Un contor de nivel al apei în timp real: 6 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:41

Aceste instrucțiuni descriu cum se construiește un contor de nivel al apei în timp real, cu costuri reduse, pentru a fi folosit în puțurile săpate. Contorul de nivel al apei este proiectat să stea în interiorul unei fântâni săpate, să măsoare nivelul apei o dată pe zi și să trimită datele prin WiFi sau conexiune celulară către o pagină web pentru vizualizare și descărcare imediată. Costul pentru piesele de construcție a contorului este de aproximativ 200 USD pentru versiunea WiFi și 300 USD pentru versiunea celulară. Contorul este prezentat în Figura 1. Un raport complet cu instrucțiuni de construcție, lista pieselor, sfaturi pentru construirea și funcționarea contorului și modul de instalare a contorului într-o fântână de apă este furnizat în fișierul atașat (Instrucțiuni de măsurare a nivelului de apă.pdf). Contoarele nivelului apei au fost folosite pentru a dezvolta o rețea regională, de monitorizare a acviferelor superficiale în timp real în Nova Scotia, Canada: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm… Instrucțiuni pentru construirea unui contor similar care măsoară apa temperatura, conductivitatea și nivelurile apei sunt disponibile aici:

Contorul de nivel al apei utilizează un senzor cu ultrasunete pentru a măsura adâncimea până la apa din fântână. Senzorul este atașat la un dispozitiv Internet-of-Things (IoT) care se conectează la o rețea WiFi sau celulară și trimite datele nivelului apei către un serviciu web pentru a fi grafic. Serviciul web utilizat în acest proiect este ThingSpeak.com, care este gratuit pentru proiecte mici necomerciale (mai puțin de 8, 200 mesaje / zi). Pentru ca versiunea WiFi a contorului să funcționeze, acesta trebuie să fie amplasat aproape de o rețea WiFi. Fântânile de apă menajeră îndeplinesc adesea această condiție deoarece sunt situate aproape de o casă cu WiFi. Contorul nu include un data logger, ci mai degrabă trimite datele de nivel al apei către ThingSpeak unde este stocat în nor. Prin urmare, dacă există o problemă de transmitere a datelor (de exemplu, în timpul unei întreruperi a internetului), datele privind nivelul apei pentru ziua respectivă nu sunt transmise și se pierd definitiv.

Contorul a fost proiectat și testat pentru sondele săpate cu diametru mare (0,9 m diametru interior) cu adâncimi de apă mică (mai puțin de 10 m sub suprafața solului). Cu toate acestea, ar putea fi utilizat pentru măsurarea nivelurilor de apă în alte situații, cum ar fi fântânile de monitorizare a mediului, fântânile forate și corpurile de apă de suprafață.

Designul contorului prezentat aici a fost modificat după un contor care a fost realizat pentru măsurarea nivelurilor de apă într-un rezervor de apă menajeră și raportarea nivelului apei prin Twitter, publicat de Tim Ousley în 2015: https://www.instructables.com/id/Wi -Fi-Twitter-Wa…. Principalele diferențe dintre designul original și designul prezentat aici sunt capacitatea de a utiliza contorul pe baterii AA în locul unui adaptor de alimentare cu fir, capacitatea de a vizualiza datele într-un grafic de serie temporală în loc de un mesaj Twitter și utilizarea a unui senzor cu ultrasunete special conceput pentru măsurarea nivelului apei.

Instrucțiunile pas cu pas pentru construirea contorului nivelului apei sunt furnizate mai jos. Se recomandă ca constructorul să citească toate etapele de construcție înainte de a începe procesul de construcție a contorului. Dispozitivul IoT utilizat în acest proiect este un foton de particule și, prin urmare, în secțiunile următoare, termenii „dispozitiv IoT” și „foton” sunt folosiți în mod interschimbabil.

Provizii

Parți electronice:

Senzor - MaxBotix MB7389 (interval de 5 m)

Dispozitiv IoT - Particulă Photon cu anteturi

Antena (antena internă instalată în carcasa contorului) - 2,4 GHz, 6dBi, conector IPEX sau u. FL, 170 mm lungime

Acumulator - 4 X AA

Sârmă - sârmă jumper cu conectori push (lungime 300 mm)

Baterii - 4 X AA

Piese pentru instalații sanitare și hardware:

Țeavă - ABS, 50 mm (2 inch) diametru, 125 mm lungime

Capac superior, ABS, 50 mm (2 inch), filetat cu garnitură pentru a face o etanșare etanșă

Capac inferior, PVC, 50 mm (2 inch) cu filet NPT femelă de ¾ inch pentru a se potrivi senzorului

2 cuplaje pentru țevi, ABS, 50 mm (2 inch) pentru conectarea capacului superior și inferior la țeava ABS

