Lampiran Sistem Sensor Alam Sekitar untuk UAV: 18 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:11

Tujuan Instructable ini adalah untuk menerangkan cara membina, memasang, dan mengoperasikan sistem sensor persekitaran Teknologi Penyelesaian Bersepadu bersama dengan drone DJI Phantom 4. Pakej sensor ini menggunakan drone untuk mengangkut ke persekitaran yang berpotensi berbahaya untuk mengenal pasti tahap risiko semasa karbon monoksida (CO), karbon dioksida (CO2), dan gas propana cair (LPG) dibandingkan dengan standard OSHA dan EPA. Penting untuk diperhatikan bahawa walaupun sensor radiasi juga ditunjukkan dalam Instructable ini, ia akan berfungsi sebagai entiti yang terpisah dengan sensor gas, dan produk akhir yang ditunjukkan hanya akan merangkumi komponen sensor gas yang disenaraikan di atas.

Langkah 1: Kumpulkan Alat, Perisian dan Bahan yang Diperlukan

Alat yang Digunakan:

1. Perisian Arduino (https://www.arduino.cc/en/Main/Software)
2. Tang
3. Gergaji Meja dengan Bilah Abrasive
4. Pengisar Jadual

Bahan yang Digunakan:

1. DJI Phantom 4
2. Arduino Uno
3. Bateri Luaran Jackery 3350mAh
4. Papan Roti Piawai
5. Sensor Karbon Monoksida - MQ - 7
6. Sensor Gas Propana Cecair - MQ - 6
7. Sensor CO2 Karbon Dioksida - MG - 811
8. Sensor Kelembapan dan Suhu AK9750 Si7021
9. Pocket Geiger Radiation Sensor - Jenis 5
10. Modem Bluetooth - BlueSMiRF Gold
11. Tali Penyangkut Keluli Lembut
12. Kit Pencipta SparkFun
13. Pita Pemasangan Sisi Berkembar 3M

Langkah 2: Pasang Pendawaian Sensor dan Mikrokontroler

Akses semua lembar data sensor dari pengeluar produk untuk menentukan pin input dan output yang diperlukan untuk operasi komponen yang betul. Untuk membina orientasi yang efisien untuk semua komponen yang disediakan dalam bungkusan gas dan radiasi, setiap sensor dan modul harus disambungkan secara berasingan untuk memastikan ia beroperasi ketika disambungkan ke mikrokontroler sebelum disatukan ke papan roti tunggal. Untuk memastikan kejelasan, proses untuk membina setiap jenis litar asas dan kod terkandung dalam langkah-langkah berikut.

Langkah 3: Tentukan Pin Input dan Output untuk Sensor Carbon Monoxide MQ - 7

Seperti yang ditunjukkan dalam rajah di atas, komponen CO harus mempunyai tiga pin voltan masukan pada rel paling kanan yang disambungkan ke bekalan kuasa mikrokontroler 5V. Pin input analog akan disambungkan ke salah satu pin mikrokontroler berlabel A0, A1, A2, dan lain-lain, sementara pin ground dihubungkan ke pin ground mikrokontroler. Akhirnya, perintang 10K ohm digunakan untuk menyambungkan pin sensor kiri bawah ke tanah. Penting untuk diperhatikan bahawa pinout ini berlaku untuk sensor CO2 dan LPG yang juga digunakan dalam sistem ini.

Langkah 4: Sambungkan Sensor Sesuai Dengan Pinout ke Pin Input dan Output Mikrokontroler

Seperti yang dibincangkan dalam langkah sebelumnya, satu pin ditetapkan sebagai pin input analog ke mikrokontroler. Dalam kod asas yang ditunjukkan di atas, dan tersedia untuk dimuat turun pada langkah seterusnya, pin analog yang ditentukan adalah pin A0. Sesuai dengan sebutan ini, kawat pin kiri atas ke pin A0 mikrokontroler. Kemudian, input 5V dan landasan umum dapat dibuat dengan menghubungkan rel powerboard paling kiri (ditentukan oleh simbol "-") ke pin ground dan rail paling kanan ("+") ke pin 5V. Dengan memasang kabel papan roti dengan cara ini, pin sensor dapat disambungkan terus ke rel papan roti, yang membolehkan sambungan bersih ke pengawal mikro. Struktur ini ditunjukkan dalam gambar litar asas di atas.

Langkah 5: Muat turun Kod Pangkalan Sensor Gas

Setelah disambungkan, muat naik kod asas Arduino yang diperoleh dari halaman produk SparkFun (https://www.sparkfun.com/products/9403; dilampirkan) dengan menekan anak panah yang terletak di kiri atas antara muka untuk mengesahkan bahawa komponen tersebut adalah kabel dalam sesuai dengan pinout.

