Construindo uma rede de sensores para um moinho do século 18

Monitorando 100 anos os processos de fábrica antigos são difíceis, mas ficam mais fáceis, seguros e confiáveis ​​com uma rede de transmissores RF nRF24L01.

História

O processo de fábrica moderno depende muito da tecnologia digital para monitorar diferentes partes da instalação. Com a tecnologia digital, as fábricas tornaram-se mais seguras, produtivas e fáceis de operar. Esta tecnologia é considerada um dado adquirido, o que se torna evidente quando você visita fábricas cada vez mais antigas. Eu trabalho em uma fábrica de grãos do século 18 onde a eletricidade é raramente usada. Correias planas e polias transmitem energia dos eixos de linha para as máquinas, e a maioria de nossas máquinas é feita de madeira, cortada à mão e montada no início do século XX. Quando fui solicitado a desenvolver uma rede de sensores para monitorar as diferentes partes do processo de fábrica do meu trabalho, aproveitei a oportunidade de trazer meu local de trabalho para o século 21.

A fábrica pode ser considerada uma grande máquina com muitos processos menores acontecendo simultaneamente. Portanto, precisávamos de uma variedade de sensores que podem supervisionar esses processos e nos alertar quando algo não está funcionando como deveria. Os sensores iniciais incluídos no lançamento do projeto fazem medições dentro de uma caixa de grãos para descobrir o quão cheia ela está, monitorar a saída de 0-10 V CC de um controlador AC Tech SMVector e fazer leituras de temperatura e umidade de várias partes do edifício. Os sensores futuros incluirão medidores de fluxo de bico que medem o fluxo de grão através de um bico, interruptores magnéticos em válvulas de 2 vias que registram qual fluxo o grão se move e sensores de temperatura em rolamentos de eixo de linha que nos permitem saber o quão quente um rolamento se tornou.

Com a introdução desta rede, podemos economizar tempo não inspecionando visualmente os processos ao longo dos quatro andares do edifício e podemos quantificar partes de diferentes processos para nos fornecer dados para fins estatísticos.

A rede consiste em nós padrão, dispositivos acionados por Arduino conectados a sensores, o nó de base, o dispositivo Arduino que atua como hub de rede e um Raspberry Pi, o dispositivo que atua como servidor e intérprete de dados.


O "deck de moagem" ou primeiro andar de nossa fábrica

O Hardware

O módulo nRF24L01 (RF24) é um transmissor de radiofrequência capaz de enviar e receber dados para outros módulos RF24. Os módulos RF24 podem ser conectados a um Arduino Nano seguindo o diagrama de fiação abaixo.


Diagrama de fiação para o módulo RF24 e Arduino Nano

módulos RF24 podem ser alimentados com 5 volts, mas é recomendado que você os alimente com 3,3 volts. Para garantir que o módulo RF24 não perca energia esporadicamente, um capacitor de desacoplamento é necessário. Usei um capacitor eletrolítico de 10 uF o mais próximo dos pinos de alimentação e aterramento do módulo de RF (não mostrado no diagrama). Sem esse capacitor, o módulo de RF terá um desempenho insatisfatório.

Assim que entendi o módulo RF24, era hora de fazer uma PCB que pudesse ser personalizada para permitir diferentes sensores.


O design que usei para todos os meus nós de rede

O PCB que projetei consiste em um Arduino Nano, um módulo RF24, um capacitor eletrolítico de 10 uF, 2 LEDs indicadores, dois resistores para os LEDs e um local para colocar um conector fêmea micro USB para alimentar o nó. Quando um nó é colocado junto, ele se parece com isto ...


Placa montada sem RF24 e nó totalmente montado Arduino NanoA

Cada nó é então envolvido em uma caixa impressa em 3D que facilita a montagem em paredes e superfícies.


Exemplo de nó e caso

Devido a problemas de alcance, modifiquei o RF24 para adicionar uma antena mais longa. A modificação da antena aumenta o alcance de um Módulo RF24 de estoque de 5 a 10 pés para 20 ou 30 pés. Para modificar a antena RF24, cortei um pedaço de fio sólido de calibre 18 para cerca de 7 polegadas e soldei-o no final do traço para a antena RF24. AVISO:Estender a antena RF24 pode puxar o traço pré-existente no módulo RF24 se muita pressão for aplicada à antena.


