Construcción de una red de sensores para un molino de molinos del siglo XVIII

Monitoreo 100 años Los viejos procesos de fábrica son difíciles, pero se vuelven más fáciles, más seguros y más confiables con una red de transmisores de RF nRF24L01.

Historia

El proceso de fábrica moderno se basa en gran medida en la tecnología digital para monitorear diferentes partes de la instalación. Con la tecnología digital, las fábricas se han vuelto más seguras, más productivas y más fáciles de operar. Esta tecnología se da por sentada, lo que se hace evidente cuando visita fábricas cada vez más antiguas. Trabajo en un molino de molienda del siglo XVIII donde apenas se usa la electricidad. Las correas planas y las poleas transmiten la potencia de los ejes lineales a la maquinaria, y la mayoría de nuestra maquinaria está hecha de madera, cortada a mano y ensamblada a principios del siglo XX. Cuando me pidieron que desarrollara una red de sensores para monitorear las diferentes partes del proceso de fábrica de mi trabajo, aproveché la oportunidad de llevar mi lugar de trabajo al siglo XXI.

Se puede pensar en el molino como una gran máquina con muchos procesos más pequeños que ocurren simultáneamente. Por lo tanto, necesitábamos una variedad de sensores que pudieran supervisar estos procesos y alertarnos cuando algo no funciona como debería. Los sensores iniciales incluidos en el lanzamiento del proyecto toman medidas dentro de un contenedor de granos para determinar qué tan lleno está, monitorean la salida de 0-10 V CC de un controlador AC Tech SMVector y toman lecturas de temperatura y humedad de varias partes del edificio. Los sensores futuros incluirán medidores de flujo de pico que miden el grano que fluye a través de un pico, interruptores magnéticos en válvulas de 2 vías que registran por qué chorro se mueve el grano y sensores de temperatura en los cojinetes del eje de línea que nos permiten saber qué tan caliente se ha calentado un cojinete.

Con la introducción de esta red, podemos ahorrar tiempo al no caminar inspeccionando visualmente los procesos en los cuatro pisos del edificio y podemos cuantificar partes de diferentes procesos para darnos datos con fines estadísticos.

La red consta de los nodos estándar, los dispositivos alimentados por Arduino conectados a los sensores, el nodo base, el dispositivo Arduino que actúa como el concentrador de la red, y una Raspberry Pi, el dispositivo que actúa como servidor y intérprete de datos.

La "plataforma de fresado" o primer piso de nuestra fábrica

El hardware

El módulo nRF24L01 (RF24) es un transmisor de radiofrecuencia capaz de enviar y recibir datos a otros módulos RF24. Los módulos RF24 se pueden conectar a un Arduino Nano siguiendo el diagrama de cableado a continuación.

Diagrama de cableado para el módulo RF24 y Arduino Nano

Los módulos RF24 se pueden alimentar a 5 voltios, pero se recomienda que lo alimente a 3,3 voltios. Para garantizar que el módulo RF24 no pierda energía esporádicamente, se requiere un condensador de desacoplamiento. Usé un capacitor electrolítico de 10 uF lo más cerca posible de los pines de tierra y de alimentación del módulo de RF (no se muestra en el diagrama). Sin este condensador, el módulo de RF funcionará mal.

Una vez que comprendí el módulo RF24, llegó el momento de hacer una PCB que pudiera personalizarse para permitir diferentes sensores.

El diseño que utilicé para todos mis nodos de red

El PCB que diseñé consiste en un Arduino Nano, un módulo RF24, un capacitor electrolítico de 10 uF, 2 indicadores LED, dos resistencias para los LED y un Spot para poner un conector micro usb hembra para alimentar el nodo. Cuando se arma un nodo, se ve así ...

Placa ensamblada sin RF24 y Arduino NanoA nodo completamente ensamblado

Luego, cada nodo está encerrado en una carcasa impresa en 3D que facilita su montaje en paredes y superficies.

Ejemplo de nodo y caso

Debido a problemas de alcance, modifiqué el RF24 para agregar una antena más larga. La modificación de la antena aumenta el alcance de un módulo RF24 estándar de un alcance de 5 a 10 pies a 20 o 30 pies. Para modificar la antena RF24, corté un trozo de cable sólido de calibre 18 a aproximadamente 7 pulgadas y lo soldé al final del trazo de la antena RF24. ADVERTENCIA:La extensión de la antena RF24 puede levantar el rastro preexistente en el módulo RF24 si se aplica demasiada presión a la antena.

