En realtidsbrøndvandsmåler: 6 trin (med billeder)

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

Disse instruktioner beskriver, hvordan man bygger en billig, real-time vandstandsmåler til brug i gravede brønde. Vandstandsmåleren er designet til at hænge inde i en gravet brønd, måle vandstanden en gang om dagen og sende dataene via WiFi eller mobilforbindelse til en webside for øjeblikkelig visning og download. Omkostningerne for delene til at bygge måleren er cirka $ 200 for WiFi -versionen og $ 300 for den mobile version. Måleren er vist i figur 1. En komplet rapport med bygningsinstruktioner, deleliste, tips til konstruktion og betjening af måleren, og hvordan man installerer måleren i en vandbrønd, findes i den vedhæftede fil (Water Level Meter Instructions.pdf). Vandstandsmålerne er blevet brugt til at udvikle et regionalt, realtids lavt vandmålerovervågningsnetværk i Nova Scotia, Canada: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm… Instruktioner til at bygge en lignende måler, der måler vand temperatur, konduktivitet og vandstand er tilgængelig her:

Vandstandsmåleren bruger en ultralydssensor til at måle dybden til vand i brønden. Sensoren er tilsluttet en Internet-of-Things (IoT) -enhed, der opretter forbindelse til et WiFi- eller mobilnetværk og sender vandstandsdataene til en webtjeneste, der skal graferes. Webservicen, der bruges i dette projekt, er ThingSpeak.com, som er gratis at bruge til ikke-kommercielle små projekter (færre end 8, 200 beskeder/dag). For at WiFi -versionen af måleren fungerer, skal den være placeret tæt på et WiFi -netværk. Indenlandske vandboringer opfylder ofte denne betingelse, fordi de er placeret tæt på et hus med WiFi. Måleren inkluderer ikke en datalogger, den sender snarere vandstandsdataene til ThingSpeak, hvor de er gemt i skyen. Derfor, hvis der er et problem med dataoverførsel (f.eks. Under en internetafbrydelse), overføres vandstandsdataene for den pågældende dag ikke og går permanent tabt.

Måleren blev designet og testet for graverede brønde med stor diameter (0,9 m indvendig diameter) med lavt vanddybde (mindre end 10 m under jordoverfladen). Det kan dog potentielt bruges til måling af vandstand i andre situationer, såsom miljøovervågningsboringer, borede brønde og overfladevandsforekomster.

Målerdesignet, der præsenteres her, blev ændret efter en måler, der blev lavet til måling af vandstand i en husholdningsvandstank og rapportering af vandstanden via Twitter, udgivet af Tim Ousley i 2015: https://www.instructables.com/id/Wi -Fi-Twitter-Wa…. De største forskelle mellem det originale design og det design, der præsenteres her, er evnen til at betjene måleren på AA-batterier i stedet for en kablet strømadapter, muligheden for at se dataene i en tidsseriediagram i stedet for en Twitter-besked og brugen af en ultralydssensor, der er specielt designet til måling af vandstanden.

Trin-for-trin instruktioner til konstruktion af vandstandsmåleren findes nedenfor. Det anbefales, at bygherren læser alle konstruktionstrin igennem, før målerens konstruktionsproces startes. Den IoT -enhed, der bruges i dette projekt, er en Particle Photon, og derfor bruges udtrykkene "IoT -enhed" og "Photon" i de følgende afsnit i flæng.

Forbrugsvarer

Elektroniske dele:

Sensor - MaxBotix MB7389 (5m rækkevidde)

IoT -enhed - Particle Photon med headers

Antenne (intern antenne installeret inde i målerhuset) - 2,4 GHz, 6dBi, IPEX eller u. FL -stik, 170 mm lang

Batteripakke - 4 X AA

Wire - jumper wire med push -on stik (300 mm længde)

Batterier - 4 x AA

VVS og hardware dele:

Rør - ABS, 50 mm (2 tommer) i diameter, 125 mm lang

Topdæksel, ABS, 50 mm (2 tommer), gevind med pakning for at lave en vandtæt forsegling

Bundkappe, PVC, 50 mm (2 tommer) med ¾ tommer kvindelig NPT -gevind, der passer til sensoren

2 rørkoblinger, ABS, 50 mm (2 tommer) til at forbinde top- og bunddæksel til ABS -rør

Øjebolt og 2 møtrikker, rustfrit stål (1/4 tommer) for at lave bøjle på topdækslet

Andre materialer: elektrisk tape, teflonbånd, loddemetal, silikone, lim til samling af etui

Trin 1: Saml målerhuset

Saml målerhuset som vist i figur 1 og 2 ovenfor. Den samlede længde af den samlede måler, tip til tip inklusive sensor og øjenbolt, er cirka 320 mm. ABS -røret med en diameter på 50 mm, der bruges til at lave målerhuset, skal skæres til ca. 125 mm i længden. Dette giver tilstrækkelig plads inde i kabinettet til at rumme IoT-enheden, batteripakken og en 170 mm lang intern antenne.

