Đồng hồ đo mực nước giếng thời gian thực: 6 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:30

Các hướng dẫn này mô tả cách xây dựng đồng hồ đo mực nước thời gian thực, chi phí thấp để sử dụng cho giếng đào. Đồng hồ đo mực nước được thiết kế để treo bên trong giếng đào, đo mực nước mỗi ngày một lần và gửi dữ liệu bằng kết nối Wi-Fi hoặc di động đến một trang web để xem và tải xuống ngay lập tức. Chi phí cho các bộ phận để xây dựng đồng hồ là khoảng $ 200 Can cho phiên bản WiFi và Can $ 300 cho phiên bản di động. Đồng hồ được hiển thị trong Hình 1. Báo cáo đầy đủ với hướng dẫn xây dựng, danh sách các bộ phận, mẹo xây dựng và vận hành đồng hồ, và cách lắp đặt đồng hồ trong giếng nước được cung cấp trong tệp đính kèm (Hướng dẫn sử dụng đồng hồ đo mực nước.pdf). Đồng hồ đo mực nước đã được sử dụng để phát triển mạng lưới giám sát tầng chứa nước nông theo thời gian thực trong khu vực ở Nova Scotia, Canada: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm… Hướng dẫn xây dựng một đồng hồ tương tự đo nước nhiệt độ, độ dẫn điện và mực nước có sẵn tại đây:

Máy đo mực nước sử dụng cảm biến siêu âm để đo độ sâu của nước trong giếng. Cảm biến được gắn vào thiết bị Internet-of-Things (IoT) kết nối với mạng Wi-Fi hoặc mạng di động và gửi dữ liệu mực nước tới một dịch vụ web để được vẽ biểu đồ. Dịch vụ web được sử dụng trong dự án này là ThingSpeak.com, được sử dụng miễn phí cho các dự án nhỏ phi thương mại (ít hơn 8, 200 tin nhắn / ngày). Để phiên bản WiFi của đồng hồ hoạt động, nó phải được đặt gần mạng WiFi. Các giếng nước sinh hoạt thường gặp tình trạng này do nằm gần nhà có WiFi. Đồng hồ không bao gồm bộ ghi dữ liệu, thay vào đó nó sẽ gửi dữ liệu mực nước đến ThingSpeak, nơi nó được lưu trữ trên đám mây. Do đó, nếu có sự cố về đường truyền dữ liệu (ví dụ: khi mất Internet), dữ liệu mực nước cho ngày đó sẽ không được truyền và bị mất vĩnh viễn.

Đồng hồ được thiết kế và thử nghiệm cho các giếng đào có đường kính lớn (đường kính trong 0,9 m) với độ sâu nước nông (dưới mặt đất 10 m). Tuy nhiên, nó có thể được sử dụng để đo mực nước trong các tình huống khác, chẳng hạn như giếng quan trắc môi trường, giếng khoan và các vực nước mặt.

Thiết kế đồng hồ được trình bày ở đây đã được sửa đổi sau khi một đồng hồ được tạo ra để đo mực nước trong bể chứa nước sinh hoạt và báo cáo mực nước qua Twitter, được xuất bản bởi Tim Ousley vào năm 2015: https://www.instructables.com/id/Wi -Fi-Twitter-Wa…. Sự khác biệt chính giữa thiết kế ban đầu và thiết kế được trình bày ở đây là khả năng vận hành đồng hồ trên pin AA thay vì bộ chuyển đổi nguồn có dây, khả năng xem dữ liệu trong biểu đồ chuỗi thời gian thay vì tin nhắn Twitter và việc sử dụng của một cảm biến siêu âm được thiết kế đặc biệt để đo mực nước.

Dưới đây là hướng dẫn từng bước để thi công đồng hồ đo mực nước. Người xây dựng nên đọc qua tất cả các bước xây dựng trước khi bắt đầu quá trình xây dựng đồng hồ. Thiết bị IoT được sử dụng trong dự án này là Photon dạng hạt, và do đó trong các phần sau, thuật ngữ “thiết bị IoT” và “Photon” được sử dụng thay thế cho nhau.

