Boa intelligente [sommario]: 8 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

Tutti amiamo il mare. Come collettivo, ci affollano per le vacanze, per praticare sport acquatici o per guadagnarsi da vivere. Ma la costa è un'area dinamica in balia delle onde. L'innalzamento del livello del mare mordicchia le spiagge e potenti eventi estremi come gli uragani le decimano completamente. Per capire come salvarli, dobbiamo capire le forze che guidano il loro cambiamento.

La ricerca è costosa, ma se potessi creare strumenti economici ed efficaci, saresti in grado di generare più dati, migliorando in definitiva la comprensione. Questo era il pensiero alla base del nostro progetto Smart Buoy. In questo riassunto, ti diamo una rapida panoramica del nostro progetto e lo scomponiamo in design, marca e presentazione dei dati. Oh boa, adorerai questo..!

Forniture

Per la build completa di Smart Buoy, hai bisogno di MOLTE cose. Avremo la ripartizione dei materiali specifici richiesti per ogni fase della build nel relativo tutorial, ma ecco l'elenco completo:

• Arduino Nano - Amazon
• Raspberry Pi Zero - Amazon
• Batteria (18650) - Amazon
• Pannelli solari - Amazon
• Diodi di blocco - Amazon
• Regolatore di carica - Amazon
• Buck booster - Amazon
• Modulo GPS - Amazon
• GY-86 (accelerometro, giroscopio, barometro, bussola) - Amazon
• Sensore di temperatura dell'acqua - Amazon
• Modulo monitor alimentazione - Amazon
• Modulo orologio in tempo reale - Amazon
• Moduli radio - Amazon
• Modulo multiplexer i^2c - Amazon
• Stampante 3D - Amazon
• Filamento PETG - Amazon
• Epossidica - Amazon
• Vernice spray primer - Amazon
• Corda - Amazon
• Galleggianti - Amazon
• Colla - Amazon

Tutto il codice utilizzato è disponibile su

Passaggio 1: cosa fa?

I sensori a bordo della Smart Buoy consentono di misurare: altezza delle onde, periodo delle onde, potenza delle onde, temperatura dell'acqua, temperatura dell'aria, pressione dell'aria, tensione, utilizzo corrente e posizione GPS.

In un mondo ideale, avrebbe anche misurato la direzione delle onde. Sulla base delle misurazioni effettuate dalla boa, eravamo abbastanza vicini a trovare una soluzione che ci consentisse di calcolare la direzione dell'onda. Tuttavia, si è rivelato piuttosto complicato ed è un problema enorme nella comunità di ricerca attuale. Se c'è qualcuno là fuori che può aiutarci e suggerire un modo efficace per ottenere misurazioni della direzione delle onde, faccelo sapere - ci piacerebbe capire come potremmo farlo funzionare! Tutti i dati raccolti da Buoy vengono inviati via radio a una stazione base, che è un Raspberry Pi. Abbiamo creato una dashboard per visualizzarli utilizzando Vue JS.

Passaggio 2: costruzione - involucro della boa

Questa boa è stata probabilmente la cosa più difficile che abbiamo stampato finora. C'erano così tante cose da prendere in considerazione dato che sarebbe stato in mare, esposto agli elementi e molto sole. Ne parleremo più avanti nella serie Smart Buoy.

In breve: abbiamo stampato una sfera quasi cava in due metà. La metà superiore ha le fessure per i pannelli solari e un foro per il passaggio di un'antenna radio. La metà inferiore ha un foro per il passaggio di un sensore di temperatura e una maniglia per legare una corda.

Dopo aver stampato la boa utilizzando il filamento di PETG, l'abbiamo carteggiata, verniciata a spruzzo con un primer riempitivo e quindi abbiamo applicato un paio di strati di resina epossidica.

Una volta completata la preparazione del guscio, abbiamo inserito tutta l'elettronica all'interno e poi abbiamo sigillato il sensore di temperatura dell'acqua, l'antenna radio e i pannelli solari usando una pistola per colla. Infine, abbiamo sigillato le due metà con la colla/adesivo StixAll (colla per super aeroplani).

E poi speravamo fosse impermeabile…

Passaggio 3: costruzione - Elettronica della boa

La Boa ha molti sensori a bordo e ne approfondiamo nel relativo tutorial. Poiché questo è un riassunto, cercheremo di mantenerlo informativo, ma breve!

La boa è alimentata da una batteria 18650, che viene caricata da quattro pannelli solari da 5V. Tuttavia, solo l'orologio in tempo reale è costantemente alimentato. La boa utilizza il pin di uscita dell'orologio in tempo reale per controllare un transistor che consente all'alimentazione di entrare nel resto del sistema. Quando il sistema è acceso, inizia ricevendo le misurazioni dai sensori, incluso un valore di tensione dal modulo di monitoraggio dell'alimentazione. Il valore fornito dal modulo di monitoraggio dell'alimentazione determina il tempo di sospensione del sistema prima di eseguire la serie successiva di letture. Viene impostato un allarme per questo tempo, quindi il sistema si spegne da solo!

Il sistema stesso è un sacco di sensori e un modulo radio collegato a un Arduino. Il modulo GY-86, RealTimeClock (RTC), il modulo Power Monitor e il multiplexer I2C comunicano tutti con Arduino tramite I2C. Avevamo bisogno del multiplexer I2C perché la GY-86 e il modulo RTC che abbiamo usato hanno entrambi lo stesso indirizzo. Il modulo multiplexer ti consente di comunicare senza problemi aggiuntivi, anche se potrebbe essere un po' eccessivo.

Il modulo radio comunica tramite SPI.

In origine, avevamo anche un modulo per schede SD, ma causava così tanti grattacapi a causa delle dimensioni della libreria SD che abbiamo deciso di eliminarlo.

