WetRuler - Medindo a altura do oceano: 8 etapas (com fotos)

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

O anúncio veio no início deste verão de que a área no Alasca chamada Prince William Sound seria inesperadamente atingida por um tsunami iniciado pelo aquecimento global. Os cientistas que fizeram a descoberta apontaram para uma área de gelo em recuo rápido que deixou para trás uma montanha de destroços que escorregaria para um fiorde e iniciaria uma onda de 9 metros que acabaria atingindo a cidade de Whittier. Isso já aconteceu antes, durante o terremoto de 1964, onde o tremor iniciou vários tsunamis nos fiordes circundantes e devastou a costa, incluindo Whittier e Valdez, com várias mortes. Os barcos de cruzeiro já cautelosos com o vírus decidiram não chegar perto da área e o USFS ofereceu reembolso em todas as cabines alugadas. Uma semana depois, um alerta de tsunami atingiu todos os nossos telefones celulares! Um farol subaquático detectou uma onda associada a um pequeno terremoto na costa. Todas as cidades regionais foram orientadas a evacuar se estivessem perto da água. Não deu em nada. Como você mede esses eventos? Este Instructable detalha a construção de pequenos sensores que são capazes de medir a altura do oceano e enviar os dados para um receptor LORA ou diretamente para o GSM. As unidades são compactas e parecem resistentes ao ambiente e funcionam com energia solar. Eu os testei aqui para alcançar alturas de maré reproduzíveis, mas eles também podem ser usados para a altura das ondas e previsões de tsunami.

Etapa 1: Reúna seus materiais

Há duas unidades de envio que eu construí - uma envolve o upload de GSM (telefone celular) e a outra de upload de LORA. Você também pode considerar a interface com um beacon de satélite, pois muitas dessas áreas não têm cobertura de telefone celular. O sensor no coração desses instrumentos é o MS5803-14BA e seu uso e montagem em diferentes cenários podem ser encontrados nestes sites: https://thecavepearlproject.org/2016/09/21/field-… e http: / /owhl.org. O segundo deles mostra um logger remoto brilhantemente projetado com seu próprio PCB projetado para medição de longo prazo da altura das ondas. Os sensores pareciam tolerar a água por meses a um ano, dependendo da configuração.

1. MS5803-14BA - você pode obtê-los na DigiKey por $ 13, mas você precisa fazer algum trabalho de solda de superfície ou obter uma placa de breakout pré-fabricada da SparkFun, mas custará $ 60. Se você fizer DIY, precisará de uma pequena placa Adafruit para soldá-la e um pouco de gel de solda de baixa temperatura (140F) que achei útil. O projeto cavepearl tem um ótimo tutorial sobre como soldá-los manualmente - sugiro comprar uma estação de retrabalho barata da Amazon por $ 30.

2. LILYGO 2pcs TTGO LORA32 868 / 915Mhz ESP32 LoRa - $ 27 para a caixa LORA.

3. ARDUINO MKR GSM 1400 $ 55 - esta é uma ótima placa. Funciona perfeitamente com o sim do holograma. Infelizmente, não consegui fazer o Arduino Sim funcionar com o novo serviço, apesar de várias tentativas. Se você ainda tem acesso ao serviço 2GM, pode escolher algo mais barato, mas que falhou totalmente no Alasca.

4. Células solares Uxcell 2 unidades 6V 180mA Poly Mini Módulo de painel de células solares faça você mesmo para brinquedos leves Carregador 133 mm x 73 mm $ 8

5. Bateria 18650 $ 4

6. TP4056 - carregador $ 1

7. Chave liga / desliga de metal resistente com anel LED verde - 16 mm verde liga / desliga $ 5

8. Indicador do testador de voltagem da bateria de íon de lítio Icstation 1S 3.7V 4 seções Tela de LED azul $ 2

9. Adafruit TPL5111 Low Power Timer Breakout - pequeno dispositivo de cronometragem brilhante $ 6,00

10. MOSFET de alimentação do canal N - 30V / 60A $ 1,75

11. Módulo extensor de cabo longo diferencial I2C PCA9600 da SandboxElectronics X2 (US $ 18 cada) - há algum sucesso mencionado com cabos longos para I2C na literatura, mas com marés diárias de 25 pés no Alasca você precisa de cabos longos … ah sim, alguns cabos.. Usei cabo de par trançado big box 23 g 4 adequado para uso externo.

