Slimme boei - [Samenvatting]

Over dit project

Smart Buoy Samenvatting Blogbericht

Hallo iedereen! Dit is een korte samenvatting van ons slimme boeiproject. We zullen de technische opbouw opsplitsen in afzonderlijke berichten, om uit te leggen:elektronica, 3D-print en dashboard.

Jij zult Nodig

Voor de complete slimme boeibouw heb je VEEL spullen nodig. We zullen de uitsplitsing van specifieke materialen die nodig zijn voor elke fase van de build in de relevante tutorial hebben, maar voor een bepaalde context is hier de volledige lijst:

• Arduino Nano - ​Amazon

• Raspberry Pi Zero - ​Amazon

• Batterij (18650) - ​Amazon

• Zonnepanelen - ​Amazon

• Blokkeerdiodes - ​Amazon

• Oplaadcontroller - ​Amazon

• Buck-booster - ​Amazon

• GPS-module - ​Amazon

• GY-86 (versnellingsmeter, gyroscoop, barometer, kompas) - ​Amazon

• Watertemperatuursensor - ​Amazon

• Power monitor module - ​Amazon

• Real-time klokmodule - ​Amazon

• Radiomodules - ​Amazon

• i^2c multiplexermodule - ​Amazon

• 3D-printer - ​Amazon

• PETG-filament - ​Amazon

• Epoxy - ​Amazon

• Primer spuitverf - ​Amazon

• Touw - ​Amazon

• Drijft - ​Amazon

• Lijm - ​​Amazon​

Alle gebruikte code is te vinden op https://gitlab.com/t3chflicks/smart-buoy.

Wat doet het?

De sensoren aan boord van de slimme boei maken het mogelijk om te meten:golfhoogte, golfperiode, golfvermogen, watertemperatuur, luchttemperatuur, luchtdruk, spanning, stroomverbruik en GPS-locatie. In een ideale wereld zou het ook de golfrichting hebben gemeten - op basis van de metingen die het kon doen, waren we er heel dicht bij om het te laten werken. Het bleek echter behoorlijk ingewikkeld te zijn en het is eigenlijk een enorm probleem in de eigenlijke onderzoeksgemeenschap. Als er iemand is die ons kan helpen en een effectieve manier kan voorstellen om golfrichtingsmetingen te krijgen, laat het ons dan weten - we willen graag begrijpen hoe we dit kunnen laten werken!

Alle gegevens die de boei verzamelt, worden via de radio naar een basisstation, een Raspberry Pi, gestuurd. We hebben een dashboard gemaakt om ze weer te geven met Vue JS.

Bouw

Boeienbehuizing

Deze boei was waarschijnlijk het moeilijkste dat we tot nu toe hebben geprint. Er waren zoveel dingen om rekening mee te houden, aangezien het in de zee zou zijn, blootgesteld aan de elementen en veel zon. Daarover vertellen we meer in een andere aflevering in de Smart Buoy-serie. Kortom:we hebben een bijna holle bol in twee helften geprint. De bovenste helft heeft sleuven voor de zonnepanelen en een gat voor een radioantenne. De onderste helft heeft een gat waar een temperatuursensor doorheen kan en een handvat om een ​​touw aan vast te binden.

Nadat we de boei met PETG-filament hadden geprint, hebben we hem geschuurd, gespoten met een vulmiddelprimer en vervolgens een paar lagen epoxy aangebracht.

Toen de voorbereiding van de schaal voltooid was, hebben we alle elektronica erin geplaatst en vervolgens de watertemperatuursensor, radioantenne en zonnepanelen afgedicht met een lijmpistool. Ten slotte hebben we de twee helften verzegeld met StixAll lijm/lijm (super vliegtuiglijm).

En toen hoopten we dat het waterdicht was…

Boei-elektronica

• Afbeelding van volledig circuit voor boei

De boei heeft veel sensoren aan boord en daar gaan we in de betreffende tutorial dieper op in. Aangezien dit een samenvatting is, zullen we proberen dit informatief, maar kort te houden!

