كيفية بناء محطة استشعار مراقبة الراحة: 10 خطوات (بالصور)

2025 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2025-01-13 06:56

يصف هذا التوجيه تصميم وبناء ما يسمى محطة مراقبة الراحة CoMoS ، وهو جهاز استشعار مشترك للظروف المحيطة ، تم تطويره في قسم البيئة المبنية في TUK ، Technische Universität Kaiserslautern ، ألمانيا.

يستخدم CoMoS وحدة تحكم ESP32 وأجهزة استشعار لدرجة حرارة الهواء والرطوبة النسبية (Si7021) ، وسرعة الهواء (مستشعر الرياح C بواسطة جهاز حديث) ، ودرجة حرارة الكرة الأرضية (DS18B20 في لمبة سوداء) ، كل ذلك في حجم مضغوط وسهل - بناء العلبة مع ردود الفعل المرئية من خلال مؤشر LED (WS2812B). بالإضافة إلى ذلك ، يتم تضمين مستشعر الإضاءة (BH1750) لتحليل الحالة البصرية المحلية. تتم قراءة جميع بيانات المستشعر بشكل دوري وإرسالها عبر Wi-Fi إلى خادم قاعدة البيانات ، حيث يمكن استخدامها للمراقبة وعناصر التحكم.

الدافع وراء هذا التطور هو الحصول على بديل منخفض التكلفة ولكنه قوي للغاية لأجهزة الاستشعار المختبرية ، والتي عادة ما تكون بسعر أعلى من 3000 يورو. في المقابل ، يستخدم CoMoS أجهزة يبلغ سعرها الإجمالي حوالي 50 يورو ، وبالتالي يمكن نشرها بشكل شامل في المباني (المكتبية) من أجل التحديد الفوري للحالة الحرارية والبصرية الفردية في كل مكان عمل أو قسم بناء.

لمزيد من المعلومات حول بحثنا والعمل المتصل في القسم ، تحقق من موقع المكتب الذكي الرسمي Living Lab أو اتصل بالمؤلف المقابل مباشرة عبر LinkedIn. يتم سرد كافة جهات اتصال المؤلفين في نهاية هذا الدليل.

ملاحظة هيكلية: يصف هذا التوجيه الإعداد الأصلي لـ CoMoS ، ولكنه يوفر أيضًا معلومات وإرشادات لبعض الاختلافات التي طورناها مؤخرًا: إلى جانب العلبة الأصلية المبنية من الأجزاء القياسية ، هناك أيضًا خيار الطباعة ثلاثية الأبعاد. وإلى جانب الجهاز الأصلي المزود باتصال بخادم قاعدة البيانات ، هناك إصدار بديل قائم بذاته مزود بتخزين بطاقة SD ونقطة وصول WIFi متكاملة وتطبيق جوال فاخر لتصور قراءات المستشعر. يرجى التحقق من الخيارات المحددة في الفصول المقابلة والخيار المستقل في الفصل الأخير.

ملاحظة شخصية: هذه هي أول تعليمات للمؤلف ، وهي تغطي إعدادًا مفصلاً ومعقدًا للغاية. من فضلك لا تتردد في الاتصال من خلال قسم التعليقات في هذه الصفحة ، عن طريق البريد الإلكتروني أو عبر LinkedIn ، إذا كانت هناك أي تفاصيل أو معلومات مفقودة خلال الخطوات.

الخطوة 1: الخلفية - الراحة الحرارية والبصرية

أصبحت الراحة الحرارية والبصرية من الموضوعات الأكثر أهمية ، خاصة في بيئات المكاتب وأماكن العمل ، ولكن أيضًا في القطاع السكني. التحدي الرئيسي في هذا المجال هو أن الإدراك الحراري للأفراد غالبًا ما يختلف في نطاق واسع. قد يشعر شخص ما بالحرارة في حالة حرارية معينة بينما يشعر شخص آخر بالبرد في نفس الحالة. وذلك لأن الإدراك الحراري الفردي يتأثر بالعديد من العوامل ، بما في ذلك العوامل الفيزيائية لدرجة حرارة الهواء والرطوبة النسبية وسرعة الهواء ودرجة الحرارة المشعة للأسطح المحيطة. ولكن أيضًا ، الملابس ، والنشاط الأيضي ، والجانب الفردي للعمر والجنس وكتلة الجسم ، وأكثر من ذلك ، تؤثر على الإدراك الحراري.

بينما تظل العوامل الفردية غير مؤكدة فيما يتعلق بعناصر التحكم في التدفئة والتبريد ، يمكن تحديد العوامل الفيزيائية بدقة بواسطة أجهزة الاستشعار. يمكن قياس درجة حرارة الهواء والرطوبة النسبية وسرعة الهواء ودرجة حرارة الكرة الأرضية واستخدامها كمدخل مباشر للتحكم في المبنى. علاوة على ذلك ، في نهج أكثر تفصيلاً ، يمكن استخدامها كمدخلات لحساب ما يسمى بمؤشر PMV ، حيث يرمز PMV إلى متوسط الأصوات المتوقعة. يصف كيف من المرجح أن يقيم الناس في المتوسط إحساسهم الحراري في ظل ظروف الغرفة المحيطة. يمكن أن يأخذ PMV قيمًا من -3 (بارد) إلى +3 (ساخن) ، مع كون 0 حالة محايدة.

