מד מפלס מים בזמן אמת: 6 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:12

הוראות אלו מתארות כיצד בונים מד מפלס מים בעלות נמוכה בזמן אמת לשימוש בבארות שנחפרו. מד מפלס המים מיועד לתלייה בתוך באר נחפרת, למדוד את מפלס המים פעם ביום ולשלוח את הנתונים באמצעות WiFi או חיבור סלולרי לדף אינטרנט לצפייה והורדה מיידית. עלות החלקים לבניית המונה היא כ- $ 200 לגירסת ה- WiFi ו- 300 $ עבור הגרסה הסלולרית. המונה מוצג באיור 1. דו ח מלא עם הוראות בנייה, רשימת חלקים, עצות לבניית ותפעול המונה, וכיצד להתקין את המונה בבאר מים מסופק בקובץ המצורף (הוראות מד מפלס מים. PDF). מדי מפלס המים שימשו לפיתוח רשת ניטור אקוויפרים רדודה בזמן אמת בנובה סקוטיה, קנדה: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm… הוראות לבניית מד דומה המודד מים טמפרטורה, מוליכות ורמות מים זמינים כאן:

מד מפלס המים משתמש בחיישן קולי למדידת העומק למים בבאר. החיישן מחובר להתקן Internet-of-Things (IoT) המתחבר לרשת WiFi או לרשת הסלולרית ושולח את נתוני מפלס המים לשירות אינטרנט לתרשים. שירות האינטרנט המשמש בפרויקט זה הוא ThingSpeak.com, שניתן להשתמש בו בחינם לפרויקטים קטנים שאינם מסחריים (פחות מ -8, 200 הודעות ליום). על מנת שגרסת ה- WiFi של המונה תעבוד, עליה להיות ממוקמת קרוב לרשת WiFi. בארות מים ביתיות לעיתים קרובות עומדות בתנאי זה מכיוון שהן ממוקמות קרוב לבית עם אינטרנט אלחוטי. המונה אינו כולל לוגר נתונים, אלא שולח את נתוני מפלס המים ל- ThingSpeak שם הוא מאוחסן בענן. לכן, אם יש בעיה בהעברת נתונים (למשל במהלך הפסקת אינטרנט) נתוני מפלס המים לאותו יום אינם מועברים ואיבדו לצמיתות.

המונה תוכנן ונבדק עבור קוטרות גדולות (0.9 מ 'קוטר פנימי) בארות חפורות בעלות עומק מים רדודים (פחות מ -10 מ' מתחת לפני הקרקע). עם זאת, פוטנציאל זה יכול לשמש למדידת מפלס המים במצבים אחרים, כגון בארות ניטור סביבתי, בארות קדוחות וגופי מים על פני השטח.

עיצוב המונה המוצג כאן שונה לאחר מד שיוצר למדידת מפלס המים במיכל מים ביתי ודיווח על מפלס המים באמצעות טוויטר, שפורסם על ידי טים אוסלי בשנת 2015: https://www.instructables.com/id/Wi -פי-טוויטר-וו…. ההבדלים העיקריים בין העיצוב המקורי לבין העיצוב המוצג כאן הם היכולת להפעיל את המונה על סוללות AA במקום מתאם מתח קווית, היכולת לצפות בנתונים בגרף סדרת זמן במקום הודעת טוויטר והשימוש של חיישן קולי שמיועד במיוחד למדידת מפלסי המים.

להלן הוראות שלב אחר שלב לבניית מד מפלס המים. מומלץ לבנאי לקרוא את כל שלבי הבנייה לפני תחילת תהליך בניית המונים. מכשיר ה- IoT המשמש בפרויקט זה הוא פוטון חלקיקים, ולכן בחלקים הבאים משתמשים במושגים "מכשיר IoT" ו"פוטון "לסירוגין.

