Een sensornetwerk bouwen voor een 18e-eeuwse korenmolen

Monitoring 100 jaar oude fabrieksprocessen zijn moeilijk, maar het wordt eenvoudiger, veiliger en betrouwbaarder met een netwerk van nRF24L01 RF-zenders.

Verhaal

Het moderne fabrieksproces is sterk afhankelijk van digitale technologie om verschillende delen van de faciliteit te bewaken. Met digitale technologie zijn fabrieken veiliger, productiever en gebruiksvriendelijker geworden. Deze technologie wordt als vanzelfsprekend beschouwd, wat duidelijk wordt wanneer je steeds oudere fabrieken bezoekt. Ik werk bij een 18e-eeuwse korenmolen waar nauwelijks elektriciteit wordt gebruikt. Platte riemen en katrollen brengen kracht over van lijnassen naar machines, en het grootste deel van onze machines is gemaakt van hout, met de hand gesneden en geassembleerd in het begin van de 20e eeuw. Toen mij werd gevraagd om een ​​netwerk van sensoren te ontwikkelen om de verschillende onderdelen van het fabrieksproces van mijn werk te bewaken, greep ik de kans om mijn werkplek de 21e eeuw in te brengen.

De molen kan worden gezien als één grote machine met veel kleinere processen die tegelijkertijd plaatsvinden. Daarom hadden we verschillende sensoren nodig die deze processen kunnen overzien en ons kunnen waarschuwen wanneer iets niet werkt zoals het zou moeten. De eerste sensoren die bij de lancering van het project zijn meegeleverd, nemen metingen in een graanbak om erachter te komen hoe vol deze is, bewaken de 0-10v dc-uitgang van een AC Tech SMVector-controller en nemen temperatuur- en vochtigheidsmetingen van verschillende delen van het gebouw. Toekomstige sensoren zullen onder meer uitloopstroommeters zijn die het graan meten dat door een uitloop stroomt, magnetische schakelaars op tweewegkleppen die registreren welke spuiten het graan er doorheen beweegt, en temperatuursensoren op lijnaslagers die ons laten weten hoe heet een lager is geworden.

Met de introductie van dit netwerk kunnen we tijd besparen door niet rond te lopen om de processen op de vier verdiepingen van het gebouw visueel te inspecteren en kunnen we delen van verschillende processen kwantificeren om ons gegevens te geven voor statistische doeleinden.

Het netwerk bestaat uit de standaardknooppunten, Arduino-aangedreven apparaten die zijn aangesloten op sensoren, het basisknooppunt, het Arduino-apparaat dat fungeert als de netwerkhub en een Raspberry Pi, het apparaat dat fungeert als de server en data-interpreter.

Het "Milling Deck" of eerste verdieping van onze fabriek

De hardware

De nRF24L01 (RF24)-module is een radiofrequentiezender die gegevens kan verzenden en ontvangen naar andere RF24-modules. De RF24-modules kunnen worden aangesloten op een Arduino Nano door het onderstaande bedradingsschema te volgen.

Bedradingsschema voor RF24-module en Arduino Nano

RF24-modules kunnen worden gevoed met 5 volt, maar het wordt aanbevolen om deze op 3,3 volt te zetten. Om ervoor te zorgen dat de RF24-module niet sporadisch stroom verliest, is een ontkoppelcondensator vereist. Ik gebruikte een elektrolytische condensator van 10 uF zo dicht mogelijk bij de voedings- en aardingspinnen van de RF-module (niet weergegeven in het diagram). Zonder deze condensator zal de RF-module slecht presteren.

Toen ik eenmaal inzicht had in de RF24-module, werd het tijd om een ​​PCB te maken die kon worden aangepast voor verschillende sensoren.

Het ontwerp dat ik voor al mijn netwerkknooppunten heb gebruikt

De PCB die ik heb ontworpen, bestaat uit een Arduino Nano, een RF24-module, een elektrolytische condensator van 10 uF, 2 indicatie-LED's, twee weerstanden voor de LED's en een plek om een ​​vrouwelijke micro-USB-connector te plaatsen om de node van stroom te voorzien. Wanneer een knoop wordt samengesteld, ziet het er als volgt uit...

Geassembleerd bord zonder RF24 en Arduino NanoA volledig geassembleerd knooppunt

Elk knooppunt wordt vervolgens ingepakt in een 3D-geprinte behuizing die het gemakkelijk maakt om aan muren en oppervlakken te monteren.

Voorbeeld van knoop en case

Vanwege problemen met het bereik heb ik de RF24 aangepast om een ​​langere antenne toe te voegen. De antennemodificatie vergroot het bereik van een standaard RF24-module van een bereik van 5-10 voet tot 20 of 30 voet. Om de RF24-antenne aan te passen, knipte ik een stuk massief 18 gauge draad tot ongeveer 7 inch en soldeerde het op het uiteinde van het spoor voor de RF24-antenne. WAARSCHUWING:Het verlengen van de RF24-antenne kan het reeds bestaande spoor op de RF24-module omhoog trekken als er te veel druk op de antenne wordt uitgeoefend.

