Raspberry Pi Impact Force Monitor !: 16 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:57

بدن انسان چقدر می تواند تحت تأثیر قرار گیرد؟ چه فوتبال باشد ، چه صعود از سنگ و چه تصادف با دوچرخه ، دانستن این که چه زمانی باید بلافاصله پس از برخورد به پزشک مراجعه کرد ، بسیار مهم است ، به ویژه اگر علائم واضحی از ضربه وجود نداشته باشد. این آموزش به شما می آموزد که چگونه مانیتور نیروی ضربه ای خود را بسازید!

زمان خواندن: 15 دقیقه

زمان ساخت: 60-90 دقیقه پوند

این پروژه منبع باز از Raspberry Pi Zero W و شتاب سنج LIS331 برای نظارت و هشدار به کاربر در مورد نیروهای G به طور بالقوه خطرناک استفاده می کند. البته ، در اصلاح و تطبیق سیستم با توجه به نیازهای مختلف علمی شهروندان خود ، با خیال راحت اقدام کنید.

توجه: با Impact Force Monitor چیزهای سرگرم کننده بسازید! با این حال ، لطفاً از آن به عنوان جایگزینی برای مشاوره و تشخیص پزشکی حرفه ای استفاده نکنید. اگر احساس می کنید سقوط جدی کرده اید ، لطفاً برای درمان مناسب به یک متخصص واجد شرایط و دارای مجوز مراجعه کنید.

مرحله 1: مطالعه توصیه می شود

برای اینکه این آموزش کوتاه و مفید نباشد (البته ، تا آنجا که ممکن است) ، فرض می کنم که شما با یک Pi Zero W. کاربردی شروع کرده اید آیا به کمک احتیاج دارید؟ مشکلی نیست! در اینجا یک آموزش کامل راه اندازی وجود دارد.

ما همچنین از راه دور (که به صورت بی سیم شناخته می شود) به Pi متصل می شویم. برای بررسی دقیق تر این فرآیند ، این آموزش را بررسی کنید.

** گیر کرده اید یا می خواهید بیشتر بیاموزید؟ در اینجا چند منبع مفید وجود دارد: **

1. راهنمای عالی "شروع به کار" برای Pi.

2. راهنمای اتصال کامل برای برد شکستن شتاب سنج LIS331.

3. بیشتر در مورد شتاب سنج ها!

4. مروری بر پین های Raspberry Pi GPIO.

5. استفاده از اتوبوس های SPI و I2C Serial در Pi.

6. برگه اطلاعات LIS331

مرحله 2: مواد

• کیت Raspberry Pi Zero W Basic

  • این کیت شامل موارد زیر است: کارت SD با سیستم عامل NOOBS. کابل USB OTG (microUSB به USB زن) ؛ مینی HDMI به HDMI ؛ منبع تغذیه MicroUSB (V 5V)
  • همچنین توصیه می شود: هاب USB
• پین هدر رزبری پای 3
• تخته شکستن شتاب سنج LIS331
• بسته باتری با اتصال MicroUSB
• LED قرمز 5 میلی متری
• مقاومت 1k
• 6 اینچ لوله کوچک یا نوار برقی
• پین هدر برای شتاب سنج (4 - 8) و LED (2)
• سیمهای جهنده زن به زن (6)

ابزارها

• لحیم کاری آهن و لوازم جانبی
• اپوکسی (یا چسب مایع دائمی غیر رسانا)
• احتمالا قیچی هم:)

مرحله 3: اما صبر کنید! Impact Force چیست؟

خوشبختانه اصطلاح "نیروی ضربه" بسیار ساده است: مقدار نیرو در یک ضربه. اندازه گیری آن مانند بسیاری از موارد نیاز به تعریف دقیق تری دارد. معادله نیروی ضربه عبارت است از:

F = KE/d

جایی که F نیروی ضربه ای است ، KE انرژی جنبشی (انرژی حرکت) ، و d فاصله برخورد یا میزان فشردن جسم است. دو نتیجه مهم از این معادله وجود دارد:

1. نیروی ضربه مستقیماً با انرژی جنبشی متناسب است ، به این معنی که در صورت افزایش انرژی جنبشی نیروی ضربه افزایش می یابد.

