Anexo de sistema de sensor ambiental para UAVs: 18 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

O objetivo deste Instructable é descrever como construir, anexar e operar o sistema de sensor ambiental da Integrated Solutions Technology em conjunto com um drone DJI Phantom 4. Esses pacotes de sensores utilizam o drone para transportar em ambientes potencialmente perigosos para identificar os níveis de risco atuais de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e gás propano líquido (LPG) em comparação com os padrões OSHA e EPA. É importante observar que, embora um sensor de radiação também seja mostrado neste Instrutível, ele operará como uma entidade separada para os sensores de gás e o produto final mostrado incluirá apenas os componentes do sensor de gás listados acima.

Etapa 1: reúna as ferramentas, software e materiais necessários

Ferramentas usadas:

1. Software Arduino (https://www.arduino.cc/en/Main/Software)
2. Alicate
3. Serra de mesa com lâmina abrasiva
4. Moedor de mesa

Materiais utilizados:

1. DJI Phantom 4
2. Arduino Uno
3. Jackery bateria externa 3350mAh
4. Breadboard padrão
5. Sensor de monóxido de carbono - MQ - 7
6. Sensor de gás propano líquido - MQ - 6
7. Sensor de dióxido de carbono CO2 - MG - 811
8. Sensor de umidade e temperatura AK9750 Si7021
9. Sensor de radiação Pocket Geiger - Tipo 5
10. Modem Bluetooth - BlueSMiRF Gold
11. Correias de gancho de aço macio
12. Kit do SparkFun Inventor
13. Fita de montagem dupla face 3M

Etapa 2: montar a fiação do sensor e do microcontrolador

Acesse todas as planilhas de dados do sensor do fabricante do produto para determinar os pinos de entrada e saída necessários para a operação adequada do componente. A fim de construir uma orientação eficiente para todos os componentes fornecidos nos pacotes de gás e radiação, cada sensor e módulo deve ser conectado separadamente para garantir que esteja operacional quando conectado ao microcontrolador antes da integração em uma única placa de ensaio. Para garantir clareza, o processo de construção de cada tipo de circuito de base e código está contido nas etapas a seguir.

Etapa 3: Determine os pinos de entrada e saída para o sensor de monóxido de carbono MQ-7

Conforme mostrado no diagrama acima, o componente CO deve ter três pinos de tensão de entrada no trilho mais à direita que estão conectados à fonte de alimentação do microcontrolador de 5 V. O pino de entrada analógica será conectado a qualquer um dos pinos do microcontrolador rotulados A0, A1, A2, etc., enquanto os pinos de aterramento são conectados aos pinos de aterramento do microcontrolador. Finalmente, um resistor de 10K ohm é usado para conectar o pino inferior esquerdo do sensor ao aterramento. É importante observar que esta pinagem é aplicável aos sensores de CO2 e GLP também utilizados neste sistema.

Etapa 4: conectar o sensor de acordo com a pinagem aos pinos de entrada e saída do microcontrolador

Conforme discutido nas etapas anteriores, um pino é designado como um pino de entrada analógica para o microcontrolador. No código base exibido acima e disponível para download na próxima etapa, o pino analógico definido é o pino A0. De acordo com esta designação, conecte o pino superior esquerdo ao pino A0 do microcontrolador. Em seguida, uma entrada comum de 5 V e um trilho de aterramento podem ser estabelecidos conectando o trilho de alimentação da placa de ensaio mais à esquerda (designado pelo símbolo "-") ao pino de aterramento e o trilho mais à direita ("+") ao pino de 5 V. Ao conectar a placa de ensaio dessa forma, os pinos do sensor podem ser conectados diretamente aos trilhos da placa de ensaio, permitindo conexões limpas com o microcontrolador. Essa estrutura é apresentada nas fotos do circuito de base acima.

Etapa 5: Baixe o código da base do sensor de gás

Uma vez conectado, carregue o código base do Arduino obtido na página do produto SparkFun (https://www.sparkfun.com/products/9403; anexado) pressionando a seta localizada no canto superior esquerdo da interface para verificar se o componente está conectado de acordo com a pinagem.

