Aufbau eines Sensornetzwerks für eine Getreidemühle aus dem 18. Jahrhundert

Überwachung 100 Jahre Alte Fabrikprozesse sind hart, aber mit einem Netzwerk von nRF24L01-HF-Sendern wird es einfacher, sicherer und zuverlässiger.

Geschichte

Der moderne Fabrikprozess basiert stark auf der digitalen Technologie, um verschiedene Teile der Anlage zu überwachen. Mit digitaler Technologie sind Fabriken sicherer, produktiver und einfacher zu bedienen. Diese Technologie ist selbstverständlich, was beim Besuch immer älterer Fabriken deutlich wird. Ich arbeite in einer Schrotmühle aus dem 18. Jahrhundert, in der kaum Strom verbraucht wird. Flachriemen und Riemenscheiben übertragen die Kraft von den Gelenkwellen auf die Maschinen, und der Großteil unserer Maschinen besteht aus Holz, das von Hand geschnitten und Anfang des 20. Jahrhunderts zusammengebaut wurde. Als ich gebeten wurde, ein Netzwerk von Sensoren zu entwickeln, um die verschiedenen Teile des Fabrikprozesses meiner Arbeit zu überwachen, ergriff ich die Gelegenheit, meinen Arbeitsplatz ins 21. Jahrhundert zu bringen.

Die Mühle kann man sich als eine große Maschine vorstellen, in der viele kleinere Prozesse gleichzeitig ablaufen. Daher brauchten wir eine Vielzahl von Sensoren, die diese Prozesse überwachen und uns warnen können, wenn etwas nicht so funktioniert, wie es sollte. Die ersten Sensoren, die beim Start des Projekts enthalten waren, nehmen Messungen in einem Getreidebehälter vor, um herauszufinden, wie voll er ist, überwachen den 0-10-V-Gleichstromausgang eines AC Tech SMVector-Controllers und messen Temperatur und Luftfeuchtigkeit in verschiedenen Teilen des Gebäudes. Zukünftige Sensoren umfassen Auslauf-Durchflussmesser, die das durch einen Auslauf strömende Getreide messen, Magnetschalter an 2-Wege-Ventilen, die aufzeichnen, durch welche Ausläufe sich das Korn bewegt, und Temperatursensoren an Gelenkwellenlagern, die uns anzeigen, wie heiß ein Lager geworden ist.

Mit der Einführung dieses Netzwerks können wir Zeit sparen, indem wir die Prozesse in den vier Stockwerken des Gebäudes nicht visuell inspizieren müssen, und wir können Teile verschiedener Prozesse quantifizieren, um uns Daten für statistische Zwecke zu liefern.

Das Netzwerk besteht aus den Standardknoten, Arduino-betriebenen Geräten, die mit Sensoren verbunden sind, dem Basisknoten, dem Arduino-Gerät, das als Netzwerk-Hub fungiert, und einem Raspberry Pi, dem Gerät, das als Server fungiert und Dateninterpreter.

Das „Fräsdeck“ oder der erste Stock unserer Fabrik

Die Hardware

Das Modul nRF24L01 (RF24) ist ein Hochfrequenzsender, der Daten an andere RF24-Module senden und empfangen kann. Die RF24-Module können an einen Arduino Nano angeschlossen werden, indem Sie dem folgenden Schaltplan folgen.

Schaltplan für RF24-Modul und Arduino Nano

RF24-Module können mit 5 Volt betrieben werden, es wird jedoch empfohlen, sie mit 3,3 Volt zu betreiben. Damit das RF24-Modul nicht sporadisch an Leistung verliert, ist ein Entkopplungskondensator erforderlich. Ich habe einen 10 uF Elektrolytkondensator so nah an den Strom- und Massepins des HF-Moduls verwendet (nicht im Diagramm gezeigt). Ohne diesen Kondensator funktioniert das HF-Modul schlecht.

Nachdem ich das RF24-Modul verstanden hatte, war es an der Zeit, eine Platine zu erstellen, die an verschiedene Sensoren angepasst werden konnte.

Das Design, das ich für alle meine Netzwerkknoten verwendet habe

Die von mir entworfene Platine besteht aus einem Arduino Nano, einem RF24-Modul, einem 10 uF-Elektrolytkondensator, 2 Anzeige-LEDs, zwei Widerständen für die LEDs und a Stelle eine Micro-USB-Buchse an, um den Knoten mit Strom zu versorgen. Wenn ein Knoten zusammengestellt wird, sieht er so aus…

Bestückte Platine ohne RF24 und Arduino NanoA fertig montierter Node

Jeder Node wird dann in ein 3D-gedrucktes Gehäuse eingehüllt, das die Montage an Wänden und Oberflächen erleichtert.

Beispiel für Knoten und Fall

Aufgrund von Reichweitenproblemen habe ich den RF24 modifiziert, um eine längere Antenne hinzuzufügen. Die Antennenmodifikation erhöht die Reichweite eines serienmäßigen RF24-Moduls von 5-10 Fuß Reichweite auf 20 oder 30 Fuß. Um die RF24-Antenne zu modifizieren, schneide ich ein Stück massiven 18-Gauge-Draht auf etwa 7 Zoll und löte es an das Ende der Spur für die RF24-Antenne. WARNUNG:Das Ausfahren der RF24-Antenne kann die bereits vorhandene Leiterbahn auf dem RF24-Modul hochziehen, wenn zu viel Druck auf die Antenne ausgeübt wird.

