Proyecto Smart Buoy: Resumen de Construcción, Electrónica, Impresión 3D y Panel de Control

Componentes y suministros

Arduino Nano R3	×	1
Raspberry Pi Zero Wireless	×	1

Sobre este proyecto

Resumen del proyecto Smart Buoy

¡Hola a todos! Este es un resumen breve de nuestro proyecto Smart Buoy. Desglosaremos la construcción técnica en publicaciones separadas para explicar: electrónica, impresión 3D y panel de control.

Lo que necesitarás

Para la construcción completa de la boya inteligente, necesitas MUCHAS cosas. Tendremos el desglose de materiales específicos requeridos para cada etapa en el tutorial correspondiente, pero para contexto, aquí está la lista completa:

• Arduino Nano - Amazon
• Raspberry Pi Zero - Amazon
• Batería (18650) - Amazon
• Paneles solares - Amazon
• Diodos de bloqueo - Amazon
• Controlador de carga - Amazon
• Convertidor buck-boost - Amazon
• Módulo GPS - Amazon
• GY-86 (acelerómetro, giroscopio, barómetro, brújula) - Amazon
• Sensor de temperatura de agua - Amazon
• Módulo monitor de potencia - Amazon
• Módulo reloj en tiempo real - Amazon
• Módulos de radio - Amazon
• Módulo multiplexor I²C - Amazon
• Impresora 3D - Amazon
• Filamento PETG - Amazon
• Epoxi - Amazon
• Pintura spray imprimación - Amazon
• Cuerda - Amazon
• Flotadores - Amazon
• Pegamento - Amazon

Todo el código usado se encuentra en https://gitlab.com/t3chflicks/smart-buoy.

¿Qué hace?

Los sensores a bordo de la boya inteligente le permiten medir: altura de ola, período de ola, potencia de ola, temperatura del agua, temperatura del aire, presión del aire, voltaje, consumo de corriente y ubicación GPS. En un mundo ideal, también mediría la dirección de la ola, basada en las mediciones que pudo tomar, estábamos bastante cerca de lograrlo. Sin embargo, resultó ser bastante complicado y en realidad es un problema masivo en la comunidad de investigación real. ¡Si hay alguien que pueda ayudarnos y sugerir una forma efectiva de obtener mediciones de dirección de ola, háganoslo saber, nos encantaría entender cómo podríamos hacerlo funcionar!

Todos los datos que recopila la boya se envían vía radio a una estación base, que es una Raspberry Pi. Hicimos un panel de control para mostrarlos usando Vue JS.

Construcción

Carcasa de la boya

Esta boya fue probablemente lo más difícil que hemos impreso hasta ahora. Había tantas cosas que considerar ya que iba a estar en el mar, expuesta a los elementos y mucho sol. Hablaremos más de eso en otro episodio de la serie Smart Buoy. En resumen: imprimimos una esfera casi hueca en dos mitades. La mitad superior tiene ranuras para los paneles solares y un orificio para una antena de radio. La mitad inferior tiene un orificio para un sensor de temperatura y un asa para atar una cuerda.

Tras imprimir la boya con filamento PETG, la lijamos, la pintamos con imprimación en spray y le dimos un par de capas de epoxi.

Una vez completada la preparación de la carcasa, pusimos toda la electrónica dentro y sellamos el sensor de temperatura de agua, la antena de radio y los paneles solares con una pistola de pegamento. Finalmente, sellamos las dos mitades con pegamento/adhesivo StixAll (superpegamento para aviones).

Y luego esperamos que fuera impermeable…

Electrónica de la boya

• Imagen del circuito completo de la boya

La boya tiene muchos sensores a bordo y entramos en detalle sobre estos en el tutorial correspondiente. Como esto es un resumen, intentaremos mantenerlo informativo pero breve.

La boya se alimenta de una batería 18650, que se carga con cuatro paneles solares de 5V. Solo el reloj en tiempo real está constantemente alimentado. La boya usa el pin de salida del reloj en tiempo real para controlar un transistor que permite la entrada de energía al resto del sistema. Cuando el sistema se enciende, comienza tomando mediciones de los sensores, incluyendo un valor de voltaje del módulo monitor de potencia. El valor dado por el monitor de potencia determina cuánto tiempo duerme el sistema antes de tomar el siguiente conjunto de lecturas. Se establece una alarma para este tiempo, ¡y luego el sistema se apaga a sí mismo!

El sistema en sí es muchos sensores y un módulo de radio conectados a un Arduino. El módulo GY-86, Reloj en Tiempo Real (RTC), Monitor de Potencia y multiplexor I2C se comunican con el Arduino usando I2C. Necesitábamos el multiplexor I2C porque el GY-86 y el módulo RTC que usamos tienen la misma dirección. El multiplexor permite comunicarse sin complicaciones adicionales, aunque puede ser un poco excesivo.

El módulo de radio se comunica vía SPI. Originalmente teníamos también un módulo tarjeta SD, pero causaba tantos dolores de cabeza por el tamaño de la librería SD que decidimos descartarlo.

Echa un vistazo al código. Es probable que tengas algunas preguntas, probablemente dudas persistentes, y estaremos encantados de escucharlas. Los tutoriales en profundidad incluyen explicaciones del código, ¡as que esperamos que lo aclaren un poco!

