Измервател на нивото на водата в кладенец в реално време: 6 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:50

Тези инструкции описват как да се изгради евтин водомер в реално време за използване в изкопани кладенци. Измервателят на нивото на водата е проектиран да виси в изкопан кладенец, да измерва нивото на водата веднъж дневно и да изпраща данните чрез WiFi или клетъчна връзка до уеб страница за незабавно разглеждане и изтегляне. Цената на частите за изграждане на глюкомера е приблизително 200 долара за версията за WiFi и 300 долара за клетъчната версия. Измервателният уред е показан на фигура 1. Пълен отчет с инструкции за изграждане, списък с части, съвети за изграждане и експлоатация на измервателния уред и как да инсталирате глюкомера във кладенец за вода е предоставен в прикачения файл (Инструкции за измерване на нивото на водата.pdf). Измервателите на нивото на водата са използвани за разработване на регионална мрежа за наблюдение на плитки водоносни хоризонти в реално време в Нова Скотия, Канада: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm… Инструкции за изграждане на подобен измервателен уред, който измерва водата температурата, проводимостта и нивата на водата са достъпни тук:

Измервателят на нивото на водата използва ултразвуков сензор за измерване на дълбочината на водата в кладенеца. Сензорът е прикрепен към устройство с Интернет на нещата (IoT), което се свързва с WiFi или клетъчна мрежа и изпраща данните за нивото на водата до уеб услуга, която да бъде изобразена. Уеб услугата, използвана в този проект, е ThingSpeak.com, която е безплатна за използване с некомерсиални малки проекти (по-малко от 8, 200 съобщения на ден). За да може WiFi версията на глюкомера да работи, той трябва да бъде разположен близо до WiFi мрежа. Кладенците за битова вода често отговарят на това условие, защото се намират близо до къща с WiFi. Измервателният уред не включва регистратор на данни, той по -скоро изпраща данните за нивото на водата до ThingSpeak, където се съхранява в облака. Следователно, ако има проблем с предаването на данни (например по време на прекъсване на интернет), данните за нивото на водата за този ден не се предават и се губят за постоянно.

Измервателният уред е проектиран и тестван за изкопани кладенци с голям диаметър (0,9 m вътрешен диаметър) с дълбочина на плитки води (по -малко от 10 m под повърхността на земята). Въпреки това, той потенциално може да се използва за измерване на нивата на водата в други ситуации, като кладенци за мониторинг на околната среда, пробити кладенци и повърхностни водни обекти.

Представеният тук дизайн на измервателния уред е променен след измервателен уред, направен за измерване на нивата на водата в битов резервоар за вода и отчитане на нивото на водата чрез Twitter, публикуван от Тим Усли през 2015 г.: https://www.instructables.com/id/Wi -Fi-Twitter-Wa…. Основните разлики между оригиналния дизайн и дизайна, представени тук, са възможността да се работи с измервателния уред с батерии тип АА вместо с кабелен захранващ адаптер, възможността да се преглеждат данните в графика от времеви серии вместо съобщение в Twitter и използването на ултразвуков сензор, който е специално проектиран за измерване на нивата на водата.

По-долу са дадени стъпка по стъпка инструкции за изграждане на водомера. Препоръчва се строителят да прочете всички стъпки на конструкцията, преди да започне процеса на изграждане на брояча. IoT устройството, използвано в този проект, е частичен фотон и следователно в следващите раздели термините „IoT устройство“и „Photon“се използват взаимозаменяемо.

Консумативи

Електронни части:

Сензор - MaxBotix MB7389 (обхват 5 м)

IoT устройство - частичен фотон с заглавки

Антена (вътрешна антена, монтирана в кутията на измервателния уред) - 2,4 GHz, 6dBi, IPEX или u. FL конектор, дълъг 170 мм

Батерия - 4 X AA

Тел - джъмпер проводник с натискащи съединители (дължина 300 мм)

Батерии - 4 X AA

ВиК и хардуерни части:

Тръба - ABS, диаметър 50 mm (2 инча), дължина 125 mm

Горна капачка, ABS, 50 мм (2 инча), с резба с уплътнение, за да се направи водонепроницаемо уплътнение

Долна капачка, PVC, 50 мм (2 инча) с ¾ инчова вътрешна NPT резба за монтаж на сензора

2 тръбни съединителя, ABS, 50 mm (2 инча) за свързване на горната и долната капачка към ABS тръбата

