Smart Boj [Sammanfattning]: 8 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:37

Vi älskar alla havet. Som kollektiv flockar vi till det för semester, för att njuta av vattensporter eller för att försörja oss. Men kusten är ett dynamiskt område till priset av vågor. Stigande havsnivåer nappar på stränder och kraftfulla extrema händelser som orkaner decimerar dem helt. För att förstå hur vi kan rädda dem måste vi förstå krafterna som driver deras förändring.

Forskning är dyrt, men om du kunde skapa billiga och effektiva instrument skulle du kunna generera mer data - i slutändan förbättra förståelsen. Detta var tanken bakom vårt Smart Buoy -projekt. I denna sammanfattning ger vi dig en snabb genomgång av vårt projekt och delar upp det i design, fabrikat och datapresentation. Åh boj, du kommer att älska detta..!

Tillbehör

För hela Smart Buoy -byggnaden behöver du en massa saker. Vi kommer att ha uppdelningen av specifikt material som krävs för varje steg i bygget i den relevanta självstudien, men här är den fullständiga listan:

• Arduino Nano - Amazon
• Raspberry Pi Zero - Amazon
• Batteri (18650) - Amazon
• Solpaneler - Amazon
• Blockeringsdioder - Amazon
• Laddningsregulator - Amazon
• Buck booster - Amazon
• GPS -modul - Amazon
• GY -86 (accelerometer, gyroskop, barometer, kompass) - Amazon
• Vattentemperaturgivare - Amazon
• Strömövervakningsmodul - Amazon
• Klockmodul i realtid - Amazon
• Radiomoduler - Amazon
• i^2c multiplexermodul - Amazon
• 3D -skrivare - Amazon
• PETG -filament - Amazon
• Epoxi - Amazon
• Primer sprayfärg - Amazon
• Rep - Amazon
• Flyter - Amazon
• Lim - Amazon

All kod som används finns på

Steg 1: Vad gör det?

Sensorerna ombord på Smart Buoy gör det möjligt att mäta: våghöjd, vågperiod, vågkraft, vattentemperatur, lufttemperatur, lufttryck, spänning, aktuell användning och GPS -plats.

I en idealvärld skulle den också ha mätt vågriktning. Baserat på de mätningar som Bojen tog, var vi ganska nära att hitta en lösning som skulle göra det möjligt för oss att beräkna vågriktningen. Det visade sig dock vara ganska komplicerat och det är ett stort problem i själva forskarsamhället. Om det finns någon där ute som kan hjälpa oss och föreslå ett effektivt sätt att få vågriktningsmätningar, vänligen meddela oss - vi vill gärna förstå hur vi kan få det att fungera! All data som Bojen samlar in skickas via radio till en basstation, som är en Raspberry Pi. Vi gjorde en instrumentpanel för att visa dem med Vue JS.

Steg 2: Bygg - Bojhölje

Denna boj var förmodligen det svåraste vi har skrivit ut hittills. Det fanns bara så många saker att ta hänsyn till eftersom det skulle vara i havet, utsatt för väder och vind och mycket sol. Vi kommer att prata mer om det senare i Smart Buoy -serien.

I korthet: vi tryckte en nära ihålig sfär i två halvor. Den övre halvan har öppningar för solpanelerna och ett hål för en radioantenn att gå igenom. Den nedre halvan har ett hål för en temperatursensor att gå igenom och ett handtag för ett rep att knytas till.

Efter att ha tryckt bojen med PETG -filament slipade vi den, spraymålade den med lite spackelfärg och lägger sedan på ett par lager epoxi.

När förberedelsen av skalet var klar lägger vi in all elektronik inuti och förseglar sedan vattentemperaturgivaren, radioantennen och solpaneler med hjälp av en limpistol. Slutligen förseglade vi de två halvorna med StixAll lim/lim (superflygplanslim).

Och då hoppades vi att det var vattentätt …

Steg 3: Bygg - Bojelektronik

Bojen har massor av sensorer ombord och vi går i detalj om dessa i den relevanta handledningen. Eftersom detta är en sammanfattning kommer vi att försöka hålla detta informativt, men kortfattat!

Bojen drivs av ett 18650 -batteri, som laddas av fyra 5V solpaneler. Endast realtidsklockan drivs dock konstant. Bojen använder realtidsklockans utgångsstift för att styra en transistor som tillåter ström att komma in i resten av systemet. När systemet slås på börjar det med att få mätningar från sensorerna - inklusive ett spänningsvärde från effektmonteringsmodulen. Värdet som anges av effektmonitormodulen avgör hur länge systemet sover innan det tar nästa uppsättning mätningar. Ett larm ställs in för denna gång, sedan stängs systemet av!

Själva systemet är många sensorer och en radiomodul ansluten till en Arduino. GY-86-modulen, RealTimeClock (RTC), Power Monitor-modulen och I2C-multiplexern kommunicerar alla med Arduino med I2C. Vi behövde I2C-multiplexern krävs eftersom både GY-86 och RTC-modulen som vi använde har samma adress. Med multiplexermodulen kan du kommunicera utan extra krångel, även om det kan vara lite överkill.

Radiomodulen kommunicerar via SPI.