لماذا نذكر هذا الشيء PMV هنا؟ حسنًا ، لأنه في مجال الراحة الشخصية هو مؤشر شائع الاستخدام يمكن أن يكون بمثابة معيار جودة للوضع الحراري في المبنى. وباستخدام CoMoS ، يمكن قياس جميع المعلمات المحيطة المطلوبة لحساب PMV.

إذا كنت مهتمًا ، فاكتشف المزيد حول الراحة الحرارية ، وسياق الكرة الأرضية ودرجة الحرارة المتوسطة الإشعاعية ، ومؤشر PMV ، ومعيار ASHRAE المطبق على

ويكيبيديا: الراحة الحرارية

ISO 7726 بيئة العمل في البيئة الحرارية

ASHRAE NPO

بالمناسبة: هناك منذ فترة طويلة ، ولكن أيضًا الكثير من الأدوات المطورة حديثًا في مجال البيئة الشخصية لتوفير الراحة الحرارية والبصرية الفردية. تعتبر مراوح سطح المكتب الصغيرة مثالًا معروفًا. ولكن أيضًا ، يتم تطوير تدفئة القدمين أو الكراسي المُدفأة والتهوية أو أقسام المكاتب للتدفئة والتبريد الإشعاعي بالأشعة تحت الحمراء أو حتى متوفرة بالفعل في السوق. تؤثر كل هذه التقنيات على الحالة الحرارية المحلية ، في مكان العمل على سبيل المثال ، ويمكن التحكم فيها تلقائيًا بناءً على بيانات المستشعر المحلي أيضًا ، كما هو موضح في صور هذه الخطوة.

مزيد من المعلومات حول أدوات البيئة الشخصية والبحث المستمر متاح على

مساحات مكتبية ذكية من Living Lab: بيئة مخصصة

جامعة كاليفورنيا، بيركلي

تقرير ZEN عن أجهزة التدفئة والتبريد الشخصية [PDF]

جامعة SBRC في ولونجونج

الخطوة 2: مخطط النظام

كان أحد الأهداف الرئيسية في عملية التطوير هو إنشاء جهاز استشعار لاسلكي ومدمج وغير مكلف لقياس الظروف البيئية الداخلية لما لا يقل عن عشرة أماكن عمل فردية في مساحة مكتبية مفتوحة معينة. لذلك ، تستخدم المحطة ESP32-WROOM-32 مع اتصال WiFi داخلي مع مجموعة كبيرة ومتنوعة من دبابيس الموصل وأنواع الناقل المدعومة لجميع أنواع المستشعرات. تستخدم محطات المستشعرات IoT-WiFi منفصلة وترسل قراءات بياناتها إلى قاعدة بيانات MariaDB من خلال نص PHP يعمل على خادم قاعدة البيانات. اختياريًا ، يمكن أيضًا تثبيت إخراج مرئي سهل الاستخدام من Grafana.

يوضح المخطط أعلاه ترتيب جميع المكونات الطرفية كنظرة عامة على إعداد النظام ، ولكن هذا التوجيه يركز على محطة الاستشعار نفسها. بالطبع ، يتم تضمين ملف PHP ووصف اتصال SQL لاحقًا أيضًا لتوفير جميع المعلومات الضرورية لإنشاء CoMoS والاتصال به واستخدامه.

ملاحظة: في نهاية هذا الدليل ، يمكنك العثور على إرشادات حول كيفية إنشاء إصدار بديل مستقل من CoMoS مع تخزين بطاقة SD ونقطة وصول WiFi داخلية وتطبيق ويب للأجهزة المحمولة.

الخطوة 3: قائمة التوريد

إلكترونيات

المستشعرات ووحدة التحكم كما هو موضح بالصورة:

• ESP32-WROOM-32 mikrocontroller (espressif.com) [A]
• Si7021 أو GY21 مستشعر درجة الحرارة والرطوبة (adafruit.com) [B]
• DS18B20 + مستشعر درجة الحرارة (adafruit.com) [C]
• مستشعر سرعة الهواء (moderndevice.com) [D]
• WS2812B 5050 حالة LED (adafruit.com) [E]
• مستشعر الإضاءة BH1750 (amazon.de) [F]

المزيد من الأجزاء الكهربائية:

• مقاوم سحب 4 ، 7 كيلو (adafruit.com)
• سلك قياسي 0 ، 14 مم² (أو ما شابه) (adafruit.com)
• 2x Wago موصلات الربط المدمجة (wago.com)
• كابل Micro USB (sparkfun.com)

أجزاء الحالة (ابحث عن مزيد من المعلومات التفصيلية حول هذه الأجزاء والأحجام في الخطوة التالية. إذا كانت لديك طابعة ثلاثية الأبعاد متوفرة ، فأنت بحاجة فقط إلى كرة تنس الطاولة. تخطي الخطوة التالية وابحث عن جميع المعلومات والملفات للطباعة في الخطوة 5.)

