مرفق نظام الاستشعار البيئي للطائرات بدون طيار: 18 خطوة

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:41

الغرض من Instructable هذا هو وصف كيفية إنشاء وإرفاق وتشغيل نظام الاستشعار البيئي لتكنولوجيا الحلول المتكاملة جنبًا إلى جنب مع طائرة بدون طيار DJI Phantom 4. تستخدم حزم المستشعرات هذه الطائرة بدون طيار من أجل الانتقال إلى بيئات يحتمل أن تكون خطرة لتحديد مستويات المخاطر الحالية لأول أكسيد الكربون (CO) وثاني أكسيد الكربون (CO2) وغاز البروبان السائل (LPG) مقارنة بمعايير OSHA و EPA. من المهم ملاحظة أنه على الرغم من أن مستشعر الإشعاع يظهر أيضًا في Instructable هذا ، فإنه سيعمل ككيان منفصل لمستشعرات الغاز ، وسيشمل المنتج النهائي الموضح مكونات مستشعر الغاز المذكورة أعلاه فقط.

الخطوة 1: اجمع الأدوات والبرامج والمواد اللازمة

الأدوات المستخدمة:

1. برنامج Arduino (https://www.arduino.cc/en/Main/Software)
2. كماشة
3. منشار طاولة بشفرة كاشطة
4. طاحونة الطاولة

المواد المستخدمة:

1. دي جيه أي فانتوم 4
2. اردوينو اونو
3. بطارية خارجية جاكري 3350 مللي أمبير
4. اللوح القياسي
5. مستشعر أول أكسيد الكربون - MQ - 7
6. مستشعر غاز البروبان السائل - MQ - 6
7. مستشعر ثاني أكسيد الكربون CO2 - MG - 811
8. AK9750 Si7021 جهاز استشعار الرطوبة ودرجة الحرارة
9. مستشعر إشعاع الجيب جيجر - النوع الخامس
10. مودم بلوتوث - BlueSMiRF Gold
11. لينة شماعات الصلب الأشرطة
12. طقم SparkFun المخترع
13. 3M شريط مزدوج الوجهين

الخطوة 2: قم بتجميع أسلاك المستشعر ووحدات التحكم الدقيقة

قم بالوصول إلى جميع أوراق بيانات المستشعر من الشركة المصنعة للمنتج لتحديد دبابيس الإدخال والإخراج اللازمة للتشغيل السليم للمكونات. من أجل إنشاء اتجاه فعال لجميع المكونات المتوفرة في عبوات الغاز والإشعاع ، يجب توصيل كل مستشعر ووحدة بشكل منفصل لضمان تشغيله عند توصيله بالمتحكم الدقيق قبل الدمج في لوحة توصيل واحدة. لضمان الوضوح ، يتم تضمين عملية إنشاء كل نوع من أنواع الدوائر الأساسية والرمز في الخطوات التالية.

الخطوة 3: تحديد دبابيس الإدخال والإخراج لمستشعر أول أكسيد الكربون MQ - 7

كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه ، يجب أن يحتوي مكون ثاني أكسيد الكربون على ثلاثة دبابيس لجهد الإدخال على السكة الموجودة في أقصى اليمين متصلة بمصدر طاقة متحكم 5 فولت. سيتم توصيل دبوس الإدخال التناظري بأي من دبابيس وحدة التحكم الدقيقة المسمى A0 ، A1 ، A2 ، وما إلى ذلك ، بينما يتم توصيل المسامير الأرضية بالمسامير الأرضية للمتحكم الدقيق. أخيرًا ، يتم استخدام المقاوم 10 كيلو أوم لتوصيل دبوس المستشعر الأيسر السفلي بالأرض. من المهم ملاحظة أن هذا pinout قابل للتطبيق على مستشعرات CO2 و LPG المستخدمة أيضًا في هذا النظام.

