Environmental Sensor System Attachment för UAV: 18 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

Syftet med denna instruerbara är att beskriva hur man konstruerar, kopplar och använder Integrated Solutions Technologies miljösensorsystem i kombination med en DJI Phantom 4 -drönare. Dessa sensorpaket använder drönaren för att transportera till potentiellt farliga miljöer för att identifiera nuvarande risknivåer för kolmonoxid (CO), koldioxid (CO2) och flytande propangas (LPG) jämfört med OSHA- och EPA -standarder. Det är viktigt att notera att även om en strålningssensor också visas i denna instruktionsbok, kommer den att fungera som en separat enhet till gassensorerna, och den slutliga produkten som visas kommer endast att inkludera de gassensorkomponenter som anges ovan.

Steg 1: Samla nödvändiga verktyg, programvara och material

Verktyg som används:

1. Arduino -programvara (https://www.arduino.cc/en/Main/Software)
2. Tång
3. Bordssåg med slipblad
4. Bordskvarn

Material som används:

1. DJI Phantom 4
2. Arduino Uno
3. Jackery Externt batteri 3350mAh
4. Standard brödbräda
5. Kolmonoxidsensor - MQ - 7
6. Sensor för flytande propangas - MQ - 6
7. Koldioxid CO2 -sensor - MG - 811
8. AK9750 Si7021 Luftfuktighets- och temperatursensor
9. Pocket Geiger strålningssensor - typ 5
10. Bluetooth -modem - BlueSMiRF guld
11. Hängstroppar i mjukt stål
12. SparkFun Inventor's Kit
13. 3M dubbelsidig monteringstejp

Steg 2: Montera sensor- och mikrokontrollerledningar

Få åtkomst till alla sensordatablad från produkttillverkaren för att bestämma ingångs- och utgångsstiften som krävs för korrekt komponentdrift. För att konstruera en effektiv orientering för alla komponenter som ingår i gas- och strålningspaketet, bör varje sensor och modul kopplas separat för att säkerställa att den fungerar när den är ansluten till mikrokontrollen innan den integreras på en enda brödbräda. För att säkerställa klarhet finns processen för att konstruera varje typ av baskrets och kod i följande steg.

Steg 3: Bestäm in- och utgångsstiften för kolmonoxid MQ - 7 -sensor

Som visas i diagrammet ovan bör CO -komponenten ha tre ingångsspänningsstift på den högra skenan som är anslutna till 5V mikrokontrollerns strömförsörjning. Den analoga ingångsstiften kommer att anslutas till någon av mikrokontrollstiften märkta A0, A1, A2, etc., medan jordstiften är anslutna till mikrokontrollerns jordstift. Slutligen används ett 10K ohm motstånd för att ansluta den nedre vänstra sensorstiftet till jord. Det är viktigt att notera att denna pinout är tillämplig på CO2- och LPG -sensorer som också används i detta system.

Steg 4: Anslut sensorn i överensstämmelse med pinout till in- och utgångsstiften för mikrokontroller

Såsom diskuterades i de föregående stegen betecknas en stift som en analog ingångsstift till mikrokontrollen. I baskoden som visas ovan och tillgänglig för nedladdning i nästa steg är den definierade analoga stiftet pin A0. I enlighet med denna beteckning, kabel den övre vänstra stiftet till A0 -stiftet på mikrokontrollen. Sedan kan en gemensam 5V-ingång och jordskena upprättas genom att ansluta den vänstra brädbräda-kraftskenan (markerad med "-" symbolen) till jordstiftet och den högra skenan ("+") till 5V-stiftet. Genom att koppla in brödbrädan på detta sätt kan sensorstiften kopplas direkt till brödbrädans skenor, vilket möjliggör rena anslutningar till mikrokontrollen. Denna struktur presenteras i bilderna av baskretsen ovan.