Langkah 6: Buka Monitor Serial untuk Memastikan Kendalian

Buka monitor bersiri dengan memilih ikon kaca pembesar di kanan atas antara muka. Ini akan membuka tetingkap terpisah yang ditunjukkan di atas, di mana output sensor, pada asalnya bacaan voltan, akan dipaparkan. Jika data tidak ditampilkan dalam monitor bersiri seperti yang ditunjukkan, pastikan fungsi analogRead merujuk pada bilangan pin analog yang betul yang disambungkan pada tahap awal proses ini.

Langkah 7: Ulangi Langkah 3-6 untuk Sensor Gas LPG dan Karbon Dioksida

Ulangi definisi pin, pendawaian sensor, dan muat naik kod untuk memastikan pengoperasian sensor tambahan.

Langkah 8: Sensor Kelembapan dan Suhu Wire SparkFun Si7021 (Pilihan)

Proses umum yang sama yang digariskan untuk sensor gas akan dilaksanakan untuk sensor suhu dan kelembapan. Walau bagaimanapun, pinout berbeza dari sensor gas dan ditunjukkan di atas. Pin VCC (kedua dari kanan pada sensor) akan disambungkan ke salah satu sumber kuasa mikrokontroler 5 atau 3.3 V dan pin pembumian akan dihubungkan ke tanah mikrokontroler seperti yang terlihat pada pendawaian sensor gas. Daripada pin output analog, sensor ini mengandungi pin output SDA dan SCL yang bertanggungjawab untuk menghantar data dari sensor ke mikrokontroler untuk diproses. Sensor ini dapat digunakan untuk memverifikasi ketepatan pengukuran sensor gas dibandingkan dengan nilai lembar data mereka.

Langkah 9: Muat turun Kod Asas SparkFun Sensor Kelembapan dan Suhu Si7021

Setelah selesai pendawaian, kod contoh yang dilampirkan (diadaptasi dari https://www.sparkfun.com/products/13763) harus dimuat naik ke mikrokontroler untuk memastikan pembinaan litar yang betul. Seperti yang dijelaskan dengan kod sensor gas, pastikan komponen mengirimkan suhu dan kelembapan dengan mengakses monitor bersiri. Penting untuk diperhatikan bahawa kod asas ini merangkumi penggunaan dua perpustakaan komponen SparkFun yang berbeza. Agar kod ini dapat menyusun dan memuat naik ke mikrokontroler, pengguna perlu memasang perpustakaan ini melalui kaedah yang ditunjukkan dalam Langkah 9.

Langkah 10: Tambahkan Perpustakaan Komponen Arduino

Pelaksanaan perpustakaan Arduino dalam kod diidentifikasi melalui penggunaan perintah #include seperti yang dilihat di bahagian atas kod Langkah 8. Tanpa memasukkan perpustakaan ini, kod tidak akan dapat menyusun atau memuat naik ke mikrokontroler. Untuk mengakses dan memasang perpustakaan ini, pergi ke tab lakaran, kembangkan Sertakan Perpustakaan, dan pilih Urus Perpustakaan. Ketik nama perpustakaan yang diperlukan (teks yang muncul setelah perintah #include), klik pada pilihan yang diinginkan, pilih versi, dan tekan install.

Langkah 11: Sensor Sinaran Wig Pocket Geiger - Jenis 5

Seperti yang dinyatakan sebelum ini, komponen ini akan dimasukkan secara berasingan dari sensor gas. Dalam menyediakan produk ini, prosesnya masih sama; kawat pin komponen ke output masing-masing seperti yang ditunjukkan dalam pinout di atas. Sambungkan pin VCC ke sumber 5V yang terletak di mikrokontroler dan pin ground ke tanah mikrokontroler seperti yang dilakukan dengan sensor gas. Kemudian, sambungkan pin isyarat dan bunyi ke pin mikrokontroler masing-masing 2 dan 5. Setelah menyelesaikan tugas ini, muat naik kod asas yang diadaptasi dari radi-watch.org melalui Github (https://www.sparkfun.com/products/142090) dan komponen ini siap untuk beroperasi.

