Um medidor de nível de água de poço em tempo real: 6 etapas (com imagens)

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

Estas instruções descrevem como construir um medidor de nível de água em tempo real e de baixo custo para uso em poços cavados. O medidor de nível de água é projetado para ficar dentro de um poço cavado, medir o nível de água uma vez por dia e enviar os dados por WiFi ou conexão de celular para uma página da web para visualização e download imediatos. O custo das peças para construir o medidor é de aproximadamente Can $ 200 para a versão WiFi e Can $ 300 para a versão celular. O medidor é mostrado na Figura 1. Um relatório completo com instruções de construção, lista de peças, dicas para construir e operar o medidor e como instalar o medidor em um poço de água é fornecido no arquivo anexo (Instruções do medidor de nível de água.pdf). Os medidores de nível de água foram usados para desenvolver uma rede regional de monitoramento de aquíferos rasos em tempo real na Nova Escócia, Canadá: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm… Instruções para construir um medidor semelhante que mede água temperatura, condutividade e níveis de água estão disponíveis aqui:

O medidor de nível de água usa um sensor ultrassônico para medir a profundidade da água no poço. O sensor é conectado a um dispositivo de Internet das Coisas (IoT) que se conecta a uma rede WiFi ou celular e envia os dados do nível de água para um serviço da web para serem representados em gráfico. O serviço da web usado neste projeto é ThingSpeak.com, que é gratuito para pequenos projetos não comerciais (menos de 8.200 mensagens / dia). Para que a versão WiFi do medidor funcione, ele deve estar localizado próximo a uma rede WiFi. Poços de água domésticos geralmente atendem a essa condição porque estão localizados perto de uma casa com Wi-Fi. O medidor não inclui um registrador de dados, em vez disso, ele envia os dados do nível de água para o ThingSpeak, onde são armazenados na nuvem. Portanto, se houver um problema de transmissão de dados (por exemplo, durante uma interrupção da Internet), os dados do nível de água para esse dia não são transmitidos e são perdidos permanentemente.

O medidor foi projetado e testado para poços cavados de grande diâmetro (0,9 m de diâmetro interno) com águas rasas (menos de 10 m abaixo da superfície do solo). No entanto, pode ser potencialmente usado para medir os níveis de água em outras situações, como poços de monitoramento ambiental, poços perfurados e corpos d'água superficiais.

O design do medidor apresentado aqui foi modificado após um medidor que foi feito para medir o nível de água em uma caixa d'água doméstica e relatar o nível de água via Twitter, publicado por Tim Ousley em 2015: https://www.instructables.com/id/Wi -Fi-Twitter-Wa…. As principais diferenças entre o design original e o design apresentado aqui são a capacidade de operar o medidor com baterias AA em vez de um adaptador de energia com fio, a capacidade de visualizar os dados em um gráfico de série temporal em vez de uma mensagem do Twitter e o uso de um sensor ultrassônico que é projetado especificamente para medir os níveis de água.

Instruções passo a passo para construir o medidor de nível de água são fornecidas abaixo. Recomenda-se que o construtor leia todas as etapas de construção antes de iniciar o processo de construção do medidor. O dispositivo IoT usado neste projeto é um fóton de partícula e, portanto, nas seções a seguir, os termos "dispositivo IoT" e "fóton" são usados alternadamente.

Suprimentos

Partes eletrônicas:

Sensor - MaxBotix MB7389 (alcance de 5m)

Dispositivo IoT - Particle Photon com cabeçalhos

Antena (antena interna instalada dentro da caixa do medidor) - conector de 2,4 GHz, 6dBi, IPEX ou u. FL, 170 mm de comprimento

Pacote de bateria - 4 X AA

Fio - fio jumper com conectores push-on (300 mm de comprimento)

Baterias - 4 X AA

Canalizações e peças de hardware:

Tubo - ABS, 50 mm (2 polegadas) de diâmetro, 125 mm de comprimento

Tampa superior, ABS, 50 mm (2 polegadas), rosqueada com junta para fazer uma vedação estanque

Tampa inferior, PVC, 50 mm (2 pol.) Com rosca NPT fêmea de ¾ pol. Para encaixar no sensor

2 acopladores de tubo, ABS, 50 mm (2 polegadas) para conectar a tampa superior e inferior ao tubo ABS