De boei wordt aangedreven door een 18650-batterij, die wordt opgeladen door vier 5V-zonnepanelen. Alleen de real-time klok wordt echter constant gevoed. De boei gebruikt de uitgangspen van de real-time klok om een ​​transistor aan te sturen waardoor stroom de rest van het systeem kan binnenkomen. Wanneer het systeem is ingeschakeld, begint het met het verkrijgen van metingen van de sensoren - inclusief een spanningswaarde van de vermogensmonitormodule. De waarde die door de vermogensmonitormodule wordt gegeven, bepaalt hoe lang het systeem slaapt voordat de volgende set metingen wordt uitgevoerd. Er wordt voor deze tijd een alarm ingesteld, waarna het systeem zichzelf uitschakelt!

Het systeem zelf is een heleboel sensoren en een radiomodule aangesloten op een Arduino. De GY-86-module, RealTimeClock (RTC), Power Monitor-module en I2C-multiplexer communiceren allemaal met de Arduino via I2C. We hadden de I2C-multiplexer nodig omdat de GY-86 en de RTC-module die we gebruikten allebei hetzelfde adres hebben. Met de multiplexermodule kun je communiceren zonder extra gedoe, hoewel het misschien een beetje overkill is.

De radiomodule communiceert via SPI. Oorspronkelijk hadden we ook een SD-kaartmodule, maar die veroorzaakte zoveel kopzorgen vanwege de omvang van de SD-bibliotheek dat we besloten deze te schrappen.

Kijk eens naar de code. Het is waarschijnlijk dat u enkele vragen heeft - waarschijnlijk ook slepende twijfels - en we horen ze graag. De diepgaande tutorials bevatten code-uitleg, dus hopelijk zullen ze het een beetje duidelijker maken!

We hebben geprobeerd de codebestanden logisch te scheiden en een hoofdbestand te gebruiken om ze op te nemen - een methode die perfect werkte.

Basisstation elektronica

• Afbeelding van pi-circuit

Het basisstation is gemaakt met behulp van een Raspberry Pi Zero met een aangesloten radiomodule. We hebben de behuizing van https://www.thingiverse.com/thing:1595429. Je bent fantastisch, heel erg bedankt!

Zodra de code op de Arduino draait, is het vrij eenvoudig om de metingen op de Raspberry Pi te krijgen door de code ontvangen.py uit te voeren.

Een lid van het T3ch Flicks-team is een webontwikkelaar die onlangs Vue JS heeft geleerd. Ze waren erg enthousiast toen we besloten dat we een dashboard nodig hadden en bliezen ons omver door dit behoorlijk legitieme streepje te maken.

Dashboard

Om je te laten zien hoe we het hele dashboard hebben gemaakt, zou een beetje een Odyssee zijn, omdat het een behoorlijk lang en gecompliceerd project was. Als iemand wil weten hoe we het hebben gedaan, laat het ons dan weten - de T3ch Flicks resident webontwikkelaar zou hier graag een tutorial over maken!

Als je deze bestanden eenmaal op een Raspberry Pi hebt gezet, zou je de server moeten kunnen draaien en het dashboard met de gegevens kunnen zien binnenkomen. Om ontwikkelingsredenen en om te zien hoe het dashboard eruit zou zien als het zou worden geleverd door goede, reguliere gegevens, we hebben een nepgegevensgenerator aan de server toegevoegd. Voer dat uit als je wilt zien hoe het eruitziet als je meer gegevens hebt.

Ook dit leggen we in een latere aflevering wat uitgebreider uit.

Versie 2??

Problemen

Dit project is absoluut niet perfect - we zien het liever als een prototype/proof of concept. Hoewel het prototype op een fundamenteel niveau werkt:het drijft, meet metingen en kan ze verzenden, er zijn er veel die we hebben geleerd en die zouden veranderen voor versie twee:

• Ons grootste probleem was dat we de code voor de boei niet konden wijzigen nadat deze was vastgelijmd. Dit was echt een beetje een vergissing en kon heel goed worden opgelost met een USB-poort bedekt met een rubberen afdichting. Dat zou echter een heel andere laag van complexiteit hebben toegevoegd aan het waterdichtingsproces van 3D-prints!

