Ein Echtzeit-Brunnenwasserstandsmesser - Gunook

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

Diese Anleitung beschreibt den Bau eines kostengünstigen Echtzeit-Wasserstandsmessers für den Einsatz in gegrabenen Brunnen. Der Wasserstandsmesser ist so konzipiert, dass er in einem gegrabenen Brunnen hängt, den Wasserstand einmal täglich misst und die Daten per WLAN oder Mobilfunkverbindung an eine Webseite sendet, um sie sofort anzuzeigen und herunterzuladen. Die Kosten für die Teile zum Bau des Messgeräts betragen etwa 200 Can$ für die WiFi-Version und 300 Can$ für die Mobilfunkversion. Der Zähler ist in Abbildung 1 dargestellt. Ein vollständiger Bericht mit Bauanleitung, Stückliste, Tipps zum Bau und Betrieb des Zählers und zur Installation des Zählers in einem Wasserbrunnen ist in der beigefügten Datei (Water Level Meter Instructions.pdf) enthalten.. Die Wasserstandsmesser wurden verwendet, um ein regionales Echtzeit-Überwachungsnetz für flache Grundwasserleiter in Nova Scotia, Kanada, zu entwickeln: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm… Anleitung zum Bau eines ähnlichen Messgeräts, das Wasser misst Temperatur, Leitfähigkeit und Wasserstand finden Sie hier:

Der Wasserstandsmesser verwendet einen Ultraschallsensor, um die Wassertiefe im Brunnen zu messen. Der Sensor ist an ein Internet-of-Things (IoT)-Gerät angeschlossen, das sich mit einem WLAN- oder Mobilfunknetz verbindet und die Wasserstandsdaten zur grafischen Darstellung an einen Webdienst sendet. Der in diesem Projekt verwendete Webdienst ist ThingSpeak.com, der für nicht-kommerzielle kleine Projekte (weniger als 8.200 Nachrichten/Tag) kostenlos genutzt werden kann. Damit die WiFi-Version des Messgeräts funktioniert, muss es sich in der Nähe eines WiFi-Netzwerks befinden. Hauswasserbrunnen erfüllen diese Bedingung oft, weil sie sich in der Nähe eines Hauses mit WLAN befinden. Der Zähler enthält keinen Datenlogger, sondern sendet die Wasserstandsdaten an ThingSpeak, wo sie in der Cloud gespeichert werden. Daher werden bei einem Datenübertragungsproblem (z. B. bei einem Internetausfall) die Wasserstandsdaten für diesen Tag nicht übertragen und gehen dauerhaft verloren.

Das Messgerät wurde für gegrabene Brunnen mit großem Durchmesser (0,9 m Innendurchmesser) mit geringen Wassertiefen (weniger als 10 m unter der Erdoberfläche) entwickelt und getestet. Es könnte jedoch möglicherweise für die Messung von Wasserständen in anderen Situationen verwendet werden, z. B. in Umweltüberwachungsbrunnen, Bohrbrunnen und Oberflächenwasserkörpern.

Das hier vorgestellte Zählerdesign wurde nach einem Zähler modifiziert, der für die Messung des Wasserstands in einem Hauswassertank und die Meldung des Wasserstands über Twitter entwickelt wurde und 2015 von Tim Ousley veröffentlicht wurde: https://www.instructables.com/id/Wi -Fi-Twitter-Wa…. Die Hauptunterschiede zwischen dem ursprünglichen Design und dem hier vorgestellten Design sind die Möglichkeit, das Messgerät mit AA-Batterien anstelle eines kabelgebundenen Netzteils zu betreiben, die Möglichkeit, die Daten in einem Zeitreihendiagramm anstelle einer Twitter-Nachricht anzuzeigen, und die Verwendung eines Ultraschallsensors, der speziell für die Messung von Wasserständen entwickelt wurde.

Nachfolgend finden Sie eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Bau des Wasserstandsmessers. Es wird empfohlen, dass der Bauherr alle Konstruktionsschritte durchliest, bevor er mit dem Bau des Zählers beginnt. Das in diesem Projekt verwendete IoT-Gerät ist ein Particle Photon, daher werden in den folgenden Abschnitten die Begriffe „IoT-Gerät“und „Photon“synonym verwendet.