• لوحة أكريليك دائرية 50x4 مم [1]
• لوحة فولاذية دائرية 40x10 مم [2]
• أنبوب أكريليك 50 × 5 × 140 مم [3]
• لوحة أكريليك دائرية 40 × 5 مم [4]
• أنبوب أكريليك 12 × 2 × 50 مم [5]
• كرة تنس الطاولة [6]

متنوع

• رذاذ الطلاء الأبيض
• رذاذ طلاء أسود غير لامع
• بعض الشريط
• القليل من الصوف العازل ، وسادة قطنية ، أو أي شيء مشابه

أدوات

• حافر كهربائي
• 8 مم حفر سرقة
• حفر الخشب / البلاستيك 6 مم
• 12 ملم حفر الخشب / البلاستيك
• رأى اليد رقيقة
• ورق زجاج
• كماشة قطع الأسلاك
• متجرد الأسلاك
• لحام الحديد والقصدير
• الغراء الكهربائي أو مسدس الغراء الساخن

البرامج والمكتبات (تشير الأرقام إلى إصدارات المكتبة التي استخدمناها واختبرنا الأجهزة بها. يجب أن تعمل المكتبات الأحدث أيضًا ، لكننا واجهنا بعض المشكلات من حين لآخر أثناء تجربة إصدارات مختلفة / أحدث.)

• Arduino IDE (1.8.5)
• مكتبة ESP32 الأساسية
• مكتبة BH1750FVI
• مكتبة Adafruit_Si7021 (1.0.1)
• مكتبة Adafruit_NeoPixel (1.1.6)
• مكتبة دالاس درجة الحرارة (3.7.9)
• مكتبة OneWire (2.3.3)

الخطوة 4: تصميم الحالة والبناء - الخيار 1

يتميز تصميم CoMoS بحافظة رأسية نحيفة مع تركيب معظم المستشعرات في الجزء العلوي ، مع وجود مستشعر درجة الحرارة والرطوبة فقط مثبت بالقرب من الجزء السفلي. تتبع أوضاع وترتيبات المستشعر متطلبات محددة للمتغيرات المقاسة:

• يتم تثبيت مستشعر درجة الحرارة والرطوبة Si7021 خارج العلبة ، بالقرب من قاعها ، للسماح بتدوير الهواء بحرية حول المستشعر وتقليل تأثير الحرارة المهدرة الناتجة عن المتحكم الدقيق داخل العلبة.
• تم تركيب مستشعر الإضاءة BH1750 على الجزء العلوي المسطح من العلبة ، لقياس الإضاءة على سطح أفقي كما هو مطلوب وفقًا للمعايير العامة لإضاءة مكان العمل.
• تم تثبيت مستشعر الرياح Rev. C أيضًا في الجزء العلوي من العلبة ، مع إخفاء أجهزته الإلكترونية داخل العلبة ، لكن أسنانه ، التي تحمل مقياس شدة الريح الحراري الفعلي ومستشعر درجة الحرارة ، تتعرض للهواء حول الجزء العلوي.
• تم تركيب مستشعر درجة الحرارة DS18B20 في أعلى المحطة ، داخل كرة تنس طاولة مطلية باللون الأسود. يعد الموضع في الأعلى ضروريًا لتقليل عوامل الرؤية إلى الحد الأدنى وبالتالي التأثير الإشعاعي لمحطة الاستشعار نفسها على قياس درجة حرارة الكرة الأرضية.

الموارد الإضافية حول متوسط درجة الحرارة المشعة واستخدام كرات تنس الطاولة السوداء كأجهزة استشعار لدرجة حرارة الكرة الأرضية هي:

وانج وشانج ولي ويوجو. (2015). ملاءمة موازين الحرارة المصنوعة من الأكريليك والنحاس للإعدادات الخارجية النهارية. البناء والبيئة. 89. 10.1016 / j.buildenv.2015.03.002.

دي عزيزي ، ريتشارد. (1987). موازين حرارة الكرة الأرضية Ping-pong لمتوسط درجة الحرارة المشعة. ح & م. ،. 60. 10-12.

تم تصميم العلبة بشكل بسيط ، للحفاظ على وقت التصنيع وجهد أقل ما يمكن. يمكن بناؤه بسهولة من الأجزاء والمكونات القياسية باستخدام عدد قليل من الأدوات والمهارات البسيطة. أو ، لأولئك الذين يحالفهم الحظ في الحصول على طابعة ثلاثية الأبعاد في خدمتهم ، يمكن أيضًا طباعة جميع أجزاء العلبة ثلاثية الأبعاد. لطباعة الحالة ، يمكن تخطي بقية هذه الخطوة ويمكن العثور على جميع الملفات والإرشادات المطلوبة في الخطوة التالية.

