Inteligentní bóje [Shrnutí]: 8 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:18

Všichni milujeme moře. Jako kolektiv se do něj hrneme na prázdniny, na vodní sporty nebo na obživu. Ale pobřeží je dynamická oblast na pospas vlnám. Stoupající hladina moří okusuje pláže a silné extrémní jevy, jako jsou hurikány, je zcela zdecimují. Abychom pochopili, jak je zachránit, musíme pochopit síly, které stojí za jejich změnami.

Výzkum je drahý, ale pokud byste dokázali vytvořit levné a efektivní nástroje, dokázali byste generovat více dat - což by v konečném důsledku zlepšilo porozumění. To bylo myšlení našeho projektu Smart Buoy. V tomto souhrnu vám rychle představíme náš projekt a rozdělíme ho na design, značku a prezentaci dat. Bóže, tohle se vám bude líbit..!

Zásoby

Na kompletní sestavení Smart Buoy potřebujete VELKÉ množství věcí. V příslušném tutoriálu budeme mít rozpis konkrétních materiálů požadovaných pro každou fázi sestavení, ale zde je kompletní seznam:

• Arduino Nano - Amazon
• Raspberry Pi Zero - Amazon
• Baterie (18650) - Amazon
• Solární panely - Amazon
• Blokovací diody - Amazon
• Ovladač nabíjení - Amazon
• Bock booster - Amazon
• GPS modul - Amazon
• GY -86 (akcelerometr, gyroskop, barometr, kompas) - Amazon
• Čidlo teploty vody - Amazon
• Modul monitoru napájení - Amazon
• Modul hodin v reálném čase - Amazon
• Rádiové moduly - Amazon
• Modul multiplexeru i^2c - Amazon
• 3D tiskárna - Amazon
• PETG filament - Amazon
• Epoxid - Amazon
• Základní nátěr ve spreji - Amazon
• Lano - Amazon
• Plováky - Amazon
• Lepidlo - Amazon

Veškerý použitý kód najdete na

Krok 1: Co to dělá?

Senzory na palubě Smart Buoy umožňují měřit: výšku vlny, periodu vlny, vlnovou energii, teplotu vody, teplotu vzduchu, tlak vzduchu, napětí, aktuální spotřebu a polohu GPS.

V ideálním světě by také měřil směr vln. Na základě měření, která bóje provedla, jsme byli docela blízko k nalezení řešení, které by nám umožnilo vypočítat směr vln. Ukázalo se však, že je to docela komplikované a ve skutečné výzkumné komunitě je to obrovský problém. Pokud je tu někdo, kdo nám může pomoci a navrhnout účinný způsob, jak získat měření směru vlny, dejte nám prosím vědět - rádi bychom pochopili, jak bychom mohli zajistit jeho fungování! Všechna data, která Buoy sbírá, jsou posílána rádiem na základnovou stanici, což je Raspberry Pi. Vytvořili jsme řídicí panel, který je zobrazí pomocí Vue JS.

Krok 2: Stavění - pouzdro bóje

Tato bóje byla pravděpodobně to nejtěžší, co jsme dosud vytiskli. Bylo třeba vzít v úvahu tolik věcí, kolik to bude v moři, vystaveném živlům a spoustě slunce. Více si o tom povíme později v sérii Smart Buoy.

Stručně: vytiskli jsme téměř dutou kouli na dvě poloviny. V horní polovině jsou otvory pro solární panely a otvor pro průchod rádiové antény. Spodní polovina má otvor pro průchod teplotního senzoru a držadlo pro připevnění lana.

Po vytištění bóje pomocí PETG filamentu jsme jej obrousili, nastříkali lakem na plnivo a poté nanesli několik vrstev epoxidu.

Jakmile byla příprava skořápky dokončena, vložili jsme dovnitř veškerou elektroniku a pomocí lepicí pistole utěsnili snímač teploty vody, rádiové antény a solární panely. Nakonec jsme obě poloviny utěsnili lepidlem/lepidlem StixAll (lepidlo na super letadlo).

A pak jsme doufali, že je vodotěsný …

Krok 3: Build - Buoy Electronics

Buoy má na palubě spoustu senzorů a my se jimi podrobně zabýváme v příslušném tutoriálu. Protože se jedná o shrnutí, pokusíme se udržet toto poučné, ale stručné!

Bóje je napájena baterií 18650, která je nabíjena čtyřmi 5V solárními panely. Neustále jsou však napájeny pouze hodiny reálného času. Bóje používá výstupní pin hodin reálného času k ovládání tranzistoru, který umožňuje vstupu energie do zbytku systému. Když je systém zapnutý, začíná měřením ze senzorů - včetně hodnoty napětí z modulu monitoru napájení. Hodnota daná modulem monitorování napájení určuje, jak dlouho systém spí, než provede další sadu měření. Na tuto dobu je nastaven alarm, poté se systém sám vypne!

Samotný systém je spousta senzorů a rádiového modulu připojeného k Arduinu. Modul GY-86, RealTimeClock (RTC), modul Power Monitor a multiplexor I2C komunikují s Arduino pomocí I2C. Potřebovali jsme, aby byl vyžadován multiplexor I2C, protože modul GY-86 a modul RTC, které jsme použili, mají stejnou adresu. Modul multiplexeru vám umožňuje komunikovat bez zbytečných starostí, i když to může být trochu přehnané.

Rádiový modul komunikuje prostřednictvím SPI.

