En sanntids brønnvannmåler: 6 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:21

Disse instruksjonene beskriver hvordan du bygger en rimelig vannstandsmåler i sanntid for bruk i gravde brønner. Vannstandsmåleren er designet for å henge inne i en gravd brønn, måle vannstanden en gang om dagen og sende dataene via WiFi eller mobilforbindelse til en webside for umiddelbar visning og nedlasting. Kostnaden for delene for å bygge måleren er omtrent 200 dollar for WiFi -versjonen og 300 dollar for mobilversjonen. Måleren er vist i figur 1. En fullstendig rapport med byggeinstruksjoner, deleliste, tips for konstruksjon og drift av måleren, og hvordan du installerer måleren i en vannbrønn, er gitt i den vedlagte filen (Water Level Meter Instructions.pdf). Vannstandsmålerne har blitt brukt til å utvikle et regionalt, sanntids grunt akviferovervåkingsnettverk i Nova Scotia, Canada: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm… Instruksjoner for å bygge en lignende måler som måler vann temperatur, konduktivitet og vannivåer er tilgjengelig her:

Vannstandsmåleren bruker en ultralydsensor til å måle dybden til vann i brønnen. Sensoren er koblet til en Internet-of-Things (IoT) -enhet som kobles til et WiFi- eller mobilnettverk og sender vannstandsdataene til en webtjeneste for å bli tegnet. Webtjenesten som brukes i dette prosjektet er ThingSpeak.com, som er gratis å bruke for ikke-kommersielle små prosjekter (færre enn 8, 200 meldinger/dag). For at WiFi -versjonen av måleren skal fungere, må den være plassert i nærheten av et WiFi -nettverk. Innenlandske vannbrønner oppfyller ofte denne betingelsen fordi de ligger i nærheten av et hus med WiFi. Måleren inkluderer ikke en datalogger, den sender vannstanden til ThingSpeak der den er lagret i skyen. Derfor, hvis det er et dataoverføringsproblem (f.eks. Under et nettbrudd), blir ikke vannstandsdataene for den dagen overført og går tapt permanent.

Måleren ble designet og testet for gravd brønner med stor diameter (0,9 m innvendig diameter) med grunt vanndyp (mindre enn 10 m under bakken). Imidlertid kan den potensielt brukes til å måle vannivåer i andre situasjoner, for eksempel miljøovervåkningsbrønner, borede brønner og overflatevannforekomster.

Målerdesignet som presenteres her ble endret etter en måler som ble laget for måling av vannstand i en vanntank for husholdninger og rapportering av vannstanden via Twitter, publisert av Tim Ousley i 2015: https://www.instructables.com/id/Wi -Fi-Twitter-Wa…. De viktigste forskjellene mellom det originale designet og designet som presenteres her er evnen til å bruke måleren på AA-batterier i stedet for en kablet strømadapter, muligheten til å se dataene i en tidsseriediagram i stedet for en Twitter-melding, og bruk av en ultralydsensor som er spesielt designet for å måle vannivåer.

Trinn-for-trinn-instruksjoner for konstruksjon av vannstandsmåleren er gitt nedenfor. Det anbefales at byggherren leser gjennom alle konstruksjonstrinnene før du starter målerens konstruksjonsprosess. IoT -enheten som brukes i dette prosjektet er en Particle Photon, og derfor brukes begrepene "IoT -enhet" og "Photon" i de følgende avsnittene om hverandre.

Rekvisita

Elektroniske deler:

Sensor - MaxBotix MB7389 (5m rekkevidde)

IoT -enhet - Particle Photon with headers

Antenne (intern antenne installert inne i målerhuset) - 2,4 GHz, 6dBi, IPEX eller u. FL -kontakt, 170 mm lang

Batteripakke - 4 x AA

Wire - jumper wire med push -on -kontakter (300 mm lengde)

Batterier - 4 x AA

VVS og maskinvare deler:

Rør - ABS, 50 mm (2 tommer) i diameter, 125 mm lang

Topplokk, ABS, 50 mm (2 tommer), gjenget med pakning for å lage en vanntett tetning

Bunnlokk, PVC, 50 mm (2 tommer) med ¾ tommer kvinnelig NPT -gjeng som passer til sensoren

2 rørkoblinger, ABS, 50 mm (2 tommer) for å koble topp- og bunnlokk til ABS -rør

Øyebolt og 2 muttere, rustfritt stål (1/4 tommer) for å lage henger på topplokket

