Raspberry Pi Impact Force Monitor!: 16 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Kuinka paljon vaikutuksia ihmiskeho voi kestää? Olipa kyseessä jalkapallo, kalliokiipeily tai polkupyöräonnettomuus, on erittäin tärkeää tietää, milloin hakea välitöntä lääketieteellistä apua törmäyksen jälkeen, varsinkin jos ei ole ilmeisiä trauman merkkejä. Tämä opetusohjelma opettaa sinulle, kuinka rakentaa oma iskuvoiman valvontalaitteesi!

Lukuaika: ~ 15 min

Rakennusaika: ~ 60-90 min

Tässä avoimen lähdekoodin projektissa käytetään Raspberry Pi Zero W: tä ja LIS331-kiihtyvyysmittaria, jotka seuraavat ja varoittavat käyttäjää mahdollisesti vaarallisista G-voimista. Tietenkin voit vapaasti muokata ja mukauttaa järjestelmää erilaisten kansalaisten tieteellisten tarpeiden mukaan.

Huomaa: Rakenna hauskoja juttuja Impact Force Monitorilla! Älä kuitenkaan käytä sitä korvaamaan ammattimaista lääketieteellistä neuvontaa ja diagnoosia. Jos sinusta tuntuu, että olet pudonnut vakavasti, ota yhteyttä pätevään ja lisensoituun ammattilaiseen asianmukaisen hoidon saamiseksi.

Vaihe 1: Ehdotettu lukeminen

Jotta tämä opetusohjelma pysyisi lyhyenä ja suloisena (no, niin paljon kuin mahdollista), oletan, että aloitat toiminnallisella Pi Zero W. Tarvitsetko apua? Ei ongelmaa! Tässä on täydellinen asennusopas.

Yhdistämme myös Pi: hen etänä (aka langattomasti). Jos haluat tarkemman yleiskatsauksen tästä prosessista, tutustu tähän opetusohjelmaan.

** jumissa tai haluatko oppia lisää? Tässä muutamia käteviä resursseja: **

1. Erinomainen "Aloitusopas" Pi: lle.

2. Täysi kytkentäopas kiihtyvyysmittarin LIS331 katkaisulaudalle.

3. Lisää kiihtyvyysmittarista!

4. Katsaus Raspberry Pi GPIO -nastoihin.

5. SPI- ja I2C -sarjaväylien käyttäminen Pi -laitteessa.

6. LIS331 -tietolomake

Vaihe 2: Materiaalit

• Raspberry Pi Zero W Basic -sarja
  • Tämä sarja sisältää seuraavat: SD -kortti ja NOOBS -käyttöjärjestelmä; USB OTG -kaapeli (microUSB - USB -naaras); Mini HDMI - HDMI; MicroUSB -virtalähde (~ 5V)
  • Suositellaan myös: USB -keskitin
• Raspberry Pi 3 otsikkotappia

• LIS331 Kiihtyvyysanturi Breakout Board

• Akku ja MicroUSB -liitin
• 5 mm punainen LED
• 1k vastus
• 6 "kutisteputki tai sähköteippi
• Kiihtyvyysmittarin (4-8) ja LED -valon (2) otsatapit
• Naaras-naarashyppyjohdot (6)

Työkalut

• Juotin ja tarvikkeet
• Epoksi (tai muu pysyvä, johtamaton nestemäinen liima)
• Varmaan myös sakset:)

Vaihe 3: Mutta odota! Mikä on iskuvoima?

Onneksi termi "iskuvoima" on melko suoraviivainen: iskussa olevan voiman määrä. Kuten useimmat asiat, sen mittaaminen vaatii kuitenkin tarkemman määritelmän. Iskuvoiman yhtälö on:

F = KE/d

jossa F on iskuvoima, KE on liike -energia (liikeenergia) ja d on iskuetäisyys tai kuinka paljon esine rypistyy. Tästä yhtälöstä on kaksi keskeistä otosta:

1. Iskuvoima on suoraan verrannollinen liike -energiaan, mikä tarkoittaa, että iskuvoima kasvaa, jos liike -energia kasvaa.

2. Iskuvoima on kääntäen verrannollinen iskuetäisyyteen, mikä tarkoittaa, että iskuvoima pienenee, jos iskuetäisyys kasvaa. (Tästä syystä meillä on turvatyynyt: lisätäksemme iskun etäisyyttä.)

Voima mitataan tyypillisesti newtoneina (N), mutta iskuvoimasta voidaan keskustella "G-voima", luku, joka ilmaistaan g: n kerrannaisena, tai maan painovoimakiihtyvyys (9,8 m/s^2). Kun käytämme G-voiman yksiköitä, mittaamme esineiden kiihtyvyyttä suhteessa vapaaseen pudotukseen kohti maata.