Stock RF24 y antena Pre-suelde la traza RF24, alinee la antena, aplique soldador Use una cantidad generosa de soldadura

Puse una gran cantidad de pegamento caliente en ambos lados de la nueva antena porque, durante la experimentación, Descubrí que ayuda a endurecer la nueva antena al módulo RF24.

El nodo base y el servidor Raspberry Pi

Para unir el sistema, cada red necesita un nodo base al que se enrutan todos los datos. En mi proyecto, uso un nodo conectado a una Raspberry Pi a través de un cable serial. El nodo se utiliza para enviar y recibir mensajes de red y el RPI se utiliza como servidor central para registrar e interpretar datos (el programa del servidor se explica más adelante en este proyecto).

Nodos y casos

Programación de nodos y bases

Para este proyecto, utilicé exclusivamente la biblioteca RF24Network (creada por Tmrh20) para manejar la mensajería RF24. La biblioteca RF24Network le permite estructurar una red de nodos en una estructura de árbol. Las direcciones se escriben en formato octal. Cada módulo RF24 puede ramificarse en no más de 5 nodos y las direcciones de esos subnodos van seguidas de la dirección principal. Por lo tanto, si queremos asignar dos nodos para que estén debajo del Nodo 2, entonces direccionamos un nodo como 012 (primer nodo que es hijo del nodo 2) y el otro nodo como 022 (segundo nodo que es hijo del nodo 2). .

El direccionamiento se realiza en una estructura de árbol

Para que pueda comprender un poco mejor, aquí hay un diseño básico de algunos nodos conectados en mi red.

Mi estructura de red

Utilizo los nodos 01, 011, 0111 y 01111 como nodos repetidores, lo que significa que se utilizan principalmente para transmitir información desde nodos más abajo en la estructura del árbol. Los nodos 03, 0211 y 0311 son todos nodos de sensores, lo que significa que tienen sensores conectados que generan datos que necesitamos enviar de vuelta al nodo 00.

Ejemplo de un repetidor (este es el repetidor del segundo piso) Otro ejemplo de un repetidor (este es el repetidor del tercer piso)

Programa de nodo y sensor

El programa Node se ejecuta en el nodo que está creando. Este es el programa que actúa como un punto final, donde los datos se generan a partir de sensores conectados al nodo. Proporcioné una versión del código de nodo sin ninguna de las modificaciones de mi sensor (con comentarios para explicar qué está pasando) pero también incluyo el programa que escribí (ligeramente diferente al código de nodo) para la red de mi proyecto.

Programa base

El programa base es el programa que ejecuta en el nodo base (indicado como nodo 00).

Algo a tener en cuenta sobre los programas, cuando crea una estructura de datos para su mensaje, la estructura C debe ser idéntica tanto en su programa de punto final como en su programa base.

Conexión de sensores a un nodo

La red se lanzó con 3 tipos de sensores, sensores para medir qué tan llenos están los contenedores de granos, sensores para monitorear la potencia de salida de ciertos motores y sensores que nos brindan lecturas de temperatura y humedad alrededor del edificio.

Detección del depósito de granos

Cableado del sensor ultrasónico

Para medir la profundidad de los contenedores de granos, instalé sensores ultrasónicos en la parte superior de los contenedores de granos para que el sensor apunte hacia el contenedor. Luego conecté 3 de los sensores ultrasónicos a los pines que configuré en el área del protoboard del nodo. Cada pin de eco está conectado a un pin de Arduino separado, pero el pin de disparo se comparte para facilitar la programación.

Nodo de detección de contenedor (3 sensores ultrasónicos para 3 contenedores) Otro nodo con 3 sensores ultrasónicos adjuntos Una imagen del sensor ultrasónico montado en el contenedor

Sensor de temperatura y humedad

Cableado DHT11

El DHT11 se utiliza para medir la temperatura y la humedad en todo el edificio de la fábrica. Esta es una información importante porque cuando se trabaja con granos y harinas, las fluctuaciones de temperatura y humedad pueden afectar qué tan fina se muele la harina.

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