Raspberry Pi Impact Force Monitor!: 16 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

Koliki uticaj ljudsko tijelo može podnijeti? Bilo da se radi o fudbalu, penjanju po stijenama ili biciklističkoj nesreći, znati kada zatražiti hitnu medicinsku pomoć nakon sudara izuzetno je važno, pogotovo ako nema očiglednih znakova traume. Ovaj vodič će vas naučiti kako izgraditi vlastiti monitor sile udara!

Vrijeme čitanja: ~ 15 min

Vrijeme izrade: ~ 60-90 min

Ovaj projekt otvorenog koda koristi Raspberry Pi Zero W i LIS331 akcelerometar za praćenje i upozoravanje korisnika na potencijalno opasne G-sile. Naravno, slobodno izmijenite i prilagodite sistem tako da odgovara vašim različitim potrebama nauke građana.

Napomena: Izradite zabavne stvari pomoću Impact Force monitora! Međutim, nemojte ga koristiti kao zamjenu za profesionalne medicinske savjete i dijagnozu. Ako mislite da ste ozbiljno pali, posjetite kvalificiranog i licenciranog stručnjaka za odgovarajuće liječenje.

Korak 1: Predloženo čitanje

Da bi ovaj vodič bio kratak i sladak (ovaj, pa, koliko je god moguće), pretpostavljam da počinjete s funkcionalnim Pi Zero W. Trebate li pomoć? Nema problema! Evo potpunog vodiča za postavljanje.

Također ćemo se daljinski povezati na Pi (tzv. Bežično). Za detaljniji pregled ovog procesa pogledajte ovaj vodič.

** Zaglavili ste ili želite saznati više? Evo nekoliko korisnih resursa: **

1. Odličan vodič za početak za Pi.

2. Potpuni vodič za povezivanje ploče za ubrzanje LIS331.

3. Više o akcelerometarima!

4. Pregled Raspberry Pi GPIO pinova.

5. Korištenje SPI i I2C serijskih sabirnica na Pi.

6. LIS331 Tehnički list

Korak 2: Materijali

• Raspberry Pi Zero W osnovni komplet

  • Ovaj komplet uključuje sljedeće: SD kartica sa operativnim sistemom NOOBS; USB OTG kabl (microUSB na USB ženski); Mini HDMI na HDMI; Napajanje MicroUSB (~ 5V)
  • Takođe se preporučuje: USB čvorište
• Raspberry Pi 3 zaglavlja igle
• LIS331 Pločica za mjerenje brzine ubrzanja
• Baterija sa MicroUSB konektorom
• 5 mm crvena LED dioda
• 1k Resistor
• 6 "Termoskupljajuća cijev ili električna traka
• Igle zaglavlja za akcelerometar (4 - 8) i LED (2)
• Žice kratkospojnika ženski na ženski (6)

Alati

• Lemilica i pribor
• Epoksid (ili drugo trajno, neprovodljivo tečno ljepilo)
• Vjerovatno i makaze:)

Korak 3: Ali čekajte! Šta je udarna sila?

Na sreću, izraz "sila udarca" prilično je jasan: količina sile pri udarcu. Međutim, kao i većina stvari, mjerenje zahtijeva precizniju definiciju. Jednačina za udarnu silu je:

F = KE/d

gdje je F sila udara, KE je kinetička energija (energija kretanja), a d je udaljenost udarca ili koliko objekt hrušti. Postoje dva ključna zaključka iz ove jednadžbe:

1. Sila udara je direktno proporcionalna kinetičkoj energiji, što znači da se sila udara povećava ako se kinetička energija povećava.

2. Sila udara je obrnuto proporcionalna udaljenosti udarca, što znači da se sila udara smanjuje ako se udaljenost udarca povećava. (Zbog toga imamo zračne jastuke: kako bismo povećali udaljenost našeg udara.)

Sila se obično mjeri u Newtonima (N), ali se o udarnoj sili može govoriti kao o "G-sili", broju izraženom kao višekratniku g ili o gravitacijskom ubrzanju Zemlje (9,8 m/s^2). Kada koristimo jedinice G-sile, mjerimo ubrzanje objekata u odnosu na slobodni pad prema zemlji.

