WetRuler - Messung der Meereshöhe - Gunook

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

Anfang des Sommers wurde bekannt gegeben, dass das Gebiet in Alaska namens Prince William Sound unerwartet von einem durch die globale Erwärmung ausgelösten Tsunami heimgesucht werden würde. Die Wissenschaftler, die die Entdeckung machten, wiesen auf ein Gebiet mit sich schnell zurückziehendem Eis hin, das einen Schuttberg hinterlassen hatte, der in einen Fjord rutschen und eine 30-Fuß-Welle auslösen würde, die schließlich die Stadt Whittier treffen würde. Dies geschah bereits während des Erdbebens von 1964, bei dem Erschütterungen mehrere Tsunamis in den umliegenden Fjorden auslösten und die Küste einschließlich Whittier und Valdez mit mehreren Toten verwüsteten. Kreuzfahrtschiffe, die bereits vor dem Virus vorsichtig waren, beschlossen, sich nicht in die Nähe des Gebiets zu begeben, und das USFS bot Rückerstattungen für alle gemieteten Kabinen an. Eine Woche später traf eine Tsunami-Warnung alle unsere Handys! Ein Unterwasser-Bake hatte eine Welle entdeckt, die mit einem kleinen Erdbeben vor der Küste verbunden war. Alle regionalen Städte wurden angewiesen, in der Nähe von Wasser zu evakuieren. Es kam zu nichts. Wie misst man diese Ereignisse? Dieses Instructable beschreibt den Bau kleiner Sensoren, die die Meereshöhe messen und die Daten entweder an einen LORA-Empfänger oder direkt an GSM senden können. Die Einheiten sind kompakt und wirken widerstandsfähig gegenüber ihrer Umgebung und werden solarbetrieben. Ich habe sie hier getestet, um reproduzierbare Gezeitenhöhen zu erreichen, aber sie könnten auch für Wellenhöhen- und Tsunami-Vorhersagen verwendet werden.

Schritt 1: Sammeln Sie Ihre Materialien

Es gibt zwei Sendeeinheiten, die ich gebaut habe - eine beinhaltet GSM-Upload (Handy) und die andere LORA-Upload. Sie können auch eine Verbindung mit einem Sat-Beacon in Betracht ziehen, da viele dieser Gebiete keine Mobilfunkabdeckung haben. Der Sensor im Herzen dieser Instrumente ist der MS5803-14BA und seine Verwendung und Montage in verschiedenen Szenarien finden Sie auf diesen Websites: https://thecavepearlproject.org/2016/09/21/field-…und https:// /owhl.org. Die zweite davon zeigt einen brillant gestalteten Remote-Logger mit einer eigenen kundenspezifischen Platine für die Langzeitmessung der Wellenhöhe. Die Sensoren schienen je nach Einrichtung über Monate bis zu einem Jahr wassertolerant zu sein.

1. MS5803-14BA – Sie können diese von DigiKey für 13 US-Dollar erhalten, müssen jedoch einige Oberflächenlötarbeiten durchführen oder eine vorgefertigte Breakout-Platine von SparkFun erwerben, die jedoch 60 US-Dollar kostet. Wenn Sie es selbst herstellen, benötigen Sie eine kleine Adafruit-Platine zum Löten und etwas Niedertemperatur-Lötgel (140F), das ich hilfreich fand. Das Cavepearlproject hat ein großartiges Tutorial, wie man diese von Hand lötet - ich schlage vor, eine billige Rework-Station von Amazon für 30 US-Dollar zu kaufen.

2. LILYGO 2pcs TTGO LORA32 868/915Mhz ESP32 LoRa--$27 diese sind für die LORA-Box.

3. ARDUINO MKR GSM 1400 $55--dies ist ein großartiges Board. Es funktioniert perfekt mit der Hologramm-Sim. Leider konnte ich ihren Arduino Sim trotz mehrerer Versuche nicht dazu bringen, mit ihrem neuen Dienst zu arbeiten. Wenn Sie noch Zugang zum 2GM-Service haben, können Sie etwas billigeres nehmen, aber das ist in Alaska völlig fehlgeschlagen.

