WetRuler - Misurazione dell'altezza dell'oceano: 8 passaggi (con immagini)

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

L'annuncio è arrivato all'inizio di questa estate che l'area dell'Alaska chiamata Prince William Sound sarebbe stata inaspettatamente colpita da uno tsunami innescato dal riscaldamento globale. Gli scienziati che hanno fatto la scoperta hanno indicato un'area di ghiaccio in rapida ritirata che aveva lasciato dietro di sé una montagna di detriti che sarebbe scivolata in un fiordo e avrebbe avviato un'onda di 30 piedi che alla fine avrebbe colpito la città di Whittier. Questo è successo prima, durante il terremoto del 1964, quando lo scuotimento ha avviato molteplici tsunami nei fiordi circostanti e ha devastato la costa tra cui Whittier e Valdez con più morti. Le navi da crociera già diffidenti dal virus hanno deciso di non avvicinarsi all'area e l'USFS ha offerto rimborsi su tutte le cabine che erano state affittate. Una settimana dopo un allarme Tsunami ha colpito tutti i nostri cellulari! Un faro sottomarino aveva rilevato un'onda associata a un piccolo terremoto al largo della costa. A tutte le città regionali è stato detto di evacuare se vicino all'acqua. Non è arrivato a niente. Come misuri questi eventi? Questo Instructable descrive in dettaglio la costruzione di piccoli sensori in grado di misurare l'altezza dell'oceano e inviare i dati a un ricevitore LORA o direttamente al GSM. Le unità sono compatte e sembrano resistenti al loro ambiente e sono alimentate a energia solare. Li ho testati qui per ottenere altezze di marea riproducibili, ma potrebbero essere utilizzati anche per l'altezza delle onde e le previsioni dello tsunami.

Passaggio 1: raccogli i tuoi materiali

Ci sono due unità di invio che ho costruito: una riguarda il caricamento GSM (cellulare) e l'altra il caricamento LORA. Potresti anche considerare di interfacciarti con un beacon satellitare poiché molte di queste aree non hanno copertura per i telefoni cellulari. Il sensore al centro di questi strumenti è l'MS5803-14BA e il suo utilizzo e montaggio in diversi scenari può essere trovato in questi siti web: https://thecavepearlproject.org/2016/09/21/field-…e http:/ /owhl.org. Il secondo di questi mostra un registratore remoto brillantemente progettato con il proprio PCB progettato su misura per la misurazione a lungo termine dell'altezza delle onde. I sensori sembravano tollerare l'acqua per mesi o un anno a seconda della configurazione.

1. MS5803-14BA: puoi ottenerli da DigiKey per $ 13, ma devi eseguire alcuni lavori di saldatura superficiale o ottenere una scheda breakout prefabbricata da SparkFun, ma ti costerà $ 60. Se lo fai fai-da-te avrai bisogno di una piccola scheda Adafruit per saldarlo e del gel per saldatura a bassa temperatura (140F) che ho trovato utile. Il progetto cavepearl ha un ottimo tutorial su come saldarli a mano: suggerisco di ottenere una stazione di rilavorazione economica da Amazon per $ 30.

2. LILYGO 2 pezzi TTGO LORA32 868/915 Mhz ESP32 LoRa - $ 27 questi sono per la scatola LORA.

3. ARDUINO MKR GSM 1400 $ 55: questa è un'ottima scheda. Funziona perfettamente con la sim Hologram. Sfortunatamente non sono riuscito a far funzionare il loro Arduino Sim con il loro nuovo servizio nonostante più tentativi. Se hai ancora accesso al servizio 2GM, puoi scegliere qualcosa di più economico ma che ha fallito completamente in Alaska.