Dai un'occhiata al codice. È probabile che tu abbia delle domande - probabilmente anche dubbi persistenti - e saremmo felici di ascoltarle. I tutorial approfonditi includono spiegazioni sul codice, quindi si spera che lo rendano un po' più chiaro!

Abbiamo provato a separare logicamente i file di codice e utilizzare un file principale per includerli, il che sembrava funzionare abbastanza bene.

Passaggio 4: costruzione - Elettronica della stazione base

La stazione base è realizzata utilizzando un Raspberry Pi Zero con un modulo radio collegato. Abbiamo ottenuto l'involucro da https://www.thingiverse.com/thing:1595429. Sei favoloso, grazie mille!

Una volta che il codice è in esecuzione su Arduino, è abbastanza semplice ottenere le misurazioni sul Raspberry Pi eseguendo il codice listen_to_radio.py.

Passaggio 5: dashboard

Mostrarvi come abbiamo realizzato l'intero trattino sarebbe un po' un'Odissea perché era un progetto piuttosto lungo e complicato. Se qualcuno vuole sapere come abbiamo fatto, ce lo faccia sapere: lo sviluppatore web residente di T3ch Flicks sarebbe più che felice di fare un tutorial su questo!

Una volta inseriti questi file su un Raspberry Pi, dovresti essere in grado di eseguire il server e vedere la dashboard con i dati in arrivo. Per motivi di sviluppo e per vedere come sarebbe il trattino se fosse fornito da dati buoni e regolari, abbiamo aggiunto un falso generatore di dati nel server. Eseguilo se vuoi vedere come appare quando hai più dati. Spiegheremo anche questo in dettaglio in un tutorial successivo.

(Ricorda che puoi trovare tutto il codice su

Passaggio 6: versione 2?? - I problemi

Questo progetto non è assolutamente perfetto - ci piace pensarlo più come un prototipo/prova di concetto. Sebbene il prototipo funzioni a un livello fondamentale: galleggia, prende le misure ed è in grado di trasmetterle, ce ne sono molte che abbiamo imparato e cambierebbero per la versione due:

1. Il nostro problema più grande era non essere in grado di modificare il codice per la boa dopo averla incollata. Questa è stata davvero una piccola svista e potrebbe essere risolta in modo molto efficace con una porta USB coperta da una guarnizione in gomma. Ciò, tuttavia, avrebbe aggiunto un altro livello di complessità al processo di impermeabilizzazione della stampa 3D!
2. Gli algoritmi che abbiamo usato erano tutt'altro che perfetti. I nostri metodi per determinare le proprietà delle onde erano piuttosto rozzi e abbiamo finito per spendere molto del nostro tempo a leggere la matematica per combinare i dati del sensore dal magnetometro, dall'accelerometro e dal giroscopio. Se qualcuno là fuori lo capisce ed è disposto ad aiutare, pensiamo che potremmo rendere queste misurazioni molto più accurate.
3. Alcuni dei sensori si sono comportati in modo un po' strano. Il sensore della temperatura dell'acqua era quello che si è distinto per essere particolarmente sospetto: a volte quasi 10 gradi rispetto alla temperatura reale. La ragione di ciò potrebbe essere stata semplicemente un sensore difettoso, o qualcosa lo stava riscaldando…

Passaggio 7: versione 2?? - Miglioramenti

L'Arduino era buono, ma come accennato prima abbiamo dovuto eliminare il modulo della scheda SD (che doveva essere il backup dei dati se i messaggi radio non erano in grado di inviare) a causa di problemi di memoria. Potremmo cambiarlo con un microcontrollore più potente come un Arduino Mega o un Teensy o semplicemente usare un altro Raspberry Pi zero. Tuttavia, ciò avrebbe aumentato i costi e il consumo energetico.

Il modulo radio che abbiamo usato ha una portata limitata di un paio di chilometri con una linea di vista diretta. Tuttavia, in un mondo ipotetico in cui siamo stati in grado di mettere (molto) molte Boe intorno all'isola, avremmo potuto formare una rete a maglie come questa. Ci sono così tante possibilità per la trasmissione di dati a lungo raggio, inclusi lora, grsm. Se fossimo in grado di utilizzare uno di questi, forse sarebbe possibile una rete mesh intorno all'isola!

Passaggio 8: utilizzo della nostra boa intelligente per la ricerca

Abbiamo costruito e lanciato la boa a Grenada, una piccola isola nel sud dei Caraibi. Mentre eravamo là fuori, abbiamo fatto una chiacchierata con il governo di Grenadian, il quale ha affermato che una Smart Buoy come quella che abbiamo creato sarebbe stata utile per fornire misurazioni quantitative delle caratteristiche dell'oceano. Le misurazioni automatizzate eliminerebbero lo sforzo umano e l'errore umano e fornirebbe un contesto utile per comprendere il cambiamento delle coste. Il governo ha anche suggerito che anche la misurazione del vento sarebbe stata una funzione utile per i loro scopi. Non ho idea di come lo gestiremo, quindi se qualcuno ha qualche idea…

Un avvertimento importante è che, sebbene sia un momento davvero entusiasmante per la ricerca costiera, in particolare per quanto riguarda la tecnologia, c'è ancora molta strada da fare prima che possa essere pienamente adottata.

Grazie per aver letto il post del blog di riepilogo della serie Smart Buoy. Se non l'hai già fatto, dai un'occhiata al nostro video riassuntivo su YouTube.

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Parte 1: Misurazione delle onde e della temperatura

Parte 2: Radio GPS NRF24 e scheda SD

Parte 3: Programmazione dell'alimentazione alla boa

Parte 4: dispiegamento della boa