2- نیروی ضربه متناسب با فاصله ضربه است ، به این معنا که اگر فاصله ضربه افزایش یابد ، نیروی ضربه کاهش می یابد. (به همین دلیل است که ما کیسه هوا داریم: برای افزایش فاصله ضربه.)

نیرو به طور معمول در نیوتن (N) اندازه گیری می شود ، اما نیروی ضربه ممکن است بر اساس "G-Force" مورد بحث قرار گیرد ، عددی که به صورت مضرب g یا شتاب گرانشی زمین (9.8 متر بر ثانیه^2) بیان می شود. وقتی از واحدهای نیروی G استفاده می کنیم ، در حال اندازه گیری شتاب اجسام نسبت به سقوط آزاد به سمت زمین هستیم.

از نظر فنی ، g یک شتاب است ، نه یک نیرو ، اما هنگام صحبت در مورد برخورد مفید است ، زیرا شتاب* چیزی است که به بدن انسان آسیب می رساند.

برای این پروژه ، ما از واحدهای نیروی G برای تعیین اینکه آیا ضربه ای به طور بالقوه خطرناک است یا مستحق توجه پزشکی است ، استفاده خواهیم کرد. تحقیقات نشان داده است که نیروهای g بالاتر از 9G می توانند برای اکثر انسانها کشنده باشند (بدون آموزش خاص) و 4-6G می تواند در صورت حفظ بیش از چند ثانیه خطرناک باشد.

با دانستن این موضوع ، می توانیم مانیتور نیروی ضربه خود را طوری برنامه ریزی کنیم که در صورت اندازه گیری شتاب سنج ما نیروی G بالاتر از هر یک از این آستانه ها ، به ما هشدار دهد. هورا ، علم!

برای اطلاعات بیشتر ، در مورد نیروی ضربه و نیروی g در ویکی پدیا بخوانید!

شتاب تغییر در سرعت و/یا جهت است

مرحله 4: Pi Zero W را پیکربندی کنید

Raspberry Pi Zero و لوازم جانبی خود را جمع کنید تا Pi را بدون سر پیکربندی کنید!

• Pi را به یک مانیتور و لوازم جانبی مربوطه (صفحه کلید ، ماوس) وصل کنید ، منبع تغذیه را وصل کرده و وارد سیستم شوید.

• برای حفظ سرعت و امنیت Pi خود ، نرم افزار را به روز کنید. پنجره ترمینال را باز کرده و این دستورات را تایپ کنید:

  تایپ و وارد کنید:

sudo apt-get update

تایپ و وارد کنید:

sudo apt-get upgrade

بازنشانی:

sudo shutdown -r در حال حاضر

مرحله 5: WiFi و I2C را فعال کنید

• روی نماد WiFi در گوشه سمت راست بالای میز کار کلیک کنید و به شبکه WiFi خود متصل شوید.
• در ترمینال این دستور را برای نمایش ابزار پیکربندی نرم افزار Pi تایپ کنید:

sudo raspi-config

• "Interfacing Options" ، سپس "SSH" را انتخاب کرده و "Yes" را در پایین برای فعال کردن انتخاب کنید.
• به "Interfacing Options" ، سپس "I2C" برگردید و "Yes" را برای فعال کردن انتخاب کنید.
• در ترمینال ، نرم افزار اتصال دسک تاپ از راه دور را نصب کنید:

sudo apt-get xrdp را نصب کنید

• "Y" (بله) را در صفحه کلید خود برای هر دو درخواست تایپ کنید.
• آدرس IP Pi را با حرکت دادن روی اتصال WiFi بیابید (همچنین ممکن است بخواهید آن را یادداشت کنید).
• رمز Pi را با دستور passwd تغییر دهید.