Parafuso com olhal e 2 porcas de aço inoxidável (1/4 polegada) para fazer o gancho na tampa superior

Outros materiais: fita isolante, fita de teflon, solda, silicone, cola para caixa de montagem

Etapa 1: montar a caixa do medidor

Monte a caixa do medidor conforme mostrado nas Figuras 1 e 2 acima. O comprimento total do medidor montado, ponta a ponta, incluindo o sensor e o olhal, é de aproximadamente 320 mm. O tubo ABS de 50 mm de diâmetro usado para fazer a caixa do medidor deve ser cortado em aproximadamente 125 mm de comprimento. Isso permite espaço suficiente dentro da caixa para abrigar o dispositivo IoT, a bateria e uma antena interna de 170 mm de comprimento.

Vede todas as juntas com cola de silicone ou ABS para tornar a caixa estanque. Isso é muito importante, caso contrário, a umidade pode entrar no gabinete e destruir os componentes internos. Um pequeno pacote dessecante pode ser colocado dentro da caixa para absorver a umidade.

Instale um parafuso de olhal na tampa superior fazendo um orifício e inserindo o parafuso de olhal e a porca. Uma porca deve ser usada tanto no interior como no exterior da caixa para prender o parafuso com olhal. Coloque silicone no interior da tampa no orifício do parafuso para torná-la estanque.

Etapa 2: conectar os fios ao sensor

Três fios (consulte a Figura 3a) devem ser soldados ao sensor para conectá-lo ao Photon (ou seja, os pinos do sensor GND, V + e Pino 2). Soldar os fios para o sensor pode ser um desafio porque os orifícios de conexão no sensor são pequenos e próximos uns dos outros. É muito importante que os fios sejam soldados adequadamente ao sensor para que haja uma boa e forte conexão física e elétrica e sem arcos de solda entre os fios adjacentes. Uma boa iluminação e uma lente de aumento ajudam no processo de soldagem. Para aqueles que não têm experiência anterior em soldagem, alguma prática de soldagem é recomendada antes de soldar os fios ao sensor. Um tutorial online sobre como soldar está disponível na SparkFun Electronics (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…).

Depois que os fios são soldados ao sensor, qualquer excesso de fio desencapado que saia do sensor pode ser aparado com alicate de corte em aproximadamente 2 mm de comprimento. Recomenda-se que as juntas de solda sejam cobertas com um grosso cordão de silicone. Isso dá às conexões mais resistência e reduz a chance de corrosão e problemas elétricos nas conexões do sensor se a umidade entrar na caixa do medidor. Fita elétrica também pode ser enrolada em volta dos três fios na conexão do sensor para fornecer proteção adicional e alívio de tensão, reduzindo a chance de que os fios se quebrem nas juntas de solda.

Os fios do sensor podem ter conectores do tipo push-on (consulte a Figura 3b) em uma extremidade para anexar ao Photon. O uso de conectores push-on facilita a montagem e desmontagem do medidor. Os fios do sensor devem ter pelo menos 270 mm de comprimento para que possam se estender por todo o comprimento da caixa do medidor. Este comprimento permitirá que o Photon seja conectado da extremidade superior da caixa com o sensor colocado na extremidade inferior da caixa. Observe que este comprimento de fio recomendado presume que o tubo ABS usado para fazer a caixa do medidor é cortado em um comprimento de 125 mm. Confirme antes de cortar e soldar os fios ao sensor se um comprimento de fio de 270 mm é suficiente para se estender além da parte superior da caixa do medidor para que o fóton possa ser conectado após a caixa ter sido montada e o sensor estar permanentemente conectado a O caso.

O sensor agora pode ser conectado à caixa do medidor. Deve ser aparafusado firmemente na tampa inferior, usando fita de Teflon para garantir uma vedação estanque.