Intentamos separar lógicamente los archivos de código y usar un archivo principal para incluirlos, un método que funcionó perfectamente.

Electrónica de la estación base

• Imagen del circuito de la Pi

La estación base se hace usando una Raspberry Pi Zero con un módulo de radio conectado. Conseguimos la carcasa de https://www.thingiverse.com/thing:1595429. ¡Sois geniales, muchas gracias!

Una vez que tienes el código corriendo en el Arduino, es bastante simple obtener las mediciones en la Raspberry Pi ejecutando el código receive.py.

Un miembro del equipo T3ch Flicks es desarrollador web que recientemente aprendió Vue JS. Se emocionó mucho cuando decidimos que necesitábamos un panel y nos sorprendió haciendo este panel bastante legítimo.

Panel de control (Dashboard)

Mostrar cómo hicimos todo el panel sería una odisea porque fue un proyecto bastante largo y complicado. Si alguien quiere saber cómo lo hicimos, ¡decidnoslo! El desarrollador web residente de T3ch Flicks estaría más que encantado de hacer un tutorial sobre esto.

Una vez que pongas estos archivos en una Raspberry Pi, deberías poder ejecutar el servidor y ver el panel con los datos entrando. Por razones de desarrollo y para ver cómo se vería el panel si fuera alimentado por datos buenos y regulares, añadimos un generador de datos falsos en el servidor. Ejecútalo si quieres ver cómo se ve cuando tienes más datos.

También explicamos esto con cierto detalle en un episodio posterior.

¿Versión 2?

Problemas

Este proyecto no es perfecto en absoluto; nos gusta pensar en él más como un prototipo/prueba de concepto. Aunque el prototipo funciona a nivel fundamental: flota, toma mediciones y puede transmitirlas, hay muchas cosas que hemos aprendido y cambiaríamos para la versión dos:

• Nuestro mayor problema fue no poder cambiar el código de la boya después de pegarla cerrada. Esto fue un descuido y podría resolverse muy eficazmente con un puerto USB cubierto con un sello de goma. Sin embargo, eso habría añadido otra capa de complejidad al proceso de impermeabilización de la impresión 3D.
• Los algoritmos que usamos estaban lejos de ser perfectos. Nuestros métodos para determinar propiedades de las olas eran bastanterudimentarios y pasamos mucho tiempo leyendo matemáticas para combinar datos del magnetómetro, acelerómetro y giroscopio. No fue súper útil al final, pero encontramos este vídeo interesante. Si alguien entiende esto y está dispuesto a ayudar, creemos que podríamos hacer estas mediciones mucho más precisas.
• Algunos sensores actuaron un poco raro. El sensor de temperatura de agua destacó por ser particularmente dudoso, casi 10 grados fuera de la temperatura real a veces. La razón podría ser un sensor defectuoso o algo calentándolo...

Mejoras

El Arduino estaba bien, pero como mencionamos antes tuvimos que descartar el módulo tarjeta SD (que suponía ser respaldo de datos si los mensajes de radio no podían enviarse) por problemas de memoria. Podríamos cambiarlo a un microcontrolador más potente como Arduino Mega, Teensy o simplemente usar otra Raspberry Pi Zero. Sin embargo, esto aumentaría coste y consumo.

El módulo de radio que usamos tiene un rango limitado de un par de kilómetros con línea de vista directa. Sin embargo, con (muchas) boyas alrededor de la isla podríamos haber formado una red mesh. Hay muchas posibilidades para transmisión de datos de largo alcance, incluyendo LoRa, GSM. Si pudiéramos usar una de estas, ¡quizás una red mesh alrededor de la isla sería posible!

Usar nuestra Smart Buoy para investigación

Construimos y lanzamos la boya en Granada, una pequeña isla en el sur del Caribe. Mientras estábamos allí, charlamos con el gobierno granadino, que dijo que una boya inteligente como la que creamos sería útil para proporcionar mediciones cuantitativas de características del agua. Las mediciones automatizadas eliminarían cierto esfuerzo y error humano y proporcionarían contexto útil para entender costas cambiantes. El gobierno también sugirió que tomar mediciones de viento sería una característica útil para sus propósitos. No tengo idea de cómo vamos a gestionar esa, así que si alguien tiene ideas… Una advertencia importante es que aunque es un momento emocionante para la investigación costera, particularmente involucrando tecnología, queda un largo camino antes de que pueda ser adoptada totalmente.

Gracias por leer el resumen de la serie Smart Buoy. Si aún no lo has hecho, echa un vistazo al vídeo de esto en nuestro canal de YouTube. En la parte uno de la serie, te mostraremos cómo hicimos las mediciones de olas y temperatura. Si disfrutaste nuestro trabajo y quieres ayudarnos a hacer más, sería increíble si consideras patrocinarnos en Patreon. Muchas gracias a Giacomo, ¡nuestro primer patrocinador de Patreon!

Consulta la siguiente publicación donde mostramos cómo hicimos las mediciones de olas y temperatura: https://create.arduino.cc/projecthub/t3chflicks/smart-buoy-making-wave-and-temperature-measurements-257ca1

Código

Repositorio Smart Buoy

https://gitlab.com/t3chflicks/smart-buoy

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