Ursprungligen hade vi också en SD -kortmodul, men det orsakade så många huvudvärk på grund av SD -bibliotekets storlek att vi bestämde oss för att skrota det.

Ta en titt på koden. Det är troligt att du har några frågor - förmodligen också tvivel - och vi skulle gärna höra dem. De fördjupade självstudierna innehåller kodförklaringar, så förhoppningsvis kommer de att göra det lite tydligare!

Vi försökte logiskt separera kodfilerna och använda en huvudfil för att inkludera dem, vilket verkade fungera ganska bra.

Steg 4: Bygg - Basstationens elektronik

Basstationen är tillverkad med en Raspberry Pi Zero med en radiomodul ansluten. Vi fick höljet från https://www.thingiverse.com/thing:1595429. Du är fantastisk, tack så mycket!

När du har koden på Arduino är det ganska enkelt att få mätningarna på Raspberry Pi genom att köra listen_to_radio.py -koden.

Steg 5: Instrumentpanel

Att visa dig hur vi gjorde hela strecket skulle vara lite av en Odyssey eftersom det var ett ganska långt och komplicerat projekt. Om någon vill veta hur vi gjorde det, låt oss veta - T3ch Flicks resident webbutvecklare skulle mer än gärna göra en handledning om detta!

När du väl har lagt dessa filer på en Raspberry Pi bör du kunna köra servern och se instrumentpanelen med data som kommer in. Av utvecklingsskäl och för att se hur strecket skulle se ut om det levererades av bra, regelbunden data, vi lade till en falsk datagenerator på servern. Kör det om du vill se hur det ser ut när du har mer data. Vi kommer också att förklara detta i detalj i en senare handledning.

(Kom ihåg att du hittar all koden på

Steg 6: Version 2 ?? - Problem

Detta projekt är absolut inte perfekt - vi tycker mer om det som en prototyp/bevis på koncept. Även om prototypen fungerar på en grundläggande nivå: den flyter, tar mätningar och kan överföra dem, det finns mycket vi har lärt oss och skulle förändras för version två:

1. Vår största fråga var att inte kunna ändra koden för bojen efter att ha limmat den. Detta var verkligen lite av en försummelse och kunde lösas mycket effektivt med en USB -port täckt med en gummitätning. Det skulle dock ha lagt ett helt annat lager av komplexitet till 3D -tryckets vattentätningsprocess!
2. Algoritmerna vi använde var långt ifrån perfekta. Våra metoder för att bestämma vågegenskaper var ganska grova och vi slutade med att spendera mycket av vår tid på att läsa på matte för att kombinera sensordata från magnetometern, accelerometern och gyroskopet. Om någon där ute förstår detta och är villig att hjälpa, tror vi att vi skulle kunna göra dessa mätningar mycket mer exakta.
3. Några av sensorerna agerade lite konstigt. Vattentemperatursensorn var den som utmärkte sig som särskilt tveksam - nästan 10 grader från den verkliga temperaturen ibland. Anledningen till detta kunde ha varit att det bara var en dålig sensor, eller att något värmde upp den …

Steg 7: Version 2 ?? - Förbättringar

Arduino var bra, men som nämnts tidigare var vi tvungna att skrota SD -kortmodulen (som skulle vara datasäkerhetskopiering om radiomeddelanden inte kunde skicka) på grund av minnesproblem. Vi kan ändra den till en mer kraftfull mikrokontroller som en Arduino Mega eller en Teensy eller bara använda en annan Raspberry Pi -nolla. Detta skulle dock ha ökat kostnader och strömförbrukning.

Radiomodulen vi använde har en begränsad räckvidd på ett par kilometer med direkt sikt. Men i en hypotetisk värld där vi kunde placera (väldigt) många bojar runt ön, kunde vi ha bildat ett nätverk som detta. Det finns så många möjligheter för långdistansöverföring av data, inklusive lora, grsm. Om vi kunde använda en av dessa kanske ett nätverk runt ön skulle vara möjligt!

Steg 8: Använda vår smarta boj för forskning

Vi byggde och lanserade Bojen i Grenada, en liten ö i södra Karibien. Medan vi var där ute hade vi en pratstund med Grenadas regering, som sa att en smart boj som den vi skapade skulle vara till hjälp vid kvantitativa mätningar av havets egenskaper. Automatiserade mätningar skulle stänga av vissa mänskliga ansträngningar och mänskliga misstag och ge användbart sammanhang för att förstå förändrade kuster. Regeringen föreslog också att vindmätningar också skulle vara till hjälp för deras ändamål. Ingen aning om hur vi ska hantera den, så om någon har några idéer …

En viktig varning är att även om det är en riktigt spännande tid för kustforskning, särskilt med teknik, finns det en lång väg kvar innan den kan antas fullt ut.

Tack för att du läste blogginlägget i Smart Buoy -serien. Om du inte redan har gjort det, ta en titt på vår sammanfattande video på YouTube.

Anmäl dig till vår e -postlista!

Del 1: Gör våg- och temperaturmätning

Del 2: GPS NRF24 Radio och SD -kort

Del 3: Schemaläggningskraft till bojen

Del 4: Distribuera bojen