Créer un réseau de capteurs pour un moulin à farine du XVIIIe siècle

Surveillance 100 ans les anciens processus d'usine sont difficiles, mais cela devient plus facile, plus sûr et plus fiable avec un réseau d'émetteurs RF nRF24L01.

Histoire

Le processus d'usine moderne s'appuie fortement sur la technologie numérique pour surveiller différentes parties de l'installation. Avec la technologie numérique, les usines sont devenues plus sûres, plus productives et plus faciles à exploiter. Cette technologie est considérée comme acquise, ce qui devient évident lorsque vous visitez des usines de plus en plus anciennes. Je travaille dans un moulin à farine du XVIIIe siècle où l'électricité est peu utilisée. Les courroies plates et les poulies transmettent la puissance des arbres de transmission aux machines, et la majorité de nos machines sont en bois, coupées à la main et assemblées au début des années 1900. Lorsqu'on m'a demandé de développer un réseau de capteurs pour surveiller les différentes parties du processus d'usine de mon travail, j'ai sauté sur l'opportunité de faire entrer mon lieu de travail dans le 21e siècle.

Le moulin peut être considéré comme une grande machine avec de nombreux processus plus petits qui se déroulent simultanément. Par conséquent, nous avions besoin d'une variété de capteurs capables de surveiller ces processus et de nous alerter lorsque quelque chose ne fonctionne pas comme il le devrait. Les capteurs initiaux inclus lors du lancement du projet prennent des mesures à l'intérieur d'un silo à grains pour déterminer son niveau de remplissage, surveillent la sortie 0-10 V cc d'un contrôleur AC Tech SMVector et prennent des mesures de température et d'humidité de diverses parties du bâtiment. Les futurs capteurs incluront des débitmètres à bec qui mesurent le grain s'écoulant à travers un bec, des commutateurs magnétiques sur des vannes à 2 voies qui enregistrent le bec à travers lequel le grain se déplace, et des capteurs de température sur les roulements d'arbre de ligne qui nous permettent de savoir à quel point un roulement est devenu chaud.

Avec l'introduction de ce réseau, nous pouvons gagner du temps en ne nous promenant pas en inspectant visuellement les processus sur les quatre étages du bâtiment et nous pouvons quantifier des parties de différents processus pour nous fournir des données à des fins statistiques.

Le réseau se compose des nœuds standard, des appareils alimentés par Arduino connectés à des capteurs, du nœud de base, de l'appareil Arduino qui agit comme concentrateur réseau et d'un Raspberry Pi, l'appareil qui agit comme serveur et interpréteur de données.

Le « Milling Deck » ou premier étage de notre usine

Le matériel

Le module nRF24L01 (RF24) est un émetteur radiofréquence capable d'envoyer et de recevoir des données vers d'autres modules RF24. Les modules RF24 peuvent être connectés à un Arduino Nano en suivant le schéma de câblage ci-dessous.

Schéma de câblage du module RF24 et des modules Arduino Nano

RF24 peuvent être alimentés à 5 volts, mais il est recommandé de l'alimenter à 3,3 volts. Pour s'assurer que le module RF24 ne perd pas de puissance sporadiquement, un condensateur de découplage est nécessaire. J'ai utilisé un condensateur électrolytique de 10 uF au plus près des broches d'alimentation et de terre du module RF (non illustré sur le schéma). Sans ce condensateur, le module RF fonctionnera mal.

Une fois que j'ai compris le module RF24, il était temps de faire un PCB qui pourrait être personnalisé pour permettre différents capteurs.

La conception que j'ai utilisée pour tous mes nœuds de réseau

Le PCB que j'ai conçu se compose d'un Arduino Nano, d'un module RF24, d'un condensateur électrolytique de 10 uF, de 2 voyants LED, de deux résistances pour les LED et d'un spot pour mettre un connecteur micro usb femelle pour alimenter le nœud. Lorsqu'un nœud est constitué, cela ressemble à ceci…

Carte assemblée sans RF24 et nœud Arduino NanoA entièrement assemblé

Chaque nœud est ensuite enfermé dans un boîtier imprimé en 3D qui le rend facile à monter sur les murs et les surfaces.

Exemple de nœud et de boîtier

En raison de problèmes de portée, j'ai modifié le RF24 pour ajouter une antenne plus longue. La modification de l'antenne augmente la portée d'un module RF24 d'origine d'une portée de 5 à 10 pieds à 20 ou 30 pieds. Pour modifier l'antenne RF24, j'ai coupé un morceau de fil solide de calibre 18 à environ 7 pouces et je l'ai soudé à l'extrémité de la piste pour l'antenne RF24. AVERTISSEMENT :L'extension de l'antenne RF24 peut remonter la trace préexistante sur le module RF24 si trop de pression est appliquée sur l'antenne.