مرحله 6: Pi را راه اندازی مجدد کرده و از راه دور وارد شوید

اکنون می توانیم HDMI و لوازم جانبی را کنار بگذاریم ، وای!

• اتصال دسکتاپ از راه دور را راه اندازی کنید.

  • در رایانه شخصی ، Remote Desktop Connection (یا اگر با آن PuTTY راضی هستید) را باز کنید.
  • برای مک/لینوکس ، می توانید این برنامه را نصب کنید یا از یک برنامه VNC استفاده کنید.
• IP Pi را وارد کرده و روی "اتصال" (نادیده گرفتن هشدارها در مورد دستگاه ناشناخته) کلیک کنید.
• با استفاده از اعتبارنامه خود وارد Pi شوید و ما را ترک کنیم!

مرحله 7: بسازید: الکترونیک

دو عکس بالا شماتیک الکتریکی این پروژه و Pi Zero Pinout را نشان می دهد. برای مقابله با اتصالات سخت افزاری به هر دو مورد نیاز داریم.

توجه: تخته شکست LIS331 در شماتیک یک نسخه قدیمی است - برای راهنمایی از برچسب های پین استفاده کنید

مرحله 8: شتاب سنج را به GPIO Pi وصل کنید

• بقایای شار را روی پین های هدر شتاب سنج و Pi GPIO لحیم کرده و با دقت جدا کنید.
• سپس سیم های بلوز را بین برد شکست LIS331 و Pi را بین پین های زیر وصل کنید:

LIS331 Breakout Board Raspberry Pi GPIO Pin

GND GPIO 9 (GND)

VCC GPIO 1 (3.3V)

SDA GPIO 3 (SDA)

SCL GPIO 5 (SCL)

برای سهولت اتصال سنسور به Pi Zero ، یک آداپتور سفارشی با استفاده از هدر زن و سیم های بلوز ساخته شد. پس از آزمایش اتصالات ، انقباض حرارتی اضافه شد

مرحله 9: یک LED هشدار اضافه کنید

• یک مقاومت محدودکننده جریان را به پایه LED منفی (پای کوتاهتر) لحیم کرده و برای عایق بندی روکش کوچک (یا نوار برقی) اضافه کنید.
• برای اتصال پایه LED مثبت به GPIO26 و مقاومت به GND (به ترتیب موقعیت هدر 37 و 39) از دو کابل بلوز یا پین هدر استفاده کنید.
• برای تکمیل تنظیم ، بسته باتری را به برق ورودی Pi وصل کنید!

مرحله 10: برنامه ریزی کنید

کد پایتون برای این پروژه منبع باز است! در اینجا پیوندی به مخزن GitHub وجود دارد.

برای افرادی که تازه وارد برنامه نویسی شده اند:

کد برنامه و نظرات را بخوانید. مواردی که به راحتی قابل تغییر هستند در بخش "پارامترهای کاربر" در بالا قرار دارند

برای مردم راحت تر با تکنیک های Deet:

این برنامه شتاب سنج LIS331 را با تنظیمات پیش فرض شامل حالت قدرت معمولی و سرعت داده 50 هرتز راه اندازی می کند. برگه اطلاعات LIS331 را بخوانید و تنظیمات اولیه را به دلخواه تغییر دهید

همه

• حداکثر مقیاس شتاب مورد استفاده در این پروژه 24G است ، زیرا نیروی ضربه سریع بزرگ می شود!
• توصیه می شود وقتی برای استقرار کامل آماده هستید ، دستورات چاپ شتاب را در عملکرد اصلی بیان کنید.

قبل از اجرای برنامه ، بررسی کنید که آدرس شتاب سنج 0x19 است. پنجره ترمینال را باز کرده و برخی از ابزارهای مفید را با این دستور نصب کنید:

sudo apt-get install -y i2c-tools

سپس برنامه i2cdetect را اجرا کنید:

i2cdetect -y 1

جدول آدرس های I2C را مشاهده خواهید کرد که در تصویر بالا نشان داده شده است. با فرض این که این تنها دستگاه I2C متصل است ، عددی که می بینید (در این مورد: 19) آدرس شتاب سنج است! اگر شماره دیگری مشاهده کردید ، توجه داشته باشید و برنامه را تغییر دهید (متغیر addr).

