Miernik poziomu wody w studni w czasie rzeczywistym: 6 kroków (ze zdjęciami)

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

Te instrukcje opisują, jak zbudować tani wodomierz w czasie rzeczywistym do użytku w studniach kopanych. Miernik poziomu wody jest przeznaczony do zawieszenia w wykopanej studni, pomiaru poziomu wody raz dziennie i wysyłania danych przez Wi-Fi lub połączenie komórkowe na stronę internetową w celu natychmiastowego przeglądania i pobierania. Koszt części do zbudowania licznika wynosi około 200 Can$ za wersję WiFi i 300 Can$ za wersję komórkową. Miernik pokazano na rysunku 1. Pełny raport z instrukcją budowy, wykazem części, wskazówkami dotyczącymi budowy i obsługi miernika oraz instalacji miernika w studni znajduje się w załączonym pliku (Instrukcje miernika poziomu wody.pdf). Mierniki poziomu wody zostały wykorzystane do opracowania regionalnej, działającej w czasie rzeczywistym sieci monitorowania płytkich warstw wodonośnych w Nowej Szkocji w Kanadzie: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm… Instrukcja budowy podobnego miernika do pomiaru wody temperatura, przewodność i poziomy wody są dostępne tutaj:

Miernik poziomu wody wykorzystuje czujnik ultradźwiękowy do pomiaru głębokości wody w studni. Czujnik jest podłączony do urządzenia Internetu Rzeczy (IoT), które łączy się z siecią Wi-Fi lub komórkową i wysyła dane o poziomie wody do usługi internetowej w celu wykreślenia. Usługa sieciowa użyta w tym projekcie to ThingSpeak.com, z której można korzystać bezpłatnie w przypadku niekomercyjnych małych projektów (mniej niż 8 200 wiadomości dziennie). Aby miernik w wersji WiFi działał, musi znajdować się w pobliżu sieci WiFi. Studnie domowe często spełniają ten warunek, ponieważ znajdują się blisko domu z WiFi. Miernik nie zawiera rejestratora danych, raczej wysyła dane o poziomie wody do ThingSpeak, gdzie są przechowywane w chmurze. Dlatego w przypadku problemów z transmisją danych (np. podczas przerwy w dostępie do Internetu) dane o stanie wody na ten dzień nie są przesyłane i są trwale tracone.

Miernik został zaprojektowany i przetestowany dla studni kopanych o dużej średnicy (0,9 m średnicy wewnętrznej) o płytkich głębokościach wody (poniżej 10 m pod powierzchnią gruntu). Potencjalnie może być jednak wykorzystany do pomiaru poziomu wody w innych sytuacjach, takich jak studnie monitoringu środowiska, studnie wiercone i zbiorniki wód powierzchniowych.

Prezentowany projekt miernika został zmodyfikowany po mierniku, który został wykonany do pomiaru poziomu wody w zbiorniku wody użytkowej i raportowania poziomu wody za pośrednictwem Twittera, opublikowanym przez Tima Ousleya w 2015 roku: https://www.instructables.com/id/Wi -Fi-Twitter-Wa…. Główne różnice pomiędzy projektem oryginalnym a przedstawionym tutaj to możliwość obsługi miernika na bateriach AA zamiast przewodowego zasilacza, możliwość przeglądania danych w postaci wykresu szeregów czasowych zamiast wiadomości na Twitterze oraz wykorzystanie czujnika ultradźwiękowego zaprojektowanego specjalnie do pomiaru poziomu wody.

Instrukcje krok po kroku dotyczące budowy wodomierza znajdują się poniżej. Zaleca się, aby budowniczy przeczytał wszystkie etapy budowy przed rozpoczęciem procesu budowy licznika. Urządzenie IoT użyte w tym projekcie to Particle Photon, dlatego w kolejnych rozdziałach terminy „Urządzenie IoT” i „Photon” są używane zamiennie.