Andre materialer: elektrisk tape, teflon tape, loddetinn, silikon, lim for montering av etui

Trinn 1: Monter målerhuset

Monter målerhuset som vist i figur 1 og 2 ovenfor. Den totale lengden på den monterte måleren, spiss til spiss inkludert sensor og øyebolt, er omtrent 320 mm. ABS -røret på 50 mm diameter som brukes til å lage målerhuset, skal kuttes til omtrent 125 mm i lengde. Dette gir tilstrekkelig plass inne i saken for å huse IoT-enheten, batteripakken og en 170 mm lang intern antenne.

Forsegl alle skjøter med enten silisium eller ABS -lim for å gjøre saken vanntett. Dette er veldig viktig, ellers kan fuktighet komme inn i saken og ødelegge de indre komponentene. En liten tørkemiddelpakke kan plasseres inne i esken for å absorbere fuktighet.

Monter en øyebolt i topplokket ved å bore et hull og sette inn øyebolten og mutteren. En mutter bør brukes både på innsiden og utsiden av saken for å feste øyebolten. Silikon innsiden av hetten ved bolthullet for å gjøre den vanntett.

Trinn 2: Fest ledninger til sensoren

Tre ledninger (se figur 3a) må loddes til sensoren for å feste den til fotonet (dvs. sensorstift GND, V+og pin 2). Lodding av ledningene til sensoren kan være utfordrende fordi tilkoblingshullene på sensoren er små og tett sammen. Det er veldig viktig at ledningene er loddet godt til sensoren, så det er en god, sterk fysisk og elektrisk forbindelse og ingen loddbuer mellom tilstøtende ledninger. God belysning og et forstørrelsesglas hjelper med loddeprosessen. For de som ikke har tidligere loddeerfaring, anbefales litt øvelse av lodding før lodding av ledningene til sensoren. En online opplæring om lodding er tilgjengelig fra SparkFun Electronics (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…).

Etter at ledningene er loddet til sensoren, kan overflødig bar ledning som stikker ut fra sensoren trimmes av med wire cutters til omtrent 2 mm lengde. Det anbefales at loddeskjøtene dekkes med en tykk silisiumperle. Dette gir tilkoblingene mer styrke og reduserer sjansen for korrosjon og elektriske problemer ved sensortilkoblingene hvis det kommer fuktighet inn i målehuset. Elektrisk tape kan også vikles rundt de tre ledningene ved sensortilkoblingen for å gi ekstra beskyttelse og strekkavlastning, noe som reduserer sjansen for at ledningene bryter ved loddeskjøtene.

Sensortrådene kan ha push-on-type kontakter (se figur 3b) i den ene enden for å feste til Photon. Bruk av push-on-kontakter gjør det lettere å montere og demontere måleren. Sensortrådene skal være minst 270 mm lange, slik at de kan forlenge hele lengden på målehuset. Denne lengden gjør at Photon kan kobles til fra den øvre enden av saken med sensoren på plass i den nedre enden av saken. Vær oppmerksom på at denne anbefalte ledningslengden forutsetter at ABS -røret som ble brukt til å lage målerhuset, ble kuttet til en lengde på 125 mm. Bekreft før du kutter og lodder ledningene til sensoren at en ledningslengde på 270 mm er tilstrekkelig til å strekke seg utover toppen av målerhuset, slik at Photon kan kobles til etter at saken er montert og sensoren er festet permanent til saken.

Sensoren kan nå festes til målehuset. Den skal skrus tett inn i bunnlokket ved hjelp av teflonbånd for å sikre en vanntett tetning.

Trinn 3: Fest sensor, batteripakke og antenne til IoT -enheten

Fest sensoren, batteripakken og antennen til fotonet (figur 4), og sett alle delene i målehuset. En liste over stiftforbindelsene angitt i figur 4 er gitt nedenfor. Sensor og batteripakker kan festes ved lodding direkte til Photon eller med push-on-type kontakter som festes til toppnålene på undersiden av Photon (som vist i figur 2). Bruk av push-on-kontakter gjør det lettere å demontere måleren eller bytte ut Photon hvis den mislykkes. Antennetilkoblingen på Photon krever en kontakt av u. FL -type (figur 4) og må skyves veldig fast på Photon for å opprette tilkoblingen. Ikke installer batteriene i batteripakken før måleren er klar til å testes eller installeres i en brønn. Det er ingen av/på -bryter inkludert i dette designet, så måleren slås på og av ved å installere og fjerne batteriene.

