Een realtime bronwaterniveaumeter - Ajarnpa

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

Deze instructies beschrijven hoe u een goedkope, realtime waterniveaumeter kunt bouwen voor gebruik in gegraven putten. De waterniveaumeter is ontworpen om in een gegraven put te hangen, het waterniveau eenmaal per dag te meten en de gegevens via wifi of mobiele verbinding naar een webpagina te sturen om ze onmiddellijk te bekijken en te downloaden. De kosten voor de onderdelen om de meter te bouwen bedragen ongeveer $ 200 voor de WiFi-versie en Can $ 300 voor de mobiele versie. De meter wordt weergegeven in figuur 1. Een volledig rapport met bouwinstructies, onderdelenlijst, tips voor het bouwen en bedienen van de meter en hoe de meter in een waterput te installeren, vindt u in het bijgevoegde bestand (Instructies voor waterniveaumeters.pdf). De waterpeilmeters zijn gebruikt om een regionaal, realtime meetnet voor ondiepe watervoerende lagen in Nova Scotia, Canada te ontwikkelen: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm… Instructies voor het bouwen van een vergelijkbare meter die water meet temperatuur, geleidbaarheid en waterstanden zijn hier beschikbaar:

De waterniveaumeter gebruikt een ultrasone sensor om de diepte tot het water in de put te meten. De sensor is aangesloten op een Internet-of-Things (IoT)-apparaat dat verbinding maakt met een wifi- of mobiel netwerk en de waterpeilgegevens naar een webservice stuurt om in een grafiek te worden weergegeven. De webservice die in dit project wordt gebruikt, is ThingSpeak.com, die gratis te gebruiken is voor niet-commerciële kleine projecten (minder dan 8.200 berichten/dag). Om de wifi-versie van de meter te laten werken, moet deze zich in de buurt van een wifi-netwerk bevinden. Huishoudelijke waterputten voldoen vaak aan deze voorwaarde omdat ze dicht bij een huis met wifi liggen. De meter bevat geen datalogger, maar stuurt de waterstandgegevens naar ThingSpeak, waar ze worden opgeslagen in de cloud. Als er dus een probleem is met de gegevensoverdracht (bijvoorbeeld tijdens een internetstoring), worden de waterstandgegevens voor die dag niet verzonden en gaan ze permanent verloren.

De meter is ontworpen en getest voor gegraven putten met een grote diameter (0,9 m binnendiameter) en ondiepe waterdiepten (minder dan 10 m onder het grondoppervlak). Het kan echter mogelijk worden gebruikt voor het meten van waterstanden in andere situaties, zoals putten voor milieumonitoring, geboorde putten en oppervlaktewaterlichamen.

Het hier gepresenteerde meterontwerp is aangepast na een meter die is gemaakt voor het meten van het waterpeil in een huishoudelijke watertank en het rapporteren van het waterpeil via Twitter, gepubliceerd door Tim Ousley in 2015: https://www.instructables.com/id/Wi -Fi-Twitter-Wa…. De belangrijkste verschillen tussen het oorspronkelijke ontwerp en het hier gepresenteerde ontwerp zijn de mogelijkheid om de meter op AA-batterijen te laten werken in plaats van een bedrade voedingsadapter, de mogelijkheid om de gegevens in een tijdreeksgrafiek te bekijken in plaats van een Twitter-bericht, en het gebruik van een ultrasone sensor die speciaal is ontworpen voor het meten van waterstanden.

Hieronder vindt u stapsgewijze instructies voor het maken van de waterniveaumeter. Het wordt aanbevolen dat de bouwer alle constructiestappen doorleest voordat hij met het bouwproces van de meter begint. Het IoT-apparaat dat in dit project wordt gebruikt, is een Particle Photon, en daarom worden in de volgende paragrafen de termen "IoT-apparaat" en "Photon" door elkaar gebruikt.

