Inteligentna boja [Podsumowanie]: 8 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:27

Wszyscy kochamy morze. Jako kolektyw gromadzimy się w nim na wakacje, uprawiać sporty wodne lub zarabiać na życie. Ale wybrzeże to dynamiczny obszar zdany na łaskę fal. Podnoszące się poziomy mórz skubią plaże, a potężne ekstremalne zjawiska, takie jak huragany, całkowicie je zdziesiątkują. Aby zrozumieć, jak je ocalić, musimy zrozumieć siły napędzające ich zmianę.

Badania są drogie, ale gdybyś mógł stworzyć tanie, skuteczne instrumenty, byłbyś w stanie wygenerować więcej danych – ostatecznie poprawiając zrozumienie. To było myślenie stojące za naszym projektem Smart Buoy. W tym podsumowaniu przedstawiamy krótki przegląd naszego projektu i rozbicie go na projekt, wykonanie i prezentację danych. Och boja, pokochasz to…!

Kieszonkowe dzieci

Do kompletnej budowy Smart Buoy potrzebujesz DUŻO rzeczy. W odpowiednim samouczku przedstawimy zestawienie konkretnych materiałów wymaganych na każdym etapie budowy, ale oto pełna lista:

• Arduino Nano - Amazon
• Raspberry Pi Zero - Amazon
• Bateria (18650) - Amazon
• Panele słoneczne - Amazon
• Diody blokujące - Amazon
• Kontroler ładowania - Amazon
• Wzmacniacz Bucka - Amazon
• Moduł GPS - Amazon
• GY-86 (akcelerometr, żyroskop, barometr, kompas) - Amazon
• Czujnik temperatury wody - Amazon
• Moduł monitora mocy - Amazon
• Moduł zegara czasu rzeczywistego - Amazon
• Moduły radiowe - Amazon
• Moduł multipleksera i^2c - Amazon
• Drukarka 3D - Amazon
• Filament PETG - Amazon
• Żywica epoksydowa - Amazon
• Farba podkładowa w sprayu - Amazon
• Lina - Amazonka
• Pływaki - Amazon
• Klej - Amazon

Cały użyty kod można znaleźć na

Krok 1: Co to robi?

Czujniki na pokładzie Smart Buoy umożliwiają pomiar: wysokości fali, okresu fali, mocy fali, temperatury wody, temperatury powietrza, ciśnienia powietrza, napięcia, aktualnego zużycia i lokalizacji GPS.

W idealnym świecie mierzyłby również kierunek fal. Na podstawie pomiarów wykonanych przez boję byliśmy dość blisko znalezienia rozwiązania, które pozwoliłoby nam obliczyć kierunek fal. Okazało się to jednak dość skomplikowane i stanowi ogromny problem w rzeczywistej społeczności badawczej. Jeśli jest ktoś, kto może nam pomóc i zasugerować skuteczny sposób na pomiary kierunku fal, daj nam znać - chcielibyśmy zrozumieć, jak możemy to uruchomić! Wszystkie dane zbierane przez boję są przesyłane drogą radiową do stacji bazowej, którą jest Raspberry Pi. Stworzyliśmy dashboard do ich wyświetlania za pomocą Vue JS.

Krok 2: Budowa - obudowa boi

Ta boja była prawdopodobnie najtrudniejszą rzeczą, jaką do tej pory wydrukowaliśmy. Trzeba było wziąć pod uwagę tyle rzeczy, ile miało być na morzu, wystawione na działanie żywiołów i dużo słońca. Porozmawiamy o tym w dalszej części serii Smart Buoy.

W skrócie: wydrukowaliśmy prawie pustą kulę w dwóch połówkach. W górnej części znajdują się otwory na panele słoneczne i otwór na antenę radiową. W dolnej części znajduje się otwór na czujnik temperatury oraz uchwyt do przywiązania liny.

Po wydrukowaniu bojki z filamentu PETG, przeszlifowaliśmy ją, pomalowaliśmy natryskowo podkładem wypełniającym, a następnie nałożyliśmy kilka warstw żywicy epoksydowej.