Болт за уши и 2 гайки, от неръждаема стомана (1/4 инча) за закачане на горната капачка

Други материали: електрическа лента, тефлонова лента, спойка, силикон, лепило за сглобяване на кутия

Стъпка 1: Сглобете кутията на измервателния уред

Сглобете корпуса на измервателния уред, както е показано на фигури 1 и 2 по -горе. Общата дължина на сглобения измервателен уред, от върха до върха, включително сензора и очния болт, е приблизително 320 мм. ABS тръбата с диаметър 50 mm, използвана за изработката на корпуса на измервателния уред, трябва да бъде нарязана на приблизително 125 mm дължина. Това позволява достатъчно пространство във вътрешността на кутията, за да побере IoT устройството, батерията и вътрешна антена с дължина 170 мм.

Запечатайте всички фуги със силиконово или ABS лепило, за да направите корпуса водонепроницаем. Това е много важно, в противен случай влагата може да попадне в кутията и да унищожи вътрешните компоненти. Вътре в кутията може да се постави малка опаковка с изсушител, за да абсорбира влагата.

Инсталирайте очен болт в горната капачка, като пробиете дупка и поставите болта и гайката. Трябва да се използва гайка както от вътрешната, така и от външната страна на кутията, за да се закрепи болтът на ухото. Силицирайте вътрешността на капачката в отвора за болт, за да я направите водонепроницаема.

Стъпка 2: Прикрепете проводници към сензора

Три проводника (виж Фигура 3а) трябва да бъдат запоени към сензора, за да се прикрепят към фотона (т.е. щифтове на сензора GND, V+и Pin 2). Запояването на проводниците към сензора може да бъде предизвикателство, тъй като отворите за свързване на сензора са малки и близки един до друг. Много е важно проводниците да бъдат споени правилно към сензора, така че да има добра, здрава физическа и електрическа връзка и да няма споени дъги между съседните проводници. Доброто осветление и увеличаващата леща помагат за процеса на запояване. За тези, които нямат предишен опит с запояване, се препоръчва известна практика запояване преди запояване на проводниците към сензора. Онлайн урок за запояване е достъпен от SparkFun Electronics (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…).

След като проводниците са запоени към сензора, всяка излишна гола жица, която стърчи от сензора, може да бъде отрязана с ножове с дължина приблизително 2 мм. Препоръчва се спойките да бъдат покрити с дебело силиконово зърно. Това дава на връзките по -голяма здравина и намалява вероятността от корозия и електрически проблеми при свързването на сензора, ако влагата попадне в корпуса на измервателния уред. Електрическата лента може също да бъде увита около трите проводника към връзката на сензора, за да се осигури допълнителна защита и облекчаване на напрежението, като се намали вероятността проводниците да се счупят в спойките.

Сензорните проводници могат да имат съединители от тип "натискане" (виж фигура 3б) в единия край, за да се прикрепят към фотона. Използването на натискащи съединители улеснява сглобяването и разглобяването на глюкомера. Сензорните проводници трябва да са с дължина най -малко 270 мм, за да могат да се простират по цялата дължина на корпуса на измервателния уред. Тази дължина ще позволи на фотона да бъде свързан от горния край на корпуса със сензора в долния край на кутията. Обърнете внимание, че тази препоръчителна дължина на проводника предполага, че ABS тръбата, използвана за изработката на корпуса на измервателния уред, се нарязва на дължина от 125 мм. Потвърдете предварително разрязването и запояването на проводниците към сензора, че дължина на проводника от 270 мм е достатъчна, за да се простира извън горната част на корпуса на измервателния уред, така че фотонът да може да бъде свързан след сглобяването на кутията и сензора за постоянно прикрепен към случаят.

Сензорът вече може да бъде прикрепен към корпуса на глюкомера. Тя трябва да се завинтва плътно в долната капачка, като се използва тефлонова лента, за да се осигури водонепроницаемо уплътнение.

Стъпка 3: Прикрепете сензор, батерия и антена към IoT устройство

Прикрепете сензора, батерията и антената към фотона (Фигура 4) и поставете всички части в кутията на глюкомера. По -долу е даден списък на щифтовите връзки, показани на фигура 4. Проводниците на сензора и акумулаторната батерия могат да бъдат прикрепени чрез запояване директно към Photon или чрез съединители от тип "push-on", които се прикрепят към щифтовете на заглавката от долната страна на Photon (както се вижда на Фигура 2). Използването на натискащи съединители улеснява разглобяването на глюкомера или смяната на фотона, ако той се повреди. Свързването на антената на Photon изисква съединител тип u. FL (Фигура 4) и трябва да се притисне много здраво към Photon, за да се осъществи връзката. Не поставяйте батериите в батерията, докато глюкомерът не е готов за тестване или инсталиране в кладенец. В този дизайн няма включен/изключен превключвател, така че глюкомерът се включва и изключва чрез поставяне и изваждане на батериите.