Lieferungen

Elektronische Teile:

Sensor – MaxBotix MB7389 (5m Reichweite)

IoT-Gerät - Particle Photon mit Headern

Antenne (interne Antenne im Messgerätegehäuse installiert) – 2,4 GHz, 6dBi, IPEX- oder u. FL-Anschluss, 170 mm lang

Batteriepack – 4 X AA

Draht – Überbrückungsdraht mit Steckanschlüssen (300 mm Länge)

Batterien – 4 X AA

Sanitär- und Hardwareteile:

Rohr - ABS, 50 mm (2 Zoll) Durchmesser, 125 mm lang

Abdeckkappe, ABS, 50 mm (2 Zoll), Gewinde mit Dichtung für eine wasserdichte Abdichtung

Bodenkappe, PVC, 50 mm (2 Zoll) mit ¾ Zoll NPT Innengewinde passend zum Sensor

2 Rohrkupplungen, ABS, 50 mm (2 Zoll) zum Verbinden von Ober- und Unterkappe mit ABS-Rohr

Ringschraube und 2 Muttern, Edelstahl (1/4 Zoll) zum Aufhängen an der oberen Kappe

Andere Materialien: Isolierband, Teflonband, Lötzinn, Silikon, Kleber zum Zusammenbauen des Gehäuses

Schritt 1: Montieren Sie das Messgerätegehäuse

Bauen Sie das Messgerätegehäuse wie in den Abbildungen 1 und 2 oben gezeigt zusammen. Die Gesamtlänge des montierten Zählers, Spitze zu Spitze einschließlich Sensor und Augenschraube, beträgt ca. 320 mm. Das zur Herstellung des Zählergehäuses verwendete ABS-Rohr mit einem Durchmesser von 50 mm sollte auf eine Länge von ca. 125 mm gekürzt werden. Dies bietet ausreichend Platz im Inneren des Gehäuses, um das IoT-Gerät, den Akku und eine 170 mm lange interne Antenne unterzubringen.

Versiegeln Sie alle Verbindungen mit Silikon- oder ABS-Kleber, um das Gehäuse wasserdicht zu machen. Dies ist sehr wichtig, da sonst Feuchtigkeit in das Gehäuse eindringen und die internen Komponenten zerstören kann. Ein kleines Trockenmittelpäckchen kann in den Koffer gelegt werden, um Feuchtigkeit aufzunehmen.

Installieren Sie eine Augenschraube in der oberen Kappe, indem Sie ein Loch bohren und die Augenschraube und die Mutter einsetzen. Sowohl an der Innen- als auch an der Außenseite des Gehäuses sollte eine Mutter verwendet werden, um die Augenschraube zu sichern. Silikon die Innenseite der Kappe am Schraubenloch, um sie wasserdicht zu machen.

Schritt 2: Befestigen Sie die Drähte am Sensor

Drei Drähte (siehe Abbildung 3a) müssen an den Sensor gelötet werden, um ihn mit dem Photon zu verbinden (d. h. Sensorpins GND, V+ und Pin 2). Das Anlöten der Drähte an den Sensor kann eine Herausforderung darstellen, da die Anschlusslöcher am Sensor klein und eng beieinander liegen. Es ist sehr wichtig, dass die Drähte richtig mit dem Sensor verlötet sind, damit eine gute, starke physikalische und elektrische Verbindung und keine Lötbögen zwischen benachbarten Drähten bestehen. Gute Beleuchtung und eine Lupe helfen beim Lötvorgang. Für diejenigen, die keine Löterfahrung haben, wird empfohlen, vor dem Löten der Drähte an den Sensor etwas Lötübungen zu machen. Ein Online-Tutorial zum Löten ist von SparkFun Electronics verfügbar (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…).

Nachdem die Drähte an den Sensor angelötet sind, kann überschüssiger blanker Draht, der aus dem Sensor herausragt, mit einem Drahtschneider auf ca. 2 mm Länge abgeschnitten werden. Es wird empfohlen, die Lötstellen mit einer dicken Silikonraupe abzudecken. Dies verleiht den Anschlüssen mehr Festigkeit und verringert die Gefahr von Korrosion und elektrischen Problemen an den Sensoranschlüssen, wenn Feuchtigkeit in das Messgerätegehäuse gelangt. Um die drei Drähte am Sensoranschluss kann auch Isolierband gewickelt werden, um zusätzlichen Schutz und Zugentlastung zu bieten, wodurch die Gefahr verringert wird, dass die Drähte an den Lötstellen brechen.

