Accessori del sistema de sensors ambientals per a vehicles UAV: 18 passos

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

El propòsit d’aquest instructiu és descriure com construir, connectar i operar el sistema de sensors ambientals de Integrated Solutions Technology juntament amb un dron DJI Phantom 4. Aquests paquets de sensors utilitzen el dron per transportar-se a entorns potencialment perillosos per identificar els nivells de risc actuals de monòxid de carboni (CO), diòxid de carboni (CO2) i gas propà líquid (GLP) en comparació amb els estàndards OSHA i EPA. És important tenir en compte que, tot i que en aquest document instructiu també es mostra un sensor de radiació, funcionarà com una entitat separada dels sensors de gas, i el producte final que es mostra només inclourà els components del sensor de gas enumerats anteriorment.

Pas 1: reuniu les eines, el programari i els materials necessaris

Eines utilitzades:

1. Programari Arduino (https://www.arduino.cc/en/Main/Software)
2. Alicates
3. Serra de taula amb fulla abrasiva
4. Trituradora de taula

Materials utilitzats:

1. DJI Phantom 4
2. Arduino Uno
3. Bateria externa Jackery 3350mAh
4. Tauler de pa estàndard
5. Sensor de monòxid de carboni - MQ-7
6. Sensor de gas propà líquid - MQ - 6
7. Sensor de CO2 de diòxid de carboni - MG-811
8. AK9750 Si7021 Sensor d'humitat i temperatura
9. Sensor de radiació de butxaca Geiger - Tipus 5
10. Mòdem Bluetooth: BlueSMiRF Gold
11. Corretges d'acer suau
12. Kit d’inventors SparkFun
13. Cinta de muntatge de doble cara 3M

Pas 2: Munteu el cablejat del sensor i del microcontrolador

Accediu a tots els fulls de dades del sensor del fabricant del producte per determinar els pins d’entrada i sortida necessaris per al funcionament adequat dels components. Per tal de construir una orientació eficient per a tots els components subministrats als paquets de gas i radiació, cada sensor i mòdul haurien de connectar-se per separat per garantir que estiguin operatius quan estiguin connectats al microcontrolador abans de la integració en una sola placa de control. Per garantir la claredat, el procés per construir cada tipus de circuit base i codi es troba dins dels passos següents.

Pas 3: Determineu els pins d'entrada i sortida del sensor de monòxid de carboni MQ-7

Tal com es mostra a l’esquema anterior, el component CO hauria de tenir tres pins de tensió d’entrada al rail més a la dreta connectats a la font d’alimentació del microcontrolador de 5V. El pin d’entrada analògica es connectarà a qualsevol dels pins del microcontrolador etiquetats com A0, A1, A2, etc., mentre que els pins de terra es connecten als pins de terra del microcontrolador. Finalment, s’utilitza una resistència de 10K ohm per connectar el pin inferior del sensor esquerre a terra. És important tenir en compte que aquest pinout és aplicable als sensors de CO2 i GLP que també s’utilitzen en aquest sistema.

Pas 4: connecteu el sensor d'acord amb el pinout als pins d'entrada i sortida del microcontrolador

Com es va comentar en els passos anteriors, un pin es designa com a pin d'entrada analògica al microcontrolador. Al codi base que es mostra més amunt i que es pot descarregar al següent pas, el pin analògic definit és el pin A0. D'acord amb aquesta designació, connecteu el pin superior esquerre al pin A0 del microcontrolador. A continuació, es pot establir una entrada de terra i un rail de terra comuns connectant el rail de potència de la placa esquerra (designat pel símbol "-") al pin de terra i el rail més dret ("+") al pin de 5V. En connectar la placa de configuració d’aquesta manera, els pins del sensor es poden connectar directament als rails de la placa de control, permetent connexions netes al microcontrolador. Aquesta estructura es presenta a les imatges del circuit base anterior.

Pas 5: descarregueu el codi base del sensor de gas

Un cop connectat, carregueu el codi base Arduino obtingut de la pàgina del producte de SparkFun (https://www.sparkfun.com/products/9403; adjunt) prement la fletxa situada a la part superior esquerra de la interfície per verificar que el component estigui connectat a d'acord amb el pinout.

