WetRuler - pomiar wysokości oceanu: 8 kroków (ze zdjęciami)

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

Wczesnym latem ogłoszono, że obszar na Alasce zwany Prince William Sound zostanie nieoczekiwanie dotknięty globalnym ociepleniem zapoczątkowanym przez tsunami. Naukowcy, którzy dokonali odkrycia, wskazali na obszar szybko cofającego się lodu, który pozostawił górę gruzu, który wśliznął się do fiordu i wywołał 30-metrową falę, która w końcu uderzyłaby w miasto Whittier. Zdarzyło się to już wcześniej, podczas trzęsienia ziemi w 1964 r., Kiedy wstrząsy wywołały liczne tsunami w okolicznych fiordach i zniszczyły wybrzeże, w tym Whittier i Valdez, z wieloma zgonami. Łodzie wycieczkowe już nieufne wobec wirusa postanowiły nie zbliżać się do tego obszaru, a USFS zaoferowało zwrot pieniędzy za wynajęte kabiny. Tydzień później ostrzeżenie o tsunami uderzyło we wszystkie nasze telefony komórkowe! Podwodna latarnia wykryła falę związaną z niewielkim trzęsieniem ziemi u wybrzeży. Wszystkim regionalnym miastom kazano się ewakuować, jeśli znajdują się w pobliżu wody. Nic z tego nie wyszło. Jak mierzysz te wydarzenia? Ta instrukcja opisuje budowę małych czujników, które są w stanie mierzyć wysokość oceanu i przesyłać dane do odbiornika LORA lub bezpośrednio do GSM. Jednostki są kompaktowe i wydają się odporne na ich środowisko oraz są zasilane energią słoneczną. Przetestowałem je tutaj pod kątem osiągania powtarzalnych wysokości pływów, ale można je również wykorzystać do przewidywania wysokości fal i tsunami.

Krok 1: Zbierz swoje materiały

Istnieją dwie jednostki nadawcze, które zbudowałem - jedna obejmuje przesyłanie GSM (telefon komórkowy), a druga przesyłanie LORA. Możesz również rozważyć połączenie z sygnałem nawigacyjnym Sat, ponieważ wiele z tych obszarów nie ma zasięgu telefonii komórkowej. Sercem tych przyrządów jest czujnik MS5803-14BA, a jego użycie i montaż w różnych sytuacjach można znaleźć na tych stronach internetowych: https://thecavepearlproject.org/2016/09/21/field-…i http:/ /owhl.org. Drugi z nich przedstawia znakomicie zaprojektowany zdalny rejestrator z własną, specjalnie zaprojektowaną płytką drukowaną do długoterminowego pomiaru wysokości fali. Czujniki wydawały się tolerować wodę przez miesiące do roku, w zależności od konfiguracji.

1. MS5803-14BA - możesz je dostać od DigiKey za 13 USD, ale musisz wykonać trochę lutowania powierzchniowego lub kupić gotową płytkę zaciskową od SparkFun, ale da ci to 60 USD. Jeśli zrobisz to DIY, będziesz potrzebować małej płytki Adafruit do przylutowania i trochę żelu do lutowania niskotemperaturowego (140F), który okazał się pomocny. Cavepearlproject ma świetny samouczek, jak je ręcznie lutować – sugeruję zakup taniej stacji naprawczej od Amazona za 30 USD.

2. LILYGO 2 szt. TTGO LORA32 868/915 Mhz ESP32 LoRa-27 USD to dla pudełka LORA.

3. ARDUINO MKR GSM 1400 55 USD - to świetna płyta. Doskonale współpracuje z symulatorem Hologram. Niestety nie udało mi się namówić ich Arduino Sim do pracy z nową usługą pomimo wielu prób. Jeśli nadal masz dostęp do usługi 2GM, możesz wybrać coś tańszego, ale to całkowicie zawiodło na Alasce.