بالنسبة للبناء من الأجزاء القياسية ، يتم اختيار أبعاد التركيب لمعظمها:

• الجسم الرئيسي عبارة عن أنبوب أكريليك (PMMA) بقطر خارجي 50 مم وسمك جدار 5 مم وارتفاع 140 مم.
• اللوحة السفلية ، التي تعمل كموصل ضوئي لمصباح LED ، عبارة عن لوحة دائرية من الأكريليك بقطر 50 مم وسمك 4 مم.
• جولة فولاذية بقطر 40 مم وسماكة 10 مم مثبتة كوزن أعلى الصفيحة السفلية وتناسب الطرف السفلي لأنبوب الجسم الرئيسي لمنع المحطة من الانقلاب ولإمساك اللوحة السفلية في المكان.
• يتم وضع اللوحة العلوية داخل أنبوب الجسم الرئيسي أيضًا. إنه مصنوع من PMMA ويبلغ قطره 40 مم وسمكه 5 مم.
• أخيرًا ، أنبوب الصاعد العلوي هو PMMA أيضًا ، بقطر خارجي يبلغ 10 ملم ، وسمك جدار 2 ملم ، وطول 50 ملم.

عملية التصنيع والتجميع بسيطة ، تبدأ ببعض الثقوب للحفر. تحتاج الجولة الفولاذية إلى ثقب مستمر 8 مم ، لتلائم مؤشر LED والكابلات. يحتاج أنبوب الجسم الرئيسي إلى فتحات تبلغ حوالي 6 مم ، ككابل تغذية من خلال كبلات USB وكابلات الاستشعار ، وكفتحات للتهوية. يمكن أن يتنوع عدد الثقوب ومواضعها حسب تفضيلاتك. اختيار المطورين هو ستة ثقوب على الجانب الخلفي ، قريبة من الأعلى والأسفل ، واثنتان في الجانب الأمامي ، واحدة في الأعلى ، واحدة في الأسفل مرة أخرى ، كمرجع.

اللوحة العلوية هي الجزء الأكثر صعوبة. إنه يحتاج إلى مركز كامل ومستقيم ومستمر 12 مم ليناسب أنبوب الناهض العلوي ، وفتحة أخرى غير مركزية 6 مم لتناسب كابل مستشعر الإضاءة ، وشق رفيع بعرض حوالي 1 ، 5 مم وطول 18 مم لتناسب الريح المستشعر. انظر الصور للرجوع اليها. وأخيرًا ، تحتاج كرة تنس الطاولة إلى 6 مم أيضًا لتناسب مستشعر درجة حرارة الكرة الأرضية والكابل.

في الخطوة التالية ، يجب طلاء جميع أجزاء PMMA ، باستثناء اللوحة السفلية ، بالرش ، ويكون المرجع أبيض. يجب طلاء كرة تنس الطاولة باللون الأسود غير اللامع لتحديد خصائصها الحرارية والبصرية المقدرة.

يتم لصق الجولة الفولاذية في المنتصف ومسطحة على اللوحة السفلية. يتم لصق أنبوب الناهض العلوي في الفتحة التي يبلغ قطرها 12 مم في اللوحة العلوية. يتم لصق كرة تنس الطاولة على الطرف العلوي من الناهض ، حيث يتطابق ثقبها مع الفتحة الداخلية لأنبوب المصعد ، لذلك يمكن إدخال مستشعر درجة الحرارة والكابل في الكرة بعد ذلك من خلال أنبوب المصعد.

بعد الانتهاء من هذه الخطوة ، تكون جميع أجزاء العلبة جاهزة للتجميع عن طريق تجميعها معًا. إذا كان بعضها مناسبًا للغاية ، فقم برملها قليلاً ، إذا كانت فضفاضة جدًا ، أضف طبقة رقيقة من الشريط اللاصق.

الخطوة 5: تصميم الحالة والبناء - الخيار 2

في حين أن الخيار 1 لبناء حالة CoMoS لا يزال سريعًا وبسيطًا ، فإن ترك طابعة ثلاثية الأبعاد تقوم بالمهمة قد يكون أسهل. بالنسبة لهذا الخيار أيضًا ، يتم تقسيم العلبة إلى ثلاثة أجزاء ، الجزء العلوي ، وجسم العلبة ، والجزء السفلي ، للسماح بتوصيل الأسلاك والتجميع بسهولة كما هو موضح في الخطوة التالية.

يتم توفير الملفات والمعلومات الإضافية حول إعدادات الطابعة في Thingiverse:

ملفات CoMoS الموجودة على Thingiverse

يوصى بشدة باتباع التعليمات لاستخدام خيوط بيضاء للأجزاء العلوية وجسم العلبة. هذا يمنع العلبة من التسخين بسرعة كبيرة في ضوء الشمس وتجنب القياسات الخاطئة. يجب استخدام خيوط شفافة للجزء السفلي للسماح بإضاءة مؤشر LED.

