Měřič hladiny vody v reálném čase: 6 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:19

Tyto pokyny popisují, jak postavit levný měřič hladiny vody v reálném čase pro použití ve vykopaných studnách. Vodoměr je navržen tak, aby visel uvnitř kopané studny, měřil hladinu vody jednou denně a odesílal data přes WiFi nebo mobilní připojení na webovou stránku pro okamžité prohlížení a stahování. Náklady na součásti k vybudování měřiče jsou přibližně 200 USD za verzi WiFi a 300 USD za mobilní verzi. Měřič je znázorněn na obrázku 1. Úplná zpráva s pokyny ke stavbě, seznamem dílů, tipy pro konstrukci a provoz měřidla a pokyny pro instalaci měřiče do studny je obsažena v přiloženém souboru (Pokyny k měření hladiny vody.pdf). Měřiče hladiny vody byly použity k vývoji regionální mělké sítě pro monitorování mělké zvodně v reálném čase v Novém Skotsku v Kanadě: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm… Pokyny pro stavbu podobného měřiče, který měří vodu teplota, vodivost a hladiny vody jsou k dispozici zde:

Měřič hladiny vody pomocí ultrazvukového senzoru měří hloubku vody ve studni. Senzor je připojen k zařízení Internet-of-Things (IoT), které se připojuje k WiFi nebo mobilní síti a odesílá data o hladině vody do webové služby, která má být vykreslena. Webová služba použitá v tomto projektu je ThingSpeak.com, kterou lze zdarma používat pro nekomerční malé projekty (méně než 8 200 zpráv denně). Aby WiFi verze měřiče fungovala, musí být umístěn v blízkosti WiFi sítě. Domácí studny tuto podmínku často splňují, protože se nacházejí v blízkosti domu s WiFi. Měřič neobsahuje záznamník dat, ale odesílá údaje o vodní hladině do ThingSpeak, kde jsou uloženy v cloudu. Pokud tedy dojde k problému s přenosem dat (např. Při výpadku internetu), data o vodní hladině pro daný den se nepřenášejí a jsou trvale ztracena.

Měřič byl navržen a testován pro kopané studny s velkým průměrem (0,9 m vnitřní průměr) s malou hloubkou vody (méně než 10 m pod povrchem země). Mohl by však být potenciálně použit pro měření hladin vody v jiných situacích, jako jsou studny pro monitorování životního prostředí, vrtané studny a útvary povrchových vod.

Zde představený design měřiče byl upraven poté, co byl vytvořen měřič hladiny vody v nádrži na vodu pro domácnost a hlášení hladiny vody prostřednictvím Twitteru, který publikoval Tim Ousley v roce 2015: https://www.instructables.com/id/Wi -Fi-Twitter-Wa…. Hlavní rozdíly mezi původním designem a zde prezentovaným designem jsou schopnost provozovat měřič na bateriích AA místo kabelového napájecího adaptéru, schopnost zobrazit data v grafu časových řad místo zprávy na Twitteru a použití ultrazvukového senzoru, který je speciálně navržen pro měření hladin vody.

Níže jsou uvedeny podrobné pokyny pro konstrukci vodoměru. Doporučuje se, aby si stavitel před zahájením procesu výstavby měřiče přečetl všechny kroky stavby. Zařízení IoT použité v tomto projektu je částicový foton, a proto jsou v následujících částech pojmy „zařízení IoT“a „Foton“používány zaměnitelně.

Zásoby

Elektronické součástky:

Senzor - MaxBotix MB7389 (dosah 5 m)

Zařízení IoT - foton částic se záhlavími

Anténa (interní anténa instalovaná uvnitř pouzdra měřiče) - 2,4 GHz, 6 dBi, konektor IPEX nebo u. FL, délka 170 mm

Sada baterií - 4 x AA

Vodič - propojovací vodič s nasouvacími konektory (délka 300 mm)

Baterie - 4 x AA

Instalatérské a hardwarové díly:

Trubka - ABS, průměr 50 mm (2 palce), délka 125 mm

Horní víčko, ABS, 50 mm (2 palce), se závitem s těsněním, které vytváří vodotěsné těsnění

Spodní víčko, PVC, 50 mm (2 palce) se ¾ palcovým vnitřním závitem NPT, aby pasovalo na snímač

2 spojky trubek, ABS, 50 mm (2 palce) pro připojení horního a dolního víka k ABS trubce