4. Solarzellen Uxcell 2Pcs 6V 180mA Poly Mini Solarzelle Panel Modul DIY für Licht Spielzeug Ladegerät 133mm x 73mm $8

5. 18650 Batterie $4

6. TP4056--Ladegerät 1

7. Schalten Sie den robusten Metall-Ein / Aus-Schalter mit grünem LED-Ring - 16 mm Grün ein / aus $ 5

8. Icstation 1S 3,7 V Lithium-Ionen-Batteriespannungstester-Anzeige 4 Abschnitte blaue LED-Anzeige $ 2

9. Adafruit TPL5111 Low Power Timer Breakout - brillantes kleines Zeitmessgerät $ 6,00

10. N-Kanal-Leistungs-MOSFET - 30 V / 60 A 1,75 US-Dollar

11. Differential I2C Long Cable Extender PCA9600-Modul von SandboxElectronics X2 (jeweils 18 US-Dollar) -- es gibt einige erwähnte Erfolge mit langen Kabeln für I2C in der Literatur, aber bei täglichen 25-Fuß-Gezeiten in Alaska brauchen Sie lange Kabel … oh ja, einige Kabel … Ich habe Big Box 23 g 4 Twisted Pair Kabel verwendet, das für den Außenbereich geeignet ist.

12. Adafruit BMP388 - Präzisions-Luftdruck- und Höhenmesser $10

Schritt 2: Bauen Sie die Sensoren

Die Sensoren müssen auf kleine Leiterplatten oberflächengelötet werden. Die beiden vorherigen Werke geben Ihnen einige Hinweise, wie es geht. Ich habe sowohl die Sensoren als auch die winzigen Platinen von Digikey gekauft. Verwenden Sie das Niedertemperatur-Lot von Adafruit und tupfen Sie nur die kleinste Menge neben den Füßen des Sensors, während Sie ihn auf die Platine legen. Verwenden Sie ein Nacharbeitsgebläse, um es zu schmelzen. Ich habe dies mit meinem Handlöt-Setup nicht gut gemacht und am Ende einige der Pads kurzgeschlossen. Der Rest der Verkabelung, wenn Sie Ihre Leitungen richtig überprüfen, ist einfach - setzen Sie einen kleinen Kondensator (0,1 n) zwischen die Strom- und Masseleitungen und heben Sie die CS- und PSB-Leitungen an, um I2C zu initiieren und die Adresse für den Sensor zu steuern. (Siehe Zeichnung) Sie haben zwei Möglichkeiten 0 X 76 Hi und 0 X 77 für Lo. Ich habe beide verwendet, um einen Sensorstab zu bilden, wobei die Sensoren einen Fuß voneinander entfernt platziert sind, um die Druckdifferenz Ihrer Messung zu ermitteln. Ich habe ein 3D-gedrucktes Gehäuse für den Sensor entworfen, damit er vollständig in klarem Epoxid eingekapselt werden kann. Die Mündung der Konushalterung passt perfekt zum winzigen Edelstahlhals des Sensors und die versiegelte Platzierung wird mit einem winzigen Sekundenkleberring erreicht, der ihn in Position hält und für die Epoxidverkapselung abdichtet.