هناك اختلاف آخر عن الخيار 1 وهو أن الجولة المعدنية مفقودة. لمنع CoMoS من الانقلاب ، يجب وضع أي نوع من الوزن مثل كرات تحمل أو مجموعة من غسالات معدنية في / على الجزء السفلي الشفاف. إنه مصمم بحافة حوله ليلائم ويحمل بعض الوزن. بدلاً من ذلك ، يمكن تسجيل CoMoS في مكان التثبيت باستخدام شريط على الوجهين.

ملاحظة: يتضمن مجلد Thingiverse ملفات لحافظة قارئ بطاقة micro SD والتي يمكن تركيبها في علبة CoMoS. هذه الحالة اختيارية وجزء من الإصدار المستقل الموضح في الخطوة الأخيرة من هذا الدليل.

الخطوة 6: الأسلاك والتجميع

يتم لحام وتوصيل كبل ESP وأجهزة الاستشعار و LED و USB وفقًا للدائرة التخطيطية الموضحة في صور هذه الخطوة. تعيين رقم التعريف الشخصي الذي يطابق رمز المثال الموصوف لاحقًا هو:

• 14 - إعادة تعيين الجسر (بالإنكليزية) - [رمادي]
• 17 - WS2811 (LED) - [أخضر]
• 18 - مقاومة سحب لـ DS18B20 +
• 19 - DS18B20 + (سلك واحد) - [بنفسجي]
• 21 - BH1750 & SI7021 (SDA) - [أزرق]
• 22 - BH1750 & SI7021 (SCL) - [أصفر]
• 25 - BH1750 (رأسي في) - [بني]
• 26 - SI7021 (رأسي في) - [بني]
• 27 - DS18B20 + (رأسي في) - [بني]
• 34 - مستشعر الرياح (TMP) - [سماوي]
• 35 - مستشعر الرياح (RV) - [برتقالي]
• VIN - كبل USB (+ 5V) - [أحمر]
• GND - كبل USB (GND) - [أسود]

يتم تشغيل مستشعرات Si7021 و BH1750 و DS18B20 + من خلال دبوس IO الخاص بـ ESP32. هذا ممكن لأن المسودة الحالية القصوى الخاصة بهم أقل من الحد الأقصى لإمداد ESP الحالي لكل دبوس ، ومن الضروري أن تكون قادرًا على إعادة ضبط المستشعرات عن طريق قطع مصدر الطاقة الخاص بهم في حالة حدوث أخطاء في اتصال المستشعر. انظر رمز ESP والتعليقات للحصول على مزيد من المعلومات.

يجب أن يتم لحام مستشعرات Si7021 و BH1750 ، مثل كبل USB ، بالكابلات التي تم وضعها بالفعل من خلال فتحات العلبة المخصصة للسماح بالتجميع في الخطوة التالية. تُستخدم موصلات الربط المدمجة WAGO لتوصيل الأجهزة بمصدر الطاقة عن طريق كبل USB. يتم تشغيلها جميعًا عند 5 فولت تيار مستمر بواسطة USB ، والتي تعمل مع المستوى المنطقي لـ ESP32 عند 3 ، 3 فولت. اختياريًا ، يمكن إعادة توصيل دبابيس البيانات الخاصة بكابل USB الصغير بمقبس USB الصغير وتوصيله بمنفذ USB الصغير الخاص بـ ESP مقبس ، كإدخال للطاقة ووصلة بيانات لنقل الكود إلى ESP32 أثناء إغلاق العلبة. عدا ذلك ، إذا تم توصيله كما هو موضح في المخطط ، فستكون هناك حاجة إلى كبل USB صغير سليم آخر لنقل الرمز في البداية إلى ESP قبل تجميع العلبة.

يتم لصق مستشعر درجة الحرارة Si7021 على الجانب الخلفي من العلبة ، بالقرب من الجزء السفلي. من المهم جدًا إرفاق هذا المستشعر بالقرب من الجزء السفلي لتجنب القراءات الخاطئة لدرجة الحرارة الناتجة عن الحرارة المتصاعدة داخل العلبة. راجع خطوة الخاتمة لمزيد من المعلومات حول هذه المسألة. يتم لصق مستشعر الإضاءة BH1750 على اللوحة العلوية ، ويتم إدخال مستشعر الرياح وتثبيته على الفتحة الموجودة على الجانب الآخر. إذا كان مناسبًا جدًا للخسارة ، فإن القليل من الشريط اللاصق حول الجزء المركزي من المستشعر يساعد على إبقائه في موضعه. يتم إدخال مستشعر درجة الحرارة DS18B20 من خلال الناهض العلوي في كرة تنس الطاولة ، مع وضع نهائي في وسط الكرة. يتم تعبئة الجزء الداخلي من الناهض العلوي بصوف العزل ويتم إغلاق الفتحة السفلية بشريط أو غراء ساخن ، لمنع انتقال الحرارة الموصل أو الحراري إلى الكرة الأرضية. يتم توصيل LED في الفتحة المستديرة الفولاذية المتجه لأسفل لإضاءة اللوحة السفلية.

تدخل جميع الأسلاك وموصلات الربط و ESP32 داخل العلبة الرئيسية ويتم تجميع كل أجزاء العلبة معًا في التجميع النهائي.

