En realtids brunnvattennivåmätare: 6 steg (med bilder)

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

Dessa instruktioner beskriver hur man bygger en billig, realtidsvattennivåmätare för användning i grävda brunnar. Vattennivåmätaren är utformad för att hänga inne i en grävd brunn, mäta vattennivån en gång om dagen och skicka data via WiFi eller mobilanslutning till en webbsida för omedelbar visning och nedladdning. Kostnaden för delarna att bygga mätaren är cirka 200 dollar för WiFi -versionen och 300 dollar för mobilversionen. Mätaren visas i figur 1. En fullständig rapport med bygginstruktioner, reservdelslista, tips för konstruktion och användning av mätaren och hur man installerar mätaren i en vattenbrunn finns i den bifogade filen (Water Level Meter Instructions.pdf). Vattennivåmätarna har använts för att utveckla ett regionalt, realtidsgrunt vattenmätarövervakningsnät i Nova Scotia, Kanada: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm… Instruktioner för att bygga en liknande mätare som mäter vatten temperatur, konduktivitet och vattennivåer finns här:

Vattennivåmätaren använder en ultraljudssensor för att mäta djupet till vattnet i brunnen. Sensorn är ansluten till en Internet-of-Things (IoT) -enhet som ansluter till ett WiFi- eller mobilnät och skickar vattennivådata till en webbtjänst som ska graferas. Webbtjänsten som används i detta projekt är ThingSpeak.com, som är gratis att använda för icke-kommersiella små projekt (färre än 8 200 meddelanden/dag). För att WiFi -versionen av mätaren ska fungera måste den vara placerad nära ett WiFi -nätverk. Tappvattenbrunnar uppfyller ofta detta villkor eftersom de ligger nära ett hus med WiFi. Mätaren innehåller inte en datalogger, utan den skickar vattennivådata till ThingSpeak där den lagras i molnet. Därför, om det finns ett problem med dataöverföring (t.ex. under ett internetavbrott), överförs inte vattennivådata för den dagen och förloras permanent.

Mätaren konstruerades och testades för grova brunnar med stor diameter (0,9 m innerdiameter) med grunda vattendjup (mindre än 10 m under markytan). Det kan dock eventuellt användas för att mäta vattennivåer i andra situationer, till exempel miljöövervakningsbrunnar, borrade brunnar och ytvattenförekomster.

Mätarkonstruktionen som presenteras här ändrades efter en mätare som gjordes för att mäta vattennivåer i en hushållsvattentank och rapportera vattennivån via Twitter, publicerad av Tim Ousley 2015: https://www.instructables.com/id/Wi -Fi-Twitter-Wa…. De viktigaste skillnaderna mellan den ursprungliga designen och designen som presenteras här är möjligheten att använda mätaren på AA-batterier istället för en kabeladapter, möjligheten att se data i en tidsseriediagram istället för ett Twitter-meddelande och användningen av en ultraljudssensor som är speciellt utformad för att mäta vattennivåer.

Steg-för-steg-instruktioner för konstruktion av vattennivåmätaren finns nedan. Det rekommenderas att byggaren läser igenom alla konstruktionssteg innan mätarkonstruktionen påbörjas. IoT -enheten som används i detta projekt är en Particle Photon, och därför används termerna "IoT -enhet" och "Photon" i de följande sektionerna omväxlande.

Tillbehör

Elektroniska delar:

Sensor - MaxBotix MB7389 (5m räckvidd)

IoT -enhet - Partikelfoton med rubriker

Antenn (intern antenn installerad inuti mätarhuset) - 2,4 GHz, 6dBi, IPEX eller u. FL -kontakt, 170 mm lång

Batteri - 4 X AA

Tråd - bygelkabel med push -on -kontakter (300 mm längd)

Batterier - 4 X AA

VVS- och hårdvarudelar:

Rör - ABS, 50 mm (2 tum) diameter, 125 mm lång

Topplock, ABS, 50 mm (2 tum), gängat med packning för att göra en vattentät tätning

Bottenlock, PVC, 50 mm (2 tum) med ¾ tum NPT -gänga för att passa sensorn

2 Rörkopplingar, ABS, 50 mm (2 tum) för att ansluta övre och nedre locket till ABS -röret

Ögonbult och 2 muttrar, rostfritt stål (1/4 tum) för att göra hängare på topplocket