Pas 6: obriu el monitor de sèrie per garantir l'operativitat

Obriu el monitor sèrie seleccionant la icona de la lupa que hi ha a la part superior dreta de la interfície. S'obrirà una finestra independent que es mostra a la part superior, on es mostrarà la sortida del sensor, originalment una lectura de voltatge. Si les dades no es mostren al monitor sèrie tal com s'indica, comproveu que la funció analogRead fa referència al número correcte del pin analògic cablejat en les fases anteriors d'aquest procés.

Pas 7: Repetiu els passos 3-6 per als sensors de gas de GLP i de diòxid de carboni

Repetiu la definició de pins, cablejat del sensor i càrrega de codi per garantir l'operativitat dels sensors addicionals.

Pas 8: Sensor de temperatura i humitat SparkFun Si7021 de cable (opcional)

El mateix procés general descrit per als sensors de gas s’implementarà per al sensor de temperatura i humitat. No obstant això, el pinout difereix dels sensors de gas i es mostra a la part superior. El pin VCC (segon de la dreta del sensor) es connectarà a una font d’alimentació del microcontrolador de 5 o 3,3 V i el pin de terra es connectarà a la terra del microcontrolador tal com es veu al cablejat del sensor de gas. En lloc d’un pin de sortida analògic, aquest sensor conté pins de sortida SDA i SCL que s’encarreguen de transmetre les dades del sensor al microcontrolador per al seu processament. Aquest sensor es pot utilitzar per verificar la precisió de les mesures del sensor de gas en comparació amb els valors de la seva fitxa tècnica.

Pas 9: descarregueu el codi base SparkFun del sensor d'humitat i temperatura Si7021

Un cop finalitzat el cablejat, el codi de mostra adjunt (adaptat de https://www.sparkfun.com/products/13763) s’ha de penjar al microcontrolador per garantir la correcta construcció del circuit. Tal com es va descriure amb el codi del sensor de gas, comproveu que el component transmeti la temperatura i la humitat accedint al monitor sèrie. És important tenir en compte que aquest codi base inclou l’ús de dues biblioteques de components SparkFun diferents. Per tal que aquest codi es compili i es carregui al microcontrolador, l’usuari haurà d’instal·lar aquestes biblioteques mitjançant els mètodes que es mostren al pas 9.

Pas 10: afegiu biblioteques de components Arduino

La implementació de les biblioteques Arduino en codis s’identifica mitjançant l’ús d’una ordre #include tal com es veu a la part superior del codi del pas 8. Sense la inclusió d’aquestes biblioteques, el codi no es podrà compilar ni penjar al microcontrolador. Per accedir i instal·lar aquestes biblioteques, aneu a la pestanya esbós, expandiu Inclou biblioteca i seleccioneu Gestiona biblioteques. Escriviu el nom de la biblioteca necessària (text que apareix després de l’ordre #include), feu clic a l’opció desitjada, seleccioneu una versió i premeu Instal·la.

Pas 11: Sensor de radiació Geiger de butxaca de filferro - Tipus 5

Com s'ha dit anteriorment, aquest component s'inclourà per separat dels sensors de gas. En configurar aquest producte, el procés continua sent el mateix; connecteu els pins dels components a les seves respectives sortides, tal i com es mostra al pinout anterior. Connecteu el pin VCC a la font de 5 V situada al microcontrolador i el pin de terra a la terra del microcontrolador, tal com es va fer amb els sensors de gas. A continuació, connecteu els pins de senyal i soroll als pins 2 i 5 del microcontrolador, respectivament. En acabar aquesta tasca, carregueu el codi base adaptat de radiation-watch.org a través de Github (https://www.sparkfun.com/products/142090) i aquest component estarà llest per al seu funcionament.