الخطوة 7: البرنامج - تكوين ESP و PHP و MariaDB

يمكن برمجة وحدة التحكم الصغيرة ESP32 باستخدام Arduino IDE ومكتبة ESP32 Core المقدمة من Espressif. هناك الكثير من البرامج التعليمية المتاحة عبر الإنترنت حول كيفية إعداد IDE لتوافق ESP32 ، على سبيل المثال هنا.

بمجرد الإعداد ، يتم نقل الرمز المرفق إلى ESP32. تم التعليق عليه طوال الوقت لسهولة الفهم ، ولكن بعض الميزات الرئيسية هي:

• يحتوي على قسم "تكوين المستخدم" في البداية ، حيث يجب إعداد المتغيرات الفردية ، مثل معرف WiFi وكلمة المرور ، وعنوان IP لخادم قاعدة البيانات ، وقراءات البيانات المطلوبة وفترة الإرسال. يتضمن أيضًا متغير "ضبط الرياح الصفرية" الذي يمكن استخدامه لضبط قراءات سرعة الرياح الصفرية إلى 0 في حالة وجود مصدر طاقة غير مستقر.
• يتضمن الكود متوسط عوامل المعايرة التي حددها المؤلفون من معايرة عشر محطات استشعار موجودة. راجع خطوة الخاتمة لمزيد من المعلومات والتعديل الفردي المحتمل.
• يتم تضمين معالجة الأخطاء المختلفة في عدة أقسام من الكود. خاصة الكشف الفعال والتعامل مع أخطاء اتصالات الناقل التي تحدث غالبًا على وحدات تحكم ESP32. مرة أخرى ، راجع خطوة الخاتمة لمزيد من المعلومات.
• يحتوي على إخراج لون LED لإظهار الحالة الحالية لمحطة الاستشعار وأي أخطاء. راجع خطوة النتائج للحصول على مزيد من المعلومات.

يجب تثبيت ملف PHP المرفق والوصول إليه في المجلد الجذر لخادم قاعدة البيانات ، على serverIP / sensor.php. يجب أن يتطابق اسم ملف PHP ومحتوى معالجة البيانات مع رمز وظيفة الاستدعاء الخاص بـ ESP ، وعلى الجانب الآخر ، يتطابقان مع إعداد جدول قاعدة البيانات ، للسماح بتخزين قراءات البيانات. يتم مطابقة رموز الأمثلة المرفقة ، ولكن في حالة تغيير بعض المتغيرات ، يجب تغييرها في جميع أنحاء النظام. يحتوي ملف PHP على قسم ضبط في البداية ، يتم فيه إجراء تعديلات فردية وفقًا لبيئة النظام ، وخاصة اسم مستخدم قاعدة البيانات وكلمة المرور واسم قاعدة البيانات.

يتم إعداد قاعدة بيانات MariaDB أو SQL على نفس الخادم ، وفقًا لإعداد الجدول المستخدم في كود محطة الاستشعار ونص PHP. في مثال الكود ، اسم قاعدة بيانات MariaDB هو "sensorstation" مع جدول يسمى "data" ، والذي يحتوي على 13 عمودًا لـ UTCDate ، ID ، UID ، Temp ، Hum ، Globe ، Vel ، VelMin ، VelMax ، MRT ، Illum ، IllumMin ، و IllumMax.

يمكن تثبيت منصة Grafana للتحليلات والمراقبة بشكل إضافي على الخادم كخيار لتصور قاعدة البيانات المباشر. هذه ليست ميزة أساسية لهذا التطوير ، لذلك لم يتم وصفها بمزيد من التفصيل في هذا الدليل.

الخطوة 8: النتائج - قراءة البيانات والتحقق منها

مع الانتهاء من جميع الأسلاك والتجميع والبرمجة والإعداد البيئي ، ترسل محطة الاستشعار قراءات البيانات بشكل دوري إلى قاعدة البيانات. أثناء التشغيل ، تتم الإشارة إلى العديد من حالات التشغيل من خلال لون LED السفلي:

• أثناء التمهيد ، يضيء مؤشر LED باللون الأصفر للإشارة إلى الاتصال المعلق بشبكة WiFi.
• عندما وأثناء الاتصال ، يكون المؤشر أزرق.
• تقوم محطة الاستشعار بتشغيل قراءات أجهزة الاستشعار وإرسالها إلى الخادم بشكل دوري. تتم الإشارة إلى كل عملية نقل ناجحة من خلال نبضة ضوء أخضر تبلغ 600 مللي ثانية.
• في حالة وجود أخطاء ، يتلون المؤشر باللون الأحمر أو الأرجواني أو المصفر ، حسب نوع الخطأ. بعد وقت معين أو عدد من الأخطاء ، تقوم محطة المستشعر بإعادة ضبط جميع أجهزة الاستشعار وإعادة التشغيل تلقائيًا ، ويشار إليها مرة أخرى بضوء أصفر في التمهيد. راجع كود ESP32 والتعليقات للحصول على مزيد من المعلومات حول ألوان المؤشر.

