WetRuler - Đo chiều cao đại dương: 8 bước (có hình ảnh)

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

Thông báo được đưa ra vào đầu mùa hè này rằng khu vực ở Alaska có tên là Prince William Sound sẽ bất ngờ bị ảnh hưởng bởi sóng thần do sự nóng lên toàn cầu. Các nhà khoa học thực hiện khám phá đã chỉ ra một khu vực băng đang rút đi nhanh chóng đã để lại một núi đá vụn có thể trượt vào vịnh hẹp và bắt đầu một cơn sóng 30 foot cuối cùng sẽ ập đến thị trấn Whittier. Điều này đã xảy ra trước đây, trong trận động đất năm 1964, nơi rung chuyển khởi phát nhiều đợt sóng thần ở các vịnh hẹp xung quanh và tàn phá bờ biển bao gồm Whittier và Valdez với nhiều người chết. Các thuyền du lịch đã cảnh giác với virus đã quyết định không đến gần khu vực này và USFS đã đề nghị hoàn lại tiền cho bất kỳ cabin nào đã được thuê. Một tuần sau, một cảnh báo Sóng thần đã tấn công tất cả điện thoại di động của chúng tôi! Một đèn hiệu dưới nước đã phát hiện ra một làn sóng liên quan đến một trận động đất nhỏ ngoài khơi bờ biển. Tất cả các thị trấn trong khu vực được yêu cầu sơ tán nếu gần nước. Nó chẳng ra gì. Làm thế nào để bạn đo lường những sự kiện này? Tài liệu hướng dẫn này trình bày chi tiết về việc xây dựng các cảm biến nhỏ có thể đo chiều cao đại dương và gửi dữ liệu đến bộ thu LORA hoặc đến thẳng GSM. Các thiết bị nhỏ gọn và có vẻ đàn hồi với môi trường của chúng và hoạt động bằng năng lượng mặt trời. Tôi đã thử nghiệm chúng ở đây để đạt được độ cao thủy triều có thể tái tạo nhưng chúng cũng có thể được sử dụng để dự đoán độ cao sóng và Sóng thần.

Bước 1: Thu thập tài liệu của bạn

Có hai đơn vị gửi mà tôi đã xây dựng - một đơn vị liên quan đến tải lên GSM (điện thoại di động) và tải lên LORA khác. Bạn cũng có thể cân nhắc giao tiếp với đèn hiệu Sat vì nhiều khu vực trong số này không được phủ sóng điện thoại di động. Cảm biến trung tâm của các thiết bị này là MS5803-14BA và việc sử dụng và lắp ráp nó trong các tình huống khác nhau có thể được tìm thấy trong các trang web này: https://thecavepearlproject.org/2016/09/21/field-… và http: / /owhl.org. Phần thứ hai trong số này cho thấy một bộ ghi từ xa được thiết kế tuyệt vời với PCB được thiết kế tùy chỉnh của riêng nó để đo chiều cao sóng trong thời gian dài. Các cảm biến dường như có thể chịu nước trong nhiều tháng đến một năm tùy thuộc vào thiết lập.

1. MS5803-14BA - bạn có thể mua những thứ này từ DigiKey với giá 13 đô la nhưng bạn cần thực hiện một số công việc hàn bề mặt hoặc nhận bảng đột phá được tạo sẵn từ SparkFun nhưng nó sẽ khiến bạn mất 60 đô la. Nếu bạn tự làm, bạn sẽ cần một bảng Adafruit nhỏ để hàn nó và một số gel hàn nhiệt độ thấp (140F) mà tôi thấy hữu ích. Cavepearlproject có một hướng dẫn tuyệt vời về cách hàn những thứ này bằng tay - tôi khuyên bạn nên mua một trạm làm lại giá rẻ từ Amazon với giá 30 đô la.