Kieszonkowe dzieci

Części elektroniczne:

Czujnik – MaxBotix MB7389 (zasięg 5m)

Urządzenie IoT - Particle Photon z nagłówkami

Antena (antena wewnętrzna montowana w obudowie miernika) – złącze 2,4 GHz, 6dBi, IPEX lub u. FL, długość 170 mm

Akumulator – 4 x AA

Przewód – przewód połączeniowy ze złączami wciskanymi (długość 300 mm)

Baterie – 4 x AA

Części hydrauliczne i sprzętowe:

Rura - ABS, średnica 50 mm (2 cale), długość 125 mm

Górna pokrywa, ABS, 50 mm (2 cale), gwintowana z uszczelką, aby zapewnić wodoszczelne uszczelnienie

Dolna nasadka, PVC, 50 mm (2 cale) z ¾ calowym gwintem wewnętrznym NPT pasującym do czujnika

2 złączki rurowe, ABS, 50 mm (2 cale) do podłączenia górnej i dolnej zaślepki do rury ABS

Śruba oczkowa i 2 nakrętki ze stali nierdzewnej (1/4 cala) do zawieszenia na górnej pokrywie

Inne materiały: taśma elektryczna, taśma teflonowa, lut, silikon, klej do montażu obudowy

Krok 1: Złóż obudowę miernika

Zmontuj obudowę miernika, jak pokazano na rysunkach 1 i 2 powyżej. Całkowita długość zmontowanego miernika, od czubka do czubka, łącznie z czujnikiem i śrubą oczkową, wynosi około 320 mm. Rura ABS o średnicy 50 mm używana do wykonania obudowy miernika powinna zostać przycięta do około 125 mm długości. Dzięki temu wewnątrz obudowy jest wystarczająco dużo miejsca, aby pomieścić urządzenie IoT, akumulator i wewnętrzną antenę o długości 170 mm.

Uszczelnij wszystkie złącza klejem silikonowym lub ABS, aby obudowa była wodoszczelna. Jest to bardzo ważne, w przeciwnym razie wilgoć może dostać się do wnętrza obudowy i zniszczyć wewnętrzne elementy. Wewnątrz obudowy można umieścić małe opakowanie ze środkiem osuszającym, aby wchłonąć wilgoć.

Zamontuj śrubę oczkową w górnej nasadce, wiercąc otwór i wkładając śrubę oczkową i nakrętkę. Aby zabezpieczyć śrubę oczkową, należy użyć nakrętki zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz obudowy. Silikon wewnątrz nasadki w otworze na śrubę, aby był wodoszczelny.

Krok 2: Podłącz przewody do czujnika

Do czujnika należy przylutować trzy przewody (patrz rysunek 3a) w celu połączenia go z fotonem (tj. piny czujnika GND, V+ i Pin 2). Przylutowanie przewodów do czujnika może być trudne, ponieważ otwory połączeniowe w czujniku są małe i blisko siebie. Bardzo ważne jest, aby przewody były odpowiednio przylutowane do czujnika, aby zapewnić dobre, mocne połączenie fizyczne i elektryczne oraz brak łuków lutowniczych między sąsiednimi przewodami. Dobre oświetlenie i soczewka powiększająca pomagają w procesie lutowania. Dla tych, którzy nie mają wcześniejszego doświadczenia w lutowaniu, zaleca się lutowanie próbne przed przylutowaniem przewodów do czujnika. Samouczek online na temat lutowania jest dostępny w firmie SparkFun Electronics (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…).

Po przylutowaniu przewodów do czujnika, nadmiar gołego przewodu, który wystaje z czujnika, można odciąć za pomocą obcinaków do drutu na długość około 2 mm. Zaleca się, aby spoiny lutowane były pokryte grubą warstwą silikonu. Daje to połączeniom większą wytrzymałość i zmniejsza ryzyko korozji i problemów elektrycznych na połączeniach czujnika, jeśli wilgoć dostanie się do obudowy miernika. Taśma elektryczna może być również owinięta wokół trzech przewodów przy połączeniu czujnika, aby zapewnić dodatkową ochronę i odciążenie, zmniejszając ryzyko zerwania przewodów na złączach lutowanych.