Tehnički gledano, g je ubrzanje, a ne sila, ali je korisno kada govorimo o sudarima jer je ubrzanje* ono što oštećuje ljudsko tijelo.

Za ovaj projekt upotrijebit ćemo jedinice G-sile kako bismo utvrdili je li utjecaj potencijalno opasan i zaslužuje liječničku pomoć. Istraživanje je otkrilo da g-sile iznad 9G mogu biti kobne za većinu ljudi (bez posebne obuke), a 4-6G mogu biti opasne ako se zadrže duže od nekoliko sekundi.

Znajući to, možemo programirati naš monitor sile udara da nas upozori ako naš akcelerometar mjeri G-silu iznad bilo kojeg od ovih pragova. Ura, nauka!

Za više informacija pročitajte o udarnoj sili i g-sili na Wikipediji!

Ubrzanje je promjena brzine i/ili smjera

Korak 4: Konfigurirajte Pi Zero W

Skupite svoj Raspberry Pi Zero i periferne uređaje da biste konfigurirali Pi da bude bez glave!

• Povežite Pi sa monitorom i pripadajućim perifernim uređajima (tastatura, miš), uključite napajanje i prijavite se.

• Ažurirajte softver kako bi vaš Pi bio brz i siguran. Otvorite prozor terminala i upišite ove naredbe:

  Upišite i unesite:

sudo apt-get update

Upišite i unesite:

sudo apt-get nadogradnja

Resetovati:

sudo shutdown -r sada

Korak 5: Omogućite WiFi i I2C

• Kliknite ikonu WiFi u gornjem desnom kutu radne površine i povežite se na svoju WiFi mrežu.
• U terminalu upišite ovu naredbu da biste otvorili Pi -jev alat za konfiguraciju softvera:

sudo raspi-config

• Odaberite „Opcije sučelja“, zatim „SSH“, a zatim pri dnu odaberite „Da“da biste omogućili.
• Vratite se na „Opcije sučelja“, zatim „I2C“i odaberite „Da“da biste omogućili.
• U terminal instalirajte softver za povezivanje s udaljenom radnom površinom:

sudo apt-get install xrdp

• Upišite 'Y' (da) na tipkovnici za oba upita.
• Pronađite Pi -jevu IP adresu lebdeći iznad WiFi veze (možda biste je htjeli i zapisati).
• Promijenite Pi -ovu lozinku naredbom passwd.

Korak 6: Ponovo pokrenite Pi i prijavite se na daljinu

Sada možemo odbaciti HDMI i periferne uređaje, woohoo!

• Postavite vezu za udaljenu radnu površinu.

  • Na računaru otvorite vezu sa udaljenom radnom površinom (ili PuTTY ako vam je to ugodno).
  • Za Mac/Linux možete instalirati ovaj program ili koristiti VNC program.
• Unesite IP za Pi i kliknite "Poveži se" (Zanemari upozorenja o nepoznatom uređaju).
• Prijavite se na Pi koristeći svoje vjerodajnice i idemo!

Korak 7: Napravite ga: Elektronika

Dvije gornje fotografije prikazuju električnu shemu za ovaj projekt i Pi Zero Pinout. Oboje će nam trebati za rješavanje hardverskih veza.

Napomena: LIS331 ploča za razbijanje na shemi je starija verzija - upotrijebite oznake na pinovima za usmjeravanje

Korak 8: Spojite akcelerometar na Pi -jev GPIO

• Lemite i pažljivo uklonite ostatke fluksa na akcelerometru i iglama zaglavlja Pi GPIO.
• Zatim spojite kratkospojne žice između ploče za odvajanje LIS331 i Pi između sljedećih pinova:

LIS331 Breakout Board Raspberry Pi GPIO Pin

GND GPIO 9 (GND)

VCC GPIO 1 (3,3 V)

SDA GPIO 3 (SDA)

SCL GPIO 5 (SCL)

Kako bi bilo lakše spojiti senzor na Pi Zero, prilagođeni adapter izrađen je pomoću ženskog zaglavlja i kratkospojnika. Termoskupljanje je dodano nakon ispitivanja veza

Korak 9: Dodajte LED upozorenje

• Lemite otpornik za ograničavanje struje na negativnu LED nogu (kraću nogu) i dodajte skupljajući omotač (ili električnu traku) za izolaciju.
• Upotrijebite dva kratkospojna kabela ili pinove zaglavlja za povezivanje pozitivne LED noge na GPIO26 i otpornika na GND (položaji zaglavlja 37 i 39, respektivno).
• Priključite bateriju na Pi ulaznu snagu da dovršite postavljanje!