الخطوة 4: قم بتوصيل المستشعر وفقًا لـ Pinout بدبابيس إدخال وإخراج متحكم دقيق

كما تمت مناقشته في الخطوات السابقة ، تم تعيين دبوس واحد على أنه دبوس إدخال تناظري في وحدة التحكم الدقيقة. في الكود الأساسي المعروض أعلاه والمتاح للتنزيل في الخطوة التالية ، يكون الدبوس التمثيلي المحدد هو رقم التعريف الشخصي A0. وفقًا لهذا التعيين ، قم بتوصيل الدبوس الأيسر العلوي بالدبوس A0 من المتحكم الدقيق. بعد ذلك ، يمكن إنشاء مدخل 5V مشترك وسكة أرضية عن طريق توصيل سكة الطاقة الموجودة في أقصى اليسار (التي يُشار إليها بالرمز "-") بالدبوس الأرضي والسكك الحديدية الموجودة في أقصى اليمين ("+") بالدبوس 5 فولت. من خلال توصيل اللوح بهذه الطريقة ، يمكن توصيل دبابيس المستشعر مباشرة بقضبان اللوح ، مما يسمح بتوصيلات نظيفة بالمتحكم الدقيق. يتم تقديم هذا الهيكل في صور الدائرة الأساسية أعلاه.

الخطوة 5: تنزيل الكود الأساسي لمستشعر الغاز

بمجرد الاتصال ، قم بتحميل كود Arduino الأساسي الذي تم الحصول عليه من صفحة منتج SparkFun (https://www.sparkfun.com/products/9403 ؛ مرفق) بالضغط على السهم الموجود أعلى يسار الواجهة للتحقق من توصيل المكون بسلك. وفقا لل pinout.

الخطوة 6: افتح Serial Monitor لضمان التشغيل

افتح الشاشة التسلسلية عن طريق تحديد رمز العدسة المكبرة أعلى يمين الواجهة. سيؤدي هذا إلى فتح نافذة منفصلة كما هو موضح أعلاه ، حيث سيتم عرض خرج المستشعر ، وهو في الأصل قراءة الفولتية. إذا لم يتم عرض البيانات في الشاشة التسلسلية كما هو مشار إليه ، تحقق من أن وظيفة analogRead تشير إلى الرقم الصحيح للدبوس التناظري السلكي في المراحل السابقة من هذه العملية.

الخطوة 7: كرر الخطوات من 3 إلى 6 لأجهزة استشعار غاز البترول المسال وغاز ثاني أكسيد الكربون

كرر تعريف المسامير وأسلاك المستشعر وتحميل الكود لضمان قابلية تشغيل أجهزة الاستشعار الإضافية.

الخطوة 8: مستشعر الرطوبة ودرجة الحرارة Wire SparkFun Si7021 (اختياري)

سيتم تنفيذ نفس العملية العامة المحددة لأجهزة استشعار الغاز لمستشعر درجة الحرارة والرطوبة. ومع ذلك ، فإن pinout يختلف عن مستشعرات الغاز ويتم عرضه أعلاه. سيتم توصيل دبوس VCC (الثاني من اليمين على المستشعر) إما بمصدر طاقة متحكم 5 أو 3.3 فولت وسيتم توصيل الدبوس الأرضي بأرض المتحكم الدقيق كما هو موضح في أسلاك مستشعر الغاز. بدلاً من دبوس الإخراج التمثيلي ، يحتوي هذا المستشعر على دبابيس إخراج SDA و SCL المسؤولة عن نقل البيانات من المستشعر إلى وحدة التحكم الدقيقة للمعالجة. يمكن استخدام هذا المستشعر للتحقق من دقة قياسات مستشعر الغاز مقارنة بقيم ورقة البيانات الخاصة بهم.

الخطوة 9: تنزيل الرمز الأساسي SparkFun للرطوبة ومستشعر درجة الحرارة Si7021

عند الانتهاء من الأسلاك ، يجب تحميل نموذج الكود المرفق (مقتبس من https://www.sparkfun.com/products/13763) إلى وحدة التحكم الدقيقة لضمان إنشاء دائرة مناسبة. كما هو موضح في كود مستشعر الغاز ، تحقق من أن المكون ينقل درجة الحرارة والرطوبة من خلال الوصول إلى الشاشة التسلسلية. من المهم ملاحظة أن هذا الرمز الأساسي يتضمن استخدام مكتبتين مختلفتين لمكونات SparkFun. لكي يتم ترجمة هذا الرمز وتحميله إلى وحدة التحكم الدقيقة ، سيحتاج المستخدم إلى تثبيت هذه المكتبات من خلال الطرق الموضحة في الخطوة 9.

