Un misuratore di livello dell'acqua di pozzo in tempo reale: 6 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:00

Queste istruzioni descrivono come costruire un misuratore di livello dell'acqua in tempo reale a basso costo per l'uso in pozzi scavati. Il misuratore del livello dell'acqua è progettato per essere appeso all'interno di un pozzo scavato, misurare il livello dell'acqua una volta al giorno e inviare i dati tramite connessione Wi-Fi o cellulare a una pagina Web per la visualizzazione e il download immediati. Il costo per le parti per costruire lo strumento è di circa Can $ 200 per la versione WiFi e Can $ 300 per la versione cellulare. Il misuratore è mostrato nella Figura 1. Un rapporto completo con le istruzioni per la costruzione, l'elenco delle parti, i suggerimenti per la costruzione e il funzionamento del misuratore e come installare il misuratore in un pozzo d'acqua è fornito nel file allegato (Istruzioni per misuratore di livello dell'acqua.pdf). I misuratori del livello dell'acqua sono stati utilizzati per sviluppare una rete regionale di monitoraggio delle falde acquifere poco profonde in Nuova Scozia, Canada: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm… Istruzioni per la costruzione di un misuratore simile che misuri l'acqua temperatura, conducibilità e livelli dell'acqua sono disponibili qui:

Il misuratore del livello dell'acqua utilizza un sensore a ultrasuoni per misurare la profondità dell'acqua nel pozzo. Il sensore è collegato a un dispositivo Internet-of-Things (IoT) che si collega a una rete Wi-Fi o cellulare e invia i dati sul livello dell'acqua a un servizio Web per la rappresentazione grafica. Il servizio web utilizzato in questo progetto è ThingSpeak.com, che è gratuito per piccoli progetti non commerciali (meno di 8.200 messaggi/giorno). Affinché la versione WiFi del misuratore funzioni, deve trovarsi vicino a una rete WiFi. I pozzi d'acqua domestici spesso soddisfano questa condizione perché si trovano vicino a una casa con WiFi. Lo strumento non include un data logger, ma invia i dati del livello dell'acqua a ThingSpeak dove vengono archiviati nel cloud. Pertanto, se si verifica un problema di trasmissione dei dati (ad es. durante un'interruzione di Internet) i dati del livello dell'acqua per quel giorno non vengono trasmessi e vengono persi in modo permanente.

Il misuratore è stato progettato e testato per pozzi scavati di grande diametro (0,9 m di diametro interno) con acque poco profonde (meno di 10 m sotto la superficie del suolo). Tuttavia, potrebbe essere potenzialmente utilizzato per misurare i livelli dell'acqua in altre situazioni, come pozzi di monitoraggio ambientale, pozzi trivellati e corpi idrici superficiali.

Il design del contatore qui presentato è stato modificato dopo un contatore che è stato realizzato per misurare i livelli dell'acqua in un serbatoio di acqua domestica e segnalare il livello dell'acqua tramite Twitter, pubblicato da Tim Ousley nel 2015: https://www.instructables.com/id/Wi -Fi-Twitter-Wa…. Le principali differenze tra il design originale e il design presentato qui sono la capacità di far funzionare lo strumento con batterie AA invece di un adattatore di alimentazione cablato, la capacità di visualizzare i dati in un grafico di serie temporali invece di un messaggio Twitter e l'uso di un sensore a ultrasuoni progettato specificamente per misurare i livelli dell'acqua.

Di seguito sono fornite istruzioni dettagliate per la costruzione del misuratore di livello dell'acqua. Si consiglia al costruttore di leggere tutte le fasi di costruzione prima di iniziare il processo di costruzione del contatore. Il dispositivo IoT utilizzato in questo progetto è un Particle Photon, e quindi nelle sezioni seguenti i termini "dispositivo IoT" e "Photon" vengono utilizzati in modo intercambiabile.

Forniture

Parti elettroniche:

Sensore – MaxBotix MB7389 (gamma 5 m)

Dispositivo IoT - Particle Photon con intestazioni

Antenna (antenna interna installata all'interno della custodia dello strumento) – Connettore 2,4 GHz, 6dBi, IPEX o u. FL, lunghezza 170 mm

Pacco batteria – 4 X AA

Cavo – cavo jumper con connettori a pressione (lunghezza 300 mm)

Batterie – 4 X AA

Parti idrauliche e hardware:

Tubo - ABS, diametro 50 mm (2 pollici), lunghezza 125 mm

Tappo superiore, ABS, 50 mm (2 pollici), filettato con guarnizione per una tenuta stagna

Tappo inferiore, PVC, 50 mm (2 pollici) con filettatura NPT femmina da ¾ di pollice per adattarsi al sensore

