Smart Boje [Zusammenfassung] - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

Wir alle lieben das Meer. Als Kollektiv strömen wir dorthin, um Urlaub zu machen, Wassersport zu treiben oder unseren Lebensunterhalt zu verdienen. Aber die Küste ist ein dynamisches Gebiet, das den Wellen ausgeliefert ist. Steigende Meeresspiegel knabbern an Stränden und mächtige Extremereignisse wie Hurrikane dezimieren sie komplett. Um zu verstehen, wie man sie retten kann, müssen wir die Kräfte verstehen, die ihren Wandel vorantreiben.

Forschung ist teuer, aber wenn Sie billige, effektive Instrumente entwickeln könnten, könnten Sie mehr Daten generieren – und letztendlich das Verständnis verbessern. Dies war der Gedanke hinter unserem Smart Buoy-Projekt. In dieser Zusammenfassung geben wir Ihnen einen kurzen Überblick über unser Projekt und gliedern es in Design, Marke und Datenpräsentation. Oh Boje, das wirst du lieben..!

Lieferungen

Für den kompletten Smart Buoy-Build brauchst du eine Menge Zeug. Die Aufschlüsselung der spezifischen Materialien, die für jede Phase des Builds erforderlich sind, finden Sie im entsprechenden Tutorial, aber hier ist die vollständige Liste:

• Arduino Nano - Amazon
• Raspberry Pi Zero - Amazon
• Akku (18650) - Amazon
• Sonnenkollektoren - Amazon
• Sperrdioden - Amazon
• Laderegler - Amazon
• Buck-Booster - Amazon
• GPS-Modul - Amazon
• GY-86 (Beschleunigungsmesser, Gyroskop, Barometer, Kompass) - Amazon
• Wassertemperatursensor - Amazon
• Strommonitormodul - Amazon
• Echtzeituhr-Modul - Amazon
• Funkmodule - Amazon
• i^2c Multiplexer-Modul - Amazon
• 3D-Drucker - Amazon
• PETG-Filament - Amazon
• Epoxid - Amazon
• Primer Sprühfarbe - Amazon
• Seil - Amazon
• Schwimmer - Amazon
• Kleber - Amazon

Den gesamten verwendeten Code finden Sie unter

Schritt 1: Was macht es?

Die Sensoren an Bord der Smart Buoy ermöglichen die Messung von: Wellenhöhe, Wellenperiode, Wellenleistung, Wassertemperatur, Lufttemperatur, Luftdruck, Spannung, aktuelle Nutzung und GPS-Position.

In einer idealen Welt hätte es auch die Wellenrichtung gemessen. Basierend auf den Messungen, die die Boje gemacht hat, waren wir ziemlich nahe daran, eine Lösung zu finden, die es uns ermöglichen würde, die Wellenrichtung zu berechnen. Es stellte sich jedoch als ziemlich kompliziert heraus und ist ein massives Problem in der tatsächlichen Forschungsgemeinschaft. Wenn es jemanden gibt, der uns helfen und eine effektive Methode zur Messung der Wellenrichtung vorschlagen kann, lassen Sie es uns bitte wissen - wir würden gerne verstehen, wie wir es zum Laufen bringen können! Alle Daten, die die Boje sammelt, werden per Funk an eine Basisstation gesendet, die ein Raspberry Pi ist. Wir haben ein Dashboard erstellt, um sie mit Vue JS anzuzeigen.

Schritt 2: Bauen - Bojengehäuse

Diese Boje war wahrscheinlich das Schwierigste, was wir bisher gedruckt haben. Es gab einfach so viele Dinge zu beachten, da es im Meer sein würde, den Elementen ausgesetzt und viel Sonne. Darüber werden wir später in der Smart Buoy-Serie mehr sprechen.

Kurz gesagt: Wir haben eine nahezu hohle Kugel in zwei Hälften gedruckt. Die obere Hälfte hat Schlitze für die Sonnenkollektoren und ein Loch für eine Radioantenne. Die untere Hälfte hat ein Loch für einen Temperatursensor und einen Griff zum Anbinden eines Seils.

Nachdem wir die Boje mit PETG-Filament gedruckt hatten, schleiften wir sie, sprühten sie mit etwas Füller und trugen dann ein paar Schichten Epoxid auf.