4. Ogniwa słoneczne Uxcell 2 szt. 6V 180mA Poly Mini moduł panelu słonecznego DIY do lekkich zabawek ładowarka 133mm x 73mm $8

5. 18650 Bateria 4 USD

6. TP4056-ładowarka $1

7. Włącz wytrzymały metalowy włącznik/wyłącznik z zielonym pierścieniem LED - zielony włącznik/wyłącznik 16 mm

8. Icstation 1S 3.7V wskaźnik testera napięcia akumulatora litowo-jonowego 4 sekcje Niebieski wyświetlacz LED $2

9. Adafruit TPL5111 Low Power Timer Breakout - genialne małe urządzenie do pomiaru czasu 6,00 USD

10. N-kanałowy MOSFET mocy - 30V / 60A $1.75

11. Moduł różnicowego przedłużacza długich kabli I2C PCA9600 firmy SandboxElectronics X2 (18 USD za sztukę) - w literaturze wspomina się o sukcesie z długimi kablami do I2C, ale przy codziennych 25-stopowych przypływach na Alasce potrzebujesz długich kabli… o tak, trochę kabla. Użyłem kabla big box 23 g 4 skrętki nadającego się do użytku na zewnątrz.

12. Adafruit BMP388 - Precyzyjne ciśnienie barometryczne i wysokościomierz $10

Krok 2: Zbuduj czujniki

Czujniki muszą być przylutowane powierzchniowo do małych płytek PCB. Dwie wcześniejsze prace dają kilka wskazówek, jak to zrobić. Kupiłem zarówno czujniki, jak i malutkie płytki od Digikey. Użyj lutu niskotemperaturowego firmy Adafruit i nałóż go na najmniejszą ilość przylegającą do nóżek czujnika, umieszczając go na płytce. Użyj dmuchawy do przeróbek, aby wtopić go na miejsce. Nie udało mi się to dobrze z konfiguracją do ręcznego lutowania i skończyło się na zwarciu niektórych padów. Reszta okablowania, jeśli poprawnie sprawdzisz swoje przewody, jest łatwa - umieść mały kondensator (0,1n) między przewodami zasilania i uziemienia i podnieś przewody CS i PSB. Cześć, aby zainicjować I2C i kontrolować adres czujnika. (Patrz rysunek) Masz dwie możliwości: 0 X 76 Hi i 0 X 77 dla Lo. Użyłem obu do utworzenia różdżki czujnika z czujnikami umieszczonymi jedną stopą od siebie, aby podać różnicę ciśnień dowolnego pomiaru. Zaprojektowałem wydrukowaną w 3D obudowę czujnika, aby umożliwić jego całkowite zamknięcie w przezroczystej żywicy epoksydowej. Ujście uchwytu stożkowego idealnie pasuje do maleńkiej nierdzewnej szyjki czujnika, a uszczelnione umieszczenie odbywa się za pomocą maleńkiego pierścienia superglue, który utrzymuje go na miejscu i uszczelnia go w celu zakapsułkowania żywicą epoksydową.

Krok 3: Wydrukuj swoją obudowę w 3D

Dwie główne obudowy GSM i Lora są takie same z wkładkami do paneli bocznych do paneli słonecznych. Jedynym modyfikacją dla Lory był otwór antenowy na górze, który należy wywiercić w zależności od średnicy twojego urządzenia. Antena GSM mieści się w drugim pudełku. Panel sterowania w każdym z nich jest identyczny z otworami do włączania/wyłączania i przyciskiem włączania ekranu poziomu baterii. Nóżki są drukowane oddzielnie i przyklejane do obudów w rogach i zapewniają różne opcje montażu. Mała wieżyczka i zakrętka są przyklejone wokół otworu na uchwyt microUSB, aby chronić go przed wnikaniem wody. Urządzenie jest zasadniczo bardzo wodoodporne i wydrukowane z PETG, aby zminimalizować zniekształcenia termiczne. Użyłem mosiężnych uchwytów na śruby w obudowie głównej na 3mm śruby w obudowie. Istnieją pliki dla dwóch mocowań czujników - jeden ma dwa czujniki zamontowane w odległości od siebie na różdżce z tworzywa lucytowego z mocowaniem do skrzynki "wzmacniacza" I2C z obwodem zamontowanym i epoksydowanym od wewnątrz. Ta różdżka ma również dwa wydrukowane w 3D otwory, aby pomieścić opcje montażu. Druga obudowa czujnika to pojedynczy krążek z wkręconym w niego jednym z czujników i wycięciem z tyłu na „dopalacz” I2C. Wszystkie są wydrukowane w PETG. Pozostałe pliki to malutka obudowa do odbiornika Lora z małym okienkiem na OLED.

