Прикрепване на сензорна система за околната среда за безпилотни летателни апарати: 18 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:53

Целта на тази инструкция е да опише как да конструирате, прикрепите и експлоатирате сензорната система за околната среда на Integrated Solutions Technology заедно с дрон DJI Phantom 4. Тези сензорни пакети използват дрона за транспортиране в потенциално опасни среди за идентифициране на настоящите нива на риск от въглероден окис (CO), въглероден диоксид (CO2) и течен пропан газ (LPG) в сравнение със стандартите OSHA и EPA. Важно е да се отбележи, че въпреки че в тази инструкция е показан и радиационен сензор, той ще работи като отделен елемент към сензорите за газ, а показаният краен продукт ще включва само изброените по -горе компоненти на сензора за газ.

Стъпка 1: Съберете необходимите инструменти, софтуер и материали

Използвани инструменти:

1. Софтуер Arduino (https://www.arduino.cc/en/Main/Software)
2. Клещи
3. Насочен трион с абразивно острие
4. Настолна мелница

Използвани материали:

1. DJI Phantom 4
2. Arduino Uno
3. Външна батерия Jackery 3350mAh
4. Стандартна дъска
5. Сензор за въглероден окис - MQ - 7
6. Сензор за течен газ пропан - MQ - 6
7. Сензор за въглероден диоксид CO2 - MG - 811
8. AK9750 Si7021 Сензор за влажност и температура
9. Джобен сензор за излъчване на Geiger - Тип 5
10. Bluetooth модем - BlueSMiRF Gold
11. Меки стоманени закачалки
12. Комплект изобретател на SparkFun
13. 3M двустранна монтажна лента

Стъпка 2: Сглобете кабелите на сензора и микроконтролера

Достъп до всички технически листове на сензора от производителя на продукта, за да определите входните и изходните щифтове, необходими за правилната работа на компонента. За да се изгради ефективна ориентация за всички компоненти, предоставени в пакетите за газ и радиация, всеки сензор и модул трябва да бъдат свързани поотделно, за да се гарантира, че работят, когато са свързани към микроконтролера, преди да бъдат интегрирани в една платка. За да се гарантира яснота, процесът за изграждане на всеки тип базова верига и код се съдържа в следните стъпки.

Стъпка 3: Определете входните и изходните щифтове за сензор за въглероден окис MQ - 7

Както е показано на диаграмата по -горе, CO компонентът трябва да има три щифта на входното напрежение на най -дясната шина, които са свързани към захранването на 5V микроконтролера. Изводът за аналогов вход ще бъде свързан към всеки един от пиновете на микроконтролера, обозначени с A0, A1, A2 и т.н., докато заземяващите щифтове са свързани към заземяващите щифтове на микроконтролера. И накрая, 10K ом резистор се използва за свързване на долния ляв щифт на сензора към земята. Важно е да се отбележи, че този извод е приложим за сензорите за CO2 и LPG, също използвани в тази система.

Стъпка 4: Свържете сензора в съответствие с Pinout към входните и изходните щифтове на микроконтролера

Както беше обсъдено в предишните стъпки, един щифт е определен като аналогов входен щифт към микроконтролера. В основния код, показан по -горе и достъпен за изтегляне в следващата стъпка, дефинираният аналогов щифт е щифт A0. В съответствие с това обозначение, свържете горния ляв щифт към щифта A0 на микроконтролера. След това може да се установи обща 5V входна и заземена шина чрез свързване на най-лявата захранваща шина (обозначена със символа "-") към заземяващия щифт и най-дясната шина ("+") към 5V щифта. Чрез свързване на платката по този начин сензорните щифтове могат да бъдат свързани директно към релсите на макетната платка, което позволява чисти връзки към микроконтролера. Тази структура е представена на снимките на основната верига по -горе.

Стъпка 5: Изтеглете базовия код на сензора за газ

След като се свържете, качете базовия код на Arduino, получен от продуктовата страница на SparkFun (https://www.sparkfun.com/products/9403; приложен), като натиснете стрелката, разположена в горния ляв ъгъл на интерфейса, за да проверите дали компонентът е свързан към в съответствие с pinout.