12. Adafruit BMP388 - Pressão Barométrica de Precisão e Altímetro $ 10

Etapa 2: construir os sensores

Os sensores devem ser soldados em superfície a pequenos PCBs. Os dois trabalhos anteriores fornecem algumas dicas sobre como fazer isso. Comprei os sensores e as pequenas placas da Digikey. Use a solda de baixa temperatura da Adafruit e aplique apenas a menor quantidade adjacente aos pés do sensor ao colocá-lo na placa. Use um soprador de retrabalho para derretê-lo no lugar. Não consegui fazer isso bem com minha configuração de solda manual e acabei causando um curto-circuito em algumas das pastilhas. O resto da fiação, se você verificar seus cabos corretamente, é fácil - colocar um pequeno capacitor (0,1n) entre os cabos de alimentação e terra e aumentar os cabos CS e PSB Hi para iniciar I2C e controlar o endereço do sensor. (Veja o desenho) Você tem duas opções 0 X 76 Hi e 0 X 77 para Lo. Usei ambos para formar uma varinha de sensor com os sensores colocados a um pé de distância para dar o diferencial de pressão de qualquer medição. Projetei uma caixa impressa em 3D para o sensor para permitir que seja totalmente encapsulado em epóxi transparente. A boca da montagem do cone se encaixa perfeitamente no minúsculo pescoço de aço inoxidável do sensor e a colocação selada é realizada com um minúsculo anel de supercola que o mantém na posição e o veda para encapsulamento de epóxi.

Etapa 3: Imprima sua caixa em 3D

As duas caixas principais para GSM e Lora são as mesmas com inserções nos painéis laterais para os painéis solares. O único mod para o Lora era o orifício da antena na parte superior, que deve ser perfurado dependendo do diâmetro de sua unidade. A antena GSM cabe dentro da outra caixa. O painel de controle em cada um é idêntico, com orifícios para ON / OFF e botão para ligar a tela de nível da bateria. Os pés são impressos separadamente e colados nas caixas nos cantos e oferecem várias opções de montagem. A pequena torre e a tampa de rosca são coladas ao redor da abertura para a montagem microUSB para protegê-la da incursão de água. A unidade é basicamente muito resistente à água e impressa em PETG para minimizar a distorção por calor. Usei montagens de parafuso de latão com inserção de calor na caixa principal para parafusos de 3 mm na caixa. Existem arquivos para duas montagens para os sensores - uma tem dois sensores montados com um pé de distância em uma varinha de plástico lucite com uma montagem para a caixa "booster" I2C com o circuito montado e epóxi no interior. Esta varinha também possui dois orifícios impressos em 3D para acomodar as opções de montagem. O outro invólucro do sensor é um único disco com um dos sensores aparafusado nele e um recorte na parte traseira para o "reforço" I2C epoxificado nele. Todos eles são impressos em PETG. Os arquivos restantes são o minúsculo compartimento para a unidade receptora Lora com uma pequena janela para o OLED.

Etapa 4: conecte-o

Os sensores são conectados em paralelo com as linhas SDA, linhas SCL, Pos e Gnd, todos unidos em um cabo trançado com quatro condutores. Os boosters I2C são muito fáceis de usar - conectando ambos os sensores às linhas de entrada e o cabo longo intermediário de até 60 metros conectado ao mesmo tipo de unidade receptora. Se você for mais tempo, pode ter que mudar os resistores pull up nas placas. Os diagramas de fiação para o resto estão acima. O circuito funciona ligando / desligando o envio de energia para o Adafruit TPL5111, que é definido para 57 ohms para ativar seu Enable alto a cada 10 minutos - você pode, é claro, ajustar isso para menos ou mais frequência de transmissão de dados. Isso controla um MOSFET no solo da placa principal (Lora ou Arduino 400 GSM). (Eu descobri que placas como o GSM e ESP32 têm um grande consumo de energia para o TPL, a menos que você use um MOSFET com eles …) Energia para os sensores e o BMP388 vem da placa principal quando está ligado: 3v. Os resistores pull up estão nos boosters I2C e você não precisa deles para os sensores neste circuito. A placa de carregamento TP4056 funciona muito bem com os dois painéis solares e a bateria 18650 instalada. O botão de pressão apenas conecta a saída da bateria à pequena tela de nível da bateria. Os dois sensores conectados à varinha lucite usam os dois endereços disponíveis, incluindo o endereço do BMP388 (0 X 77), então você deve conectar o BMP com SPI às placas principais se estiver usando dois sensores de pressão de água. Se você estiver usando apenas um (o disco), você pode conectá-lo com I2C e usar o endereço disponível restante (0 X 77) para o BMP.

Etapa 5: Construa

Usei perfboards para simular tudo. O TPL da placa principal, BMP foram todos em uma placa. Os interruptores foram parafusados no lugar com seus anéis isolantes de borracha. A placa do carregador é montada no estabilizador da placa frontal de controle com o microUSB voltado para fora. A torre de proteção contra água foi supercolada na frente e a tampa de rosca foi selada com um pouco de graxa de silicone nas roscas. A varinha de luz foi cortada de duas camadas de plástico 1/4 com os sensores montados com exatamente 30 centímetros de distância. Os orifícios impressos em 3D foram colocados nas extremidades e o booster I2C foi aparafusado no meio, onde todas as conexões de fios foram feitas. O sensor do disco foi impresso em 3D e o booster foi epóxi dentro e conectado a um sensor. Um orifício foi feito na parte superior da unidade Lora para acomodar a antena e orifícios foram colocados na parte traseira de cada unidade para acomodar o fio dos sensores. Um suporte de fio impresso em 3D é fornecido. Amarre o fio com zíper depois de colá-lo no lugar. Todas as conexões de fios são termorretráteis marítimas e, em seguida, pintadas com fita isolante líquida para segurança da água.