2. LILYGO 2 chiếc TTGO LORA32 868 / 915Mhz ESP32 LoRa - 27 đô la cho hộp LORA.

3. ARDUINO MKR GSM 1400 $ 55 - đây là một bảng tuyệt vời. Nó hoạt động hoàn hảo với sim Hologram. Rất tiếc, tôi không thể làm cho Sim Arduino của họ hoạt động với dịch vụ mới của họ mặc dù đã thử nhiều lần. Nếu bạn vẫn có quyền sử dụng dịch vụ 2GM, bạn có thể đi với thứ gì đó rẻ hơn nhưng điều đó hoàn toàn thất bại ở Alaska.

4. Pin mặt trời Uxcell 2 cái 6V 180mA Poly Mini Bảng điều khiển pin mặt trời Mô-đun Tự làm cho Bộ sạc đồ chơi nhẹ 133mm x 73mm $ 8

5. Pin 18650 $ 4

6. TP4056 - bộ sạc $ 1

7. Công tắc Bật / Tắt bằng kim loại chắc chắn với vòng LED màu xanh lá cây - Bật / tắt màu xanh lục 16mm $ 5

8. Icstation 1S 3.7V Pin Lithium Ion Chỉ báo kiểm tra điện áp 4 phần Màn hình LED màu xanh lam $ 2

9. Adafruit TPL5111 Low Power Timer Breakout - thiết bị định thời nhỏ tuyệt vời $ 6,00

10. MOSFET nguồn kênh N - 30V / 60A $ 1,75

11. Mô-đun PCA9600 của bộ mở rộng cáp dài I2C khác biệt từ SandboxElectronics X2 ($ 18 mỗi chiếc) - có một số thành công được đề cập với cáp dài cho I2C trong tài liệu nhưng với thủy triều 25 foot hàng ngày ở Alaska, bạn cần cáp dài… oh yea một số cáp.. Tôi đã sử dụng hộp lớn 23 g 4 cáp xoắn đôi phù hợp cho bên ngoài.

12. Adafruit BMP388 - Áp suất khí quyển và đo độ cao chính xác $ 10

Bước 2: Xây dựng bộ cảm biến

Các cảm biến phải được hàn bề mặt với các PCB nhỏ. Hai tác phẩm trước cung cấp cho bạn một số gợi ý về cách thực hiện. Tôi đã mua cả cảm biến và bảng mạch nhỏ từ Digikey. Sử dụng chất hàn nhiệt độ thấp từ Adafruit và chỉ chấm một lượng nhỏ nhất tiếp giáp với các chân của cảm biến khi bạn đặt nó lên bảng. Sử dụng máy thổi gia công lại để làm tan chảy nó vào vị trí. Tôi đã không làm tốt điều này với thiết lập hàn tay của mình và cuối cùng đã làm thiếu một số miếng đệm. Phần còn lại của hệ thống dây điện nếu bạn kiểm tra các dây dẫn của mình một cách chính xác thì rất dễ dàng - đặt một tụ điện nhỏ (0,1n) giữa dây nguồn và dây nối đất và nâng cao các dây dẫn CS và PSB Hi để khởi tạo I2C và điều khiển Địa chỉ cho cảm biến. (Xem hình vẽ) Bạn có hai lựa chọn 0 X 76 Hi và 0 X 77 cho Lo. Tôi đã sử dụng cả hai để tạo thành một cây đũa cảm biến với các cảm biến được đặt cách nhau một bước chân để cung cấp sự chênh lệch áp suất của bất kỳ phép đo nào của bạn. Tôi đã thiết kế một vỏ in 3D cho cảm biến để cho phép nó được bao bọc hoàn toàn trong epoxy trong. Miệng của giá đỡ hình nón hoàn toàn phù hợp với cổ không gỉ nhỏ của cảm biến và vị trí kín được thực hiện bằng một vòng siêu keo nhỏ giữ nó ở vị trí và niêm phong nó để bao bọc bằng epoxy.

