WetRuler - Midiendo la altura del océano: 8 pasos (con imágenes)

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

El anuncio se produjo a principios de este verano de que el área de Alaska llamada Prince William Sound sería golpeada inesperadamente por un tsunami iniciado por el calentamiento global. Los científicos que hicieron el descubrimiento señalaron un área de hielo en rápida retirada que había dejado una montaña de escombros que se deslizaría hacia un fiordo e iniciaría una ola de 30 pies que eventualmente golpearía la ciudad de Whittier. Esto ha sucedido antes, durante el terremoto de 1964, donde el temblor inició múltiples tsunamis en los fiordos circundantes y devastó la costa, incluidos Whittier y Valdez, con múltiples muertes. Los cruceros que ya estaban cautelosos por el virus decidieron no acercarse a la zona y el USFS ofreció reembolsos en las cabinas que se habían alquilado. ¡Una semana después, una alerta de tsunami golpeó todos nuestros teléfonos celulares! Una baliza submarina había detectado una ola asociada con un pequeño terremoto frente a la costa. A todas las ciudades de la región se les dijo que evacuaran si estaban cerca del agua. No llegó a nada. ¿Cómo mides estos eventos? Este Instructable detalla la construcción de pequeños sensores que pueden medir la altura del océano y enviar los datos a un receptor LORA o directamente a GSM. Las unidades son compactas y parecen resistentes a su entorno y funcionan con energía solar. Los he probado aquí para lograr alturas de marea reproducibles, pero también podrían usarse para la altura de las olas y las predicciones de tsunamis.

Paso 1: reúna sus materiales

Hay dos unidades de envío que construí: una involucra carga GSM (teléfono celular) y la otra carga LORA. También puede considerar la interconexión con una baliza de satélite, ya que muchas de estas áreas no tienen cobertura de telefonía celular. El sensor en el corazón de estos instrumentos es el MS5803-14BA y su uso y montaje en diferentes escenarios se puede encontrar en estos sitios web: https://thecavepearlproject.org/2016/09/21/field-… y http: / /owhl.org. El segundo muestra un registrador remoto de brillante diseño con su propia PCB diseñada a medida para la medición a largo plazo de la altura de las olas. Los sensores parecían tolerar el agua durante meses o un año, dependiendo de la configuración.

1. MS5803-14BA: puede obtenerlos de DigiKey por $ 13, pero necesita hacer un trabajo de soldadura de superficie u obtener una placa de conexión prefabricada de SparkFun, pero le costará $ 60. Si lo haces tú mismo, necesitarás una pequeña placa de Adafruit para soldarlo y un poco de gel de soldadura de baja temperatura (140F) que encontré útil. Cavepearlproject tiene un gran tutorial sobre cómo soldarlos a mano; sugiero obtener una estación de retrabajo barata de Amazon por $ 30.

2. LILYGO 2pcs TTGO LORA32 868 / 915Mhz ESP32 LoRa - $ 27 estos son para la caja LORA.

3. ARDUINO MKR GSM 1400 $ 55 - esta es una gran placa. Funciona perfectamente con la simulación de holograma. Desafortunadamente, no pude hacer que su Arduino Sim funcionara con su nuevo servicio a pesar de varios intentos. Si todavía tiene acceso al servicio 2GM, puede optar por algo más barato pero que falló totalmente en Alaska.

4. Células solares Uxcell 2Pcs 6V 180mA Poly Mini módulo de panel de células solares DIY para juguetes ligeros Cargador 133 mm x 73 mm $ 8

5. Batería 18650 $ 4

6. TP4056 - cargador $ 1

7. Interruptor de encendido / apagado de metal resistente con anillo LED verde - Encendido / apagado verde de 16 mm $ 5

8. Icstation 1S 3.7V Indicador del probador de voltaje de la batería de iones de litio 4 secciones Pantalla LED azul $ 2

9. Adafruit TPL5111 Desconexión del temporizador de bajo consumo: pequeño y brillante dispositivo de temporización $ 6.00

10. MOSFET de potencia de canal N - 30 V / 60 A $ 1,75

11. Módulo extensor de cable largo I2C diferencial PCA9600 de SandboxElectronics X2 ($ 18 cada uno): en la literatura se mencionan algunos éxitos con cables largos para I2C, pero con mareas diarias de 25 pies en Alaska se necesitan cables largos … oh sí, algún cable … Usé cable big box de 23 g 4 par trenzado apto para exterior.