RF24 und Antenne vorlöten RF24 vorlöten, Antenne ausrichten, Lötkolben auftragenGroße Menge Lötzinn verwenden

Ich habe einen großen Klecks Heißkleber auf beide Seiten der neuen Antenne aufgetragen, weil beim Experimentieren Ich habe festgestellt, dass es hilft, die neue Antenne am RF24-Modul zu versteifen.

Der Basisknoten und der Raspberry Pi-Server

Um das System zusammenzuführen, benötigt jedes Netzwerk einen Basisknoten, an den alle Daten weitergeleitet werden. In meinem Projekt verwende ich einen Knoten, der über ein serielles Kabel mit einem Raspberry Pi verbunden ist. Der Knoten wird zum Senden und Empfangen von Netzwerknachrichten verwendet und der RPI wird als zentraler Server zum Aufzeichnen und Interpretieren von Daten verwendet (das Serverprogramm wird später in diesem Projekt erläutert).

Knoten und Fälle

Knoten- und Basisprogrammierung

Für dieses Projekt habe ich ausschließlich die RF24Network-Bibliothek (erstellt von Tmrh20) verwendet, um das RF24-Messaging zu verarbeiten. Mit der Bibliothek RF24Network können Sie ein Netz von Knoten in einer Baumstruktur strukturieren. Adressen werden im Oktalformat ausgeschrieben. Jedes RF24-Modul kann in maximal 5 Knoten verzweigen und auf die Adressen dieser Unterknoten folgt die Elternadresse. Wenn wir also zwei Knoten zuweisen möchten, die sich unter Knoten 2 befinden, adressieren wir einen Knoten als 012 (1. Knoten, der ein Kind von Knoten 2 ist) und den anderen Knoten als 022 (2. Knoten, das ein Kind von Knoten 2) ist. .

Die Adressierung erfolgt in einer Baumstruktur

Damit Sie ein bisschen besser verstehen können, hier ein grundlegendes Layout einiger in meinem Netzwerk angeschlossener Knoten.

Meine Netzwerkstruktur

Ich verwende die Knoten 01, 011, 0111 und 01111 als Repeater-Knoten, dh sie werden hauptsächlich für die Übertragung von Informationen von Knoten weiter unten in der Baumstruktur verwendet. Die Knoten 03, 0211 und 0311 sind alle Sensorknoten, d. h. sie haben Sensoren angeschlossen, die Daten generieren, die wir an Knoten 00 zurücksenden müssen.

Beispiel für einen Repeater (dies ist der Repeater im 2. Stock)Ein weiteres Beispiel für einen Repeater (dies ist der Repeater im 3. Stock)

Knoten- und Sensorprogramm

Das Node-Programm wird auf dem von Ihnen erstellten Knoten ausgeführt. Dies ist das Programm, das als Endpunkt fungiert, bei dem die Daten von Sensoren generiert werden, die an den Knoten angeschlossen sind. Ich habe eine Version des Node-Codes ohne meine Sensormodifikation bereitgestellt (mit Kommentaren, um zu erklären, was vor sich geht), aber ich füge auch das Programm hinzu, das ich geschrieben habe (etwas anders als der Node-Code) für das Netzwerk meines Projekts.

Basisprogramm

Das Basisprogramm ist das Programm, das Sie auf dem Basisknoten ausführen (vermerkt als Knoten 00).

Hinweis zu den Programmen:Wenn Sie eine Datenstruktur für Ihre Nachricht erstellen, muss die C-Struktur sowohl in Ihrem Endpunktprogramm als auch in Ihrem Basisprogramm identisch sein.

Anbringen von Sensoren an einen Knoten

Das Netzwerk wurde mit 3 Sensortypen gestartet, Sensoren zur Messung des Füllstands von Getreidebehältern, Sensoren zur Überwachung der Leistungsabgabe bestimmter Motoren und Sensoren, die uns Temperatur- und Luftfeuchtigkeitswerte rund um das Gebäude liefern.

Getreidebehälter-Erkennung

Verkabelung des Ultraschallsensors

Um die Tiefe von Getreidebehältern zu messen, habe ich Ultraschallsensoren oben auf den Getreidebehältern installiert, sodass der Sensor in den Behälter zeigt. Ich habe dann 3 der Ultraschallsensoren in die Pins verkabelt, die ich auf dem Protoboard-Bereich des Knotens eingerichtet habe. Jeder Echo-Pin ist mit einem separaten Arduino-Pin verdrahtet, aber der Trigger-Pin wird zur einfacheren Programmierung geteilt.

Bin Sensing Node (3 Ultraschallsensoren für 3 Bins)Ein weiterer Node mit 3 angebrachten UltraschallsensorenEin Bild des am Bin montierten Ultraschallsensors

Temperatur- und Feuchtigkeitserfassung

DHT11-Verkabelung

Der DHT11 wird verwendet, um Temperatur und Luftfeuchtigkeit im gesamten Fabrikgebäude zu messen. Dies sind wichtige Informationen, denn bei der Verarbeitung von Getreide und Mehl können Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen die Mahlfeinheit des Mehls beeinflussen.

Weitere Informationen:Aufbau eines Sensornetzwerks für eine Getreidemühle aus dem 18. Jahrhundert