Teknisesti g on kiihtyvyys, ei voima, mutta se on hyödyllinen, kun puhutaan törmäyksistä, koska kiihtyvyys* vahingoittaa ihmiskehoa.

Tässä projektissa käytämme G-force-yksiköitä määrittääksemme, onko isku mahdollisesti vaarallinen ja ansaitseeko lääkärin hoitoa. Tutkimukset ovat osoittaneet, että yli 9G: n g-voimat voivat olla kohtalokkaita useimmille ihmisille (ilman erityiskoulutusta) ja 4-6G voivat olla vaarallisia, jos ne kestävät yli muutaman sekunnin.

Tämän tietäen voimme ohjelmoida iskuvoimamittarimme varoittamaan meitä, jos kiihtyvyysmittarimme mittaa G-voiman kumman tahansa kynnyksen yläpuolella. Hurraa, tiede!

Lisätietoja iskuvoimasta ja g-voimasta on Wikipediassa!

Kiihtyvyys on nopeuden ja/tai suunnan muutos

Vaihe 4: Määritä Pi Zero W

Kokoa Raspberry Pi Zero ja oheislaitteet määrittääksesi Pi: n päättömäksi!

• Liitä Pi näyttöön ja siihen liittyviin oheislaitteisiin (näppäimistö, hiiri), kytke virtalähde ja kirjaudu sisään.

• Päivitä ohjelmisto pitääksesi Pi nopeana ja turvallisena. Avaa pääteikkuna ja kirjoita nämä komennot:

  Kirjoita ja kirjoita:

sudo apt-get päivitys

Kirjoita ja kirjoita:

sudo apt-get päivitys

Nollaa:

sudo shutdown -r nyt

Vaihe 5: Ota WiFi ja I2C käyttöön

• Napsauta työpöydän oikeassa yläkulmassa olevaa WiFi -kuvaketta ja muodosta yhteys WiFi -verkkoon.
• Kirjoita päätelaitteessa tämä komento, jotta saat esiin Pi: n ohjelmiston määritystyökalun:

sudo raspi-config

• Valitse "Liitäntäasetukset", sitten "SSH" ja ota käyttöön valitsemalla "Kyllä" alareunasta.
• Siirry takaisin kohtaan "Liitäntäasetukset", sitten "I2C" ja ota käyttöön valitsemalla "Kyllä".
• Asenna päätelaitteeseen etätyöpöytäyhteysohjelmisto:

sudo apt-get install xrdp

• Kirjoita näppäimistöllä Y (kyllä) molempiin kehotteisiin.
• Etsi Pi: n IP -osoite viemällä hiiri WiFi -yhteyden päälle (saatat haluta myös kirjoittaa sen muistiin).
• Vaihda Pi: n salasana passwd -komennolla.

Vaihe 6: Käynnistä Pi uudelleen ja kirjaudu sisään etänä

Voimme nyt luopua HDMI: stä ja oheislaitteista, woohoo!

• Määritä etätyöpöytäyhteys.

  • Avaa tietokoneessa Etätyöpöytäyhteys (tai PuTTY, jos olet tyytyväinen siihen).
  • Mac/Linux: voit asentaa tämän ohjelman tai käyttää VNC -ohjelmaa.
• Kirjoita Pi: n IP -osoite ja napsauta "Yhdistä" (ohita varoitukset tuntemattomasta laitteesta).
• Kirjaudu Pi -palveluun kirjautumistiedoillasi ja lähdemme!

Vaihe 7: Rakenna se: Elektroniikka

Yllä olevat kaksi kuvaa esittävät tämän projektin ja Pi Zero Pinoutin sähkökaavion. Tarvitsemme molemmat ratkaistaksesi laitteistoyhteydet.

Huomautus: Kaavion LIS331 katkaisukortti on vanhempi versio - käytä opastustapin tarroja

Vaihe 8: Liitä kiihtyvyysmittari Pi: n GPIO -laitteeseen

• Juotos ja poista varovasti kaikki jäännökset kiihtyvyysmittarista ja Pi GPIO: n otsatapista.
• Kytke sitten hyppyjohtimet LIS331 -murtokortin ja Pi -väliin seuraavien nastojen väliin:

LIS331 Breakout Board Raspberry Pi GPIO -tappi

GND GPIO 9 (GND)

VCC GPIO 1 (3.3V)

SDA GPIO 3 (SDA)

SCL GPIO 5 (SCL)

Anturin yhdistämisen helpottamiseksi Pi Zero -laitteeseen tehtiin mukautettu sovitin käyttämällä naaraspäätä ja hyppyjohtoja. Lämpökutistusta lisättiin liitosten testaamisen jälkeen

Vaihe 9: Lisää hälytysvalo

• Juotos virranrajoitusvastus negatiiviseen LED -jalkaan (lyhyempi jalka) ja lisää kutistekääre (tai sähköteippi) eristykseen.
• Liitä positiiviset LED -jalat GPIO26: een ja vastus GND: hen kahdella hyppykytkentäkaapelilla tai nastatapilla (otsikkokohdat 37 ja 39).
• Kytke akku Pi -laitteen virtalähteeseen asennuksen viimeistelemiseksi!