مع هذه الخطوة الأخيرة ، تعمل محطة الاستشعار وتعمل بشكل مستمر. حتى الآن ، تم تثبيت وتشغيل شبكة مكونة من 10 محطات استشعار في المساحات المكتبية الذكية التي سبق ذكرها في Living Lab.

الخطوة 9: البديل: نسخة قائمة بذاتها

يستمر تطوير CoMoS والنتيجة الأولى لهذه العملية المستمرة هي إصدار مستقل. لا يحتاج هذا الإصدار من CoMoS إلى خادم قاعدة بيانات وشبكة WiFi لمراقبة البيانات البيئية وتسجيلها.

الميزات الرئيسية الجديدة هي:

• يتم تخزين قراءات البيانات على بطاقة micro SD داخلية ، بتنسيق CSV سهل الاستخدام لبرنامج Excel.
• نقطة وصول WiFi مدمجة للوصول إلى CoMoS عن طريق أي جهاز محمول.
• تطبيق مستند إلى الويب (خادم ويب داخلي على ESP32 ، لا يلزم الاتصال بالإنترنت) للبيانات الحية والإعدادات والوصول إلى التخزين مع تنزيل مباشر للملفات من بطاقة SD ، كما هو موضح في الصورة ولقطات الشاشة المرفقة بهذه الخطوة.

يحل هذا محل اتصال WiFi وقاعدة البيانات بينما تظل جميع الميزات الأخرى بما في ذلك المعايرة وجميع التصميمات والبناء كما هي من الإصدار الأصلي. ومع ذلك ، يتطلب CoMoS المستقل خبرة ومعرفة إضافية حول كيفية الوصول إلى نظام إدارة الملفات الداخلي "SPIFFS" الخاص بـ ESP32 ، وقليل من الوعي بـ HTML و CSS و Javascript لفهم كيفية عمل تطبيق الويب. يحتاج أيضًا إلى المزيد من المكتبات المختلفة / المختلفة للعمل.

يرجى التحقق من كود Arduino في الملف المضغوط المرفق للمكتبات المطلوبة والمراجع التالية لمزيد من المعلومات حول البرمجة والتحميل إلى نظام ملفات SPIFFS:

مكتبة SPIFFS بواسطة espressif

تحميل ملف SPIFFS بواسطة me-no-dev

مكتبة ESP32WebServer بواسطة Pedroalbuquerque

هذا الإصدار الجديد من شأنه أن يجعل تعليمات جديدة بالكامل والتي قد يتم نشرها في المستقبل. ولكن في الوقت الحالي ، وخاصة بالنسبة للمستخدمين الأكثر خبرة ، لا نريد تفويت فرصة مشاركة المعلومات والملفات الأساسية التي تحتاجها لإعدادها.

خطوات سريعة لبناء CoMoS قائمة بذاتها:

• قم ببناء حالة وفقًا للخطوة السابقة. اختياريًا ، قم بطباعة ثلاثية الأبعاد لحالة إضافية لقارئ بطاقة micro SC ليتم تثبيتها في علبة CoMoS. إذا لم يكن لديك طابعة ثلاثية الأبعاد متاحة ، فيمكن وضع قارئ البطاقات داخل علبة CoMoS الرئيسية أيضًا ، فلا داعي للقلق.
• قم بتوصيل جميع المستشعرات كما هو موضح من قبل ، ولكن بالإضافة إلى ذلك ، قم بتثبيت وتوصيل قارئ بطاقة SD الصغيرة (amazon.com) وساعة DS3231 في الوقت الفعلي (adafruit.com) كما هو موضح في مخطط الأسلاك المرفق بهذه الخطوة. ملاحظة: تختلف دبابيس المقاوم للسحب والسلك الواحد عن مخطط الأسلاك الأصلي!
• تحقق من كود Arduino واضبط متغيري نقطة وصول WiFi "ssid_AP" و "password_AP" وفقًا لتفضيلاتك الشخصية. إذا لم يتم ضبطه ، فإن SSID القياسي هو "CoMoS_AP" وكلمة المرور هي "12345678".
• أدخل بطاقة micro SD ، وقم بتحميل الكود ، وقم بتحميل محتوى مجلد "data" إلى ESP32 باستخدام أداة تحميل ملف SPIFFS ، وقم بتوصيل أي جهاز محمول بنقطة وصول WiFi.
• انتقل إلى "192.168.4.1" في متصفح هاتفك المحمول واستمتع!

يعتمد التطبيق بالكامل على html و css و javascript. إنه محلي ، ولا يوجد اتصال بالإنترنت متضمن أو مطلوب. يتميز بقائمة جانبية داخل التطبيق للوصول إلى صفحة الإعداد وصفحة الذاكرة. في صفحة الإعداد ، يمكنك ضبط أهم الإعدادات مثل التاريخ والوقت المحلي ، والفاصل الزمني لقراءات المستشعر ، وما إلى ذلك. سيتم تخزين جميع الإعدادات بشكل دائم في وحدة التخزين الداخلية لـ ESP32 واستعادتها في التمهيد التالي. في صفحة الذاكرة ، تتوفر قائمة بالملفات الموجودة على بطاقة SD. يؤدي النقر فوق اسم الملف إلى بدء تنزيل مباشر لملف CSV على الجهاز المحمول.