Etapa 3: conecte o sensor, a bateria e a antena ao dispositivo IoT

Conecte o sensor, a bateria e a antena ao Photon (Figura 4) e insira todas as peças na caixa do medidor. Uma lista das conexões de pinos indicadas na Figura 4 é fornecida abaixo. Os fios do sensor e da bateria podem ser conectados por soldagem direta ao Photon ou com conectores do tipo push-on que se prendem aos pinos do conector na parte inferior do Photon (como visto na Figura 2). O uso de conectores push-on torna mais fácil desmontar o medidor ou substituir o Photon se ele falhar. A conexão da antena no Photon requer um conector do tipo u. FL (Figura 4) e deve ser pressionada com muita firmeza no Photon para fazer a conexão. Não instale as baterias no pacote de bateria até que o medidor esteja pronto para ser testado ou instalado em um poço. Não há interruptor liga / desliga incluído neste projeto, então o medidor é ligado e desligado instalando e removendo as baterias.

Lista de conexões de pinos no dispositivo IoT (Particle Photon):

Pino D3 do fóton - conecte ao - Pino 2 do sensor, dados (fio marrom)

Pino D2 do fóton - conecte ao - Pino 6 do sensor, V + (fio vermelho)

Pino de fóton GND - conectar a - Sensor pino 7, GND (fio preto)

Pino de fóton VIN - conectar a - Bateria, V + (fio vermelho)

Pino de fóton GND - conectar a - Bateria, GND (fio preto)

Pino Photon u. FL - conectar - Antena

Etapa 4: configuração do software

Cinco etapas principais são necessárias para configurar o software do medidor:

1. Crie uma conta Particle que fornecerá uma interface online com o Photon. Para fazer isso, baixe o aplicativo móvel Particle para um smartphone: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. Depois de instalar o aplicativo, crie uma conta Particle e siga as instruções online para adicionar o Photon à conta. Observe que quaisquer fótons adicionais podem ser adicionados à mesma conta sem a necessidade de baixar o aplicativo Particle e criar uma conta novamente.

2. Crie uma conta ThingSpeak https://thingspeak.com/login e configure um novo canal para exibir os dados do nível de água. Um exemplo de página da Web do ThingSpeak para um medidor de água é mostrado na Figura 5, que também pode ser visualizada aqui: https://thingspeak.com/channels/316660. As instruções para configurar um canal ThingSpeak são fornecidas em https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w … Observe que canais adicionais para outros Photons podem ser adicionados à mesma conta sem a necessidade de criar outra conta ThingSpeak.

3. Um “webhook” é necessário para passar os dados do nível de água do Photon para o canal ThingSpeak. As instruções para configurar um webhook são fornecidas em https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. Se mais de um medidor de água estiver sendo construído, um novo webhook com um nome exclusivo deve ser criado para cada fóton adicional.

4. O webhook que foi criado na etapa acima deve ser inserido no código que opera o Photon. O código para a versão WiFi do medidor de nível de água é fornecido no arquivo anexo (Code1_WiFi.txt). Em um computador, acesse a página da Web do Particle https://login.particle.io/login?redirect=https://… faça login na conta do Particle e navegue até a interface do aplicativo Particle. Copie o código e use-o para criar um novo aplicativo na interface do aplicativo Particle. Insira o nome do webhook criado acima na linha 87 do código. Para fazer isso, exclua o texto entre as aspas e insira o novo nome do webhook entre as aspas na linha 87, que é o seguinte:

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

5. O código agora pode ser verificado, salvo e instalado no Photon. Observe que o código é armazenado e instalado no Photon da nuvem. Este código será usado para operar o hidrômetro quando ele estiver dentro do poço. Durante a instalação em campo, algumas alterações precisarão ser feitas no código para definir a frequência de relatório para uma vez por dia e adicionar informações sobre o poço de água (isso está descrito no arquivo anexo Instruções do medidor de nível de água.pdf na seção intitulada Instalação do medidor em um poço de água”).

Etapa 5: teste o medidor

A construção do medidor e a configuração do software agora estão completas. Neste ponto, é recomendado que o medidor seja testado. Dois testes devem ser concluídos. O primeiro teste é usado para confirmar se o medidor pode medir os níveis de água corretamente e enviar os dados para o ThingSpeak. O segundo teste é usado para confirmar se o consumo de energia do Photon está dentro da faixa esperada. Este segundo teste é útil porque as baterias irão falhar mais cedo do que o esperado se o Photon estiver usando muita energia.

Para fins de teste, o código é definido para medir e relatar os níveis de água a cada dois minutos. Este é um período de tempo prático para esperar entre as medições enquanto o medidor está sendo testado. Se uma frequência de medição diferente for desejada, altere a variável chamada MeasureTime na linha 16 do código para a frequência de medição desejada. A frequência de medição é inserida em segundos (ou seja, 120 segundos é igual a dois minutos).

