Un medidor de nivel de agua de pozo en tiempo real: 6 pasos (con imágenes)

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

Estas instrucciones describen cómo construir un medidor de nivel de agua en tiempo real y de bajo costo para usar en pozos excavados. El medidor de nivel de agua está diseñado para colgar dentro de un pozo excavado, medir el nivel del agua una vez al día y enviar los datos por WiFi o conexión celular a una página web para su visualización y descarga inmediata. El costo de las piezas para construir el medidor es de aproximadamente 200 dólares canadienses para la versión WiFi y 300 dólares canadienses para la versión celular. El medidor se muestra en la Figura 1. En el archivo adjunto se proporciona un informe completo con instrucciones de construcción, lista de piezas, consejos para construir y operar el medidor y cómo instalar el medidor en un pozo de agua (Instrucciones del medidor de nivel de agua.pdf). Los medidores de nivel de agua se han utilizado para desarrollar una red regional de monitoreo de acuíferos poco profundos en tiempo real en Nueva Escocia, Canadá: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm … Instrucciones para construir un medidor similar que mida el agua temperatura, conductividad y niveles de agua está disponible aquí:

El medidor de nivel de agua utiliza un sensor ultrasónico para medir la profundidad del agua en el pozo. El sensor está conectado a un dispositivo de Internet de las cosas (IoT) que se conecta a una red WiFi o celular y envía los datos del nivel del agua a un servicio web para ser graficados. El servicio web utilizado en este proyecto es ThingSpeak.com, que es de uso gratuito para proyectos pequeños no comerciales (menos de 8, 200 mensajes / día). Para que la versión WiFi del medidor funcione, debe estar ubicado cerca de una red WiFi. Los pozos de agua domésticos a menudo cumplen con esta condición porque están ubicados cerca de una casa con WiFi. El medidor no incluye un registrador de datos, sino que envía los datos del nivel del agua a ThingSpeak donde se almacenan en la nube. Por lo tanto, si hay un problema de transmisión de datos (por ejemplo, durante un corte de Internet), los datos del nivel del agua para ese día no se transmiten y se pierden permanentemente.

El medidor fue diseñado y probado para pozos excavados de gran diámetro (0,9 m de diámetro interior) con aguas poco profundas (menos de 10 m por debajo de la superficie del suelo). Sin embargo, podría usarse para medir los niveles de agua en otras situaciones, como pozos de monitoreo ambiental, pozos perforados y cuerpos de agua superficiales.

El diseño del medidor que se presenta aquí se modificó después de un medidor que se hizo para medir los niveles de agua en un tanque de agua doméstico e informar el nivel del agua a través de Twitter, publicado por Tim Ousley en 2015: https://www.instructables.com/id/Wi -Fi-Twitter-Wa…. Las principales diferencias entre el diseño original y el diseño presentado aquí son la capacidad de operar el medidor con baterías AA en lugar de un adaptador de corriente con cable, la capacidad de ver los datos en un gráfico de series de tiempo en lugar de un mensaje de Twitter, y el uso de un sensor ultrasónico diseñado específicamente para medir niveles de agua.

A continuación se proporcionan instrucciones paso a paso para construir el medidor de nivel de agua. Se recomienda que el constructor lea todos los pasos de la construcción antes de comenzar el proceso de construcción del medidor. El dispositivo de IoT utilizado en este proyecto es un fotón de partículas y, por lo tanto, en las siguientes secciones, los términos "dispositivo de IoT" y "Fotón" se utilizan indistintamente.

Suministros

Partes electronicas:

Sensor - MaxBotix MB7389 (rango de 5 m)

Dispositivo IoT: fotón de partículas con encabezados

Antena (antena interna instalada dentro de la caja del medidor): conector de 2,4 GHz, 6dBi, IPEX o u. FL, 170 mm de largo

Paquete de baterías - 4 X AA

Cable: cable de puente con conectores a presión (300 mm de longitud)

Baterías - 4 X AA

Piezas de fontanería y hardware:

Tubería - ABS, 50 mm (2 pulgadas) de diámetro, 125 mm de largo

Tapa superior, ABS, 50 mm (2 pulgadas), roscada con junta para hacer un sello hermético

Tapa inferior, PVC, 50 mm (2 pulgadas) con rosca NPT hembra de ¾ de pulgada para encajar en el sensor

2 acopladores de tubería, ABS, 50 mm (2 pulgadas) para conectar la tapa superior e inferior a la tubería de ABS