يسمح إعداد النظام هذا بالمراقبة الفردية والبعيدة للظروف البيئية الداخلية. يتم تخزين جميع قراءات أجهزة الاستشعار على بطاقة SD بشكل دوري ، مع إنشاء ملفات جديدة لكل يوم جديد. يسمح هذا بإجراء عملية مستمرة لأسابيع أو شهور دون وصول أو صيانة. كما ذكرنا سابقًا ، لا يزال هذا بحثًا وتطويرًا مستمرًا. إذا كنت مهتمًا بمزيد من التفاصيل أو المساعدة ، فالرجاء عدم التردد في الاتصال بالمؤلف المقابل من خلال التعليقات أو مباشرة عبر LinkedIn.

الخطوة 10: الخاتمة - المشكلات المعروفة والتوقعات

محطة الاستشعار الموضحة في هذا الدليل هي نتيجة بحث طويل ومستمر. الهدف هو إنشاء نظام استشعار موثوق ودقيق ومنخفض التكلفة للظروف البيئية الداخلية. وقد حمل هذا الأمر بعض التحديات الخطيرة ، والتي يجب ذكر أكثرها تأكيدًا هنا:

دقة الاستشعار والمعايرة

توفر جميع المستشعرات المستخدمة في هذا المشروع دقة عالية نسبيًا بتكلفة منخفضة أو معتدلة. تم تجهيز معظمها بتقليل الضوضاء الداخلية وواجهات ناقل رقمي للاتصال ، مما يقلل من الحاجة إلى المعايرة أو تعديلات المستوى. على أي حال ، نظرًا لأن المستشعرات مثبتة في علبة ذات سمات معينة أو عليها ، فقد أجرى المؤلفون معايرة لمحطة الاستشعار الكاملة ، كما هو موضح بإيجاز بالصور المرفقة. تم اختبار ما مجموعه عشر محطات استشعار متكافئة البناء في ظروف بيئية محددة ومقارنتها بجهاز استشعار مناخ داخلي احترافي TESTO 480. من هذه العمليات ، تم تحديد عوامل المعايرة المضمنة في رمز المثال. إنها تسمح بتعويض بسيط عن تأثير العلبة والإلكترونيات على أجهزة الاستشعار الفردية. للوصول إلى أعلى دقة ، يوصى بإجراء معايرة فردية لكل محطة استشعار. تعد معايرة هذا النظام محور التركيز الثاني لأبحاث المؤلفين ، إلى جانب التطوير والبناء الموصوف في هذه التعليمات. تمت مناقشته في منشور إضافي متصل ، والذي لا يزال قيد المراجعة من قبل الأقران وسيتم ربطه هنا بمجرد نشره على الإنترنت. يرجى العثور على مزيد من المعلومات حول هذا الموضوع على موقع المؤلفين.

استقرار تشغيل ESP32

ليست كل مكتبات المستشعرات القائمة على Arduino والمستخدمة في هذا الرمز متوافقة تمامًا مع لوحة ESP32. تمت مناقشة هذه المشكلة على نطاق واسع في العديد من النقاط عبر الإنترنت ، لا سيما فيما يتعلق باستقرار اتصال I2C و OneWire. في هذا التطور ، يتم إجراء اكتشاف ومعالجة أخطاء جديدة ومشتركة ، استنادًا إلى تشغيل المستشعرات مباشرة من خلال دبابيس الإدخال والإخراج في ESP32 للسماح بقطع مصدر الطاقة لغرض إعادة التعيين. من منظور اليوم ، لم يتم تقديم هذا الحل أو لم تتم مناقشته على نطاق واسع. لقد وُلدت بدافع الضرورة ، ولكنها حتى الآن تعمل بسلاسة لفترات تشغيل تمتد لعدة أشهر وما بعدها. ومع ذلك لا يزال موضوع البحث.

الآفاق

جنبًا إلى جنب مع هذا التدريب ، يتم تنفيذ المزيد من المنشورات المكتوبة وعروض المؤتمرات من قبل المؤلفين لنشر التطوير والسماح بتطبيق واسع ومفتوح المصدر. في غضون ذلك ، يستمر البحث لتحسين محطة الاستشعار ، لا سيما فيما يتعلق بتصميم النظام وقابلية التصنيع ومعايرة النظام والتحقق منه. قد يتم تحديث هذا التوجيه بشأن التطورات المستقبلية المهمة ، ولكن بالنسبة لجميع المعلومات المحدثة ، يرجى زيارة موقع المؤلفين أو الاتصال بالمؤلفين مباشرة عبر LinkedIn:

المؤلف المقابل: ماتياس كيملينج

المؤلف الثاني: Konrad Lauenroth

معلم البحث: البروفيسور سابين هوفمان

الجائزة الثانية في أول مرة مؤلف