مرحله 11: مرور سریع برنامه

این برنامه شتاب x ، y و z را می خواند ، نیروی g را محاسبه می کند و سپس داده ها را در دو فایل (در همان پوشه کد برنامه) به صورت مناسب ذخیره می کند:

• AllSensorData.txt-یک علامت زمانی و سپس نیروی g در محورهای x ، y و z می دهد.
• AlertData.txt - همانند بالا ، اما فقط برای قرائتی که بالاتر از آستانه ایمنی ما هستند (آستانه مطلق 9G یا 4G برای بیش از 3 ثانیه).

نیروهای G بالاتر از آستانه های ایمنی ما همچنین LED هشدار ما را روشن کرده و آن را روشن نگه می دارند تا زمانی که برنامه را دوباره راه اندازی کنیم. برنامه را با تایپ کردن "CTRL+c" (وقفه صفحه کلید) در ترمینال فرمان متوقف کنید.

عکس بالا هر دو فایل داده ایجاد شده در حین آزمایش را نشان می دهد.

مرحله 12: سیستم را آزمایش کنید

پنجره ترمینال را باز کنید ، به پوشه ای بروید که کد برنامه را با استفاده از دستور cd ذخیره کرده اید.

مسیر cd/به/پوشه

برنامه را با استفاده از امتیازات root اجرا کنید:

sudo python NameOfFile.py

بررسی کنید که مقادیر شتاب در جهت x ، y و z در پنجره پایانه چاپ می شوند ، معقول است و اگر نیروی g بالاتر از آستانه ما باشد چراغ LED را روشن کنید.

• برای آزمایش ، شتاب سنج را بچرخانید به طوری که هر محور به سمت زمین باشد و بررسی کنید که مقادیر اندازه گیری شده 1 یا -1 باشد (مربوط به شتاب ناشی از گرانش است).
• برای اطمینان از افزایش قرائت ، شتاب سنج را تکان دهید (علامت جهت محور را نشان می دهد ، ما بیشتر به اندازه خواندن علاقه داریم).

مرحله 13: اتصالات برق را ایمن کنید و آن را نصب کنید

هنگامی که همه چیز به درستی کار می کند ، بیایید مطمئن شویم که مانیتور نیروی ضربه در واقع می تواند در برابر ضربه مقاومت کند!

• از لوله کوچک کننده حرارتی و/یا اتصالات الکتریکی شتاب سنج و LED در اپوکسی استفاده کنید.

• برای تأسیسات فوق العاده بادوام و دائمی ، پوشش دادن کل روکش اپوکسی را در نظر بگیرید: Pi Zero ، LED و شتاب سنج (اما نه اتصالات کابل Pi یا کارت SD).

  هشدار! هنوز می توانید به Pi دسترسی داشته باشید و تمام کارهای رایانه ای را انجام دهید ، اما یک پوشش کامل اپوکسی از استفاده از پین های GPIO برای پروژه های آینده جلوگیری می کند. از طرف دیگر ، می توانید یک کیف سفارشی برای Pi Zero تهیه یا خریداری کنید ، اگرچه دوام آن را بررسی کنید

از کلاه ایمنی ، شخص خود یا وسیله ای برای حمل و نقل مانند اسکیت بورد ، دوچرخه یا گربه*مطمئن شوید!

به طور کامل آزمایش کنید که Pi محکم بسته شده یا پین های GPIO شل شده و باعث خرابی برنامه می شود.

*توجه: من در اصل قصد داشتم "ماشین" را تایپ کنم ، اما تصور کردم که یک مانیتور نیروی ضربه برای گربه ممکن است داده های جالبی نیز ارائه دهد (البته با رضایت بچه گربه).