אספקה

חלקים אלקטרוניים:

חיישן - MaxBotix MB7389 (טווח 5 מ ')

מכשיר IoT - פוטון חלקיקים עם כותרות

אנטנה (אנטנה פנימית המותקנת בתוך מארז המונים) - מחבר 2.4 GHz, 6dBi, IPEX או u. FL, באורך 170 מ מ

מארז סוללות - 4 X AA

חוט - חוט מגשר עם מחברי לחיצה על (300 מ מ אורך)

סוללות - 4 X AA

חלקי אינסטלציה וחומרה:

צינור - ABS, קוטר 50 מ"מ (2 אינץ '), אורך 125 מ"מ

מכסה עליון, ABS, 50 מ מ (2 אינץ '), מושחל באטם ליצירת חותם אטום למים

מכסה תחתון, PVC, 50 מ מ (2 אינץ ') עם חוט NPT נקבה בגודל ¾ אינץ' כך שיתאים לחיישן

2 מצמדי צינורות, ABS, 50 מ מ (2 אינץ ') לחיבור המכסה העליון והתחתון לצינור ה- ABS

בריח עיניים ושני אגוזים, נירוסטה (1/4 אינץ ') להכנת קולב על המכסה העליון

חומרים אחרים: קלטת חשמל, סרט טפלון, הלחמה, סיליקון, דבק להרכבת מארז

שלב 1: הרכיב את מארז המטר

הרכיב את מארז המונה כפי שמוצג באיורים 1 ו -2 לעיל. האורך הכולל של המונה המורכב, מקצה לקצה כולל החיישן וברג העין, הוא כ -320 מ"מ. יש לחתוך את צינור ה- ABS בקוטר 50 מ"מ המשמש לייצור מארז המטרים באורך של כ -125 מ"מ. זה מאפשר מספיק מקום בתוך המארז כדי להכיל את התקן IoT, מארז הסוללות ואנטנה פנימית באורך 170 מ"מ.

אטמו את כל המפרקים בעזרת דבק סיליקון או ABS כדי שהמארז יהיה אטום למים. זה מאוד חשוב, אחרת לחות יכולה להיכנס לתוך המארז ולהרוס את הרכיבים הפנימיים. ניתן להניח בתוך המארז אריזת יבשות קטנה לספיגת לחות.

התקן בורג עין במכסה העליון על ידי קידוח חור והכנסת בורג העין והאום. יש להשתמש באום הן בחלק הפנימי והן החיצוני של המארז כדי לאבטח את בריח העין. סיליקון החלק הפנימי של המכסה בחור הבריח כדי להפוך אותו למים.

שלב 2: חבר חוטים לחיישן

שלושה חוטים (ראה איור 3 א) חייבים להיות מולחמים לחיישן על מנת לחבר אותו לפוטון (כלומר סיכות חיישן GND, V+ופין 2). הלחמת החוטים לחיישן יכולה להיות מאתגרת מכיוון שחורי החיבור בחיישן קטנים וצמודים זה לזה. חשוב מאוד שהחוטים מולחמים כראוי לחיישן כך שיהיה חיבור פיזי וחשמלי טוב וחזק וללא קשתות הלחמה בין החוטים הסמוכים. תאורה טובה ועדשת הגדלה מסייעים בתהליך הלחמה. למי שאין לו ניסיון קודם בהלחמה, מומלץ לבצע תרגול כלשהו לפני הלחמת החוטים לחיישן. ניתן לקבל הדרכה מקוונת על הלחמה מ- SparkFun Electronics (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…).

לאחר שהחוטים מולחמים לחיישן, ניתן לחתוך כל חוט עודף שיוצא מהחיישן בעזרת חותכי חוט באורך של כ -2 מ מ. מומלץ לכסות את מפרקי ההלחמה בחרוז סיליקון עבה. זה נותן לחיבורים יותר כוח ומפחית את הסיכוי לקורוזיה ובעיות חשמל בחיבורי החיישנים אם תכנס לחות למארז המונה. ניתן גם לעטוף סרט חשמלי סביב שלושת החוטים בחיבור החיישן בכדי לספק הגנה נוספת והפגת מתחים, מה שמקטין את הסיכוי שהחוטים יישברו במפרקי הלחמה.