Die Sensordrähte können an einem Ende Steckanschlüsse (siehe Abbildung 3b) haben, um sie mit dem Photon zu verbinden. Die Verwendung von Steckverbindungen erleichtert die Montage und Demontage des Zählers. Die Sensordrähte sollten mindestens 270 mm lang sein, damit sie sich über die gesamte Länge des Zählergehäuses erstrecken können. Diese Länge ermöglicht es, das Photon vom oberen Ende des Gehäuses mit dem Sensor am unteren Ende des Gehäuses anzuschließen. Beachten Sie, dass diese empfohlene Kabellänge davon ausgeht, dass das ABS-Rohr, das zur Herstellung des Zählergehäuses verwendet wird, auf eine Länge von 125 mm zugeschnitten ist. Vergewissern Sie sich vor dem Abschneiden und Anlöten der Kabel an den Sensor, dass eine Kabellänge von 270 mm ausreicht, um über die Oberseite des Messgerätegehäuses hinauszuragen, damit das Photon nach dem Zusammenbau des Gehäuses und der dauerhaften Befestigung des Sensors angeschlossen werden kann der Fall.

Der Sensor kann nun am Zählergehäuse befestigt werden. Es sollte mit Teflonband fest in die untere Kappe geschraubt werden, um eine wasserdichte Abdichtung zu gewährleisten.

Schritt 3: Sensor, Akkupack und Antenne am IoT-Gerät anbringen

Befestigen Sie den Sensor, den Akku und die Antenne am Photon (Abbildung 4) und setzen Sie alle Teile in das Messgerätegehäuse ein. Nachfolgend finden Sie eine Liste der in Abbildung 4 angegebenen Stiftverbindungen. Die Kabel des Sensors und des Akkupacks können durch Löten direkt am Photon oder mit Steckanschlüssen befestigt werden, die an den Stiftleisten an der Unterseite des Photon angebracht werden (siehe Abbildung 2). Die Verwendung von Steckanschlüssen erleichtert die Demontage des Messgeräts oder den Austausch des Photons, wenn es ausfällt. Der Antennenanschluss am Photon erfordert einen u. FL-Stecker (Abbildung 4) und muss sehr fest auf den Photon geschoben werden, um die Verbindung herzustellen. Legen Sie die Batterien nicht in das Batteriepaket ein, bevor das Messgerät zur Prüfung oder Installation in einem Brunnen bereit ist. In diesem Design ist kein Ein-/Ausschalter enthalten, so dass das Messgerät durch Einsetzen und Entfernen der Batterien ein- und ausgeschaltet wird.

Liste der Pin-Anschlüsse am IoT-Gerät (Particle Photon):

Photon-Pin D3 - verbinden mit - Sensor-Pin 2, Daten (braunes Kabel)

Photon Pin D2 - verbinden mit - Sensor Pin 6, V+ (rotes Kabel)

Photon-Pin GND - verbinden mit - Sensor-Pin 7, GND (schwarzes Kabel)

Photon-Pin VIN - verbinden mit - Batteriepack, V+ (rotes Kabel)

Photonenstift GND - verbinden mit - Akkupack, GND (schwarzes Kabel)

Photon u. FL-Pin - verbinden mit - Antenne

Schritt 4: Software-Setup

Fünf Hauptschritte sind erforderlich, um die Software für das Messgerät einzurichten:

1. Erstellen Sie ein Particle-Konto, das eine Online-Schnittstelle mit dem Photon bereitstellt. Laden Sie dazu die Particle Mobile App auf ein Smartphone herunter: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. Erstellen Sie nach der Installation der App ein Particle-Konto und befolgen Sie die Online-Anweisungen, um das Photon dem Konto hinzuzufügen. Beachten Sie, dass alle weiteren Photonen demselben Konto hinzugefügt werden können, ohne die Particle-App herunterladen und erneut ein Konto erstellen zu müssen.

2. Erstellen Sie ein ThingSpeak-Konto https://thingspeak.com/login und richten Sie einen neuen Kanal ein, um die Wasserstandsdaten anzuzeigen. Ein Beispiel für eine ThingSpeak-Webseite für einen Wasserzähler ist in Abbildung 5 dargestellt, die auch hier eingesehen werden kann: https://thingspeak.com/channels/316660. Anweisungen zum Einrichten eines ThingSpeak-Kanals finden Sie unter https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w… Beachten Sie, dass zusätzliche Kanäle für andere Photonen demselben Konto hinzugefügt werden können, ohne dass ein weiteres ThingSpeak-Konto erstellt werden muss.

