Smart bøje [Oversigt]: 8 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:25

Vi elsker alle havet. Som kollektiv strømmer vi til det for at holde ferie, for at nyde vandsport eller for at leve af. Men kysten er et dynamisk område på bølgernes nåde. Stigende havniveau nipper ved strande og kraftige ekstreme begivenheder som orkaner decimerer dem fuldstændigt. For at forstå, hvordan vi kan redde dem, er vi nødt til at forstå de kræfter, der driver deres forandring.

Forskning er dyrt, men hvis du kunne oprette billige og effektive instrumenter, ville du være i stand til at generere flere data - i sidste ende forbedre forståelsen. Dette var tankegangen bag vores Smart Buoy -projekt. I dette resumé giver vi dig en hurtig gennemgang af vores projekt og opdeler det i design, fabrikat og datapræsentation. Åh bøje, du kommer til at elske dette..!

Forbrugsvarer

For den komplette Smart Buoy -opbygning har du brug for en masse ting. Vi vil have opdelingen af specifikke materialer, der kræves til hvert trin i bygningen i den relevante vejledning, men her er den komplette liste:

• Arduino Nano - Amazon
• Raspberry Pi Zero - Amazon
• Batteri (18650) - Amazon
• Solpaneler - Amazon
• Blokerende dioder - Amazon
• Opladningscontroller - Amazon
• Buck booster - Amazon
• GPS -modul - Amazon
• GY -86 (accelerometer, gyroskop, barometer, kompas) - Amazon
• Vandtemperaturføler - Amazon
• Strømovervågningsmodul - Amazon
• Realtidsurmodul - Amazon
• Radiomoduler - Amazon
• i^2c multiplexermodul - Amazon
• 3D -printer - Amazon
• PETG filament - Amazon
• Epoxy - Amazon
• Primer spraymaling - Amazon
• Reb - Amazon
• Floats - Amazon
• Lim - Amazon

Al den anvendte kode kan findes på

Trin 1: Hvad gør det?

Sensorerne ombord på Smart Buoy gør det muligt at måle: bølgehøjde, bølgeperiode, bølgeeffekt, vandtemperatur, lufttemperatur, lufttryk, spænding, strømforbrug og GPS -placering.

I en ideel verden ville den også have målt bølgeretning. Baseret på de målinger, bøjningen foretog, var vi ganske tæt på at finde en løsning, der ville gøre det muligt for os at beregne bølgeretning. Det viste sig imidlertid at være temmelig kompliceret, og det er et massivt problem i det egentlige forskningssamfund. Hvis der er nogen derude, der kan hjælpe os og foreslå en effektiv måde at få bølgeretningsmålinger på, lad os vide det - vi vil meget gerne forstå, hvordan vi kan få det til at fungere! Alle data, som Bojen indsamler, sendes via radio til en basestation, som er en Raspberry Pi. Vi lavede et dashboard for at vise dem ved hjælp af Vue JS.

Trin 2: Byg - bøjehus

Denne bøje var nok den sværeste ting, vi har printet hidtil. Der var bare så mange ting at tage i betragtning, da det skulle være i havet, udsat for elementerne og en masse sol. Vi vil tale mere om det senere i Smart Buoy -serien.

Kort fortalt: vi trykte en nær hul kugle i to halvdele. Den øverste halvdel har slots til solpanelerne og et hul til en radioantenne at gå igennem. Den nederste halvdel har et hul til en temperatursensor at gå igennem og et håndtag til et reb, der skal bindes til.

Efter at have trykt bøjningen ved hjælp af PETG -filament slibede vi den, spraymalede den med lidt fyldstof og lagde derefter et par lag epoxy på.

Når klargøringen af skallen var færdig, lagde vi al elektronikken indeni og forseglede derefter vandtemperaturføleren, radioantenne og solpaneler ved hjælp af en limpistol. Endelig forseglede vi de to halvdele med StixAll lim/klæbemiddel (superflylim).

Og så håbede vi, at det var vandtæt …

Trin 3: Byg - bøjeelektronik

Bojen har masser af sensorer om bord, og vi går i detaljer om disse i den relevante vejledning. Da dette er et resumé, vil vi forsøge at holde dette informativt, men kort!

Bojen drives af et 18650 batteri, der oplades af fire, 5V solpaneler. Kun realtidsuret er dog konstant drevet. Bojen bruger real -time urets udgangsstift til at styre en transistor, der tillader strøm at komme ind i resten af systemet. Når systemet tændes, starter det med at få målinger fra sensorerne - inklusive en spændingsværdi fra effektmonitormodulet. Den værdi, der er givet af strømovervågningsmodulet, bestemmer, hvor længe systemet sover, før det næste sæt målinger foretages. Der indstilles en alarm for denne gang, derefter slukker systemet selv!

Selve systemet er en masse sensorer og et radiomodul forbundet til en Arduino. GY-86-modulet, RealTimeClock (RTC), Power Monitor-modulet og I2C-multiplexeren kommunikerer alle med Arduino ved hjælp af I2C. Vi havde brug for I2C-multiplexeren er påkrævet, fordi GY-86 og RTC-modulet, vi brugte, begge har den samme adresse. Multiplexermodulet giver dig mulighed for at kommunikere uden ekstra besvær, selvom det kan være lidt overkill.

Radiomodulet kommunikerer via SPI.

