متر آب سطح چاه در زمان واقعی: 6 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:52

این دستورالعمل ها نحوه ساخت یک متر آب کم هزینه و زمان واقعی برای استفاده در چاه های حفر شده را توضیح می دهد. سطح سنج آب طوری طراحی شده است که در داخل چاه حفر شده آویزان شده ، سطح آب را یک بار در روز اندازه گیری کرده و داده ها را از طریق WiFi یا اتصال سلولی به یک صفحه وب برای مشاهده و بارگیری فوری ارسال کند. هزینه قطعات برای ساخت متر تقریباً 200 دلار برای نسخه WiFi و 300 دلار برای نسخه تلفن همراه است. کنتور در شکل 1 نشان داده شده است. یک گزارش کامل با دستورالعمل ساختمان ، لیست قطعات ، نکات مربوط به ساخت و کار کنتور و نحوه نصب کنتور در چاه آب در فایل پیوست (دستورالعمل های متر آب سطح. pdf) ارائه شده است. به مترهای اندازه گیری سطح آب برای توسعه شبکه نظارت آبخوان های کم عمق منطقه ای و زمان واقعی در نوا اسکوشیا ، کانادا استفاده شده است: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm… دستورالعمل های ساخت متر مشابه که آب را اندازه گیری می کند. درجه حرارت ، رسانایی و سطح آب در اینجا موجود است:

سطح سنج آب از سنسور اولتراسونیک برای اندازه گیری عمق آب در چاه استفاده می کند. این سنسور به یک دستگاه اینترنت اشیاء (IoT) متصل است که به WiFi یا شبکه تلفن همراه متصل می شود و داده های سطح آب را به یک وب سرویس ارسال می کند تا مورد بررسی قرار گیرد. سرویس وب مورد استفاده در این پروژه ThingSpeak.com است که برای پروژه های کوچک غیر تجاری (کمتر از 8 ، 200 پیام در روز) رایگان است. برای اینکه نسخه WiFi دستگاه متر کار کند ، باید در نزدیکی یک شبکه WiFi قرار گیرد. چاه های آب خانگی اغلب این شرایط را دارند زیرا در نزدیکی خانه ای با وای فای قرار دارند. دستگاه اندازه گیر شامل دیتا لاگر نیست ، بلکه داده های سطح آب را به ThingSpeak در جایی که در ابر ذخیره می شود می فرستد. بنابراین ، در صورت وجود مشکل در انتقال داده ها (به عنوان مثال هنگام قطع اینترنت) ، اطلاعات سطح آب آن روز منتقل نمی شود و برای همیشه از بین می رود.

این متر برای قطر بزرگ (0.9 متر قطر داخلی) چاه های حفر شده با عمق کم آب (کمتر از 10 متر زیر سطح زمین) طراحی و آزمایش شده است. با این حال ، به طور بالقوه می تواند برای اندازه گیری سطح آب در شرایط دیگر مانند چاه های نظارت بر محیط زیست ، چاه های حفر شده و آبهای سطحی مورد استفاده قرار گیرد.

طرح کنتور ارائه شده در اینجا پس از متر اندازه گیری شده برای اندازه گیری سطح آب در یک مخزن آب خانگی و گزارش سطح آب از طریق توییتر ، که توسط تیم اوسلی در سال 2015 منتشر شده بود ، تغییر کرد: https://www.instructables.com/id/Wi -Fi-Twitter-Wa…. تفاوت اصلی بین طرح اصلی و طرح ارائه شده در اینجا ، قابلیت کارکرد متر بر روی باتری های AA به جای آداپتور برق سیمی ، قابلیت مشاهده داده ها در نمودار سری زمانی به جای پیام توییتر و استفاده از آنها است. سنسور اولتراسونیک که به طور خاص برای اندازه گیری سطح آب طراحی شده است.

دستورالعمل های مرحله به مرحله برای ساخت متر آب در زیر ارائه شده است. توصیه می شود که سازنده قبل از شروع فرایند ساخت متر تمام مراحل ساخت را مطالعه کند. دستگاه اینترنت اشیاء مورد استفاده در این پروژه یک ذره فوتون است و بنابراین در بخشهای بعدی اصطلاحات "دستگاه اینترنت اشیا" و "فوتون" به جای یکدیگر استفاده می شود.