Șurub pentru ochi și 2 piulițe, din oțel inoxidabil (1/4 inch) pentru a face cuierul de pe capacul superior

Alte materiale: bandă electrică, bandă de teflon, lipit, silicon, lipici pentru asamblarea carcasei

Pasul 1: Asamblați carcasa contorului

Asamblați carcasa contorului așa cum se arată în figurile 1 și 2 de mai sus. Lungimea totală a contorului asamblat, de la vârf la vârf, inclusiv senzorul și șurubul ochiului, este de aproximativ 320 mm. Țeava ABS cu diametrul de 50 mm utilizată pentru realizarea carcasei contorului trebuie tăiată la o lungime de aproximativ 125 mm. Acest lucru permite suficient spațiu în interiorul carcasei pentru a găzdui dispozitivul IoT, bateria și o antenă internă de 170 mm lungime.

Etanșați toate îmbinările fie cu siliciu, fie cu lipici ABS pentru a face carcasa etanșă. Acest lucru este foarte important, altfel umezeala poate pătrunde în interiorul carcasei și poate distruge componentele interne. Un mic pachet de deshidratant poate fi plasat în interiorul carcasei pentru a absorbi umezeala.

Instalați un șurub de ochi în capacul superior găurind o gaură și introducând șurubul de ochi și piulița. Trebuie folosită o piuliță atât pe interior cât și pe exteriorul carcasei pentru a fixa șurubul ochiului. Siliciul interior al capacului la gaura șurubului pentru ao face etanș.

Pasul 2: Atașați firele la senzor

Trei fire (a se vedea Figura 3a) trebuie lipite la senzor pentru a-l atașa la foton (adică pinii senzorului GND, V + și Pin 2). Lipirea firelor la senzor poate fi dificilă, deoarece orificiile de conectare ale senzorului sunt mici și apropiate. Este foarte important ca firele să fie lipite corespunzător la senzor, astfel încât să existe o conexiune fizică și electrică bună, puternică și să nu existe arcuri de lipit între firele adiacente. O iluminare bună și o lentilă de mărire ajută la procesul de lipire. Pentru cei care nu au experiență de lipire anterioară, este recomandată o anumită practică de lipire înainte de lipirea firelor la senzor. Un tutorial online despre modul de lipire este disponibil de la SparkFun Electronics (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…).

După ce firele sunt lipite la senzor, orice exces de sârmă goală care iese din senzor poate fi tăiat cu freze de sârmă la aproximativ 2 mm lungime. Se recomandă ca îmbinările de lipit să fie acoperite cu un strat gros de siliciu. Acest lucru oferă conexiunilor mai multă rezistență și reduce șansele de coroziune și probleme electrice la conexiunile senzorului dacă umezeala pătrunde în carcasa contorului. Banda electrică poate fi, de asemenea, înfășurată în jurul celor trei fire la conexiunea senzorului pentru a oferi protecție suplimentară și ameliorarea tensiunii, reducând șansele ca firele să se rupă la îmbinările de lipit.

Firele senzorului pot avea conectori tip push-on (a se vedea Figura 3b) la un capăt pentru a se atașa la foton. Folosirea conectorilor push-on facilitează asamblarea și demontarea contorului. Firele senzorului trebuie să aibă o lungime de cel puțin 270 mm, astfel încât să poată extinde întreaga lungime a carcasei contorului. Această lungime va permite ca fotonul să fie conectat de la capătul superior al carcasei cu senzorul în poziție la capătul inferior al carcasei. Rețineți că această lungime recomandată a firului presupune că țeava ABS utilizată pentru realizarea carcasei contorului este tăiată la o lungime de 125 mm. Confirmați în prealabil tăierea și lipirea firelor la senzor că o lungime a firului de 270 mm este suficientă pentru a se extinde dincolo de partea superioară a carcasei contorului, astfel încât fotonul să poată fi conectat după ce carcasa a fost asamblată și senzorul este atașat permanent la cazul.

Senzorul poate fi atașat acum la carcasa contorului. Ar trebui să fie înșurubat strâns în capacul inferior, folosind bandă de teflon pentru a asigura o etanșare etanșă.

Pasul 3: Atașați senzorul, bateria și antena la dispozitivul IoT

Atașați senzorul, acumulatorul și antena la foton (Figura 4) și introduceți toate părțile în carcasa contorului. O listă a conexiunilor pin indicate în Figura 4 este furnizată mai jos. Cablurile senzorului și ale acumulatorului pot fi atașate prin lipire directă la foton sau cu conectori tip push-on care se atașează la știfturile antetului de pe partea inferioară a fotonului (așa cum se vede în Figura 2). Utilizarea conectorilor push-on face mai ușoară demontarea contorului sau înlocuirea fotonului dacă nu reușește. Conexiunea antenei de pe foton necesită un conector de tip u. FL (Figura 4) și trebuie să fie împinsă foarte ferm pe foton pentru a realiza conexiunea. Nu instalați bateriile în acumulator până când contorul nu este gata pentru a fi testat sau instalat într-o fântână. Nu există nici un comutator de pornire / oprire inclus în acest design, astfel încât contorul este pornit și oprit prin instalarea și scoaterea bateriilor.