الخطوة 10: قم بإضافة مكتبات Arduino للمكونات

يتم تحديد تنفيذ مكتبات Arduino في الأكواد من خلال استخدام الأمر #include كما يظهر بالقرب من أعلى كود الخطوة 8. بدون تضمين هذه المكتبات ، لن يكون الرمز قادرًا على التحويل البرمجي أو التحميل إلى وحدة التحكم الدقيقة. للوصول إلى هذه المكتبات وتثبيتها ، انتقل إلى علامة التبويب رسم تخطيطي ، وقم بتوسيع تضمين المكتبة ، وحدد إدارة المكتبات. اكتب اسم المكتبة المطلوبة (النص الذي يظهر بعد الأمر #include) ، وانقر فوق الخيار المطلوب ، وحدد إصدارًا ، ثم اضغط على تثبيت.

الخطوة 11: مستشعر إشعاع جيجر ذو الجيب السلكي - النوع 5

كما ذكرنا سابقًا ، سيتم تضمين هذا المكون بشكل منفصل عن مستشعرات الغاز. في إعداد هذا المنتج ، لا تزال العملية كما هي ؛ قم بتوصيل دبابيس المكونات بمخرجاتها الخاصة كما هو موضح في pinout أعلاه. قم بتوصيل دبوس VCC بمصدر 5V الموجود على وحدة التحكم الدقيقة والدبوس الأرضي بأرض وحدة التحكم الدقيقة كما تم مع مستشعرات الغاز. ثم قم بتوصيل دبابيس الإشارة والضوضاء بدبابيس متحكم دقيق 2 و 5 ، على التوالي. عند الانتهاء من هذه المهمة ، قم بتحميل الكود الأساسي المقتبس من rad-watch.org عبر Github (https://www.sparkfun.com/products/142090) وهذا المكون جاهز للتشغيل.

الخطوة 12: تطوير أسلاك مستشعر متكاملة

بعد توصيل كل جهاز استشعار بشكل فردي لتأكيد قابليته للتشغيل ، ابدأ بدمج كل أسلاك مستشعر في تنسيق مكثف بحيث يتم توصيل جميع المستشعرات الموضحة أعلاه على اللوح ، كما هو موضح في الأشكال أعلاه. ارجع إلى الجدول أعلاه لتوصيل دبابيس Arduino الضرورية بشكل صحيح بمكوناتها بحيث لا تحتاج إلى تغيير الرموز أدناه قبل التحميل. لدعم التنسيق المكثف ، استخدم سكة طاقة مشتركة وسكة أرضية عن طريق توصيل سكة كهربائية واحدة للوح توصيل مثل 5 فولت والأخرى 3.3 فولت. قم بتوصيل القضبان الأرضية معًا مع توفير اتصال بالدبوس الأرضي لمتحكم Arduino. عند الانتهاء ، قم بتحميل الكود المرفق للوصول إلى إمكانات مستشعر الغاز المجمعة على اللوحة. سيتحكم رمز Arduino المرفق في مستشعرات الغاز ، وكذلك مستشعر درجة الحرارة والرطوبة ، ويعرض بيانات القياس الخاصة بهم ، في أجزاء لكل مليون من خلال الشاشة التسلسلية. كما سيوفر تصنيف مستوى الخطر للبيانات المقاسة. يمكن أن يعتمد مستشعر الإشعاع على قياس محدد زمنياً (أي عدد في الدقيقة) ، لذلك يُنصح بتشغيل هذا المكون بشكل منفصل عن مستشعرات الغاز. لدعم هذا التمييز ، ستكون مستشعرات CO و LPG و CO2 هي المكونات الوحيدة التي تمت مناقشتها عند إقران وحدة التحكم الدقيقة بوحدة Bluetooth. ومع ذلك ، من المهم ملاحظة أنه يمكن اتباع العملية التالية لتحقيق نفس النتيجة مع مستشعر الإشعاع.

