ضمیمه سیستم حسگر محیطی برای پهپادها: 18 مرحله

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

هدف از این دستورالعمل شرح نحوه ساخت ، پیوستن و عملکرد سیستم حسگر محیطی Integrated Solutions Technology در ارتباط با پهپاد DJI Phantom 4 است. این بسته های حسگر از پهپاد برای انتقال به محیط های بالقوه خطرناک برای شناسایی سطوح خطر فعلی مونوکسید کربن (CO) ، دی اکسید کربن (CO2) و گاز پروپان مایع (LPG) در مقایسه با استانداردهای OSHA و EPA استفاده می کنند. توجه به این نکته ضروری است که اگرچه یک حسگر تابش نیز در این دستورالعمل نشان داده شده است ، اما به عنوان یک واحد جداگانه برای سنسورهای گاز عمل می کند و محصول نهایی نشان داده شده فقط شامل اجزای سنسور گاز ذکر شده در بالا است.

مرحله 1: ابزارها ، نرم افزارها و مواد لازم را جمع آوری کنید

ابزارهای مورد استفاده:

1. نرم افزار آردوینو (https://www.arduino.cc/fa/Main/Software)
2. انبر
3. اره رومیزی با تیغه ساینده
4. آسیاب میز

مواد استفاده شده:

1. DJI Phantom 4
2. آردوینو اونو
3. باتری خارجی جکری 3350 میلی آمپر ساعت
4. تخته نان استاندارد
5. سنسور مونوکسید کربن - MQ - 7
6. سنسور گاز پروپان مایع - MQ - 6
7. سنسور دی اکسید کربن CO2 - MG - 811
8. سنسور رطوبت و دما AK9750 Si7021
9. سنسور تابش جیبی گیگر - نوع 5
10. مودم بلوتوث - BlueSMiRF Gold
11. تسمه های آویز از جنس استیل نرم
12. کیت مخترع SparkFun
13. 3M نوار نصب دو طرفه

مرحله 2: سیم کشی سنسور و میکروکنترلر را مونتاژ کنید

برای تعیین پین های ورودی و خروجی لازم برای عملکرد مناسب قطعات ، به تمام برگه های داده سنسور سازنده محصول دسترسی پیدا کنید. به منظور ایجاد جهت گیری کارآمد برای همه اجزای ارائه شده در بسته های گاز و تابش ، هر سنسور و ماژول باید جداگانه سیم کشی شوند تا از عملکرد آن هنگام اتصال به میکروکنترلر قبل از ادغام روی یک تخته نان ، اطمینان حاصل شود. برای اطمینان از وضوح ، فرآیند ساخت هر نوع مدار و کد پایه در مراحل زیر آمده است.

مرحله 3: تعیین پین های ورودی و خروجی سنسور مونوکسید کربن MQ - 7

همانطور که در نمودار بالا نشان داده شده است ، م componentلفه CO باید دارای سه پایه ولتاژ ورودی در راست ترین ریل باشد که به منبع تغذیه میکروکنترلر 5 ولت متصل هستند. پین ورودی آنالوگ به هر یک از پین های میکروکنترلر با برچسب A0 ، A1 ، A2 و غیره متصل می شود ، در حالی که پایه های پایه به پایه های میکروکنترلر متصل می شوند. در نهایت ، از یک مقاومت 10K اهم برای اتصال پایه سنسور پایین سمت چپ به زمین استفاده می شود. توجه به این نکته ضروری است که این pinout برای سنسورهای CO2 و LPG که در این سیستم استفاده می شود قابل اجرا است.

مرحله 4: سنسور را مطابق با Pinout به پین های ورودی و خروجی میکروکنترلر وصل کنید

همانطور که در مراحل قبل توضیح داده شد ، یک پین به عنوان پین ورودی آنالوگ برای میکروکنترلر تعیین شده است. در کد پایه نمایش داده شده در بالا ، و برای بارگیری در مرحله بعد ، پین آنالوگ تعریف شده پین A0 است. مطابق با این تعیین ، پین بالا سمت چپ را به پایه A0 میکروکنترلر وصل کنید. سپس ، می توان یک ریل ورودی 5 ولت معمولی و زمینی را با اتصال سمت چپ ترین ریل برق (با علامت "-") به پایه زمین و راست ترین ریل ("+") به پین 5 ولت ایجاد کرد. با سیم کشی تخته نان به این روش ، پین های سنسور را می توان مستقیماً به ریل های تخته نان متصل کرد ، و اتصالات تمیز به میکروکنترلر را امکان پذیر می کند. این ساختار در تصاویر مدار پایه بالا نشان داده شده است.