2 raccordi per tubi, ABS, 50 mm (2 pollici) per collegare il tappo superiore e inferiore al tubo ABS

Bullone a occhiello e 2 dadi, acciaio inossidabile (1/4 di pollice) per realizzare un gancio sul tappo superiore

Altri materiali: nastro isolante, nastro in teflon, saldatura, silicone, colla per assemblaggio custodia

Passaggio 1: assemblare la custodia del misuratore

Assemblare la custodia del misuratore come mostrato nelle Figure 1 e 2 sopra. La lunghezza totale del misuratore assemblato, da punta a punta, compreso il sensore e il golfare, è di circa 320 mm. Il tubo in ABS del diametro di 50 mm utilizzato per realizzare la cassa del contatore deve essere tagliato a una lunghezza di circa 125 mm. Ciò consente uno spazio sufficiente all'interno del case per ospitare il dispositivo IoT, il pacco batteria e un'antenna interna lunga 170 mm.

Sigillare tutte le giunzioni con silicone o colla ABS per rendere la custodia a tenuta stagna. Questo è molto importante, altrimenti l'umidità può penetrare all'interno della custodia e distruggere i componenti interni. All'interno della custodia è possibile inserire una piccola confezione di essiccante per assorbire l'umidità.

Installare un bullone a occhiello nel tappo superiore praticando un foro e inserendo il bullone a occhiello e il dado. È necessario utilizzare un dado sia all'interno che all'esterno della custodia per fissare il bullone a occhiello. Silicone all'interno del tappo in corrispondenza del foro del bullone per renderlo a tenuta stagna.

Passaggio 2: collegare i cavi al sensore

Tre fili (vedi Figura 3a) devono essere saldati al sensore per collegarlo al Photon (cioè i pin del sensore GND, V+ e Pin 2). Saldare i fili al sensore può essere difficile perché i fori di connessione sul sensore sono piccoli e ravvicinati. È molto importante che i fili siano saldati correttamente al sensore in modo che vi sia una buona connessione fisica ed elettrica e che non ci siano archi di saldatura tra i fili adiacenti. Una buona illuminazione e una lente d'ingrandimento aiutano nel processo di saldatura. Per coloro che non hanno precedenti esperienze di saldatura, si consiglia di fare pratica con la saldatura prima di saldare i fili al sensore. Un tutorial online su come saldare è disponibile da SparkFun Electronics (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…).

Dopo che i fili sono stati saldati al sensore, l'eventuale filo scoperto in eccesso che sporge dal sensore può essere tagliato con tronchesi per una lunghezza di circa 2 mm. Si consiglia di coprire i giunti di saldatura con uno spesso cordone di silicone. Ciò conferisce alle connessioni una maggiore resistenza e riduce la possibilità di corrosione e problemi elettrici alle connessioni del sensore se l'umidità penetra nella custodia del misuratore. Il nastro isolante può anche essere avvolto attorno ai tre fili in corrispondenza della connessione del sensore per fornire ulteriore protezione e scarico della trazione, riducendo la possibilità che i fili si rompano ai giunti di saldatura.

I fili del sensore possono avere connettori di tipo push-on (vedere la Figura 3b) a un'estremità per il collegamento al Photon. L'utilizzo di connettori a pressione facilita il montaggio e lo smontaggio del misuratore. I cavi del sensore devono essere lunghi almeno 270 mm in modo che possano estendersi per l'intera lunghezza della custodia del misuratore. Questa lunghezza consentirà al Photon di essere collegato dall'estremità superiore del case con il sensore in posizione all'estremità inferiore del case. Si noti che questa lunghezza di filo consigliata presuppone che il tubo ABS utilizzato per realizzare la cassa del misuratore sia tagliato a una lunghezza di 125 mm. Confermare prima di tagliare e saldare i fili al sensore che una lunghezza del filo di 270 mm è sufficiente per estendersi oltre la parte superiore della custodia del misuratore in modo che il Photon possa essere collegato dopo che la custodia è stata assemblata e il sensore è fissato in modo permanente a il caso.

Il sensore può ora essere collegato alla custodia del misuratore. Dovrebbe essere avvitato saldamente nel tappo inferiore, utilizzando nastro in teflon per garantire una tenuta stagna.

Passaggio 3: collegare il sensore, la batteria e l'antenna al dispositivo IoT

Collegare il sensore, la batteria e l'antenna al Photon (Figura 4) e inserire tutte le parti nella custodia del misuratore. Di seguito viene fornito un elenco delle connessioni dei pin indicate nella Figura 4. I cavi del sensore e del pacco batteria possono essere collegati saldando direttamente al Photon o con connettori di tipo push-on che si collegano ai pin dell'intestazione sul lato inferiore del Photon (come mostrato nella Figura 2). L'uso di connettori a pressione facilita lo smontaggio del misuratore o la sostituzione del Photon in caso di guasto. La connessione dell'antenna sul Photon richiede un connettore di tipo u. FL (Figura 4) e deve essere spinta molto saldamente sul Photon per effettuare la connessione. Non installare le batterie nel pacco batterie finché lo strumento non è pronto per essere testato o installato in un pozzo. Non c'è un interruttore on/off incluso in questo design, quindi lo strumento si accende e si spegne installando e rimuovendo le batterie.