Perno de ojo y 2 tuercas, acero inoxidable (1/4 de pulgada) para colgar en la tapa superior

Otros materiales: cinta aislante, cinta de teflón, soldadura, silicona, pegamento para armar la caja

Paso 1: ensamble la caja del medidor

Ensamble la caja del medidor como se muestra en las Figuras 1 y 2 anteriores. La longitud total del medidor ensamblado, punta a punta, incluido el sensor y el perno de ojo, es de aproximadamente 320 mm. El tubo de ABS de 50 mm de diámetro utilizado para hacer la caja del medidor debe cortarse a aproximadamente 125 mm de largo. Esto deja suficiente espacio dentro de la caja para albergar el dispositivo IoT, la batería y una antena interna de 170 mm de largo.

Selle todas las juntas con silicona o pegamento ABS para que la carcasa sea hermética. Esto es muy importante, de lo contrario, la humedad puede entrar en la carcasa y destruir los componentes internos. Se puede colocar un pequeño paquete de desecante dentro de la caja para absorber la humedad.

Instale un perno de ojo en la tapa superior perforando un agujero e insertando el perno de ojo y la tuerca. Se debe usar una tuerca tanto en el interior como en el exterior de la caja para asegurar el perno de ojo. Silicona el interior de la tapa en el orificio del perno para que sea hermético.

Paso 2: conecte los cables al sensor

Se deben soldar tres cables (consulte la Figura 3a) al sensor para conectarlo al Fotón (es decir, las clavijas del sensor GND, V + y la clavija 2). Soldar los cables al sensor puede ser un desafío porque los orificios de conexión del sensor son pequeños y están muy juntos. Es muy importante que los cables estén correctamente soldados al sensor para que haya una buena y fuerte conexión física y eléctrica y no haya arcos de soldadura entre los cables adyacentes. Una buena iluminación y una lupa ayudan con el proceso de soldadura. Para aquellos que no tienen experiencia previa en soldadura, se recomienda un poco de práctica de soldadura antes de soldar los cables al sensor. Un tutorial en línea sobre cómo soldar está disponible en SparkFun Electronics (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…).

Después de que los cables estén soldados al sensor, cualquier exceso de cable desnudo que sobresalga del sensor se puede recortar con un cortador de cables hasta aproximadamente 2 mm de longitud. Se recomienda que las juntas de soldadura se cubran con una gota gruesa de silicona. Esto le da más fuerza a las conexiones y reduce la posibilidad de corrosión y problemas eléctricos en las conexiones del sensor si entra humedad en la caja del medidor. También se puede enrollar cinta aislante alrededor de los tres cables en la conexión del sensor para brindar protección adicional y alivio de tensión, lo que reduce la posibilidad de que los cables se rompan en las uniones soldadas.

Los cables del sensor pueden tener conectores de tipo push-on (ver Figura 3b) en un extremo para conectarlos al Photon. El uso de conectores a presión facilita el montaje y desmontaje del medidor. Los cables del sensor deben tener al menos 270 mm de largo para que puedan extenderse por toda la longitud de la caja del medidor. Esta longitud permitirá que el Photon se conecte desde el extremo superior de la caja con el sensor en su lugar en el extremo inferior de la caja. Tenga en cuenta que esta longitud de cable recomendada asume que la tubería de ABS utilizada para hacer la caja del medidor está cortada a una longitud de 125 mm. Antes de cortar y soldar los cables al sensor, confirme que una longitud de cable de 270 mm es suficiente para extenderse más allá de la parte superior de la caja del medidor de modo que el Photon se pueda conectar después de que se haya ensamblado la caja y el sensor esté conectado permanentemente a el caso.

El sensor ahora se puede conectar a la caja del medidor. Debe atornillarse firmemente en la tapa inferior, usando cinta de teflón para asegurar un sello hermético.

Paso 3: conecte el sensor, el paquete de baterías y la antena al dispositivo IoT

Conecte el sensor, el paquete de baterías y la antena al Photon (Figura 4) e inserte todas las piezas en la caja del medidor. A continuación se proporciona una lista de las conexiones de clavijas indicadas en la Figura 4. Los cables del sensor y del paquete de baterías se pueden conectar soldando directamente al Photon o con conectores de tipo push-on que se conectan a las clavijas del cabezal en la parte inferior del Photon (como se ve en la Figura 2). El uso de conectores a presión hace que sea más fácil desmontar el medidor o reemplazar el Photon si falla. La conexión de la antena en el Photon requiere un conector tipo u. FL (Figura 4) y debe presionarse con mucha firmeza en el Photon para realizar la conexión. No instale las baterías en el paquete de baterías hasta que el medidor esté listo para ser probado o instalado en un pozo. No hay un interruptor de encendido / apagado incluido en este diseño, por lo que el medidor se enciende y apaga instalando y quitando las baterías.