Bước 3: In 3D Nhà ở của bạn

Hai vỏ chính cho GSM và Lora giống nhau với các tấm chèn bên cho các tấm pin mặt trời. Mod duy nhất cho Lora là lỗ ăng-ten ở trên cùng phải được khoan tùy thuộc vào đường kính của thiết bị của bạn. Ăng-ten GSM nằm gọn trong hộp còn lại. Bảng điều khiển trong mỗi bảng đều giống hệt nhau với các lỗ cho nút BẬT / TẮT và nút ấn để bật màn hình mức pin. Các chân được in riêng biệt và dán chặt vào vỏ ở các góc và cung cấp các tùy chọn lắp khác nhau. Tháp pháo nhỏ và nắp vặn được dán xung quanh lỗ cho giá đỡ microUSB để bảo vệ nó khỏi sự xâm nhập của nước. Về cơ bản, thiết bị có khả năng chống nước rất tốt và được in bằng PETG để giảm thiểu sự biến dạng nhiệt. Tôi đã sử dụng giá đỡ vít bằng đồng thau cách nhiệt trong vỏ chính cho các vít 3mm trong vỏ. Có các tệp cho hai giá đỡ cho các cảm biến - một có hai cảm biến được gắn cách nhau một chân trên một cây đũa bằng nhựa lucite với một giá đỡ cho hộp "tăng cường" I2C với mạch được gắn và epoxi ở bên trong. Cây đũa phép này cũng có hai lỗ in 3D để phù hợp với các tùy chọn lắp đặt. Vỏ cảm biến còn lại là một miếng đệm đơn với một trong các cảm biến được vặn vào nó và một vết cắt ở phía sau cho "bộ tăng cường" I2C được gắn vào nó. Tất cả những thứ này đều được in bằng PETG. Các tệp còn lại là vỏ nhỏ cho bộ thu Lora với cửa sổ nhỏ cho màn hình OLED.

Bước 4: Nối dây

Các cảm biến được nối dây song song với đường SDA, đường SCL, Pos và Gnd, tất cả được nối thành một cáp xoắn với bốn dây dẫn. Các bộ khuếch đại I2C rất dễ sử dụng - gắn cả cảm biến vào các đường đầu vào và cáp dài tới 60 mét được gắn vào cùng một loại thiết bị thu. Nếu bạn đi lâu hơn, bạn có thể phải thay đổi các điện trở kéo lên trên bảng. Các sơ đồ nối dây cho phần còn lại ở trên. Mạch hoạt động bằng cách bật / tắt công tắc gửi điện đến Adafruit TPL5111 được đặt ở mức 57 ohms để bật Bật cao sau mỗi 10 phút - tất nhiên bạn có thể điều chỉnh điều này cho tần số truyền dữ liệu ít hơn hoặc nhiều hơn. Điều này điều khiển MOSFET trên mặt đất của bo mạch chính (Lora hoặc Arduino 400 GSM). (Tôi đã tìm thấy các bảng như GSM và ESP32 có mức tiêu thụ điện quá lớn đối với TPL trừ khi bạn sử dụng MOSFET với chúng…) Nguồn cho các cảm biến và BMP388 đến từ bảng chính khi bật: 3v. Các điện trở kéo lên nằm trên bộ tăng I2C và bạn không cần chúng cho các cảm biến trên mạch này. Bảng sạc TP4056 hoạt động hiệu quả với hai tấm pin mặt trời và pin 18650 đi kèm. Nút nhấn chỉ kết nối đầu ra pin với màn hình mức pin nhỏ. Hai cảm biến được gắn vào cây đũa phép lucite sử dụng hết hai địa chỉ có sẵn bao gồm địa chỉ của BMP388 (0 X 77), vì vậy bạn phải kết nối BMP với SPI với bo mạch chính nếu bạn đang sử dụng hai cảm biến áp suất nước. Nếu bạn chỉ sử dụng một (puck), bạn có thể kết nối nó với I2C và sử dụng địa chỉ khả dụng còn lại (0 X 77) cho BMP.