Pas 12: desenvolupeu el cablejat del sensor integrat

Després de cablejar individualment cada sensor per confirmar-ne l'operabilitat, comenceu a integrar cada cablejat del sensor en un format condensat de manera que tots els sensors descrits anteriorment es connectin a la placa, tal com es mostra a les figures anteriors. Feu referència a la taula anterior per connectar correctament els pins Arduino necessaris als seus respectius components, de manera que no calgui alterar els codis següents abans de penjar-los. Per donar suport a un format condensat, utilitzeu un rail d’alimentació i terra comú mitjançant un cable de rail de 5V i l’altre de 3,3V. Connecteu els dos rails de terra junts proporcionant una connexió al pas de terra del microcontrolador Arduino. Quan estigueu completat, pengeu el codi adjunt per accedir a les capacitats del sensor de gas reunides a la placa. El codi Arduino adjunt controlarà els sensors de gas, així com el sensor de temperatura i humitat, i mostrarà les seves dades de mesura en parts per milió a través del monitor sèrie. També proporcionarà la classificació del nivell de perill de les dades mesurades. El sensor de radiació pot dependre d’una mesura fixada en el temps (és a dir, recomptes per minut), per la qual cosa es recomana operar aquest component per separat dels sensors de gas. Per donar suport a aquesta distinció, els sensors de CO, GLP i CO2 seran els únics components que es discutiran quan el microcontrolador estigui emparellat amb el mòdul Bluetooth. Tot i això, és important tenir en compte que es pot seguir el següent procés per aconseguir el mateix resultat amb el sensor de radiació.

Pas 13: Inicieu la connexió Bluetooth entre el telèfon i el mòdul

Un cop muntat, codificat i condensat el sistema de sensors desitjat, el següent pas és connectar sense fils un dispositiu d’usuari al sistema. Això permetrà que les lectures del sensor en directe s’enviïn a l’usuari a una distància allunyada de la zona de perill. La connexió del sistema de sensors i del dispositiu de l’usuari es facilitarà amb el mòdul Bluetooth Arduino BlueSMiRF. Aquest mòdul es connectarà a l'aplicació mòbil "Arduino Bluetooth Data" que es pot descarregar des de la botiga de Google Play. Aquesta interfície mostrarà directament les lectures obtingudes dels sensors de gas, de presència humana o de radiació, i serà accessible fins a 350 peus i avisarà l’usuari sobre els canvis en les lectures del sensor, alhora que permetrà a l’usuari avaluar si hi ha nivells perillosos de es detecten perills ambientals respecte a la normativa OSHA i EPA.

El component s’ha de connectar individualment, com es va demostrar amb els sensors, per inicialitzar la configuració del component i avaluar l’operabilitat. Utilitzant el diagrama de components que es mostra a la figura anterior, el component es connectarà amb una entrada d’alimentació de 5 V i un pin de terra, mentre que els pins de components TX i RX es connectaran a dos pins digitals definits per l’usuari. Com es mostra a la figura, el pin TX es va assignar al segon pin digital i el RX es va definir com el tercer. Un cop finalitzada aquesta tasca, executeu el codi d'exemple que es troba a continuació per iniciar la configuració del component. En aquest moment, el LED del component hauria de parpellejar lentament amb un to vermell. Accediu al monitor sèrie i activeu les opcions de la part inferior de la finestra per llegir "Sense final de línia" i "9600 baud", respectivament, als quadres desplegables. A continuació, escriviu "$$$" al quadre d'ordres i premeu "Envia". Això iniciarà el "Mode d'ordres" al component i farà que el LED parpellegi ràpidament un to vermell. A més, el component enviarà un missatge "CMD" al monitor sèrie.

Torneu a activar la configuració desplegable del monitor sèrie per llegir "Newline" i "9600 baud" abans de continuar amb la configuració. Les ordres enviar "D" i "E" al monitor sèrie per mostrar la configuració del component, inclòs el nom de fàbrica. Per vincular-lo al telèfon mòbil, obriu la configuració de Bluetooth i seleccioneu el nom del mòdul Bluetooth (ECEbluesmirf per a l'exemple proporcionat). Després d'aquesta selecció, envieu una ordre "I" per cercar dispositius amb Bluetooth. El primer número s'utilitzarà per sincronitzar els dos dispositius enviant una "C, primer número". Quan s'hagi completat, el LED Bluetooth es convertirà en un color verd fix.