Voorraad RF24 en antennePre-soldeer RF24 trace, lijn de antenne uit, breng soldeerbout aan Gebruik een ruime hoeveelheid soldeer

Ik heb een grote klodder hete lijm op beide zijden van de nieuwe antenne gedaan omdat, tijdens het experimenteren, Ik ontdekte dat het helpt om de nieuwe antenne aan de RF24-module te verstevigen.

Het basisknooppunt en de Raspberry Pi-server

Om het systeem samen te brengen, heeft elk netwerk een basisknooppunt nodig waar alle gegevens naartoe worden geleid. In mijn project gebruik ik een knooppunt dat via een seriële kabel op een Raspberry Pi is aangesloten. Het knooppunt wordt gebruikt voor het verzenden en ontvangen van netwerkberichten en de RPI wordt gebruikt als de centrale server voor het opnemen en interpreteren van gegevens (het serverprogramma wordt verderop in dit project uitgelegd).

Knooppunten en gevallen

Knooppunt- en basisprogrammering

Voor dit project heb ik uitsluitend de RF24Network-bibliotheek (gemaakt door Tmrh20) gebruikt om de RF24-berichten af ​​te handelen. Met de RF24Network-bibliotheek kunt u een netwerk van knooppunten structureren in een boomstructuur. Adressen worden uitgeschreven in octaal formaat. Elke RF24-module kan vertakken in niet meer dan 5 knooppunten en de adressen voor die subknooppunten worden gevolgd door het bovenliggende adres. Daarom, als we twee knooppunten onder Knooppunt 2 willen toewijzen, adresseren we één knooppunt als 012 (1e knooppunt dat een kind is van knooppunt 2) en het andere knooppunt als 022 (2e knooppunt dat een kind is van knooppunt 2) .

De adressering gebeurt in een boomstructuur

Dus je kunt het een beetje beter begrijpen, hier is een basislay-out van een paar knooppunten die in mijn netwerk zijn aangesloten.

Mijn netwerkstructuur

Ik gebruik knooppunten 01, 011, 0111 en 01111 als herhaalknooppunten, wat betekent dat ze voornamelijk worden gebruikt voor het verzenden van informatie van knooppunten verderop in de boomstructuur. Knooppunten 03, 0211 en 0311 zijn allemaal sensorknooppunten, wat betekent dat er sensoren op zijn aangesloten die gegevens genereren die we terug moeten sturen naar knooppunt 00.

Voorbeeld van een repeater (dit is de repeater op de 2e verdieping) Een ander voorbeeld van een repeater (dit is de repeater op de 3e verdieping)

Knooppunt- en sensorprogramma

Het Node-programma wordt uitgevoerd op het knooppunt dat u aan het maken bent. Dit is het programma dat fungeert als een eindpunt, waar de gegevens worden gegenereerd door sensoren die aan het knooppunt zijn bevestigd. Ik heb een versie van de knooppuntcode geleverd zonder enige van mijn sensoraanpassingen (met opmerkingen om uit te leggen wat er aan de hand is), maar ik voeg ook het programma toe dat ik heb geschreven (enigszins anders dan de knooppuntcode) voor het netwerk van mijn project.

Basisprogramma

Het basisprogramma is het programma dat u uitvoert op het basisknooppunt (aangeduid als knooppunt 00).

Iets om op te merken over de programma's, wanneer u een gegevensstructuur voor uw bericht maakt, moet de C-struct identiek zijn in zowel uw eindpuntprogramma als uw basisprogramma.

Sensoren aan een node bevestigen

Het netwerk werd gelanceerd met 3 sensortypes, sensoren om te meten hoe vol graanbakken zijn, sensoren om het vermogen van bepaalde motoren te bewaken en sensoren die ons temperatuur- en vochtigheidsmetingen geven vanuit het hele gebouw.

Grain Bin Sensing

Ultrasone sensorbedrading

Om de diepte van graanbakken te meten, heb ik ultrasone sensoren op de bovenkant van graanbakken geïnstalleerd, zodat de sensor in de bak wijst. Vervolgens heb ik 3 van de ultrasone sensoren bekabeld in de pinnen die ik op het protoboard-gebied van het knooppunt heb ingesteld. Elke echo-pin is aangesloten op een aparte Arduino-pin, maar de trigger-pin wordt gedeeld voor eenvoudiger programmeren.

Bin detectieknooppunt (3 ultrasone sensoren voor 3 bakken) Nog een knooppunt met 3 ultrasone sensoren bevestigd Een afbeelding van de ultrasone sensor gemonteerd op bin

Temperatuur- en vochtigheidsdetectie

DHT11-bedrading

De DHT11 wordt gebruikt om temperatuur en vochtigheid in het hele fabrieksgebouw te meten. Dit is belangrijke informatie, want bij het werken met graan en meel kunnen temperatuur- en vochtigheidsschommelingen invloed hebben op hoe fijn het meel wordt gemalen.

Lees meer details:een sensornetwerk bouwen voor een 18e-eeuwse korenmolen