3. Ein „Webhook“ist erforderlich, um Wasserstandsdaten vom Photon an den ThingSpeak-Kanal zu übergeben. Eine Anleitung zum Einrichten eines Webhooks finden Sie unter https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. Wird mehr als ein Wasserzähler gebaut, muss für jedes weitere Photon ein neuer Webhook mit einem eindeutigen Namen erstellt werden.

4. Der im obigen Schritt erstellte Webhook muss in den Code eingefügt werden, der das Photon betreibt. Den Code für die WiFi-Version des Wasserstandsmessers finden Sie in der beigefügten Datei (Code1_WiFi.txt). Rufen Sie auf einem Computer die Particle-Webseite https://login.particle.io/login?redirect=https://… auf, melden Sie sich beim Particle-Konto an und navigieren Sie zur Oberfläche der Particle-App. Kopieren Sie den Code und verwenden Sie ihn, um eine neue App in der Particle-App-Oberfläche zu erstellen. Fügen Sie den Namen des oben erstellten Webhooks in Zeile 87 des Codes ein. Löschen Sie dazu den Text in den Anführungszeichen und fügen Sie den neuen Webhook-Namen in die Anführungszeichen in Zeile 87 ein, der wie folgt lautet:

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

5. Der Code kann nun verifiziert, gespeichert und auf dem Photon installiert werden. Beachten Sie, dass der Code in der Cloud gespeichert und auf dem Photon installiert wird. Dieser Code wird verwendet, um den Wasserzähler zu bedienen, wenn er sich im Wasserbrunnen befindet. Während der Feldinstallation müssen einige Änderungen am Code vorgenommen werden, um die Meldefrequenz auf einmal täglich einzustellen und Informationen über den Brunnen hinzuzufügen (dies wird in der angehängten Datei Anleitung zum Wasserstandsmesser.pdf im Abschnitt mit dem Titel „ Installation des Messgeräts in einem Wasserbrunnen“).

Schritt 5: Testen Sie das Messgerät

Der Zähleraufbau und die Softwareeinrichtung sind nun abgeschlossen. An dieser Stelle wird empfohlen, das Messgerät zu testen. Es sollten zwei Tests absolviert werden. Der erste Test wird verwendet, um zu bestätigen, dass das Messgerät den Wasserstand korrekt messen und die Daten an ThingSpeak senden kann. Der zweite Test wird verwendet, um zu bestätigen, dass der Stromverbrauch des Photons im erwarteten Bereich liegt. Dieser zweite Test ist nützlich, da die Batterien früher als erwartet ausfallen, wenn das Photon zu viel Strom verbraucht.

Zu Testzwecken ist der Code so eingestellt, dass er alle zwei Minuten den Wasserstand misst und meldet. Dies ist ein praktischer Zeitraum, um zwischen den Messungen zu warten, während das Messgerät getestet wird. Wenn eine andere Messfrequenz gewünscht wird, ändern Sie die Variable namens MeasureTime in Zeile 16 des Codes auf die gewünschte Messfrequenz. Die Messfrequenz wird in Sekunden eingegeben (d. h. 120 Sekunden entsprechen zwei Minuten).

Der erste Test kann im Büro durchgeführt werden, indem das Messgerät über dem Boden aufgehängt, eingeschaltet und überprüft wird, ob der ThingSpeak-Kanal den Abstand zwischen dem Sensor und dem Boden genau meldet. In diesem Testszenario wird der Ultraschallimpuls vom Boden reflektiert, mit dem die Wasseroberfläche im Brunnen simuliert wird.