4. Celle solari Uxcell 2 pezzi 6V 180 mA Poly Mini modulo pannello solare fai da te per giocattoli leggeri Caricatore 133 mm x 73 mm $ 8

5. Batteria 18650 $ 4

6. TP4056--caricatore $1

7. Interruttore on/off in metallo robusto con anello LED verde - 16mm verde on/off $ 5

8. Indicatore del tester di tensione della batteria agli ioni di litio Icstation 1S 3.7V Display a LED blu a 4 sezioni $ 2

9. Breakout del timer a bassa potenza Adafruit TPL5111: un piccolo dispositivo di temporizzazione brillante $ 6,00

10. MOSFET di potenza a canale N - 30 V / 60 A $ 1,75

11. Modulo PCA9600 di estensione del cavo lungo I2C differenziale di SandboxElectronics X2 ($ 18 ciascuno) - c'è qualche successo menzionato con cavi lunghi per I2C nella letteratura, ma con maree giornaliere di 25 piedi in Alaska hai bisogno di cavi lunghi … oh sì, un po' di cavo.. Ho usato big box 23 g 4 cavo twisted pair adatto per l'esterno.

12. Adafruit BMP388 - Pressione barometrica di precisione e altimetro $ 10

Passaggio 2: costruisci i sensori

I sensori devono essere saldati in superficie a piccoli circuiti stampati. I due lavori precedenti ti danno alcuni suggerimenti su come farlo. Ho comprato sia i sensori che le piccole schede da Digikey. Usa la saldatura a bassa temperatura di Adafruit e tampona solo la minima quantità adiacente ai piedi del sensore mentre lo posizioni sulla scheda. Utilizzare un soffiatore di rilavorazione per fonderlo in posizione. Non sono riuscito a farlo bene con la mia configurazione di saldatura manuale e ho finito per cortocircuitare alcuni dei pad. Il resto del cablaggio se controlli correttamente i cavi è facile: inserire un piccolo condensatore (0,1 n) tra i cavi di alimentazione e di massa e sollevare i cavi CS e PSB Hi per avviare I2C e controllare l'indirizzo per il sensore. (Vedi disegno) Hai due scelte 0 X 76 Hi e 0 X 77 per Lo. Ho usato entrambi per formare una bacchetta del sensore con i sensori posizionati a un piede di distanza per dare il differenziale di pressione di qualunque misura tu abbia. Ho progettato un alloggiamento stampato in 3D per il sensore per consentirgli di essere totalmente incapsulato in resina epossidica trasparente. La bocca del supporto a cono si adatta perfettamente al piccolo collo in acciaio inossidabile del sensore e il posizionamento sigillato è ottenuto con un minuscolo anello di supercolla che lo tiene in posizione e lo sigilla per l'incapsulamento epossidico.

Passaggio 3: stampa in 3D il tuo alloggiamento

I due alloggiamenti principali per GSM e Lora sono gli stessi con inserti laterali per i pannelli solari. L'unica modifica per il Lora era il foro dell'antenna nella parte superiore che deve essere forato a seconda del diametro della tua unità. L'antenna GSM si inserisce all'interno dell'altra scatola. Il pannello di controllo in ciascuno è identico ai fori per l'accensione/spegnimento e al pulsante per accendere lo schermo del livello della batteria. I piedini sono stampati separatamente e incollati alle custodie agli angoli e forniscono varie opzioni di montaggio. La piccola torretta e il tappo a vite sono incollati attorno all'apertura per il supporto microUSB per proteggerlo dalle infiltrazioni d'acqua. L'unità è fondamentalmente molto resistente all'acqua e stampata in PETG per ridurre al minimo la distorsione del calore. Ho usato supporti a vite in ottone con inserto termico nell'alloggiamento principale per viti da 3 mm nella custodia. Ci sono file per due supporti per i sensori: uno ha due sensori montati a un piede di distanza su una bacchetta di plastica lucite con un supporto per la scatola "booster" I2C con il circuito montato e resinato all'interno. Questa bacchetta ha anche due fori stampati in 3D per adattarsi alle opzioni di montaggio. L'altro alloggiamento del sensore è un disco singolo con uno dei sensori avvitato al suo interno e un ritaglio nella parte posteriore per il "booster" I2C inserito con resina epossidica. Tutti questi sono stampati in PETG. I restanti file sono il minuscolo alloggiamento per l'unità ricevente Lora con finestrella per l'OLED.