Lista conexiunilor pin pe dispozitivul IoT (Particle Photon):

Pin foton D3 - conectare la - Pin senzor 2, date (fir maro)

Pin foton D2 - conectare la - Pin senzor 6, V + (fir roșu)

Pin foton GND - conectare la - Pin senzor 7, GND (fir negru)

Pin foton VIN - conectare la - Acumulator, V + (fir roșu)

Pin foton GND - conectare la - Acumulator, GND (fir negru)

Photon u. FL pin - conectare la - antenă

Pasul 4: Configurare software

Sunt necesari cinci pași principali pentru a configura software-ul pentru contor:

1. Creați un cont Particle care va furniza o interfață online cu Photon. Pentru a face acest lucru, descărcați aplicația mobilă Particle pe un smartphone: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. După instalarea aplicației, creați un cont Particle și urmați instrucțiunile online pentru a adăuga Photon în cont. Rețineți că orice fotoni suplimentari pot fi adăugați la același cont fără a fi nevoie să descărcați aplicația Particle și să creați din nou un cont.

2. Creați un cont ThingSpeak https://thingspeak.com/login și configurați un nou canal pentru a afișa datele privind nivelul apei. Un exemplu de pagină web ThingSpeak pentru un contor de apă este prezentat în Figura 5, care poate fi vizualizată și aici: https://thingspeak.com/channels/316660. Instrucțiunile pentru configurarea unui canal ThingSpeak sunt furnizate la https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w… Rețineți că se pot adăuga canale suplimentare pentru alți fotoni în același cont fără a fi nevoie să creați un alt cont ThingSpeak..

3. Este necesar un „webhook” pentru a transmite datele privind nivelul apei de la foton la canalul ThingSpeak. Instrucțiunile pentru configurarea unui webhook sunt furnizate la https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. Dacă se construiește mai mult de un contor de apă, trebuie creat un nou webhook cu un nume unic pentru fiecare foton suplimentar.

4. Webhook-ul care a fost creat în pasul de mai sus trebuie să fie inserat în codul care operează fotonul. Codul pentru versiunea WiFi a contorului de nivel al apei este furnizat în fișierul atașat (Code1_WiFi.txt). Pe un computer, accesați pagina web Particle https://login.particle.io/login?redirect=https://… conectați-vă la contul Particle și navigați la interfața aplicației Particle. Copiați codul și utilizați-l pentru a crea o aplicație nouă în interfața aplicației Particle. Introduceți numele webhook-ului creat mai sus în linia 87 a codului. Pentru a face acest lucru, ștergeți textul din ghilimele și introduceți noul nume webhook în ghilimele din linia 87, care are următorul conținut:

Particle.publish ("Insert_Webhook_Name_Inside_These_Quotes", Șir (GWelevation, 2), PRIVAT);

5. Codul poate fi acum verificat, salvat și instalat pe Photon. Rețineți că codul este stocat și instalat pe Photon din cloud. Acest cod va fi utilizat pentru a acționa apometrul atunci când acesta se află în puțul de apă. În timpul instalării pe teren, vor trebui făcute unele modificări în cod pentru a seta frecvența de raportare la o dată pe zi și pentru a adăuga informații despre fântâna de apă (aceasta este descrisă în fișierul atașat Instrucțiuni de măsurare a nivelului de apă.pdf în secțiunea intitulată „ Instalarea contorului într-o fântână de apă”).

Pasul 5: Testați contorul

Construcția contorului și configurarea software-ului sunt acum complete. În acest moment se recomandă testarea contorului. Trebuie finalizate două teste. Primul test este utilizat pentru a confirma faptul că contorul poate măsura corect nivelurile apei și poate trimite datele către ThingSpeak. Al doilea test este utilizat pentru a confirma că consumul de energie al fotonului se încadrează în intervalul așteptat. Acest al doilea test este util deoarece bateriile vor defecta mai devreme decât se aștepta dacă fotonul folosește prea multă energie.

În scopul testării, codul este setat să măsoare și să raporteze nivelurile apei la fiecare două minute. Aceasta este o perioadă practică de timp pentru a aștepta între măsurători în timp ce contorul este testat. Dacă se dorește o frecvență de măsurare diferită, schimbați variabila numită MeasureTime în linia 16 a codului la frecvența de măsurare dorită. Frecvența de măsurare este introdusă în secunde (adică 120 de secunde este egal cu două minute).