Für den zweiten Test sollte der elektrische Strom zwischen dem Akkupack und dem Photon gemessen werden, um zu bestätigen, dass er den Spezifikationen im Photon-Datenblatt entspricht: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… Erfahrungsgemäß hilft dieser Test, defekte IoT-Geräte zu identifizieren, bevor sie im Feld eingesetzt werden. Messen Sie den Strom, indem Sie einen Strommesser zwischen dem positiven V+-Kabel (rotes Kabel) am Akkupack und dem VIN-Pin am Photon platzieren. Der Strom sollte sowohl im Betriebsmodus als auch im Tiefschlafmodus gemessen werden. Schalten Sie dazu das Photon ein und es startet im Betriebsmodus (wie durch die cyanfarbene LED am Photon angezeigt), der ungefähr 20 Sekunden lang läuft. Beobachten Sie während dieser Zeit mit dem Strommesser den Betriebsstrom. Der Photon geht dann automatisch für zwei Minuten in den Tiefschlafmodus (wie durch das Ausschalten der LED am Photon angezeigt). Verwenden Sie den Strommesser, um den Tiefschlafstrom zu diesem Zeitpunkt zu beobachten. Der Betriebsstrom sollte zwischen 80 und 100 mA liegen und der Deep-Sleep-Strom zwischen 80 und 100 µA. Wenn der Strom höher als diese Werte ist, sollte das Photon ersetzt werden.

Der Zähler kann nun in einem Brunnen installiert werden (Abbildung 6). Anweisungen zur Installation des Messgeräts in einem Wasserbrunnen finden Sie in der beigefügten Datei (Anweisungen zum Wasserstandsmesser.pdf).

Schritt 6: So erstellen Sie eine Mobilfunkversion des Messgeräts

Eine Mobilfunkversion des Wasserzählers kann gebaut werden, indem Änderungen an der zuvor beschriebenen Teileliste, den Anweisungen und dem Code vorgenommen werden. Die Mobilfunkversion benötigt kein WLAN, da sie über ein Mobilfunksignal mit dem Internet verbunden ist. Die Kosten für die Teile zum Bau der Mobilfunkversion des Messgeräts betragen ca. 300 Can $ (ohne Steuern und Versand) plus ca. 4 Can $ pro Monat für den Mobilfunk-Datentarif, der mit dem Mobilfunk-IoT-Gerät geliefert wird.

Der Mobilfunkzähler verwendet die gleichen Teile und Konstruktionsschritte wie oben aufgeführt mit den folgenden Modifikationen:

• Ersetzen Sie das WiFi-IoT-Gerät (Particle Photon) durch ein mobiles IoT-Gerät (Particle Electron): https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. Verwenden Sie beim Bau des Messgeräts die gleichen Pin-Verbindungen, die oben für die WiFi-Version des Messgeräts in Schritt 3 beschrieben wurden.

• Das mobile IoT-Gerät verbraucht mehr Strom als die WiFi-Version, daher werden zwei Batteriequellen empfohlen: ein 3,7-V-Li-Po-Akku, der mit dem IoT-Gerät geliefert wird, und ein Akkupack mit 4 AA-Batterien. Der 3,7-V-LiPo-Akku wird mit den mitgelieferten Anschlüssen direkt an das IoT-Gerät angeschlossen. Der AA-Batteriesatz wird auf die gleiche Weise an das IoT-Gerät angeschlossen, wie oben für die WiFi-Version des Messgeräts in Schritt 3 beschrieben. Feldtests haben gezeigt, dass die Mobilfunkversion des Messgeräts mit der oben beschriebenen Batteriekonfiguration ungefähr 9 Monate lang funktioniert. Eine Alternative zur Verwendung sowohl des AA-Akkus als auch des 2000 mAh 3,7 V Li-Po-Akkus ist die Verwendung eines 3,7 V Li-Po-Akkus mit einer höheren Kapazität (z. B. 4000 oder 5000 mAh).

• Am Messgerät muss eine externe Antenne angeschlossen werden, wie zum Beispiel: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. Stellen Sie sicher, dass es für die Frequenz des Mobilfunkanbieters, bei dem der Wasserzähler verwendet wird, ausgelegt ist. Die im Lieferumfang des Mobilfunk-IoT-Geräts enthaltene Antenne ist nicht für den Außeneinsatz geeignet. Die externe Antenne kann mit einem langen (3 m) Kabel angeschlossen werden, mit dem die Antenne außen am Bohrloch am Bohrlochkopf befestigt werden kann (Abbildung 7). Es wird empfohlen, das Antennenkabel durch den Boden des Gehäuses zu führen und gründlich mit Silikon abzudichten, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern (Abbildung 8). Ein hochwertiges, wasserdichtes Koaxial-Verlängerungskabel für den Außenbereich wird empfohlen.

• Das mobile IoT-Gerät läuft mit einem anderen Code als die WiFi-Version des Messgeräts. Der Code für die Mobilfunkversion des Messgeräts ist in der angehängten Datei (Code2_Cellular.txt) enthalten.