Etapa 6: Abra o monitor serial para garantir a operacionalidade

Abra o monitor serial selecionando o ícone da lupa no canto superior direito da interface. Isso abrirá uma janela separada mostrada acima, onde a saída do sensor, originalmente uma leitura de tensão, será exibida. Se os dados não estiverem sendo exibidos no monitor serial conforme indicado, verifique se a função analogRead está se referindo ao número correto do pino analógico conectado nos estágios anteriores deste processo.

Etapa 7: Repita as etapas 3-6 para sensores de gás GLP e dióxido de carbono

Repita a definição de pinos, fiação do sensor e upload de código para garantir a operabilidade dos sensores adicionais.

Etapa 8: Conecte o sensor de umidade e temperatura SparkFun Si7021 (opcional)

O mesmo processo geral descrito para os sensores de gás será implementado para o sensor de temperatura e umidade. No entanto, a pinagem difere dos sensores de gás e é exibida acima. O pino VCC (o segundo da direita no sensor) será conectado a uma fonte de alimentação de microcontrolador de 5 ou 3,3 V e o pino de aterramento será conectado ao aterramento do microcontrolador, conforme visto na fiação do sensor de gás. Em vez de um pino de saída analógica, este sensor contém pinos de saída SDA e SCL que são responsáveis por transmitir dados do sensor ao microcontrolador para processamento. Este sensor pode ser utilizado para verificar a precisão das medições do sensor de gás em comparação com os valores da folha de dados.

Etapa 9: Baixe o código de base SparkFun do sensor de umidade e temperatura Si7021

Após a conclusão da fiação, o código de amostra anexado (adaptado de https://www.sparkfun.com/products/13763) deve ser carregado no microcontrolador para garantir a construção adequada do circuito. Conforme descrito com o código do sensor de gás, verifique se o componente está transmitindo temperatura e umidade acessando o monitor serial. É importante observar que esse código base inclui o uso de duas bibliotecas de componentes SparkFun diferentes. Para que esse código seja compilado e enviado ao microcontrolador, o usuário precisará instalar essas bibliotecas por meio dos métodos mostrados na Etapa 9.

Etapa 10: adicionar bibliotecas de componentes do Arduino

A implementação das bibliotecas do Arduino em códigos são identificadas por meio do uso de um comando #include, conforme visto próximo ao topo do código da Etapa 8. Sem a inclusão dessas bibliotecas, o código não será capaz de compilar ou fazer upload para o microcontrolador. Para acessar e instalar essas bibliotecas, vá para a guia de esboço, expanda Incluir Biblioteca e selecione Gerenciar Bibliotecas. Digite o nome da biblioteca necessária (texto que aparece após o comando #include), clique na opção desejada, selecione uma versão e pressione instalar.

Etapa 11: Sensor de radiação de bolso Geiger - Tipo 5

Conforme afirmado anteriormente, este componente será incluído separadamente dos sensores de gás. Ao configurar este produto, o processo ainda é o mesmo; conecte os pinos do componente às suas respectivas saídas, conforme mostrado na pinagem acima. Conecte o pino VCC à fonte de 5 V localizada no microcontrolador e o pino de aterramento ao aterramento do microcontrolador, como foi feito com os sensores de gás. Em seguida, conecte os pinos de sinal e ruído aos pinos 2 e 5 do microcontrolador, respectivamente. Após a conclusão desta tarefa, carregue o código base adaptado de radiação-watch.org via Github (https://www.sparkfun.com/products/142090) e este componente está pronto para operação.