Elenco delle connessioni pin sul dispositivo IoT (Particle Photon):

Pin D3 del fotone - collegare a - Pin 2 del sensore, dati (filo marrone)

Pin D2 del fotone - collegare a - Pin 6 del sensore, V+ (filo rosso)

Pin fotone GND - collegare a - Pin sensore 7, GND (filo nero)

Pin fotone VIN - collegare a - Pacco batteria, V+ (filo rosso)

Pin fotone GND - collegare a - Pacco batteria, GND (filo nero)

Pin u. FL Photon - collegare a - Antenna

Passaggio 4: configurazione del software

Sono necessari cinque passaggi principali per configurare il software per lo strumento:

1. Creare un account Particle che fornirà un'interfaccia online con Photon. Per fare ciò, scarica l'app mobile Particle su uno smartphone: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. Dopo aver installato l'app, crea un account Particle e segui le istruzioni online per aggiungere Photon all'account. Tieni presente che eventuali Photon aggiuntivi possono essere aggiunti allo stesso account senza la necessità di scaricare l'app Particle e creare nuovamente un account.

2. Crea un account ThingSpeak https://thingspeak.com/login e imposta un nuovo canale per visualizzare i dati del livello dell'acqua. Un esempio di una pagina Web di ThingSpeak per un contatore dell'acqua è mostrato nella Figura 5, che può essere visualizzato anche qui: https://thingspeak.com/channels/316660. Le istruzioni per l'impostazione di un canale ThingSpeak sono fornite su https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w… Nota che è possibile aggiungere canali aggiuntivi per altri Photon allo stesso account senza la necessità di creare un altro account ThingSpeak.

3. È necessario un "webhook" per trasferire i dati sul livello dell'acqua dal Photon al canale ThingSpeak. Le istruzioni per l'impostazione di un webhook sono fornite all'indirizzo https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. Se viene costruito più di un contatore dell'acqua, è necessario creare un nuovo webhook con un nome univoco per ogni Photon aggiuntivo.

4. Il webhook che è stato creato nel passaggio precedente deve essere inserito nel codice che gestisce il Photon. Il codice per la versione WiFi del misuratore di livello dell'acqua è fornito nel file allegato (Code1_WiFi.txt). Su un computer, vai alla pagina Web di Particle https://login.particle.io/login?redirect=https://… accedi all'account Particle e vai all'interfaccia dell'app Particle. Copia il codice e usalo per creare una nuova app nell'interfaccia dell'app Particle. Inserisci il nome del webhook creato sopra nella riga 87 del codice. Per fare ciò, elimina il testo all'interno delle virgolette e inserisci il nuovo nome del webhook all'interno delle virgolette nella riga 87, che recita come segue:

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

5. Il codice può ora essere verificato, salvato e installato su Photon. Si noti che il codice è archiviato e installato su Photon dal cloud. Questo codice verrà utilizzato per azionare il contatore dell'acqua quando è nel pozzo. Durante l'installazione sul campo, sarà necessario apportare alcune modifiche al codice per impostare la frequenza di segnalazione su una volta al giorno e aggiungere informazioni sul pozzo d'acqua (questo è descritto nel file allegato Istruzioni per il misuratore di livello dell'acqua.pdf nella sezione intitolata Installazione del contatore in un pozzo d'acqua”).

Passaggio 5: testare il misuratore

La costruzione del misuratore e la configurazione del software sono ora complete. A questo punto si consiglia di testare lo strumento. Dovrebbero essere completati due test. Il primo test viene utilizzato per confermare che lo strumento è in grado di misurare correttamente i livelli dell'acqua e inviare i dati a ThingSpeak. Il secondo test viene utilizzato per confermare che il consumo energetico del Photon rientra nell'intervallo previsto. Questo secondo test è utile perché le batterie si guastano prima del previsto se il Photon utilizza troppa energia.

A scopo di test, il codice è impostato per misurare e segnalare i livelli dell'acqua ogni due minuti. Questo è un periodo di tempo pratico per attendere tra le misurazioni mentre lo strumento viene testato. Se si desidera una frequenza di misurazione diversa, modificare la variabile denominata MeasureTime nella riga 16 del codice alla frequenza di misurazione desiderata. La frequenza di misurazione viene inserita in secondi (cioè 120 secondi equivalgono a due minuti).