Korak 10: Programirajte ga

Python kod za ovaj projekat je otvorenog koda! Evo veze do spremišta GitHub.

Za ljude početnike u programiranju:

Pročitajte programski kod i komentare. Stvari koje je lako izmijeniti nalaze se u odjeljku "Korisnički parametri" na vrhu

Za ljude ugodnije s tehničkim detaljima:

Ovaj program pokreće akcelerometar LIS331 sa zadanim postavkama, uključujući normalni način napajanja i brzinu prijenosa podataka od 50Hz. Pročitajte tehnički list LIS331 i po želji izmijenite postavke inicijalizacije

Sve

• Maksimalna skala ubrzanja koja se koristi u ovom projektu je 24G, jer sila udara brzo postaje velika!
• Preporučuje se da u glavnoj funkciji komentirate izjave o ubrzanju ispisa kada ste spremni za potpunu implementaciju.

Prije nego pokrenete program, još jednom provjerite je li adresa akcelerometra 0x19. Otvorite prozor terminala i instalirajte neke korisne alate pomoću ove naredbe:

sudo apt-get install -y i2c-tools

Zatim pokrenite program i2cdetect:

i2cdetect -y 1

Vidjet ćete tablicu I2C adresa prikazanu kao što je prikazano na gornjoj slici. Pod pretpostavkom da je ovo jedini povezani I2C uređaj, broj koji vidite (u ovom slučaju: 19) adresa je akcelerometra! Ako vidite drugačiji broj, uzmite u obzir i promijenite program (varijabla addr).

Korak 11: Brzi pregled programa

Program čita ubrzanje x, y i z, izračunava g-silu, a zatim prema potrebi sprema podatke u dvije datoteke (u istu mapu s programskim kodom):

• AllSensorData.txt-daje vremensku oznaku praćenu g-silom na osi x, y i z.
• AlertData.txt - isto kao gore, ali samo za očitanja koja su iznad naših sigurnosnih pragova (apsolutni prag od 9G ili 4G za više od 3 sekunde).

G-sile iznad naših sigurnosnih pragova također će uključiti našu LED lampicu upozorenja i držati je uključenu dok ponovo ne pokrenemo program. Zaustavite program upisivanjem “CTRL+c” (prekid tastature) u komandnom terminalu.

Gornja fotografija prikazuje obje datoteke podataka nastale tokom testiranja.

Korak 12: Testirajte sistem

Otvorite prozor terminala, idite do mape u koju ste spremili programski kod pomoću naredbe cd.

cd putanja/do/fascikle

Pokrenite program koristeći root ovlaštenja:

sudo python NameOfFile.py

Provjerite da li se vrijednosti ubrzanja u smjeru x, y i z ispisuju do prozora terminala, jesu li razumne i uključite LED svjetlo ako je sila g iznad naših pragova.

• Za testiranje, okrenite mjerač ubrzanja tako da su sve osi usmjerene prema zemlji i provjerite jesu li izmjerene vrijednosti 1 ili -1 (odgovara ubrzanju uslijed gravitacije).
• Protresite mjerač ubrzanja kako biste bili sigurni da se očitanja povećavaju (znak označava smjer osi, najviše nas zanima veličina očitanja).

Korak 13: Osigurajte električne veze i instalirajte je

Nakon što sve radi ispravno, provjerimo da li monitor sile može zaista izdržati udar!

• Koristite termoskupljajuću cijev i/ili premažite električne spojeve za akcelerometar i LED diodu u epoksidu.