Forsegl alle samlinger med enten silicium eller ABS -lim for at gøre kassen vandtæt. Dette er meget vigtigt, ellers kan der komme fugt ind i kabinettet og ødelægge de interne komponenter. En lille tørremiddel kan placeres inde i kassen for at absorbere fugt.

Installer en øjenbolt i topkappen ved at bore et hul og indsætte øjenbolten og møtrikken. Der skal bruges en møtrik på både indersiden og ydersiden af kabinettet for at fastgøre øjenbolten. Silikone indersiden af hætten ved bolthullet for at gøre det vandtæt.

Trin 2: Fastgør ledninger til sensoren

Tre ledninger (se figur 3a) skal loddes til sensoren for at fastgøre den til fotonet (dvs. sensorstifter GND, V+og ben 2). Lodning af ledningerne til sensoren kan være udfordrende, fordi forbindelseshullerne på sensoren er små og tæt sammen. Det er meget vigtigt, at ledningerne er loddet korrekt til sensoren, så der er en god, stærk fysisk og elektrisk forbindelse og ingen loddebuer mellem tilstødende ledninger. God belysning og et forstørrelsesglas hjælper med lodningsprocessen. For dem, der ikke har tidligere loddeerfaring, anbefales en del lodning inden lodning af ledningerne til sensoren. En online tutorial om lodning er tilgængelig fra SparkFun Electronics (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…).

Efter at ledningerne er loddet til sensoren, kan overskydende bar ledning, der stikker ud fra sensoren, trimmes af med trådskærere til cirka 2 mm længde. Det anbefales, at loddeledene dækkes med en tyk perle af silicium. Dette giver forbindelserne mere styrke og reducerer chancen for korrosion og elektriske problemer ved sensorforbindelserne, hvis der kommer fugt ind i målerhuset. Elektrisk tape kan også vikles rundt om de tre ledninger ved sensortilslutningen for at give yderligere beskyttelse og aflastning, hvilket reducerer chancen for, at ledningerne går i stykker ved loddeledene.

Sensortråde kan have push-on-type stik (se figur 3b) i den ene ende for at fastgøre til Photon. Brug af push-on stik gør det lettere at samle og adskille måleren. Sensortrådene skal være mindst 270 mm lange, så de kan forlænge hele målerhusets længde. Denne længde gør det muligt for Photon at blive forbundet fra den øverste ende af sagen med sensoren på plads i den nederste ende af kabinettet. Bemærk, at denne anbefalede ledningslængde forudsætter, at ABS -røret, der blev brugt til at lave målerhuset, blev skåret til en længde på 125 mm. Bekræft inden skæring og lodning af ledningerne til sensoren, at en ledningslængde på 270 mm er tilstrækkelig til at strække sig ud over toppen af målerhuset, så Photon kan tilsluttes, efter at sagen er blevet samlet, og sensoren er fastgjort til sagen.

Sensoren kan nu sættes på målerhuset. Det skal skrues tæt ind i bunddækslet ved hjælp af teflonbånd for at sikre en vandtæt forsegling.

Trin 3: Tilslut sensor, batteripakke og antenne til IoT -enhed

Sæt sensoren, batteripakken og antennen på fotonet (figur 4), og sæt alle dele i målerhuset. En liste over stiftforbindelserne angivet i figur 4 er angivet nedenfor. Sensor- og batteripakkens ledninger kan fastgøres ved lodning direkte til Photon eller med push-on-type stik, der fastgøres til headerstifterne på undersiden af Photon (som det ses i figur 2). Brug af push-on-stik gør det lettere at adskille måleren eller udskifte Photon, hvis den fejler. Antenneforbindelsen på Photon kræver et stik af u. FL -type (figur 4) og skal presses meget fast på Photon for at oprette forbindelsen. Installer ikke batterierne i batteripakken, før måleren er klar til at blive testet eller installeret i en brønd. Der er ingen tænd/sluk -kontakt inkluderet i dette design, så måleren tændes og slukkes ved at installere og fjerne batterierne.