Etapa 12: Desenvolva a fiação do sensor integrado

Depois de conectar cada sensor individualmente para confirmar sua operabilidade, comece a integrar a fiação de cada sensor em um formato condensado de forma que todos os sensores descritos acima sejam conectados na placa de ensaio, conforme exibido nas figuras acima. Consulte a tabela acima para conectar corretamente os pinos necessários do Arduino a seus respectivos componentes, para que os códigos abaixo não precisem ser alterados antes do upload. Para suportar um formato condensado, use um trilho de alimentação e aterramento comum conectando um trilho de alimentação da placa de ensaio como 5V e o outro como 3,3V. Conecte os dois trilhos de aterramento enquanto fornece uma conexão ao pino de aterramento do microcontrolador Arduino. Quando concluído, carregue o código em anexo para acessar os recursos do sensor de gás montados na placa. O código do Arduino anexado controlará os sensores de gás, bem como o sensor de temperatura e umidade, e exibirá seus dados de medição, em partes por milhão, por meio do monitor serial. Ele também fornecerá a classificação do nível de perigo dos dados medidos. O sensor de radiação pode ser dependente de uma medição com limite de tempo (ou seja, contagens por minuto), por isso é aconselhável operar este componente separadamente dos sensores de gás. Para apoiar essa distinção, os sensores CO, LPG e CO2 serão os únicos componentes discutidos quando o microcontrolador for emparelhado com o módulo Bluetooth. No entanto, é importante observar que o seguinte processo pode ser seguido para obter o mesmo resultado com o sensor de radiação.

Etapa 13: inicie a conexão Bluetooth entre o telefone e o módulo

Depois que o sistema de sensor desejado é montado, codificado e condensado, a próxima etapa é conectar sem fio um dispositivo do usuário ao sistema. Isso permitirá que as leituras do sensor ao vivo sejam enviadas ao usuário a uma distância removida da área de risco. A conexão do sistema de sensor e do dispositivo do usuário será facilitada com o módulo Arduino BlueSMiRF Bluetooth. Este módulo será conectado ao aplicativo móvel “Arduino Bluetooth Data”, que pode ser baixado da Google Play Store. Esta interface exibirá diretamente as leituras obtidas dos sensores de gás, presença humana ou sensores de radiação e estará acessível a até 350 pés e alertará o usuário sobre mudanças nas leituras do sensor, permitindo ao usuário avaliar se os níveis perigosos de riscos ambientais são detectados de acordo com os regulamentos da OSHA e da EPA.

O componente deve ser conectado individualmente, como foi demonstrado com os sensores, para inicializar a configuração do componente e avaliar a operabilidade. Usando o diagrama de componente mostrado na figura acima, o componente será conectado com uma entrada de energia de 5 V e um pino de aterramento, enquanto os pinos do componente TX e RX serão conectados a dois pinos digitais definidos pelo usuário. Conforme mostrado na figura, o pino TX foi atribuído ao segundo pino digital e o RX foi definido como o terceiro. Após a conclusão desta tarefa, execute o código de exemplo encontrado abaixo para iniciar a configuração do componente. Neste ponto, o LED do componente deve estar piscando lentamente com uma tonalidade vermelha. Acesse o monitor serial e alterne as opções na parte inferior da janela para ler, “Sem linha finalizando” e “9600 baud,” nas caixas suspensas, respectivamente. Em seguida, digite “$$$” na caixa de comando e pressione “Enviar”. Isso iniciará o “Modo de comando” no componente e fará com que o LED pisque rapidamente em vermelho. Além disso, o componente enviará uma mensagem “CMD” de volta ao monitor serial.

Alterne as configurações suspensas do monitor serial novamente para ler “Newline” e “9600 baud”, antes de prosseguir com a configuração. Os comandos "D" e "E" são enviados ao monitor serial para exibir as configurações do componente, incluindo o nome de fábrica. Para emparelhar com seu telefone celular, abra as configurações de Bluetooth, selecione o nome dado do módulo Bluetooth (ECEbluesmirf para o exemplo fornecido). Após esta seleção, envie um comando "I" para procurar dispositivos habilitados para Bluetooth. O primeiro número será usado para sincronizar os dois dispositivos, enviando um "C, Primeiro Número". Quando concluído, o LED do Bluetooth ficará verde sólido.