Po przygotowaniu obudowy włożyliśmy całą elektronikę do środka, a następnie za pomocą pistoletu do kleju uszczelniliśmy czujnik temperatury wody, antenę radiową i panele słoneczne. Na koniec połączyliśmy dwie połówki klejem/klejem StixAll (klej do super samolotów).

A potem mieliśmy nadzieję, że jest wodoodporny…

Krok 3: Budowa - Boja Electronics

Boja ma na pokładzie wiele czujników, o których szczegółowo omówimy w odpowiednim samouczku. Ponieważ jest to podsumowanie, postaramy się zachować informacje, ale krótko!

Boja zasilana jest baterią 18650, która jest ładowana czterema panelami słonecznymi 5V. Jednak tylko zegar czasu rzeczywistego jest stale zasilany. Boja wykorzystuje pin wyjściowy zegara czasu rzeczywistego do sterowania tranzystorem, umożliwiając dopływ mocy do reszty systemu. Gdy system jest włączony, zaczyna od pobrania pomiarów z czujników - w tym wartości napięcia z modułu monitora mocy. Wartość podana przez moduł monitora zasilania określa, jak długo system jest w stanie uśpienia przed wykonaniem kolejnego zestawu odczytów. Na ten czas jest ustawiony alarm, a następnie system sam się wyłącza!

Sam układ to wiele czujników i moduł radiowy podłączony do Arduino. Moduł GY-86, zegar czasu rzeczywistego (RTC), moduł monitora mocy i multiplekser I2C komunikują się z Arduino za pomocą I2C. Potrzebowaliśmy multipleksera I2C, ponieważ GY-86 i moduł RTC, którego używaliśmy, mają ten sam adres. Moduł multipleksera pozwala na komunikację bez dodatkowych kłopotów, chociaż może to być trochę przesada.

Moduł radiowy komunikuje się przez SPI.

Pierwotnie mieliśmy również moduł karty SD, ale spowodował tak wiele bólów głowy ze względu na rozmiar biblioteki SD, że zdecydowaliśmy się go złomować.

Spójrz na kod. Prawdopodobnie masz jakieś pytania – prawdopodobnie także utrzymujące się wątpliwości – i chętnie je usłyszymy. Szczegółowe samouczki zawierają wyjaśnienia dotyczące kodu, więc miejmy nadzieję, że uczynią go nieco jaśniejszym!

Próbowaliśmy logicznie oddzielić pliki kodu i użyć głównego pliku, aby je dołączyć, co wydawało się działać całkiem nieźle.

Krok 4: Budowanie - elektronika stacji bazowej

Stacja bazowa wykonana jest z wykorzystaniem Raspberry Pi Zero z dołączonym modułem radiowym. Obudowę dostaliśmy z https://www.thingiverse.com/thing:1595429. Jesteś super, wielkie dzięki!

Po uruchomieniu kodu na Arduino bardzo łatwo jest uzyskać pomiary na Raspberry Pi, uruchamiając kod listen_to_radio.py.

Krok 5: Pulpit nawigacyjny

Pokazanie, jak zrobiliśmy całą kreskę, byłoby trochę Odyseją, ponieważ był to dość długi i skomplikowany projekt. Jeśli ktoś chce wiedzieć, jak to zrobiliśmy, daj nam znać - programista T3ch Flicks z przyjemnością wykona samouczek na ten temat!

Po umieszczeniu tych plików na Raspberry Pi, powinieneś być w stanie uruchomić serwer i zobaczyć pulpit nawigacyjny z przychodzącymi danymi. Ze względów rozwojowych i aby zobaczyć, jak wyglądałaby kreska, gdyby była dostarczana przez dobre, regularne dane, dodaliśmy do serwera fałszywy generator danych. Uruchom to, jeśli chcesz zobaczyć, jak to wygląda, gdy masz więcej danych. Wyjaśnimy to również szczegółowo w późniejszym samouczku.

