Smart bøye [Sammendrag]: 8 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:20

Vi alle elsker sjøen. Som kollektiv strømmer vi til det for ferier, for å nyte vannsport eller for å leve av oss. Men kysten er et dynamisk område som er prisgitt bølger. Stigende havnivå nipper på strender og kraftige ekstreme hendelser som orkaner decimerer dem fullstendig. For å forstå hvordan vi skal redde dem, må vi forstå kreftene som driver deres endring.

Forskning er dyrt, men hvis du kunne lage billige og effektive instrumenter, ville du være i stand til å generere mer data - til slutt forbedre forståelsen. Dette var tanken bak vårt Smart Buoy -prosjekt. I dette sammendraget gir vi deg en rask gjennomgang av prosjektet vårt og bryter det ned i design, merke og datapresentasjon. Å bøy, du kommer til å elske dette..!

Rekvisita

For den komplette Smart Buoy -bygningen trenger du mange ting. Vi vil ha en oversikt over spesifikke materialer som kreves for hvert trinn i bygget i den relevante opplæringen, men her er den komplette listen:

• Arduino Nano - Amazon
• Raspberry Pi Zero - Amazon
• Batteri (18650) - Amazon
• Solcellepaneler - Amazon
• Blokkerende dioder - Amazon
• Ladekontroller - Amazon
• Buck booster - Amazon
• GPS -modul - Amazon
• GY -86 (akselerometer, gyroskop, barometer, kompass) - Amazon
• Vanntemperatur sensor - Amazon
• Strømmonitormodul - Amazon
• Klokke -modul i sanntid - Amazon
• Radiomoduler - Amazon
• i^2c multiplexermodul - Amazon
• 3D -skriver - Amazon
• PETG -filament - Amazon
• Epoxy - Amazon
• Primer spraymaling - Amazon
• Tau - Amazon
• Flyter - Amazon
• Lim - Amazon

All koden som brukes, finner du på

Trinn 1: Hva gjør det?

Sensorene ombord på Smart Buoy gjør det mulig å måle: bølgehøyde, bølgeperiode, bølgekraft, vanntemperatur, lufttemperatur, lufttrykk, spenning, gjeldende bruk og GPS -posisjon.

I en ideell verden ville den også ha målt bølgeretning. Basert på målingene bøyen gjorde, var vi ganske nærme å finne en løsning som ville gjøre det mulig for oss å beregne bølgeretning. Det viste seg imidlertid å være ganske komplisert, og det er et massivt problem i selve forskningsmiljøet. Hvis det er noen der ute som kan hjelpe oss og foreslå en effektiv måte å få bølgeretningsmålinger på, vennligst gi oss beskjed - vi vil gjerne forstå hvordan vi kan få det til å fungere! Alle dataene Buoy samler inn sendes via radio til en basestasjon, som er en Raspberry Pi. Vi laget et dashbord for å vise dem ved hjelp av Vue JS.

Trinn 2: Bygg - Buoy Casing

Denne bøyen var sannsynligvis den vanskeligste tingen vi har skrevet ut så langt. Det var bare så mange ting å ta hensyn til da det skulle være i havet, utsatt for elementene og mye sol. Vi vil snakke mer om det senere i Smart Buoy -serien.

I korte trekk: vi trykte en nær hul sfære i to halvdeler. Den øvre halvdelen har spor for solcellepanelene og et hull for en radioantenn å gå gjennom. Den nederste halvdelen har et hull for en temperatursensor å gå gjennom og et håndtak for et tau som skal bindes til.

Etter at vi hadde trykket bøyen med PETG -filament, pusset vi den, spraymalte den med litt påfyllingsgrunning og la deretter på et par lag epoxy.

Når forberedelsen av skallet var fullført, la vi all elektronikken inne og forseglet vanntemperaturføleren, radioantenne og solcellepaneler ved hjelp av en limpistol. Til slutt forseglet vi de to halvdelene med StixAll lim/lim (superflylim).

Og så håpet vi at det var vanntett …

Trinn 3: Bygg - Buoy Electronics

Bøyen har mange sensorer om bord, og vi går i detalj om disse i den relevante opplæringen. Siden dette er et sammendrag, vil vi prøve å holde dette informativt, men kort!

Bøyen drives av et 18650 batteri, som lades av fire, 5V solcellepaneler. Bare sanntidsklokken er imidlertid konstant drevet. Bøyen bruker sanntidsklokkeens utgangspinne til å kontrollere en transistor som lar strøm komme inn i resten av systemet. Når systemet slås på, starter det med å få målinger fra sensorene - inkludert en spenningsverdi fra effektmonitormodulen. Verdien gitt av strømmonitormodulen bestemmer hvor lenge systemet sover før det neste settet med målinger. En alarm er satt for denne gangen, deretter slår systemet seg av!

Selve systemet er mange sensorer og en radiomodul koblet til en Arduino. GY-86-modulen, RealTimeClock (RTC), Power Monitor-modulen og I2C-multiplexeren kommuniserer alle med Arduino ved hjelp av I2C. Vi trengte I2C-multiplexeren er nødvendig fordi GY-86 og RTC-modulen vi brukte begge har samme adresse. Multiplexermodulen lar deg kommunisere uten ekstra problemer, selv om det kan være litt overkill.

Radiomodulen kommuniserer via SPI.