Primul test poate fi făcut în birou prin agățarea contorului deasupra podelei, pornirea acestuia și verificarea faptului că canalul ThingSpeak raportează cu exactitate distanța dintre senzor și podea. În acest scenariu de testare, pulsul ultrasonic se reflectă pe podea, care este utilizat pentru a simula suprafața apei din fântână.

Pentru al doilea test, curentul electric dintre acumulator și foton trebuie măsurat pentru a confirma că se potrivește cu specificațiile din foaia tehnică Photon: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… Experiența a arătat că acest test ajută la identificarea dispozitivelor IoT defecte înainte de a fi implementate pe teren. Măsurați curentul plasând un contor de curent între firul pozitiv V + (fir roșu) de pe acumulator și pinul VIN de pe foton. Curentul trebuie măsurat atât în modul de funcționare, cât și în modul de repaus profund. Pentru a face acest lucru, porniți fotonul și acesta va porni în modul de funcționare (așa cum este indicat de LED-ul de pe foton devenind o culoare cyan), care rulează aproximativ 20 de secunde. Utilizați contorul de curent pentru a observa curentul de funcționare în acest timp. Fotonul va intra automat în modul de adormire profundă timp de două minute (așa cum este indicat de LED-ul de pe stingerea fotonului). Utilizați contorul de curent pentru a observa curentul de somn profund în acest moment. Curentul de funcționare ar trebui să fie între 80 și 100 mA, iar curentul de somn profund ar trebui să fie între 80 și 100 µA. Dacă curentul este mai mare decât aceste valori, fotonul ar trebui înlocuit.

Contorul este acum gata să fie instalat într-o fântână de apă (Figura 6). Instrucțiunile despre modul de instalare a contorului într-o fântână de apă sunt furnizate în fișierul atașat (Instrucțiuni de măsurare a nivelului de apă.pdf).

Pasul 6: Cum se face o versiune celulară a contorului

O versiune celulară a apometrului poate fi construită făcând modificări la lista pieselor descrise anterior, instrucțiuni și cod. Versiunea celulară nu necesită WiFi, deoarece se conectează la Internet printr-un semnal celular. Costul pieselor pentru construirea versiunii celulare a contorului este de aproximativ 300 USD (fără taxe și expediere), plus aproximativ 4 USD pe lună pentru planul de date celulare care vine cu dispozitivul IoT celular.

Contorul celular utilizează aceleași părți și pași de construcție enumerați mai sus, cu următoarele modificări:

• Înlocuiți dispozitivul WiFi IoT (Particle Photon) cu un dispozitiv IoT celular (Particle Electron): https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. Când construiți contorul, utilizați aceleași conexiuni cu pini descrise mai sus pentru versiunea WiFi a contorului la Pasul 3.

• Dispozitivul IoT celular folosește mai multă energie decât versiunea WiFi și, prin urmare, sunt recomandate două surse de baterie: o baterie Li-Po de 3,7 V, care vine cu dispozitivul IoT și un acumulator cu 4 baterii AA. Bateria LiPo de 3,7 V se atașează direct la dispozitivul IoT cu conectorii furnizați. Acumulatorul AA este atașat la dispozitivul IoT în același mod ca cel descris mai sus pentru versiunea WiFi a contorului la Pasul 3. Testarea pe teren a arătat că versiunea celulară a contorului va funcționa timp de aproximativ 9 luni folosind configurarea bateriei descrisă mai sus. O alternativă la utilizarea atât a acumulatorului AA, cât și a bateriei Li-Po de 3,7 V de 2000 mAh este utilizarea unei baterii Li-Po de 3,7 V cu o capacitate mai mare (de exemplu, 4000 sau 5000 mAh).

• O antenă externă trebuie atașată la contor, cum ar fi: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. Asigurați-vă că este evaluat pentru frecvența utilizată de furnizorul de servicii celulare unde va fi utilizat contorul de apă. Antena care vine cu dispozitivul IoT celular nu este potrivită pentru utilizare în exterior. Antena externă poate fi conectată cu un cablu lung (3 m) care permite ca antena să fie atașată la exteriorul puțului la capul puțului (Figura 7). Se recomandă ca cablul antenei să fie introdus prin fundul carcasei și sigilat bine cu siliciu pentru a preveni pătrunderea umezelii (Figura 8). Se recomandă un cablu prelungitor coaxial de exterior, rezistent la apă, de bună calitate.

• Dispozitivul IoT celular rulează pe un cod diferit de versiunea WiFi a contorului. Codul pentru versiunea celulară a contorului este furnizat în fișierul atașat (Code2_Cellular.txt).