مرحله 5: کد پایه سنسور گاز را بارگیری کنید

پس از اتصال ، کد اصلی Arduino را که از صفحه محصول SparkFun (https://www.sparkfun.com/products/9403 ؛ پیوست شده) بارگذاری شده است ، با فشار دادن پیکان واقع در سمت چپ بالای رابط ، برای اطمینان از سیم کشی قطعه در آن بارگذاری کنید. مطابق با pinout

مرحله 6: برای اطمینان از عملکرد ، مانیتور سریال را باز کنید

با انتخاب نماد ذره بین در سمت راست بالای رابط ، مانیتور سریال را باز کنید. با این کار پنجره جداگانه ای که در بالا نشان داده شده است باز می شود ، جایی که خروجی سنسور ، در ابتدا قرائت ولتاژ ، نمایش داده می شود. اگر داده ها در مانیتور سریال مطابق تصویر نمایش داده نمی شوند ، بررسی کنید که عملکرد analogRead به تعداد صحیح پین آنالوگ سیم کشی شده در مراحل اولیه این فرآیند اشاره می کند.

مرحله 7: مراحل 3-6 را برای سنسورهای گاز مایع و دی اکسید کربن تکرار کنید

برای اطمینان از عملکرد سنسورهای اضافی ، تعریف پین ها ، سیم کشی سنسور و بارگذاری کد را تکرار کنید.

مرحله 8: سنسور رطوبت و دما Wire SparkFun Si7021 (اختیاری)

همان فرایند کلی که برای سنسورهای گاز بیان شده است ، برای سنسور دما و رطوبت نیز اجرا خواهد شد. با این حال ، pinout با سنسورهای گاز متفاوت است و در بالا نمایش داده می شود. پین VCC (دوم از سمت راست روی سنسور) به منبع تغذیه میکروکنترلر 5 یا 3.3 ولت متصل می شود و پایه زمین به سیم میکروکنترلر متصل می شود ، همانطور که در سیم کشی سنسور گاز مشاهده می شود. به جای یک پین خروجی آنالوگ ، این سنسور حاوی پایه های خروجی SDA و SCL است که وظیفه انتقال داده ها را از سنسور به میکروکنترلر برای پردازش بر عهده دارند. از این سنسور می توان برای تأیید صحت اندازه گیری های سنسور گاز در مقایسه با مقادیر برگه داده آنها استفاده کرد.

مرحله 9: دانلود کد پایه Si7021 Humidity and Temperature Sensor SparkFun

پس از اتمام سیم کشی ، کد نمونه پیوست (اقتباس از https://www.sparkfun.com/products/13763) باید روی میکروکنترلر بارگذاری شود تا از ساخت مدار مناسب اطمینان حاصل شود. همانطور که در کد سنسور گاز توضیح داده شد ، با دسترسی به مانیتور سریال ، مطمئن شوید که قطعه دما و رطوبت را منتقل می کند. توجه به این نکته ضروری است که این کد پایه شامل استفاده از دو کتابخانه اجزای مختلف SparkFun است. برای اینکه این کد کامپایل شود و روی میکروکنترلر بارگذاری شود ، کاربر باید این کتابخانه ها را از طریق روش های نشان داده شده در مرحله 9 نصب کند.