Bước 5: Xây dựng nó

Tôi đã sử dụng bảng hiệu suất để chế nhạo mọi thứ. Bo mạch chính TPL, BMP đều đi trên một bo mạch. Các công tắc đã được vặn vào đúng vị trí bằng miếng đệm cao su của chúng. Bo mạch bộ sạc gắn trên bề ngoài của tấm mặt điều khiển với microUSB hướng ra ngoài. Tháp pháo chống nước được dán chặt vào phía trước và nắp vặn được bịt kín bằng một ít mỡ silicon trên các sợi chỉ. Cây đũa phép lucite được cắt ra từ hai lớp 1/4 nhựa với các cảm biến được gắn cách nhau chính xác một foot. Các ngàm lỗ in 3D được đặt ở các đầu và bộ tăng cường I2C được vặn ở giữa nơi tất cả các kết nối dây được thực hiện. Cảm biến puck được in 3D và bộ tăng cường được gắn bên trong và kết nối với một cảm biến. Một lỗ được khoan trên đỉnh của thiết bị Lora để chứa ăng-ten và các lỗ được đặt ở phía sau của mỗi thiết bị để chứa dây dẫn từ các cảm biến Một thanh giữ dây in 3D được cung cấp. Zip buộc dây vào nó sau khi cố định nó vào đúng vị trí. Tất cả các kết nối dây được thu nhỏ nhiệt biển và sau đó được sơn bằng băng dính điện lỏng để đảm bảo an ninh cho nước.

Bước 6: Lập trình nó

Thực sự không có nhiều thứ cho chương trình. Nó chủ yếu dựa vào các thư viện được cung cấp cho các cảm biến --- hoạt động hoàn hảo và điều kỳ diệu của phần mềm GSM Blynk cho bảng Arduino kết hợp hoàn hảo với Đám mây Hologram. Đăng ký tài khoản Hologram và nhận thẻ SIM từ họ để đặt vào bảng Arduino 400 GSM của bạn. Quá trình bắt tay đều được xử lý bởi thư viện Blynk - GSM Arduino. Adafruit đã viết thư viện cho BMP và tôi đã sử dụng thư viện SparkFun cho MS5803. Cả hai đều cung cấp đầu ra nhiệt độ từ cảm biến của bạn nếu bạn muốn. Các chân điều chỉnh bằng phần mềm có thể sử dụng bất cứ thứ gì trên bo mạch chính. Tôi đã sử dụng quy trình hẹn giờ Blynk để không vô tình làm quá tải ứng dụng Blynk. Tất nhiên, bạn phải cẩn thận với lượng dữ liệu bạn đưa qua liên kết GSM-Hologram hoặc bạn có thể chạy một hóa đơn nhỏ - không nhiều - nó sử dụng khoảng 3MB một tuần, tương đương khoảng 40 xu. Tôi chỉ tải lên ba phép đo áp suất - 2 từ dưới nước và một từ vỏ máy (BMP). Phần cuối cùng của chương trình là tắt TPL bằng cách nâng lên HI, ghim đã hoàn thành trên thiết bị cho biết dữ liệu đã được truyền. Ứng dụng Blynk vẫn tuyệt vời như mọi khi và bạn có thể thiết kế bất kỳ loại màn hình đầu ra nào bạn muốn và phần tốt nhất là khả năng tải xuống đống dữ liệu của bạn qua email bất cứ lúc nào bạn muốn.

Đơn vị Lora sử dụng cùng các thư viện và sử dụng đơn vị OLED (tôi đã tắt tính năng này trong phần mềm của đơn vị người gửi để tiết kiệm năng lượng) và đặt tần số cho vị trí cụ thể của bạn. Sau đó, nó xây dựng một chuỗi dữ liệu với các dấu phân tách cho phép nó gửi các kết quả cảm biến của bạn trong một lần chụp. Sau đó, nó sẽ kích hoạt ghim xong để tắt. Bộ phận nhận chia nhỏ từ và gửi thông tin đến ứng dụng Blynk qua liên kết luôn bật WIFI. Đầu thu cực kỳ nhỏ và cắm vào một cái mụn trên tường.

