Reaaliaikainen kaivon vesimittari: 6 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 08:59

Nämä ohjeet kuvaavat kuinka rakentaa halpa, reaaliaikainen vedenpinnan mittari kaivettuja kaivoja varten. Vedenkorkeusmittari on suunniteltu roikkumaan kaivetun kaivon sisällä, mittaamaan vedenpinta kerran päivässä ja lähettämään tiedot WiFi- tai matkapuhelinyhteydellä verkkosivulle katseltavaksi ja ladattavaksi. Osien kustannukset mittarin rakentamisesta ovat noin 200 dollaria Can WiFi -versiossa ja 300 USD matkapuhelinversiossa. Mittari on esitetty kuvassa 1. Täydellinen raportti, joka sisältää rakennusohjeet, osaluettelon, vinkit mittarin rakentamiseen ja käyttöön sekä mittarin asentamisesta vesikaivoon, on liitteenä olevassa tiedostossa (Vesimittarin käyttöohjeet.pdf). Vedenkorkeusmittarien avulla on kehitetty alueellinen, reaaliaikainen matalan pohjaveden seurantaverkosto Nova Scotiassa, Kanadassa: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm… Ohjeita samanlaisen vettä mittaavan mittarin rakentamiseen Lämpötila, johtavuus ja vedenpinta ovat saatavilla täältä:

Vedenkorkeusmittari käyttää ultraäänianturia kaivon syvyyden mittaamiseen. Anturi on liitetty esineiden internetin (IoT) laitteeseen, joka muodostaa yhteyden WiFi- tai matkapuhelinverkkoon ja lähettää vedenpinnan tiedot piirrettävään verkkopalveluun. Tässä projektissa käytetty verkkopalvelu on ThingSpeak.com, joka on vapaasti käytettävissä ei-kaupallisiin pienprojekteihin (alle 8 200 viestiä päivässä). Jotta mittarin WiFi -versio toimisi, sen on sijaittava lähellä WiFi -verkkoa. Kotitalousvesikaivot täyttävät usein tämän ehdon, koska ne sijaitsevat lähellä taloa, jossa on WiFi. Mittari ei sisällä dataloggeria, vaan se lähettää vedenpinnan tiedot ThingSpeakiin, missä ne tallennetaan pilveen. Siksi, jos tiedonsiirto -ongelma (esim. Internet -katkoksen aikana), kyseisen päivän vedenpinnan tiedot eivät siirry ja menetetään pysyvästi.

Mittari on suunniteltu ja testattu suurikokoisille (0,9 m sisähalkaisijalle) kaivetuille kaivoille, joiden syvyys on matala (alle 10 m maanpinnan alapuolella). Sitä voitaisiin kuitenkin mahdollisesti käyttää vedenpinnan mittaamiseen muissa tilanteissa, kuten ympäristön seurantakaivoissa, porauskaivoissa ja pintavesimuodostumissa.

Tässä esitettyä mittarisuunnittelua muutettiin sen jälkeen, kun mittari tehtiin kotitalouksien vesisäiliön vedenpinnan mittaamiseen ja vedenpinnan raportointiin Twitterin kautta, jonka julkaisi Tim Ousley vuonna 2015: https://www.instructables.com/id/Wi -Fi-Twitter-Wa…. Suurimmat erot alkuperäisen ja tässä esitetyn rakenteen välillä ovat kyky käyttää mittaria AA-paristoilla langallisen virtalähteen sijasta, mahdollisuus tarkastella tietoja aikasarjakaaviossa Twitter-viestin sijasta ja käyttö ultraäänianturista, joka on erityisesti suunniteltu vedenpinnan mittaamiseen.

Alla on vaiheittaiset ohjeet vesimittarin rakentamisesta. On suositeltavaa, että rakentaja lukee kaikki rakentamisen vaiheet ennen mittarin rakentamisen aloittamista. Tässä projektissa käytetty IoT -laite on hiukkasfotoni, ja siksi seuraavissa osissa termejä "IoT -laite" ja "fotoni" käytetään keskenään.