Etapa 6: programe

Realmente não há muito no programa. Ele depende muito das bibliotecas fornecidas para os sensores --- que funcionam perfeitamente e o milagre do software GSM Blynk para a placa Arduino que se encaixa perfeitamente com a nuvem de holograma. Inscreva-se em uma conta Hologram e obtenha um cartão SIM deles para colocar em sua placa Arduino 400 GSM. O processo de handshaking é todo gerenciado pela biblioteca Blynk - GSM Arduino. Adafruit escreveu a biblioteca para o BMP e eu usei a biblioteca SparkFun para o MS5803. Ambos fornecem saídas de temperatura de seus sensores, se você quiser. Pinos ajustados por software podem usar praticamente qualquer coisa na placa principal. Usei a rotina do temporizador Blynk para não sobrecarregar acidentalmente o aplicativo Blynk. É claro que você tem que ter cuidado com a quantidade de dados que passa pelo link do holograma GSM ou pode gerar uma conta pequena - não muito - ela usava cerca de 3 MB por semana, o que equivalia a cerca de 40 centavos. Eu estava carregando apenas as três medições de pressão - 2 subaquáticas e uma do gabinete (BMP). A última parte do programa é desligar o TPL elevando para HI o pino concluído na unidade que diz que os dados foram transferidos. O aplicativo Blynk é maravilhoso como sempre e você pode criar qualquer tipo de tela de saída que quiser e a melhor parte é a capacidade de baixar sua pilha de dados por e-mail sempre que quiser.

A unidade Lora usa as mesmas bibliotecas e usa uma unidade OLED (eu desativei isso no software da unidade remetente para economizar energia) e define a frequência para o seu local específico. Em seguida, ele constrói uma string de dados com separadores que permitem enviar as leituras do sensor de uma só vez. Em seguida, ele ativa seu pino pronto para desligar. A unidade receptora divide a palavra e envia as informações para o aplicativo Blynk por meio de um link WIFI sempre ativo. O receptor é incrivelmente pequeno e se conecta a uma verruga na parede.

Etapa 7: Usando

A minúscula face do sensor capta com alto grau de precisão toda a força de pressão vinda de cima - isso inclui toda a pressão do ar e da água. Portanto, mudanças intermitentes na altura do oceano - como ondas e mudanças na pressão do ar causadas por tempestades acima do oceano afetam isso. Essa é a razão para incluir o sensor de pressão barométrica na caixa (certifique-se de fornecer alguns orifícios de ar minúsculos para permitir que ele leia corretamente). O bastão do sensor com os dois sensores está ancorado no oceano em uma profundidade onde ainda estará coberto pela água, mesmo na maré baixa. É arbitrário em que profundidade você coloca os sensores, pois eles medem apenas a mudança na altura da coluna de água acima da altura absoluta. Usei um tijolo como âncora com uma corda presa para montar a varinha do sensor a alguns centímetros do fundo. Um flutuador foi preso ao pólo superior da varinha para manter os sensores em sua orientação vertical com os pés separados. O par trançado de arame e a corda levavam a uma doca onde eram amarrados com bastante folga para acomodar a excursão da maré. A unidade emissora GSM foi montada em um barco próximo. O monitoramento ocorreu ao longo de um mês. Os dois sensores deram leituras consistentemente separadas por 28 unidades que representavam a diferença de pressão em 30 centímetros de água naquele local. A pressão barométrica foi subtraída dos dados do sensor inferior e dividida por 28 para dar um equivalente em pé da ascensão e queda da superfície do oceano em períodos de 10 minutos. O gráfico acima fornece a comparação com o gráfico NOAA para o mesmo período de datas. O sensor / pés reais de subida e descida foram verificados em relação ao movimento real da doca e tiveram uma precisão de 1/2 polegada. Mesmo com o uso de alta energia, o GSM transmite a cada dez minutos, os painéis solares facilmente atendem à demanda neste ambiente escuro de floresta tropical.

Etapa 8: Mais

Os usos anteriores desses sensores pelas fontes já mencionadas eram para estudar a altura das ondas. Meus resultados foram de um porto calmo com atividade mínima das ondas impulsionadas pelo vento, mas você pode capturar esses dados aumentando a frequência de amostragem e obtendo médias móveis dos resultados. O sistema Lora funciona bem em distâncias que forneceriam uma rede de malha de informações de ondas para vários locais ao longo da costa. Isso seria ideal para quem está interessado em atividades de surf. O baixo custo e o tamanho muito pequeno dessas unidades independentes tornariam o desenvolvimento de informações costeiras uma tarefa fácil. Atualmente, a captura de informações sobre a maré é uma atividade governamental muito complicada e dependente da infraestrutura, mas isso pode mudar com a adoção de dispositivos alternativos. Blynk agora está programado para me notificar sobre o próximo Tsunami!