Benodigdheden

Elektronische onderdelen:

Sensor – MaxBotix MB7389 (5m bereik)

IoT-apparaat - Particle Photon met headers

Antenne (interne antenne geïnstalleerd in de meterkast) - 2,4 GHz, 6dBi, IPEX of u. FL-connector, 170 mm lang

Batterijpakket – 4 X AA

Draad - jumperdraad met push-on connectoren (300 mm lengte)

Batterijen – 4 X AA

Sanitair en hardware onderdelen:

Pijp - ABS, 50 mm (2 inch) diameter, 125 mm lang

Bovenkap, ABS, 50 mm (2 inch), schroefdraad met pakking voor een waterdichte afdichting

Bodemkap, PVC, 50 mm (2 inch) met ¾ inch vrouwelijke NPT-schroefdraad om op sensor te passen

2 buiskoppelingen, ABS, 50 mm (2 inch) om de boven- en onderkap te verbinden met de ABS-buis

Oogbout en 2 moeren, roestvrij staal (1/4 inch) om hanger op de bovenkap te maken

Andere materialen: elektrische tape, Teflon-tape, soldeer, siliconen, lijm voor montagebehuizing

Stap 1: Monteer de meterkast

Monteer de meterkast zoals weergegeven in Figuren 1 en 2 hierboven. De totale lengte van de geassembleerde meter, punt tot punt inclusief de sensor en oogbout, is ongeveer 320 mm. De ABS-buis met een diameter van 50 mm die wordt gebruikt om de meterkast te maken, moet worden afgesneden tot een lengte van ongeveer 125 mm. Hierdoor is er voldoende ruimte in de behuizing om het IoT-apparaat, het batterijpakket en een 170 mm lange interne antenne te huisvesten.

Dicht alle verbindingen af met siliconen- of ABS-lijm om de behuizing waterdicht te maken. Dit is erg belangrijk, anders kan er vocht in de behuizing komen en de interne componenten vernietigen. Een klein zakje met droogmiddel kan in de hoes worden geplaatst om vocht te absorberen.

Monteer een oogbout in de bovenkap door een gat te boren en de oogbout en moer erin te steken. Aan zowel de binnen- als de buitenkant van de behuizing moet een moer worden gebruikt om de oogbout vast te zetten. Silicon de binnenkant van de dop bij het boutgat om het waterdicht te maken.

Stap 2: Bevestig de draden aan de sensor

Er moeten drie draden (zie afbeelding 3a) aan de sensor worden gesoldeerd om deze aan de Photon te bevestigen (d.w.z. sensorpinnen GND, V+ en Pin 2). Het solderen van de draden aan de sensor kan een uitdaging zijn omdat de verbindingsgaten op de sensor klein en dicht bij elkaar zijn. Het is erg belangrijk dat de draden goed aan de sensor worden gesoldeerd, zodat er een goede, sterke fysieke en elektrische verbinding is en geen soldeerbogen tussen aangrenzende draden. Goede verlichting en een vergrootglas helpen bij het soldeerproces. Voor degenen die geen eerdere soldeerervaring hebben, wordt aanbevolen om te oefenen met solderen voordat de draden aan de sensor worden gesoldeerd. Een online tutorial over solderen is verkrijgbaar bij SparkFun Electronics (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…).

Nadat de draden aan de sensor zijn gesoldeerd, kan eventuele overtollige blanke draad die uit de sensor steekt, worden afgeknipt met draadknippers tot een lengte van ongeveer 2 mm. Het wordt aanbevolen om de soldeerverbindingen te bedekken met een dikke laag siliconen. Dit geeft de aansluitingen meer stevigheid en vermindert de kans op corrosie en elektrische problemen bij de sensoraansluitingen als er vocht in de meterkast komt. Elektriciteitstape kan ook om de drie draden bij de sensoraansluiting worden gewikkeld om extra bescherming en trekontlasting te bieden, waardoor de kans wordt verkleind dat de draden bij de soldeerverbindingen breken.