Tarvikkeet

Elektroniset osat:

Anturi - MaxBotix MB7389 (5 metrin kantama)

IoT -laite - hiukkasfotoni otsikoilla

Antenni (sisäinen antenni asennettuna mittarikotelon sisään) - 2,4 GHz, 6dBi, IPEX- tai u. FL -liitin, 170 mm pitkä

Akku - 4 x AA

Johto - hyppyjohdin, jossa on työntöliittimet (pituus 300 mm)

Paristot - 4 x AA

Putkisto- ja laitteisto -osat:

Putki - ABS, halkaisija 50 mm, pituus 125 mm

Yläsuojus, ABS, 50 mm (2 tuumaa), kierretty tiivisteellä vesitiiviin tiivisteen aikaansaamiseksi

Alakorkki, PVC, 50 mm (2 tuumaa) ja ¾ tuuman NPT -kierre, joka sopii anturiin

2 putkiliitintä, ABS, 50 mm (2 tuumaa) ylä- ja alakannen liittämiseksi ABS -putkeen

Silmäpultti ja 2 mutteria, ruostumatonta terästä (1/4 tuumaa) ripustimen valmistamiseksi yläkannessa

Muut materiaalit: sähköteippi, teflonnauha, juote, silikoni, liima kotelon kokoamiseen

Vaihe 1: Kokoa mittarikotelo

Kokoa mittarikotelo kuvien 1 ja 2 mukaisesti. Kokonaispituus kootusta mittarista, kärjestä kärkeen anturi ja silmukkapultti mukaan lukien, on noin 320 mm. Mittarikotelon valmistuksessa käytettävä halkaisijaltaan 50 mm: n ABS -putki on leikattava noin 125 mm: n pituiseksi. Näin kotelon sisällä on riittävästi tilaa IoT-laitteen, akun ja 170 mm: n sisäisen antennin sijoittamiseen.

Tiivistä kaikki liitokset joko silikonilla tai ABS -liimalla, jotta kotelo on vesitiivis. Tämä on erittäin tärkeää, muuten kosteus voi päästä kotelon sisään ja tuhota sen sisäiset osat. Kotelon sisään voidaan sijoittaa pieni kuivausainepakkaus kosteuden imeyttämiseksi.

Asenna silmäpultti yläkorkkiin poraamalla reikä ja asettamalla silmukkapultti ja mutteri paikalleen. Kotelon sisä- ja ulkopuolelta tulee käyttää mutteria silmukkapultin kiinnittämiseksi. Silikoni korkin sisäpuolella pultin reiästä, jotta se olisi vesitiivis.

Vaihe 2: Kiinnitä johdot anturiin

Kolme johtoa (katso kuva 3a) on juotettava anturiin sen kiinnittämiseksi fotoniin (eli anturin nastat GND, V+ja nasta 2). Johtojen juottaminen anturiin voi olla haastavaa, koska anturin liitäntäreiät ovat pieniä ja lähellä toisiaan. On erittäin tärkeää, että johdot on juotettu kunnolla anturiin, jotta fyysiset ja sähköiset liitännät ovat hyvät ja vahvat, eikä vierekkäisten johtojen välissä ole juotoskaaria. Hyvä valaistus ja suurentava linssi auttavat juotosprosessissa. Niille, joilla ei ole aikaisempaa juotoskokemusta, suositellaan jonkinlaista juottamista ennen johtojen juottamista anturiin. Juotoksen online-opetusohjelma on saatavana SparkFun Electronicsilta (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…).

Kun johdot on juotettu anturiin, kaikki ylimääräinen paljas lanka, joka tarttuu anturista, voidaan leikata pois noin 2 mm: n pituisilla lankaleikkureilla. On suositeltavaa, että juotosliitokset on peitetty paksulla silikonihelmellä. Tämä lisää liitosten lujuutta ja vähentää korroosion ja sähköongelmien mahdollisuutta anturiliitännöissä, jos kosteutta joutuu mittarin koteloon. Sähköteippi voidaan myös kääriä anturiliitännän kolmen johdon ympärille lisäsuojaksi ja vedonpoistoon, mikä vähentää mahdollisuutta, että johdot katkeavat juotosliitoksista.

