18세기 방앗간을 위한 센서 네트워크 구축

100년 모니터링 오래된 공장 프로세스는 어렵지만 nRF24L01 RF 송신기 네트워크를 사용하면 더 쉽고 안전하며 신뢰할 수 있습니다.

스토리

현대 공장 프로세스는 시설의 여러 부분을 모니터링하기 위해 디지털 기술에 크게 의존합니다. 디지털 기술을 통해 공장은 더 안전하고 생산적이며 운영하기 쉬워졌습니다. 이 기술은 오래되고 오래된 공장을 방문하면 분명해집니다. 저는 전기를 거의 사용하지 않는 18세기 제분소에서 일합니다. 평벨트와 풀리는 라인 샤프트에서 기계로 동력을 전달하며, 우리 기계의 대부분은 1900년대 초반에 손으로 절단되어 조립된 목재로 만들어졌습니다. 제 직업의 공장 프로세스의 여러 부분을 모니터링하기 위해 센서 네트워크를 개발하라는 요청을 받았을 때 저는 제 직장을 21세기로 가져올 기회에 뛰어들었습니다.

밀은 여러 개의 작은 프로세스가 동시에 일어나는 하나의 큰 기계로 생각할 수 있습니다. 따라서 우리는 이러한 프로세스를 감독하고 무언가가 제대로 작동하지 않을 때 경고할 수 있는 다양한 센서가 필요했습니다. 프로젝트 출시에 포함된 초기 센서는 곡물 통 내부를 측정하여 얼마나 가득 차 있는지 파악하고 AC Tech SMVector 컨트롤러의 0-10v dc 출력을 모니터링하며 건물의 다양한 부분에 대한 온도 및 습도 판독값을 취합니다. 미래의 센서에는 주둥이를 통해 흐르는 곡물을 측정하는 주둥이 유량계, 곡물이 통과하는 분출을 기록하는 양방향 밸브의 자기 스위치, 베어링이 얼마나 뜨거워졌는지 알려주는 라인 샤프트 베어링의 온도 센서가 포함될 것입니다.

이 네트워크의 도입으로 건물의 4개 층 전체에서 프로세스를 육안으로 검사하지 않고 걸어 다니지 않아도 되므로 시간을 절약할 수 있으며 다양한 프로세스의 일부를 수량화하여 통계 목적으로 데이터를 제공할 수 있습니다.

네트워크는 표준 노드, 센서에 연결된 Arduino 전원 장치, 기본 노드, 네트워크 허브 역할을 하는 Arduino 장치 및 서버 및 서버 역할을 하는 장치인 Raspberry Pi로 구성됩니다. 데이터 해석기.

"밀링 데크"또는 우리 공장의 1 층

하드웨어

nRF24L01(RF24) 모듈은 다른 RF24 모듈과 데이터를 주고받을 수 있는 무선 주파수 송신기입니다. RF24 모듈은 아래 배선도에 따라 Arduino Nano에 연결할 수 있습니다.

RF24 모듈 및 Arduino Nano의 배선 다이어그램

RF24 모듈은 5V에서 전원을 공급할 수 있지만 3.3V에서 전원을 공급하는 것이 좋습니다. RF24 모듈이 산발적으로 전력을 잃지 않도록 하려면 디커플링 커패시터가 필요합니다. RF 모듈의 전원 및 접지 핀에 가깝게 10uF 전해 커패시터를 사용했습니다(다이어그램에는 표시되지 않음). 이 커패시터가 없으면 RF 모듈의 성능이 저하됩니다.

RF24 모듈을 이해하고 나면 다양한 센서를 허용하도록 사용자 정의할 수 있는 PCB를 만들 차례였습니다.

내 모든 네트워크 노드에 사용한 설계

내가 설계한 PCB는 Arduino Nano, RF24 모듈, 10uF 전해 커패시터, 표시기 LED 2개, LED용 저항 2개 및 노드에 전원을 공급하기 위해 마이크로 USB 암 커넥터를 놓을 자리. 노드를 합치면 이런 모양이 됩니다...

RF24 없이 조립된 보드 및 Arduino NanoA 완전 조립 노드

그런 다음 각 노드는 벽과 표면에 쉽게 장착할 수 있는 3D 인쇄 케이스에 담겨 있습니다.

노드 및 사례 예시

범위 문제로 인해 더 긴 안테나를 추가하도록 RF24를 수정했습니다. 안테나 수정은 재고 RF24 모듈의 범위를 5-10피트 범위에서 20피트 또는 30피트로 늘립니다. RF24 안테나를 수정하기 위해 단단한 18 게이지 와이어를 약 7인치로 자르고 RF24 안테나의 트레이스 끝에 납땜했습니다. 경고:RF24 안테나를 확장하면 안테나에 너무 많은 압력이 가해지면 RF24 모듈의 기존 트레이스가 당겨질 수 있습니다.