לחוטי החיישן יכולים להיות מחברים מסוג מסוג push-on (ראה איור 3 ב) בקצה האחד כדי להתחבר לפוטון. שימוש במחברי דחיפה מקל על ההרכבה והפירוק של המונה. אורך חוטי החיישן צריך להיות באורך של 270 מ"מ לפחות כדי שיוכלו להאריך את כל אורך המארז. אורך זה יאפשר לחבר את הפוטון מהקצה העליון של המארז כשהחיישן במקום בקצה התחתון של המארז. שים לב שאורך החוט המומלץ הזה מניח כי צינור ה- ABS המשמש לייצור מארז המטר נחתך באורך של 125 מ"מ. אשר לפני חיתוך והלחמת החוטים לחיישן כי אורך חוט של 270 מ"מ מספיק כדי להתפרש מעבר לחלק העליון של מארז המטר, כך שניתן יהיה לחבר את הפוטון לאחר הרכבת המארז והחיישן מחובר לצמיתות המקרה.

כעת ניתן לחבר את החיישן למארז המונים. יש להבריג אותו היטב במכסה התחתון, בעזרת סרט טפלון כדי להבטיח חותם אטום למים.

שלב 3: חבר חיישן, מארז סוללה ואנטנה למכשיר IoT

חבר את החיישן, מארז הסוללה והאנטנה לפוטון (איור 4) והכנס את כל החלקים למארז המונה. להלן רשימה של חיבורי הפינים המצוינים באיור 4. ניתן לחבר את חוטי החיישן וחבילת הסוללה על ידי הלחמה ישירות לפוטון או באמצעות מחברים מסוג דחיפה המתחברים לסיכות הכותרת בחלק התחתון של הפוטון (כפי שניתן לראות באיור 2). שימוש במחברי הדחיפה מקל על פירוק המונה או החלפת הפוטון אם הוא נכשל. חיבור האנטנה בפוטון דורש מחבר מסוג u. FL (איור 4) וצריך לדחוף אותו חזק מאוד אל הפוטון כדי ליצור את החיבור. אין להתקין את הסוללות בתוך הסוללה עד שהמדוד מוכן לבדיקה או להתקנה בבאר. אין מתג הפעלה/כיבוי כלול בעיצוב זה, ולכן המונה מופעל וכיבוי על ידי התקנת והסרת הסוללות.

רשימת חיבורי פינים בהתקן IoT (פוטון חלקיקים):

סיכת פוטון D3 - התחבר ל - פין חיישן 2, נתונים (חוט חום)

סיכת פוטון D2 - התחבר ל - פין חיישן 6, V+ (חוט אדום)

סיכת פוטון GND - התחבר ל - פין חיישן 7, GND (חוט שחור)

סיכת פוטון VIN - התחבר ל- - מארז סוללות, V+ (חוט אדום)

סיכת פוטון GND - התחבר ל - סוללה, GND (חוט שחור)

סיכה u. FL פוטון - התחבר ל - אנטנה

שלב 4: התקנת תוכנה

נדרשים חמישה שלבים עיקריים להתקנת התוכנה למד:

1. צור חשבון Particle שיספק ממשק מקוון עם הפוטון. לשם כך, הורד את אפליקציית Particle לנייד לסמארטפון: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. לאחר התקנת האפליקציה, צור חשבון Particle ופעל לפי ההוראות המקוונות להוספת הפוטון לחשבון. שים לב שניתן להוסיף פוטונים נוספים לאותו חשבון ללא צורך להוריד את אפליקציית Particle וליצור חשבון שוב.

2. צור חשבון ThingSpeak https://thingspeak.com/login והקים ערוץ חדש להצגת נתוני מפלס המים. דוגמה לדף אינטרנט של ThingSpeak למד מים מוצג באיור 5, שניתן לצפות בו גם כאן: https://thingspeak.com/channels/316660. הוראות להקמת ערוץ ThingSpeak ניתנות בכתובת https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w… שים לב שניתן להוסיף ערוצים נוספים עבור פוטונים אחרים לאותו חשבון ללא צורך ביצירת חשבון ThingSpeak נוסף..