Przewody czujnika mogą mieć na jednym końcu złącza typu push-on (patrz Rysunek 3b) do podłączenia do fotonu. Zastosowanie złączy na wcisk ułatwia montaż i demontaż miernika. Przewody czujnika powinny mieć co najmniej 270 mm długości, aby mogły rozciągać się na całą długość obudowy miernika. Ta długość pozwoli na podłączenie Photona od górnego końca obudowy z czujnikiem umieszczonym na dolnym końcu obudowy. Należy zauważyć, że ta zalecana długość przewodu zakłada, że rura ABS użyta do wykonania obudowy miernika jest przycięta do długości 125 mm. Przed odcięciem i przylutowaniem przewodów do czujnika należy upewnić się, że długość przewodu 270 mm jest wystarczająca, aby wystawać poza górną część obudowy miernika, aby można było podłączyć foton po złożeniu obudowy i zamocowaniu czujnika na stałe do walizka.

Czujnik można teraz przymocować do obudowy miernika. Należy go mocno wkręcić w dolną nakrętkę za pomocą taśmy teflonowej, aby zapewnić wodoszczelność.

Krok 3: Podłącz czujnik, akumulator i antenę do urządzenia IoT

Podłącz czujnik, akumulator i antenę do fotonu (Rysunek 4) i włóż wszystkie części do obudowy miernika. Lista połączeń pinów wskazanych na rysunku 4 znajduje się poniżej. Przewody czujnika i pakietu akumulatorów można podłączyć przez lutowanie bezpośrednio do Photona lub za pomocą złączy typu push-on, które podłącza się do kołków rozgałęźnych na spodzie fotonu (jak pokazano na rysunku 2). Zastosowanie złączy na wcisk ułatwia demontaż miernika lub wymianę fotonu w przypadku jego awarii. Połączenie antenowe w Photonie wymaga złącza typu u. FL (Rysunek 4) i musi być bardzo mocno wciśnięte w Photon, aby wykonać połączenie. Nie wkładaj baterii do zestawu baterii, dopóki miernik nie będzie gotowy do testowania lub instalacji w studni. W tej konstrukcji nie ma włącznika/wyłącznika, więc miernik włącza się i wyłącza po włożeniu i wyjęciu baterii.

Lista połączeń pinów w urządzeniu IoT (Particle Photon):

Photon pin D3 - podłącz do - Pin czujnika 2, dane (brązowy przewód)

Photon pin D2 - podłącz do - Sensor pin 6, V+ (czerwony przewód)

Pin fotonowy GND - podłącz do - Pin czujnika 7, GND (przewód czarny)

Photon pin VIN - podłączenie do - Battery pack, V+ (czerwony przewód)

Foton pin GND - podłącz do - Battery pack, GND (czarny przewód)

Pin Photon u. FL - podłącz do - Antena

Krok 4: Konfiguracja oprogramowania

Aby skonfigurować oprogramowanie miernika, należy wykonać pięć głównych kroków:

1. Utwórz konto Particle, które zapewni interfejs online z Photonem. Aby to zrobić, pobierz aplikację mobilną Particle na smartfona: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. Po zainstalowaniu aplikacji utwórz konto Particle i postępuj zgodnie z instrukcjami online, aby dodać Photona do konta. Pamiętaj, że dodatkowe fotony można dodać do tego samego konta bez konieczności pobierania aplikacji Particle i ponownego tworzenia konta.

2. Utwórz konto ThingSpeak https://thingspeak.com/login i skonfiguruj nowy kanał, aby wyświetlać dane o poziomie wody. Przykład strony internetowej ThingSpeak dla wodomierza pokazano na rysunku 5, który można również obejrzeć tutaj: https://thingspeak.com/channels/316660. Instrukcje dotyczące konfiguracji kanału ThingSpeak znajdują się na https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w… Pamiętaj, że dodatkowe kanały dla innych Photonów można dodać do tego samego konta bez konieczności tworzenia kolejnego konta ThingSpeak.