Steg 5: Ladda ned baskoden för gassensorn

När du är ansluten laddar du upp Arduino -baskoden från SparkFuns produktsida (https://www.sparkfun.com/products/9403; bifogad) genom att trycka på pilen längst upp till vänster på gränssnittet för att verifiera att komponenten är ansluten till enligt pinout.

Steg 6: Öppna Serial Monitor för att säkerställa användbarheten

Öppna den seriella bildskärmen genom att välja förstoringsglasikonen längst upp till höger i gränssnittet. Detta öppnar ett separat fönster som visas ovan, där sensorutgången, ursprungligen en spänningsavläsning, kommer att visas. Om data inte visas på den seriella bildskärmen enligt anvisningarna, verifiera att analogRead -funktionen refererar till det korrekta numret på den analoga stiftet som är anslutet i tidigare skeden av denna process.

Steg 7: Upprepa steg 3-6 för gasol- och koldioxidgassensorer

Upprepa definitionen av stift, sensorkablar och kodöverföring för att säkerställa att de extra sensorerna fungerar.

Steg 8: Wire SparkFun Si7021 fukt- och temperatursensor (tillval)

Samma allmänna process som beskrivs för gassensorerna kommer att implementeras för temperatur- och fuktsensorn. Pinout skiljer sig dock från gassensorerna och visas ovan. VCC -stiftet (andra från höger på sensorn) kommer att anslutas till antingen en 5 eller 3,3 V mikrokontroller strömkälla och jordstiftet kommer att anslutas till marken på mikrokontrollen som ses i gassensorns ledningar. Istället för en analog utgångsstift innehåller denna sensor SDA- och SCL -utgångsstift som är ansvariga för att överföra data från sensorn till mikrokontrollern för bearbetning. Denna sensor kan användas för att verifiera noggrannheten hos gassensormätningar i jämförelse med deras databladvärden.

Steg 9: Ladda ner Si7021 fukt- och temperatursensor SparkFun -baskod

När kabeln är klar bör den bifogade provkoden (anpassad från https://www.sparkfun.com/products/13763) laddas upp till mikrokontrollern för att säkerställa korrekt kretskonstruktion. Som beskrivits med gassensorkoden, verifiera att komponenten överför temperaturen och luftfuktigheten genom att komma åt den seriella monitorn. Det är viktigt att notera att denna baskod inkluderar användning av två olika SparkFun -komponentbibliotek. För att denna kod ska kunna kompileras och laddas upp till mikrokontrollern måste användaren installera dessa bibliotek genom metoderna som visas i steg 9.

Steg 10: Lägg till komponent Arduino Libraries

Implementeringen av Arduino -bibliotek i koder identifieras med hjälp av ett #include -kommando sett nära toppen av steg 8: s kod. Utan att inkludera dessa bibliotek kommer koden inte att kunna kompilera eller ladda upp till mikrokontrollern. För att komma åt och installera dessa bibliotek, gå till skissfliken, expandera Inkludera bibliotek och välj Hantera bibliotek. Skriv namnet på biblioteket som behövs (text som visas efter kommandot #include), klicka på önskat alternativ, välj en version och tryck på installera.

Steg 11: Wire Pocket Geiger strålningssensor - typ 5

Som tidigare nämnts kommer denna komponent att inkluderas separat från gassensorerna. Vid installationen av denna produkt är processen fortfarande densamma; kabela komponentstiften till sina respektive utgångar som visas i pinout ovan. Anslut VCC -stiftet till 5V -källan som finns på mikrokontrollern och jordstiftet till mikrokontrollerns jord som gjordes med gassensorerna. Anslut sedan signal- och brusstiften till mikrokontrollerstift 2 respektive 5. Efter avslutad uppgift laddar du upp baskoden anpassad från radio-watch.org via Github (https://www.sparkfun.com/products/142090) och den här komponenten är klar att användas.