3. נדרשת "ווה -ווק" על מנת להעביר נתוני מפלס מים מהפוטון לערוץ ThingSpeak. הוראות להקמת webhook ניתנות בכתובת https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. אם נבנה יותר ממד מים אחד, יש ליצור וובוק חדש עם שם ייחודי לכל פוטון נוסף.

4. יש להכניס את ה- webhook שנוצר בשלב הנ ל לקוד המפעיל את הפוטון. הקוד לגרסת ה- WiFi של מד מפלס המים מסופק בקובץ המצורף (Code1_WiFi.txt). במחשב, עבור לדף האינטרנט של Particle https://login.particle.io/login?redirect=https://… התחבר לחשבון Particle, ונווט אל ממשק אפליקציית Particle. העתק את הקוד והשתמש בו ליצירת אפליקציה חדשה בממשק האפליקציה Particle. הכנס את שם ה- webhook שנוצר למעלה לשורה 87 של הקוד. לשם כך, מחק את הטקסט שבתוך הציטוטים והכנס את שם ה- webhook החדש בתוך הציטוטים בשורה 87, שכתוב כך:

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

5. כעת ניתן לאמת, לשמור ולהתקין את הקוד על הפוטון. שים לב שהקוד מאוחסן ומותקן על הפוטון מהענן. קוד זה ישמש להפעלת מד המים כשהוא נמצא בבאר המים. במהלך התקנת השטח, יהיה צורך לבצע כמה שינויים בקוד על מנת להגדיר את תדירות הדיווח לפעם אחת ביום ולהוסיף מידע על באר המים (זה מתואר בקובץ המצורף הוראות מד מפלס מים.pdf בחלק שכותרתו " התקנת המונה בבאר מים ").

שלב 5: בדוק את המד

בניית המונה והתקנת התוכנה הושלמו כעת. בשלב זה מומלץ לבדוק את המונה. יש לבצע שתי בדיקות. הבדיקה הראשונה משמשת לאישור שהמד יכול למדוד את רמות המים בצורה נכונה ולשלוח את הנתונים ל- ThingSpeak. המבחן השני משמש לאישור שצריכת החשמל של הפוטון נמצאת בטווח הצפוי. בדיקה שנייה זו שימושית מכיוון שהסוללות ייכשלו מהר מהצפוי אם הפוטון משתמש בכוח רב מדי.

למטרות בדיקה, הקוד מוגדר למדוד ולדווח על רמות המים כל שתי דקות. זוהי פרק זמן מעשי להמתנה בין המדידות בזמן המונה נבדק. אם רצוי תדר מדידה שונה, שנה את המשתנה הנקרא MeasureTime בשורה 16 של הקוד לתדר המדידה הרצוי. תדירות המדידה מוזנת בשניות (כלומר 120 שניות שוות שתי דקות).

את הבדיקה הראשונה ניתן לבצע במשרד על ידי תליית המונה מעל הרצפה, הדלקתו ובדיקה שערוץ ThingSpeak מדווח במדויק על המרחק בין החיישן לרצפה. בתרחיש בדיקה זה הדופק הקולי משתקף מהרצפה, המשמש לדמות את פני המים בבאר.

לצורך הבדיקה השנייה יש למדוד את הזרם החשמלי בין הסוללה לפוטון כדי לאשר שהוא תואם את המפרט בגיליון הנתונים של פוטון: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… הניסיון הוכיח כי בדיקה זו מסייעת בזיהוי התקני IoT פגומים לפני פריסתם בשטח. מדוד את הזרם על ידי הצבת מד זרם בין חוט V+ החיובי (חוט אדום) על הסוללה לבין סיכת ה- VIN שבפוטון. יש למדוד את הזרם הן במצב הפעלה והן במצב שינה עמוקה. לשם כך, הפעל את הפוטון והוא יופעל במצב הפעלה (כפי שמצוין על ידי הנורית על הפוטון שהופך את צבע הציאן), הנמשך כ -20 שניות. השתמש במד הזרם כדי לצפות בזרם ההפעלה במהלך תקופה זו. לאחר מכן הפוטון יעבור אוטומטית למצב שינה עמוק למשך שתי דקות (כפי שמצביע על ידי נורית הפוטון הנכבית). השתמש במד הזרם כדי לצפות בזרם השינה העמוקה בשלב זה. זרם ההפעלה צריך להיות בין 80 ל 100 mA, וזרם השינה העמוקה צריך להיות בין 80 ל 100 µA. אם הזרם גבוה מערכים אלה, יש להחליף את הפוטון.