Opprinnelig hadde vi også en SD -kortmodul, men det forårsaket så mye hodepine på grunn av størrelsen på SD -biblioteket at vi bestemte oss for å kaste det.

Ta en titt på koden. Det er sannsynlig at du har noen spørsmål - sannsynligvis også tvil - og vi vil gjerne høre dem. De grundige opplæringsprogrammene inneholder kodeforklaringer, så forhåpentligvis vil de gjøre det litt tydeligere!

Vi prøvde å logisk skille kodefilene og bruke en hovedfil til å inkludere dem, som syntes å fungere ganske bra.

Trinn 4: Bygg - Basestasjonselektronikk

Basestasjonen er laget med en Raspberry Pi Zero med en radiomodul festet. Vi fikk dekselet fra https://www.thingiverse.com/thing:1595429. Du er fantastisk, tusen takk!

Når du har koden kjørt på Arduino, er det ganske enkelt å få målingene på Raspberry Pi ved å kjøre listen_to_radio.py -koden.

Trinn 5: Dashboard

Å vise deg hvordan vi laget hele bindestrek ville være litt av en Odyssey fordi det var et ganske langt og komplisert prosjekt. Hvis noen vil vite hvordan vi gjorde det, må du gi oss beskjed - T3ch Flicks resident webutvikler vil mer enn gjerne gjøre en opplæring om dette!

Når du har lagt disse filene på en Raspberry Pi, bør du kunne kjøre serveren og se dashbordet med dataene som kommer inn. Av utviklingshensyn og for å se hvordan bindestrek ville sett ut hvis den ble levert av gode, vanlige data, vi la til en falsk datagenerator på serveren. Kjør det hvis du vil se hvordan det ser ut når du har mer data. Vi vil også forklare dette i detalj i en senere opplæring.

(Husk at du finner all koden på

Trinn 6: Versjon 2 ?? - Problemer

Dette prosjektet er absolutt ikke perfekt - vi liker å tenke på det mer som en prototype/bevis på konsept. Selv om prototypen fungerer på et grunnleggende nivå: den flyter, tar målinger og kan overføre dem, er det mange vi har lært og ville endret for versjon to:

1. Vårt største problem var ikke å kunne endre koden for bøyen etter å ha limt den fast. Dette var egentlig litt av et forglemmelse og kunne løses veldig effektivt med en USB -port dekket med en gummipakning. Det ville imidlertid ha lagt et helt annet lag av kompleksitet til vanntettingsprosessen i 3D -utskrift!
2. Algoritmene vi brukte var langt fra perfekte. Våre metoder for å bestemme bølgeegenskaper var ganske rå, og vi endte med å bruke mye av tiden vår på å lese opp matte for å kombinere sensordata fra magnetometeret, akselerometeret og gyroskopet. Hvis noen der ute forstår dette og er villige til å hjelpe, tror vi at vi kan gjøre disse målingene mye mer nøyaktige.
3. Noen av sensorene virket litt merkelig. Vanntemperatursensoren var den som skilte seg ut som spesielt dodgy - nesten 10 grader ut fra den virkelige temperaturen til tider. Årsaken til dette kunne ha vært at det bare var en dårlig sensor, eller noe varmet den opp …

Trinn 7: Versjon 2 ?? - Forbedringer

Arduino var bra, men som nevnt før måtte vi skrote SD -kortmodulen (som skulle være data -sikkerhetskopien hvis radiomeldinger ikke kunne sende) på grunn av minneproblemer. Vi kan endre den til en kraftigere mikrokontroller som en Arduino Mega eller en Teensy eller bare bruke en annen Raspberry Pi -null. Dette ville imidlertid ha økt kostnad og strømforbruk.

Radiomodulen vi brukte har en begrenset rekkevidde på et par kilometer med direkte siktlinje. Men i en hypotetisk verden der vi var i stand til (veldig) mange bøyer rundt øya, kunne vi ha dannet et nettverk som dette. Det er så mange muligheter for langdistanseoverføring av data, inkludert lora, grsm. Hvis vi kunne bruke en av disse, ville kanskje et nettverk rundt øya vært mulig!

Trinn 8: Bruke vår smarte bøye til forskning

Vi bygde og lanserte bøyen i Grenada, en liten øy i Sør -Karibia. Mens vi var der ute, tok vi en prat med den grenadiske regjeringen, som sa at en smart bøye som den vi opprettet ville være nyttig for å gi kvantitative målinger av havets egenskaper. Automatiske målinger ville kutte ut menneskelig innsats og menneskelige feil og gi nyttig sammenheng for å forstå skiftende kyster. Regjeringen foreslo også at vindmålinger også ville være en nyttig funksjon for deres formål. Aner ikke hvordan vi skal klare det, så hvis noen har noen ideer …

En viktig advarsel er at selv om det er en veldig spennende tid for kystforskning, spesielt med teknikk, er det en lang vei å gå før den kan bli fullt ut vedtatt.

Takk for at du leste oppsummeringen av bloggen i Smart Buoy -serien. Hvis du ikke allerede har gjort det, kan du ta en titt på vår sammendragsvideo på YouTube.

Registrer deg på vår adresseliste!

Del 1: Måling av bølger og temperaturer

Del 2: GPS NRF24 Radio og SD -kort

Del 3: Planlegge kraft til bøyen

Del 4: Distribusjon av bøyen