Stock RF24 et antennePré-souder RF24 trace, aligner l'antenne, appliquer le fer à souderUtiliser une quantité généreuse de soudure

J'ai mis une grosse boule de colle chaude sur les deux côtés de la nouvelle antenne car, pendant l'expérimentation, J'ai trouvé que cela aidait à rigidifier la nouvelle antenne du module RF24.

Le nœud de base et le serveur Raspberry Pi

Pour rassembler le système, chaque réseau a besoin d'un nœud de base vers lequel toutes les données sont acheminées. Dans mon projet, j'utilise un nœud connecté à un Raspberry Pi via un câble série. Le nœud est utilisé pour envoyer et recevoir des messages réseau et le RPI est utilisé comme serveur central pour l'enregistrement et l'interprétation des données (le programme du serveur est expliqué plus loin dans ce projet).

Nœuds et cas

Programmation de nœud et de base

Pour ce projet, j'ai utilisé exclusivement la bibliothèque RF24Network (créée par Tmrh20) pour gérer la messagerie RF24. La bibliothèque RF24Network permet de structurer un réseau de nœuds dans une arborescence. Les adresses sont écrites au format octal. Chaque module RF24 peut se ramifier en 5 nœuds maximum et les adresses de ces sous-nœuds sont suivies de l'adresse des parents. Par conséquent, si nous voulons affecter deux nœuds sous le nœud 2, nous adressons un nœud en tant que 012 (1er nœud qui est un enfant du nœud 2) et l'autre nœud en tant que 022 (2e nœud qui est un enfant du nœud 2) .

L'adressage se fait dans une arborescence

Pour que vous compreniez un peu mieux, voici une disposition de base de quelques nœuds connectés dans mon réseau.

Ma structure de réseau

J'utilise les nœuds 01, 011, 0111 et 01111 comme nœuds répéteurs, ce qui signifie qu'ils sont principalement utilisés pour transmettre des informations à partir de nœuds situés plus bas dans l'arborescence. Les nœuds 03, 0211 et 0311 sont tous des nœuds de capteurs, ce qui signifie qu'ils ont des capteurs connectés qui génèrent des données que nous devons renvoyer au nœud 00.

Exemple d'un répéteur (il s'agit du répétiteur du 2e étage)Un autre exemple d'un répéteur (il s'agit du répéteur du 3e étage)

Programme de nœuds et de capteurs

Le programme Node s'exécute sur le nœud que vous créez. C'est le programme qui agit comme un point de terminaison, où les données sont générées à partir de capteurs attachés au nœud. J'ai fourni une version du code du nœud sans aucune modification de mon capteur (avec des commentaires pour expliquer ce qui se passe) mais j'inclus également le programme que j'ai écrit (légèrement différent du code du nœud) pour le réseau de mon projet.

Programme de base

Le programme de base est le programme que vous exécutez sur le nœud de base (noté nœud 00).

Quelque chose à noter à propos des programmes, lorsque vous créez une structure de données pour votre message, la structure C doit être identique à la fois dans votre programme de point de terminaison et dans votre programme de base.

Fixation de capteurs à un nœud

Le réseau a été lancé avec 3 types de capteurs, des capteurs pour mesurer le niveau de remplissage des silos à grains, des capteurs pour surveiller la puissance de sortie de certains moteurs et des capteurs qui nous donnent des relevés de température et d'humidité autour du bâtiment.

Détection du bac à grains

Câblage des capteurs à ultrasons

Pour mesurer la profondeur des trémies à grains, j'ai installé des capteurs à ultrasons sur le dessus des trémies à grains afin que le capteur soit dirigé vers la trémie. J'ai ensuite câblé 3 des capteurs à ultrasons dans les broches que j'ai configurées sur la zone de protoboard du nœud. Chaque broche d'écho est câblée à une broche Arduino distincte, mais la broche de déclenchement est partagée pour une programmation plus facile.

Nœud de détection de bac (3 capteurs à ultrasons pour 3 bacs)Un autre nœud avec 3 capteurs à ultrasons attachésUne photo du capteur à ultrasons monté sur le bac

Détection de température et d'humidité

Câblage DHT11

Le DHT11 est utilisé pour mesurer la température et l'humidité dans tout le bâtiment de l'usine. Il s'agit d'informations importantes car lorsque vous travaillez avec des céréales et de la farine, les fluctuations de température et d'humidité peuvent affecter la finesse de mouture de la farine.

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