Šroub s okem a 2 matice, nerezová ocel (1/4 palce) pro vytvoření závěsu na horním víčku

Ostatní materiály: elektrická páska, teflonová páska, pájka, silikon, lepidlo na montážní pouzdro

Krok 1: Sestavte pouzdro měřiče

Sestavte pouzdro měřiče podle obrázků 1 a 2 výše. Celková délka smontovaného metru od špičky ke špičce včetně senzoru a šroubu s okem je přibližně 320 mm. Trubka ABS o průměru 50 mm použitá k výrobě pouzdra měřiče by měla být zkrácena na délku přibližně 125 mm. To umožňuje dostatečný prostor uvnitř pouzdra pro umístění zařízení IoT, baterie a interní antény o délce 170 mm.

Utěsněte všechny spoje silikonovým nebo ABS lepidlem, aby bylo pouzdro vodotěsné. To je velmi důležité, jinak se vlhkost může dostat dovnitř skříně a zničit vnitřní součásti. Do pouzdra lze umístit malé balení vysoušedla, které absorbuje vlhkost.

Namontujte šroub s okem do horního víčka vyvrtáním otvoru a zasuňte šroub s okem a matici. K zajištění šroubu s okem by měla být na vnitřní i vnější straně pouzdra použita matice. Silikonová vnitřní část víčka v otvoru pro šroub, aby byla vodotěsná.

Krok 2: Připojte vodiče k senzoru

K čidlu je třeba připájet tři vodiče (viz obrázek 3a), aby bylo možné jej připojit k fotonu (tj. Kolíky snímače GND, V+a pin 2). Pájení vodičů k senzoru může být náročné, protože připojovací otvory na senzoru jsou malé a těsně u sebe. Je velmi důležité, aby byly vodiče správně připájeny k senzoru, aby bylo dobré, silné fyzické a elektrické spojení a aby mezi sousedními dráty nebyly žádné pájecí oblouky. S pájením pomáhá dobré osvětlení a zvětšovací čočka. Pro ty, kteří nemají předchozí zkušenosti s pájením, se před připájením vodičů k senzoru doporučuje určité pájení. Online návod, jak pájet, je k dispozici od SparkFun Electronics (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…).

Poté, co jsou dráty připájeny k senzoru, lze přebytečný holý drát, který vyčnívá ze senzoru, odstřihnout nůžkami na drát přibližně na délku 2 mm. Doporučuje se, aby byly pájecí spoje pokryty tlustým křemíkem. To dává spojům větší pevnost a snižuje pravděpodobnost koroze a elektrických problémů na přípojkách čidel, pokud se do pouzdra měřiče dostane vlhkost. Elektrická páska může být také omotána kolem tří vodičů na připojení senzoru, aby poskytovala dodatečnou ochranu a odlehčení tahu, čímž se snižuje šance, že se dráty přetrhnou v pájecích spojích.

Dráty senzoru mohou mít na jednom konci konektory typu push-on (viz obrázek 3b) pro připojení k fotonu. Použití nástrčných konektorů usnadňuje montáž a demontáž měřiče. Dráty senzoru by měly být alespoň 270 mm dlouhé, aby mohly prodloužit celou délku pouzdra měřiče. Tato délka umožní připojení fotonu z horního konce pouzdra se snímačem umístěným na spodním konci pouzdra. Všimněte si, že tato doporučená délka drátu předpokládá, že trubka ABS použitá k výrobě pouzdra měřiče je uříznuta na délku 125 mm. Před řezáním a pájením vodičů ke snímači předem potvrďte, že délka drátu 270 mm postačí k tomu, aby přesahovala horní část pouzdra měřiče, aby bylo možné foton připojit poté, co byl pouzdro sestaveno a snímač trvale připojen k pouzdro.

Senzor lze nyní připojit k pouzdru měřiče. Mělo by být pevně našroubováno do spodního víčka pomocí teflonové pásky, aby bylo zajištěno vodotěsné utěsnění.

Krok 3: Připojte senzor, baterii a anténu k zařízení IoT

Připojte senzor, baterii a anténu k fotonu (obrázek 4) a vložte všechny části do pouzdra měřiče. Níže je uveden seznam pinových připojení uvedených na obrázku 4. Vodiče senzoru a sady baterií lze připojit pájením přímo k fotonu nebo pomocí konektorů typu push-on, které se připevňují k vývodovým kolíkům na spodní straně fotonu (jak je vidět na obrázku 2). Použití zasouvacích konektorů usnadňuje demontáž měřiče nebo výměnu fotonu, pokud selže. Připojení antény na fotonu vyžaduje konektor typu u. FL (obrázek 4) a pro připojení musí být velmi pevně zasunuto na foton. Neinstalujte baterie do bloku baterií, dokud nebude měřič připraven k testování nebo k instalaci do studny. Tento design neobsahuje žádný vypínač, takže se měřič zapíná a vypíná vložením a vyjmutím baterií.