Anturijohtimien toisessa päässä voi olla push-on-tyyppiset liittimet (katso kuva 3b) kiinnitettäväksi fotoniin. Push-on-liittimien käyttö helpottaa mittarin kokoamista ja purkamista. Anturijohtojen tulee olla vähintään 270 mm pitkiä, jotta ne voivat ulottua mittarikotelon koko pituudelle. Tämä pituus mahdollistaa fotonin yhdistämisen kotelon yläpäästä anturin ollessa paikallaan kotelon alaosassa. Huomaa, että tämä suositeltu langan pituus olettaa, että mittarin kotelon valmistuksessa käytetty ABS -putki on leikattu 125 mm: n pituiseksi. Varmista ennen johtojen leikkaamista ja juottamista anturiin, että 270 mm: n johdon pituus riittää ulottumaan mittarikotelon yläosan yli, jotta fotoni voidaan liittää kotelon kokoamisen ja anturin pysyvän kiinnityksen jälkeen tapaus.

Anturi voidaan nyt kiinnittää mittarin koteloon. Se on kierrettävä tiukasti pohjaosaan teflonnauhalla vesitiiviyden varmistamiseksi.

Vaihe 3: Kiinnitä anturi, akku ja antenni IoT -laitteeseen

Kiinnitä anturi, akku ja antenni fotoniin (Kuva 4) ja aseta kaikki osat mittarin koteloon. Alla on luettelo kuvassa 4 esitetyistä nastaliitännöistä. Anturi- ja akkujohdot voidaan kiinnittää juottamalla suoraan fotoniin tai push-on-tyyppisillä liittimillä, jotka kiinnittyvät fotonin alapuolella oleviin otsatappeihin (kuten kuvassa 2). Push-on-liittimien avulla on helpompi purkaa mittari tai vaihtaa fotoni, jos se epäonnistuu. Fotonin antenniliitäntä vaatii u. FL -tyyppisen liittimen (kuva 4), ja se on työnnettävä erittäin lujasti fotoniin yhteyden muodostamiseksi. Älä asenna paristoja akkuun ennen kuin mittari on valmis testattavaksi tai asennettu kaivoon. Tässä mallissa ei ole virtakytkintä, joten mittari käynnistetään ja sammutetaan asentamalla ja poistamalla paristot.

Luettelo IoT -laitteen (Particle Photon) nastayhteyksistä:

Fotonippi D3 - liitä - Anturin nasta 2, data (ruskea johto)

Fotonitappi D2 - liitä - Anturitappi 6, V+ (punainen johto)

Photon pin GND - liitä - Sensor pin 7, GND (black wire)

Photon pin VIN - liitä - Akku, V+ (punainen johto)

Fotonippi GND - liitä - Akku, GND (musta johto)

Photon u. FL -tappi - yhdistä - Antenni

Vaihe 4: Ohjelmiston asennus

Ohjelmiston asentamiseksi mittariin tarvitaan viisi päävaihetta:

1. Luo partikkelitili, joka tarjoaa online -käyttöliittymän fotonille. Voit tehdä tämän lataamalla Particle -mobiilisovelluksen älypuhelimeen: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. Kun olet asentanut sovelluksen, luo Particle -tili ja lisää online -ohjeet lisäämällä fotoni tilille. Huomaa, että kaikki muut fotonit voidaan lisätä samaan tiliin ilman, että sinun on ladattava Particle -sovellus ja luotava tili uudelleen.

2. Luo ThingSpeak -tili https://thingspeak.com/login ja määritä uusi kanava näyttämään vedenpinnan tiedot. Esimerkki vesimittarin ThingSpeak -verkkosivustosta on esitetty kuvassa 5, jonka voi katsoa myös täältä: https://thingspeak.com/channels/316660. Ohjeet ThingSpeak-kanavan määrittämiseen ovat osoitteessa https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w… Huomaa, että samaan tiliin voidaan lisätä lisäkanavia muille fotoneille ilman, että sinun tarvitsee luoda uutta ThingSpeak-tiliä.