Passaggio 4: collegalo

I sensori sono cablati in parallelo con le linee SDA, le linee SCL, Pos e Gnd tutte unite in un unico cavo twistato a quattro conduttori. I booster I2C sono molto facili da usare, collegando entrambi i sensori alle linee di ingresso e il cavo lungo fino a 60 metri collegato allo stesso tipo di unità ricevente. Se vai più a lungo potresti dover cambiare i resistori di pull up sulle schede. Gli schemi elettrici per il resto sono sopra. Il circuito funziona tramite l'interruttore di accensione/spegnimento che invia l'alimentazione all'Adafruit TPL5111 che è impostato su 57 ohm per attivare il livello di abilitazione alto ogni 10 minuti: ovviamente è possibile regolarlo per una frequenza di trasmissione dati inferiore o superiore. Questo controlla un MOSFET a terra della scheda madre (Lora o Arduino 400 GSM). (Ho scoperto che schede come GSM ed ESP32 hanno un assorbimento di potenza troppo grande per il TPL a meno che non si utilizzi un MOSFET con loro …) L'alimentazione per i sensori e il BMP388 proviene dalla scheda principale quando è acceso: 3v. I resistori di pull up sono sui booster I2C e non sono necessari per i sensori su questo circuito. La scheda di ricarica TP4056 funziona alla grande con i due pannelli solari e la batteria 18650 collegata. Il pulsante collega semplicemente l'uscita della batteria alla piccola schermata del livello della batteria. I due sensori collegati alla bacchetta di lucite utilizzano i due indirizzi disponibili incluso l'indirizzo del BMP388 (0 X 77), quindi è necessario collegare il BMP con SPI alle schede principali se si utilizzano due sensori di pressione dell'acqua. Se stai usando solo uno (il puck) puoi collegarlo con I2C e usare l'indirizzo disponibile rimanente (0 X 77) per il BMP.

Passaggio 5: costruiscilo

Ho usato le schede perf per simulare tutto. La scheda principale TPL e BMP sono andate tutte su una scheda. Gli interruttori sono stati avvitati in posizione con i loro gommini. La scheda del caricatore si monta sullo stabilizzatore della piastra frontale di controllo con il microUSB rivolto verso l'esterno. La torretta di protezione dall'acqua è stata super incollata alla parte anteriore e il tappo a vite è stato sigillato con un po' di grasso al silicone sulle filettature. La bacchetta di lucite è stata ritagliata da due strati di plastica da 1/4 con i sensori montati esattamente a un piede di distanza. I supporti dei fori stampati in 3D sono stati posizionati alle estremità e il booster I2C è stato avvitato nel mezzo dove sono stati effettuati tutti i collegamenti dei cavi. Il sensore del disco è stato stampato in 3D e il booster è stato epossidico all'interno e collegato a un sensore. È stato praticato un foro nella parte superiore dell'unità Lora per ospitare l'antenna e sono stati posizionati dei fori nella parte posteriore di ciascuna unità per accogliere il cavo dai sensori. Viene fornito un supporto per cavo stampato in 3D. Fissare il filo con una cerniera dopo averlo incollato in posizione. Tutti i collegamenti dei cavi sono termoretraibili marini e quindi verniciati con nastro isolante liquido per la sicurezza dell'acqua.

Passaggio 6: programmalo

Non c'è davvero molto nel programma. Si basa molto sulle librerie fornite per i sensori --- che funzionano perfettamente e sul miracolo del software GSM Blynk per la scheda Arduino che si integra perfettamente con l'Hologram Cloud. Crea un account Hologram e ottieni una scheda SIM da inserire nella tua scheda Arduino 400 GSM. Il processo di handshake è tutto gestito dalla libreria Blynk--GSM Arduino. Adafruit ha scritto la libreria per BMP e io ho usato la libreria SparkFun per MS5803. Entrambi forniscono uscite di temperatura dai tuoi sensori, se lo desideri. I pin regolati dal software possono utilizzare qualsiasi cosa sulla scheda madre. Ho usato la routine del timer Blynk per non sovraccaricare accidentalmente l'app Blynk. Ovviamente devi stare attento con la quantità di dati che inserisci attraverso il collegamento GSM-Hologram o puoi eseguire una piccola bolletta - non molto - ha usato circa 3 MB a settimana che arriva a circa 40 centesimi. Stavo caricando solo le tre misurazioni della pressione: 2 da sott'acqua e una dal caso (BMP). L'ultima parte del programma sta spegnendo il TPL alzando su HI il pin fatto sull'unità che dice che i dati sono stati trasferiti. L'app Blynk è meravigliosa come sempre e puoi progettare qualsiasi tipo di schermata di output che desideri e la parte migliore è la possibilità di scaricare la tua pila di dati via e-mail ogni volta che vuoi.