Стъпка 6: Отворете серийния монитор, за да осигурите работоспособност

Отворете серийния монитор, като изберете иконата на лупа в горния десен ъгъл на интерфейса. Това ще отвори отделен прозорец, показан по -горе, където ще се покаже изходът на сензора, първоначално отчитане на напрежението. Ако данните не се показват в серийния монитор, както е посочено, проверете дали функцията analogRead препраща към правилния номер на аналоговия щифт, свързан в по -ранните етапи на този процес.

Стъпка 7: Повторете стъпки 3-6 за сензори за пропан-бутан и въглероден диоксид

Повторете дефиницията на щифтове, окабеляване на сензора и качване на код, за да осигурите работоспособност на допълнителните сензори.

Стъпка 8: Сензор за влажност и температура на SparkFun Si7021 (по избор)

Същият общ процес, очертан за сензорите за газ, ще бъде приложен за сензора за температура и влажност. Изводът обаче се различава от сензорите за газ и е показан по -горе. Щифтът VCC (втори отдясно на сензора) ще бъде свързан към източник на захранване на 5 или 3,3 V микроконтролер, а заземяващият щифт ще бъде свързан към земята на микроконтролера, както се вижда от окабеляването на сензора за газ. Вместо аналогов изходен извод, този сензор съдържа изходни щифтове SDA и SCL, които отговарят за предаването на данни от сензора към микроконтролера за обработка. Този сензор може да се използва за проверка на точността на измерванията на газовия сензор в сравнение с техните стойности в техническия лист.

Стъпка 9: Изтеглете базовия код на сензора за влажност и температура на Si7021 SparkFun

След завършване на окабеляването, приложеният примерен код (адаптиран от https://www.sparkfun.com/products/13763) трябва да бъде качен в микроконтролера, за да се осигури правилна конструкция на веригата. Както беше описано с кода на сензора за газ, проверете дали компонентът предава температурата и влажността чрез достъп до серийния монитор. Важно е да се отбележи, че този основен код включва използването на две различни библиотеки на компоненти SparkFun. За да може този код да се компилира и качи в микроконтролера, потребителят ще трябва да инсталира тези библиотеки чрез методите, показани в Стъпка 9.

Стъпка 10: Добавете библиотеки Arduino на компоненти

Реализацията на библиотеките на Arduino в кодовете се идентифицира чрез използването на команда #include, както се вижда в горната част на кода от стъпка 8. Без включване на тези библиотеки кодът няма да може да се компилира или качва в микроконтролера. За достъп и инсталиране на тези библиотеки отидете в раздела скица, разгънете Включване на библиотека и изберете Управление на библиотеки. Въведете името на необходимата библиотека (текст, който се появява след командата #include), щракнете върху желаната опция, изберете версия и натиснете install.

Стъпка 11: Сензор за радиация с джобен кабел Geiger - Тип 5

Както беше посочено по -горе, този компонент ще бъде включен отделно от сензорите за газ. При настройването на този продукт процесът все още е същият; свържете проводниците на компонентите към съответните им изходи, както е показано на извода по -горе. Свържете VCC щифта към 5V източника, разположен на микроконтролера, и заземителния щифт към масата на микроконтролера, както беше направено с сензорите за газ. След това свържете щифтовете за сигнал и шум към пиновете на микроконтролера 2 и 5 съответно. След приключване на тази задача качете базовия код, адаптиран от radiation-watch.org чрез Github (https://www.sparkfun.com/products/142090) и този компонент е готов за работа.