Liste over pin -forbindelser på IoT -enheden (Particle Photon):

Photon pin D3 - tilslutning til - Sensor pin 2, data (brun ledning)

Photon pin D2 - tilslutning til - Sensor pin 6, V+ (rød ledning)

Photon pin GND - tilslut til - Sensor pin 7, GND (sort ledning)

Photon pin VIN - tilslut til - Batteripakke, V+ (rød ledning)

Photon pin GND - tilslut til - Batteripakke, GND (sort ledning)

Foton u. FL pin - tilslut til - Antenne

Trin 4: Softwareopsætning

Fem hovedtrin er nødvendige for at konfigurere softwaren til måleren:

1. Opret en Particle -konto, der giver en online grænseflade med Photon. For at gøre dette skal du downloade Particle -mobilappen til en smartphone: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. Efter installation af appen skal du oprette en Particle -konto og følge online -instruktionerne for at føje Photon til kontoen. Bemærk, at yderligere fotoner kan tilføjes til den samme konto uden at skulle downloade Particle -appen og oprette en konto igen.

2. Opret en ThingSpeak -konto https://thingspeak.com/login, og opret en ny kanal til visning af vandstandsdata. Et eksempel på en ThingSpeak -webside til en vandmåler er vist i figur 5, som også kan ses her: https://thingspeak.com/channels/316660. Instruktioner til opsætning af en ThingSpeak-kanal findes på https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w… Bemærk, at yderligere kanaler til andre fotoner kan tilføjes til den samme konto uden at skulle oprette en anden ThingSpeak-konto.

3. Et "webhook" er påkrævet for at overføre vandstandsdata fra Photon til ThingSpeak -kanalen. Instruktioner til opsætning af en webhook findes på https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. Hvis der bygges mere end én vandmåler, skal der oprettes et nyt webhook med et unikt navn for hver ekstra Photon.

4. Webhook'et, der blev oprettet i ovenstående trin, skal indsættes i koden, der driver Photon. Koden til WiFi -versionen af vandstandsmåleren findes i den vedhæftede fil (Code1_WiFi.txt). På en computer skal du gå til Particle -websiden https://login.particle.io/login?redirect=https://… log ind på Particle -kontoen, og naviger til Particle -app -grænsefladen. Kopiér koden, og brug den til at oprette en ny app i Particle app -grænsefladen. Indsæt navnet på webhook'et, der er oprettet ovenfor, i kode 87 i koden. For at gøre dette skal du slette teksten inde i anførselstegnene og indsætte det nye webhook -navn inde i anførselstegnene i linje 87, der lyder som følger:

Particle.publish ("Insert_Webhook_Name_Inside_These_Quotes", String (GWelevation, 2), PRIVATE);

5. Koden kan nu verificeres, gemmes og installeres på Photon. Bemærk, at koden er gemt i og installeret på Photon fra skyen. Denne kode bruges til at betjene vandmåleren, når den er i vandbrønden. Under feltinstallationen skal der foretages nogle ændringer i koden for at indstille rapporteringsfrekvensen til en gang om dagen og tilføje oplysninger om vandbrønden (dette er beskrevet i den vedhæftede fil Water Level Meter Instructions.pdf i afsnittet Installation af måleren i en vandbrønd”).

Trin 5: Test måleren

Målerkonstruktionen og softwareopsætningen er nu fuldført. På dette tidspunkt anbefales det, at måleren testes. To test skal gennemføres. Den første test bruges til at bekræfte, at måleren kan måle vandstanden korrekt og sende dataene til ThingSpeak. Den anden test bruges til at bekræfte, at strømforbruget til Photon er inden for det forventede område. Denne anden test er nyttig, fordi batterierne svigter hurtigere end forventet, hvis Photon bruger for meget strøm.

Til testformål er koden indstillet til at måle og rapportere vandstand hvert andet minut. Dette er en praktisk periode for at vente mellem målingerne, mens måleren testes. Hvis en anden målefrekvens ønskes, ændres variablen kaldet MeasureTime i linje 16 i koden til den ønskede målefrekvens. Målefrekvensen indtastes i sekunder (dvs. 120 sekunder er lig med to minutter).