مرحله 14: جاسازی مدار در کلاه ایمنی

چند روش برای جاسازی مدار در کلاه ایمنی وجود دارد. در اینجا رویکرد من برای نصب کلاه ایمنی است:

• اگر قبلاً این کار را نکرده اید ، باتری را به Pi وصل کنید (باتری خاموش است). شتاب سنج را در پشت Pi با عایق های غیر رسانا در بین (مانند روکش حبابی یا فوم بسته بندی نازک) محکم کنید.
• ابعاد ترکیب Pi Zero ، شتاب سنج ، LED و اتصال باتری را اندازه بگیرید. 10٪ را در هر طرف اضافه کنید.
• برش پروژه را در یک طرف کلاه ایمنی بکشید ، با اتصال باتری به سمت بالای کلاه ایمنی. روکش داخل کلاه را چند میلی متر (~ 1/8 اینچ) بگذارید.
• سنسور ، Pi و LED را در برش قرار دهید. قطعات اضافی روکش کلاه را برش دهید یا از فوم بسته بندی برای عایق کاری ، محافظت و نگه داشتن وسایل برقی در جای خود استفاده کنید.
• ابعاد باتری را اندازه بگیرید ، 10 درصد اضافه کنید و همان قطع را برای باتری دنبال کنید. باتری را داخل جیب بگذارید.
• روش عایق کاری باتری را در طرف دیگر کلاه ایمنی تکرار کنید.
• روکش کلاه ایمنی را با نوار در جای خود نگه دارید (هنگامی که آن را می پوشید سر شما آنها را در جای خود نگه می دارد).

مرحله 15: استقرار

بسته باتری را روشن کنید!

اکنون می توانید از راه دور از طریق SSH یا دسکتاپ از راه دور وارد Pi شوید و برنامه را از طریق ترمینال اجرا کنید. پس از اجرای برنامه ، شروع به ضبط داده ها می کند.

هنگامی که وای فای خانگی خود را قطع می کنید ، اتصال SSH قطع می شود ، اما برنامه همچنان باید داده ها را ثبت کند. اتصال Pi را به WiFi hotspot تلفن هوشمند خود در نظر بگیرید ، یا فقط به سیستم وارد شوید و هنگام بازگشت به خانه داده ها را بگیرید.

برای دسترسی به داده ها ، از راه دور وارد Pi شوید و فایل های متنی را بخوانید. برنامه فعلی همیشه داده ها را به فایل های موجود اضافه می کند - اگر می خواهید داده ها را حذف کنید (مانند آزمایش) ، فایل متنی را حذف کنید (از طریق دسکتاپ یا از دستور rm در ترمینال استفاده کنید) یا یک نام فایل جدید در برنامه ایجاد کنید. کد (در پارامترهای کاربر).

اگر LED روشن باشد ، راه اندازی مجدد برنامه آن را خاموش می کند.

حالا بروید ، از زندگی لذت ببرید و هر چند وقت یکبار اطلاعاتی را بررسی کنید ، اگر به چیزی برخورد کردید. امیدوارم این یک ضربه کوچک باشد ، اما حداقل شما می دانید!

مرحله 16: افزودن ویژگی های بیشتر

به دنبال بهبود مانیتور نیروی ضربه هستید؟ این خارج از محدوده آموزش است ، اما سعی کنید به لیست زیر برای ایده ها نگاه کنید!

تجزیه و تحلیل داده های g-force خود را در پایتون انجام دهید!

Pi Zero دارای قابلیت بلوتوث و WiFi است - برای ارسال اطلاعات شتاب سنج به تلفن هوشمند خود یک برنامه بنویسید! برای شروع ، در اینجا یک آموزش برای Pi Twitter Monitor وجود دارد.

سنسورهای دیگر مانند سنسور دما یا میکروفون*را اضافه کنید!

ساختمان مبارک

*توجه: برای شنیدن صداهای مهیب مرتبط با شتاب خود!: D