Sobald die Vorbereitung des Rohbaus abgeschlossen war, haben wir die gesamte Elektronik eingebaut und dann den Wassertemperatursensor, die Funkantenne und die Sonnenkollektoren mit einer Klebepistole versiegelt. Zum Schluss haben wir die beiden Hälften mit StixAll Leim/Kleber (Super Flugzeugkleber) versiegelt.

Und dann haben wir gehofft, dass es wasserdicht ist…

Schritt 3: Bauen - Boje-Elektronik

Die Boje hat viele Sensoren an Bord, auf die wir im entsprechenden Tutorial ausführlich eingehen. Da dies eine Zusammenfassung ist, werden wir versuchen, diese informativ, aber kurz zu halten!

Die Boje wird von einem 18650er Akku gespeist, der von vier 5V Sonnenkollektoren aufgeladen wird. Allerdings wird nur die Echtzeituhr ständig mit Strom versorgt. Die Boje verwendet den Ausgangspin der Echtzeituhr, um einen Transistor zu steuern, der es ermöglicht, den Rest des Systems mit Strom zu versorgen. Wenn das System eingeschaltet wird, erhält es zunächst Messwerte von den Sensoren - einschließlich eines Spannungswerts vom Leistungsmonitormodul. Der vom Netzüberwachungsmodul angegebene Wert bestimmt, wie lange das System im Ruhezustand ist, bevor die nächsten Messungen vorgenommen werden. Für diese Zeit wird ein Wecker gestellt, dann schaltet sich das System ab!

Das System selbst besteht aus vielen Sensoren und einem Funkmodul, das mit einem Arduino verbunden ist. Das GY-86-Modul, die RealTimeClock (RTC), das Power Monitor-Modul und der I2C-Multiplexer kommunizieren alle über I2C mit dem Arduino. Wir brauchten den I2C-Multiplexer, da der GY-86 und das von uns verwendete RTC-Modul beide die gleiche Adresse haben. Das Multiplexer-Modul ermöglicht Ihnen eine problemlose Kommunikation, auch wenn es etwas übertrieben sein könnte.

Das Funkmodul kommuniziert über SPI.

Ursprünglich hatten wir auch ein SD-Kartenmodul, aber es verursachte aufgrund der Größe der SD-Bibliothek so viele Kopfschmerzen, dass wir beschlossen, es zu verschrotten.

Schau dir den Code an. Es ist wahrscheinlich, dass Sie einige Fragen haben – wahrscheinlich auch anhaltende Zweifel – und wir würden uns freuen, sie zu hören. Die ausführlichen Tutorials enthalten Code-Erklärungen, so dass sie es hoffentlich etwas klarer machen!

Wir haben versucht, die Codedateien logisch zu trennen und eine Hauptdatei zu verwenden, um sie einzubinden, was ziemlich gut zu funktionieren schien.

Schritt 4: Bauen - Basisstationselektronik

Die Basisstation besteht aus einem Raspberry Pi Zero mit angeschlossenem Funkmodul. Wir haben das Gehäuse von https://www.thingiverse.com/thing:1595429. Du bist toll, vielen Dank!

Sobald Sie den Code auf dem Arduino ausgeführt haben, können Sie die Messungen auf dem Raspberry Pi ganz einfach abrufen, indem Sie den Code listen_to_radio.py ausführen.

Schritt 5: Dashboard

Ihnen zu zeigen, wie wir den gesamten Strich gemacht haben, wäre eine kleine Odyssee, weil es ein ziemlich langes und kompliziertes Projekt war. Wenn jemand wissen möchte, wie wir es gemacht haben, lassen Sie es uns wissen - der residente Webentwickler von T3ch Flicks würde gerne ein Tutorial dazu erstellen!

Sobald Sie diese Dateien auf einem Raspberry Pi abgelegt haben, sollten Sie in der Lage sein, den Server auszuführen und das Dashboard mit den eingehenden Daten zu sehen. Aus Entwicklungsgründen und um zu sehen, wie das Dash aussehen würde, wenn es mit guten, regulären Daten versorgt würde, Wir haben dem Server einen gefälschten Datengenerator hinzugefügt. Führen Sie das aus, wenn Sie sehen möchten, wie es aussieht, wenn Sie mehr Daten haben. Wir werden dies auch in einem späteren Tutorial etwas ausführlicher erklären.