De sensordraden kunnen aan het ene uiteinde push-on-type connectoren hebben (zie afbeelding 3b) om aan de Photon te bevestigen. Het gebruik van push-on connectoren maakt het gemakkelijker om de meter te monteren en te demonteren. De sensordraden dienen minimaal 270 mm lang te zijn zodat ze over de gehele lengte van de meterkast kunnen lopen. Door deze lengte kan de Photon worden aangesloten vanaf de bovenkant van de behuizing met de sensor op zijn plaats aan de onderkant van de behuizing. Houd er rekening mee dat deze aanbevolen draadlengte ervan uitgaat dat de ABS-buis die wordt gebruikt om de meterkast te maken, is afgesneden tot een lengte van 125 mm. Bevestig voorafgaand aan het doorknippen en solderen van de draden aan de sensor dat een draadlengte van 270 mm voldoende is om voorbij de bovenkant van de meterkast uit te steken, zodat de Photon kan worden aangesloten nadat de kast is gemonteerd en de sensor permanent is bevestigd aan de zaak.

De sensor kan nu aan de meterkast worden bevestigd. Het moet stevig in de bodemdop worden geschroefd, met behulp van Teflon-tape om een waterdichte afdichting te garanderen.

Stap 3: Bevestig de sensor, het batterijpakket en de antenne aan het IoT-apparaat

Bevestig de sensor, het batterijpakket en de antenne aan de Photon (Figuur 4) en plaats alle onderdelen in de meterkast. Hieronder vindt u een lijst met de in Afbeelding 4 aangegeven pinverbindingen. De draden van de sensor en het batterijpakket kunnen rechtstreeks op de Photon worden gesoldeerd of met push-on-type connectoren die aan de koppennen aan de onderkant van de Photon worden bevestigd (zoals te zien in afbeelding 2). Het gebruik van push-on connectoren maakt het gemakkelijker om de meter te demonteren of de Photon te vervangen als deze defect raakt. De antenneaansluiting op de Photon vereist een u. FL-type connector (Figuur 4) en moet zeer stevig op de Photon worden geduwd om de verbinding tot stand te brengen. Plaats de batterijen pas in het batterijpakket als de meter klaar is om getest te worden of in een put te worden geïnstalleerd. Er zit geen aan/uit-schakelaar in dit ontwerp, dus de meter wordt in- en uitgeschakeld door de batterijen te plaatsen en te verwijderen.

Lijst met pinverbindingen op het IoT-apparaat (Particle Photon):

Foton pin D3 - aansluiten op - Sensor pin 2, data (bruine draad)

Foton pin D2 - aansluiten op - Sensor pin 6, V+ (rode draad)

Foton pin GND - aansluiten op - Sensor pin 7, GND (zwarte draad)

Foton pin VIN - aansluiten op - Battery pack, V+ (rode draad)

Foton pin GND - aansluiten op - Battery pack, GND (zwarte draad)

Photon u. FL pin - aansluiten op - Antenne

Stap 4: Software-installatie

Er zijn vijf hoofdstappen nodig om de software voor de meter in te stellen:

1. Maak een Particle-account aan die een online interface met de Photon zal bieden. Download hiervoor de Particle mobiele app op een smartphone: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. Maak na het installeren van de app een Particle-account aan en volg de online instructies om de Photon aan het account toe te voegen. Houd er rekening mee dat eventuele extra fotonen aan hetzelfde account kunnen worden toegevoegd zonder dat u de Particle-app hoeft te downloaden en opnieuw een account hoeft aan te maken.

2. Maak een ThingSpeak-account https://thingspeak.com/login en stel een nieuw kanaal in om de waterpeilgegevens weer te geven. Een voorbeeld van een ThingSpeak-webpagina voor een watermeter wordt getoond in figuur 5, die ook hier kan worden bekeken: https://thingspeak.com/channels/316660. Instructies voor het opzetten van een ThingSpeak-kanaal vindt u op https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w… Merk op dat extra kanalen voor andere fotonen aan hetzelfde account kunnen worden toegevoegd zonder dat u een ander ThingSpeak-account hoeft aan te maken.

