Sewer'Sway: 3 kroki

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

Obecny proces czyszczenia linii kanalizacyjnych jest raczej reaktywny niż proaktywny. Rozmowy telefoniczne są rejestrowane w przypadku zatkania linii kanalizacyjnej w okolicy. Co więcej, ręcznym padlinożercom trudno jest wyzerować punkt błędu. Wykorzystują metodę próbną, aby przeprowadzić proces czyszczenia w wielu studzienkach w dotkniętym obszarze, tracąc dużo czasu. Dodatkowo wysokie stężenie toksycznych gazów powoduje rozdrażnienie, bóle głowy, zmęczenie, infekcje zatok, zapalenie oskrzeli, zapalenie płuc, utratę apetytu, słabą pamięć i zawroty głowy.

Rozwiązaniem jest zaprojektowanie prototypu, czyli niewielkiego urządzenia - o kształcie pióra - osadzonego na pokrywie włazu. Dolna część urządzenia, która przy zamkniętej pokrywie wystawiona jest na wnętrze włazu - składa się z czujników wykrywających poziom wody w kanale oraz stężenie gazów w tym metanu, tlenku węgla, dwutlenku węgla i tlenków azotu. Dane są gromadzone do stacji głównej, która komunikuje się z tymi urządzeniami zainstalowanymi przy każdym włazie przez LoRaWAN i przesyła dane do serwera w chmurze, na którym znajduje się pulpit nawigacyjny do celów monitoringu. Co więcej, wypełnia to lukę między władzami miejskimi odpowiedzialnymi za konserwację kanalizacji i wywóz śmieci. Zainstalowanie tych urządzeń na terenie miasta pozwoli na prewencyjne rozwiązanie identyfikacji i lokalizacji zatkanej linii kanalizacyjnej, zanim ścieki dotrą na powierzchnię.

Kieszonkowe dzieci

1. Czujnik ultradźwiękowy - HC-SR04

2. Czujnik gazu - MQ-4

3. Bramka LoRa - Raspberry pi 3

4. Moduł LoRa - Semtech SX1272

5. WęzełMCU

6. Moduł brzęczyka

7. Akumulator litowo-jonowy 500 mAh, 3,7 V;

Krok 1:

W przypadku pierwszego prototypu jako obudowę użyłem tic-tac (pudełko świeżych miętówek). Podłączenie czujników ultradźwiękowych zostało wykonane w taki sposób, aby Tx i Rx były skierowane w stronę przepływu ścieków. Połączenia z czujnikiem ultradźwiękowym i czujnikiem gazu są bardzo łatwe. Wystarczy zasilić poszczególne czujniki i użyć dowolnego z 8 cyfrowych pinów dostępnych w NodeMCU do odczytu danych. Narysowałem powiązania dla lepszego zrozumienia.

Krok 2: Zapoznanie się z SEMTECH SX1272

Naszym następnym krokiem byłoby zainstalowanie bibliotek na naszym NodeMCU.

Biblioteki do modułu Semtech LoRa znajdziesz pod tym linkiem:https://github.com/lupyuen/LoRaArduino

Aby zainstalować tę bibliotekę:

• Zainstaluj go za pomocą menedżera Arduino Library ("Sketch" -> "Include Library" -> "Manage Libraries…") lub
• Pobierz plik zip z github za pomocą przycisku „Pobierz ZIP” i zainstaluj go za pomocą IDE („Szkic” -> „Dołącz bibliotekę” -> „Dodaj bibliotekę. ZIP…”
• Sklonuj to repozytorium git do folderu szkicownika/bibliotek.

Aby ta biblioteka działała, twoje Arduino (lub jakakolwiek używana płyta kompatybilna z Arduino) powinna być podłączona do transceivera. Dokładne połączenia są nieco zależne od płyty nadawczo-odbiorczej i używanego Arduino, więc ta sekcja próbuje wyjaśnić, do czego służy każde połączenie i w jakich przypadkach jest (nie) wymagane.

Zauważ, że moduł SX1272 działa na 3,3 V i prawdopodobnie nie lubi 5 V na swoich pinach (chociaż w arkuszu danych nic o tym nie mówi, a mój transceiver oczywiście nie zepsuł się po przypadkowym użyciu 5 V I/O przez kilka godzin). Aby być bezpiecznym, upewnij się, że używasz przełącznika poziomu lub Arduino działającego z napięciem 3,3 V. Płytka ewaluacyjna Semtech ma rezystory 100 omów połączone szeregowo ze wszystkimi liniami danych, które mogą zapobiec uszkodzeniom, ale nie liczyłbym na to.

Transceivery SX127x wymagają napięcia zasilania pomiędzy 1,8V a 3,9V. Korzystanie z zasilania 3,3 V jest typowe. Niektóre moduły mają pojedynczy pin zasilania (jak moduły HopeRF, oznaczone 3,3 V), ale inne udostępniają wiele pinów zasilania dla różnych części (takich jak płytka ewaluacyjna Semtech, która ma VDD_RF, VDD_ANA i VDD_FEM), które można ze sobą połączyć. Wszelkie piny GND muszą być podłączone do pinów Arduino GND.