مرحله 10: کتابخانه های کامپوننت آردوینو را اضافه کنید

پیاده سازی کتابخانه های آردوینو در کدها با استفاده از یک دستور #include که در بالای کد مرحله 8 مشاهده می شود ، مشخص می شود. بدون درج این کتابخانه ها ، کد قادر به کامپایل یا بارگذاری روی میکروکنترلر نخواهد بود. برای دسترسی و نصب این کتابخانه ها ، به برگه طرح بروید ، Include Library را گسترش دهید و Manage Libraries را انتخاب کنید. نام کتابخانه مورد نیاز را وارد کنید (متنی که پس از فرمان #include ظاهر می شود) ، روی گزینه مورد نظر کلیک کنید ، نسخه ای را انتخاب کرده و install را فشار دهید.

مرحله 11: سنسور تابش جیبی سیم جییری - نوع 5

همانطور که قبلاً گفته شد ، این جزء جدا از سنسورهای گاز قرار می گیرد. در راه اندازی این محصول ، روند هنوز همان است. پین های م componentلفه را به خروجی های مربوطه وصل کنید ، همانطور که در pinout بالا نشان داده شده است. پین VCC را به منبع 5V واقع در میکروکنترلر و پایه زمین را به زمین میکروکنترلر وصل کنید ، همانطور که با سنسورهای گاز انجام شد. سپس ، پین های سیگنال و نویز را به ترتیب به پایه های 2 و 5 میکروکنترلر وصل کنید. پس از اتمام این کار ، کد اصلی اقتباس شده از radio-watch.org را از طریق Github (https://www.sparkfun.com/products/142090) بارگذاری کنید و این جزء آماده بهره برداری است.

مرحله 12: سیم کشی سنسور یکپارچه را توسعه دهید

پس از سیم کشی جداگانه هر سنسور برای تأیید عملکرد آن ، شروع به یکپارچه سازی هر سیم کشی سنسور در قالب متراکم کنید تا همه سنسورهای توضیح داده شده در بالا روی صفحه نان دار سیم کشی شوند ، همانطور که در شکل های بالا نشان داده شده است. برای وصل صحیح پین های آردوینو لازم به قطعات مربوطه به جدول بالا مراجعه کنید تا قبل از بارگذاری نیازی به تغییر کدهای زیر نباشد. برای پشتیبانی از فرمت متراکم ، از سیم معمولی برق و زمین مشترک با سیم کشی یکی از ریل های تغذیه نانبرد 5 ولت و دیگری 3.3 ولت استفاده کنید. در حالی که اتصال به پایه زمین میکروکنترلر آردوینو را برقرار می کنید ، دو ریل زمین را به یکدیگر متصل کنید. پس از اتمام ، کد پیوست را بارگذاری کنید تا به قابلیت های سنسور گاز مونتاژ شده روی برد دسترسی پیدا کنید. کد پیوست آردوینو سنسورهای گاز و همچنین سنسور دما و رطوبت را کنترل کرده و داده های اندازه گیری آنها را به صورت قطعات در میلیون از طریق مانیتور سریال نمایش می دهد. همچنین طبقه بندی سطح خطر داده های اندازه گیری شده را ارائه می دهد. سنسور تابش می تواند به اندازه گیری محدوده زمانی وابسته باشد (یعنی شمارش در دقیقه) ، بنابراین توصیه می شود این جزء را جدا از سنسورهای گاز کار کنید. برای پشتیبانی از این تمایز ، سنسورهای CO ، LPG و CO2 تنها قطعاتی خواهند بود که میکروکنترلر با ماژول بلوتوث مرتبط می شود. با این حال ، توجه به این نکته ضروری است که برای دستیابی به نتیجه مشابه با سنسور تشعشع ، مراحل زیر را می توان دنبال کرد.

مرحله 13: شروع اتصال بلوتوث بین تلفن و ماژول

هنگامی که سیستم حسگر مورد نظر مونتاژ ، کدگذاری و متراکم می شود ، مرحله بعدی اتصال بی سیم یک دستگاه کاربر به سیستم است. این اجازه می دهد تا خواندن سنسورهای زنده برای کاربر در فاصله ای دور از منطقه خطر ارسال شود. اتصال سیستم حسگر و دستگاه کاربر با ماژول بلوتوث Arduino BlueSMiRF تسهیل می شود. این ماژول به برنامه تلفن همراه "Arduino Bluetooth Data" متصل می شود که می توانید آن را از فروشگاه Google Play بارگیری کنید. این رابط به طور مستقیم قرائتهای به دست آمده از سنسورهای گاز ، حضور انسان یا حسگرهای تابش را نشان می دهد و تا 350 فوت قابل دسترسی است و کاربر را از تغییرات در خواندن سنسورها آگاه می کند ، در حالی که به کاربر اجازه می دهد سطح خطرناک خطرات زیست محیطی با توجه به مقررات OSHA و EPA تشخیص داده می شود.