Původně jsme měli také modul karty SD, ale kvůli velikosti knihovny SD to způsobilo tolik bolestí hlavy, že jsme se rozhodli jej zrušit.

Podívejte se na kód. Je pravděpodobné, že máte nějaké otázky - pravděpodobně také přetrvávající pochybnosti - a rádi je vyslechneme. Hluboké návody obsahují vysvětlení kódu, takže snad to udělají trochu přehlednější!

Pokusili jsme se logicky oddělit soubory kódu a použít je k zahrnutí pomocí hlavního souboru, což vypadalo, že funguje docela dobře.

Krok 4: Sestavení - elektronika základnové stanice

Základna je vyrobena z Raspberry Pi Zero s připojeným rádiovým modulem. Pouzdro jsme získali z https://www.thingiverse.com/thing:1595429. Jste skvělí, moc děkujeme!

Jakmile máte kód spuštěný na Arduinu, je docela snadné získat měření na Raspberry Pi spuštěním kódu listen_to_radio.py.

Krok 5: Hlavní panel

Ukázat vám, jak jsme vytvořili celou pomlčku, by byla trochu Odysea, protože to byl docela dlouhý a komplikovaný projekt. Pokud někdo chce vědět, jak jsme to udělali, dejte nám vědět - rezidentní webový vývojář T3ch Flicks by byl více než šťastný, kdyby na to udělal návod!

Jakmile vložíte tyto soubory na Raspberry Pi, měli byste být schopni spustit server a zobrazit řídicí panel s přicházejícími daty. Z vývojových důvodů a kvůli tomu, jak by pomlčka vypadala, kdyby byla poskytována dobrými, pravidelnými daty, přidali jsme na server generátor falešných dat. Spusťte to, pokud chcete vidět, jak to vypadá, když máte více dat. Také si to v některém z dalších tutoriálů podrobně vysvětlíme.

(Nezapomeňte, že celý kód najdete na

Krok 6: Verze 2 ?? - Problémy

Tento projekt není absolutně dokonalý - rádi ho považujeme spíše za prototyp/důkaz konceptu. Přestože prototyp funguje na základní úrovni: plave, provádí měření a je schopen je přenášet, existuje mnoho věcí, které jsme se naučili a které bychom u verze dvě změnili:

1. Naším největším problémem bylo, že jsme nemohli změnit kód pro bóji po jejím lepení. To byl opravdu trochu nedopatření a šlo to velmi efektivně vyřešit pomocí USB portu krytého gumovým těsněním. To by však procesu hydroizolace 3D tisku přidalo ještě další vrstvu složitosti!
2. Algoritmy, které jsme použili, nebyly zdaleka dokonalé. Naše metody pro určování vlastností vln byly docela hrubé a nakonec jsme strávili spoustu času čtením matematiky pro kombinování údajů ze senzorů z magnetometru, akcelerometru a gyroskopu. Pokud to někdo venku chápe a je ochoten pomoci, myslíme si, že bychom tato měření mohli udělat mnohem přesnější.
3. Některé senzory se chovaly trochu divně. Senzor teploty vody byl ten, který vyčníval jako obzvláště riskantní - někdy téměř 10 stupňů od skutečné teploty. Důvodem mohlo být to, že to byl jen špatný senzor, nebo to něco zahřívalo…

Krok 7: Verze 2 ?? - Vylepšení

Arduino bylo dobré, ale jak již bylo zmíněno dříve, kvůli problémům s pamětí jsme museli vyřadit modul karty SD (což mělo být zálohování dat, pokud rádiové zprávy nebylo možné odeslat). Mohli bychom to změnit na výkonnější mikrokontrolér, jako je Arduino Mega nebo Teensy, nebo jen použít jinou nulu Raspberry Pi. To by však zvýšilo náklady a spotřebu energie.

Rádiový modul, který jsme použili, má omezený dosah několika kilometrů s přímou viditelností. V hypotetickém světě, kde jsme byli schopni umístit (velmi) mnoho bójí kolem ostrova, jsme však mohli vytvořit síťovou síť, jako je tato. Existuje tolik možností pro přenos dat na velkou vzdálenost, včetně lora, grsm. Pokud bychom byli schopni použít jeden z nich, možná by byla možná síťová síť kolem ostrova!

Krok 8: Použití naší inteligentní bóje k výzkumu

Postavili jsme a spustili bóji na Grenadě, malém ostrově v jižním Karibiku. Když jsme tam byli, povídali jsme si s grenadskou vládou, která řekla, že inteligentní bóje, jako je ta, kterou jsme vytvořili, by pomohla při kvantitativním měření charakteristik oceánů. Automatizovaná měření by omezila lidské úsilí a lidské chyby a poskytla užitečný kontext pro pochopení měnících se pobřeží. Vláda také navrhla, že měření větru by také bylo užitečnou funkcí pro jejich účely. Netušíme, jak to budeme spravovat, takže pokud má někdo nějaké nápady …

Důležitou výhradou je, že ačkoli je to skutečně vzrušující doba pro pobřežní výzkum, zejména s využitím technologií, je ještě dlouhá cesta, než bude plně přijata.

Děkujeme, že jste si přečetli souhrnný blogový příspěvek o sérii Smart Buoy. Pokud jste to ještě neudělali, podívejte se na naše souhrnné video na YouTube.

Zaregistrujte se do našeho seznamu adresátů!

Část 1: Měření vln a teploty

Část 2: Rádio GPS NRF24 a karta SD

Část 3: Plánování napájení bóje

Část 4: Nasazení bóje