Estoque RF24 e antenaPré-solda RF24 trace, alinhe a antena, aplique o ferro de solda Use uma quantidade generosa de solda

Eu coloquei uma grande quantidade de cola quente em ambos os lados da nova antena porque, durante a experimentação, Descobri que ajuda a fortalecer a nova antena do módulo RF24.


O nó base e o servidor Raspberry Pi

Para reunir o sistema, cada rede precisa de um nó base para o qual todos os dados são roteados. Em meu projeto, uso um nó conectado a um Raspberry Pi por meio de um cabo serial. O nó é usado para enviar e receber mensagens de rede e o RPI é usado como o servidor central para registrar e interpretar dados (o programa do servidor é explicado posteriormente neste projeto).


Nós e Casos

Programação de nó e base

Para este projeto, usei exclusivamente a biblioteca RF24Network (criada por Tmrh20) para lidar com as mensagens RF24. A biblioteca RF24Network permite estruturar uma rede de nós em uma estrutura de árvore. Os endereços são escritos em formato octal. Cada módulo RF24 pode ramificar-se em não mais do que 5 nós e os endereços para esses subnós são seguidos pelo endereço pai. Portanto, se quisermos atribuir dois nós sob o Nó 2, então endereçamos um nó como 012 (primeiro nó que é filho do nó 2) e o outro nó como 022 (segundo nó que é filho do nó 2) .


O endereçamento é feito em uma estrutura de árvore

Para que você possa entender um pouco melhor, aqui está um layout básico de alguns nós conectados em minha rede.


Minha estrutura de rede

Eu uso os nós 01, 011, 0111 e 01111 como nós repetidores, o que significa que eles são usados ​​principalmente para transmitir informações de nós mais abaixo na estrutura da árvore. Os nós 03, 0211 e 0311 são todos nós sensores, o que significa que eles têm sensores conectados que geram dados que precisamos enviar de volta ao nó 00.


Exemplo de um repetidor (este é o repetidor do 2º andar) Outro exemplo de um repetidor (este é o repetidor do 3º andar)

Programa de Nó e Sensor

O programa Node é executado no nó que você está criando. Este é o programa que atua como um ponto final, onde os dados são gerados a partir de sensores anexados ao nó. Eu forneci uma versão do código do nó sem nenhuma modificação do meu sensor (com comentários para explicar o que está acontecendo), mas também estou incluindo o programa que escrevi (um pouco diferente do código do nó) para a rede do meu projeto.

Programa Base

O programa básico é o programa que você executa no nó base (indicado como nó 00).

Algo a se observar sobre os programas, quando você está criando uma estrutura de dados para sua mensagem, a estrutura C precisa ser idêntica em seu programa de endpoint e em seu programa de base.

Anexando sensores a um nó

A rede foi lançada com 3 tipos de sensores, sensores para medir como são as caixas de grãos inteiros, sensores para monitorar a saída de energia de certos motores e sensores que nos fornecem leituras de temperatura e umidade ao redor do edifício.

Detecção do depósito de grãos


Fiação do sensor ultrassônico

Para medir a profundidade das caixas de grãos, instalei sensores ultrassônicos na parte superior das caixas de grãos de forma que o sensor aponte para dentro da caixa. Em seguida, conectei 3 dos sensores ultrassônicos aos pinos que instalei na área de protoboard do nó. Cada pino de eco é conectado a um pino Arduino separado, mas o pino de disparo é compartilhado para facilitar a programação.


Nó de detecção de bin (3 sensores ultrassônicos para 3 bins) Outro nó com 3 sensores ultrassônicos anexadosUma imagem do sensor ultrassônico montado em bin

Sensor de Temperatura e Umidade


Fiação DHT11

O DHT11 é usado para medir temperatura e umidade em todo o prédio da fábrica. Esta é uma informação importante porque ao trabalhar com grãos e farinha, as flutuações de temperatura e umidade podem afetar a qualidade da moagem da farinha.





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