3. Do przesyłania danych o poziomie wody z Photona do kanału ThingSpeak wymagany jest „webhook”. Instrukcje dotyczące konfiguracji webhooka znajdują się pod adresem https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. Jeśli budowany jest więcej niż jeden wodomierz, dla każdego dodatkowego Photona należy utworzyć nowy webhook o unikalnej nazwie.

4. Webhook, który został utworzony w powyższym kroku należy wstawić do kodu obsługującego Photona. Kod do wersji WiFi wodomierza znajduje się w załączonym pliku (Code1_WiFi.txt). Na komputerze przejdź do strony internetowej Particle https://login.particle.io/login?redirect=https://… zaloguj się na konto Particle i przejdź do interfejsu aplikacji Particle. Skopiuj kod i użyj go do utworzenia nowej aplikacji w interfejsie aplikacji Particle. Wstaw nazwę webhooka utworzonego powyżej w wierszu 87 kodu. Aby to zrobić, usuń tekst w cudzysłowie i wstaw nową nazwę webhooka w cudzysłowie w wierszu 87, który brzmi następująco:

Particle.publish("Wstaw_nazwa_webhooka_wewnątrz_te_cytaty", String(GWelevation, 2),PRYWATNE);

5. Kod można teraz zweryfikować, zapisać i zainstalować na Photonie. Pamiętaj, że kod jest przechowywany i instalowany w Photonie z chmury. Ten kod będzie używany do obsługi wodomierza, gdy znajduje się on w studni. Podczas instalacji w terenie należy wprowadzić pewne zmiany w kodzie, aby ustawić częstotliwość raportowania raz dziennie i dodać informacje o studni (jest to opisane w załączonym pliku Water Level Meter Instructions.pdf w sekcji zatytułowanej „ Instalacja miernika w studni wodnej”).

Krok 5: Przetestuj miernik

Budowa licznika i konfiguracja oprogramowania zostały zakończone. W tym momencie zaleca się przetestowanie miernika. Powinny zostać wykonane dwa testy. Pierwszy test służy do potwierdzenia, że miernik może poprawnie mierzyć poziom wody i przesyłać dane do ThingSpeak. Drugi test służy do potwierdzenia, że pobór mocy Photona mieści się w oczekiwanym zakresie. Ten drugi test jest przydatny, ponieważ baterie ulegną awarii szybciej niż oczekiwano, jeśli Photon zużywa zbyt dużo energii.

Do celów testowych kod jest ustawiony na pomiar i raportowanie poziomu wody co dwie minuty. Jest to praktyczny okres oczekiwania między pomiarami podczas testowania miernika. Jeśli pożądana jest inna częstotliwość pomiaru, zmień zmienną o nazwie MeasureTime w linii 16 kodu na żądaną częstotliwość pomiaru. Częstotliwość pomiaru podaje się w sekundach (tj. 120 sekund to dwie minuty).

Pierwszy test można wykonać w biurze, zawieszając miernik nad podłogą, włączając go i sprawdzając, czy kanał ThingSpeak dokładnie podaje odległość między czujnikiem a podłogą. W tym scenariuszu testowym impuls ultradźwiękowy odbija się od podłogi, co służy do symulacji powierzchni wody w studni.