Seznam pinových připojení na zařízení IoT (Particle Photon):

Fotonový pin D3 - připojení k - pin senzoru 2, data (hnědý vodič)

Fotonový pin D2 - připojení k - pin senzoru 6, V+ (červený vodič)

Fotonový pin GND - připojení k - pin senzoru 7, GND (černý vodič)

Fotonový pin VIN - připojení k - akumulátoru, V+ (červený vodič)

Fotonový pin GND - připojení k - akumulátoru, GND (černý vodič)

Pin fotonu u. FL - připojení k - Anténa

Krok 4: Nastavení softwaru

K nastavení softwaru měřiče je zapotřebí pět hlavních kroků:

1. Vytvořte si účet Particle, který bude poskytovat online rozhraní s Fotonem. Chcete -li to provést, stáhněte si mobilní aplikaci Particle do smartphonu: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. Po instalaci aplikace si vytvořte účet Particle a podle online pokynů přidejte Photon do účtu. Všimněte si toho, že ke stejnému účtu lze přidat jakékoli další Fotony, aniž byste museli stahovat aplikaci Particle a znovu si vytvářet účet.

2. Vytvořte si účet ThingSpeak https://thingspeak.com/login a vytvořte nový kanál pro zobrazování údajů o vodní hladině. Příklad webové stránky ThingSpeak pro vodoměr je uveden na obrázku 5, který lze také zobrazit zde: https://thingspeak.com/channels/316660. Pokyny k nastavení kanálu ThingSpeak jsou k dispozici na https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w… Všimněte si toho, že ke stejnému účtu lze přidat další kanály pro jiné Photony, aniž byste museli vytvářet další účet ThingSpeak.

3. „Webhook“je nutný k předávání údajů o vodní hladině z fotonu do kanálu ThingSpeak. Pokyny k nastavení webhooku jsou k dispozici na https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. Pokud se staví více než jeden vodoměr, musí být pro každý další foton vytvořen nový webhook s jedinečným názvem.

4. Webhook, který byl vytvořen ve výše uvedeném kroku, musí být vložen do kódu, který provozuje foton. Kód pro WiFi verzi vodoměru je uveden v přiloženém souboru (Code1_WiFi.txt). V počítači přejděte na webovou stránku Particle https://login.particle.io/login?redirect=https://… přihlaste se k účtu Particle a přejděte do rozhraní aplikace Particle. Zkopírujte kód a použijte jej k vytvoření nové aplikace v rozhraní aplikace Particle. Do řádku 87 kódu vložte název výše vytvořeného webhooku. Chcete -li to provést, odstraňte text v uvozovkách a vložte nový název webhooku do uvozovek v řádku 87, který zní následovně:

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

5. Kód lze nyní ověřit, uložit a nainstalovat na foton. Všimněte si, že kód je uložen a nainstalován na fotonu z cloudu. Tento kód bude použit k ovládání vodoměru, když je ve studni. Během instalace v terénu bude nutné provést určité změny v kódu, aby byla frekvence hlášení nastavena na jednou denně a aby byly přidány informace o studně (to je popsáno v přiloženém souboru Water Level Meter Instructions.pdf v části nazvané „ Instalace měřiče do studny “).

Krok 5: Otestujte měřič

Konstrukce měřiče a nastavení softwaru jsou nyní dokončeny. V tomto okamžiku se doporučuje, aby byl měřič testován. Měly by být dokončeny dva testy. První test slouží k potvrzení, že měřič dokáže správně měřit hladinu vody a odeslat data do ThingSpeak. Druhý test slouží k potvrzení, že spotřeba energie fotonu je v očekávaném rozsahu. Tento druhý test je užitečný, protože baterie spotřebují příliš mnoho energie, než se očekávalo.

Pro účely testování je kód nastaven na měření a hlášení hladin vody každé dvě minuty. Toto je praktické časové období mezi měřením během testování měřiče. Pokud je požadována jiná frekvence měření, změňte proměnnou nazvanou MeasureTime v řádku 16 kódu na požadovanou frekvenci měření. Frekvence měření se zadává v sekundách (tj. 120 sekund se rovná dvěma minutám).