Podstawowym sposobem komunikacji z transceiverem jest SPI (Serial Peripheral Interface). Wykorzystuje cztery piny: MOSI, MISO, SCK i SS. Trzy pierwsze muszą być bezpośrednio połączone: więc MOSI z MOSI, MISO z MISO, SCK z SCK. Gdzie te piny znajdują się na twoim Arduino, różni się, zobacz na przykład sekcję "Połączenia" w dokumentacji Arduino SPI. Połączenie SS (slave select) jest nieco bardziej elastyczne. Po stronie SPI slave (transceiver) musi być podłączony do styku (zazwyczaj) oznaczonego NSS. Po stronie mastera SPI (Arduino) ten pin może łączyć się z dowolnym pinem I/O. Większość Arduino ma również pin oznaczony „SS”, ale ma to znaczenie tylko wtedy, gdy Arduino działa jako slave SPI, co nie ma miejsca w tym przypadku. Niezależnie od tego, jaki pin wybierzesz, musisz poinformować bibliotekę, jakiego pinu użyłeś poprzez mapowanie pinów (patrz poniżej).

Piny DIO (cyfrowe I/O) na płytce nadawczo-odbiorczej mogą być skonfigurowane do różnych funkcji. Biblioteka LMIC używa ich do uzyskania natychmiastowej informacji o stanie z transceivera. Na przykład, gdy rozpoczyna się transmisja LoRa, pin DIO0 jest skonfigurowany jako wyjście TxDone. Po zakończeniu transmisji pin DIO0 jest ustawiany w stan wysoki przez transceiver, co może być wykryte przez bibliotekę LMIC. Biblioteka LMIC potrzebuje tylko dostępu do DIO0, DIO1 i DIO2, pozostałe piny DIOx można pozostawić rozłączone. Po stronie Arduino mogą łączyć się z dowolnym pinem I/O, ponieważ bieżąca implementacja nie używa przerwań ani innych specjalnych funkcji sprzętowych (chociaż może to zostać dodane w funkcji, zobacz także sekcję „Timing”).

W trybie LoRa piny DIO są używane w następujący sposób:

• DIO0: TxDone i RxDone
• DIO1: RxTimeoutIn

Tryb FSK są one używane w następujący sposób:

• DIO0: PayloadReady i PacketSent
• DIO2: Przekroczenie limitu czasu

Oba tryby potrzebują tylko 2 pinów, ale transceiver nie pozwala na mapowanie ich w taki sposób, aby wszystkie potrzebne przerwania były mapowane na te same 2 piny. Tak więc, jeśli używane są oba tryby LoRa i FSK, wszystkie trzy piny muszą być połączone. Piny używane po stronie Arduino powinny być skonfigurowane w mapowaniu pinów w twoim szkicu (patrz poniżej). Reset Transceiver posiada pin resetujący, który może być użyty do jawnego resetowania. Biblioteka LMIC wykorzystuje to, aby zapewnić, że układ jest w spójnym stanie podczas uruchamiania. W praktyce ten pin można pozostawić odłączony, ponieważ transceiver będzie już w stanie normalnym po włączeniu, ale podłączenie go może w niektórych przypadkach zapobiec problemom. Po stronie Arduino można użyć dowolnego pinu I/O. Używany numer pinu musi być skonfigurowany w mapowaniu pinów (patrz poniżej).

Transceiver zawiera dwa oddzielne złącza antenowe: jedno dla RX i jedno dla TX. Typowa płytka nadawczo-odbiorcza zawiera układ przełącznika anteny, który umożliwia przełączanie pojedynczej anteny między tymi połączeniami RX i TX. Takiemu przełącznikowi antenowemu można zazwyczaj powiedzieć, w jakiej pozycji powinien się znajdować, poprzez pin wejściowy, często oznaczony jako RXTX. Najłatwiejszym sposobem sterowania przełącznikiem antenowym jest użycie pinu RXTX w transceiverze SX127x. Ten pin jest automatycznie ustawiany na wysoki podczas TX i niski podczas RX. Na przykład płyty HopeRF wydają się mieć to połączenie na swoim miejscu, więc nie odsłaniają żadnych pinów RXTX, a pin może być oznaczony jako nieużywany w mapowaniu pinów. Niektóre płyty odsłaniają pin przełącznika anteny, a czasem także pin SX127x RXTX. Na przykład, płyta ewaluacyjna SX1272 wywołuje poprzedni FEM_CTX, a drugi RXTX. Ponownie, najprostszym rozwiązaniem jest po prostu połączenie ich ze sobą przewodem połączeniowym. Alternatywnie, lub jeśli pin SX127x RXTX nie jest dostępny, LMIC można skonfigurować do sterowania przełącznikiem anteny. Podłącz pin sterujący przełącznika anteny (np. FEM_CTX na płytce ewaluacyjnej Semtech) do dowolnego pinu I/O po stronie Arduino i skonfiguruj pin używany w mapie pinów (patrz poniżej). Nie jest jednak do końca jasne, dlaczego nadajnik-odbiornik nie miałby sterować bezpośrednio anteną.

Krok 3: Drukowanie 3D obudowy

Gdy wszystko już działało, postanowiłem wydrukować obudowę modułu w 3D, aby uzyskać lepszy wygląd.

Mając gotowy produkt pod ręką, instalacja w włazie i uzyskiwanie wyników w czasie rzeczywistym na desce rozdzielczej było łatwe. Wartości stężenia gazu w czasie rzeczywistym ze wskazaniem poziomu wody pozwoliły władzom na proaktywne podejście wraz z bezpieczniejszym sposobem rozwiązania problemu.