Steg 12: Utveckla integrerad sensorledning

Efter att ha anslutit varje sensor individuellt för att bekräfta dess funktionsduglighet, börja integrera varje sensorkabel i ett kondenserat format så att alla sensorer som beskrivs ovan är anslutna till brödbrädet, som visas i figurerna ovan. Referera till tabellen ovan för att korrekt ansluta de nödvändiga Arduino -stiften till sina respektive komponenter så att koderna nedan inte behöver ändras innan de laddas upp. För att stödja ett kondenserat format, använd en gemensam kraft- och jordskena genom att koppla in en bräda brädbräda som 5V och den andra som 3,3V. Anslut de två jordskenorna samtidigt som du ansluter till jordstiftet på Arduino mikrokontroller. När du är klar laddar du upp den bifogade koden för att komma åt gassensorns funktioner monterade på kortet. Den bifogade Arduino-koden kommer att styra gassensorerna, liksom temperatur- och luftfuktighetssensorn, och visa deras mätdata, i delar per miljon via den seriella monitorn. Det kommer också att tillhandahålla risknivåklassificering av de uppmätta data. Strålningssensorn kan vara beroende av en tidsbunden mätning (dvs. räkningar per minut), så det rekommenderas att man använder denna komponent separat från gassensorerna. För att stödja denna åtskillnad är CO-, LPG- och CO2 -sensorerna de enda komponenterna som diskuteras när mikrokontrollern är ihopkopplad med Bluetooth -modulen. Det är dock viktigt att notera att följande process kan följas för att uppnå samma resultat med strålningssensorn.

Steg 13: Starta Bluetooth -anslutning mellan telefon och modul

När det önskade sensorsystemet är monterat, kodat och kondenserat är nästa steg att trådlöst ansluta en användarenhet till systemet. Detta gör det möjligt att sända live sensoravläsningar till användaren på ett avstånd från riskområdet. Anslutningen av sensorsystemet och användarens enhet kommer att underlättas med Arduino BlueSMiRF Bluetooth -modulen. Denna modul kommer att anslutas till mobilprogrammet "Arduino Bluetooth Data" som kan laddas ner från Google Play -butiken. Detta gränssnitt visar direkt avläsningarna från antingen gassensorerna, människans närvaro eller strålningssensorer, och kommer att vara tillgängligt upp till 350 fot och kommer att varna användaren för förändringar i sensoravläsningar, samtidigt som användaren kan bedöma om farliga nivåer av miljörisker upptäcks med avseende på OSHA- och EPA -föreskrifter.

Komponenten bör kopplas individuellt, vilket visades med sensorerna, för att initiera komponentinställning och utvärdera användbarhet. Med hjälp av komponentdiagrammet som visas i figuren ovan, kommer komponenten att vara ansluten med en 5V effektingång och ett jordat stift, medan TX- och RX-komponentstiften kommer att kopplas till två användardefinierade digitala stift. Som visas på figuren tilldelades TX -stiftet till den andra digitala stiftet och RX definierades som den tredje. När du har slutfört den här uppgiften kör du exempelkoden nedan för att starta komponentkonfigurationen. Vid denna tidpunkt bör komponentens LED sakta blinka med en röd nyans. Öppna den seriella bildskärmen och växla mellan alternativen längst ner i fönstret för att läsa "Ingen rad slutar" och "9600 baud" i rullgardinsmenyn. Skriv sedan "$$$" i kommandorutan och tryck på "Skicka". Detta kommer att starta "Kommandoläge" i komponenten och få LED: n att snabbt blinka en röd nyans. Dessutom skickar komponenten ett "CMD" -meddelande tillbaka till den seriella bildskärmen.

Växla inställningarna för seriell bildskärmsmeny igen för att läsa "Newline" och "9600 baud" innan du fortsätter med installationen. Skicka "D" och "E" kommandon till den seriella bildskärmen för att visa komponentinställningarna, inklusive fabriksnamnet. För att parkoppla till din mobiltelefon, öppna Bluetooth -inställningar, välj det angivna namnet på Bluetooth -modulen (ECEbluesmirf för exemplet). Efter detta val, skicka ett "I" -kommando för att söka efter Bluetooth -aktiverade enheter. Det första numret kommer att användas för att synkronisera de två enheterna genom att skicka ett "C, första nummer". När den är klar kommer Bluetooth -lysdioden att lysa med fast grönt sken.