Lista de conexiones de pines en el dispositivo IoT (Particle Photon):

Photon pin D3 - conectar a - Sensor pin 2, datos (cable marrón)

Photon pin D2 - conectar a - Sensor pin 6, V + (cable rojo)

Pin de fotón GND - conectar a - Pin 7 del sensor, GND (cable negro)

Photon pin VIN - conectar a - Paquete de baterías, V + (cable rojo)

Pin de fotón GND - conectar a - Paquete de baterías, GND (cable negro)

Pin Photon u. FL - conectar a - Antena

Paso 4: configuración del software

Se necesitan cinco pasos principales para configurar el software del medidor:

1. Cree una cuenta de Particle que proporcionará una interfaz en línea con Photon. Para hacer esto, descargue la aplicación móvil Particle en un teléfono inteligente: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. Después de instalar la aplicación, cree una cuenta de Particle y siga las instrucciones en línea para agregar Photon a la cuenta. Tenga en cuenta que se pueden agregar fotones adicionales a la misma cuenta sin la necesidad de descargar la aplicación Particle y crear una cuenta nuevamente.

2. Cree una cuenta ThingSpeak https://thingspeak.com/login y configure un nuevo canal para mostrar los datos del nivel del agua. En la Figura 5 se muestra un ejemplo de una página web ThingSpeak para un medidor de agua, que también se puede ver aquí: https://thingspeak.com/channels/316660. Las instrucciones para configurar un canal ThingSpeak se proporcionan en https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w … Tenga en cuenta que se pueden agregar canales adicionales para otros Photons a la misma cuenta sin la necesidad de crear otra cuenta ThingSpeak.

3. Se requiere un "webhook" para pasar los datos del nivel del agua del Photon al canal ThingSpeak. Las instrucciones para configurar un webhook se proporcionan en https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. Si se está construyendo más de un medidor de agua, se debe crear un nuevo webhook con un nombre único para cada Photon adicional.

4. El webhook que se creó en el paso anterior debe insertarse en el código que opera Photon. El código para la versión WiFi del medidor de nivel de agua se proporciona en el archivo adjunto (Code1_WiFi.txt). En una computadora, vaya a la página web de Particle https://login.particle.io/login?redirect=https://… inicie sesión en la cuenta de Particle y navegue hasta la interfaz de la aplicación Particle. Copie el código y utilícelo para crear una nueva aplicación en la interfaz de la aplicación Particle. Inserte el nombre del webhook creado anteriormente en la línea 87 del código. Para hacer esto, elimine el texto dentro de las comillas e inserte el nuevo nombre del webhook dentro de las comillas en la línea 87, que dice lo siguiente:

Particle.publish ("Insert_Webhook_Name_Inside_These_Quotes", String (GWelevation, 2), PRIVATE);

5. El código ahora se puede verificar, guardar e instalar en Photon. Tenga en cuenta que el código se almacena e instala en Photon desde la nube. Este código se utilizará para operar el medidor de agua cuando esté en el pozo de agua. Durante la instalación de campo, será necesario realizar algunos cambios en el código para establecer la frecuencia de informes en una vez al día y agregar información sobre el pozo de agua (esto se describe en el archivo adjunto Instrucciones del medidor de nivel de agua.pdf en la sección titulada “Instalación del medidor en un pozo de agua”).

Paso 5: Pruebe el medidor

La construcción del medidor y la configuración del software están ahora completas. En este punto, se recomienda que se pruebe el medidor. Deben completarse dos pruebas. La primera prueba se utiliza para confirmar que el medidor puede medir los niveles de agua correctamente y enviar los datos a ThingSpeak. La segunda prueba se utiliza para confirmar que el consumo de energía del Photon está dentro del rango esperado. Esta segunda prueba es útil porque las baterías fallarán antes de lo esperado si el Photon está usando demasiada energía.

Con fines de prueba, el código está configurado para medir e informar los niveles de agua cada dos minutos. Este es un período de tiempo práctico para esperar entre mediciones mientras se prueba el medidor. Si se desea una frecuencia de medición diferente, cambie la variable llamada MeasureTime en la línea 16 del código a la frecuencia de medición deseada. La frecuencia de medición se ingresa en segundos (es decir, 120 segundos equivalen a dos minutos).