Списък с пинови връзки на IoT устройството (частичен фотон):

Фотонен щифт D3 - свързване към - Сензорен щифт 2, данни (кафяв проводник)

Фотонен щифт D2 - свързване към - Сензорен щифт 6, V+ (червен проводник)

Фотонен щифт GND - свързване към - Сензорен щифт 7, GND (черен проводник)

Фотонен щифт VIN - свързване към - Батерия, V+ (червен проводник)

Фотонен щифт GND - свързване към - Батерия, GND (черен проводник)

Photon u. FL щифт - свържете към - Антена

Стъпка 4: Настройка на софтуера

Необходими са пет основни стъпки за настройка на софтуера за глюкомера:

1. Създайте акаунт за частици, който ще осигури онлайн интерфейс с Photon. За да направите това, изтеглете мобилното приложение Particle на смартфон: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. След като инсталирате приложението, създайте акаунт за частици и следвайте онлайн инструкциите, за да добавите Photon към акаунта. Обърнете внимание, че всички допълнителни фотони могат да бъдат добавени към същия акаунт, без да е необходимо да изтегляте приложението Particle и да създавате акаунт отново.

2. Създайте акаунт в ThingSpeak https://thingspeak.com/login и настройте нов канал за показване на данните за нивото на водата. Пример за уеб страница на ThingSpeak за водомер е показан на фигура 5, която също може да бъде видяна тук: https://thingspeak.com/channels/316660. Инструкции за настройка на канал ThingSpeak са предоставени на адрес https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w… Обърнете внимание, че допълнителни канали за други фотони могат да се добавят към същия акаунт, без да е необходимо да се създава друг акаунт в ThingSpeak.

3. Изисква се „webhook“, за да се предадат данни за нивото на водата от Photon към канала ThingSpeak. Инструкции за настройка на webhook са предоставени на адрес https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. Ако се изгражда повече от един водомер, трябва да се създаде нов webhook с уникално име за всеки допълнителен фотон.

4. Webhook, който е създаден в горната стъпка, трябва да бъде вмъкнат в кода, който управлява Photon. Кодът за WiFi версията на водомера е предоставен в прикачения файл (Code1_WiFi.txt). На компютър отидете на уеб страницата за частици https://login.particle.io/login?redirect=https://… влезте в акаунта за частици и отворете интерфейса на приложението за частици. Копирайте кода и го използвайте, за да създадете ново приложение в интерфейса на приложението Particle. Вмъкнете името на създадения по -горе уебхук в ред 87 на кода. За да направите това, изтрийте текста вътре в кавичките и вмъкнете новото име на webhook вътре в кавичките в ред 87, който гласи следното:

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

5. Кодът вече може да бъде проверен, записан и инсталиран на Photon. Имайте предвид, че кодът се съхранява и инсталира на Photon от облака. Този код ще се използва за работа на водомера, когато той е във кладенеца за вода. По време на инсталацията на полето ще трябва да се направят някои промени в кода, за да се зададе честотата на отчитане веднъж на ден и да се добави информация за кладенеца за вода (това е описано в прикачения файл Инструкции за измерване на нивото на водата.pdf в раздела, озаглавен „ Инсталиране на глюкомера в кладенец за вода”).

Стъпка 5: Тествайте измервателния уред

Конструкцията на измервателния уред и настройката на софтуера вече са завършени. На този етап се препоръчва измерването да се тества. Трябва да бъдат завършени два теста. Първият тест се използва за потвърждаване, че измервателният уред може да измерва правилно нивата на водата и да изпраща данните до ThingSpeak. Вторият тест се използва за потвърждаване, че консумацията на енергия на Photon е в рамките на очаквания диапазон. Този втори тест е полезен, защото батериите ще се повредят по -рано от очакваното, ако Photon използва твърде много енергия.