Krok 4: Podłącz to

Czujniki są połączone równolegle z liniami SDA, SCL, Pos i Gnd, wszystkie połączone w jeden skręcony kabel z czterema przewodami. Wzmacniacze I2C są bardzo łatwe w użyciu - podłączając oba czujniki do linii wejściowych i interweniujący długi kabel do 60 metrów dołączony do tego samego typu jednostki odbiorczej. Jeśli pojedziesz dłużej, być może będziesz musiał zmienić rezystory podciągające na płytkach. Schematy okablowania dla pozostałych znajdują się powyżej. Obwód działa poprzez włącznik/wyłącznik wysyłający zasilanie do Adafruit TPL5111, który jest ustawiony na 57 omów, aby co 10 minut włączać wysoki poziom Enable - można oczywiście dostosować to do mniejszej lub większej częstotliwości transmisji danych. Kontroluje to MOSFET na ziemi płyty głównej (albo Lora lub Arduino 400 GSM). (Odkryłem, że płyty takie jak GSM i ESP32 mają zbyt duży pobór mocy dla TPL, chyba że używasz z nimi MOSFET…) Zasilanie czujników i BMP388 pochodzi z płyty głównej, gdy jest włączona: 3v. Rezystory podciągające są na dopalaczach I2C i nie są potrzebne do czujników w tym obwodzie. Płytka ładująca TP4056 świetnie współpracuje z dwoma panelami słonecznymi i dołączoną baterią 18650. Przycisk po prostu łączy wyjście baterii z małym ekranem poziomu baterii. Dwa czujniki dołączone do różdżki lucite wykorzystują dwa dostępne adresy, w tym adres BMP388 (0 X 77), więc musisz podłączyć BMP z SPI do płyt głównych, jeśli używasz dwóch czujników ciśnienia wody. Jeśli używasz tylko jednego (krążka), możesz połączyć go z I2C i użyć pozostałego dostępnego adresu (0 X 77) dla BMP.

Krok 5: Zbuduj to

Użyłem desek perforowanych, aby wszystko wykpić. Płyta główna TPL, BMP poszła na jedną płytę. Przełączniki zostały przykręcone gumowymi pierścieniami. Płytka ładowarki montowana jest na wysięgniku płyty czołowej sterowania z microUSB skierowanym na zewnątrz. Wieża wodoszczelna została przyklejona z przodu, a nakrętka została uszczelniona odrobiną smaru silikonowego na gwintach. Różdżka lucytu została wycięta z dwóch warstw 1/4 plastiku z czujnikami zamontowanymi dokładnie w odległości jednej stopy. Wydrukowane w 3D otwory montażowe zostały umieszczone na końcach, a wzmacniacz I2C został przykręcony w środku, gdzie wykonano wszystkie połączenia przewodów. Czujnik krążka został wydrukowany w 3D, a wzmacniacz epoksydowy wewnątrz i podłączony do jednego czujnika. W górnej części Lora wywiercono otwór, aby pomieścić antenę, a z tyłu każdej jednostki umieszczono otwory, aby pomieścić przewód z czujników. Zip przywiąż do niego drut po przyklejeniu go na miejscu. Wszystkie połączenia kablowe są obkurczane termicznie, a następnie malowane płynną taśmą elektryczną w celu zabezpieczenia przed wodą.

Krok 6: Zaprogramuj to

Naprawdę nie ma zbyt wiele do programu. W dużej mierze opiera się na bibliotekach dostarczonych z czujnikami – które działają idealnie i cudzie oprogramowania GSM Blynk dla płyty Arduino, które doskonale współpracuje z chmurą Hologram. Załóż konto Hologram i zdobądź od nich kartę SIM, którą możesz umieścić w swojej tablicy Arduino 400 GSM. Cały proces uzgadniania jest obsługiwany przez bibliotekę Blynk--GSM Arduino. Adafruit napisał bibliotekę dla BMP, a ja użyłem biblioteki SparkFun dla MS5803. Oba wyjścia temperatury z czujników, jeśli chcesz. Wyregulowane programowo piny mogą używać praktycznie wszystkiego na płycie głównej. Użyłem procedury timera Blynk, aby przypadkowo nie przeciążyć aplikacji Blynk. Musisz oczywiście uważać na ilość danych, które przesyłasz przez łącze GSM-Hologram lub możesz zarobić niewielki rachunek – nie za duży – zużywał on około 3 MB tygodniowo, co daje około 40 centów. Wgrywałem tylko trzy pomiary ciśnienia - 2 pod wodą i jeden z obudowy (BMP). Ostatnią częścią programu jest wyłączenie TPL poprzez podniesienie do HI pinu done na jednostce, który mówi, że dane zostały przesłane. Aplikacja Blynk jest cudowna jak zawsze i możesz zaprojektować dowolny ekran wyjściowy, a najlepszą częścią jest możliwość pobrania stosu danych przez e-mail w dowolnym momencie.