3. Er is een "webhook" nodig om waterniveaugegevens van de Photon naar het ThingSpeak-kanaal door te geven. Instructies voor het opzetten van een webhook vindt u op https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. Als er meer dan één watermeter wordt gebouwd, moet voor elke extra Photon een nieuwe webhook met een unieke naam worden gemaakt.

4. De webhook die in de bovenstaande stap is gemaakt, moet worden ingevoegd in de code die de Photon bedient. De code voor de wifi-versie van de waterniveaumeter staat in het bijgevoegde bestand (Code1_WiFi.txt). Ga op een computer naar de Particle-webpagina https://login.particle.io/login?redirect=https://… log in op het Particle-account en navigeer naar de interface van de Particle-app. Kopieer de code en gebruik deze om een nieuwe app te maken in de Particle-app-interface. Voeg de naam van de hierboven gemaakte webhook in regel 87 van de code in. Om dit te doen, verwijdert u de tekst tussen de aanhalingstekens en voegt u de nieuwe webhooknaam in tussen de aanhalingstekens in regel 87, die als volgt luidt:

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

5. De code kan nu worden geverifieerd, opgeslagen en op de Photon worden geïnstalleerd. Merk op dat de code wordt opgeslagen in en geïnstalleerd op de Photon vanuit de cloud. Deze code wordt gebruikt om de watermeter te bedienen wanneer deze zich in de waterput bevindt. Tijdens de veldinstallatie zullen enkele wijzigingen in de code moeten worden aangebracht om de rapportagefrequentie in te stellen op eenmaal per dag en informatie over de waterput toe te voegen (dit wordt beschreven in het bijgevoegde bestand Water Level Meter Instructions.pdf in de sectie getiteld " De meter in een waterput installeren").

Stap 5: Test de meter

De meterconstructie en softwareconfiguratie zijn nu voltooid. Op dit punt wordt aanbevolen om de meter te testen. Er moeten twee tests worden voltooid. De eerste test wordt gebruikt om te bevestigen dat de meter de waterstanden correct kan meten en de gegevens naar ThingSpeak kan sturen. De tweede test wordt gebruikt om te bevestigen dat het stroomverbruik van de Photon binnen het verwachte bereik ligt. Deze tweede test is handig omdat de batterijen sneller kapot gaan dan verwacht als de Photon te veel stroom verbruikt.

Voor testdoeleinden is de code ingesteld om elke twee minuten waterstanden te meten en te rapporteren. Dit is een praktische tijdsperiode om te wachten tussen metingen terwijl de meter wordt getest. Als een andere meetfrequentie gewenst is, wijzigt u de variabele met de naam MeasureTime in regel 16 van de code in de gewenste meetfrequentie. De meetfrequentie wordt ingevoerd in seconden (d.w.z. 120 seconden is gelijk aan twee minuten).

De eerste test kan op kantoor worden gedaan door de meter boven de vloer te hangen, aan te zetten en te controleren of het ThingSpeak-kanaal de afstand tussen de sensor en de vloer nauwkeurig aangeeft. In dit testscenario reflecteert de ultrasone puls van de vloer, die wordt gebruikt om het wateroppervlak in de put te simuleren.