W drugim teście należy zmierzyć prąd elektryczny między akumulatorem a Photonem, aby potwierdzić, że jest zgodny ze specyfikacją w arkuszu danych Photona: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… Doświadczenie pokazuje, że ten test pomaga zidentyfikować wadliwe urządzenia IoT przed ich wdrożeniem w terenie. Zmierz prąd poprzez umieszczenie miernika prądu pomiędzy dodatnim przewodem V+ (czerwony przewód) na akumulatorze a pinem VIN na Photonie. Prąd powinien być mierzony zarówno w trybie pracy, jak i w trybie głębokiego uśpienia. W tym celu należy włączyć Photona, który uruchomi się w trybie pracy (co wskazuje dioda LED na Photonie zmieniająca kolor na cyjan), który będzie działał przez około 20 sekund. Użyj miernika prądu, aby obserwować prąd roboczy w tym czasie. Photon automatycznie przejdzie w stan głębokiego uśpienia na dwie minuty (co wskazuje zgaśnięcie diody LED na Photonie). Użyj miernika prądu, aby obserwować prąd głębokiego snu w tym czasie. Prąd roboczy powinien wynosić od 80 do 100 mA, a prąd głębokiego uśpienia powinien wynosić od 80 do 100 µA. Jeśli prąd jest wyższy niż te wartości, Photon należy wymienić.

Miernik jest teraz gotowy do zainstalowania w studni (Rysunek 6). Instrukcja instalacji miernika w studni znajduje się w załączonym pliku (Instrukcje miernika poziomu wody.pdf).

Krok 6: Jak zrobić wersję komórkową miernika

Wersję komórkową wodomierza można zbudować dokonując modyfikacji wcześniej opisanego wykazu części, instrukcji i kodu. Wersja komórkowa nie wymaga WiFi, ponieważ łączy się z Internetem za pomocą sygnału komórkowego. Koszt części do zbudowania komórkowej wersji miernika wynosi około 300 Can$ (bez podatków i kosztów wysyłki) plus około 4 Can$ miesięcznie za plan taryfowy danych komórkowych, który jest dostarczany z telefonicznym urządzeniem IoT.

Licznik komórkowy wykorzystuje te same części i kroki konstrukcyjne wymienione powyżej, z następującymi modyfikacjami:

• Zastąp urządzenie WiFi IoT (Particle Photon) urządzeniem komórkowym IoT (Particle Electron): https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. Podczas konstruowania licznika użyj tych samych połączeń pinów opisanych powyżej dla wersji WiFi licznika w kroku 3.

• Komórkowe urządzenie IoT zużywa więcej energii niż wersja WiFi, dlatego zalecane są dwa źródła baterii: bateria Li-Po 3,7 V, która jest dostarczana z urządzeniem IoT, oraz zestaw baterii z 4 bateriami AA. Akumulator LiPo 3,7 V podłącza się bezpośrednio do urządzenia IoT za pomocą dostarczonych złączy. Zestaw baterii AA jest podłączany do urządzenia IoT w taki sam sposób, jak opisano powyżej dla wersji WiFi miernika w kroku 3. Testy terenowe wykazały, że wersja komórkowa miernika będzie działać przez około 9 miesięcy przy użyciu opisanej powyżej konfiguracji baterii. Alternatywą do stosowania zarówno pakietu AA jak i akumulatora Li-Po 2000 mAh 3,7 V jest zastosowanie jednego akumulatora Li-Po 3,7 V o większej pojemności (np. 4000 lub 5000 mAh).

• Do miernika musi być podłączona antena zewnętrzna, taka jak: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. Upewnij się, że jest on przystosowany do częstotliwości używanej przez dostawcę usług komórkowych, w którym będzie używany wodomierz. Antena dołączona do mobilnego urządzenia IoT nie nadaje się do użytku na zewnątrz. Antena zewnętrzna może być podłączona za pomocą długiego (3 m) kabla, który umożliwia przymocowanie anteny na zewnątrz odwiertu przy głowicy (Rysunek 7). Zaleca się włożenie kabla antenowego przez spód obudowy i dokładne uszczelnienie silikonem, aby zapobiec wnikaniu wilgoci (Rysunek 8). Zalecany jest dobrej jakości, wodoodporny, zewnętrzny przedłużacz koncentryczny.

• Komórkowe urządzenie IoT działa na innym kodzie niż wersja WiFi licznika. Kod dla komórkowej wersji licznika znajduje się w załączonym pliku (Code2_Cellular.txt).