Quân nhu

Phần điện tử:

Cảm biến - MaxBotix MB7389 (phạm vi 5m)

Thiết bị IoT - Photon dạng hạt với tiêu đề

Ăng-ten (ăng-ten bên trong được lắp bên trong hộp đồng hồ) - đầu nối 2,4 GHz, 6dBi, IPEX hoặc u. FL, dài 170 mm

Bộ pin - 4 X AA

Dây - dây nhảy với đầu nối đẩy (chiều dài 300 mm)

Pin - 4 X AA

Hệ thống ống nước và các bộ phận phần cứng:

Ống - ABS, đường kính 50 mm (2 inch), dài 125 mm

Nắp trên, ABS, 50 mm (2 inch), có ren với miếng đệm để làm kín nước

Nắp đáy, PVC, 50 mm (2 inch) với ren NPT nữ ¾ inch để vừa với cảm biến

2 Bộ ghép ống, ABS, 50 mm (2 inch) để kết nối nắp trên và dưới với ống ABS

Chốt mắt và 2 đai ốc, thép không gỉ (1/4 inch) để làm móc treo trên nắp trên

Các vật liệu khác: băng keo điện, băng keo Teflon, chất hàn, silicone, keo để lắp ráp trường hợp

Bước 1: Lắp ráp vỏ đồng hồ

Lắp ráp vỏ đồng hồ như trong Hình 1 và Hình 2 ở trên. Tổng chiều dài của đồng hồ đã lắp ráp, từ đầu đến đầu bao gồm cả cảm biến và chốt mắt, là khoảng 320 mm. Ống ABS có đường kính 50 mm được sử dụng để làm vỏ đồng hồ phải được cắt theo chiều dài khoảng 125 mm. Điều này cho phép đủ không gian bên trong vỏ để chứa thiết bị IoT, bộ pin và ăng-ten bên trong dài 170 mm.

Bịt tất cả các mối nối bằng keo silicon hoặc ABS để làm cho vỏ máy kín nước. Điều này rất quan trọng, nếu không hơi ẩm có thể xâm nhập vào bên trong thùng máy và phá hủy các thành phần bên trong. Có thể đặt một gói hút ẩm nhỏ bên trong thùng máy để hút ẩm.

Lắp chốt mắt vào nắp trên bằng cách khoan một lỗ và lắp chốt và đai ốc vào. Nên sử dụng đai ốc ở cả bên trong và bên ngoài vỏ để giữ chặt chốt mắt. Silicon bên trong nắp ở lỗ bu lông để làm cho nó kín nước.

Bước 2: Gắn dây vào cảm biến

Ba dây (xem Hình 3a) phải được hàn vào cảm biến để gắn nó vào Photon (tức là các chân cảm biến GND, V + và Chân 2). Việc hàn dây vào cảm biến có thể khó khăn vì các lỗ kết nối trên cảm biến nhỏ và gần nhau. Điều rất quan trọng là các dây được hàn đúng cách với cảm biến để có một kết nối vật lý và điện tốt, mạnh mẽ và không có vòng cung hàn giữa các dây liền kề. Ánh sáng tốt và một ống kính lúp giúp quá trình hàn. Đối với những người chưa có kinh nghiệm hàn trước đó, nên thực hiện một số phương pháp hàn trước khi hàn dây vào cảm biến. Hướng dẫn trực tuyến về cách hàn có sẵn từ SparkFun Electronics (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…).

Sau khi các dây được hàn vào cảm biến, bất kỳ dây trần thừa nào nhô ra khỏi cảm biến đều có thể được cắt bằng máy cắt dây có chiều dài khoảng 2 mm. Khuyến nghị rằng các mối nối hàn được bao phủ bởi một hạt silicon dày. Điều này giúp các kết nối bền hơn và giảm nguy cơ bị ăn mòn và các sự cố điện ở các kết nối cảm biến nếu hơi ẩm lọt vào vỏ đồng hồ. Băng dính điện cũng có thể được quấn quanh ba dây ở kết nối cảm biến để cung cấp thêm khả năng bảo vệ và giảm căng thẳng, giảm khả năng dây bị đứt tại các mối hàn.