За целите на тестването кодът е настроен да измерва и отчита нивата на водата на всеки две минути. Това е практичен период от време за изчакване между измерванията, докато измервателният уред се тества. Ако се желае различна честота на измерване, променете променливата, наречена MeasureTime в ред 16 на кода, на желаната честота на измерване. Честотата на измерване се въвежда в секунди (т.е. 120 секунди се равнява на две минути).

Първият тест може да се направи в офиса, като окачите глюкомера над пода, включите го и проверите дали каналът ThingSpeak отчита точно разстоянието между сензора и пода. В този сценарий на изпитване ултразвуковият импулс се отразява от пода, което се използва за симулиране на водната повърхност в кладенеца.

За втория тест трябва да се измери електрическият ток между батерията и фотона, за да се потвърди, че отговаря на спецификациите в листа с данни на Photon: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… Опитът показва, че този тест помага за идентифициране на дефектни IoT устройства, преди те да бъдат разгърнати на място. Измерете тока, като поставите токомер между положителния V+ проводник (червен проводник) на батерията и VIN щифта на фотона. Токът трябва да се измерва както в режим на работа, така и в режим на дълбок сън. За да направите това, включете Photon и той ще се стартира в работен режим (както е посочено от светодиода на Photon, превръщащ се в циан цвят), който работи за около 20 секунди. Използвайте токомера за наблюдение на работния ток през това време. След това Photon автоматично ще премине в режим на дълбок сън за две минути (както е показано от светодиода на Photon, който се изключва). Използвайте токомера, за да наблюдавате дълбокия ток на сън в този момент. Работният ток трябва да бъде между 80 и 100 mA, а дълбокият ток на заспиване трябва да бъде между 80 и 100 µA. Ако токът е по -висок от тези стойности, фотонът трябва да бъде заменен.

Измервателният уред е готов за инсталиране във воден кладенец (Фигура 6). Инструкции за това как да инсталирате глюкомера във кладенец за вода е предоставен в прикачения файл (Инструкции за измерване на нивото на водата.pdf).

Стъпка 6: Как да направите клетъчна версия на измервателния уред

Клетъчна версия на водомера може да бъде изградена чрез промяна на описания по -горе списък с части, инструкции и код. Клетъчната версия не изисква WiFi, защото се свързва с интернет чрез клетъчен сигнал. Цената на частите за изграждане на клетъчната версия на брояча е приблизително 300 долара (без данъци и доставка), плюс приблизително 4 долара на месец за клетъчния план за данни, който се доставя с клетъчното IoT устройство.

Клетъчният измервател използва същите части и стъпки на конструкция, изброени по -горе, със следните модификации:

• Заменете WiFi IoT устройството (Particle Photon) с клетъчно IoT устройство (Particle Electron): https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. Когато изграждате измервателния уред, използвайте същите пинови връзки, описани по -горе за WiFi версията на измервателния уред в Стъпка 3.

• Клетъчното IoT устройство използва повече енергия от WiFi версията и затова се препоръчват два източника на батерии: 3.7V Li-Po батерия, която се доставя с IoT устройството, и батерия с 4 AA батерии. 3.7V LiPo батерията се свързва директно към IoT устройството с предоставените конектори. Акумулаторната батерия AA е свързана към IoT устройството по същия начин, както е описано по -горе за WiFi версията на измервателния уред в Стъпка 3. Тестването на място показа, че клетъчната версия на измервателния уред ще работи приблизително 9 месеца, като се използва настройката на батерията, описана по -горе. Алтернатива на използването както на батерията AA, така и на 2000 mAh 3.7 V Li-Po батерия е използването на една 3.7V Li-Po батерия с по-голям капацитет (например 4000 или 5000 mAh).

• Към глюкомера трябва да бъде прикрепена външна антена, като например: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. Уверете се, че е класиран за честотата, използвана от доставчика на клетъчни услуги, където ще се използва водомерът. Антената, която се доставя с клетъчното IoT устройство, не е подходяща за използване на открито. Външната антена може да бъде свързана с дълъг (3 м) кабел, който позволява антената да бъде прикрепена към външната страна на кладенеца в устието на кладенеца (Фигура 7). Препоръчително е кабелът на антената да се вкара през дъното на корпуса и да се запечата добре със силиций, за да се предотврати навлизането на влага (Фигура 8). Препоръчва се качествен, водоустойчив, външен коаксиален удължителен кабел.

• Клетъчното IoT устройство работи с код, различен от WiFi версията на глюкомера. Кодът за клетъчната версия на измервателния уред е предоставен в прикачения файл (Code2_Cellular.txt).