Andra material: eltejp, teflontejp, lödning, silikon, lim för montering av fodral

Steg 1: Montera mätarhuset

Montera mätarhöljet enligt figur 1 och 2 ovan. Den sammanlagda mätarens längd, topp till spets inklusive sensor och ögonbult, är cirka 320 mm. ABS -röret med en diameter på 50 mm som används för att göra mätarhuset ska skäras till cirka 125 mm i längd. Detta ger tillräckligt med utrymme inuti höljet för att rymma IoT-enheten, batteripaketet och en 170 mm lång intern antenn.

Förslut alla leder med antingen kisel eller ABS -lim för att göra fodralet vattentätt. Detta är mycket viktigt, annars kan fukt komma in i höljet och förstöra de inre komponenterna. En liten torkmedelsförpackning kan placeras inuti höljet för att absorbera fukt.

Montera en ögonbult i topplocket genom att borra ett hål och sätt in ögonbulten och muttern. En mutter bör användas både på insidan och utsidan av fodralet för att säkra ögonbulten. Silikon insidan av locket vid bulthålet för att göra det vattentätt.

Steg 2: Fäst ledningar på sensorn

Tre ledningar (se figur 3a) måste lödas till sensorn för att kunna fästa den på fotonen (dvs. sensorstift GND, V+och Pin 2). Lödning av ledningarna till sensorn kan vara utmanande eftersom anslutningshålen på sensorn är små och nära varandra. Det är mycket viktigt att trådarna är ordentligt lödda till sensorn så att det finns en bra, stark fysisk och elektrisk anslutning och inga lödbågar mellan intilliggande ledningar. Bra belysning och förstoringslins hjälper till med lödningsprocessen. För dem som inte har tidigare lödningserfarenhet rekommenderas viss övning av lödning innan lödning av trådarna till sensorn. En onlinehandledning om hur man löder är tillgänglig från SparkFun Electronics (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…).

Efter att ledningarna har lödts till sensorn kan eventuell överskott av tråd som sticker ut från sensorn trimmas bort med trådskärare till cirka 2 mm längd. Det rekommenderas att lödfogarna täcks med en tjock pärla av kisel. Detta ger anslutningarna mer styrka och minskar risken för korrosion och elektriska problem vid sensoranslutningarna om fukt kommer in i mätarhuset. Eltejp kan också lindas runt de tre ledningarna vid sensoranslutningen för att ge ytterligare skydd och dragavlastning, vilket minskar risken för att trådarna går sönder vid lödfogarna.

Sensortrådarna kan ha push-on-kontakt (se figur 3b) i den ena änden för att fästa på Photon. Att använda push-on-kontakter gör det lättare att montera och demontera mätaren. Sensortrådarna bör vara minst 270 mm långa så att de kan förlänga hela mätarhuset. Denna längd gör att Photon kan anslutas från den övre änden av fodralet med sensorn på plats i fodralets nedre ände. Observera att denna rekommenderade trådlängd förutsätter att ABS -röret som används för att göra mätarhöljet skärs till en längd av 125 mm. Bekräfta före skärning och lödning av trådarna till sensorn att en trådlängd på 270 mm är tillräcklig för att sträcka sig bortom toppen av mätarhuset så att Photon kan anslutas efter att höljet har monterats och sensorn är permanent ansluten till fallet.

Sensorn kan nu fästas på mätarhuset. Den ska skruvas fast i bottenlocket med hjälp av teflontejp för att säkerställa en vattentät tätning.

Steg 3: Anslut sensor, batteripaket och antenn till IoT -enheten

Fäst sensorn, batteriet och antennen på fotonen (Figur 4) och sätt in alla delar i mätarhuset. En lista över stiftanslutningarna som anges i figur 4 tillhandahålls nedan. Sensor- och batteripackets ledningar kan fästas genom att lödas direkt på Photon eller med push-on-typ-kontakter som fästs på huvudstiften på undersidan av Photon (som visas i figur 2). Att använda push-on-kontakter gör det lättare att ta isär mätaren eller byta ut foton om den inte fungerar. Antennanslutningen på Photon kräver en kontakt av U. FL -typ (Figur 4) och måste tryckas mycket hårt på Photon för att ansluta. Installera inte batterierna i batteripaketet förrän mätaren är redo att testas eller installeras i en brunn. Det finns ingen på/av -omkopplare i denna design, så mätaren slås på och av genom att installera och ta bort batterierna.