Các dây cảm biến có thể có đầu nối kiểu đẩy (xem Hình 3b) ở một đầu để gắn vào Photon. Sử dụng các đầu nối đẩy giúp việc lắp ráp và tháo rời máy đo dễ dàng hơn. Các dây cảm biến phải dài ít nhất 270 mm để chúng có thể kéo dài toàn bộ chiều dài của vỏ đồng hồ. Chiều dài này sẽ cho phép kết nối Photon từ đầu trên cùng của vỏ với cảm biến ở vị trí cuối dưới cùng của vỏ. Lưu ý rằng chiều dài dây được khuyến nghị này giả định rằng ống ABS được sử dụng để làm vỏ đồng hồ được cắt theo chiều dài 125 mm. Xác nhận trước khi cắt và hàn dây với cảm biến rằng chiều dài dây 270 mm là đủ để kéo dài ra ngoài đỉnh của hộp đồng hồ để có thể kết nối Photon sau khi đã lắp ráp vỏ và cảm biến được gắn vĩnh viễn vào trường hợp.

Cảm biến bây giờ có thể được gắn vào vỏ đồng hồ. Nó nên được vặn chặt vào nắp dưới cùng, sử dụng băng Teflon để đảm bảo kín nước.

Bước 3: Gắn Bộ cảm biến, Bộ pin và Ăng-ten vào thiết bị IoT

Gắn cảm biến, bộ pin và ăng-ten vào Photon (Hình 4), và lắp tất cả các bộ phận vào hộp đồng hồ. Dưới đây là danh sách các kết nối chân được chỉ ra trong Hình 4. Các dây cảm biến và bộ pin có thể được gắn bằng cách hàn trực tiếp vào Photon hoặc bằng các đầu nối kiểu đẩy gắn vào các chân tiêu đề ở mặt dưới của Photon (như trong Hình 2). Sử dụng các đầu nối đẩy giúp dễ dàng tháo rời máy đo hoặc thay thế Photon nếu nó bị lỗi. Kết nối ăng-ten trên Photon yêu cầu đầu nối loại u. FL (Hình 4) và cần được đẩy rất chắc chắn vào Photon để thực hiện kết nối. Không lắp pin vào bộ pin cho đến khi đồng hồ sẵn sàng được kiểm tra hoặc lắp vào giếng. Không có công tắc bật / tắt bao gồm trong thiết kế này, vì vậy đồng hồ được bật và tắt bằng cách lắp và tháo pin.

Danh sách các kết nối pin trên thiết bị IoT (Photon hạt):

Chân photon D3 - kết nối với - Chân cảm biến 2, dữ liệu (dây nâu)

Chân photon D2 - kết nối với - Chân cảm biến 6, V + (dây màu đỏ)

Chân photon GND - kết nối với - Chân cảm biến 7, GND (dây đen)

Pin Photon VIN - kết nối với - Bộ pin, V + (dây màu đỏ)

Pin Photon GND - kết nối với - Bộ pin, GND (dây đen)

Pin photon u. FL - kết nối với - Antenna

Bước 4: Thiết lập phần mềm

Cần có 5 bước chính để thiết lập phần mềm cho máy đo:

1. Tạo tài khoản Particle sẽ cung cấp giao diện trực tuyến với Photon. Để thực hiện việc này, hãy tải ứng dụng di động Particle xuống điện thoại thông minh: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. Sau khi cài đặt ứng dụng, hãy tạo tài khoản Particle và làm theo hướng dẫn trực tuyến để thêm Photon vào tài khoản. Lưu ý rằng bạn có thể thêm bất kỳ photon bổ sung nào vào cùng một tài khoản mà không cần tải xuống ứng dụng Particle và tạo lại tài khoản.

2. Tạo tài khoản ThingSpeak https://thingspeak.com/login và thiết lập một kênh mới để hiển thị dữ liệu mực nước. Ví dụ về trang web ThingSpeak cho đồng hồ đo nước được hiển thị trong Hình 5, bạn cũng có thể xem tại đây: https://thingspeak.com/channels/316660. Hướng dẫn thiết lập kênh ThingSpeak được cung cấp tại https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w… Lưu ý rằng có thể thêm các kênh bổ sung cho các Photon khác vào cùng một tài khoản mà không cần tạo tài khoản ThingSpeak khác.