Schritt 3: 3D-Drucken Sie Ihr Gehäuse

Die beiden Hauptgehäuse für GSM und Lora sind gleich mit seitlichen Paneeleinsätzen für die Solarpaneele. Der einzige Mod für die Lora war das Antennenloch oben, das je nach Durchmesser Ihres Geräts gebohrt werden muss. Die GSM-Antenne passt in die andere Box. Das Bedienfeld ist in jedem identisch mit Löchern für den EIN/AUS- und Druckknopf zum Einschalten des Batteriestandsbildschirms. Die Füße sind separat bedruckt und an den Ecken mit Sekundenkleber auf die Gehäuse geklebt und bieten verschiedene Befestigungsmöglichkeiten. Der kleine Revolver und die Schraubkappe sind um die Öffnung für die microUSB-Halterung geklebt, um diese vor dem Eindringen von Wasser zu schützen. Das Gerät ist grundsätzlich sehr wasserbeständig und in PETG gedruckt, um die Wärmeverformung zu minimieren. Ich habe im Hauptgehäuse wärmeingesetzte Messingschraubenhalterungen für 3mm Schrauben im Gehäuse verwendet. Es gibt Dateien für zwei Halterungen für die Sensoren - einer hat zwei Sensoren, die einen Fuß voneinander entfernt auf einem Stab aus Lucite-Kunststoff montiert sind, mit einer Halterung für die I2C-"Booster" -Box, wobei die Schaltung innen montiert und epoxidiert ist. Dieser Zauberstab hat auch zwei 3D-gedruckte Löcher, um Montageoptionen zu ermöglichen. Das andere Sensorgehäuse ist ein einzelner Puck, in den einer der Sensoren eingeschraubt und hinten eine Aussparung für den I2C-"Booster" eingeklebt ist. Alle diese sind in PETG gedruckt. Die restlichen Dateien sind das winzige Gehäuse für die Lora-Empfängereinheit mit kleinem Fenster für die OLED.

Schritt 4: Verdrahten Sie es

Die Sensoren werden parallel mit den SDA-Leitungen, SCL-Leitungen, Pos und Gnd verdrahtet, die alle zu einem verdrillten Kabel mit vier Adern verbunden sind. Die I2C-Booster sind sehr einfach zu bedienen - indem Sie beide Sensoren an die Eingangsleitungen anschließen und das dazwischenliegende lange Kabel von bis zu 60 Metern an die gleiche Art von Empfängereinheit anschließen. Wenn Sie länger gehen, müssen Sie möglicherweise die Pullup-Widerstände auf den Platinen ändern. Die Schaltpläne für den Rest sind oben. Die Schaltung funktioniert durch den Ein- / Ausschalter, der Strom an den Adafruit TPL5111 sendet, der auf 57 Ohm eingestellt ist, um alle 10 Minuten seine Enable-Funktion hochzuschalten - Sie können dies natürlich für weniger oder mehr Datenübertragungsfrequenz einstellen. Dieser steuert einen MOSFET auf der Masse der Hauptplatine (entweder Lora oder den Arduino 400 GSM). (Ich habe festgestellt, dass Boards wie GSM und ESP32 einen zu großen Stromverbrauch für den TPL haben, es sei denn, Sie verwenden einen MOSFET mit ihnen …) Die Stromversorgung für die Sensoren und den BMP388 kommt von der Hauptplatine, wenn er eingeschaltet ist: 3 V. Die Pull-Up-Widerstände befinden sich auf den I2C-Boostern und Sie benötigen sie nicht für die Sensoren in dieser Schaltung. Das Ladeboard TP4056 funktioniert hervorragend mit den beiden Solarpanels und dem angeschlossenen 18650er Akku. Der Taster verbindet nur den Batterieausgang mit dem kleinen Batteriestandsbildschirm. Die beiden am Lucite-Stab angebrachten Sensoren verbrauchen die beiden verfügbaren Adressen einschließlich der Adresse des BMP388 (0 x 77), sodass Sie den BMP mit SPI an die Hauptplatinen anschließen müssen, wenn Sie zwei Wasserdrucksensoren verwenden. Wenn Sie nur einen verwenden (den Puck), können Sie ihn mit I2C verbinden und die verbleibende verfügbare Adresse (0 x 77) für den BMP verwenden.