Vaihe 10: Ohjelmoi se

Tämän projektin Python-koodi on avoimen lähdekoodin! Tässä linkki GitHub -arkistoon.

Ohjelmoinnin aloittelijoille:

Lue ohjelman koodi ja kommentit. Asioita, joita on helppo muokata, on ylhäällä "Käyttäjäparametrit" -osiossa

Ihmisille, jotka ovat mukavampia teknisillä asetuksilla:

Tämä ohjelma alustaa LIS331 -kiihtyvyysmittarin oletusasetuksilla, mukaan lukien normaali virransäästötila ja 50 Hz: n tiedonsiirtonopeus. Lue LIS331 -tietolomake ja muuta alustusasetuksia haluamallasi tavalla

Kaikki

• Tässä projektissa käytetty suurin kiihtyvyysasteikko on 24G, koska törmäysvoima kasvaa todella nopeasti!
• On suositeltavaa kommentoida kiihdytystulostuslausekkeet päätoiminnossa, kun olet valmis käyttöönottoon.

Ennen kuin suoritat ohjelman, tarkista, että kiihtyvyysmittarin osoite on 0x19. Avaa pääteikkuna ja asenna hyödyllisiä työkaluja tällä komennolla:

sudo apt-get install -y i2c-tools

Suorita sitten i2cdetect -ohjelma:

i2cdetect -y 1

Näet taulukon I2C -osoitteista, kuten yllä olevassa kuvassa näkyy. Jos oletetaan, että tämä on ainoa liitetty I2C -laite, näkyvissä oleva numero (tässä tapauksessa: 19) on kiihtyvyysmittarin osoite! Jos näet eri numeron, ota huomioon ja muuta ohjelmassa (muuttuja addr).

Vaihe 11: Ohjelman yleiskatsaus

Ohjelma lukee x-, y- ja z-kiihtyvyyden, laskee g-voiman ja tallentaa tiedot sitten kahteen tiedostoon (samaan kansioon kuin ohjelmakoodi):

• AllSensorData.txt-antaa aikaleiman, jota seuraa g-voima x-, y- ja z-akseleilla.
• AlertData.txt - sama kuin yllä, mutta vain lukemille, jotka ylittävät turvakynnyksemme (absoluuttinen kynnys 9G tai 4G yli 3 sekuntia).

Turvakynnyksemme yläpuolella olevat G-voimat sytyttävät myös hälytysvalon ja pitävät sen päällä, kunnes käynnistämme ohjelman uudelleen. Pysäytä ohjelma kirjoittamalla komentopäätteeseen “CTRL+c” (näppäimistön keskeytys).

Yllä oleva kuva näyttää molemmat testin aikana luodut datatiedostot.

Vaihe 12: Testaa järjestelmä

Avaa pääteikkuna, siirry cd -komennolla kansioon, johon tallensit ohjelmakoodin.

cd -polku/kansioon/

Suorita ohjelma pääkäyttäjän oikeuksilla:

sudo python NameOfFile.py

Tarkista, että kiihtyvyysarvot x-, y- ja z-suunnassa tulostavat pääteikkunaan, ovat kohtuullisia, ja sytytä LED-valo, jos g-voima on kynnysarvojemme yläpuolella.

• Testaa kääntämällä kiihtyvyysmittaria niin, että jokainen akseli osoittaa maata kohti, ja tarkista, että mitatut arvot ovat joko 1 tai -1 (vastaa painovoiman aiheuttamaa kiihtyvyyttä).
• Ravista kiihtyvyysmittaria varmistaaksesi, että lukemat kasvavat (merkki ilmaisee akselin suunnan, meitä kiinnostaa eniten lukeman suuruus).

Vaihe 13: Suojatut sähköliitännät ja asenna se

Kun kaikki toimii oikein, varmistetaan, että iskuvoiman valvoja todella kestää iskuja!

• Käytä kutisteputkea ja/tai päällystä kiihtyvyysmittarin ja epoksi -LEDin sähköliitännät.