Voor de tweede test moet de elektrische stroom tussen het batterijpakket en de Photon worden gemeten om te bevestigen dat deze overeenkomt met de specificaties in de Photon-datasheet: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… De ervaring heeft geleerd dat deze test helpt bij het identificeren van defecte IoT-apparaten voordat ze in het veld worden ingezet. Meet de stroom door een stroommeter te plaatsen tussen de positieve V+ draad (rode draad) op het batterijpakket en de VIN-pin op de Photon. De stroom moet zowel in de bedrijfsmodus als in de diepe slaapmodus worden gemeten. Schakel hiervoor de Photon in en deze zal opstarten in de bedrijfsmodus (zoals aangegeven door de LED op de Photon die cyaan kleurt), die ongeveer 20 seconden duurt. Gebruik de stroommeter om de bedrijfsstroom gedurende deze tijd te observeren. De Photon zal dan automatisch gedurende twee minuten in de diepe slaapmodus gaan (zoals aangegeven door het doven van de LED op de Photon). Gebruik de stroommeter om de diepe slaapstroom op dit moment te observeren. De bedrijfsstroom moet tussen 80 en 100 mA liggen en de diepe slaapstroom tussen 80 en 100 µA. Als de stroom hoger is dan deze waarden, moet de Photon worden vervangen.

De meter is nu klaar om in een waterput te worden geïnstalleerd (Figuur 6). Instructies voor het installeren van de meter in een waterput vindt u in het bijgevoegde bestand (Instructies Water Level Meter.pdf).

Stap 6: Hoe maak je een mobiele versie van de meter?

Een mobiele versie van de watermeter kan worden gebouwd door wijzigingen aan te brengen in de eerder beschreven onderdelenlijst, instructies en code. De mobiele versie vereist geen wifi omdat deze via een mobiel signaal verbinding maakt met internet. De kosten van de onderdelen om de mobiele versie van de meter te bouwen bedragen ongeveer Can $ 300 (exclusief belastingen en verzendkosten), plus ongeveer Can $ 4 per maand voor het mobiele data-abonnement dat bij het mobiele IoT-apparaat wordt geleverd.

De cellulaire meter gebruikt dezelfde onderdelen en constructiestappen als hierboven vermeld met de volgende aanpassingen:

• Vervang het WiFi IoT-apparaat (Particle Photon) door een mobiel IoT-apparaat (Particle Electron): https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. Gebruik bij het bouwen van de meter dezelfde pinverbindingen als hierboven beschreven voor de wifi-versie van de meter in stap 3.

• Het mobiele IoT-apparaat verbruikt meer stroom dan de WiFi-versie en daarom worden twee batterijbronnen aanbevolen: een 3,7 V Li-Po-batterij, die bij het IoT-apparaat wordt geleverd, en een batterijpakket met 4 AA-batterijen. De 3.7V LiPo-batterij wordt rechtstreeks op het IoT-apparaat aangesloten met de meegeleverde connectoren. Het AA-batterijpakket wordt op dezelfde manier aan het IoT-apparaat bevestigd als hierboven beschreven voor de WiFi-versie van de meter in stap 3. Uit veldtesten is gebleken dat de mobiele versie van de meter ongeveer 9 maanden zal werken met behulp van de hierboven beschreven batterijconfiguratie. Een alternatief voor het gebruik van zowel het AA-batterijpakket als de 2000 mAh 3,7 V Li-Po-batterij is het gebruik van één 3,7 V Li-Po-batterij met een hogere capaciteit (bijvoorbeeld 4000 of 5000 mAh).

• Er moet een externe antenne op de meter worden aangesloten, zoals: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. Zorg ervoor dat het geschikt is voor de frequentie die wordt gebruikt door de mobiele serviceprovider waar de watermeter zal worden gebruikt. De antenne die bij het mobiele IoT-apparaat wordt geleverd, is niet geschikt voor gebruik buitenshuis. De externe antenne kan worden aangesloten met een lange (3 m) kabel waarmee de antenne aan de buitenkant van de put bij de putmond kan worden bevestigd (Figuur 7). Het wordt aanbevolen om de antennekabel door de onderkant van de behuizing te steken en grondig af te dichten met siliconen om binnendringen van vocht te voorkomen (Figuur 8). Een goede, waterdichte coaxiale verlengkabel voor buiten wordt aanbevolen.

• Het mobiele IoT-apparaat draait op een andere code dan de wifi-versie van de meter. De code voor de mobiele versie van de meter vindt u in het bijgevoegde bestand (Code2_Cellular.txt).