(Denken Sie daran, dass Sie den gesamten Code unter https://github.com/sk-t3ch/smart-buoy finden können)

Schritt 6: Version 2?? - Probleme

Dieses Projekt ist absolut nicht perfekt - wir sehen es eher als Prototyp/Proof of Concept. Obwohl der Prototyp auf einer grundlegenden Ebene funktioniert: Er schwebt, nimmt Messungen vor und kann sie übertragen, aber wir haben viel gelernt und würden für Version zwei ändern:

1. Unser größtes Problem war, dass wir den Code für die Boje nach dem Zukleben nicht ändern konnten. Das war wirklich ein kleines Versehen und konnte mit einem mit einer Gummidichtung abgedeckten USB-Port sehr effektiv gelöst werden. Dies hätte jedoch dem 3D-Druck-Imprägnierungsprozess eine ganz andere Komplexitätsebene hinzugefügt!
2. Die von uns verwendeten Algorithmen waren alles andere als perfekt. Unsere Methoden zur Bestimmung der Welleneigenschaften waren ziemlich grob und wir verbrachten viel Zeit damit, Mathematik zu lesen, um die Sensordaten von Magnetometer, Beschleunigungsmesser und Gyroskop zu kombinieren. Wenn jemand da draußen das versteht und bereit ist zu helfen, denken wir, dass wir diese Messungen viel genauer machen könnten.
3. Einige der Sensoren haben sich etwas seltsam verhalten. Der Wassertemperatursensor fiel als besonders zwielichtig auf - zeitweise fast 10 Grad von der tatsächlichen Temperatur entfernt. Der Grund dafür könnte einfach ein schlechter Sensor gewesen sein oder etwas hat ihn aufgeheizt…

Schritt 7: Version 2?? - Verbesserungen

Der Arduino war gut, aber wie bereits erwähnt, mussten wir das SD-Kartenmodul (das als Datensicherung dienen sollte, wenn keine Funknachrichten gesendet werden konnten) aufgrund von Speicherproblemen verschrotten. Wir könnten es in einen leistungsstärkeren Mikrocontroller wie einen Arduino Mega oder einen Teensy ändern oder einfach einen anderen Raspberry Pi Zero verwenden. Dies hätte jedoch die Kosten und den Energieverbrauch erhöht.

Das von uns verwendete Funkmodul hat eine eingeschränkte Reichweite von wenigen Kilometern bei direkter Sichtverbindung. In einer hypothetischen Welt, in der wir (sehr) viele Bojen auf der Insel platzieren konnten, hätten wir jedoch ein solches Mesh-Netzwerk bilden können. Es gibt so viele Möglichkeiten für die Übertragung von Daten über große Entfernungen, einschließlich Lora, Grsm. Wenn wir eines davon nutzen könnten, wäre vielleicht ein Mesh-Netzwerk um die Insel möglich!

Schritt 8: Verwenden unserer Smart Boje für die Forschung

Wir haben die Boje in Grenada, einer kleinen Insel in der Südkaribik, gebaut und ins Wasser gelassen. Während wir dort draußen waren, unterhielten wir uns mit der grenadischen Regierung, die sagte, dass eine intelligente Boje wie die von uns entwickelte hilfreich sein würde, um quantitative Messungen der Meeresmerkmale zu ermöglichen. Automatisierte Messungen würden einige menschliche Anstrengungen und menschliche Fehler vermeiden und einen hilfreichen Kontext für das Verständnis sich ändernder Küsten bieten. Die Regierung schlug auch vor, dass Windmessungen für ihre Zwecke ebenfalls hilfreich wären. Keine Ahnung, wie wir das schaffen sollen, also wenn jemand eine Idee hat…

Ein wichtiger Vorbehalt ist, dass es zwar eine wirklich aufregende Zeit für die Küstenforschung ist, insbesondere mit Technologie, aber es ist noch ein langer Weg, bis sie vollständig übernommen werden kann.

Vielen Dank, dass Sie den zusammenfassenden Blogbeitrag der Smart Buoy-Serie gelesen haben. Wenn Sie es noch nicht getan haben, schauen Sie sich bitte unser zusammenfassendes Video auf YouTube an.

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Teil 1: Durchführen von Wellen- und Temperaturmessungen

Teil 2: GPS NRF24-Radio und SD-Karte

Teil 3: Energie für die Boje planen

Teil 4: Einsatz der Boje