RF24 및 안테나 사전 땜납 RF24 트레이스, 안테나 정렬, 납땜 인두 적용자유로운 양의 땜납 사용

실험 중에 새 안테나의 양쪽에 뜨거운 접착제의 큰 덩어리를 붙였습니다. RF24 모듈에 대한 새 안테나를 강화하는 데 도움이 된다는 것을 알았습니다.

기본 노드 및 Raspberry Pi 서버

시스템을 함께 사용하려면 각 네트워크에 모든 데이터가 라우팅되는 기본 노드가 필요합니다. 내 프로젝트에서는 직렬 케이블을 통해 Raspberry Pi에 연결된 노드를 사용합니다. 노드는 네트워크 메시지를 주고받는 데 사용되며 RPI는 데이터를 기록하고 해석하는 중앙 서버로 사용됩니다(서버 프로그램은 이 프로젝트의 뒷부분에서 설명합니다).

노드 및 케이스

노드 및 기본 프로그래밍

이 프로젝트에서는 RF24 메시징을 처리하기 위해 RF24Network 라이브러리(Tmrh20에서 생성)를 독점적으로 사용했습니다. RF24Network 라이브러리를 사용하면 노드 네트워크를 트리 구조로 구성할 수 있습니다. 주소는 8진수 형식으로 작성됩니다. 각 RF24 모듈은 5개 이하의 노드로 분기할 수 있으며 해당 하위 노드의 주소 뒤에 상위 주소가 옵니다. 따라서 노드 2 아래에 두 개의 노드를 할당하려면 한 노드를 012(노드 2의 자식인 첫 번째 노드)로 지정하고 다른 노드를 022(노드 2의 자식인 두 번째 노드)로 지정합니다. .

주소 지정은 트리 구조로 수행됩니다.

좀 더 잘 이해할 수 있도록 다음은 내 네트워크에 연결된 몇 개의 노드에 대한 기본 레이아웃입니다.

내 네트워크 구조

노드 01, 011, 0111 및 01111을 리피터 노드로 사용합니다. 즉, 노드에서 트리 구조 아래로 정보를 전송하는 데 주로 사용됩니다. 노드 03, 0211 및 0311은 모두 센서 노드입니다. 즉, 노드 00으로 다시 보내야 하는 데이터를 생성하는 센서가 연결되어 있습니다.

리피터의 예(2층 리피터) 리피터의 다른 예(3층 리피터)

노드 및 센서 프로그램

노드 프로그램은 생성 중인 노드에서 실행됩니다. 노드에 부착된 센서에서 데이터가 생성되는 엔드포인트 역할을 하는 프로그램입니다. 센서 수정 없이 노드 코드 버전을 제공했지만(진행 상황을 설명하는 주석 포함) 프로젝트 네트워크용으로 작성한 프로그램(노드 코드와 약간 다름)도 포함합니다.

기본 프로그램

기본 프로그램은 기본 노드(노드 00으로 표시)에서 실행하는 프로그램입니다.

프로그램에 대해 주의할 점은 메시지에 대한 데이터 구조를 생성할 때 C 구조가 엔드포인트 프로그램과 기본 프로그램에서 동일해야 한다는 것입니다.

노드에 센서 연결

네트워크는 3가지 센서 유형, 전체 곡물 통의 상태를 측정하는 센서, 특정 모터의 출력을 모니터링하는 센서, 건물 주변의 온도 및 습도 판독값을 제공하는 센서와 함께 시작되었습니다.

곡물통 감지

초음파 센서 배선

곡물통의 깊이를 측정하기 위해 곡물통 상단에 초음파 센서를 설치하여 센서가 통을 가리키도록 했습니다. 그런 다음 노드의 프로토보드 영역에 설정한 핀에 3개의 초음파 센서를 케이블로 연결했습니다. 각 에코 핀은 별도의 Arduino 핀에 연결되지만 더 쉬운 프로그래밍을 위해 트리거 핀은 공유됩니다.

빈 감지 노드(3개의 빈에 대한 3개의 초음파 센서)3개의 초음파 센서가 부착된 또 다른 노드빈에 장착된 초음파 센서의 사진

온도 및 습도 감지

DHT11 배선

DHT11은 공장 건물 전체의 온도와 습도를 측정하는 데 사용됩니다. 곡물과 밀가루로 작업할 때 온도와 습도의 변화가 밀가루를 분쇄하는 정도에 영향을 줄 수 있기 때문에 이것은 중요한 정보입니다.

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