تدارکات

قطعات الکترونیکی:

سنسور - MaxBotix MB7389 (برد 5 متر)

دستگاه IoT - ذره فوتون با سرصفحه

آنتن (آنتن داخلی نصب شده در داخل محفظه متر) - 2.4 گیگاهرتز ، 6dBi ، اتصال IPEX یا u. FL ، طول 170 میلی متر

بسته باتری - 4 X AA

سیم - سیم جامپر با اتصالات فشار (طول 300 میلی متر)

باتری - 4 X AA

لوله کشی و قطعات سخت افزاری:

لوله - ABS ، قطر 50 میلی متر (2 اینچ) ، طول 125 میلی متر

درپوش بالا ، ABS ، 50 میلی متر (2 اینچ) ، دارای روکش با واشر برای ایجاد آب بندی محکم

درپوش پایین ، PVC ، 50 میلی متر (2 اینچ) با نخ NPT زن ¾ اینچی مناسب سنسور

2 لوله اتصال ، ABS ، 50 میلی متر (2 اینچ) برای اتصال درپوش بالا و پایین به لوله ABS

پیچ چشم و 2 مهره ، فولاد ضد زنگ (1/4 اینچ) برای ایجاد آویز در درپوش بالا

سایر مواد: نوار برقی ، نوار تفلون ، لحیم ، سیلیکون ، چسب برای مونتاژ مورد

مرحله 1: جعبه متر را جمع کنید

قاب متر را همانطور که در شکل 1 و 2 در بالا نشان داده شده است ، جمع کنید. طول کل متر مونتاژ شده ، از نوک به نوک شامل سنسور و پیچ چشم ، تقریبا 320 میلی متر است. لوله ABS با قطر 50 میلی متر که برای ساخت محفظه متر استفاده می شود باید تقریباً به طول 125 میلی متر بریده شود. این به فضای کافی داخل کیس اجازه می دهد تا دستگاه اینترنت اشیا ، بسته باتری و آنتن داخلی به طول 170 میلی متر را در خود جای دهد.

تمام اتصالات را با سیلیکون یا چسب ABS ببندید تا بدنه ضد آب شود. این بسیار مهم است ، در غیر این صورت رطوبت می تواند داخل کیس شده و اجزای داخلی را از بین ببرد. برای جذب رطوبت می توان یک بسته کوچک خشک کن را درون کیس قرار داد.

با سوراخ کردن سوراخ و قرار دادن پیچ و مهره چشم ، یک پیچ چشم را در درپوش بالای آن نصب کنید. برای محکم شدن پیچ چشم باید از مهره در داخل و خارج بدنه استفاده شود. داخل درپوش را در سوراخ پیچ سیلیکون کنید تا ضد آب شود.

مرحله 2: سیم را به سنسور وصل کنید

سه سیم (شکل 3 الف) را به سنسور بچسبانید تا آن را به فوتون وصل کنید (یعنی پایه های سنسور GND ، V+و پین 2). اتصال سیم ها به سنسور می تواند چالش برانگیز باشد زیرا سوراخ های اتصال روی سنسور کوچک و نزدیک به هم هستند. بسیار مهم است که سیم ها به درستی به سنسور لحیم شوند ، بنابراین یک اتصال فیزیکی و الکتریکی خوب ، قوی و قوس لحیم کاری بین سیم های مجاور وجود دارد. نور خوب و یک لنز بزرگنمایی به فرآیند لحیم کاری کمک می کند. برای کسانی که تجربه لحیم کاری قبلی را ندارند ، قبل از لحیم کاری سیم ها به سنسور ، لحیم کاری را تمرین کنید. آموزش آنلاین نحوه لحیم کاری در SparkFun Electronics (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…) موجود است.

پس از لحیم شدن سیم ها به سنسور ، هرگونه سیم برهنه اضافی که از سنسور بیرون می آید را می توان با برش سیم به طول تقریبی 2 میلی متر برش داد. توصیه می شود که اتصالات لحیم کاری با یک مهره ضخیم از سیلیکون پوشانده شود. این امر به اتصالات استحکام بیشتری می بخشد و در صورت ورود رطوبت به محفظه کنتور ، احتمال خوردگی و مشکلات الکتریکی در اتصالات سنسور کاهش می یابد. نوار برقی همچنین می تواند در اطراف سه سیم در محل اتصال سنسور پیچیده شود تا محافظت بیشتر و کاهش فشار ایجاد شود و احتمال شکستن سیم ها در اتصالات لحیم کاری را کاهش دهد.