O primeiro teste pode ser feito no escritório pendurando o medidor acima do chão, ligando-o e verificando se o canal ThingSpeak reporta com precisão a distância entre o sensor e o chão. Neste cenário de teste, o pulso ultrassônico reflete no chão, que é usado para simular a superfície da água no poço.

Para o segundo teste, a corrente elétrica entre a bateria e o fóton deve ser medida para confirmar que corresponde às especificações na folha de dados do fóton: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… A experiência mostra que este teste ajuda a identificar dispositivos IoT defeituosos antes de serem implantados em campo. Meça a corrente colocando um medidor de corrente entre o fio V + positivo (fio vermelho) na bateria e o pino VIN no Photon. A corrente deve ser medida tanto no modo de operação quanto no modo de hibernação. Para isso, ligue o Photon e ele iniciará no modo operacional (conforme indicado pelo LED no Photon passando para a cor ciano), que funciona por aproximadamente 20 segundos. Use o medidor de corrente para observar a corrente operacional durante este tempo. O Photon entrará automaticamente no modo de hibernação por dois minutos (conforme indicado pelo desligamento do LED no Photon). Use o medidor de corrente para observar a corrente do sono profundo neste momento. A corrente de operação deve estar entre 80 e 100 mA, e a corrente do sono profundo deve estar entre 80 e 100 µA. Se a corrente for superior a esses valores, o Photon deve ser substituído.

O medidor agora está pronto para ser instalado em um poço de água (Figura 6). As instruções sobre como instalar o medidor em um poço de água são fornecidas no arquivo anexo (Instruções do medidor de nível de água.pdf).

Etapa 6: como fazer uma versão celular do medidor

Uma versão celular do medidor de água pode ser construída fazendo modificações na lista de peças, instruções e código descritos anteriormente. A versão celular não requer WiFi porque se conecta à Internet por meio de um sinal de celular. O custo das peças para construir a versão celular do medidor é de aproximadamente Can $ 300 (excluindo impostos e frete), mais aproximadamente Can $ 4 por mês para o plano de dados do celular que vem com o dispositivo IoT celular.

O medidor celular usa as mesmas peças e etapas de construção listadas acima com as seguintes modificações:

• Substitua o dispositivo IoT WiFi (Particle Photon) por um dispositivo IoT celular (Particle Electron): https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. Ao construir o medidor, use as mesmas conexões de pino descritas acima para a versão WiFi do medidor na Etapa 3.

• O dispositivo IoT celular usa mais energia do que a versão WiFi e, portanto, duas fontes de bateria são recomendadas: uma bateria Li-Po de 3,7 V, que vem com o dispositivo IoT, e uma bateria com 4 baterias AA. A bateria 3,7 V LiPo conecta-se diretamente ao dispositivo IoT com os conectores fornecidos. O pacote de bateria AA é conectado ao dispositivo IoT da mesma maneira que descrito acima para a versão WiFi do medidor na Etapa 3. O teste de campo mostrou que a versão celular do medidor irá operar por aproximadamente 9 meses usando a configuração de bateria descrita acima. Uma alternativa ao uso da bateria AA e da bateria Li-Po de 3,7 V de 2.000 mAh é usar uma bateria de Li-Po de 3,7 V com maior capacidade (por exemplo, 4.000 ou 5.000 mAh).

• Uma antena externa deve ser conectada ao medidor, como: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. Certifique-se de que está classificado para a frequência usada pela operadora de celular onde o hidrômetro será usado. A antena que acompanha o dispositivo IoT celular não é adequada para uso ao ar livre. A antena externa pode ser conectada com um cabo longo (3 m) que permite que a antena seja conectada na parte externa do poço na cabeça do poço (Figura 7). Recomenda-se que o cabo da antena seja inserido pela parte inferior da caixa e totalmente vedado com silicone para evitar a entrada de umidade (Figura 8). Recomenda-se um cabo de extensão coaxial externo de boa qualidade à prova d'água.

• O dispositivo IoT celular funciona com um código diferente da versão WiFi do medidor. O código para a versão celular do medidor é fornecido no arquivo anexo (Code2_Cellular.txt).