L'unità Lora utilizza le stesse librerie e utilizza un'unità OLED (l'ho disattivato nel software dell'unità mittente per risparmiare energia) e imposta la frequenza per la tua posizione particolare. Quindi crea una stringa di dati con separatori che gli consentono di inviare le letture del sensore in un colpo solo. Quindi attiva il suo pin fatto per spegnere. L'unità ricevente suddivide la parola e invia le informazioni all'app Blynk tramite un collegamento WIFI sempre attivo. Il ricevitore è incredibilmente piccolo e si inserisce in una verruca a muro.

Passaggio 7: utilizzo

La minuscola superficie del sensore rileva con un alto grado di precisione tutta la forza di pressione su di essa dall'alto, inclusa tutta la pressione dell'aria e dell'acqua. Quindi i cambiamenti intermittenti nell'altezza dell'oceano, come le onde e i cambiamenti nella pressione dell'aria causati dalle tempeste sopra l'oceano, lo influenzano tutti. Questo è il motivo per includere il sensore di pressione barometrica nella custodia (assicurati di fornire un paio di piccoli fori per l'aria per consentirne la lettura corretta). La bacchetta del sensore con i due sensori è ancorata nell'oceano a una profondità in cui sarà ancora coperta dall'acqua anche con la bassa marea. È arbitrario a quale profondità si posizionano i sensori poiché misureranno solo la variazione dell'altezza della colonna d'acqua al di sopra dell'altezza assoluta. Ho usato un mattone come ancoraggio con una corda attaccata per montare la bacchetta del sensore a un paio di piedi dal fondo. Un galleggiante è stato attaccato al palo superiore della bacchetta per tenere i sensori nel loro orientamento verticale del piede divaricati. Il cavo a doppino intrecciato e la fune portavano a un molo dove erano legati con molto lasco per accogliere l'escursione di marea. L'unità di trasmissione GSM è stata montata su una barca vicina. Il monitoraggio è durato più di un mese. I due sensori fornivano letture costantemente separate da 28 unità che rappresentavano la differenza di pressione in un piede d'acqua in quella posizione. La pressione barometrica è stata sottratta dai dati del sensore inferiore e divisa per 28 per fornire un piede equivalente dell'ascesa e della caduta della superficie dell'oceano in periodi di 10 minuti. Il grafico sopra fornisce il confronto con il grafico NOAA per lo stesso periodo di data. L'effettivo sensore/piedi di salita e discesa è stato confrontato con il movimento effettivo del dock e ha riscontrato una precisione di 1/2 pollice. Anche con l'elevato consumo di energia del GSM trasmette ogni dieci minuti, i pannelli solari hanno facilmente tenuto il passo con la domanda in questo oscuro ambiente della foresta pluviale.

Passaggio 8: altro

Gli usi precedenti di questi sensori da parte delle fonti già menzionate erano per lo studio dell'altezza delle onde. I miei risultati provenivano da un porto calmo con una minima attività delle onde provocate dal vento, ma è possibile acquisire tali dati aumentando la frequenza di campionamento e ottenendo medie mobili dei risultati. Il sistema Lora funziona bene a distanze che fornirebbero una rete mesh di informazioni sulle onde per più località lungo una costa. Questo sarebbe l'ideale per chi è interessato alle attività di surf. Il basso costo e le dimensioni molto ridotte di queste unità indipendenti renderebbero un compito facile l'approfondimento delle informazioni costiere. Attualmente l'acquisizione delle informazioni sulle maree è un'attività governativa molto complicata e dipendente dall'infrastruttura, ma potrebbe cambiare con l'adozione di dispositivi alternativi. Blynk è ora programmato per avvisarmi del prossimo Tsunami!