Etapa 14: Conecte o sistema ao aplicativo móvel - usuários do Android

Para acessar os dados do sensor em um Android, baixe o aplicativo móvel "Arduino Bluetooth Data" da Google Play Store. Abra o aplicativo móvel e toque no nome do módulo Bluetooth na interface do usuário para conectar. Quando solicitado, selecione o aplicativo como receptor. A interface exibindo os dados do sensor será exibida e o módulo conterá um LED verde sólido. Após a conclusão, carregue o código em anexo para ativar os sensores e recuperar dados de risco ambiental. Os nomes dos sensores podem ser atualizados para acomodar os sensores utilizados, como foi concluído para obter a captura de tela acima.

Etapa 15: Crie suportes de suporte para anexar o sistema de sensor

A montagem do sistema de sensor requer o uso de duas tiras de gancho de aço macio e fita adesiva de dupla face 3M para prender ao DJI Phantom 4 drone. O primeiro passo é dobrar e moldar as correias de aço macio do zangão. Isso requer um comprimento total inicial da tira de 23 polegadas. Com este estoque, corte tiras iguais usando uma serra de mesa com uma lâmina abrasiva. Em seguida, esmerilhe as pontas para remover rebarbas. O resultado do processo é mostrado na primeira das figuras exibidas acima. Durante este processo, você deseja evitar cortar ao longo das ranhuras abertas, para evitar o enfraquecimento das pontas da tira.

A próxima etapa exigirá a flexão das correias para caber no drone. Recomenda-se usar um alicate para dobrar os aços e colocar a tira na parte inferior dos trilhos. Centralize as tiras nos trilhos da perna do drone e marque a borda das pernas do trilho. Isso servirá como o visual para onde dobrar os aços. Dobre as correias em pequenos incrementos até que se enrolem nas grades, evitando o deslizamento.

Etapa 16: Monte o sistema no drone

Um exemplo de montagem do sistema de sensor será demonstrado usando tiras de gancho de aço macio e fita adesiva. Conforme discutido anteriormente, as tiras de suspensão de aço macio foram dobradas e colocadas na parte inferior do drone para criar uma plataforma para os componentes se sentarem. Depois de concluído, prenda os componentes às tiras com o adesivo para que fiquem firmes, mas não interfiram com a operação normal do drone. Para permitir um amplo espaço, o exemplo utiliza duas alças de suporte para uma bateria externa, microcontrolador e placa de ensaio. Além disso, os sensores são colocados na parte traseira do drone.

Etapa 17: Usando este sistema para avaliar o risco de perigo

Para determinar a gravidade dos níveis de perigo apresentados por este sistema, deve-se consultar os seguintes padrões. Verde indica um ambiente seguro para todos os presentes na área de interesse, enquanto roxo indica a pior concentração ambiental possível, levando a efeitos letais. O sistema de cores usado é derivado do Air Quality Flag Program da EPA.

Monóxido de Carbono (OSHA)

• 0-50 PPM (verde)
• 50-100 PPM (amarelo)
• 100-150 PPM (laranja)
• 150-200 PPM (vermelho)
• > 200 PPM (roxo)

Gás Propano Líquido (NCBI)

• 0-10.000 PPM (verde)
• 10.000-17.000 PPM (Amarelo)
• > 17.000 PPM (vermelho)

Dióxido de carbono (Global CCS Institute)

• 0-20, 00 PPM (verde)
• 20.000-50.000 PPM (amarelo)
• 50.000-100.000 PPM (laranja)
• 100.000-150.000 PPM (vermelho)
• > 150.000 PPM (roxo)

Etapa 18: Utilizar o sistema para coletar dados medidos

Agora que a montagem final foi concluída, o sistema está pronto para operar. Uma vez que o código necessário para permitir que o microcontrolador opere o sistema de sensor já está carregado, o microcontrolador pode ser conectado à bateria móvel para transmitir dados, em substituição a um computador. O sistema agora está pronto para uso em aplicações de avaliação de risco ambiental!