همانطور که با سنسورها نشان داده شد ، قطعه باید به صورت جداگانه سیم کشی شود تا راه اندازی قطعات و ارزیابی عملکرد آن آغاز شود. با استفاده از نمودار کامپوننت نشان داده شده در شکل بالا ، کامپوننت با ورودی برق 5 ولت و پایه پایه سیم کشی می شود ، در حالی که پین های اجزای TX و RX به دو پین دیجیتالی تعریف شده توسط کاربر وصل می شوند. همانطور که در شکل نشان داده شده است ، پین TX به پین دیجیتال دوم اختصاص داده شده است و RX به عنوان پین سوم تعیین شده است. پس از اتمام این کار ، کد نمونه زیر را برای شروع راه اندازی کامپوننت اجرا کنید. در این مرحله ، LED م componentلفه باید به آرامی با رنگ قرمز چشمک بزند. به مانیتور سریال دسترسی داشته باشید و گزینه های پایین پنجره را به ترتیب برای خواندن "بدون خط پایان" و "9600 baud" در کادرهای کشویی تغییر دهید. سپس "$$$" را در کادر فرمان تایپ کرده و "ارسال" را فشار دهید. این حالت "Command Command" را در کامپوننت ایجاد می کند و باعث می شود که LED به سرعت یک رنگ قرمز چشمک بزند. علاوه بر این ، کامپوننت پیام "CMD" را به مانیتور سریال ارسال می کند.

قبل از ادامه راه اندازی ، تنظیمات کشویی نمایشگر سریال را مجددا تغییر دهید تا "Newline" و "9600 baud" را بخوانید. ارسال دستورات "D" و "E" به نمایشگر سریال برای نمایش تنظیمات جزء ، از جمله نام کارخانه. برای جفت شدن با تلفن همراه خود ، تنظیمات بلوتوث را باز کنید ، نام داده شده ماژول بلوتوث را انتخاب کنید (برای مثال ارائه شده ECEbluesmirf). پس از این انتخاب ، یک فرمان "I" ارسال کنید تا دستگاههای دارای بلوتوث را اسکن کنید. از شماره اول برای همگام سازی دو دستگاه با ارسال "C ، اولین شماره" استفاده می شود. پس از تکمیل ، LED بلوتوث به رنگ سبز روشن تبدیل می شود.

مرحله 14: اتصال سیستم به برنامه تلفن همراه - کاربران Android

برای دسترسی به داده های حسگر در Android ، برنامه تلفن همراه "Arduino Bluetooth Data" را از فروشگاه Google Play بارگیری کنید. برنامه تلفن همراه را باز کنید و برای اتصال روی نام نام ماژول بلوتوث در رابط کاربری ضربه بزنید. در صورت درخواست ، برنامه را به عنوان گیرنده انتخاب کنید. رابط نمایش داده های سنسور نمایش داده می شود و ماژول دارای یک LED سبز جامد است. پس از اتمام ، کد پیوست را بارگذاری کنید تا حسگرها فعال شوند و داده های خطرات محیطی بازیابی شوند. اسامی سنسورها را می توان با توجه به سنسورهای مورد استفاده به روز کرد ، همانطور که برای دستیابی به تصویر بالا تکمیل شد.

