vostre telèfon intel·ligent o simplement iniciar la sessió i agafar les dades quan arribeu a casa.

Per accedir a les dades, inicieu sessió remotament al Pi i llegiu els fitxers de text. El programa actual sempre afegirà dades als fitxers existents: si voleu suprimir dades (com ara provar-les), eliminar el fitxer de text (mitjançant l’escriptori o utilitzar l’ordre rm al terminal) o crear un nom de fitxer nou al programa codi (a Paràmetres d'usuari).

Si el LED està encès, en reiniciar el programa, s'apagarà.

Ara, endavant, diverteix-te a la vida i consulta les dades de tant en tant si et trobes amb alguna cosa. Amb sort, és una petita protuberància, però almenys ho sabreu!

Pas 16: afegir més funcions

Busqueu millores al monitor de força d’impacte? Està fora de l’abast del tutorial, però intenteu consultar la llista següent per obtenir idees.

Feu una anàlisi de les vostres dades de força g a Python.

El Pi Zero té funcions Bluetooth i WiFi: escriviu una aplicació per enviar les dades de l’acceleròmetre al vostre telèfon intel·ligent. Per començar, aquí teniu un tutorial per a un monitor Pi Twitter.

Afegiu altres sensors, com ara un sensor de temperatura o un micròfon *.

Feliç edifici

* Nota: per escoltar els sons de soos associats a la vostra acceleració.: D