Oprindeligt havde vi også et SD -kortmodul, men det forårsagede så mange hovedpine på grund af størrelsen på SD -biblioteket, at vi besluttede at skrotte det.

Tag et kig på koden. Det er sandsynligt, at du har nogle spørgsmål - sandsynligvis også vedvarende tvivl - og vi vil være glade for at høre dem. De dybdegående selvstudier indeholder kodeforklaringer, så forhåbentlig vil de gøre det lidt klarere!

Vi forsøgte logisk at adskille kodefilerne og bruge en hovedfil til at inkludere dem, hvilket syntes at fungere ret godt.

Trin 4: Byg - Elektronik til basestationer

Basestationen er lavet ved hjælp af en Raspberry Pi Zero med et radiomodul tilsluttet. Vi fik kabinettet fra https://www.thingiverse.com/thing:1595429. Du er fantastisk, mange tak!

Når du har koden kørt på Arduino, er det ganske enkelt at få målingerne på Raspberry Pi ved at køre listen_to_radio.py -koden.

Trin 5: Dashboard

At vise dig, hvordan vi lavede hele bindestreg, ville være lidt af en Odyssey, fordi det var et ret langt og kompliceret projekt. Hvis nogen vil vide, hvordan vi gjorde det, så lad os det vide - T3ch Flicks resident webudvikler vil mere end gerne lave en tutorial om dette!

Når du først har lagt disse filer på en Raspberry Pi, skal du kunne køre serveren og se instrumentbrættet med dataene komme ind. Af udviklingsmæssige årsager og for at se, hvordan bindestreg ville se ud, hvis den blev leveret af gode, regelmæssige data, vi tilføjede en falsk datagenerator til serveren. Kør det, hvis du vil se, hvordan det ser ud, når du har flere data. Vi vil også forklare dette i detaljer i en senere vejledning.

(Husk, at du kan finde al koden på

Trin 6: Version 2 ?? - Problemer

Dette projekt er absolut ikke perfekt - vi synes mere om det som en prototype/bevis på koncept. Selvom prototypen fungerer på et grundlæggende niveau: den flyder, tager målinger og kan overføre dem, er der mange af dem, vi har lært og ville ændre sig for version to:

1. Vores største problem var ikke at kunne ændre koden til Bojen efter at have limet den fast. Dette var virkelig lidt af en forglemmelse og kunne løses meget effektivt med en USB -port dækket med en gummipakning. Det ville dog have tilføjet et helt andet lag af kompleksitet til vandtryksprocessen i 3D -print!
2. De algoritmer, vi brugte, var langt fra perfekte. Vores metoder til at bestemme bølgeegenskaber var ret rå, og vi endte med at bruge meget af vores tid på at læse op på matematik til at kombinere sensordata fra magnetometeret, accelerometeret og gyroskopet. Hvis nogen derude forstår dette og er villige til at hjælpe, tror vi, at vi kunne gøre disse målinger meget mere præcise.
3. Nogle af sensorerne virkede lidt underligt. Vandtemperaturføleren var den, der skilte sig ud som særlig risikabel - næsten 10 grader ude fra den virkelige temperatur til tider. Årsagen til dette kunne have været, at det bare var en dårlig sensor, eller noget varmer det op …

Trin 7: Version 2 ?? - Forbedringer

Arduinoen var god, men som nævnt før måtte vi skrotte SD -kortmodulet (som skulle være data -backup, hvis radiobeskeder ikke kunne sende) på grund af hukommelsesproblemer. Vi kunne ændre det til en mere kraftfuld mikrokontroller som en Arduino Mega eller en Teensy eller bare bruge en anden Raspberry Pi zero. Dette ville imidlertid have øget omkostninger og strømforbrug.

Det radiomodul, vi brugte, har en begrænset rækkevidde på et par kilometer med direkte sigtelinje. Men i en hypotetisk verden, hvor vi var i stand til (meget) mange bøjer rundt om øen, kunne vi have dannet et netnet som dette. Der er så mange muligheder for langtrækkende dataoverførsel, herunder lora, grsm. Hvis vi var i stand til at bruge en af disse, ville et netværksnetværk rundt om øen måske være muligt!

Trin 8: Brug af vores smarte bøje til forskning

Vi byggede og lancerede Bojen i Grenada, en lille ø i det sydlige Caribien. Mens vi var derude, havde vi en snak med den grenadiske regering, der sagde, at en smart bøje som den, vi skabte, ville være nyttig til at levere kvantitative målinger af havets egenskaber. Automatiserede målinger ville afskære nogle menneskelige anstrengelser og menneskelige fejl og give nyttig sammenhæng til forståelse af skiftende kyster. Regeringen foreslog også, at vindmålinger også ville være en nyttig funktion til deres formål. Aner ikke, hvordan vi skal klare den, så hvis nogen har nogen ideer …

En vigtig advarsel er, at selvom det er en virkelig spændende tid for kystforskning, især inden for teknologi, er der lang vej, før det kan vedtages fuldt ud.

Tak, fordi du læste Smart Buoy -serien opsummerende blogindlæg. Hvis du ikke allerede har gjort det, kan du tage et kig på vores opsummerende video på YouTube.

Tilmeld dig vores mailingliste!

Del 1: Måling af bølge og temperatur

Del 2: GPS NRF24 Radio og SD -kort

Del 3: Planlægning af magt til bøje

Del 4: Implementering af bøje