Pas 14: connecteu el sistema a l'aplicació mòbil: usuaris d'Android

Per accedir a les dades del sensor en un Android, baixeu l'aplicació mòbil "Arduino Bluetooth Data" de la botiga Google Play. Obriu l'aplicació mòbil i toqueu el nom del mòdul Bluetooth a la interfície d'usuari per connectar-vos. Quan se us demani, seleccioneu l'aplicació com a receptor. Es mostrarà la interfície que mostra les dades del sensor i el mòdul contindrà un LED verd fix. En acabar, pengeu el codi adjunt per activar els sensors i recuperar dades de riscos ambientals. Els noms dels sensors es poden actualitzar per adaptar-se als sensors utilitzats, tal com es va completar per aconseguir la captura de pantalla anterior.

Pas 15: creeu suports de suport per connectar el sistema de sensors

El muntatge del sistema de sensors requereix l’ús de dues corretges d’acer suau i cinta adhesiva de muntatge de doble cara 3M per fixar-la al dron DJI Phantom 4. El primer pas és doblegar i donar forma a les corretges de penjador d’acer tou al dron. Això requereix una longitud inicial total de la corretja de 23 polzades. A partir d’aquest brou, talleu corretges iguals amb una serra de taula amb una fulla abrasiva. Després, tritureu els extrems per eliminar les rebaves. El resultat del procés es mostra a la primera de les figures que es mostren més amunt. Durant aquest procés, voleu evitar tallar al llarg de les ranures obertes, per no debilitar els extrems de la corretja.

El següent pas requereix la flexió de les corretges per tal d’encaixar al dron. Es recomana utilitzar unes alicates per doblegar els acers i col·locar la corretja al fons dels rails. Centreu les corretges als rails de les potes del dron i marqueu on es troba la vora de les potes del ferrocarril. Això servirà de visual per saber on doblegar els acers. Doble les corretges en petits increments fins que s’enrotllin al voltant de les baranes, evitant el lliscament.

Pas 16: munteu el sistema al dron

Es demostrarà un exemple de muntatge del sistema de sensors mitjançant corretges d’acer suau i cinta adhesiva. Com es va comentar anteriorment, les corretges de penja d’acer suau es van doblegar i es van col·locar a la part inferior del dron per crear una plataforma on els components s’asseguessin. Després d’acabar-ho, fixeu els components a les corretges amb l’adhesiu perquè quedin segurs, però no interfereixin en el funcionament normal del dron. Per permetre un ampli espai, l'exemple utilitza dues corretges de suspensió que suporten una bateria externa, un microcontrolador i una placa de suport. A més, els sensors es col·loquen cap a la part posterior del dron.

Pas 17: utilitzar aquest sistema per avaluar el risc de perill

Per determinar la gravetat dels nivells de perillositat presentats per aquest sistema, cal fer referència a les normes següents. El verd indica un entorn segur per a tots els presents a la zona d’interès, mentre que el morat indica la pitjor concentració ambiental possible, provocant efectes letals. El sistema de color utilitzat es deriva del programa de bandera de la qualitat de l’aire de l’EPA.

Monòxid de carboni (OSHA)

• 0-50 PPM (verd)
• 50-100 PPM (groc)
• 100-150 PPM (taronja)
• 150-200 PPM (vermell)
• > 200 PPM (porpra)

Gas propà líquid (NCBI)

• 0-10.000 PPM (verd)
• 10, 000-17, 000 PPM (groc)
• > 17.000 PPM (vermell)

Diòxid de carboni (Global CCS Institute)

• 0-20, 00 PPM (verd)
• 20, 000-50, 000 PPM (groc)
• 50, 000-100, 000 PPM (taronja)
• 100, 000-150, 000 PPM (vermell)
• > 150.000 PPM (porpra)

Pas 18: utilitzeu el sistema per recollir dades mesurades

Ara que s’ha acabat el muntatge final, el sistema ja està a punt per funcionar. Com que el codi necessari per permetre que el microcontrolador funcioni, el sistema de sensors ja està carregat, el microcontrolador es pot connectar a la bateria mòbil per transmetre dades, en substitució d’un ordinador. El sistema ja està a punt per utilitzar-se en aplicacions d’avaluació de riscos ambientals.