Priključivanje sistema senzora okoliša za bespilotne letjelice: 18 koraka

2025 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2025-01-23 14:37

Svrha ovog Instructable -a je da opiše kako konstruisati, pričvrstiti i upravljati sistemom senzora za zaštitu životne sredine integrisane tehnologije rješenja zajedno sa bespilotnom letjelicom DJI Phantom 4. Ovi senzorski paketi koriste bespilotnu letjelicu za transport u potencijalno opasna okruženja radi identifikacije trenutnih nivoa rizika ugljičnog monoksida (CO), ugljičnog dioksida (CO2) i tekućeg propan plina (LPG) u usporedbi sa standardima OSHA i EPA. Važno je napomenuti da, iako je senzor zračenja prikazan i u ovom Uputstvu, on će raditi kao zasebna cjelina senzora za plin, a konačni proizvod koji je prikazan uključivat će samo gore navedene komponente senzora za plin.

Korak 1: Prikupite potrebne alate, softver i materijale

Alati koji se koriste:

1. Arduino softver (https://www.arduino.cc/en/Main/Software)
2. Kliješta
3. Stona testera sa abrazivnim sečivom
4. Stolna brusilica

Korišteni materijali:

1. DJI Phantom 4
2. Arduino Uno
3. Vanjska baterija jackery 3350mAh
4. Standard Breadboard
5. Senzor ugljičnog monoksida - MQ - 7
6. Senzor tekućeg plina propan - MQ - 6
7. Senzor ugljičnog dioksida CO2 - MG - 811
8. AK9750 Si7021 Senzor vlage i temperature
9. Džepni Geiger -ov senzor zračenja - tip 5
10. Bluetooth modem - BlueSMiRF zlatni
11. Trake za vješanje od mekog čelika
12. SparkFun Inventor's Kit
13. 3M dvostrana montažna traka

Korak 2: Sastavite ožičenje senzora i mikrokontrolera

Pristupite svim podatkovnim listovima senzora od proizvođača proizvoda kako biste odredili ulazne i izlazne pinove potrebne za pravilan rad komponente. Kako bi se izgradila učinkovita orijentacija za sve komponente koje se nalaze u paketima za plin i zračenje, svaki senzor i modul trebaju biti odvojeno ožičeni kako bi se osiguralo da rade ako su spojeni na mikrokontroler prije integracije na jednu matičnu ploču. Kako bi se osigurala jasnoća, proces izgradnje svakog tipa osnovnog kola i koda sadržan je u sljedećim koracima.

Korak 3: Odredite ulazne i izlazne pinove za senzor ugljičnog monoksida MQ - 7

Kao što je prikazano na gornjem dijagramu, CO komponenta bi trebala imati tri pina ulaznog napona na krajnjoj desnoj šini koji su spojeni na napajanje 5V mikrokontrolera. Pin za analogni ulaz bit će spojen na bilo koji od pinova mikrokontrolera označenih s A0, A1, A2 itd., Dok su pinovi za uzemljenje spojeni na uzemljene igle mikrokontrolera. Konačno, otpornik od 10K ohma koristi se za spajanje donjeg lijevog igle osjetnika na masu. Važno je napomenuti da se ovaj pinout primjenjuje na senzore CO2 i LPG koji se također koriste u ovom sistemu.

Korak 4: Povežite senzor u skladu sa ispisom na ulazne i izlazne pinove mikrokontrolera

Kao što je objašnjeno u prethodnim koracima, jedan pin je označen kao analogni ulazni pin mikrokontrolera. U gore prikazanom osnovnom kodu i dostupnom za preuzimanje u sljedećem koraku, definirani analogni pin je pin A0. U skladu s ovom oznakom, povežite gornji lijevi pin sa A0 pinom mikrokontrolera. Zatim se može uspostaviti zajednička 5V ulazna i uzemljena šina spajanjem krajnje lijeve ploče za napajanje (označene simbolom "-") na uzemljenje i krajnju desnu šinu ("+") na pin 5V. Ožičenjem matične ploče na ovaj način, pinovi senzora mogu se spojiti izravno na šine matične ploče, omogućavajući čiste veze s mikrokontrolerom. Ova struktura je predstavljena na gornjim slikama osnovnog kola.

