為18世紀(jì)的磨坊構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)

描述

現(xiàn)代工廠流程在很大程度上依賴于數(shù)字技術(shù)來監(jiān)控設(shè)施的不同部分。借助數(shù)字技術(shù)，工廠變得更安全、更高效且更易于操作。這項(xiàng)技術(shù)被認(rèn)為是理所當(dāng)然的，當(dāng)您參觀越來越老的工廠時(shí)，這一點(diǎn)就會(huì)變得顯而易見。我在一家 18 世紀(jì)的磨坊工作，那里幾乎不用電。平皮帶和皮帶輪將動(dòng)力從傳動(dòng)軸傳輸?shù)?a href='http://srfitnesspt.com/v/tag/1472/' target='_blank' class='arckwlink_none'>機(jī)械，我們的大部分機(jī)械都是用木頭制成的，手工切割并在 1900 年代初期組裝。當(dāng)我被要求開發(fā)一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)控工廠流程的不同部分時(shí)，我抓住了這個(gè)機(jī)會(huì)，將我的工作場所帶入了 21 世紀(jì)。

工廠可以被認(rèn)為是一臺(tái)大機(jī)器，同時(shí)有許多較小的過程。因此，我們需要各種傳感器來監(jiān)督這些過程，并在出現(xiàn)問題時(shí)提醒我們。該項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)包含的初始傳感器在糧倉內(nèi)進(jìn)行測量，以確定它有多滿，監(jiān)控 AC Tech SMVector 控制器的 0-10v 直流輸出，并獲取建筑物各個(gè)部分的溫度和濕度讀數(shù)。未來的傳感器將包括測量流經(jīng)噴口的谷物的噴口流量計(jì)、記錄谷物通過哪個(gè)噴口的二通閥上的磁性開關(guān)，以及讓我們了解軸承溫度的總軸軸承上的溫度傳感器。

通過引入該網(wǎng)絡(luò)，我們可以節(jié)省時(shí)間，無需四處走動(dòng)以目視檢查整個(gè)建筑物的四層樓的流程，并且我們可以量化不同流程的各個(gè)部分，為我們提供用于統(tǒng)計(jì)目的的數(shù)據(jù)。

該網(wǎng)絡(luò)由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)、連接到傳感器的 Arduino 供電設(shè)備、基本節(jié)點(diǎn)、充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)集線器的 Arduino 設(shè)備以及充當(dāng)服務(wù)器和數(shù)據(jù)解釋器的 Raspberry Pi 組成。

硬件

nRF24L01（RF24）模塊是一個(gè)射頻發(fā)射器，能夠向其他RF24模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。RF24 模塊可以按照下面的接線圖連接到 Arduino Nano。

RF24 模塊可以在 5 伏電壓下供電，但建議您在 3.3 伏電壓下供電。為確保 RF24 模塊不會(huì)偶爾斷電，需要一個(gè)去耦電容器。我在 RF 模塊的電源和接地引腳附近使用了一個(gè) 10 uF 電解電容器（圖中未顯示）。如果沒有這個(gè)電容，RF 模塊將表現(xiàn)不佳。

一旦我了解了 RF24 模塊，就可以制作可定制的 PCB，以支持不同的傳感器。

我設(shè)計(jì)的 PCB 包括一個(gè) Arduino Nano、一個(gè) RF24 模塊、一個(gè) 10 uF 電解電容器、2 個(gè) LED 指示燈、兩個(gè)用于 LED 的電阻器，以及一個(gè)用于放置微型 USB 母連接器以為節(jié)點(diǎn)供電的位置。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)放在一起時(shí)，它看起來像這樣......

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然后將每個(gè)節(jié)點(diǎn)封裝在一個(gè) 3D 打印的外殼中，使其易于安裝到墻壁和表面上。

由于范圍問題，我修改了 RF24 以添加更長的天線。天線修改將庫存 RF24 模塊的范圍從 5-10 英尺范圍擴(kuò)大到 20 或 30 英尺。為了修改 RF24 天線，我將一根 18 號(hào)實(shí)心線剪成大約 7 英寸，并將其焊接到 RF24 天線走線的末端。警告：如果對(duì)天線施加的壓力太大，延伸 RF24 天線可能會(huì)拉起 RF24 模塊上預(yù)先存在的跡線。

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我在新天線的兩側(cè)涂了一大團(tuán)熱膠，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過程中，我發(fā)現(xiàn)它有助于將新天線加固到 RF24 模塊。

為了將系統(tǒng)整合在一起，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都需要一個(gè)將所有數(shù)據(jù)路由到的基本節(jié)點(diǎn)。在我的項(xiàng)目中，我使用通過串行電纜連接到 Raspberry Pi 的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)用于發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò)消息，RPI 用作記錄和解釋數(shù)據(jù)的中央服務(wù)器（服務(wù)器程序?qū)⒃诒卷?xiàng)目后面解釋）。

節(jié)點(diǎn)和基礎(chǔ)編程

對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我專門使用RF24Network庫（由 Tmrh20 創(chuàng)建）來處理 RF24 消息傳遞。RF24Network 庫允許您在樹結(jié)構(gòu)中構(gòu)建節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。地址以八進(jìn)制格式寫出。每個(gè) RF24 模塊最多可以分支成 5 個(gè)節(jié)點(diǎn)，這些子節(jié)點(diǎn)的地址后跟父地址。因此，如果我們要將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分配到節(jié)點(diǎn) 2 下，那么我們將一個(gè)節(jié)點(diǎn)指定為 012（第一個(gè)節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn) 2 的子節(jié)點(diǎn)），另一個(gè)節(jié)點(diǎn)指定為 022（第二個(gè)節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn) 2 的子節(jié)點(diǎn)） .