Liste over pin -tilkoblinger på IoT -enheten (Particle Photon):

Photon pin D3 - koble til - Sensor pin 2, data (brun ledning)

Photon pin D2 - koble til - Sensor pin 6, V+ (rød ledning)

Photon pin GND - koble til - Sensor pin 7, GND (black wire)

Fotonpinne VIN - koble til - Batteripakke, V+ (rød ledning)

Fotonpinne GND - koble til - Batteripakke, GND (svart ledning)

Foton u. FL -pin - koble til - Antenne

Trinn 4: Programvareoppsett

Fem hovedtrinn er nødvendig for å sette opp programvaren for måleren:

1. Opprett en Particle -konto som gir et online grensesnitt med Photon. For å gjøre dette, last ned Particle -mobilappen til en smarttelefon: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. Etter at du har installert appen, oppretter du en Particle -konto og følger de elektroniske instruksjonene for å legge til Photon i kontoen. Vær oppmerksom på at eventuelle ekstra fotoner kan legges til den samme kontoen uten at du trenger å laste ned Particle -appen og opprette en konto igjen.

2. Opprett en ThingSpeak -konto https://thingspeak.com/login og sett opp en ny kanal for å vise vannstandsdataene. Et eksempel på en ThingSpeak -webside for en vannmåler er vist i figur 5, som også kan sees her: https://thingspeak.com/channels/316660. Instruksjoner for å sette opp en ThingSpeak-kanal finnes på https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w… Vær oppmerksom på at flere kanaler for andre fotoner kan legges til den samme kontoen uten at du trenger å opprette en annen ThingSpeak-konto.

3. En "webhook" kreves for å overføre vannstandsdata fra Photon til ThingSpeak -kanalen. Instruksjoner for å sette opp en webhook finnes på https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. Hvis det bygges mer enn én vannmåler, må det opprettes en ny webhook med et unikt navn for hver ekstra foton.

4. Nettkroken som ble opprettet i trinnet ovenfor må settes inn i koden som driver fotonet. Koden for WiFi -versjonen av vannstandsmåleren finnes i den vedlagte filen (Code1_WiFi.txt). På en datamaskin, gå til Particle -nettsiden https://login.particle.io/login?redirect=https://… logg inn på Particle -kontoen, og naviger til Particle -appgrensesnittet. Kopier koden og bruk den til å lage en ny app i Particle app -grensesnittet. Sett inn navnet på webhooken som er opprettet ovenfor i linje 87 i koden. For å gjøre dette, slett teksten inne i anførselstegnene og sett inn det nye webhook -navnet inne i anførselstegnene på linje 87, som lyder som følger:

Particle.publish ("Insert_Webhook_Name_Inside_These_Quotes", String (GWelevation, 2), PRIVATE);

5. Koden kan nå verifiseres, lagres og installeres på Photon. Vær oppmerksom på at koden er lagret i og installert på Photon fra skyen. Denne koden vil bli brukt til å betjene vannmåleren når den er i vannbrønnen. Under feltinstallasjonen må det gjøres noen endringer i koden for å sette rapporteringsfrekvensen til en gang om dagen og legge til informasjon om vannbrønnen (dette er beskrevet i den vedlagte filen Water Level Meter Instructions.pdf i avsnittet med tittelen Installere måleren i en vannbrønn”).

Trinn 5: Test måleren

Målerkonstruksjonen og programvareoppsettet er nå fullført. På dette tidspunktet anbefales det at måleren testes. To tester bør fullføres. Den første testen brukes til å bekrefte at måleren kan måle vannivået riktig og sende dataene til ThingSpeak. Den andre testen brukes til å bekrefte at strømforbruket til Photon er innenfor det forventede området. Denne andre testen er nyttig fordi batteriene vil gå feil tidligere enn forventet hvis Photon bruker for mye strøm.

For testformål er koden satt til å måle og rapportere vannivåer hvert annet minutt. Dette er en praktisk tidsperiode for å vente mellom målingene mens måleren testes. Hvis en annen målefrekvens er ønsket, endrer du variabelen som heter MeasureTime på linje 16 i koden til ønsket målefrekvens. Målefrekvensen angis i sekunder (dvs. 120 sekunder er to minutter).

