Boya inteligente [Resumen]: 8 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

A todos nos encanta la playa. Como colectivo, acudimos en masa para las vacaciones, para disfrutar de los deportes acuáticos o para ganarnos la vida. Pero la costa es una zona dinámica a merced de las olas. El aumento del nivel del mar mordisquea las playas y los poderosos eventos extremos como los huracanes las diezman por completo. Para comprender cómo salvarlos, debemos comprender las fuerzas que impulsan su cambio.

La investigación es costosa, pero si pudiera crear instrumentos económicos y efectivos, podría generar más datos y, en última instancia, mejorar la comprensión. Este fue el pensamiento detrás de nuestro proyecto Smart Buoy. En este resumen, le damos un resumen rápido de nuestro proyecto y lo dividimos en diseño, marca y presentación de datos. ¡Oh boya, te va a encantar esto …!

Suministros

Para la construcción completa de Smart Buoy, necesita MUCHAS cosas. Tendremos el desglose de los materiales específicos requeridos para cada etapa de la construcción en el tutorial correspondiente, pero aquí está la lista completa:

• Arduino Nano - Amazon
• Raspberry Pi Zero - Amazon
• Batería (18650) - Amazon
• Paneles solares - Amazon
• Diodos de bloqueo - Amazon
• Controlador de carga - Amazon
• Buck booster - Amazon
• Módulo GPS - Amazon
• GY-86 (acelerómetro, giroscopio, barómetro, brújula): Amazon
• Sensor de temperatura del agua - Amazon
• Módulo de monitor de energía - Amazon
• Módulo de reloj en tiempo real - Amazon
• Módulos de radio - Amazon
• Módulo multiplexor i ^ 2c - Amazon
• Impresora 3D - Amazon
• Filamento PETG - Amazon
• Epoxi - Amazonas
• Pintura de imprimación en aerosol - Amazon
• Cuerda - Amazonas
• Flotadores - Amazon
• Pegamento - Amazon

Todo el código utilizado se puede encontrar en

Paso 1: ¿Qué hace?

Los sensores a bordo de la Smart Buoy le permiten medir: altura de las olas, período de las olas, potencia de las olas, temperatura del agua, temperatura del aire, presión del aire, voltaje, uso actual y ubicación del GPS.

En un mundo ideal, también habría medido la dirección de las olas. Basándonos en las medidas que tomó la boya, estuvimos bastante cerca de encontrar una solución que nos permitiera calcular la dirección de las olas. Sin embargo, resultó ser bastante complicado y es un problema enorme en la comunidad de investigación real. Si hay alguien que pueda ayudarnos y sugerir una forma eficaz de obtener mediciones de la dirección de las olas, háganoslo saber. ¡Nos encantaría saber cómo podemos hacer que funcione! Todos los datos que recopila la boya se envían por radio a una estación base, que es una Raspberry Pi. Hicimos un tablero para mostrarlos usando Vue JS.

Paso 2: Construcción - Carcasa de la boya

Esta boya fue probablemente lo más difícil que hemos impreso hasta ahora. Había tantas cosas a tener en cuenta, ya que iba a estar en el mar, expuesto a los elementos y mucho sol. Hablaremos más sobre eso más adelante en la serie Smart Buoy.

En resumen: imprimimos una esfera casi hueca en dos mitades. La mitad superior tiene ranuras para los paneles solares y un orificio para que pase una antena de radio. La mitad inferior tiene un orificio para que pase un sensor de temperatura y un asa para atar una cuerda.

Después de imprimir la boya con filamento PETG, la lijamos, la pintamos en aerosol con un poco de imprimación de relleno y luego aplicamos un par de capas de epoxi.

Una vez que se completó la preparación de la carcasa, colocamos todos los componentes electrónicos dentro y luego sellamos el sensor de temperatura del agua, la antena de radio y los paneles solares con una pistola de pegamento. Finalmente, sellamos las dos mitades con pegamento / adhesivo StixAll (pegamento súper avión).

Y luego esperábamos que fuera impermeable …

Paso 3: Construcción - Electrónica de boya

La Boya tiene muchos sensores a bordo y los detallamos en el tutorial correspondiente. Como se trata de un resumen, intentaremos que sea informativo, pero breve.

La boya funciona con una batería 18650, que se carga con cuatro paneles solares de 5V. Sin embargo, solo el reloj de tiempo real está encendido constantemente. La boya usa el pin de salida del reloj en tiempo real para controlar un transistor que permite que la energía ingrese al resto del sistema. Cuando el sistema está encendido, comienza obteniendo medidas de los sensores, incluido un valor de voltaje del módulo de monitorización de energía. El valor dado por el módulo de monitorización de energía determina cuánto tiempo duerme el sistema antes de tomar el siguiente conjunto de lecturas. Se establece una alarma para este tiempo, ¡luego el sistema se apaga solo!

El sistema en sí es una gran cantidad de sensores y un módulo de radio conectado a un Arduino. El módulo GY-86, RealTimeClock (RTC), módulo Power Monitor y multiplexor I2C se comunican con el Arduino usando I2C. Necesitábamos el multiplexor I2C porque el GY-86 y el módulo RTC que usamos tienen la misma dirección. El módulo multiplexor le permite comunicarse sin problemas adicionales, aunque puede ser un poco exagerado.

El módulo de radio se comunica a través de SPI.