3. Cần có “webhook” để truyền dữ liệu mực nước từ Photon đến kênh ThingSpeak. Hướng dẫn thiết lập webhook được cung cấp tại https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. Nếu có nhiều hơn một đồng hồ đo nước đang được chế tạo, một webhook mới có tên duy nhất phải được tạo cho mỗi Photon bổ sung.

4. Webhook được tạo ở bước trên phải được chèn vào mã vận hành Photon. Mã cho phiên bản WiFi của đồng hồ đo mực nước được cung cấp trong tệp đính kèm (Code1_WiFi.txt). Trên máy tính, hãy truy cập trang web của Particle https://login.particle.io/login?redirect=https://… đăng nhập vào tài khoản Particle và điều hướng đến giao diện ứng dụng Particle. Sao chép mã và sử dụng nó để tạo một ứng dụng mới trong giao diện ứng dụng Particle. Chèn tên của webhook đã tạo ở trên vào dòng 87 của mã. Để thực hiện việc này, hãy xóa văn bản bên trong dấu ngoặc kép và chèn tên webhook mới vào bên trong dấu ngoặc kép ở dòng 87, có nội dung như sau:

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

5. Mã hiện có thể được xác minh, lưu và cài đặt vào Photon. Lưu ý rằng mã được lưu trữ và cài đặt trên Photon từ đám mây. Mã này sẽ được sử dụng để vận hành đồng hồ nước khi nó ở trong giếng nước. Trong quá trình lắp đặt tại hiện trường, một số thay đổi sẽ cần được thực hiện đối với mã để đặt tần suất báo cáo thành một lần một ngày và thêm thông tin về giếng nước (điều này được mô tả trong tệp đính kèm Hướng dẫn đo mực nước.pdf trong phần có tiêu đề “Lắp đặt đồng hồ trong giếng nước”).

Bước 5: Kiểm tra đồng hồ

Việc xây dựng đồng hồ và thiết lập phần mềm hiện đã hoàn tất. Tại thời điểm này, bạn nên kiểm tra đồng hồ. Hai bài kiểm tra nên được hoàn thành. Thử nghiệm đầu tiên được sử dụng để xác nhận rằng đồng hồ có thể đo mực nước một cách chính xác và gửi dữ liệu đến ThingSpeak. Thử nghiệm thứ hai được sử dụng để xác nhận rằng công suất tiêu thụ của Photon nằm trong phạm vi dự kiến. Thử nghiệm thứ hai này rất hữu ích vì pin sẽ hỏng sớm hơn dự kiến nếu Photon sử dụng quá nhiều năng lượng.

Đối với mục đích thử nghiệm, mã được đặt để đo và báo cáo mực nước hai phút một lần. Đây là khoảng thời gian thực tế để chờ giữa các lần đo trong khi máy đo đang được kiểm tra. Nếu muốn có một tần số đo khác, hãy thay đổi biến có tên là MeasureTime ở dòng 16 của mã thành tần số đo mong muốn. Tần số đo được nhập bằng giây (tức là 120 giây bằng hai phút).

Thử nghiệm đầu tiên có thể được thực hiện trong văn phòng bằng cách treo đồng hồ lên trên sàn, bật nó lên và kiểm tra xem kênh ThingSpeak có báo cáo chính xác khoảng cách giữa cảm biến và sàn nhà hay không. Trong kịch bản thử nghiệm này, xung siêu âm phản xạ từ sàn, được sử dụng để mô phỏng bề mặt nước trong giếng.