سیمهای سنسور می توانند در یک طرف آن اتصال دهنده های فشار دهنده (به شکل 3b را ببینید) داشته باشند تا به فوتون متصل شوند. استفاده از کانکتورهای فشار دهنده مونتاژ و جداسازی کنتور را آسان می کند. سیم های سنسور باید حداقل 270 میلی متر طول داشته باشند تا بتوانند تمام طول محفظه متر را گسترش دهند. این طول باعث می شود که فوتون از انتهای بالای کیس با سنسور در انتهای پایین کیس متصل شود. توجه داشته باشید که این طول سیم توصیه شده فرض می کند که لوله ABS مورد استفاده برای ساختن کنتور به طول 125 میلی متر بریده شده است. قبل از برش و لحیم کاری سیم ها به سنسور ، تأیید کنید که طول سیم 270 میلی متر برای فراتر رفتن از بالای محفظه متر کافی است تا فوتون پس از مونتاژ قاب و اتصال دائمی سنسور به آن متصل شود. مورد

اکنون می توان سنسور را به محفظه متر متصل کرد. باید با استفاده از نوار تفلون محکم در درپوش پایینی پیچ شود تا از آب بندی محکم اطمینان حاصل شود.

مرحله 3: سنسور ، بسته باتری و آنتن را به دستگاه IoT وصل کنید

سنسور ، بسته باتری و آنتن را به فوتون وصل کنید (شکل 4) ، و همه قسمت ها را در محفظه متر وارد کنید. لیستی از اتصالات پین مشخص شده در شکل 4 در زیر ارائه شده است. سیم های حسگر و باتری را می توان با لحیم کاری مستقیم به فوتون یا با اتصال دهنده های فشار دهنده که به پین های هدر در قسمت زیرین فوتون متصل می شوند وصل کرد (همانطور که در شکل 2 مشاهده می شود). استفاده از کانکتورهای فشاری ، جداسازی کنتور یا جایگزینی فوتون را در صورت خرابی آسان می کند. اتصال آنتن بر روی فوتون به کانکتور نوع u. FL نیاز دارد (شکل 4) و برای ایجاد اتصال باید بسیار محکم روی فوتون فشار داده شود. تا زمانی که متر آماده آزمایش یا نصب در چاه نباشد ، باتری ها را داخل بسته باتری قرار ندهید. در این طرح هیچ کلید خاموش و روشن وجود ندارد ، بنابراین متر با نصب و برداشتن باتری ها روشن و خاموش می شود.

لیست اتصالات پین در دستگاه IoT (ذره فوتون):

پین فوتون D3 - اتصال به - پین سنسور 2 ، داده (سیم قهوه ای)

پین فوتون D2 - اتصال به - پین سنسور 6 ، V+ (سیم قرمز)

پین فوتون GND - اتصال به - پین سنسور 7 ، GND (سیم سیاه)

پین فوتون VIN - اتصال به - بسته باتری ، V+ (سیم قرمز)

پین فوتون GND - اتصال به - بسته باتری ، GND (سیم سیاه)

پین Photon u. FL - اتصال به - Antenna

مرحله 4: راه اندازی نرم افزار

پنج مرحله اصلی برای راه اندازی نرم افزار برای متر مورد نیاز است:

1. یک حساب Particle ایجاد کنید که یک رابط آنلاین با Photon ارائه دهد. برای انجام این کار ، برنامه تلفن همراه Particle را در تلفن هوشمند خود بارگیری کنید: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. پس از نصب برنامه ، یک حساب Particle ایجاد کنید و دستورالعمل های آنلاین را دنبال کنید تا Photon را به حساب اضافه کنید. توجه داشته باشید که هر فوتون اضافی را می توان بدون نیاز به بارگیری برنامه Particle و ایجاد مجدد حساب به همان حساب اضافه کرد.

2. ایجاد یک حساب ThingSpeak https://thingspeak.com/login و ایجاد یک کانال جدید برای نمایش داده های سطح آب. نمونه ای از صفحه وب ThingSpeak برای متر آب در شکل 5 نشان داده شده است ، که همچنین می توانید آن را در اینجا مشاهده کنید: https://thingspeak.com/channels/316660. دستورالعمل های راه اندازی کانال ThingSpeak در https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w… ارائه شده است توجه داشته باشید که بدون نیاز به ایجاد حساب ThingSpeak دیگر ، می توان کانال های اضافی دیگر فوتون ها را به همان حساب اضافه کرد. به

3. برای انتقال داده های سطح آب از فوتون به کانال ThingSpeak ، یک "webhook" مورد نیاز است. دستورالعمل های راه اندازی webhook در https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w… ارائه شده است. اگر بیش از یک متر آب در حال ساخت است ، برای هر فوتون اضافی باید یک وب کوک جدید با نام منحصر به فرد ایجاد شود.

