Smart Boje - [Zusammenfassung]

Über dieses Projekt

Smart Booy-Zusammenfassungs-Blogpost

Hallo allerseits! Dies ist eine kurze (ish) Zusammenfassung unseres Smart-Booy-Projekts. Wir werden den technischen Build in separate Posts aufteilen, um zu erklären:Elektronik, 3D-Druck und Dashboard.

Du wirst Bedürfnis

Für den kompletten Bau der intelligenten Boje benötigen Sie eine Menge Zeug. Wir werden die spezifischen Materialien, die für jede Phase des Builds erforderlich sind, im entsprechenden Tutorial aufschlüsseln, aber für einen bestimmten Kontext ist hier die vollständige Liste:

• Arduino Nano - ​Amazon

• Raspberry Pi Zero - ​Amazon

• Batterie (18650) - ​Amazon

• Sonnenkollektoren - ​Amazon

• Sperrdioden - ​Amazon

• Laderegler - ​Amazon

• Buck-Booster - ​Amazon

• GPS-Modul - ​Amazon

• GY-86 (Beschleunigungsmesser, Gyroskop, Barometer, Kompass) - ​Amazon

• Wassertemperatursensor - ​Amazon

• Stromüberwachungsmodul - ​Amazon

• Echtzeituhr-Modul - ​Amazon

• Funkmodule - ​Amazon

• i^2c-Multiplexer-Modul - ​Amazon

• 3D-Drucker - ​Amazon

• PETG-Filament - ​Amazon

• Epoxid - ​Amazon

• Primer Sprühfarbe - ​Amazon

• Seil - ​Amazonas

• Schwimmer - ​Amazon

• Kleber - ​​Amazon

Den gesamten verwendeten Code finden Sie unter https://gitlab.com/t3chflicks/smart-buoy.

Was bewirkt es?

Die Sensoren an Bord der Smart Boje ermöglichen die Messung von:Wellenhöhe, Wellenperiode, Wellenleistung, Wassertemperatur, Lufttemperatur, Luftdruck, Spannung, aktuelle Nutzung und GPS-Position. In einer idealen Welt hätte es auch die Wellenrichtung gemessen - basierend auf den Messungen, die es machen konnte, waren wir ziemlich nahe daran, dass es funktioniert. Es stellte sich jedoch als ziemlich kompliziert heraus und es ist tatsächlich ein massives Problem in der tatsächlichen Forschungsgemeinschaft. Wenn jemand da draußen ist, der uns helfen und einen effektiven Weg zur Messung der Wellenrichtung vorschlagen kann, lassen Sie es uns bitte wissen - wir würden gerne verstehen, wie wir es zum Laufen bringen können!

Alle Daten, die die Boje sammelt, werden per Funk an eine Basisstation, einen Raspberry Pi, gesendet. Wir haben ein Dashboard erstellt, um sie mit Vue JS anzuzeigen.

Erstellen

Bojengehäuse

Diese Boje war wahrscheinlich das Schwierigste, was wir bisher gedruckt haben. Es gab einfach so viele Dinge zu beachten, denn es würde im Meer liegen, den Elementen ausgesetzt und viel Sonne. Darüber werden wir in einer anderen Episode der Smart Buoy-Serie mehr sprechen. Kurz gesagt:Wir haben eine nahezu hohle Kugel in zwei Hälften gedruckt. Die obere Hälfte hat Schlitze für die Sonnenkollektoren und ein Loch für eine Radioantenne. Die untere Hälfte hat ein Loch für einen Temperatursensor und einen Griff zum Anbinden eines Seils.

Nachdem wir die Boje mit PETG-Filament bedruckt hatten, haben wir sie geschliffen, mit einer Füllergrundierung gespritzt und dann ein paar Schichten Epoxid aufgetragen.

Sobald die Vorbereitung des Rohbaus abgeschlossen war, haben wir die gesamte Elektronik eingebaut und dann den Wassertemperatursensor, die Funkantenne und die Sonnenkollektoren mit einer Klebepistole versiegelt. Zum Schluss haben wir die beiden Hälften mit StixAll Leim/Kleber (Super Flugzeugkleber) versiegelt.

Und dann haben wir gehofft, dass es wasserdicht ist…

Bojenelektronik

• Bild des vollständigen Rundgangs für die Boje

Die Boje hat viele Sensoren an Bord, auf die wir im entsprechenden Tutorial ausführlich eingehen. Da dies eine Zusammenfassung ist, versuchen wir, diese informativ, aber kurz zu halten!