3. "Webhook" tarvitaan veden tason tietojen siirtämiseksi fotonista ThingSpeak -kanavalle. Ohjeet webhookin määrittämiseen ovat osoitteessa https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. Jos vesimittaria rakennetaan useampi kuin yksi, jokaiselle lisäfotonille on luotava uusi webhook, jolla on ainutlaatuinen nimi.

4. Webhook, joka luotiin yllä olevassa vaiheessa, on lisättävä fotonia käyttävään koodiin. Vedenkorkeusmittarin WiFi -version koodi on liitteenä olevassa tiedostossa (Code1_WiFi.txt). Siirry tietokoneella Particle -verkkosivulle https://login.particle.io/login?redirect=https://… kirjaudu Particle -tilille ja siirry Particle -sovelluksen käyttöliittymään. Kopioi koodi ja luo sen avulla uusi sovellus Particle -sovelluksen käyttöliittymässä. Lisää yllä luodun verkkokoukun nimi koodin riville 87. Poista tämä lainausmerkkien sisältämä teksti ja lisää uusi webhook -nimi lainausmerkkeihin riville 87, joka kuuluu seuraavasti:

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

5. Koodi voidaan nyt tarkistaa, tallentaa ja asentaa fotoniin. Huomaa, että koodi tallennetaan ja asennetaan fotoniin pilvestä. Tätä koodia käytetään vesimittarin käyttämiseen, kun se on vesikaivossa. Kenttäasennuksen aikana koodiin on tehtävä joitain muutoksia, jotta raportointitiheys asetetaan kerran päivässä ja lisätään tietoja vesikaivosta (tämä on kuvattu liitteenä olevassa tiedostossa Water Level Meter Instructions.pdf osiossa Mittarin asentaminen vesikaivoon”).

Vaihe 5: Testaa mittari

Mittarin rakentaminen ja ohjelmiston asennus on nyt valmis. Tässä vaiheessa on suositeltavaa testata mittari. Kaksi testiä on suoritettava. Ensimmäisellä testillä varmistetaan, että mittari voi mitata vedenpinnan oikein ja lähettää tiedot ThingSpeakille. Toisella testillä varmistetaan, että fotonin virrankulutus on odotetulla alueella. Tämä toinen testi on hyödyllinen, koska paristot romahtavat odotettua nopeammin, jos fotoni käyttää liikaa virtaa.

Testiä varten koodi on asetettu mittaamaan ja raportoimaan vedenpinta kahden minuutin välein. Tämä on käytännöllinen aika odottaa mittausten välillä, kun mittaria testataan. Jos haluat eri mittaustiheyden, muuta koodin rivillä 16 oleva muuttuja nimeltä MeasureTime haluttuun mittaustaajuuteen. Mittaustiheys syötetään sekunneissa (eli 120 sekuntia vastaa kahta minuuttia).

Ensimmäinen testi voidaan tehdä toimistossa ripustamalla mittari lattian yläpuolelle, kytkemällä se päälle ja tarkistamalla, että ThingSpeak -kanava ilmoittaa tarkasti anturin ja lattian välisen etäisyyden. Tässä testausskenaariossa ultraäänipulssi heijastuu lattiasta, jota käytetään simuloimaan kaivon vedenpintaa.