Korak 5: Preuzmite osnovni kod senzora plina

Kada se povežete, učitajte Arduino osnovni kôd dobiven sa stranice proizvoda SparkFuna (https://www.sparkfun.com/products/9403; u prilogu) pritiskom na strelicu koja se nalazi u gornjem lijevom kutu sučelja kako biste provjerili je li komponenta ožičena. u skladu sa pinout -om.

Korak 6: Otvorite serijski monitor kako biste osigurali rad

Otvorite serijski monitor odabirom ikone lupe u gornjem desnom kutu sučelja. Ovo će otvoriti zasebni prozor prikazan gore, gdje će se prikazati izlaz senzora, izvorno očitanje napona. Ako se podaci ne prikazuju na serijskom monitoru kako je naznačeno, provjerite da li funkcija analogRead upućuje na točan broj analognog pina ožičenog u ranijim fazama ovog procesa.

Korak 7: Ponovite korake 3-6 za osjetnike na plin i ugljični dioksid

Ponovite definiciju pinova, ožičenja senzora i otpremanja koda kako biste osigurali rad dodatnih senzora.

Korak 8: Žičani SparkFun Si7021 senzor vlažnosti i temperature (opcionalno)

Isti opći postupak opisan za senzore plina bit će proveden za senzor temperature i vlažnosti. Međutim, pinout se razlikuje od senzora za plin i prikazan je gore. VCC pin (drugi s desne strane senzora) bit će spojen na izvor napajanja mikrokontrolera od 5 ili 3,3 V, a pin za uzemljenje bit će spojen na uzemljenje mikrokontrolera, kao što se vidi na ožičenju osjetnika plina. Umjesto analognog izlaznog pina, ovaj senzor sadrži SDA i SCL izlazne pinove koji su odgovorni za prijenos podataka sa senzora na mikrokontroler za obradu. Ovaj senzor se može koristiti za provjeru tačnosti mjerenja senzora plina u usporedbi s njihovim podacima u tablici.

Korak 9: Preuzmite Si7021 senzor vlažnosti i temperature SparkFun osnovnog koda

Po završetku ožičenja, priloženi uzorak koda (prilagođen sa https://www.sparkfun.com/products/13763) trebao bi se učitati u mikrokontroler kako bi se osigurala pravilna konstrukcija kola. Kao što je opisano kodom senzora za gas, proverite da li komponenta prenosi temperaturu i vlagu pristupom serijskom monitoru. Važno je napomenuti da ovaj osnovni kod uključuje korištenje dvije različite biblioteke komponenti SparkFun. Da bi se ovaj kôd mogao kompajlirati i učitati u mikrokontroler, korisnik će morati instalirati ove biblioteke metodama prikazanim u koraku 9.

Korak 10: Dodajte biblioteke Arduino komponenti

Implementacija Arduino biblioteka u kodovima identificirana je upotrebom naredbe #include kako se vidi pri vrhu koda 8. koraka. Bez uključivanja ovih biblioteka, kod se neće moći kompajlirati ili učitati u mikrokontroler. Da biste pristupili i instalirali ove biblioteke, idite na karticu skice, proširite Uključi biblioteku i odaberite Upravljanje bibliotekama. Upišite naziv potrebne biblioteke (tekst koji se pojavljuje nakon naredbe #include), kliknite željenu opciju, odaberite verziju i pritisnite install.

Korak 11: Geiger -ov osjetnik zračenja sa džepom - Tip 5

Kao što je ranije navedeno, ova komponenta bit će uključena odvojeno od senzora za plin. Prilikom postavljanja ovog proizvoda, proces je i dalje isti; spojite pinove komponenti na njihove odgovarajuće izlaze kao što je prikazano na gornjoj oznaci. Spojite VCC pin na 5V izvor koji se nalazi na mikrokontroleru, a pin za uzemljenje na uzemljenje mikrokontrolera kao što je to učinjeno sa senzorima za gas. Zatim spojite iglice signala i šuma na pinove 2 i 5 mikrokontrolera. Po završetku ovog zadatka, prenesite osnovni kôd prilagođen sa radiation-watch.org putem Github-a (https://www.sparkfun.com/products/142090) i ova komponenta je spremna za rad.