Bước 7: Sử dụng nó

Mặt cảm biến siêu nhỏ nhận tất cả lực áp lực lên nó với độ chính xác cao từ phía trên - điều này bao gồm tất cả áp suất không khí và nước. Vì vậy, những thay đổi không liên tục về độ cao của đại dương - như sóng và sự thay đổi áp suất không khí từ các cơn bão trên đại dương đều ảnh hưởng đến nó. Đó là lý do để bao gồm cảm biến Áp suất khí quyển trong trường hợp (đảm bảo bạn cung cấp một vài lỗ khí nhỏ để cho phép nó đọc chính xác). Cây đũa cảm biến với hai cảm biến được neo trong đại dương ở độ sâu nơi nó vẫn bị nước bao phủ ngay cả khi thủy triều xuống. Bạn đặt cảm biến ở độ sâu nào là tùy ý vì chúng sẽ chỉ đo sự thay đổi chiều cao của cột nước ở trên chứ không phải độ cao tuyệt đối. Tôi đã sử dụng một viên gạch làm mỏ neo có gắn một sợi dây để gắn cây đũa cảm biến cách đáy vài bước chân. Một chiếc phao được gắn vào cực trên của cây đũa phép để giữ các cảm biến ở chân của chúng lệch nhau theo hướng thẳng đứng. Cặp dây xoắn và dây thừng dẫn đến một bến tàu nơi chúng được buộc lại bằng rất nhiều sợi dây để phù hợp với chuyến du ngoạn thủy triều. Thiết bị gửi GSM được gắn trên một chiếc thuyền gần đó. Việc giám sát diễn ra trong hơn một tháng. Hai cảm biến cho kết quả đọc được cách nhau 28 đơn vị, đại diện cho sự chênh lệch áp suất trong một foot nước tại vị trí đó. Áp suất khí quyển đã được trừ đi từ dữ liệu cảm biến thấp hơn và chia cho 28 để cho một foot tương đương với sự lên xuống của bề mặt đại dương trong khoảng thời gian 10 phút. Biểu đồ trên cho phép so sánh với biểu đồ NOAA trong cùng khoảng thời gian. Cảm biến / chân tăng và giảm thực tế đã được kiểm tra so với chuyển động thực tế của đế và được phát hiện là chính xác đến 1/2 inch. Ngay cả với việc sử dụng năng lượng cao của GSM vẫn truyền cứ mười phút một lần, các tấm pin mặt trời vẫn dễ dàng theo kịp nhu cầu trong môi trường rừng nhiệt đới âm u này.

Bước 8: Thêm

Việc sử dụng trước đây của các cảm biến này bởi các nguồn đã đề cập là để nghiên cứu độ cao của sóng. Kết quả của tôi là từ một bến cảng yên tĩnh với hoạt động sóng do gió thổi tối thiểu nhưng bạn có thể thu thập dữ liệu đó bằng cách tăng tần suất lấy mẫu và có giá trị trung bình cuộn của kết quả. Hệ thống Lora hoạt động tốt ở khoảng cách xa sẽ cung cấp một mạng lưới thông tin về sóng cho nhiều địa điểm dọc theo bờ biển. Điều này sẽ là lý tưởng cho những người quan tâm đến các hoạt động lướt sóng Chi phí thấp và kích thước rất nhỏ của các đơn vị độc lập này sẽ làm cho việc thu thập thông tin ven biển trở thành một nhiệm vụ dễ dàng. Hiện tại, việc nắm bắt thông tin thủy triều là một hoạt động rất phức tạp và phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng của chính phủ, nhưng điều này có thể thay đổi khi áp dụng các thiết bị thay thế. Blynk hiện đã được lập trình để thông báo cho tôi về Trận sóng thần tiếp theo!