12. Adafruit BMP388 - Altímetro y presión barométrica de precisión $ 10

Paso 2: construya los sensores

Los sensores deben soldarse en la superficie a pequeños PCB. Los dos trabajos anteriores te dan algunas pistas sobre cómo hacerlo. Compré tanto los sensores como las pequeñas placas de Digikey. Use la soldadura de baja temperatura de Adafruit y aplique solo la cantidad más pequeña adyacente a los pies del sensor mientras lo coloca en la placa. Use un soplador de retrabajo para fundirlo en su lugar. No logré hacer esto bien con mi configuración de soldadura manual y terminé cortando algunas de las almohadillas. El resto del cableado, si comprueba los cables correctamente, es fácil: coloque un pequeño condensador (0.1n) entre los cables de alimentación y tierra y eleve los cables CS y PSB Hi para iniciar I2C y controlar la dirección del sensor. (Vea el dibujo) Tiene dos opciones 0 X 76 Hi y 0 X 77 para Lo. Usé ambos para formar una varilla de sensor con los sensores colocados a un pie de distancia para dar el diferencial de presión de cualquiera que sea su medición. Diseñé una carcasa impresa en 3D para el sensor para permitir que esté totalmente encapsulado en epoxi transparente. La boca de la montura cónica se ajusta perfectamente al pequeño cuello de acero inoxidable del sensor y la colocación sellada se logra con un pequeño anillo de superpegamento que lo mantiene en su posición y lo sella para encapsularlo con epoxi.

Paso 3: Imprime tu carcasa en 3D

Las dos carcasas principales para GSM y Lora son iguales con inserciones de panel lateral para los paneles solares. El único mod para Lora fue el orificio de la antena en la parte superior que debe perforarse dependiendo del diámetro de su unidad. La antena GSM cabe dentro de la otra caja. El panel de control en cada uno es idéntico con los orificios para el encendido / apagado y el botón para encender la pantalla de nivel de batería. Los pies se imprimen por separado y se pegan en las esquinas de las cajas y ofrecen varias opciones de montaje. La pequeña torreta y el tapón de rosca están pegados alrededor de la abertura del soporte microUSB para protegerlo de la incursión del agua. La unidad es básicamente muy resistente al agua y está impresa en PETG para minimizar la distorsión por calor. Usé montajes de tornillos de latón con inserción de calor en la carcasa principal para tornillos de 3 mm en la carcasa. Hay archivos para dos soportes para los sensores: uno tiene dos sensores montados a un pie de distancia en una varilla de plástico lucite con un soporte para la caja de "refuerzo" I2C con el circuito montado y con epoxi en el interior. Esta varita también tiene dos orificios impresos en 3D para adaptarse a las opciones de montaje. La otra carcasa del sensor es un solo disco con uno de los sensores atornillado y un corte en la parte posterior para el "refuerzo" I2C pegado con epoxi. Todos estos están impresos en PETG. Los archivos restantes son la pequeña carcasa de la unidad receptora Lora con una pequeña ventana para el OLED.

Paso 4: Conéctelo

Los sensores están conectados en paralelo con las líneas SDA, líneas SCL, Pos y Gnd, todas unidas en un cable trenzado con cuatro conductores. Los amplificadores I2C son muy fáciles de usar: conectan ambos sensores a las líneas de entrada y el cable largo intermedio de hasta 60 metros conectado al mismo tipo de unidad receptora. Si se alarga, es posible que tenga que cambiar las resistencias de extracción en las placas. Los diagramas de cableado para el resto están arriba. El circuito funciona mediante un interruptor de encendido / apagado que envía energía al Adafruit TPL5111, que está configurado para 57 ohmios para activar su Habilitación alta cada 10 minutos; por supuesto, puede ajustar esto para una frecuencia de transmisión de datos menor o mayor. Esto controla un MOSFET en el suelo de la placa principal (ya sea Lora o Arduino 400 GSM). (He descubierto que placas como GSM y ESP32 tienen un consumo de energía demasiado grande para el TPL a menos que use un MOSFET con ellas…) La energía para los sensores y el BMP388 proviene de la placa principal cuando está encendida: 3v. Las resistencias pull up están en los amplificadores I2C y no las necesita para los sensores en este circuito. La placa de carga TP4056 funciona muy bien con los dos paneles solares y la batería 18650 adjunta. El botón simplemente conecta la salida de la batería a la pantalla de nivel de batería pequeña. Los dos sensores conectados a la varilla lucite usan las dos direcciones disponibles, incluida la dirección del BMP388 (0 X 77), por lo que debe conectar el BMP con SPI a las placas principales si está utilizando dos sensores de presión de agua. Si está usando solo uno (el disco), puede conectarlo con I2C y usar la dirección disponible restante (0 X 77) para el BMP.

Paso 5: Constrúyelo

Usé tablas de perfilado para simular todo. La placa principal TPL, BMP iba en una sola placa. Los interruptores se atornillaron en su lugar con sus arandelas de goma. La placa del cargador se monta en el estabilizador de la placa frontal de control con el microUSB hacia afuera. La torreta de protección contra el agua estaba superpegada en la parte delantera y el tapón de rosca se selló con un poco de grasa de silicona en las roscas. La varita de lucita se cortó de dos capas de plástico de 1/4 con los sensores montados exactamente a un pie de distancia. Los montajes de orificios impresos en 3D se colocaron en los extremos y el amplificador I2C se atornilló en el medio donde se hicieron todas las conexiones de cables. El sensor del disco se imprimió en 3D y el amplificador se pegó con epoxi en el interior y se conectó al sensor. Se perforó un orificio en la parte superior de la unidad Lora para acomodar la antena y se colocaron orificios en la parte posterior de cada unidad para acomodar el cable de los sensores. Se proporciona un sujetador de cable impreso en 3D. Ate el cable con cremallera después de pegarlo en su lugar. Todas las conexiones de cables son termocontraíbles marinos y luego pintadas con cinta aislante líquida para seguridad en el agua.

