Smart Buoy [Resumo]: 8 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Todos nós amamos o litoral. Como um coletivo, nós nos reunimos para passar férias, praticar esportes aquáticos ou ganhar nosso sustento. Mas a costa é uma área dinâmica à mercê das ondas. O aumento do nível do mar afeta as praias e eventos extremos poderosos, como furacões, as dizimam completamente. Para entender como salvá-los, precisamos entender as forças que impulsionam sua mudança.

A pesquisa é cara, mas se você pudesse criar instrumentos baratos e eficazes, seria capaz de gerar mais dados - melhorando, em última análise, a compreensão. Este foi o pensamento por trás de nosso projeto Smart Buoy. Neste resumo, apresentamos um resumo rápido do nosso projeto e o dividimos em design, marca e apresentação de dados. Oh boia, você vai adorar isso..!

Suprimentos

Para a construção completa do Smart Buoy, você precisa de MUITAS coisas. Teremos a análise de materiais específicos necessários para cada estágio da construção no tutorial relevante, mas aqui está a lista completa:

• Arduino Nano - Amazon
• Raspberry Pi Zero - Amazon
• Bateria (18650) - Amazon
• Painéis solares - Amazon
• Diodos de bloqueio - Amazon
• Controlador de carga - Amazon
• Buck booster - Amazon
• Módulo GPS - Amazon
• GY-86 (acelerômetro, giroscópio, barômetro, bússola) - Amazon
• Sensor de temperatura da água - Amazonas
• Módulo de monitoramento de energia - Amazon
• Módulo de relógio em tempo real - Amazon
• Módulos de rádio - Amazon
• Módulo multiplexador i ^ 2c - Amazon
• Impressora 3D - Amazon
• Filamento PETG - Amazon
• Epóxi - Amazon
• Tinta spray de primer - Amazon
• Corda - Amazon
• Flutuadores - Amazon
• Cola - amazon

Todo o código usado pode ser encontrado em

Etapa 1: o que ele faz?

Os sensores a bordo do Smart Buoy permitem medir: altura da onda, período da onda, potência da onda, temperatura da água, temperatura do ar, pressão do ar, tensão, uso atual e localização GPS.

Em um mundo ideal, ele também teria medido a direção das ondas. Com base nas medições que a Buoy fez, estávamos bem próximos de encontrar uma solução que nos permitiria calcular a direção das ondas. No entanto, acabou sendo muito complicado e é um problema enorme na comunidade de pesquisa real. Se houver alguém que possa nos ajudar e sugerir uma maneira eficaz de obter medições da direção das ondas, informe-nos - adoraríamos saber como podemos fazer isso funcionar! Todos os dados que o Buoy coleta são enviados via rádio para uma estação base, que é um Raspberry Pi. Fizemos um painel para exibi-los usando o Vue JS.

Etapa 2: Construir - Caixa da Bóia

Esta bóia foi provavelmente a coisa mais difícil que imprimimos até agora. Havia tantas coisas a se levar em consideração, já que seria no mar, exposto aos elementos e a muito sol. Falaremos mais sobre isso mais tarde na série Smart Buoy.

Em resumo: imprimimos uma esfera quase oca em duas metades. A metade superior tem ranhuras para os painéis solares e um orifício para a passagem de uma antena de rádio. A metade inferior tem um orifício para passar um sensor de temperatura e uma alça para amarrar uma corda.

Depois de imprimir a bóia com filamento PETG, lixamos, pintamos com spray um pouco de primer para preenchimento e aplicamos algumas camadas de epóxi.

Assim que a preparação da cápsula foi concluída, colocamos todos os componentes eletrônicos dentro e selamos o sensor de temperatura da água, antena de rádio e painéis solares usando uma pistola de cola. Por fim, selamos as duas metades com cola / adesivo StixAll (super cola para avião).

E então esperávamos que fosse à prova d'água …

Etapa 3: Construir - Bóia Eletrônica

O Buoy tem muitos sensores a bordo e entraremos em detalhes sobre eles no tutorial relevante. Como este é um resumo, tentaremos mantê-lo informativo, mas breve!

A bóia é alimentada por uma bateria 18650, que é carregada por quatro painéis solares de 5V. Porém, apenas o relógio em tempo real está constantemente ligado. O Buoy usa o pino de saída do relógio em tempo real para controlar um transistor, permitindo que a energia entre no resto do sistema. Quando o sistema é ligado, ele começa obtendo medições dos sensores - incluindo um valor de tensão do módulo de monitoramento de energia. O valor fornecido pelo módulo de monitoramento de energia determina por quanto tempo o sistema dorme antes de fazer o próximo conjunto de leituras. Um alarme é definido para este tempo, então o sistema desliga-se!

O sistema em si é um monte de sensores e um módulo de rádio conectado a um Arduino. O módulo GY-86, RealTimeClock (RTC), módulo Power Monitor e multiplexador I2C se comunicam com o Arduino usando I2C. Precisávamos que o multiplexador I2C fosse necessário porque o GY-86 e o módulo RTC que usamos têm o mesmo endereço. O módulo multiplexador permite que você se comunique sem problemas extras, embora possa ser um pouco exagero.

O módulo de rádio se comunica via SPI.