• Jos haluat erittäin kestäviä ja pysyviä asennuksia, harkitse koko kotelon päällystämistä epoksilla: Pi Zero, LED ja kiihtyvyysmittari (mutta EI Pi -kaapeliliittimiä tai SD -korttia).

  Varoitus! Voit edelleen käyttää Pi: tä ja tehdä kaikki tietokoneen asiat, mutta täysi epoksikerros estää GPIO -nastojen käytön tulevissa projekteissa. Vaihtoehtoisesti voit tehdä tai ostaa mukautetun kotelon Pi Zero -laitteelle, vaikka tarkista niiden kestävyys

Kiinnitä kypärään, henkilöön tai kuljetusmuotoon, kuten rullalautaasi, polkupyörääsi tai kissaasi*!

Testaa kokonaan, että Pi on kiinnitetty kunnolla tai että GPIO -nastat voivat löystyä aiheuttaen ohjelman kaatumisen.

*Huomautus: Alunperin tarkoitin kirjoittaa "auto", mutta arvasin, että kissan iskuvoiman valvontalaite saattaisi myös antaa mielenkiintoisia tietoja (tietysti kissan suostumuksella).

Vaihe 14: Piirin upottaminen kypärään

On olemassa muutamia tapoja upottaa piiri kypärään. Tässä on lähestymistapani kypärän asennukseen:

• Jos et ole jo tehnyt niin, liitä akku Pi -laitteeseen (akku pois päältä). Kiinnitä kiihtyvyysmittari Pi: n takaosaan johtamattomalla eristyksellä (kuten kuplamuovilla tai ohuella pakkausvaahdolla).
• Mittaa Pi Zero, kiihtyvyysmittari, LED ja akkuliitinyhdistelmän mitat. Lisää 10% kummallekin puolelle.
• Piirrä projektille aukko kypärän toiselle puolelle siten, että akun liitin osoittaa kypärän yläosaa kohti. Leikkaa pehmuste pois kypärästä jättämällä muutama millimetri (~ 1/8 tuumaa).
• Aseta anturi, Pi ja LED katkaisimeen. Leikkaa palat ylimääräisestä kypärän pehmusteesta tai käytä pakkausvaahtoa elektroniikan eristämiseen, suojaamiseen ja pitämiseen.
• Mittaa akun mitat, lisää 10%ja noudata samaa akun aukkoa. Aseta akku taskuun.
• Toista akun eristystekniikka kypärän toisella puolella.
• Pidä kypärän pehmuste paikallaan teipillä (pääsi pitää ne paikallaan, kun käytät sitä).

Vaihe 15: Ota käyttöön

Käynnistä akku!

Nyt voit kirjautua Pi: hen etänä SSH: n tai etätyöpöydän kautta ja suorittaa ohjelman päätelaitteen kautta. Kun ohjelma on käynnissä, se alkaa tallentaa tietoja.

Kun katkaiset yhteyden kotisi WiFi -verkkoon, SSH -yhteys katkeaa, mutta ohjelman pitäisi silti kirjata tietoja. Harkitse Pi: n yhdistämistä älypuhelimen hotspot -WiFi -verkkoon tai kirjaudu sisään ja hae tiedot kotiin saapuessasi.

Päästäksesi tietoihin kirjaudu etäyhteydellä Pi: hen ja lue tekstitiedostot. Nykyinen ohjelma liittää aina tiedot olemassa oleviin tiedostoihin - jos haluat poistaa tietoja (kuten testauksesta), poistaa tekstitiedoston (työpöydän kautta tai käyttää terminaalin rm -komentoa) tai luo uuden tiedostonimen ohjelmaan koodi (käyttäjäparametreissa).

Jos merkkivalo palaa, ohjelman uudelleenkäynnistys sammuttaa sen.

Nyt mene eteenpäin, pidä hauskaa elämässä ja tarkista tiedot aina silloin tällöin, jos törmäät johonkin. Toivottavasti tämä on pieni mutka, mutta ainakin tiedät!

Vaihe 16: Lisää ominaisuuksia

Etsitkö parannuksia iskuvoiman valvontaan? Se on opetusohjelman ulkopuolella, mutta kokeile ideoita alla olevasta luettelosta!

Tee analyysi g-force-tiedoistasi Pythonissa!

Pi Zerossa on Bluetooth- ja WiFi -ominaisuudet - kirjoita sovellus, joka lähettää kiihtyvyysmittarin tiedot älypuhelimeesi! Tässä on opetusohjelma Pi Twitter -monitorille, jotta pääset alkuun.

Lisää muita antureita, kuten lämpötila -anturi tai mikrofoni*!

Hyvää rakentamista

*Huomautus: Jos haluat kuulla kiihtyvyyteen liittyvää huutavaa ääntä!: D