Jednostka Lora korzysta z tych samych bibliotek i używa jednostki OLED (wyłączyłem to w oprogramowaniu jednostki nadawczej, aby oszczędzać energię) i ustawia częstotliwość dla Twojej konkretnej lokalizacji. Następnie buduje ciąg danych z separatorami, które umożliwiają wysyłanie odczytów czujnika za jednym razem. Następnie aktywuje swój gotowy pin, aby się wyłączyć. Jednostka odbiorcza rozbija słowo i wysyła informacje do aplikacji Blynk przez zawsze włączone łącze WIFI. Odbiornik jest niewiarygodnie mały i podłącza się do brodawki ściennej.

Krok 7: Korzystanie z niego

Maleńka głowica czujnika wychwytuje z dużą dokładnością całą siłę nacisku na nią z góry – w tym całe ciśnienie powietrza i wody. Tak więc sporadyczne zmiany wysokości oceanu - jak fale i zmiany ciśnienia powietrza spowodowane burzami nad oceanem - wszystko to ma na to wpływ. To jest powód umieszczenia czujnika ciśnienia barometrycznego w etui (upewnij się, że zapewniłeś kilka małych otworów powietrznych, aby umożliwić jego prawidłowy odczyt). Różdżka z dwoma czujnikami jest zakotwiczona w oceanie na głębokości, na której będzie nadal pokryta wodą nawet podczas odpływu. Na jakiej głębokości umieścisz czujniki jest arbitralne, ponieważ będą one mierzyć tylko zmianę wysokości słupa wody powyżej wysokości bezwzględnej. Użyłem cegły jako kotwicy z przymocowaną linką do zamontowania różdżki czujnika kilka stóp od dna. Do górnego drążka różdżki przymocowano pływak, który utrzymywał czujniki w pionowej orientacji stopy. Skręcona para drutu i lina prowadziły do doku, gdzie były przywiązane z dużą ilością luzu, aby dostosować się do odpływu. Jednostka nadawcza GSM została zamontowana na pobliskiej łodzi. Monitoring trwał ponad miesiąc. Dwa czujniki dawały odczyty konsekwentnie rozdzielone przez 28 jednostek, które reprezentowały różnicę ciśnień w stopie wody w tym miejscu. Ciśnienie barometryczne odjęto od danych z dolnego czujnika i podzielono przez 28, aby uzyskać stopowy odpowiednik wznoszenia się i opadania powierzchni oceanu w okresach 10 minut. Powyższy wykres przedstawia porównanie z wykresem NOAA dla tego samego okresu. Rzeczywisty czujnik/stopki wznoszenia i opadania zostały sprawdzone z rzeczywistym ruchem stacji dokującej i stwierdzono, że mają dokładność do 1/2 cala. Nawet przy wysokim zużyciu energii GSM transmituje co dziesięć minut, panele słoneczne z łatwością nadążają za zapotrzebowaniem w tym ciemnym środowisku lasu deszczowego.

Krok 8: Więcej

Wcześniejsze zastosowania tych czujników przez wspomniane już źródła dotyczyły badania wysokości fal. Moje wyniki pochodziły ze spokojnego portu z minimalną aktywnością fal napędzanych wiatrem, ale można zebrać te dane, zwiększając częstotliwość próbkowania i uzyskując średnie kroczące wyników. System Lora działa dobrze na odległościach, które zapewniłyby siatkową sieć informacji o falach dla wielu lokalizacji wzdłuż wybrzeża. Byłoby to idealne rozwiązanie dla osób zainteresowanych surfingiem. Niski koszt i bardzo małe rozmiary tych niezależnych jednostek sprawiłyby, że opracowanie informacji o wybrzeżach byłoby łatwym zadaniem. Obecnie przechwytywanie informacji o pływach jest bardzo skomplikowaną i zależną od infrastruktury działalnością rządu, ale może się to zmienić wraz z przyjęciem alternatywnych urządzeń. Blynk jest teraz zaprogramowany, aby powiadomić mnie o następnym tsunami!