Originalmente, tínhamos um módulo de cartão SD também, mas ele causou tantas dores de cabeça devido ao tamanho da biblioteca SD que decidimos descartá-lo.

Dê uma olhada no código. É provável que você tenha algumas perguntas - provavelmente dúvidas persistentes também - e ficaríamos felizes em ouvi-las. Os tutoriais detalhados incluem explicações sobre o código, portanto, espero que eles tornem isso um pouco mais claro!

Tentamos separar logicamente os arquivos de código e usar um arquivo principal para incluí-los, o que pareceu funcionar muito bem.

Etapa 4: Construir - Eletrônica da estação base

A estação base é feita usando um Raspberry Pi Zero com um módulo de rádio conectado. Pegamos o invólucro em https://www.thingiverse.com/thing:1595429. Você é fabuloso, muito obrigado!

Depois de ter o código em execução no Arduino, é muito simples obter as medições no Raspberry Pi executando o código listen_to_radio.py.

Etapa 5: Painel

Mostrar como fizemos o painel inteiro seria um pouco como uma Odisséia, porque foi um projeto muito longo e complicado. Se alguém quiser saber como fizemos isso, diga-nos - o desenvolvedor da web residente T3ch Flicks ficaria mais do que feliz em fazer um tutorial sobre isso!

Depois de colocar esses arquivos em um Raspberry Pi, você deve ser capaz de executar o servidor e ver o painel com os dados que chegam. Por motivos de desenvolvimento e para ver como o painel ficaria se fosse fornecido por dados bons e regulares, adicionamos um gerador de dados falso ao servidor. Execute-o se quiser ver como fica quando você tem mais dados. Também explicaremos isso com alguns detalhes em um tutorial posterior.

(Lembre-se de que você pode encontrar todo o código em

Etapa 6: Versão 2 ?? - Problemas

Este projeto não é absolutamente perfeito - gostamos de pensar nele mais como um protótipo / prova de conceito. Embora o protótipo funcione em um nível fundamental: ele flutua, faz medições e é capaz de transmiti-las, há muito que aprendemos e mudaríamos para a versão dois:

1. Nosso maior problema era não conseguir alterar o código da Buoy depois de colá-la. Isso foi realmente um lapso e poderia ser resolvido de forma muito eficaz com uma porta USB coberta com um selo de borracha. Isso, no entanto, teria adicionado uma outra camada de complexidade ao processo de impermeabilização da impressão 3D!
2. Os algoritmos que usamos estavam longe de ser perfeitos. Nossos métodos para determinar as propriedades das ondas eram muito grosseiros e acabamos gastando muito do nosso tempo lendo matemática para combinar os dados do sensor do magnetômetro, acelerômetro e giroscópio. Se alguém entende isso e está disposto a ajudar, achamos que poderíamos tornar essas medições muito mais precisas.
3. Alguns dos sensores agiram um pouco estranhamente. O sensor de temperatura da água foi o que mais se destacou por ser particularmente duvidoso - às vezes quase 10 graus fora da temperatura real. A razão para isso pode ter sido apenas um sensor defeituoso ou algo o estava esquentando …

Etapa 7: Versão 2 ?? - Melhorias

O Arduino era bom, mas como mencionado antes, tivemos que descartar o módulo do cartão SD (que deveria ser o backup de dados se as mensagens de rádio não pudessem ser enviadas) devido a problemas de memória. Poderíamos alterá-lo para um microcontrolador mais poderoso como um Arduino Mega ou um Teensy ou apenas usar outro Raspberry Pi zero. No entanto, isso aumentaria o custo e o consumo de energia.

O módulo de rádio que usamos tem um alcance limitado de alguns quilômetros com linha de visão direta. No entanto, em um mundo hipotético onde pudemos colocar (muito) muitas bóias ao redor da ilha, poderíamos ter formado uma rede mesh como esta. Existem tantas possibilidades para transmissão de dados de longo alcance, incluindo lora, grsm. Se pudéssemos usar um desses, talvez uma rede mesh ao redor da ilha fosse possível!

Etapa 8: Usando Nosso Smart Buoy para Pesquisa

Construímos e lançamos o Buoy em Granada, uma pequena ilha no sul do Caribe. Enquanto estávamos lá, conversamos com o governo granadino, que disse que uma Smart Buoy como a que criamos seria útil para fornecer medições quantitativas das características do oceano. As medições automatizadas eliminariam alguns esforços e erros humanos e forneceriam um contexto útil para compreender as mudanças nas costas. O governo também sugeriu que fazer medições do vento também seria um recurso útil para seus propósitos. Não tenho ideia de como vamos administrar isso, então, se alguém tiver alguma ideia …

Uma advertência importante é que, embora seja um momento realmente empolgante para a pesquisa costeira, particularmente envolvendo tecnologia, há um longo caminho a percorrer antes que ela possa ser totalmente adotada.

Obrigado por ler a postagem do blog com o resumo da série Smart Buoy. Se você ainda não fez isso, dê uma olhada em nosso vídeo de resumo no YouTube.

Inscreva-se na nossa lista de discussão!

Parte 1: Fazendo Onda e Medição de Temperatura

Parte 2: Rádio GPS NRF24 e cartão SD

Parte 3: Programação de energia para a bóia

Parte 4: Implantando a bóia