המונה מוכן כעת להתקנה בבאר מים (איור 6). הוראות כיצד להתקין את המונה בבאר מים מסופקות בקובץ המצורף (מד מפלס מים מדריך. Pdf).

שלב 6: כיצד ליצור גרסה סלולרית של המונה

ניתן לבנות גרסה סלולרית של מד המים על ידי ביצוע שינויים ברשימת החלקים שתוארו לעיל, הוראות וקוד. הגרסה הסלולרית אינה דורשת WiFi מכיוון שהיא מתחברת לאינטרנט באמצעות אות סלולרי. עלות החלקים לבניית הגרסה הסלולרית של המונה היא כ- $ 300 (לא כולל מסים ומשלוח), בתוספת כ- $ 4 לחודש עבור תוכנית הנתונים הסלולרית שמגיעה עם מכשיר ה- IoT הסלולרי.

המונה הסלולרי משתמש באותם חלקים ושלבי בנייה המפורטים למעלה עם השינויים הבאים:

• החלף את מכשיר ה- IoT WiFi (Particle Photon) למכשיר IoT סלולרי (Particle Electron): https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. בעת בניית המונה, השתמש באותם חיבורי סיכה המתוארים לעיל עבור גרסת ה- WiFi של המונה בשלב 3.

• מכשיר ה- IoT הסלולרי משתמש יותר בהספק מגרסת ה- WiFi, ולכן מומלץ שני מקורות סוללה: סוללת 3.7V Li-Po, המגיעה עם מכשיר ה- IoT, וחבילת סוללות עם 4 סוללות AA. סוללת 3.7V LiPo מתחברת ישירות למכשיר ה- IoT עם המחברים המצורפים. מארז הסוללות AA מחובר למכשיר ה- IoT באותו אופן כפי שתואר לעיל עבור גרסת ה- WiFi של המונה בשלב 3. בדיקות שדה הראו כי הגרסה הסלולרית של המונה תפעל במשך כ -9 חודשים באמצעות הגדרת הסוללה שתוארה לעיל.. אלטרנטיבה לשימוש הן בחבילת הסוללות AA והן בסוללת 3.7 V 2000 mAh Li-Po היא שימוש בסוללת 3.7V Li-Po אחת עם קיבולת גבוהה יותר (למשל 4000 או 5000 מיליאמפר / שעה).

• יש לחבר אנטנה חיצונית למד, כגון: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. וודא שהוא מדורג לפי התדירות בה משתמש ספק השירות הסלולרי שבו ישמש את מד המים. האנטנה שמגיעה עם מכשיר ה- IoT הסלולרי אינה מתאימה לשימוש חיצוני. ניתן לחבר את האנטנה החיצונית באמצעות כבל ארוך (3 מ ') המאפשר לחבר את האנטנה לחלק החיצוני של הבאר בראש הבאר (איור 7). מומלץ להכניס את כבל האנטנה לחלק התחתון של המארז ולאטום היטב בסיליקון כדי למנוע כניסת רטיבות (איור 8). מומלץ כבל הארכה קואקסיאלי חיצוני באיכות טובה, עמיד למים.

• מכשיר ה- IoT הסלולרי פועל על קוד שונה מגירסת ה- WiFi של המונה. הקוד לגרסה הסלולרית של המונה מסופק בקובץ המצורף (Code2_Cellular.txt).