Den første test kan udføres på kontoret ved at hænge måleren over gulvet, tænde den og kontrollere, at ThingSpeak -kanalen præcist rapporterer afstanden mellem sensoren og gulvet. I dette testscenario reflekterer ultralydspulsen fra gulvet, som bruges til at simulere vandoverfladen i brønden.

Ved den anden test skal den elektriske strøm mellem batteripakken og Photon måles for at bekræfte, at den matcher specifikationerne i Photon-databladet: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… Erfaringerne har vist, at denne test hjælper med at identificere defekte IoT -enheder, før de implementeres i feltet. Mål strømmen ved at placere en strømmåler mellem den positive V+ -tråd (rød ledning) på batteripakken og VIN -stiften på Photon. Strømmen skal måles i både driftstilstand og dyb dvaletilstand. For at gøre dette skal du tænde for Photon, og den vil starte i driftstilstand (som indikeret af lysdioden på Photon, der viser en cyan farve), der kører i cirka 20 sekunder. Brug den aktuelle måler til at observere driftsstrømmen i løbet af denne tid. Fotonen går derefter automatisk i dyb dvaletilstand i to minutter (som angivet af lysdioden på Photon slukker). Brug den aktuelle måler til at observere den dybe søvnstrøm på nuværende tidspunkt. Driftsstrømmen skal være mellem 80 og 100 mA, og den dybe søvnstrøm skal være mellem 80 og 100 µA. Hvis strømmen er højere end disse værdier, bør fotonet udskiftes.

Måleren er nu klar til at blive installeret i en vandbrønd (figur 6). Instruktioner om hvordan man installerer måleren i en vandbrønd findes i den vedhæftede fil (Vandstandsmålerinstruktioner.pdf).

Trin 6: Sådan laver du en mobilversion af måleren

En mobilversion af vandmåleren kan bygges ved at foretage ændringer af den tidligere beskrevne deleliste, instruktioner og kode. Mobilversionen kræver ikke WiFi, fordi den opretter forbindelse til internettet via et mobilsignal. Omkostningerne ved dele til at bygge den cellulære version af måleren er cirka 300 dollars (ekskl. Skatter og forsendelse) plus cirka 4 dollar pr. Måned for den mobildataplan, der følger med den mobile IoT -enhed.

Mobiltelefonmåleren bruger de samme dele og konstruktionstrin, der er anført ovenfor med følgende ændringer:

• Erstat WiFi IoT -enheden (Particle Photon) til en cellulær IoT -enhed (Particle Electron): https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. Når du konstruerer måleren, skal du bruge de samme pinforbindelser som beskrevet ovenfor til WiFi -versionen af måleren i trin 3.

• Den cellulære IoT-enhed bruger mere strøm end WiFi-versionen, og derfor anbefales to batterikilder: et 3,7V Li-Po-batteri, der følger med IoT-enheden, og en batteripakke med 4 AA-batterier. 3.7V LiPo -batteriet tilsluttes direkte til IoT -enheden med de medfølgende stik. AA -batteripakken er tilsluttet IoT -enheden på samme måde som beskrevet ovenfor for WiFi -versionen af måleren i trin 3. Feltprøvning har vist, at mobilversionen af måleren vil fungere i cirka 9 måneder ved hjælp af batteriopsætningen beskrevet ovenfor. Et alternativ til at bruge både AA-batteripakken og 2000 mAh 3,7 V Li-Po-batteri er at bruge et 3,7 V Li-Po-batteri med en højere kapacitet (f.eks. 4000 eller 5000 mAh).

• En ekstern antenne skal tilsluttes måleren, f.eks.: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. Sørg for, at den er klassificeret til den frekvens, der bruges af mobiludbyderen, hvor vandmåleren skal bruges. Antennen, der følger med den cellulære IoT -enhed, er ikke egnet til udendørs brug. Den eksterne antenne kan tilsluttes med et langt (3 m) kabel, der gør det muligt at fastgøre antennen på ydersiden af brønden ved brøndhovedet (figur 7). Det anbefales, at antennekablet sættes gennem bunden af kabinettet og forsegles grundigt med silicium for at forhindre fugtindtrængning (figur 8). Et vandtæt, udendørs koaksialt forlængerkabel af god kvalitet anbefales.

• Den cellulære IoT -enhed kører på en anden kode end WiFi -versionen af måleren. Koden til mobilversionen af måleren findes i den vedhæftede fil (Code2_Cellular.txt).