4. webhook که در مرحله بالا ایجاد شده است باید در کدی که Photon را کار می کند درج شود. کد نسخه WiFi اندازه گیری سطح آب در فایل پیوست (Code1_WiFi.txt) ارائه شده است. در رایانه ، به صفحه وب ذرات https://login.particle.io/login؟redirect=https://… وارد شوید و به حساب Particle وارد شوید و به رابط برنامه Particle بروید. کد را کپی کرده و از آن برای ایجاد یک برنامه جدید در رابط برنامه Particle استفاده کنید. نام webhook ایجاد شده در بالا را در خط 87 کد وارد کنید. برای انجام این کار ، متن داخل نقل قول ها را حذف کرده و نام جدید webhook را در داخل نقل قول ها در خط 87 وارد کنید که به شرح زیر است:

Particle.publish ("Insert_Webhook_Name_Inside_These_Quotes" ، String (GWelevation ، 2) ، PRIVATE) ؛

5. اکنون می توان کد را تأیید ، ذخیره و روی Photon نصب کرد. توجه داشته باشید که کد در ابر ذخیره می شود و روی Photon نصب می شود. این کد برای کارکرد متر آب زمانی که در چاه آب قرار دارد استفاده می شود. در حین نصب میدانی ، برای تغییر فرکانس گزارش دهی یکبار در روز و افزودن اطلاعات مربوط به چاه آب ، باید برخی تغییرات در کد انجام شود (این مورد در فایل پیوست Water Level Meter Instructions.pdf در بخش تحت عنوان "توضیح داده شده است. نصب متر در چاه آب ").

مرحله 5: متر را آزمایش کنید

ساخت متر و راه اندازی نرم افزار در حال حاضر به پایان رسیده است. در این مرحله توصیه می شود که متر مورد آزمایش قرار گیرد. دو آزمایش باید تکمیل شود. اولین آزمایش برای تأیید اینکه متر می تواند سطح آب را به درستی اندازه گیری کرده و داده ها را به ThingSpeak ارسال کند ، مورد استفاده قرار می گیرد. آزمایش دوم برای تأیید اینکه مصرف انرژی فوتون در محدوده مورد انتظار است استفاده می شود. این آزمایش دوم مفید است زیرا اگر فوتون از انرژی بیش از حد استفاده کند ، باتری ها زودتر از حد انتظار خراب می شوند.

برای آزمایش ، کد تنظیم شده است که سطح آب را هر دو دقیقه اندازه گیری و گزارش کند. این یک دوره زمانی عملی برای منتظر ماندن بین اندازه گیری ها در حین آزمایش متر است. اگر فرکانس اندازه گیری متفاوتی مورد نظر است ، متغیر به نام MeasureTime را در خط 16 کد به فرکانس اندازه گیری دلخواه تغییر دهید. فرکانس اندازه گیری در ثانیه وارد می شود (یعنی 120 ثانیه معادل دو دقیقه است).

اولین آزمایش را می توان با آویزان کردن متر در بالای زمین ، روشن کردن آن و بررسی اینکه کانال ThingSpeak فاصله بین سنسور و کف را به طور دقیق گزارش می دهد ، در دفتر انجام دهید. در این سناریوی آزمایش ، نبض اولتراسونیک از کف منعکس می شود ، که برای شبیه سازی سطح آب در چاه استفاده می شود.