• De algoritmen die we gebruikten waren verre van perfect. Onze methoden voor het bepalen van golfeigenschappen waren vrij grof en we besteedden uiteindelijk veel van onze tijd aan het lezen van wiskunde voor het combineren van de sensorgegevens van de magnetometer, versnellingsmeter en gyroscoop. Het was uiteindelijk niet super handig, maar we vonden deze interessante video. Als iemand dit begrijpt en bereid is te helpen, denken we dat we deze metingen veel nauwkeuriger kunnen maken.

• Sommige sensoren gedroegen zich een beetje vreemd. De watertemperatuursensor was degene die opviel als bijzonder onbetrouwbaar - soms bijna 10 graden afwijkend van de werkelijke temperatuur. De reden hiervoor kan zijn dat het gewoon een slechte sensor is, of dat iets hem aan het opwarmen was...

Verbeteringen

De Arduino was goed, maar zoals eerder vermeld, moesten we de SD-kaartmodule schrappen (die de gegevensback-up moest zijn als radioberichten niet konden verzenden) vanwege geheugenproblemen. We kunnen het veranderen in een krachtigere microcontroller zoals een Arduino Mega of een Teensy of gewoon een andere Raspberry Pi-nul gebruiken. Dit zou echter de kosten en het stroomverbruik hebben verhoogd.

De radiomodule die we gebruikten heeft een beperkt bereik van een paar kilometer met directe zichtlijn https://www.youtube.com/watch?v=57pdX6b0sfw . Met (zeer) veel boeien rond het eiland hadden we echter een mesh-netwerk kunnen vormen, zoals https://www.youtube.com/watch?v=xb7psLhKTMA . Er zijn zoveel mogelijkheden voor het verzenden van gegevens over lange afstand, waaronder lora, grsm. Als we een van deze zouden kunnen gebruiken, zou misschien een mesh-netwerk rond het eiland mogelijk zijn!

Onze slimme boei gebruiken voor onderzoek

We hebben de boei gebouwd en te water gelaten in Grenada, een klein eiland in het zuiden van de Caraïben. Terwijl we daar waren, hadden we een gesprek met de Grenadiaanse regering, die zei dat een slimme boei zoals die we hebben gemaakt nuttig zou zijn bij het leveren van kwantitatieve metingen van waterkenmerken. Geautomatiseerde metingen zouden enige menselijke inspanning en menselijke fouten wegnemen en een nuttige context bieden voor het begrijpen van veranderende kusten. De regering suggereerde ook dat het nemen van windmetingen ook een nuttige functie voor hun doeleinden zou zijn. Geen idee hoe we dat gaan aanpakken, dus als iemand ideeën heeft... Een belangrijk voorbehoud is dat, hoewel het een heel opwindende tijd is voor kustonderzoek, met name met technologie, er nog een lange weg te gaan is voordat het volledig kan worden overgenomen .

Bedankt voor het lezen van de samenvatting van de blogpost over de slimme boei-serie. Als je dat nog niet hebt gedaan, bekijk dan de video hierover op ons YouTube-kanaal. In deel één van de serie laten we je zien hoe we golf- en temperatuurmetingen hebben gedaan. Als je ons werk leuk vond en ons zou willen helpen meer te doen, zou het geweldig zijn als je zou overwegen om ons op Patreon te sponsoren. Heel erg bedankt aan Giacomo, die onze eerste Patreon-sponsor is!

Bekijk de volgende blogpost waarin we laten zien hoe we golf- en temperatuurmetingen hebben gedaan https://create.arduino.cc/projecthub/t3chflicks/smart-buoy-making-wave-and-temperature-measurements-257ca1

Code

Smart Buoy Repo

https://gitlab.com/t3chflicks/smart-buoy

Schema's