الخطوة 13: بدء اتصال Bluetooth بين الهاتف والوحدة النمطية

بمجرد تجميع نظام الاستشعار المطلوب وترميزه وتكثيفه ، فإن الخطوة التالية هي توصيل جهاز مستخدم بالنظام لاسلكيًا. سيسمح ذلك بإرسال قراءات أجهزة الاستشعار الحية إلى المستخدم على مسافة بعيدة عن منطقة الخطر. سيتم تسهيل اتصال نظام الاستشعار وجهاز المستخدم من خلال وحدة Bluetooth Arduino BlueSMiRF. سيتم توصيل هذه الوحدة بتطبيق الهاتف المحمول "Arduino Bluetooth Data" والذي يمكن تنزيله من متجر Google Play. ستعرض هذه الواجهة مباشرة القراءات التي تم الحصول عليها إما من مستشعرات الغاز أو الوجود البشري أو مستشعرات الإشعاع ، وسيكون الوصول إليها حتى 350 قدمًا وستنبه المستخدم إلى التغييرات في قراءات المستشعرات ، مع السماح للمستخدم بتقييم ما إذا كانت المستويات الخطرة من تم الكشف عن المخاطر البيئية فيما يتعلق بلوائح OSHA و EPA.

يجب أن يكون المكون سلكيًا بشكل فردي ، كما تم توضيحه مع المستشعرات ، لتهيئة إعداد المكون وتقييم قابلية التشغيل. باستخدام مخطط المكون الموضح في الشكل أعلاه ، سيتم توصيل المكون بمدخل طاقة بجهد 5 فولت ودبوس أرضي ، بينما سيتم توصيل دبابيس مكون TX و RX بسلكين رقميين يحددهما المستخدم. كما هو موضح في الشكل ، تم تعيين دبوس TX على الدبوس الرقمي الثاني وتم تعريف RX على أنه الدبوس الثالث. عند الانتهاء من هذه المهمة ، قم بتشغيل رمز المثال الموجود أدناه لبدء إعداد المكون. في هذه المرحلة ، يجب أن يومض مؤشر LED الخاص بالمكون ببطء بلون أحمر. قم بالوصول إلى الشاشة التسلسلية وقم بتبديل الخيارات الموجودة أسفل النافذة لقراءة "بلا نهاية سطر" و "9600 باود" في المربعات المنسدلة ، على التوالي. ثم اكتب "$$$" في مربع الأوامر ، واضغط على "إرسال". سيؤدي هذا إلى بدء "وضع الأوامر" في المكون ، وسيؤدي إلى وميض مؤشر LED سريعًا بلون أحمر. بالإضافة إلى ذلك ، سيرسل المكون رسالة "CMD" مرة أخرى إلى الشاشة التسلسلية.

قم بتبديل إعدادات القائمة المنسدلة لجهاز العرض التسلسلي مرة أخرى لقراءة "Newline" و "9600 baud" قبل متابعة الإعداد. أمرا الإرسال "D" و "E" إلى الشاشة التسلسلية لعرض إعدادات المكون ، بما في ذلك اسم المصنع. للإقران بهاتفك المحمول ، افتح إعدادات Bluetooth ، وحدد الاسم المحدد لوحدة Bluetooth (ECEbluesmirf للمثال المقدم). بعد هذا التحديد ، أرسل أمر "I" للبحث عن الأجهزة التي تدعم تقنية Bluetooth. سيتم استخدام الرقم الأول لمزامنة الجهازين ، عن طريق إرسال "C ، الرقم الأول". عند الانتهاء ، سيتحول مؤشر LED الخاص بـ Bluetooth إلى اللون الأخضر الثابت.

الخطوة 14: توصيل النظام بتطبيق الهاتف المحمول - مستخدمو Android

للوصول إلى بيانات المستشعر على جهاز Android ، قم بتنزيل تطبيق الهاتف المحمول "Arduino Bluetooth Data" من متجر Google Play. افتح تطبيق الهاتف المحمول واضغط على اسم وحدة Bluetooth على واجهة المستخدم للاتصال. عند المطالبة ، حدد التطبيق كجهاز استقبال. ستظهر الواجهة التي تعرض بيانات المستشعر وستحتوي الوحدة على مؤشر LED أخضر ثابت. عند الانتهاء ، قم بتحميل الكود المرفق لتفعيل المستشعرات واسترجاع بيانات المخاطر البيئية. يمكن تحديث أسماء المستشعرات لتتلاءم مع المستشعرات المستخدمة كما تم استكمالها للحصول على لقطة الشاشة أعلاه.