Den første testen kan utføres på kontoret ved å henge måleren over gulvet, slå den på og kontrollere at ThingSpeak -kanalen nøyaktig rapporterer avstanden mellom sensoren og gulvet. I dette testscenariet reflekterer ultralydspulsen fra gulvet, som brukes til å simulere vannoverflaten i brønnen.

For den andre testen bør den elektriske strømmen mellom batteripakken og Photon måles for å bekrefte at den samsvarer med spesifikasjonene i Photon-databladet: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… Erfaring har vist at denne testen hjelper til med å identifisere defekte IoT -enheter før de distribueres i feltet. Mål strømmen ved å plassere en strømmåler mellom den positive V+ -ledningen (rød ledning) på batteripakken og VIN -pinnen på Photon. Strømmen skal måles i både driftsmodus og dyp dvalemodus. For å gjøre dette, slå på Photon og den starter i driftsmodus (som indikert av lysdioden på Photon som får en cyan farge), som går i omtrent 20 sekunder. Bruk strømmåleren til å observere driftsstrømmen i løpet av denne tiden. Fotonen går deretter automatisk i dvalemodus i to minutter (som indikert av lysdioden på fotonen som slås av). Bruk gjeldende måler for å observere den dype søvnstrømmen på dette tidspunktet. Driftsstrømmen bør være mellom 80 og 100 mA, og dyp søvnstrøm skal være mellom 80 og 100 µA. Hvis strømmen er høyere enn disse verdiene, bør Photon byttes ut.

Måleren er nå klar til å installeres i en vannbrønn (figur 6). Instruksjoner for hvordan du installerer måleren i en vannbrønn er gitt i den vedlagte filen (Water Level Meter Instructions.pdf).

Trinn 6: Hvordan lage en mobilversjon av måleren

En mobilversjon av vannmåleren kan bygges ved å gjøre endringer i den tidligere beskrevne delelisten, instruksjoner og kode. Mobilversjonen krever ikke WiFi fordi den kobles til Internett via et mobilsignal. Kostnaden for delene for å bygge mobilversjonen av måleren er omtrent $ 300 (eksklusive skatter og frakt), pluss omtrent $ 4 per måned for mobildataplanen som følger med IoT -enheten.

Mobiltelefonmåleren bruker de samme delene og konstruksjonstrinnene som er oppført ovenfor med følgende modifikasjoner:

• Bytt ut WiFi IoT -enheten (Particle Photon) for en mobil IoT -enhet (Particle Electron): https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. Når du konstruerer måleren, bruker du de samme pin -tilkoblingene beskrevet ovenfor for WiFi -versjonen av måleren i trinn 3.

• Den mobile IoT-enheten bruker mer strøm enn WiFi-versjonen, og derfor anbefales to batterikilder: et 3,7V Li-Po-batteri, som følger med IoT-enheten, og en batteripakke med 4 AA-batterier. 3.7V LiPo -batteriet kobles direkte til IoT -enheten med de medfølgende kontaktene. AA -batteripakken er festet til IoT -enheten på samme måte som beskrevet ovenfor for WiFi -versjonen av måleren i trinn 3. Feltprøving har vist at mobilversjonen av måleren vil fungere i omtrent 9 måneder ved bruk av batterioppsettet beskrevet ovenfor. Et alternativ til å bruke både AA-batteripakken og 2000 mAh 3,7 V Li-Po-batteriet er å bruke ett 3,7 V Li-Po-batteri med høyere kapasitet (f.eks. 4000 eller 5000 mAh).

• En ekstern antenne må være festet til måleren, for eksempel: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. Sørg for at den er vurdert for frekvensen som brukes av mobilleverandøren der vannmåleren skal brukes. Antennen som følger med den mobile IoT -enheten er ikke egnet for utendørs bruk. Den eksterne antennen kan kobles til med en lang (3 m) kabel som gjør at antennen kan festes på utsiden av brønnen ved brønnhodet (figur 7). Det anbefales at antennekabelen settes inn gjennom bunnen av esken og forsegles grundig med silisium for å forhindre fuktinnføring (figur 8). En vanntett, utendørs koaksial forlengelseskabel av god kvalitet anbefales.

• Den mobile IoT -enheten kjører på en annen kode enn WiFi -versjonen av måleren. Koden for mobilversjonen av måleren finnes i den vedlagte filen (Code2_Cellular.txt).