Стъпка 12: Разработете интегрирано окабеляване на сензора

След като свържете индивидуално всеки сензор, за да потвърдите неговата работоспособност, започнете да интегрирате всяко окабеляване на сензора в кондензиран формат, така че всички описани по -горе сензори да са свързани към макета, както е показано на фигурите по -горе. Посочете горната таблица, за да свържете правилно необходимите щифтове на Arduino към съответните им компоненти, така че кодовете по -долу да не се налага да се променят преди качването. За да поддържате кондензиран формат, използвайте обща захранваща и заземителна релса, като окабелите една захранваща шина за макет като 5V, а другата като 3.3V. Свържете двете заземителни релси заедно, като същевременно осигурите връзка към заземяващия щифт на микроконтролера Arduino. Когато приключите, качете прикачения код за достъп до възможностите на сензора за газ, сглобен на дъската. Приложеният код на Arduino ще контролира газовите сензори, както и сензора за температура и влажност и ще показва техните измервателни данни на части на милион чрез серийния монитор. Той също така ще предостави класификация на нивото на опасност на измерените данни. Радиационният сензор може да разчита на измерване, свързано с времето (т.е. броя на минута), затова се препоръчва да се използва този компонент отделно от сензорите за газ. За да подкрепят това разграничение, сензорите за CO, LPG и CO2 ще бъдат единствените обсъждани компоненти, когато микроконтролерът е сдвоен с Bluetooth модула. Важно е обаче да се отбележи, че следният процес може да бъде следван, за да се постигне същия резултат с датчика за радиация.

Стъпка 13: Инициирайте Bluetooth връзка между телефон и модул

След като желаната сензорна система бъде сглобена, кодирана и кондензирана, следващата стъпка е безжично свързване на потребителско устройство към системата. Това ще позволи на потребителя да бъдат изпратени показания на сензора на живо на разстояние, отдалечено от опасната зона. Свързването на сензорната система и устройството на потребителя ще бъде улеснено с Bluetooth модула Arduino BlueSMiRF. Този модул ще бъде свързан с мобилното приложение „Arduino Bluetooth Data“, което може да бъде изтеглено от магазина на Google Play. Този интерфейс ще показва директно показанията, получени от сензорите за газ, човешкото присъствие или сензорите за радиация, и ще бъде достъпен до 350 фута и ще предупреждава потребителя за промени в показанията на сензора, като същевременно позволява на потребителя да прецени дали има опасни нива на опасности за околната среда се откриват по отношение на разпоредбите на OSHA и EPA.

Компонентът трябва да бъде свързан индивидуално, както беше демонстрирано със сензорите, за да се инициализира настройката на компонента и да се оцени работоспособността. Използвайки схемата на компонентите, показана на фигурата по-горе, компонентът ще бъде свързан с 5V вход за захранване и заземен щифт, докато TX и RX компонентните щифтове ще бъдат свързани към два дефинирани от потребителя цифрови пина. Както е показано на фигурата, TX щифтът е присвоен на втория цифров извод, а RX е определен като трети. След приключване на тази задача стартирайте примерния код, намерен по -долу, за да стартирате настройката на компонента. В този момент светодиодът на компонента трябва бавно да мига с червен оттенък. Влезте в серийния монитор и превключете опциите в долната част на прозореца, за да прочетете „Без завършване на ред“и „9600 бода“съответно в падащите полета. След това въведете „$$$“в командното поле и натиснете „Изпрати“. Това ще инициира „Command Mode“в компонента и ще накара светодиода да мига бързо в червен оттенък. Освен това, компонентът ще изпрати съобщение „CMD“обратно към серийния монитор.

Превключете отново падащите настройки на серийния монитор, за да прочетете „Newline“и „9600 baud“, преди да продължите с настройката. Командите за изпращане "D" и "E" към серийния монитор за показване на настройките на компонентите, включително фабричното име. За да сдвоите с мобилния си телефон, отворете настройките на Bluetooth, изберете даденото име на Bluetooth модула (ECEbluesmirf за предоставения пример). След този избор изпратете команда „I“за сканиране за устройства с Bluetooth. Първият номер ще се използва за синхронизиране на двете устройства, като се изпрати „C, първи номер“. Когато приключи, светодиодът на Bluetooth ще светне постоянно в зелено.