Đối với thử nghiệm thứ hai, dòng điện giữa bộ pin và Photon phải được đo để xác nhận rằng nó khớp với các thông số kỹ thuật trong biểu dữ liệu Photon: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… Kinh nghiệm cho thấy rằng thử nghiệm này giúp xác định các thiết bị IoT bị lỗi trước khi chúng được triển khai tại hiện trường. Đo dòng điện bằng cách đặt một đồng hồ đo dòng điện giữa dây V + dương (dây đỏ) trên bộ pin và chân VIN trên Photon. Dòng điện nên được đo ở cả chế độ hoạt động và chế độ ngủ sâu. Để làm điều này, hãy bật Photon và nó sẽ khởi động ở chế độ hoạt động (như được chỉ ra bởi đèn LED trên Photon chuyển sang màu lục lam), chạy trong khoảng 20 giây. Sử dụng đồng hồ đo dòng điện để quan sát dòng điện hoạt động trong thời gian này. Photon sau đó sẽ tự động chuyển sang chế độ ngủ sâu trong hai phút (như được chỉ báo bằng đèn LED trên Photon đang tắt). Sử dụng đồng hồ đo dòng điện để quan sát dòng điện ngủ sâu tại thời điểm này. Dòng hoạt động phải từ 80 đến 100 mA và dòng điện khi ngủ sâu phải từ 80 đến 100 µA. Nếu dòng điện cao hơn các giá trị này, Photon nên được thay thế.

Đồng hồ hiện đã sẵn sàng được lắp đặt trong giếng nước (Hình 6). Hướng dẫn cách lắp đặt đồng hồ trong giếng nước được cung cấp trong tệp đính kèm (Hướng dẫn sử dụng đồng hồ đo mực nước.pdf).

Bước 6: Cách tạo phiên bản di động của đồng hồ

Phiên bản di động của đồng hồ nước có thể được xây dựng bằng cách thực hiện các sửa đổi đối với danh sách bộ phận, hướng dẫn và mã được mô tả trước đó. Phiên bản di động không yêu cầu WiFi vì nó kết nối với Internet qua tín hiệu di động. Chi phí của các bộ phận để xây dựng phiên bản di động của đồng hồ là khoảng 300 đô la Can (chưa bao gồm thuế và phí vận chuyển), cộng với khoảng 4 đô la Mỹ mỗi tháng cho gói dữ liệu di động đi kèm với thiết bị IoT di động.

Máy đo di động sử dụng cùng các bộ phận và các bước cấu tạo được liệt kê ở trên với các sửa đổi sau:

• Thay thế thiết bị WiFi IoT (Particle Photon) bằng thiết bị IoT di động (Particle Electron): https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. Khi xây dựng đồng hồ, hãy sử dụng các kết nối chân tương tự được mô tả ở trên cho phiên bản WiFi của đồng hồ ở Bước 3.

• Thiết bị IoT di động sử dụng nhiều năng lượng hơn so với phiên bản WiFi và do đó nên sử dụng hai nguồn pin: pin Li-Po 3.7V đi kèm với thiết bị IoT và một bộ pin có 4 pin AA. Pin LiPo 3.7V gắn trực tiếp vào thiết bị IoT bằng các đầu nối được cung cấp. Bộ pin AA được gắn vào thiết bị IoT theo cách tương tự như mô tả ở trên cho phiên bản WiFi của đồng hồ ở Bước 3. Thử nghiệm thực địa cho thấy rằng phiên bản di động của đồng hồ sẽ hoạt động trong khoảng 9 tháng bằng cách sử dụng thiết lập pin được mô tả ở trên. Một giải pháp thay thế cho việc sử dụng cả pin AA và pin 2000 mAh 3.7 V Li-Po là sử dụng một pin Li-Po 3.7V có dung lượng cao hơn (ví dụ: 4000 hoặc 5000 mAh).

• Ăng ten bên ngoài phải được gắn vào máy đo, chẳng hạn như: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. Đảm bảo nó được xếp hạng về tần suất được sử dụng bởi nhà cung cấp dịch vụ di động nơi đồng hồ nước sẽ được sử dụng. Ăng-ten đi kèm với thiết bị IoT di động không thích hợp để sử dụng ngoài trời. Ăng ten bên ngoài có thể được kết nối bằng một sợi cáp dài (3 m) cho phép gắn ăng ten vào bên ngoài giếng ở đầu giếng (Hình 7). Bạn nên luồn cáp ăng ten qua đáy vỏ và được bịt kín bằng silicon để ngăn hơi ẩm xâm nhập (Hình 8). Nên sử dụng cáp kéo dài đồng trục ngoài trời, không thấm nước, chất lượng tốt.

• Thiết bị IoT di động chạy trên mã khác với phiên bản WiFi của đồng hồ. Mã cho phiên bản di động của đồng hồ được cung cấp trong tệp đính kèm (Code2_Cellular.txt).