مرحله 15: براکت های پشتیبانی برای اتصال سیستم سنسور ایجاد کنید

مونتاژ سیستم سنسور نیاز به استفاده از دو بند آویز فولادی نرم و نوار چسب دو طرفه 3M برای اتصال به هواپیمای بدون سرنشین DJI Phantom 4 دارد. اولین قدم این است که بندهای آویز فولادی نرم را به هواپیمای بدون سرنشین خم کرده و شکل دهید. این به طول کلی بند اولیه 23 اینچ نیاز دارد. با استفاده از اره رومیزی با تیغه ساینده ، از این بند ، بندهای مساوی را برش دهید. سپس ، انتهای آن را آسیاب کنید تا لکه ها برداشته شوند. نتیجه فرآیند در اولین شکل هایی که در بالا نشان داده شده نشان داده شده است. در این فرآیند می خواهید از برش در امتداد شکاف های باز خودداری کنید ، تا از ضعیف شدن انتهای بند جلوگیری کنید.

در مرحله بعدی نیاز به خم شدن تسمه ها برای قرار گرفتن بر روی هواپیمای بدون سرنشین است. توصیه می شود از یک انبردست برای خم شدن فولادها و قرار دادن بند در پایین ریل ها استفاده کنید. تسمه ها را روی ریل های پای هواپیمای بدون سرنشین قرار دهید و محل لبه پایه های ریل را مشخص کنید. این به عنوان نمایشی برای خم شدن فولادها عمل می کند. تسمه ها را به میزان کم خم کنید تا دور نرده ها پیچیده شوند و از لغزش جلوگیری شود.

مرحله 16: سیستم را در هواپیمای بدون سرنشین مونتاژ کنید

نمونه ای از مونتاژ سیستم حسگر با استفاده از تسمه های آویز فولادی نرم و نوار چسب نشان داده می شود. همانطور که قبلاً بحث شد ، بندهای آویز فولادی نرم خم شده و در قسمت پایین هواپیمای بدون سرنشین قرار می گیرند تا بستری برای نشستن قطعات ایجاد شود. پس از اتمام این کار ، قطعات را با چسب به تسمه ها وصل کنید تا ایمن باشند ، اما مانع عملکرد عادی پهپاد نشوند. برای ایجاد فضای زیاد ، در مثال از دو بند آویز استفاده می شود که از باتری خارجی ، میکروکنترلر و تخته نان پشتیبانی می کند. علاوه بر این ، سنسورها به سمت عقب هواپیمای بدون سرنشین قرار گرفته اند.

مرحله 17: استفاده از این سیستم برای ارزیابی ریسک خطر

برای تعیین شدت سطوح خطر ارائه شده توسط این سیستم ، باید استانداردهای زیر را ارجاع دهید. رنگ سبز نشان دهنده یک محیط امن برای همه افراد حاضر در منطقه مورد نظر است ، در حالی که رنگ بنفش بدترین غلظت محیطی ممکن را نشان می دهد و منجر به اثرات کشنده می شود. سیستم رنگ مورد استفاده از برنامه پرچم کیفیت هوا EPA مشتق شده است.

مونوکسید کربن (OSHA)

• 0-50 PPM (سبز)
• 50-100 PPM (زرد)
• 100-150 PPM (نارنجی)
• 150-200 PPM (قرمز)
• > 200 PPM (بنفش)

گاز پروپان مایع (NCBI)

• 0-10 ، 000 PPM (سبز)
• 10 ، 000-17 ، 000 PPM (زرد)
• > 17،000 PPM (قرمز)

دی اکسید کربن (موسسه جهانی CCS)

• 0-20 ، 00 PPM (سبز)
• 20 ، 000-50 ، 000 PPM (زرد)
• 50 ، 000-100 ، 000 PPM (نارنجی)
• 100 ، 000-150 ، 000 PPM (قرمز)
• > 150 ، 000 PPM (بنفش)

مرحله 18: از سیستم برای جمع آوری داده های اندازه گیری شده استفاده کنید

اکنون که مونتاژ نهایی به پایان رسیده است ، سیستم آماده به کار است. از آنجایی که کد مورد نیاز برای کارکرد میکروکنترلر با سیستم سنسور قبلاً بارگذاری شده است ، میکروکنترلر می تواند به جای رایانه ، برای انتقال داده به بسته باتری تلفن همراه متصل شود. این سیستم اکنون آماده استفاده در برنامه های ارزیابی خطرات زیست محیطی است!