• Za super izdržljive, trajne instalacije, razmislite o tome da cijelu traku premažete epoksidom: Pi Zero, LED dioda i mjerač ubrzanja (ali NE i priključci Pi kabela ili SD kartica).

  Upozorenje! I dalje možete pristupiti Pi -u i raditi sve na računaru, ali pun sloj epoksida spriječit će upotrebu GPIO pinova za buduće projekte. Alternativno, možete napraviti ili kupiti prilagođeno kućište za Pi Zero, iako provjerite trajnost

Osigurajte kacigu, svoju osobu ili način prijevoza poput vašeg skejta, bicikla ili mačke*!

Potpuno provjerite je li Pi dobro pričvršćen ili se GPIO pinovi mogu olabaviti uzrokujući pad programa.

*Napomena: Prvo sam namjeravao upisati "auto", ali zaključio sam da bi mjerač sile udara za mačku mogao dati i neke zanimljive podatke (uz pristanak mačeta, naravno).

Korak 14: Ugrađivanje kruga u kacigu

Postoji nekoliko metoda ugradnje kola u kacigu. Evo mog pristupa instaliranju kacige:

• Ako već niste, povežite bateriju sa Pi (sa isključenom baterijom). Pričvrstite mjerač ubrzanja na stražnju stranu Pi s neprovodnom izolacijom između njih (poput omotača mjehurićima ili tanke pjene za pakiranje).
• Izmjerite dimenzije kombinacije Pi Zero, akcelerometra, LED i konektora baterije. Dodajte 10% sa obe strane.
• Nacrtajte izrez za projekt na jednoj strani kacige, s priključkom za bateriju okrenutim prema vrhu kacige. Izrežite podlogu u kacigi ostavljajući nekoliko milimetara (~ 1/8 inča).
• Postavite senzor, Pi i LED u izrez. Odrežite komade viška obloge od kacige ili upotrijebite pjenu za pakiranje da izolirate, zaštitite i držite elektroniku na mjestu.
• Izmjerite dimenzije baterije, dodajte 10%i slijedite isti izrez baterije. Umetnite bateriju u džep.
• Ponovite tehniku izolacije baterije s druge strane kacige.
• Držite podlogu za kacigu na mjestu s trakom (glava će ih držati na mjestu dok je nosite).

Korak 15: Rasporedite

Uključite bateriju!

Sada se možete daljinski prijaviti na Pi putem SSH -a ili udaljene radne površine i pokrenuti program putem terminala. Kada se program pokrene, započinje snimanje podataka.

Kada prekinete vezu s kućnim WiFi -jem, SSH veza će se prekinuti, ali program bi i dalje trebao bilježiti podatke. Razmislite o povezivanju Pi -a na WiFi pristupnu točku pametnog telefona ili se jednostavno prijavite i zgrabite podatke kad dođete kući.

Za pristup podacima, daljinski se prijavite na Pi i pročitajte tekstualne datoteke. Trenutni program će uvijek dodavati podatke u postojeće datoteke - ako želite izbrisati podatke (primjerice s testiranja), izbrisati tekstualnu datoteku (putem radne površine ili upotrijebiti naredbu rm na terminalu) ili stvoriti novi naziv datoteke u programu kod (u korisničkim parametrima).

Ako LED svijetli, ponovno pokretanje programa će ga isključiti.

A sad idite dalje, zabavite se u životu i provjeravajte podatke s vremena na vrijeme ako slučajno naletite na nešto. Nadajmo se da je to mali udarac, ali barem ćete znati!

Korak 16: Dodavanje više funkcija

Tražite poboljšanja u monitoru sile udara? To je izvan opsega vodiča, ali pokušajte pogledati donju listu za ideje!

Napravite analizu svojih g-force podataka u Pythonu!

Pi Zero ima Bluetooth i WiFi mogućnosti - napišite aplikaciju za slanje podataka akcelerometra na vaš pametni telefon! Za početak, evo vodiča za Pi Twitter Monitor.

Dodajte druge senzore, poput senzora temperature ili mikrofona*!

Srećna zgrada

*Napomena: Da biste čuli snažne zvukove povezane s vašim ubrzanjem!: D