الخطوة 15: إنشاء أقواس دعم لتوصيل نظام المستشعر

يتطلب تجميع نظام المستشعر استخدام شريطين من الصلب الناعم وشريط لاصق على الوجهين 3M لربطه بالطائرة بدون طيار DJI Phantom 4. تتمثل الخطوة الأولى في ثني وتشكيل أحزمة الشماعات الفولاذية الناعمة على الطائرة بدون طيار. يتطلب هذا إجمالي طول حزام أولي يبلغ 23 بوصة. من هذا المخزون ، قم بقطع الأشرطة المتساوية باستخدام منشار طاولة بشفرة كاشطة. ثم قم بطحن الأطراف لإزالة النتوءات. تظهر نتيجة العملية في أول الأشكال المعروضة أعلاه. أثناء هذه العملية ، تريد تجنب القطع على طول الفتحات المفتوحة ، لتجنب إضعاف أطراف الحزام.

ستتطلب الخطوة التالية ثني الأشرطة لتناسب الطائرة بدون طيار. يوصى باستخدام زوج من الكماشة لثني الفولاذ ووضع الشريط أسفل القضبان. قم بتوسيط الأشرطة على قضبان أرجل الطائرة بدون طيار ، وحدد مكان حافة أرجل السكك الحديدية. سيكون هذا بمثابة الصورة المرئية لمكان ثني الفولاذ. قم بثني الأشرطة بزيادات صغيرة حتى تلتف حول السور ، مما يمنع الانزلاق.

الخطوة 16: قم بتجميع النظام على الطائرة بدون طيار

سيتم عرض مثال لتجميع نظام المستشعر باستخدام أحزمة شماعات فولاذية ناعمة وشريط لاصق. كما تمت مناقشته سابقًا ، تم ثني أحزمة الشماعات الفولاذية الناعمة ووضعها في الجزء السفلي من الطائرة بدون طيار لإنشاء منصة لتجلس المكونات عليها. بعد اكتمال ذلك ، قم بتوصيل المكونات بالأشرطة بالمادة اللاصقة بحيث تكون آمنة ، لكن لا تتداخل مع التشغيل العادي للطائرة بدون طيار. لإتاحة مساحة واسعة ، يستخدم المثال شريطين شماعات يدعمان بطارية خارجية ، ووحدة تحكم دقيقة ، ولوح تجارب. بالإضافة إلى ذلك ، يتم وضع المستشعرات في الجزء الخلفي من الطائرة بدون طيار.

الخطوة 17: استخدام هذا النظام لتقييم مخاطر المخاطر

لتحديد شدة مستويات الخطر التي يقدمها هذا النظام ، ينبغي للمرء الرجوع إلى المعايير التالية. يشير اللون الأخضر إلى بيئة آمنة لجميع الموجودين في منطقة الاهتمام ، بينما يشير اللون الأرجواني إلى أسوأ تركيز بيئي ممكن ، مما يؤدي إلى تأثيرات مميتة. نظام الألوان المستخدم مشتق من برنامج علم جودة الهواء التابع لوكالة حماية البيئة.

أول أكسيد الكربون (OSHA)

• 0-50 جزء في المليون (أخضر)
• 50-100 جزء في المليون (أصفر)
• 100-150 جزء في المليون (برتقالي)
• 150-200 جزء في المليون (أحمر)
• > 200 جزء في المليون (بنفسجي)

غاز البروبان السائل (NCBI)

• 0-10 ، 000 جزء في المليون (أخضر)
• 10 ، 000-17 ، 000 جزء في المليون (أصفر)
• > 17000 جزء في المليون (أحمر)

ثاني أكسيد الكربون (المعهد العالمي CCS)

• 0-20 ، 00 جزء في المليون (أخضر)
• 20 ، 000-50 ، 000 جزء في المليون (أصفر)
• 50 ، 000-100 ، 000 جزء في المليون (برتقالي)
• 100 ، 000-150 ، 000 جزء في المليون (أحمر)
• > 150 ، 000 جزء في المليون (بنفسجي)

الخطوة 18: استخدام النظام لجمع البيانات المقاسة

الآن وقد تم الانتهاء من التجميع النهائي ، أصبح النظام جاهزًا للعمل. نظرًا لأن الكود المطلوب للسماح للمتحكم الدقيق بتشغيل نظام الاستشعار قد تم تحميله بالفعل ، يمكن توصيل المتحكم الدقيق بحزمة بطارية الهاتف المحمول لنقل البيانات ، بدلاً من الكمبيوتر. النظام جاهز الآن للاستخدام في تطبيقات تقييم المخاطر البيئية!