Korak 12: Razvijte integrirano ožičenje senzora

Nakon što ste pojedinačno ožičili svaki senzor kako biste potvrdili njegovu operativnost, počnite integrirati svako ožičenje senzora u sažetom formatu tako da svi gore opisani senzori budu ožičeni na matičnoj ploči, kao što je prikazano na gornjim slikama. Uputite se na gornju tablicu kako biste ispravno ožičili potrebne Arduino pinove na njihove odgovarajuće komponente tako da donje kodove ne morate mijenjati prije učitavanja. Da biste podržali kondenzirani format, upotrijebite zajedničku električnu i uzemljenu šinu povezivanjem jedne razvodne ploče za napajanje kao 5V, a druge kao 3.3V. Spojite dvije uzemljene šine zajedno pružajući vezu s iglom za uzemljenje Arduino mikrokontrolera. Kada završite, učitajte priloženi kôd da biste pristupili mogućnostima senzora za gas koji su sastavljeni na ploči. Priloženi Arduino kôd kontrolirat će senzore za plin, kao i senzor temperature i vlažnosti, te će prikazati njihove mjerne podatke, u milionskim dijelovima, putem serijskog monitora. Takođe će pružiti klasifikaciju nivoa opasnosti izmerenih podataka. Senzor zračenja može se osloniti na vremenski ograničeno mjerenje (tj. Brojanje po minuti), pa se savjetuje da se ovom komponentom upravlja odvojeno od senzora za plin. Da bi podržali ovu razliku, senzori CO, LPG i CO2 bit će jedine komponente o kojima se raspravlja kada se mikrokontroler upari s Bluetooth modulom. Međutim, važno je napomenuti da se sljedeći postupak može slijediti kako bi se postigao isti rezultat sa senzorom zračenja.

Korak 13: Pokrenite Bluetooth vezu između telefona i modula

Nakon što se željeni senzorski sistem sastavi, kodira i kondenzira, sljedeći korak je bežično povezivanje korisničkog uređaja sa sistemom. Ovo će omogućiti slanje očitavanja senzora uživo na udaljenosti udaljenoj od opasnog područja. Povezivanje senzorskog sistema i korisničkog uređaja bit će olakšano pomoću Arduino BlueSMiRF Bluetooth modula. Ovaj će modul biti povezan s mobilnom aplikacijom “Arduino Bluetooth Data” koju možete preuzeti iz trgovine Google Play. Ovo sučelje će izravno prikazivati očitanja dobivena sa senzora za plin, prisutnost ljudi ili senzora zračenja, a bit će im pristupačno do 350 stopa i upozorit će korisnika na promjene u očitanjima senzora, dopuštajući korisniku da procijeni da li su opasni nivoi opasnosti po okoliš su otkrivene u skladu sa OSHA i EPA propisima.

Komponentu je potrebno pojedinačno ožičiti, kao što je pokazano senzorima, kako bi se pokrenulo postavljanje komponente i procijenila operativnost. Koristeći dijagram komponente prikazan na gornjoj slici, komponenta će biti ožičena s ulazom od 5 V i pinom za uzemljenje, dok će pinovi TX i RX komponente biti ožičeni na dva korisnički definirana digitalna pina. Kao što je prikazano na slici, TX pin je dodijeljen drugom digitalnom pinu, a RX je definiran kao treći. Po završetku ovog zadatka pokrenite primjer koda koji se nalazi u nastavku da biste započeli postavljanje komponente. U ovom trenutku LED dioda komponente trebala bi polako treptati crveno. Pristupite serijskom monitoru i prebacite opcije na dnu prozora da biste pročitali "Bez završetka linije" i "9600 bita" u padajućim okvirima. Zatim unesite "$$$" u komandno polje i pritisnite "Pošalji". Ovo će pokrenuti “Command Mode” u komponenti i uzrokovati da LED brzo treperi crvenom bojom. Dodatno, komponenta će poslati poruku „CMD“natrag na serijski monitor.

Ponovo prebacite padajuće postavke serijskog monitora da biste pročitali “Newline” i “9600 baud”, prije nego nastavite s postavljanjem. Komande "D" i "E" šalju serijskom monitoru za prikaz postavki komponente, uključujući naziv tvornice. Da biste se uparili s mobilnim telefonom, otvorite Bluetooth postavke, odaberite naziv Bluetooth modula (ECEbluesmirf za navedeni primjer). Nakon ovog odabira, pošaljite naredbu "I" za traženje Bluetooth uređaja. Prvi broj će se koristiti za sinhronizaciju dva uređaja, slanjem "C, prvi broj." Kada se dovrši, LED dioda Bluetooth -a će svijetliti zeleno.