Originalmente, también teníamos un módulo de tarjeta SD, pero causó tantos dolores de cabeza debido al tamaño de la biblioteca SD que decidimos desecharlo.

Eche un vistazo al código. Es probable que tenga algunas preguntas, probablemente también dudas persistentes, y nos complacerá escucharlas. Los tutoriales detallados incluyen explicaciones de código, ¡así que espero que lo aclaren un poco!

Intentamos separar lógicamente los archivos de código y usar un archivo principal para incluirlos, lo que pareció funcionar bastante bien.

Paso 4: Construir - Electrónica de la estación base

La estación base se fabrica utilizando una Raspberry Pi Zero con un módulo de radio adjunto. Obtuvimos la carcasa de https://www.thingiverse.com/thing:1595429. ¡Eres fabuloso, muchas gracias!

Una vez que tenga el código ejecutándose en Arduino, es bastante sencillo obtener las medidas en la Raspberry Pi ejecutando el código listen_to_radio.py.

Paso 5: Panel de control

Mostrarles cómo hicimos todo el tablero sería una especie de Odisea porque fue un proyecto bastante largo y complicado. Si alguien quiere saber cómo lo hicimos, háganoslo saber: ¡el desarrollador web residente de T3ch Flicks estaría más que feliz de hacer un tutorial sobre esto!

Una vez que coloque estos archivos en una Raspberry Pi, debería poder ejecutar el servidor y ver el tablero con los datos que ingresan. Por razones de desarrollo y para ver cómo se vería el tablero si fuera proporcionado por datos buenos y regulares, agregamos un generador de datos falso en el servidor. Ejecute eso si quiere ver cómo se ve cuando tiene más datos. También explicaremos esto con cierto detalle en un tutorial posterior.

(Recuerde que puede encontrar todo el código en

Paso 6: ¿Versión 2? - Problemas

Este proyecto no es en absoluto perfecto; nos gusta pensar en él más como un prototipo / prueba de concepto. Aunque el prototipo funciona a un nivel fundamental: flota, toma medidas y es capaz de transmitirlas, hay muchas cosas que hemos aprendido y cambiaríamos para la versión dos:

1. Nuestro mayor problema fue no poder cambiar el código de la boya después de pegarla. Esto fue realmente un descuido y podría resolverse de manera muy efectiva con un puerto USB cubierto con un sello de goma. Eso, sin embargo, habría agregado una capa completamente diferente de complejidad al proceso de impermeabilización de la impresión 3D.
2. Los algoritmos que usamos estaban lejos de ser perfectos. Nuestros métodos para determinar las propiedades de las ondas eran bastante rudimentarios y terminamos gastando mucho de nuestro tiempo leyendo en matemáticas para combinar los datos del sensor del magnetómetro, acelerómetro y giroscopio. Si alguien comprende esto y está dispuesto a ayudar, creemos que podríamos hacer que estas mediciones sean mucho más precisas.
3. Algunos de los sensores actuaron de manera un poco extraña. El sensor de temperatura del agua fue el que se destacó por ser particularmente dudoso, casi a 10 grados de la temperatura real a veces. La razón de esto podría haber sido simplemente un sensor defectuoso, o algo lo estaba calentando …

Paso 7: ¿Versión 2? - Mejoras

El Arduino era bueno, pero como se mencionó anteriormente, tuvimos que desechar el módulo de la tarjeta SD (que se suponía que era la copia de seguridad de los datos si los mensajes de radio no se podían enviar) debido a problemas de memoria. Podríamos cambiarlo a un microcontrolador más potente como un Arduino Mega o un Teensy o simplemente usar otro Raspberry Pi zero. Sin embargo, esto habría aumentado el costo y el consumo de energía.

El módulo de radio que usamos tiene un alcance limitado de un par de kilómetros con línea de visión directa. Sin embargo, en un mundo hipotético donde pudimos poner (muchísimas) boyas alrededor de la isla, podríamos haber formado una red de malla como esta. Hay tantas posibilidades para la transmisión de datos de largo alcance, incluidos lora, grsm. Si pudiéramos usar uno de estos, ¡tal vez sería posible una red de malla alrededor de la isla!

Paso 8: uso de nuestra boya inteligente para la investigación

Construimos y lanzamos la Boya en Granada, una pequeña isla en el sur del Caribe. Mientras estábamos allí, conversamos con el gobierno de Granada, quien dijo que una boya inteligente como la que creamos sería útil para proporcionar mediciones cuantitativas de las características del océano. Las mediciones automatizadas eliminarían algunos esfuerzos humanos y errores humanos y proporcionarían un contexto útil para comprender las costas cambiantes. El gobierno también sugirió que tomar medidas del viento también sería una característica útil para sus propósitos. No tengo idea de cómo vamos a gestionar eso, así que si alguien tiene alguna idea …

Una advertencia importante es que, aunque es un momento realmente emocionante para la investigación costera, en particular en lo que respecta a la tecnología, queda un largo camino por recorrer antes de que se pueda adoptar por completo.

Gracias por leer la publicación de blog resumida de la serie Smart Buoy. Si aún no lo ha hecho, eche un vistazo a nuestro video de resumen en YouTube.

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Parte 1: Medición de olas y temperatura

Parte 2: Radio GPS NRF24 y tarjeta SD

Parte 3: Programación de energía para la boya

Parte 4: Despliegue de la boya