Langkah 12: Kembangkan Pendawaian Sensor Bersepadu

Setelah membuat pendawaian setiap sensor secara berasingan untuk mengesahkan kebolehoperasiannya, mulailah mengintegrasikan setiap pendawaian sensor dalam format pekat sehingga semua sensor yang dijelaskan di atas dipasang pada papan roti, seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas. Rujuk jadual di atas untuk memasangkan pin Arduino yang diperlukan ke komponen masing-masing dengan betul supaya kod di bawah tidak perlu diubah sebelum memuat naik. Untuk menyokong format yang padat, gunakan landasan daya dan landasan umum dengan memasang satu rel powerboard sebagai 5V dan yang lain sebagai 3.3V. Sambungkan kedua landasan landasan bersama-sama sambil menyediakan sambungan ke pin tanah mikrokontroler Arduino. Setelah selesai, muat naik kod yang dilampirkan untuk mengakses keupayaan sensor gas yang dipasang di papan. Kod Arduino yang dilampirkan akan mengendalikan sensor gas, serta sensor suhu dan kelembapan, dan menampilkan data pengukurannya, dalam bahagian per juta melalui monitor bersiri. Ia juga akan memberikan klasifikasi tahap bahaya bagi data yang diukur. Sensor radiasi dapat bergantung pada pengukuran terikat waktu (iaitu hitungan per minit), jadi disarankan untuk mengoperasikan komponen ini secara terpisah dari sensor gas. Untuk menyokong perbezaan ini, sensor CO, LPG, dan CO2 akan menjadi satu-satunya komponen yang dibincangkan ketika mikrokontroler dipasangkan dengan modul Bluetooth. Walau bagaimanapun, penting untuk diperhatikan bahawa proses berikut dapat diikuti untuk mencapai hasil yang sama dengan sensor radiasi.

Langkah 13: Memulakan Sambungan Bluetooth Antara Telefon dan Modul

Setelah sistem sensor yang diinginkan dipasang, dikodkan, dan dikondensasi, langkah seterusnya adalah menyambungkan peranti pengguna ke sistem tanpa wayar. Ini akan membolehkan bacaan sensor langsung dihantar kepada pengguna pada jarak yang jauh dari kawasan bahaya. Sambungan sistem sensor dan peranti pengguna akan difasilitasi dengan modul Bluetooth Arduino BlueSMiRF. Modul ini akan dihubungkan ke aplikasi mudah alih "Arduino Bluetooth Data" yang boleh dimuat turun dari gedung Google Play. Antara muka ini secara langsung akan memaparkan bacaan yang diperoleh dari sensor gas, kehadiran manusia, atau sensor radiasi, dan akan dapat diakses hingga 350 kaki dan akan memberi peringatan kepada pengguna mengenai perubahan pembacaan sensor, sambil membolehkan pengguna menilai apakah tahap bahaya bahaya persekitaran dikesan berkenaan dengan peraturan OSHA dan EPA.

Komponen harus dikabelkan secara individu, seperti yang ditunjukkan dengan sensor, untuk memulakan persediaan komponen dan menilai kebolehoperasian. Dengan menggunakan rajah komponen yang ditunjukkan dalam gambar di atas, komponen akan disambung dengan input kuasa 5V dan pin ground, sementara pin komponen TX dan RX akan disambungkan ke dua pin digital yang ditentukan pengguna. Seperti yang ditunjukkan oleh gambar, pin TX ditugaskan ke pin digital kedua dan RX didefinisikan sebagai pin ketiga. Setelah menyelesaikan tugas ini, jalankan kod contoh yang terdapat di bawah untuk memulakan penyediaan komponen. Pada ketika ini, LED komponen perlahan-lahan berkelip dengan warna merah. Akses monitor bersiri dan beralih pilihan di bahagian bawah tetingkap untuk membaca, "Tidak ada garis berakhir" dan "9600 baud," masing-masing di kotak dropdown. Kemudian ketik "$$$" ke dalam kotak perintah, dan tekan "Kirim." Ini akan memulakan "Mode Perintah" dalam komponen, dan menyebabkan LED berkelip dengan cepat dengan warna merah. Selain itu, komponen akan menghantar mesej "CMD" kembali ke monitor bersiri.

Alihkan tetapan lungsur monitor bersiri sekali lagi untuk membaca "Newline" dan "9600 baud," sebelum meneruskan penyiapan. Perintah kirim "D" dan "E" ke monitor bersiri untuk menampilkan tetapan komponen, termasuk nama kilang. Untuk memasangkan ke telefon bimbit anda, buka tetapan Bluetooth, pilih nama modul Bluetooth yang diberikan (ECEbluesmirf untuk contoh yang diberikan). Selepas pemilihan ini, hantarkan perintah "I" untuk mengimbas peranti berkemampuan Bluetooth. Nombor pertama akan digunakan untuk menyegerakkan kedua-dua peranti, dengan menghantar "C, Nombor Pertama." Setelah selesai, LED Bluetooth akan bertukar menjadi hijau pekat.