La primera prueba se puede realizar en la oficina colgando el medidor sobre el piso, encendiéndolo y verificando que el canal ThingSpeak informe con precisión la distancia entre el sensor y el piso. En este escenario de prueba, el pulso ultrasónico se refleja en el suelo, que se utiliza para simular la superficie del agua en el pozo.

Para la segunda prueba, se debe medir la corriente eléctrica entre la batería y el Photon para confirmar que coincide con las especificaciones de la hoja de datos del Photon: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… La experiencia ha demostrado que esta prueba ayuda a identificar los dispositivos de IoT defectuosos antes de que se implementen en el campo. Mida la corriente colocando un medidor de corriente entre el cable V + positivo (cable rojo) del paquete de baterías y el pin VIN del Photon. La corriente debe medirse tanto en el modo de funcionamiento como en el modo de sueño profundo. Para hacer esto, encienda el Photon y se iniciará en modo de funcionamiento (como lo indica el LED en el Photon que se vuelve de color cian), que se ejecuta durante aproximadamente 20 segundos. Utilice el medidor de corriente para observar la corriente de funcionamiento durante este tiempo. El Photon entrará automáticamente en modo de suspensión profunda durante dos minutos (como lo indica el LED del Photon apagándose). Utilice el medidor de corriente para observar la corriente de sueño profundo en este momento. La corriente de funcionamiento debe estar entre 80 y 100 mA, y la corriente de sueño profundo debe estar entre 80 y 100 µA. Si la corriente es superior a estos valores, se debe reemplazar el Fotón.

El medidor ahora está listo para ser instalado en un pozo de agua (Figura 6). Las instrucciones sobre cómo instalar el medidor en un pozo de agua se proporcionan en el archivo adjunto (Water Level Meter Instructions.pdf).

Paso 6: Cómo hacer una versión celular del medidor

Se puede construir una versión celular del medidor de agua haciendo modificaciones en la lista de piezas, las instrucciones y el código descritos anteriormente. La versión celular no requiere WiFi porque se conecta a Internet a través de una señal celular. El costo de las piezas para construir la versión celular del medidor es de aproximadamente Can $ 300 (excluyendo impuestos y envío), más aproximadamente Can $ 4 por mes por el plan de datos celulares que viene con el dispositivo de IoT celular.

El medidor celular utiliza las mismas partes y pasos de construcción enumerados anteriormente con las siguientes modificaciones:

• Sustituya el dispositivo IoT WiFi (Particle Photon) por un dispositivo IoT celular (Particle Electron): https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. Al construir el medidor, use las mismas conexiones de clavijas descritas anteriormente para la versión WiFi del medidor en el Paso 3.

• El dispositivo IoT celular usa más energía que la versión WiFi, por lo que se recomiendan dos fuentes de batería: una batería Li-Po de 3.7V, que viene con el dispositivo IoT, y un paquete de baterías con 4 baterías AA. La batería LiPo de 3,7 V se conecta directamente al dispositivo IoT con los conectores proporcionados. El paquete de baterías AA se conecta al dispositivo IoT de la misma manera que se describió anteriormente para la versión WiFi del medidor en el Paso 3. Las pruebas de campo han demostrado que la versión celular del medidor funcionará durante aproximadamente 9 meses con la configuración de batería descrita anteriormente.. Una alternativa al uso de la batería AA y la batería Li-Po de 3,7 V de 2000 mAh es utilizar una batería de Li-Po de 3,7 V con mayor capacidad (por ejemplo, 4000 o 5000 mAh).

• Se debe conectar una antena externa al medidor, como: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. Asegúrese de que esté clasificado para la frecuencia utilizada por el proveedor de servicios celulares donde se utilizará el medidor de agua. La antena que viene con el dispositivo IoT celular no es adecuada para uso en exteriores. La antena externa se puede conectar con un cable largo (3 m) que permite conectar la antena al exterior del pozo en la cabeza del pozo (Figura 7). Se recomienda que el cable de la antena se inserte a través de la parte inferior de la caja y se selle completamente con silicona para evitar la entrada de humedad (Figura 8). Se recomienda un cable de extensión coaxial para exteriores, impermeable y de buena calidad.

• El dispositivo de IoT celular se ejecuta en un código diferente al de la versión WiFi del medidor. El código para la versión celular del medidor se proporciona en el archivo adjunto (Code2_Cellular.txt).