Paso 6: Prográmelo

Realmente no hay mucho en el programa. Se basa en gran medida en las bibliotecas proporcionadas para los sensores, que funcionan perfectamente y en el milagro del software GSM Blynk para la placa Arduino que se combina perfectamente con la nube de hologramas. Regístrese para obtener una cuenta Hologram y obtenga una tarjeta SIM de ellos para colocarla en su placa Arduino 400 GSM. El proceso de intercambio de información lo gestiona la biblioteca Blynk - GSM Arduino. Adafruit escribió la biblioteca para BMP y yo usé la biblioteca SparkFun para MS5803. Ambos suministran salidas de temperatura de sus sensores si lo desea. Los pines ajustados por software pueden usar casi cualquier cosa en la placa principal. Utilicé la rutina del temporizador Blynk para no sobrecargar accidentalmente la aplicación Blynk. Por supuesto, debe tener cuidado con la cantidad de datos que ingresa a través del enlace GSM-Hologram o puede generar una pequeña factura, no demasiada, se usa alrededor de 3 MB a la semana, lo que equivale a aproximadamente 40 centavos. Estaba cargando solo las tres mediciones de presión: 2 desde el agua y una desde el caso (BMP). La última parte del programa es apagar el TPL elevando a HI el pin de hecho en la unidad que dice que los datos fueron transferidos. La aplicación Blynk es maravillosa como siempre y puede diseñar cualquier tipo de pantalla de salida que desee y la mejor parte es la capacidad de descargar su pila de datos por correo electrónico en cualquier momento que desee.

La unidad Lora usa las mismas bibliotecas y usa una unidad OLED (apagué esto en el software de la unidad emisora para ahorrar energía) y establece la frecuencia para su ubicación particular. Luego construye una cadena de datos con separadores que le permiten enviar las lecturas de su sensor de una sola vez. Luego activa su pin listo para apagar. La unidad receptora divide la palabra y envía la información a la aplicación Blynk a través de un enlace WIFI siempre activo. El receptor es increíblemente pequeño y se conecta a una verruga de pared.

Paso 7: usándolo

La pequeña cara del sensor capta con un alto grado de precisión toda la fuerza de presión desde arriba, esto incluye toda la presión del aire y del agua. Entonces, los cambios intermitentes en la altura del océano, como las olas y los cambios en la presión del aire de las tormentas sobre el océano, lo afectan. Esa es la razón por la que se incluye el sensor de presión barométrica en el estuche (asegúrese de proporcionar un par de pequeños orificios de aire para que pueda leer correctamente). La varilla del sensor con los dos sensores está anclada en el océano a una profundidad en la que aún estará cubierta por el agua incluso durante la marea baja. Es arbitrario a qué profundidad coloca los sensores, ya que solo medirán el cambio en la altura de la columna de agua por encima, no la altura absoluta. Usé un ladrillo como ancla con una cuerda atada para montar la varilla del sensor a un par de pies de la parte inferior. Se colocó un flotador en el poste superior de la varilla para mantener los sensores separados en su pie en orientación vertical. El par trenzado y la cuerda conducían a un muelle donde estaban amarrados con mucha holgura para adaptarse a la excursión de la marea. La unidad emisora GSM estaba montada en un barco cercano. El seguimiento se llevó a cabo durante un mes. Los dos sensores dieron lecturas consistentemente separadas por 28 unidades que representaron la diferencia de presión en un pie de agua en esa ubicación. La presión barométrica se restó de los datos del sensor inferior y se dividió por 28 para dar un pie equivalente al ascenso y descenso de la superficie del océano durante períodos de 10 minutos. La tabla anterior muestra la comparación con la tabla NOAA para el mismo período de fecha. El sensor / pies de subida y bajada real se comparó con el movimiento real del muelle y se encontró que tenía una precisión de 1/2 pulgada. Incluso con el uso de alta energía de las transmisiones GSM cada diez minutos, los paneles solares se mantuvieron fácilmente al día con la demanda en este entorno de bosque lluvioso oscuro.

Paso 8: más

Los usos anteriores de estos sensores por las fuentes ya mencionadas fueron para el estudio de la altura de las olas. Mis resultados fueron de un puerto tranquilo con una mínima actividad de olas impulsadas por el viento, pero puede capturar esos datos aumentando la frecuencia de muestreo y teniendo promedios móviles de los resultados. El sistema Lora funciona bien a distancias que proporcionarían una red de malla de información sobre las olas para múltiples ubicaciones a lo largo de una costa. Esto sería ideal para aquellos interesados en las actividades de surf. El bajo costo y el tamaño muy pequeño de estas unidades independientes facilitarían la obtención de información costera. Actualmente, la captura de información de mareas es una actividad gubernamental muy complicada y dependiente de la infraestructura, pero esto puede cambiar con la adopción de dispositivos alternativos. ¡Blynk ahora está programado para notificarme del próximo Tsunami!