所以你可以更好地理解一點(diǎn)，這是我網(wǎng)絡(luò)中連接的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的基本布局。

我使用節(jié)點(diǎn) 01、011、0111 和 01111 作為轉(zhuǎn)發(fā)器節(jié)點(diǎn)，這意味著它們主要用于從樹結(jié)構(gòu)中更靠下的節(jié)點(diǎn)傳輸信息。節(jié)點(diǎn) 03、0211 和 0311 都是傳感器節(jié)點(diǎn)，這意味著它們連接了傳感器，這些傳感器生成我們需要發(fā)送回節(jié)點(diǎn) 00 的數(shù)據(jù)。

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節(jié)點(diǎn)和傳感器程序

Node 程序在您正在創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行。這是充當(dāng)端點(diǎn)的程序，其中數(shù)據(jù)從連接到節(jié)點(diǎn)的傳感器生成。我提供了一個(gè)沒有對(duì)我的傳感器進(jìn)行任何修改的節(jié)點(diǎn)代碼版本（帶有解釋發(fā)生了什么的注釋），但我還包括我為我的項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)編寫的程序（與節(jié)點(diǎn)代碼略有不同）。

基地計(jì)劃

基本程序是您在基本節(jié)點(diǎn)（標(biāo)記為節(jié)點(diǎn) 00）上運(yùn)行的程序。

關(guān)于程序需要注意的一點(diǎn)是，當(dāng)您為消息創(chuàng)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，端點(diǎn)程序和基礎(chǔ)程序中的 C 結(jié)構(gòu)需要相同。

將傳感器附加到節(jié)點(diǎn)

該網(wǎng)絡(luò)推出了 3 種傳感器類型，用于測量谷物箱滿滿程度的傳感器，用于監(jiān)控某些電機(jī)功率輸出的傳感器，以及為我們提供建筑物周圍溫度和濕度讀數(shù)的傳感器。

糧倉傳感

為了測量糧倉的深度，我在糧倉頂部安裝了超聲波傳感器，使傳感器指向倉內(nèi)。然后我將 3 個(gè)超聲波傳感器連接到我在節(jié)點(diǎn)的原型板區(qū)域設(shè)置的引腳。每個(gè)回聲針都連接到一個(gè)單獨(dú)的 Arduino 針，但觸發(fā)針是共享的，以便于編程。

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溫濕度傳感

DHT11用于測量整個(gè)廠房的溫度和濕度。這是重要的信息，因?yàn)樵谔幚砉任锖兔娣蹠r(shí)，溫度和濕度的波動(dòng)會(huì)影響面粉的研磨細(xì)度。

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SMVector 3 相控制器監(jiān)視器

要將小麥漿果磨成面粉，我們必須用石磨研磨漿果。磨機(jī)本身使用連接到 AC Tech SMVector 控制器的三相電機(jī)運(yùn)行，該控制器可以選擇輸出 0-10 伏模擬信號(hào)，該信號(hào)與電機(jī)消耗的電流成比例。這對(duì)于監(jiān)控很有用，因?yàn)槭タ梢源蜷_其進(jìn)料機(jī)構(gòu)，讓更多的谷物進(jìn)入磨機(jī)，這使得磨機(jī)更難研磨谷物。最終，這會(huì)導(dǎo)致電機(jī)試圖補(bǔ)償、吸收更多電流，并最終過載和卡住。網(wǎng)絡(luò)允許我們遠(yuǎn)程監(jiān)控電流，因此如果我們看到該值穩(wěn)定上升，我們可以在磨機(jī)開始超載之前手動(dòng)關(guān)閉進(jìn)料機(jī)構(gòu)。該電路充當(dāng)分壓器，

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Python服務(wù)器程序

消息從網(wǎng)絡(luò)中的 RF24 節(jié)點(diǎn)發(fā)送后，消息被路由到基節(jié)點(diǎn)（地址 00），然后作為字符串通過串行電纜發(fā)送到 Raspberry Pi。

該程序?qū)⑹盏揭粭l消息，將其分解為多個(gè)組成部分，解釋數(shù)據(jù)，然后將其顯示在 GUI 中。從 GUI 中，您可以查看節(jié)點(diǎn)\傳感器信息并使用輸入框和“發(fā)送命令”按鈕向節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息。每 10 條消息后，程序會(huì)自動(dòng)將節(jié)點(diǎn)信息保存到文本文件中，以便日后分析。

最后的想法

我這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是建立一個(gè) RF24 網(wǎng)絡(luò)，可以從一個(gè)中心位置監(jiān)控我們工廠的不同部分。通過使用 RF24 模塊、Arduino Nano 和各種傳感器，我能夠創(chuàng)建一個(gè)廉價(jià)的解決方案來完成我的目標(biāo)，同時(shí)構(gòu)建一個(gè)可以輕松構(gòu)建和擴(kuò)展的強(qiáng)大框架。雖然網(wǎng)絡(luò)不是完全無線的（節(jié)點(diǎn)需要電源線，除非節(jié)點(diǎn)由電池供電），但在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施新節(jié)點(diǎn)就像打開設(shè)備一樣簡單。

更新更好的版本

如果你想在我已經(jīng)完成的工作的基礎(chǔ)上再接再厲，我設(shè)計(jì)了一個(gè)更好的 PCB，它更容易制作傳感器。我會(huì)將該板作為 gerber 文件包括在內(nèi)，如果您想根據(jù)我的工作構(gòu)建自己的網(wǎng)絡(luò)，我建議您使用 Network Board 版本 2 而不是版本 1。

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