Lista över stiftanslutningar på IoT -enheten (Particle Photon):

Fotonstift D3 - anslut till - Sensorstift 2, data (brun tråd)

Fotonstift D2 - anslut till - Sensorstift 6, V+ (röd tråd)

Fotonstift GND - anslut till - Sensorstift 7, GND (svart ledning)

Fotonstift VIN - anslut till - Batteripaket, V+ (röd tråd)

Fotonstift GND - anslut till - Batteripaket, GND (svart ledning)

Foton u. FL -stift - anslut till - Antenn

Steg 4: Programvaruinstallation

Fem huvudsteg behövs för att konfigurera mjukvaran för mätaren:

1. Skapa ett Particle -konto som ger ett online -gränssnitt med Photon. För att göra detta, ladda ner mobilappen Particle till en smartphone: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. Efter att du har installerat appen skapar du ett Particle -konto och följer instruktionerna online för att lägga till fotonet på kontot. Observera att eventuella ytterligare fotoner kan läggas till samma konto utan att du behöver ladda ner Particle -appen och skapa ett konto igen.

2. Skapa ett ThingSpeak -konto https://thingspeak.com/login och skapa en ny kanal för att visa vattennivådata. Ett exempel på en ThingSpeak -webbsida för en vattenmätare visas i figur 5, som också kan ses här: https://thingspeak.com/channels/316660. Instruktioner för att konfigurera en ThingSpeak-kanal finns på https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w… Observera att ytterligare kanaler för andra fotoner kan läggas till samma konto utan att du behöver skapa ett annat ThingSpeak-konto.

3. En "webhook" krävs för att överföra vattennivådata från foton till ThingSpeak -kanalen. Instruktioner för att skapa en webhook finns på https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. Om mer än en vattenmätare byggs måste en ny webhook med ett unikt namn skapas för varje ytterligare foton.

4. Webbkroken som skapades i steget ovan måste infogas i koden som driver fotonet. Koden för WiFi -versionen av vattennivåmätaren finns i den bifogade filen (Code1_WiFi.txt). På en dator går du till Particle -webbsidan https://login.particle.io/login?redirect=https://… loggar in på Particle -kontot och navigerar till Particle -appgränssnittet. Kopiera koden och använd den för att skapa en ny app i Particle app -gränssnittet. Infoga namnet på webbhooken som skapats ovan i rad 87 i koden. För att göra detta, ta bort texten inuti citattecken och infoga det nya webhooknamnet i citattecken på rad 87, som lyder så här:

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

5. Koden kan nu verifieras, sparas och installeras på foton. Observera att koden lagras i och installeras på foton från molnet. Denna kod kommer att användas för att driva vattenmätaren när den är i vattenbrunnen. Under fältinstallationen måste några ändringar göras i koden för att ställa in rapporteringsfrekvensen till en gång om dagen och lägga till information om vattenbrunnen (detta beskrivs i den bifogade filen Water Level Meter Instructions.pdf i avsnittet” Installera mätaren i en vattenbrunn”).

Steg 5: Testa mätaren

Mätarkonstruktionen och mjukvaruinställningen är nu klar. Vid denna tidpunkt rekommenderas att mätaren testas. Två tester bör slutföras. Det första testet används för att bekräfta att mätaren kan mäta vattennivåer korrekt och skicka data till ThingSpeak. Det andra testet används för att bekräfta att energiförbrukningen för Photon ligger inom det förväntade intervallet. Det andra testet är användbart eftersom batterierna går sönder tidigare än väntat om Photon använder för mycket ström.

För teständamål är koden inställd på att mäta och rapportera vattennivåer varannan minut. Detta är en praktisk tidsperiod för att vänta mellan mätningarna medan mätaren testas. Om en annan mätfrekvens önskas, ändra variabeln MeasureTime i rad 16 i koden till önskad mätfrekvens. Mätfrekvensen anges i sekunder (dvs 120 sekunder är två minuter).