Die Boje wird von einem 18650er Akku gespeist, der von vier 5V Sonnenkollektoren aufgeladen wird. Lediglich die Echtzeituhr wird jedoch ständig mit Strom versorgt. Die Boje verwendet den Ausgangspin der Echtzeituhr, um einen Transistor zu steuern, der es ermöglicht, den Rest des Systems mit Strom zu versorgen. Wenn das System eingeschaltet wird, erhält es zunächst Messungen von den Sensoren - einschließlich eines Spannungswerts vom Leistungsmonitormodul. Der vom Netzüberwachungsmodul angegebene Wert bestimmt, wie lange das System im Ruhezustand ist, bevor die nächsten Messungen durchgeführt werden. Für diese Zeit wird ein Wecker gestellt, dann schaltet sich das System ab!

Das System selbst besteht aus vielen Sensoren und einem Funkmodul, das mit einem Arduino verbunden ist. Das GY-86-Modul, die RealTimeClock (RTC), das Power Monitor-Modul und der I2C-Multiplexer kommunizieren alle über I2C mit dem Arduino. Wir brauchten den I2C-Multiplexer, da der GY-86 und das von uns verwendete RTC-Modul beide die gleiche Adresse haben. Mit dem Multiplexer-Modul können Sie ohne zusätzlichen Aufwand kommunizieren, auch wenn es etwas übertrieben sein könnte.

Das Funkmodul kommuniziert über SPI. Ursprünglich hatten wir auch ein SD-Kartenmodul, aber es verursachte aufgrund der Größe der SD-Bibliothek so viele Kopfschmerzen, dass wir beschlossen, es zu verschrotten.

Schau dir den Code an. Es ist wahrscheinlich, dass Sie einige Fragen haben – wahrscheinlich auch anhaltende Zweifel – und wir würden uns freuen, sie zu hören. Die ausführlichen Tutorials enthalten Code-Erklärungen, sodass es hoffentlich etwas klarer wird!

Wir haben versucht, die Codedateien logisch zu trennen und eine Hauptdatei zu verwenden, um sie einzubinden - eine Methode, die perfekt funktioniert hat.

Basisstationselektronik

• Bild der Pi-Schaltung

Die Basisstation besteht aus einem Raspberry Pi Zero mit angeschlossenem Funkmodul. Wir haben das Gehäuse von https://www.thingiverse.com/thing:1595429. Du bist toll, vielen Dank!

Sobald Sie den Code auf dem Arduino ausgeführt haben, ist es ganz einfach, die Messungen auf dem Raspberry Pi zu erhalten, indem Sie den Receive.py-Code ausführen.

Ein Mitglied des T3ch Flicks-Teams ist ein Webentwickler, der kürzlich Vue JS erlernt hat. Sie waren sehr aufgeregt, als wir beschlossen, dass wir ein Dashboard brauchen, und haben uns mit diesem ziemlich legitimen Strich umgehauen.

Dashboard

Ihnen zu zeigen, wie wir den gesamten Strich gemacht haben, wäre eine kleine Odyssee, weil es ein ziemlich langes und kompliziertes Projekt war. Wenn jemand wissen möchte, wie wir es gemacht haben, lassen Sie es uns wissen - der residente Webentwickler von T3ch Flicks würde gerne ein Tutorial dazu erstellen!

Sobald Sie diese Dateien auf einem Raspberry Pi abgelegt haben, sollten Sie in der Lage sein, den Server auszuführen und das Dashboard mit den eingehenden Daten zu sehen. Aus Entwicklungsgründen und um zu sehen, wie das Dash aussehen würde, wenn es mit guten, regulären Daten versorgt würde, Wir haben dem Server einen gefälschten Datengenerator hinzugefügt. Führen Sie das aus, wenn Sie sehen möchten, wie es aussieht, wenn Sie mehr Daten haben.

Auch dies erklären wir in einer späteren Folge etwas ausführlicher.

Version 2??

Probleme

Dieses Projekt ist absolut nicht perfekt – wir sehen es eher als Prototyp/Proof of Concept. Obwohl der Prototyp auf einer grundlegenden Ebene funktioniert:Er schwebt, nimmt Messungen vor und ist in der Lage, diese zu übertragen, aber wir haben viel gelernt und würden für Version zwei ändern:

• Unser größtes Problem war, dass wir den Code für die Boje nach dem Zukleben nicht ändern konnten. Das war wirklich ein kleines Versehen und konnte mit einem mit einer Gummidichtung abgedeckten USB-Port sehr effektiv gelöst werden. Das hätte jedoch den 3D-Druck-Abdichtungsprozess noch komplexer gemacht!

