Slimme boei [Samenvatting] - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

We houden allemaal van de kust. Als collectief trekken we erheen voor vakanties, watersporten of om in ons levensonderhoud te voorzien. Maar de kust is een dynamisch gebied overgeleverd aan golven. Stijgende zeespiegels knabbelen aan stranden en krachtige extreme gebeurtenissen zoals orkanen decimeren ze volledig. Om te begrijpen hoe we ze kunnen redden, moeten we de krachten begrijpen die hun verandering aandrijven.

Onderzoek is duur, maar als je goedkope, effectieve instrumenten zou kunnen maken, zou je meer data kunnen genereren en uiteindelijk het begrip verbeteren. Dit was de gedachte achter ons Smart Buoy-project. In deze samenvatting geven we u een kort overzicht van ons project en splitsen het op in ontwerp, het merk en gegevenspresentatie. Oh boei, dit ga je geweldig vinden..!

Benodigdheden

Voor de complete Smart Buoy-build heb je VEEL spullen nodig. We zullen de uitsplitsing van specifieke materialen die nodig zijn voor elke fase van de build in de relevante zelfstudie hebben, maar hier is de volledige lijst:

• Arduino Nano - Amazon
• Raspberry Pi Zero - Amazon
• Batterij (18650) - Amazon
• Zonnepanelen - Amazon
• Diodes blokkeren - Amazon
• Laadcontroller - Amazon
• Buck-booster - Amazon
• GPS-module - Amazon
• GY-86 (versnellingsmeter, gyroscoop, barometer, kompas) - Amazon
• Watertemperatuursensor - Amazon
• Vermogensmonitormodule - Amazon
• Realtime 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

Stap 1: Wat doet het?

De sensoren aan boord van de Smart Buoy 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 de Boei heeft gedaan, waren we vrij dicht bij het vinden van een oplossing waarmee we de golfrichting zouden kunnen berekenen. Het bleek echter behoorlijk ingewikkeld te zijn en het is 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 het kunnen laten werken! Alle gegevens die de Buoy verzamelt, worden via de radio verzonden naar een basisstation, een Raspberry Pi. We hebben een dashboard gemaakt om ze weer te geven met Vue JS.

Stap 2: Bouw - Boeibehuizing

Deze boei was waarschijnlijk het moeilijkste dat we tot nu toe hebben afgedrukt. Er waren zoveel dingen om rekening mee te houden, aangezien het in de zee zou zijn, blootgesteld aan de elementen en veel zon. We zullen daar later in de Smart Buoy-serie meer over vertellen.

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.

Nadat de voorbereiding van de schaal was voltooid, 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 (supervliegtuiglijm).

En toen hoopten we dat het waterdicht was…

Stap 3: Bouw - Boei-elektronica

De Buoy 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 Buoy 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. Voor deze tijd wordt een alarm ingesteld, daarna schakelt het systeem zichzelf uit!

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 maken ze het een beetje duidelijker!

We hebben geprobeerd de codebestanden logisch te scheiden en een hoofdbestand te gebruiken om ze op te nemen, wat redelijk goed leek te werken.

Stap 4: Bouw - Basisstationelektronica

Het basisstation is gemaakt met behulp van een Raspberry Pi Zero waaraan een radiomodule is bevestigd. We hebben de behuizing van https://www.thingiverse.com/thing:1595429. Je bent geweldig, 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 listen_to_radio.py uit te voeren.

Stap 5: 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 residente webontwikkelaar van T3ch Flicks 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 u wilt zien hoe het eruit ziet als u meer gegevens heeft. We zullen dit ook in enig detail uitleggen in een latere tutorial.

(Vergeet niet dat je alle code kunt vinden op

Stap 6: 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, neemt metingen en kan ze verzenden, er zijn er veel die we hebben geleerd en die zouden veranderen voor versie twee:

1. 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!
2. 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. Als iemand dit begrijpt en bereid is te helpen, denken we dat we deze metingen veel nauwkeuriger kunnen maken.
3. Sommige sensoren gedroegen zich een beetje raar. 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 iets dat het opwarmt …

Stap 7: Versie 2?? - 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 enkele kilometers met directe zichtlijn. Echter, in een hypothetische wereld waar we (zeer) veel boeien rond het eiland hadden kunnen plaatsen, hadden we zo'n mesh-netwerk kunnen vormen. 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!

Stap 8: 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 oceaankenmerken. 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 zou zijn voor hun doeleinden. Geen idee hoe we dat gaan regelen, dus als iemand een idee 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 toegepast.

Bedankt voor het lezen van de samenvatting van de Smart Buoy-serie blogpost. Als je dat nog niet hebt gedaan, bekijk dan onze samenvattingsvideo op YouTube.

Schrijf je in op onze mailinglijst!

Deel 1: Golf- en temperatuurmeting maken

Deel 2: GPS NRF24-radio en SD-kaart

Deel 3: Stroom naar de boei plannen

Deel 4: De boei inzetten