Il primo test può essere fatto in ufficio appendendo lo strumento sopra il pavimento, accendendolo e verificando che il canale ThingSpeak riporti accuratamente la distanza tra il sensore e il pavimento. In questo scenario di test l'impulso ultrasonico si riflette sul pavimento, che viene utilizzato per simulare la superficie dell'acqua nel pozzo.

Per il secondo test, la corrente elettrica tra il pacco batteria e Photon dovrebbe essere misurata per confermare che corrisponda alle specifiche nella scheda tecnica Photon: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… L'esperienza ha dimostrato che questo test aiuta a identificare i dispositivi IoT difettosi prima che vengano implementati sul campo. Misurare la corrente posizionando un misuratore di corrente tra il filo positivo V+ (filo rosso) sul pacco batteria e il pin VIN sul Photon. La corrente deve essere misurata sia in modalità operativa che in modalità deep sleep. Per fare ciò, accendere il Photon e si avvierà in modalità operativa (come indicato dal LED sul Photon che diventa di colore ciano), che funziona per circa 20 secondi. Utilizzare il misuratore di corrente per osservare la corrente di esercizio durante questo periodo. Il Photon andrà quindi automaticamente in modalità di sospensione profonda per due minuti (come indicato dallo spegnimento del LED sul Photon). Usa il misuratore di corrente per osservare la corrente del sonno profondo in questo momento. La corrente di funzionamento dovrebbe essere compresa tra 80 e 100 mA e la corrente di sospensione profonda dovrebbe essere compresa tra 80 e 100 µA. Se la corrente è superiore a questi valori, il Photon dovrebbe essere sostituito.

Il contatore è ora pronto per essere installato in un pozzo d'acqua (Figura 6). Le istruzioni su come installare il misuratore in un pozzo d'acqua sono fornite nel file allegato (Istruzioni per misuratore di livello dell'acqua.pdf).

Passaggio 6: come realizzare una versione cellulare del misuratore

È possibile realizzare una versione cellulare del contatore dell'acqua apportando modifiche all'elenco delle parti, alle istruzioni e al codice precedentemente descritti. La versione cellulare non richiede il WiFi perché si connette a Internet tramite un segnale cellulare. Il costo delle parti per costruire la versione cellulare del misuratore è di circa 300 Can$ (tasse e spese di spedizione escluse), più circa 4 Can$ al mese per il piano dati cellulare fornito con il dispositivo IoT cellulare.

Il contatore cellulare utilizza le stesse parti e fasi di costruzione sopra elencate con le seguenti modifiche:

• Sostituire il dispositivo IoT WiFi (Particle Photon) con un dispositivo IoT cellulare (Particle Electron): https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. Quando si costruisce lo strumento, utilizzare le stesse connessioni pin descritte sopra per la versione WiFi dello strumento nel passaggio 3.

• Il dispositivo IoT cellulare utilizza più energia rispetto alla versione WiFi, pertanto si consigliano due fonti di batteria: una batteria Li-Po da 3,7 V, fornita con il dispositivo IoT, e un pacco batteria con 4 batterie AA. La batteria LiPo da 3,7 V si collega direttamente al dispositivo IoT con i connettori forniti. La batteria AA è collegata al dispositivo IoT nello stesso modo descritto sopra per la versione WiFi dello strumento nel passaggio 3. I test sul campo hanno dimostrato che la versione cellulare dello strumento funzionerà per circa 9 mesi utilizzando la configurazione della batteria descritta sopra. Un'alternativa all'utilizzo sia della batteria AA che della batteria Li-Po da 3,7 V da 2000 mAh consiste nell'utilizzare una batteria Li-Po da 3,7 V con una capacità maggiore (ad es. 4000 o 5000 mAh).

• Un'antenna esterna deve essere collegata allo strumento, come: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. Assicurarsi che sia classificato per la frequenza utilizzata dal fornitore di servizi cellulari in cui verrà utilizzato il contatore dell'acqua. L'antenna fornita con il dispositivo IoT cellulare non è adatta per l'uso all'aperto. L'antenna esterna può essere collegata con un cavo lungo (3 m) che consente di collegare l'antenna all'esterno del pozzo in corrispondenza della testa del pozzo (Figura 7). Si consiglia di inserire il cavo dell'antenna attraverso la parte inferiore della custodia e di sigillarlo accuratamente con silicone per impedire l'ingresso di umidità (Figura 8). Si consiglia una prolunga coassiale per esterni di buona qualità, impermeabile.

• Il dispositivo IoT cellulare funziona con un codice diverso rispetto alla versione WiFi del misuratore. Il codice per la versione cellulare del contatore è fornito nel file allegato (Code2_Cellular.txt).