Стъпка 14: Свържете системата към мобилно приложение - потребители на Android

За достъп до сензорни данни на Android изтеглете мобилното приложение „Arduino Bluetooth Data“от магазина на Google Play. Отворете мобилното приложение и докоснете името на името на Bluetooth модула в потребителския интерфейс, за да се свържете. Когато бъдете подканени, изберете приложението като приемник. Интерфейсът, показващ сензорните данни, ще се покаже и модулът ще съдържа плътен зелен светодиод. След приключване качете прикачения код, за да активирате сензорите и да извлечете данни за опасността за околната среда. Имената на сензорите могат да бъдат актуализирани, за да приспособят използваните сензори, както беше завършено, за да се постигне екранната снимка по -горе.

Стъпка 15: Създайте опорни скоби, за да прикрепите сензорна система

Сглобяването на сензорната система изисква използването на две закачалки от мека стомана и 3M двустранна залепваща лента за закрепване към дрона DJI Phantom 4. Първата стъпка е да огънете и оформите каишките за закачалка от мека стомана към дрона. Това изисква обща начална дължина на лентата от 23 инча. От този запас изрежете равни ленти с помощта на настолен трион с абразивно острие. След това смилайте краищата, за да премахнете неравностите. Резултатът от процеса е показан на първата от фигурите, показани по -горе. По време на този процес искате да избегнете рязане по отворените прорези, за да избегнете отслабване на краищата на каишката.

Следващата стъпка ще изисква огъване на ремъците, за да се побере на дрона. Препоръчително е да използвате клещи, за да огънете стоманите и да поставите каишката на дъното на релсите. Центрирайте ремъците на релсите за крака на дрона и маркирайте къде е ръбът на краката на релсата. Това ще служи като визуално за това къде да огънете стоманите. Огънете презрамките на малки стъпки, докато се увият около парапетите, предотвратявайки плъзгането.

Стъпка 16: Сглобете системата към дрона

Пример за сглобяване на сензорната система ще бъде демонстриран с помощта на закачалки от мека стомана и лепяща лента. Както бе обсъдено по -рано, ремъците от мека стомана са закачени и поставени на дъното на дрона, за да се създаде платформа, върху която да седят компонентите. След като това приключи, прикрепете компонентите към каишките с лепилото, така че да са сигурни, но не пречат на нормалната работа на дрона. За да се осигури достатъчно място, примерът използва две закачалки, поддържащи външна батерия, микроконтролер и платка. Освен това сензорите са поставени към задната част на дрона.

Стъпка 17: Използване на тази система за оценка на риска от опасност

За да се определи тежестта на нивата на опасност, представени от тази система, трябва да се позовават на следните стандарти. Зеленото показва безопасна среда за всички присъстващи в зоната на интерес, докато лилавото показва възможно най -лошата концентрация в околната среда, което води до смъртоносни ефекти. Използваната цветова система е получена от Програмата за знамето за качество на въздуха на EPA.

Въглероден оксид (OSHA)

• 0-50 PPM (зелено)
• 50-100 PPM (жълто)
• 100-150 PPM (оранжево)
• 150-200 PPM (червено)
• > 200 PPM (лилаво)

Течен пропан газ (NCBI)

• 0-10 000 PPM (зелено)
• 10, 000-17, 000 PPM (жълто)
• > 17 000 PPM (червено)

Въглероден диоксид (Global CCS Institute)

• 0-20, 00 PPM (зелено)
• 20, 000-50, 000 PPM (жълто)
• 50, 000-100, 000 PPM (оранжево)
• 100, 000-150, 000 PPM (червено)
• > 150 000 PPM (лилаво)

Стъпка 18: Използвайте системата за събиране на измерени данни

Сега, когато окончателното сглобяване е завършено, системата е готова за работа. Тъй като кодът, необходим, за да позволи на микроконтролера да работи със сензорната система, вече е качен, микроконтролерът може да бъде свързан към мобилната батерия за предаване на данни, в замяна на компютър. Системата вече е готова за използване в приложения за оценка на опасностите за околната среда!