Korak 14: Povežite sistem s mobilnom aplikacijom - Android korisnici

Za pristup podacima senzora na Androidu preuzmite mobilnu aplikaciju "Arduino Bluetooth Data" iz trgovine Google Play. Otvorite mobilnu aplikaciju i dodirnite naziv naziva Bluetooth modula na korisničkom sučelju za povezivanje. Kada se to od vas zatraži, odaberite aplikaciju kao prijemnik. Prikazat će se sučelje koje prikazuje podatke senzora, a modul će sadržavati punu zelenu LED diodu. Po završetku, učitajte priloženi kôd za aktiviranje senzora i dohvaćanje podataka o opasnosti po okoliš. Imena senzora mogu se ažurirati kako bi se prilagodili korištenim senzorima, kao što je dovršeno kako bi se postigao gornji snimak ekrana.

Korak 15: Kreirajte nosače za podršku za pričvršćivanje senzorskog sistema

Sklapanje senzorskog sistema zahtijeva upotrebu dvije trake za vješanje od mekog čelika i 3M dvostrane ljepljive montažne trake za pričvršćivanje na bespilotnu letjelicu DJI Phantom 4. Prvi korak je savijanje i oblikovanje mekih čeličnih traka za vješanje na dronu. To zahtijeva ukupnu početnu duljinu remena od 23 inča. Iz ove zalihe izrežite jednake trake pomoću stolne pile s brusnim listom. Zatim brusite krajeve kako biste uklonili neravnine. Rezultat procesa prikazan je na prvoj od prikazanih slika. Tokom ovog procesa želite izbjeći rezanje po otvorenim prorezima kako biste izbjegli slabljenje krajeva trake.

Sljedeći korak će zahtijevati savijanje traka kako bi stali na bespilotnu letjelicu. Preporučuje se upotreba kliješta za savijanje čelika i postavljanje remena na dno šina. Centrirajte trake na šinama nogu drona i označite gdje je rub nožica. Ovo će poslužiti kao vizualni prikaz mjesta savijanja čelika. Savijajte trake u malim koracima dok se ne omotaju oko ograda, sprječavajući klizanje.

Korak 16: Montirajte sistem na Dron

Primjer sastavljanja senzorskog sistema bit će demonstriran pomoću mekih čeličnih vješalica i ljepljive trake. Kao što je ranije rečeno, trake za vješanje od mekog čelika savijene su i postavljene na dno drona kako bi se stvorila platforma za sjedenje komponenti. Nakon što se ovo završi, pričvrstite komponente ljepljivim trakama za trake tako da su sigurne, ali ne ometaju normalan rad drona. Kako bi se omogućilo dovoljno prostora, primjer koristi dvije vješalice koje podržavaju vanjsku bateriju, mikrokontroler i matičnu ploču. Osim toga, senzori su postavljeni prema stražnjem dijelu drona.

Korak 17: Upotreba ovog sistema za procjenu rizika od opasnosti

Da bi se utvrdila ozbiljnost nivoa opasnosti koje predstavlja ovaj sistem, potrebno je referencirati sljedeće standarde. Zelena označava sigurno okruženje za sve prisutne u području interesa, dok ljubičasta označava najgoru moguću koncentraciju u okolišu, što dovodi do smrtonosnih učinaka. Korišteni sistem boja izveden je iz EPA -inog programa zastava o kvaliteti zraka.

Ugljikov monoksid (OSHA)

• 0-50 PPM (zeleno)
• 50-100 PPM (žuto)
• 100-150 PPM (narančasta)
• 150-200 PPM (crveno)
• > 200 PPM (ljubičasta)

Tečni gas propan (NCBI)

• 0-10, 000 PPM (zeleno)
• 10, 000-17, 000 PPM (žuto)
• > 17 000 PPM (crveno)

Ugljen -dioksid (Global CCS Institute)

• 0-20, 00 PPM (zeleno)
• 20, 000-50, 000 PPM (žuto)
• 50, 000-100, 000 PPM (narančasta)
• 100, 000-150, 000 PPM (crveno)
• > 150, 000 PPM (ljubičasta)

Korak 18: Koristite sistem za prikupljanje izmjerenih podataka

Sada kada je završna montaža završena, sistem je spreman za rad. Budući da je kôd potreban za omogućavanje mikrokontroleru da radi sa senzorskim sistemom već učitan, mikrokontroler se može spojiti na mobilnu bateriju za prijenos podataka, umjesto računara. Sistem je sada spreman za upotrebu u aplikacijama za procjenu opasnosti po okoliš!