Det första testet kan göras på kontoret genom att hänga mätaren ovanför golvet, slå på den och kontrollera att ThingSpeak -kanalen korrekt rapporterar avståndet mellan sensorn och golvet. I detta testscenario reflekterar ultraljudspulsen från golvet, som används för att simulera vattenytan i brunnen.

För det andra testet bör den elektriska strömmen mellan batteriet och fotonen mätas för att bekräfta att det stämmer överens med specifikationerna i Photons datablad: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… Erfarenheten har visat att detta test hjälper till att identifiera defekta IoT -enheter innan de distribueras i fältet. Mät strömmen genom att placera en strömmätare mellan den positiva V+ -tråden (röd tråd) på batteriet och VIN -stiftet på Photon. Strömmen ska mätas i både driftläge och djupt viloläge. För att göra detta, slå på fotonen så startar den i driftläge (som indikeras av lysdioden på fotonen som får en cyan färg), som går i cirka 20 sekunder. Använd strömmätaren för att observera driftströmmen under denna tid. Fotonen går sedan automatiskt in i djupt viloläge i två minuter (vilket indikeras av lysdioden på fotonen som stängs av). Använd den aktuella mätaren för att observera den djupa sömnströmmen just nu. Driftströmmen bör vara mellan 80 och 100 mA, och den djupa sömnströmmen bör vara mellan 80 och 100 µA. Om strömmen är högre än dessa värden bör fotonen bytas ut.

Mätaren är nu klar att installeras i en vattenbrunn (Figur 6). Instruktioner om hur du installerar mätaren i en vattenbrunn finns i den bifogade filen (Water Level Meter Instructions.pdf).

Steg 6: Hur man gör en mobilversion av mätaren

En mobilversion av vattenmätaren kan byggas genom att göra ändringar i den tidigare beskrivna dellistan, instruktioner och kod. Mobilversionen kräver inte WiFi eftersom den ansluter till Internet via en mobilsignal. Kostnaden för delarna för att bygga mobilversionen av mätaren är cirka 300 dollar (exklusive skatter och frakt), plus cirka 4 dollar per månad för mobildataplanen som medföljer IoT -enheten.

Mobiltelefonmätaren använder samma delar och konstruktionssteg som anges ovan med följande ändringar:

• Ersätt WiFi IoT -enheten (Particle Photon) för en mobil IoT -enhet (Particle Electron): https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. När du konstruerar mätaren, använd samma stiftanslutningar som beskrivs ovan för WiFi -versionen av mätaren i steg 3.

• Den mobila IoT-enheten använder mer ström än WiFi-versionen, och därför rekommenderas två batterikällor: ett 3,7V Li-Po-batteri, som levereras med IoT-enheten, och ett batteri med 4 AA-batterier. 3,7V LiPo -batteriet ansluts direkt till IoT -enheten med de medföljande kontakterna. AA -batteriet är anslutet till IoT -enheten på samma sätt som beskrivs ovan för WiFi -versionen av mätaren i steg 3. Fältprovning har visat att den mobila versionen av mätaren kommer att fungera i cirka 9 månader med hjälp av batteriinställningen som beskrivs ovan. Ett alternativ till att använda både AA-batteri och 2000 mAh 3,7 V Li-Po-batteri är att använda ett 3,7 V Li-Po-batteri med högre kapacitet (t.ex. 4000 eller 5000 mAh).

• En extern antenn måste anslutas till mätaren, till exempel: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. Se till att den är klassad för frekvensen som används av mobiloperatören där vattenmätaren ska användas. Antennen som medföljer den mobila IoT -enheten är inte lämplig för utomhusbruk. Den externa antennen kan anslutas med en lång (3 m) kabel som gör att antennen kan fästas på brunnens utsida vid brunnhuvudet (Figur 7). Det rekommenderas att antennkabeln sätts in genom botten av höljet och förseglas noggrant med kisel för att förhindra fuktinträngning (Figur 8). En vattentät, utomhuskoaxial förlängningskabel av god kvalitet rekommenderas.

• Den mobila IoT -enheten körs på en annan kod än mätarens WiFi -version. Koden för mobilversionen av mätaren finns i den bifogade filen (Code2_Cellular.txt).