Schritt 5: Erstellen Sie es

Ich habe Perfboards verwendet, um alles zu verspotten. Die Hauptplatine TPL, BMP kamen alle auf eine Platine. Die Schalter wurden mit ihren Gummitüllen verschraubt. Die Ladeplatine wird mit dem microUSB nach außen am Ausleger der Bedienblende montiert. Der Wasserschutzturm wurde vorne mit Sekundenkleber verklebt und der Schraubverschluss mit etwas Silikonfett an den Gewinden abgedichtet. Der Lucite-Stab wurde aus zwei Schichten 1/4 Kunststoff geschnitten, wobei die Sensoren genau einen Fuß auseinander montiert waren. Die 3D-gedruckten Lochhalterungen wurden an den Enden platziert und der I2C-Booster wurde in der Mitte angeschraubt, wo alle Drahtverbindungen hergestellt wurden. Der Pucksensor wurde 3D-gedruckt und der Booster innen epoxidiert und mit dem einen Sensor verdrahtet. Ein Loch wurde in die Oberseite der Lora-Einheit gebohrt, um die Antenne aufzunehmen, und Löcher wurden in die Rückseite jeder Einheit gesetzt, um die Drähte von den Sensoren aufzunehmen. Ein 3D-gedruckter Drahthalter wird bereitgestellt. Binden Sie den Draht mit einem Reißverschluss daran, nachdem Sie ihn mit Sekundenkleber befestigt haben. Alle Kabelverbindungen sind wärmegeschrumpft und dann zur Wassersicherheit mit flüssigem Isolierband bemalt.

Schritt 6: Programmieren Sie es

Das Programm hat wirklich nicht viel zu bieten. Es stützt sich stark auf die für die Sensoren bereitgestellten Bibliotheken – die perfekt funktionieren und das Wunder der GSM-Blynk-Software für das Arduino-Board, die perfekt mit der Hologramm-Cloud ineinandergreift. Melden Sie sich für ein Hologramm-Konto an und erhalten Sie eine SIM-Karte, die Sie in Ihr Arduino 400 GSM-Board einsetzen können. Der Handshake-Prozess wird von der Blynk--GSM Arduino-Bibliothek abgewickelt. Adafruit hat die Bibliothek für das BMP geschrieben und ich habe die SparkFun-Bibliothek für den MS5803 verwendet. Beide liefern Temperaturausgänge von Ihren Sensoren, wenn Sie möchten. Software-angepasste Pins können fast alles auf der Hauptplatine verwenden. Ich habe die Blynk-Timer-Routine verwendet, um die Blynk-App nicht versehentlich zu überlasten. Sie müssen natürlich mit der Datenmenge vorsichtig sein, die Sie über die GSM-Hologramm-Verbindung senden, oder Sie können eine kleine Rechnung aufbringen - nicht zu viel - sie verbraucht etwa 3 MB pro Woche, was etwa 40 Cent entspricht. Ich habe nur die drei Druckmessungen hochgeladen - 2 unter Wasser und eine aus dem Gehäuse (BMP). Der letzte Teil des Programms ist das Ausschalten des TPL durch Anheben des Done-Pins an der Einheit, der sagt, dass die Daten übertragen wurden, auf HI. Die Blynk-App ist wie immer wunderbar und Sie können jede Art von Ausgabebildschirm gestalten, die Sie möchten, und das Beste daran ist die Möglichkeit, Ihren Datenstapel jederzeit per E-Mail herunterzuladen.

Die Lora-Einheit verwendet die gleichen Bibliotheken und verwendet eine OLED-Einheit (ich habe dies in der Software der Sendereinheit deaktiviert, um Energie zu sparen) und stellt die Frequenz für Ihren bestimmten Standort ein. Es erstellt dann eine Datenzeichenfolge mit Trennzeichen, die es ermöglichen, Ihre Sensormesswerte auf einmal zu senden. Es aktiviert dann seinen Done-Pin zum Herunterfahren. Die Empfängereinheit bricht das Wort auf und sendet die Informationen über eine immer aktive WIFI-Verbindung an die Blynk-App. Der Empfänger ist unglaublich klein und wird in eine Wandwarze gesteckt.