(Pamiętaj, że możesz znaleźć cały kod na

Krok 6: Wersja 2? - Problemy

Ten projekt nie jest absolutnie doskonały - lubimy myśleć o nim bardziej jako o prototypie/weryfikacji koncepcji. Chociaż prototyp działa na podstawowym poziomie: pływa, wykonuje pomiary i jest w stanie je przesyłać, nauczyliśmy się wielu rzeczy i zmienilibyśmy je na wersję drugą:

1. Naszym największym problemem był brak możliwości zmiany kodu boi po jej zaklejeniu. To było naprawdę małe przeoczenie i można było bardzo skutecznie rozwiązać problem za pomocą portu USB pokrytego gumową uszczelką. To jednak dodałoby zupełnie inną warstwę złożoności do procesu impregnacji 3D!
2. Stosowane przez nas algorytmy były dalekie od doskonałości. Nasze metody określania właściwości fal były dość prymitywne i ostatecznie spędziliśmy dużo czasu na czytaniu matematyki w celu łączenia danych z czujników z magnetometru, akcelerometru i żyroskopu. Jeśli ktoś to rozumie i jest chętny do pomocy, uważamy, że moglibyśmy uczynić te pomiary znacznie dokładniejszymi.
3. Niektóre czujniki zachowywały się trochę dziwnie. Czujnik temperatury wody był tym, który wyróżniał się jako szczególnie podejrzany - czasami prawie 10 stopni od rzeczywistej temperatury. Powodem tego mógł być po prostu zły czujnik lub coś go nagrzewało…

Krok 7: Wersja 2? - Ulepszenia

Arduino było dobre, ale jak wspomniano wcześniej, musieliśmy złomować moduł karty SD (który miał być kopią zapasową danych, jeśli wiadomości radiowe nie były w stanie wysłać) z powodu problemów z pamięcią. Możemy zmienić go na mocniejszy mikrokontroler, taki jak Arduino Mega lub Teensy, lub po prostu użyć innego Raspberry Pi zero. Jednak spowodowałoby to wzrost kosztów i zużycia energii.

Zastosowany przez nas moduł radiowy ma ograniczony zasięg kilku kilometrów przy bezpośredniej widoczności. Jednak w hipotetycznym świecie, w którym mogliśmy umieścić (bardzo) wiele boi na wyspie, moglibyśmy stworzyć taką sieć mesh. Jest tak wiele możliwości transmisji danych na duże odległości, w tym lora, grsm. Gdybyśmy byli w stanie użyć jednego z nich, może byłaby możliwa sieć mesh wokół wyspy!

Krok 8: Wykorzystanie naszej inteligentnej boi do badań

Zbudowaliśmy i uruchomiliśmy Boję na Grenadzie, małej wyspie na południowych Karaibach. Kiedy tam byliśmy, rozmawialiśmy z rządem Grenady, który powiedział, że Smart Booy, taka jak ta, którą stworzyliśmy, byłaby pomocna w dostarczaniu ilościowych pomiarów charakterystyki oceanu. Zautomatyzowane pomiary ograniczyłyby ludzki wysiłek i ludzkie błędy oraz zapewniłyby pomocny kontekst do zrozumienia zmieniających się wybrzeży. Rząd zasugerował również, że pomiary wiatru byłyby również pomocne dla ich celów. Nie mam pojęcia, jak sobie z tym poradzimy, więc jeśli ktoś ma jakieś pomysły…

Ważnym zastrzeżeniem jest to, że chociaż jest to naprawdę ekscytujący czas dla badań przybrzeżnych, zwłaszcza dotyczących technologii, przed pełnym wdrożeniem jest jeszcze długa droga.

Dziękujemy za przeczytanie wpisu na blogu podsumowującego serię Smart Buoy. Jeśli jeszcze tego nie zrobiłeś, obejrzyj nasz film podsumowujący na YouTube.

Zapisz się na naszą listę mailingową!

Część 1: Dokonywanie pomiaru fali i temperatury

Część 2: Radio GPS NRF24 i karta SD

Część 3: Planowanie zasilania boi

Część 4: Rozmieszczanie boi