• Die von uns verwendeten Algorithmen waren alles andere als perfekt. Unsere Methoden zur Bestimmung der Welleneigenschaften waren ziemlich grob und wir verbrachten viel Zeit damit, Mathematik zu lesen, um die Sensordaten von Magnetometer, Beschleunigungsmesser und Gyroskop zu kombinieren. Am Ende war es nicht sehr hilfreich, aber wir fanden dieses interessante Video. Wenn jemand da draußen das versteht und bereit ist zu helfen, denken wir, dass wir diese Messungen viel genauer machen könnten.

• Einige der Sensoren haben sich etwas seltsam verhalten. Der Wassertemperatursensor fiel als besonders zwielichtig auf - zeitweise fast 10 Grad von der tatsächlichen Temperatur entfernt. Der Grund dafür könnte einfach ein schlechter Sensor gewesen sein, oder etwas hat ihn aufgeheizt...

Verbesserungen

Der Arduino war gut, aber wie bereits erwähnt, mussten wir das SD-Kartenmodul (das als Datensicherung dienen sollte, wenn keine Funknachrichten gesendet werden konnten) aufgrund von Speicherproblemen verschrotten. Wir könnten es zu einem leistungsstärkeren Mikrocontroller wie einem Arduino Mega oder einem Teensy ändern oder einfach einen anderen Raspberry Pi Zero verwenden. Dies hätte jedoch die Kosten und den Stromverbrauch erhöht.

Das von uns verwendete Funkmodul hat eine begrenzte Reichweite von wenigen Kilometern bei direkter Sichtverbindung https://www.youtube.com/watch?v=57pdX6b0sfw . Mit (sehr) vielen Bojen auf der Insel hätten wir jedoch ein Mesh-Netzwerk wie https://www.youtube.com/watch?v=xb7psLhKTMA bilden können. Es gibt so viele Möglichkeiten für die Übertragung von Daten über große Entfernungen, einschließlich Lora, Grsm. Wenn wir eines davon nutzen könnten, wäre vielleicht ein Mesh-Netzwerk um die Insel möglich!

Verwendung unserer intelligenten Boje für die Forschung

Wir haben die Boje in Grenada, einer kleinen Insel in der Südkaribik, gebaut und zu Wasser gelassen. Während wir draußen waren, unterhielten wir uns mit der grenadischen Regierung, die sagte, dass eine intelligente Boje wie die von uns entwickelte hilfreich sein würde, um quantitative Messungen der Wassereigenschaften zu ermöglichen. Automatisierte Messungen würden einige menschliche Anstrengungen und menschliche Fehler vermeiden und einen hilfreichen Kontext für das Verständnis sich ändernder Küsten bieten. Die Regierung schlug auch vor, dass Windmessungen für ihre Zwecke ebenfalls hilfreich wären. Keine Ahnung, wie wir das schaffen sollen, also wenn jemand Ideen hat… Ein wichtiger Vorbehalt ist, dass es zwar eine wirklich aufregende Zeit für die Küstenforschung ist, insbesondere im Bereich der Technologie, aber es ist noch ein langer Weg, bis sie vollständig angenommen werden kann .

Vielen Dank, dass Sie den zusammenfassenden Blogbeitrag der Smart-Booy-Serie gelesen haben. Falls noch nicht geschehen, schauen Sie sich bitte das Video dazu auf unserem YouTube-Kanal an. Im ersten Teil der Serie zeigen wir Ihnen, wie wir Wellen- und Temperaturmessungen durchgeführt haben. Wenn Ihnen unsere Arbeit gefallen hat und Sie uns helfen möchten, mehr zu tun, wäre es großartig, wenn Sie in Betracht ziehen würden, uns auf Patreon zu sponsern. Vielen Dank an Giacomo, der unser erster Patreon-Sponsor ist!

Schauen Sie sich den nächsten Blogbeitrag an, in dem wir zeigen, wie wir Wellen- und Temperaturmessungen durchgeführt haben https://create.arduino.cc/projecthub/t3chflicks/smart-buoy-making-wave-and-temperature-measurements-257ca1

Code

Smart Boje Repo

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

Schaltpläne