برای آزمایش دوم ، جریان الکتریکی بین بسته باتری و فوتون باید اندازه گیری شود تا تأیید شود که با مشخصات موجود در برگه داده فوتون مطابقت دارد: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… تجربه نشان داده است که این آزمایش به شناسایی دستگاههای IoT معیوب قبل از استقرار آنها در این زمینه کمک می کند. با قرار دادن یک متر جریان بین سیم مثبت V+ (سیم قرمز) روی بسته باتری و پین VIN روی فوتون ، جریان را اندازه گیری کنید. جریان باید در دو حالت کارکرد و حالت خواب عمیق اندازه گیری شود. برای انجام این کار ، فوتون را روشن کنید و در حالت کارکرد (همانطور که توسط LED روی فوتون نشان داده می شود که رنگ فیروزه ای پیدا می کند) راه اندازی می شود که تقریباً 20 ثانیه کار می کند. از متر کنونی برای مشاهده جریان کار در این مدت استفاده کنید. سپس فوتون به طور خودکار به مدت دو دقیقه به حالت خواب عمیق می رود (همانطور که در خاموش شدن LED نشان داده شده است). از متر کنونی برای مشاهده جریان خواب عمیق در این زمان استفاده کنید. جریان کار باید بین 80 تا 100 میلی آمپر و جریان خواب عمیق بین 80 تا 100 میکرو آمپر باشد. اگر جریان بیشتر از این مقادیر باشد ، فوتون باید جایگزین شود.

کنتور اکنون آماده نصب در چاه آب است (شکل 6). دستورالعمل نحوه نصب کنتور در چاه آب در فایل پیوست (دستورالعمل های متر آب سطح. pdf) ارائه شده است.

مرحله 6: نحوه ساخت نسخه سلولی متر

یک نسخه سلولی از متر آب می تواند با ایجاد تغییرات در لیست قطعات ، دستورالعمل ها و کد قبلی توضیح داده شود. نسخه تلفن همراه نیازی به WiFi ندارد زیرا از طریق سیگنال تلفن همراه به اینترنت متصل می شود. هزینه قطعات برای ساخت نسخه سلولی متر تقریباً 300 دلار (بدون احتساب مالیات و حمل و نقل) ، به علاوه تقریباً 4 دلار در ماه برای برنامه داده های تلفن همراه که با دستگاه اینترنت اشیا تلفن همراه ارائه می شود.

متر سلولی از قطعات و مراحل ساخت ذکر شده در بالا با تغییرات زیر استفاده می کند:

• دستگاه WiFi IoT (ذره فوتون) را جایگزین دستگاه IoT سلولی (Particle Electron) کنید: https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. هنگام ساختن متر ، از اتصالات پین مشابهی که در بالا توضیح داده شد برای نسخه WiFi متر در مرحله 3 استفاده کنید.

• دستگاه اینترنت اشیاء سلولی از انرژی بیشتری نسبت به نسخه WiFi استفاده می کند و بنابراین دو منبع باتری توصیه می شود: یک باتری Li-Po 3.7V ، که همراه دستگاه IoT ارائه می شود ، و یک بسته باتری با 4 باتری AA. باتری 3.7V LiPo با اتصالات ارائه شده مستقیماً به دستگاه IoT متصل می شود. بسته باتری AA به همان روشی که در مرحله 3 برای نسخه وای فای متر در دستگاه 3 به دستگاه IoT متصل شده است ، آزمایش میدانی نشان داده است که نسخه تلفن همراه دستگاه با استفاده از تنظیمات باتری که در بالا توضیح داده شد ، تقریباً 9 ماه کار می کند. به یک جایگزین برای استفاده از بسته باتری AA و باتری 3.7 ولت 3.7 ولت 2000 میلی آمپر ساعتی استفاده از یک باتری Li-Po 3.7 ولت با ظرفیت بالاتر (به عنوان مثال 4000 یا 5000 میلی آمپر ساعت) است.

• یک آنتن خارجی باید به متر متصل شود ، مانند: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. اطمینان حاصل کنید که برای فرکانس مورد استفاده توسط ارائه دهنده خدمات تلفن همراه که در آن متر آب مورد استفاده قرار می گیرد ، رتبه بندی شده است. آنتن همراه با دستگاه اینترنت اشیا تلفن همراه برای استفاده در فضای باز مناسب نیست. آنتن خارجی را می توان با یک کابل بلند (3 متر) متصل کرد که به آن اجازه می دهد آنتن به بیرون چاه در سر چاه متصل شود (شکل 7). توصیه می شود که کابل آنتن را از قسمت پایین کیس وارد کرده و با سیلیکون کاملاً آب بندی کنید تا از ورود رطوبت جلوگیری شود (شکل 8). یک کابل کواکسیال با کیفیت خوب ، ضد آب و فضای باز توصیه می شود.

• دستگاه اینترنت اشیا تلفن همراه با کد متفاوتی نسبت به نسخه WiFi متر کار می کند. کد نسخه سلولی متر در فایل پیوست (Code2_Cellular.txt) ارائه شده است.