Schritt 7: Verwenden Sie es

Die winzige Sensorfläche nimmt mit hoher Genauigkeit alle Druckkräfte von oben auf – dazu gehört auch der gesamte Luft- und Wasserdruck. Intermittierende Änderungen der Meereshöhe – wie Wellen und Änderungen des Luftdrucks von Stürmen über dem Ozean – wirken sich alle darauf aus. Dies ist der Grund, den Luftdrucksensor in das Gehäuse aufzunehmen (stellen Sie sicher, dass Sie ein paar winzige Luftlöcher vorsehen, damit er richtig gelesen werden kann). Der Sensorstab mit den beiden Sensoren wird in einer Tiefe im Meer verankert, in der er auch bei Ebbe noch von Wasser bedeckt ist. Es ist beliebig, in welcher Tiefe Sie die Sensoren platzieren, da sie nur die Höhenänderung der Wassersäule über der absoluten Höhe messen. Ich benutzte einen Ziegelstein als Anker mit einem daran befestigten Seil, um den Sensorstab ein paar Meter vom Boden entfernt zu montieren. An der oberen Stange des Stabs wurde ein Schwimmer angebracht, um die Sensoren in ihrer vertikalen Ausrichtung mit dem Fuß auseinander zu halten. Der Twisted-Pair-Draht und das Seil führten zu einem Dock, wo sie mit viel Durchhang abgebunden wurden, um die Flutwelle aufzunehmen. Die GSM-Sendereinheit war auf einem nahegelegenen Boot montiert. Die Überwachung erfolgte über einen Monat. Die beiden Sensoren lieferten durchweg 28 Einheiten getrennte Messwerte, die den Druckunterschied in einem Fuß Wasser an dieser Stelle darstellten. Der Luftdruck wurde von den unteren Sensordaten subtrahiert und durch 28 geteilt, um ein Fußäquivalent des Anstiegs und Abfalls der Meeresoberfläche über einen Zeitraum von 10 Minuten zu erhalten. Das obige Diagramm zeigt den Vergleich mit dem NOAA-Diagramm für den gleichen Zeitraum. Der tatsächliche Steig- und Fallsensor/Füße wurde mit der tatsächlichen Bewegung des Docks verglichen und als auf 1/2 Zoll genau befunden. Trotz des hohen Energieverbrauchs von GSM-Übertragungen alle zehn Minuten konnten die Solarmodule in dieser schwachen Regenwaldumgebung problemlos mit der Nachfrage Schritt halten.

Schritt 8: Mehr

Die früheren Verwendungen dieser Sensoren durch die bereits erwähnten Quellen waren das Studium der Wellenhöhe. Meine Ergebnisse stammen aus einem ruhigen Hafen mit minimaler windgetriebener Wellenaktivität, aber Sie können diese Daten erfassen, indem Sie die Abtastfrequenz erhöhen und gleitende Durchschnitte der Ergebnisse erstellen. Das Lora-System funktioniert gut bei Entfernungen, die ein Mesh-Netzwerk von Welleninformationen für mehrere Orte entlang einer Küste liefern würden. Dies wäre ideal für diejenigen, die an Surfaktivitäten interessiert sind. Die geringen Kosten und die sehr geringe Größe dieser unabhängigen Einheiten würden die Ausarbeitung von Küsteninformationen zu einer leichten Aufgabe machen. Derzeit ist die Erfassung von Gezeiteninformationen eine sehr komplizierte und infrastrukturabhängige Regierungstätigkeit, die sich jedoch mit der Einführung alternativer Geräte ändern kann. Blynk ist jetzt so programmiert, dass er mich über den nächsten Tsunami benachrichtigt!