Langkah 14: Sambungkan Sistem ke Aplikasi Mudah Alih - Pengguna Android

Untuk mengakses data sensor pada Android, muat turun aplikasi mudah alih "Arduino Bluetooth Data" dari gedung Google Play. Buka aplikasi mudah alih dan ketuk nama nama modul Bluetooth pada antara muka pengguna untuk menyambung. Apabila diminta, pilih aplikasi sebagai penerima. Antara muka yang memaparkan data sensor akan dipaparkan dan modul akan mengandungi LED hijau padat. Setelah selesai, muat naik kod yang dilampirkan untuk mengaktifkan sensor dan mengambil data bahaya persekitaran. Nama-nama sensor dapat diperbarui untuk mengakomodasi sensor yang digunakan, seperti yang telah dilengkapkan untuk mencapai tangkapan layar di atas.

Langkah 15: Buat Kurungan Sokongan untuk Melampirkan Sistem Sensor

Pemasangan sistem sensor memerlukan penggunaan dua tali gantungan keluli lembut dan pita pelekat dua sisi 3M untuk dipasang pada drone DJI Phantom 4. Langkah pertama adalah membengkokkan dan membentuk tali penyangkut keluli lembut ke drone. Ini memerlukan panjang tali permulaan keseluruhan 23 inci. Dari stok ini, potong tali yang sama menggunakan gergaji meja dengan pisau kasar. Kemudian, gosokkan hujungnya untuk menghilangkan liang. Hasil proses ditunjukkan pada gambar pertama yang ditunjukkan di atas. Semasa proses ini, anda ingin mengelakkan pemotongan sepanjang slot terbuka, untuk mengelakkan hujung tali menjadi lemah.

Langkah seterusnya memerlukan lenturan tali agar sesuai dengan drone. Dianjurkan untuk menggunakan sepasang tang untuk membengkokkan keluli dan meletakkan tali di bahagian bawah rel. Pusatkan tali pada rel kaki drone, dan tandakan di mana tepi kaki rel. Ini akan berfungsi sebagai visual tempat membengkokkan keluli. Bengkokkan tali dengan sedikit demi sedikit sehingga melilit pagar, sehingga tidak tergelincir.

Langkah 16: Pasang Sistem ke Drone

Contoh pemasangan sistem sensor akan ditunjukkan dengan menggunakan tali gantungan keluli lembut dan pita pelekat. Seperti yang telah dibincangkan sebelum ini, tali penyangkut keluli lembut dibengkokkan dan diletakkan di bahagian bawah drone untuk membuat platform untuk komponen-komponen tersebut dapat digunakan. Setelah ini selesai, pasangkan komponen ke tali dengan pelekat supaya ia selamat, tetapi jangan mengganggu operasi normal drone. Untuk memberi ruang yang luas, contohnya menggunakan dua tali gantungan yang menyokong bateri luaran, mikrokontroler, dan papan roti. Selain itu, sensor diletakkan ke arah belakang drone.

Langkah 17: Menggunakan Sistem Ini untuk Menilai Risiko Bahaya

Untuk menentukan tahap tahap bahaya yang ditunjukkan oleh sistem ini, seseorang harus merujuk standard berikut. Hijau menunjukkan persekitaran yang selamat untuk semua yang hadir di kawasan yang menarik, sedangkan ungu menunjukkan kepekatan persekitaran yang paling buruk, yang membawa kepada kesan mematikan. Sistem warna yang digunakan berasal dari Program Bendera Kualiti Udara EPA.

Karbon Monoksida (OSHA)

• 0-50 PPM (Hijau)
• 50-100 PPM (Kuning)
• 100-150 PPM (Jingga)
• 150-200 PPM (Merah)
• > 200 PPM (Ungu)

Gas Propana Cecair (NCBI)

• 0-10, 000 PPM (Hijau)
• 10, 000-17, 000 PPM (Kuning)
• > 17, 000 PPM (Merah)

Karbon Dioksida (Institut CCS Global)

• 0-20, 00 PPM (Hijau)
• 20, 000-50, 000 PPM (Kuning)
• 50, 000-100, 000 PPM (Jingga)
• 100, 000-150, 000 PPM (Merah)
• > 150, 000 PPM (Ungu)

Langkah 18: Gunakan Sistem untuk Mengumpulkan Data yang Diukur

Setelah pemasangan terakhir selesai, sistem siap beroperasi. Oleh kerana kod yang diperlukan untuk membolehkan mikrokontroler mengoperasikan sistem sensor sudah diunggah, mikrokontroler dapat dihubungkan ke pek bateri mudah alih untuk menghantar data, sebagai pengganti komputer. Sistem ini kini siap digunakan dalam aplikasi penilaian bahaya alam sekitar!