První test lze provést v kanceláři zavěšením měřiče nad podlahu, jeho zapnutím a kontrolou, zda kanál ThingSpeak přesně hlásí vzdálenost mezi senzorem a podlahou. V tomto testovacím scénáři se ultrazvukový puls odráží od podlahy, který se používá k simulaci vodní hladiny ve studni.

Pro druhý test by měl být změřen elektrický proud mezi baterií a fotonem, aby se potvrdilo, že odpovídá specifikacím v datovém listu fotonu: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… Praxe ukázala, že tento test pomáhá identifikovat vadná zařízení IoT před jejich nasazením v terénu. Změřte proud umístěním měřiče proudu mezi kladný vodič V+ (červený vodič) na baterii a kolík VIN na fotonu. Proud by měl být měřen v provozním režimu i v režimu hlubokého spánku. Chcete -li to provést, zapněte foton a spustí se v provozním režimu (jak ukazuje LED na fotonu, který zbarví azurovou barvu), který běží přibližně 20 sekund. Během této doby sledujte provozní proud pomocí měřiče proudu. Foton se poté automaticky přepne na dvě minuty do režimu hlubokého spánku (jak ukazuje LED na fotonu, která zhasne). V tomto okamžiku použijte proudový měřič k pozorování proudu hlubokého spánku. Provozní proud by měl být mezi 80 a 100 mA a proud hlubokého spánku by měl být mezi 80 a 100 µA. Pokud je proud vyšší než tyto hodnoty, foton by měl být vyměněn.

Měřič je nyní připraven k instalaci do studny (obrázek 6). Pokyny k instalaci měřiče do studny jsou uvedeny v přiloženém souboru (Water Level Meter Instructions.pdf).

Krok 6: Jak vytvořit mobilní verzi měřiče

Mobilní verzi vodoměru lze vytvořit úpravou dříve popsaného seznamu dílů, pokynů a kódu. Mobilní verze nevyžaduje WiFi, protože se k internetu připojuje pomocí mobilního signálu. Náklady na součásti pro vybudování mobilní verze měřiče jsou přibližně 300 $ (bez daní a poštovného), plus přibližně 4 $ za měsíc za mobilní datový plán dodávaný s mobilním zařízením IoT.

Mobilní měřič používá stejné části a konstrukční kroky uvedené výše s následujícími úpravami:

• Nahraďte zařízení WiFi IoT (Particle Photon) za mobilní zařízení IoT (Particle Electron): https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. Při konstrukci měřiče použijte stejná pinová připojení popsaná výše pro WiFi verzi měřiče v kroku 3.

• Celulární zařízení IoT spotřebovává více energie než verze WiFi, a proto jsou doporučeny dva zdroje baterie: 3,7 V Li-Po baterie, která je součástí zařízení IoT, a baterie se 4 AA bateriemi. 3,7V LiPo baterie se připojuje přímo k zařízení IoT pomocí dodaných konektorů. Sada baterií AA je připojena k zařízení IoT stejným způsobem, jak je popsáno výše pro WiFi verzi měřiče v kroku 3. Terénní testování ukázalo, že mobilní verze měřiče bude fungovat přibližně 9 měsíců s použitím výše popsaného nastavení baterie. Alternativou k použití jak AA baterie, tak 2000 mAh 3,7 V Li-Po baterie je použít jednu 3,7 V Li-Po baterii s vyšší kapacitou (např. 4000 nebo 5000 mAh).

• K měřiči musí být připojena externí anténa, například: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. Zajistěte, aby byla hodnocena podle frekvence používané poskytovatelem mobilních služeb, kde bude vodoměr používán. Anténa dodávaná s mobilním zařízením IoT není vhodná pro venkovní použití. Externí anténu lze připojit dlouhým (3 m) kabelem, který umožňuje připevnění antény na vnější stranu studny na vrtu (obrázek 7). Doporučuje se, aby byl anténní kabel protažen spodní částí skříně a důkladně utěsněn silikonem, aby se zabránilo vstupu vlhkosti (obrázek 8). Doporučuje se kvalitní, vodotěsný, venkovní koaxiální prodlužovací kabel.

• Mobilní IoT zařízení běží na jiném kódu než WiFi verze měřiče. Kód pro mobilní verzi měřiče je uveden v přiloženém souboru (Code2_Cellular.txt).