Steg 14: Anslut system till mobilapplikation - Android -användare

För att komma åt sensordata på en Android, ladda ner mobilappen "Arduino Bluetooth Data" från Google Play -butiken. Öppna mobilappen och tryck på namnet på Bluetooth -modulens namn i användargränssnittet för att ansluta. När du uppmanas väljer du programmet som mottagare. Gränssnittet som visar sensordata visas och modulen kommer att innehålla en fast grön lysdiod. När du är klar laddar du upp den bifogade koden för att aktivera sensorerna och hämta miljöfara. Sensornamnen kan uppdateras för att rymma de sensorer som används, vilket slutfördes för att uppnå skärmdumpen ovan.

Steg 15: Skapa stödfästen för att fästa sensorsystemet

Montering av sensorsystemet kräver användning av två mjuka stålhängare och 3M dubbelhäftande tejp för montering på DJI Phantom 4-drönaren. Det första steget är att böja och forma de mjuka stålhängaren till drönaren. Detta kräver en total initial remlängd på 23 tum. Av detta lager skär du lika stora remmar med en bordssåg med ett slipblad. Slipa sedan ändarna för att ta bort grader. Resultatet av processen visas i den första av figurerna som visas ovan. Under denna process vill du undvika att skära längs de öppna spåren, för att undvika att försämra remmens ändar.

Nästa steg kräver att banden böjs för att passa på drönaren. Det rekommenderas att använda en tång för att böja stålen och placera remmen på skenornas botten. Centrera remmarna på drone -benskenorna och markera där kanten på skenbenen. Detta kommer att fungera som det visuella för var man ska böja stålen. Böj remmarna i små steg tills de lindas runt räcken och förhindrar glidning.

Steg 16: Montera systemet till drönaren

Ett exempel på montering av sensorsystemet kommer att demonstreras med hjälp av hängband av mjukt stål och tejp. Som tidigare diskuterats böjdes de mjuka stålhängarbanden och placerades på botten av drönaren för att skapa en plattform för komponenterna att sitta på. När detta är klart, fäst komponenterna på remmarna med limmet så att de är säkra, men stör inte den normala driften av drönaren. För att möjliggöra gott om utrymme använder exemplet två hängarbanden som stöder ett externt batteri, mikrokontroller och brödbräda. Dessutom är sensorerna placerade mot baksidan av drönaren.

Steg 17: Använda detta system för att utvärdera riskrisk

För att bestämma allvarlighetsgraden av de risknivåer som presenteras av detta system bör man referera till följande standarder. Grönt indikerar en säker miljö för alla närvarande i intresseområdet, medan lila indikerar den sämsta möjliga miljökoncentrationen, vilket leder till dödliga effekter. Färgsystemet som används härrör från EPA: s Air Quality Flag Program.

Kolmonoxid (OSHA)

• 0-50 PPM (grön)
• 50-100 PPM (gul)
• 100-150 PPM (Orange)
• 150-200 PPM (röd)
• > 200 PPM (lila)

Flytande propangas (NCBI)

• 0-10, 000 PPM (grönt)
• 10, 000-17, 000 PPM (gul)
• > 17 000 PPM (röd)

Koldioxid (Global CCS Institute)

• 0-20, 00 PPM (grön)
• 20, 000-50, 000 PPM (gul)
• 50, 000-100, 000 PPM (Orange)
• 100, 000-150, 000 PPM (röd)
• > 150 000 PPM (lila)

Steg 18: Använd systemet för att samla in mätt data

Nu när den slutliga monteringen är klar är systemet klart att användas. Eftersom koden som behövs för att mikrokontrollern ska kunna använda sensorsystemet redan är uppladdad kan mikrokontrollern anslutas till det mobila batteripaketet för att överföra data, i stället för en dator. Systemet är nu klart för användning i miljöbedömningsapplikationer!