Toista testiä varten akun ja fotonin välinen sähkövirta on mitattava sen varmistamiseksi, että se vastaa fotonitiedotteen spesifikaatioita: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… Kokemus on osoittanut, että tämä testi auttaa tunnistamaan vialliset IoT -laitteet ennen niiden käyttöönottoa kentällä. Mittaa virta asettamalla virtamittari akun positiivisen V+ -johdon (punainen johto) ja fotonin VIN -nastan väliin. Virta on mitattava sekä käyttötilassa että syvässä lepotilassa. Voit tehdä tämän kytkemällä fotonin päälle ja se käynnistyy toimintatilassa (kuten fotonin LED -valo osoittaa syaanin värin), joka kestää noin 20 sekuntia. Käytä virtamittaria tarkkailemaan käyttövirtaa tänä aikana. Tämän jälkeen fotoni siirtyy automaattisesti syvään lepotilaan kahden minuutin ajaksi (kuten fotonin sammutusmerkkivalo osoittaa). Käytä virtausmittaria tarkkaillaksesi syvän unen virtaa tällä hetkellä. Käyttövirran tulisi olla 80-100 mA ja syvän lepovirran 80-100 µA. Jos virta on korkeampi kuin nämä arvot, fotoni on vaihdettava.

Mittari on nyt valmis asennettavaksi vesikaivoon (kuva 6). Ohjeet mittarin asentamisesta vesikaivoon on liitteenä olevassa tiedostossa (Vesimittarin ohjeet.pdf).

Vaihe 6: Mobiiliversion tekeminen mittarista

Vesimittarin solukkoversio voidaan rakentaa tekemällä muutoksia aiemmin kuvattuun osaluetteloon, ohjeisiin ja koodiin. Matkapuhelinversio ei vaadi WiFi -yhteyttä, koska se muodostaa yhteyden Internetiin solukkosignaalin kautta. Mittarin solukkoversion rakentamisen osien hinta on noin 300 dollaria (ilman veroja ja toimituskuluja) ja noin 4 dollaria kuukaudessa IoT -mobiililaitteen mukana toimitetun solukkotietosuunnitelman osalta.

Solumittari käyttää samoja osia ja rakennusvaiheita, jotka on lueteltu edellä seuraavin muutoksin:

• Vaihda WiFi IoT -laite (Particle Photon) solukko -IoT -laitteeseen (Particle Electron): https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. Kun rakennat mittaria, käytä samoja tapiliitäntöjä, jotka on kuvattu edellä mittarin WiFi -versiossa vaiheessa 3.

• Matkapuhelimen IoT-laite käyttää enemmän virtaa kuin WiFi-versio, ja siksi suositellaan kahta akkulähdettä: 3,7 V: n Li-Po-akkua, joka toimitetaan IoT-laitteen mukana, ja akkua, jossa on 4 AA-paristoa. 3,7 V LiPo -akku kiinnitetään suoraan IoT -laitteeseen mukana toimitetuilla liittimillä. AA -akku on liitetty IoT -laitteeseen samalla tavalla kuin edellä on kuvattu mittarin WiFi -versiolle vaiheessa 3. Kenttätestaus on osoittanut, että mittarin matkapuhelinversio toimii noin 9 kuukautta käyttämällä edellä kuvattua akun asetusta. Vaihtoehto sekä AA-akun että 2000 mAh: n 3,7 V: n Li-Po-akun käyttämiselle on käyttää yhtä 3,7 V: n Li-Po-akkua, jonka kapasiteetti on suurempi (esim. 4000 tai 5000 mAh).

• Mittariin on liitettävä ulkoinen antenni, kuten: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. Varmista, että se on mitoitettu sen taajuuden mukaan, jota matkapuhelinpalveluntarjoaja käyttää, kun vesimittaria käytetään. Matkapuhelimen IoT -laitteen mukana toimitettu antenni ei sovellu ulkokäyttöön. Ulkoinen antenni voidaan liittää pitkällä (3 m) kaapelilla, jonka avulla antenni voidaan kiinnittää kaivon pään kaivon ulkopuolelle (Kuva 7). On suositeltavaa, että antennikaapeli työnnetään kotelon pohjan läpi ja suljetaan perusteellisesti silikonilla kosteuden pääsyn estämiseksi (Kuva 8). Suositellaan laadukasta, vedenpitävää, ulkokoaksiaalista jatkojohtoa.

• Matkapuhelimen IoT -laite toimii eri koodilla kuin mittarin WiFi -versio. Mittarin matkapuhelinversion koodi on liitteenä olevassa tiedostossa (Code2_Cellular.txt).