Monitor Kekuatan Dampak Raspberry Pi!: 16 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:57

Seberapa besar dampak yang dapat ditangani tubuh manusia? Baik itu sepak bola, panjat tebing, atau kecelakaan sepeda, mengetahui kapan harus segera mencari pertolongan medis setelah tabrakan sangat penting, terutama jika tidak ada tanda-tanda trauma yang jelas. Tutorial ini akan mengajari Anda cara membuat monitor gaya tumbukan Anda sendiri!

Waktu Baca: ~15 menit

Waktu Pembuatan: ~60-90 mnt

Proyek sumber terbuka ini menggunakan Raspberry Pi Zero W dan akselerometer LIS331 untuk memantau dan memperingatkan pengguna tentang kekuatan G yang berpotensi berbahaya. Tentu saja, jangan ragu untuk memodifikasi dan mengadaptasi sistem agar sesuai dengan berbagai kebutuhan sains warga Anda.

Catatan: Bangun hal-hal menyenangkan dengan Impact Force Monitor! Namun, jangan menggunakannya sebagai pengganti saran dan diagnosis medis profesional. Jika Anda merasa bahwa Anda telah jatuh serius, silakan kunjungi profesional yang memenuhi syarat dan berlisensi untuk perawatan yang tepat.

Langkah 1: Bacaan yang Disarankan

Untuk menjaga agar tutorial ini tetap singkat dan manis (er, yah, sebisa mungkin), saya berasumsi Anda memulai dengan Pi Zero W yang fungsional. Butuh bantuan? Tidak masalah! Berikut adalah tutorial pengaturan lengkap.

Kami juga akan menghubungkan ke Pi dari jarak jauh (alias nirkabel). Untuk ikhtisar yang lebih menyeluruh tentang proses ini, lihat tutorial ini.

** Terjebak atau ingin mempelajari lebih lanjut? Berikut adalah beberapa sumber daya yang berguna:**

1. Panduan "Memulai" yang sangat baik untuk Pi.

2. Panduan hookup lengkap untuk papan breakout akselerometer LIS331.

3. Lebih lanjut tentang akselerometer!

4. Ikhtisar pin GPIO Raspberry Pi.

5. Menggunakan bus Serial SPI dan I2C pada Pi.

6. Lembar Data LIS331

Langkah 2: Bahan

• Kit Dasar Raspberry Pi Zero W

  • Kit ini meliputi: Kartu SD dengan Sistem Operasi NOOBS; Kabel USB OTG (microUSB ke USB female); Mini HDMI ke HDMI; Catu daya MicroUSB (~ 5V)
  • Juga disarankan: hub USB
• Pin Header Raspberry Pi 3
• Papan Breakout Akselerometer LIS331
• Paket Baterai dengan konektor MicroUSB
• LED Merah 5mm
• Resistor 1k
• 6 "Tabung panas menyusut atau pita listrik
• Pin header untuk akselerometer (4 - 8) dan LED (2)
• Kabel jumper wanita-ke-wanita (6)

Peralatan

• Solder Besi & aksesoris
• Epoxy (atau perekat cair non-konduktif permanen lainnya)
• Mungkin juga gunting:)

Langkah 3: Tapi Tunggu! Apa itu Kekuatan Dampak?

Untungnya istilah "kekuatan tumbukan" cukup sederhana: jumlah kekuatan dalam tumbukan. Seperti kebanyakan hal, mengukurnya membutuhkan definisi yang lebih tepat. Persamaan untuk gaya tumbukan adalah:

F = KE/d

di mana F adalah gaya tumbukan, KE adalah energi kinetik (energi gerak), dan d adalah jarak tumbukan, atau seberapa banyak benda berderak. Ada dua takeaways utama dari persamaan ini:

1. Gaya tumbukan berbanding lurus dengan energi kinetik, artinya gaya tumbukan bertambah jika energi kinetik bertambah.

2. Gaya tumbukan berbanding terbalik dengan jarak tumbukan, artinya gaya tumbukan berkurang jika jarak tumbukan bertambah. (Inilah sebabnya kami memiliki airbag: untuk meningkatkan jarak tumbukan kami.)

Gaya biasanya diukur dalam Newton (N), tetapi gaya tumbukan dapat dibahas dalam istilah "G-Force", angka yang dinyatakan sebagai kelipatan g, atau percepatan gravitasi bumi (9,8 m/s^2). Ketika kita menggunakan satuan G-force, kita mengukur percepatan benda relatif terhadap jatuh bebas menuju bumi.

Secara teknis, g adalah percepatan, bukan gaya, tetapi berguna ketika berbicara tentang tabrakan karena percepatan* adalah yang merusak tubuh manusia.

Untuk proyek ini, kami akan menggunakan unit G-force untuk menentukan apakah suatu benturan berpotensi berbahaya dan perlu mendapat perhatian medis. Penelitian telah menemukan bahwa g-force di atas 9G bisa berakibat fatal bagi kebanyakan manusia (tanpa pelatihan khusus), dan 4-6G bisa berbahaya jika dipertahankan selama lebih dari beberapa detik.

Mengetahui hal ini, kami dapat memprogram monitor gaya tumbukan kami untuk memperingatkan kami jika akselerometer kami mengukur gaya-G di atas salah satu dari ambang batas ini. Hore, sains!

Untuk informasi lebih lanjut, baca tentang impact force dan g-force di Wikipedia!

Percepatan adalah perubahan kecepatan dan/atau arah

Langkah 4: Konfigurasikan Pi Zero W

Kumpulkan Raspberry Pi Zero dan periferal Anda untuk mengonfigurasi Pi menjadi tanpa kepala!

• Hubungkan Pi ke monitor dan periferal terkait (keyboard, mouse), colokkan catu daya, dan masuk.

• Perbarui perangkat lunak agar Pi Anda tetap cepat & aman. Buka jendela terminal dan ketik perintah ini:

  Ketik dan masukkan:

sudo apt-get update

Ketik dan masukkan:

sudo apt-get upgrade

Mengatur ulang:

sudo shutdown -r sekarang

Langkah 5: Aktifkan WiFi & I2C

• Klik ikon WiFi di sudut kanan atas desktop dan sambungkan ke jaringan WiFi Anda.
• Di terminal ketik perintah ini untuk membuka Alat Konfigurasi Perangkat Lunak Pi:

sudo raspi-config

• Pilih "Opsi Antarmuka", lalu "SSH", dan pilih "Ya" di bagian bawah untuk mengaktifkan.
• Kembali ke "Interfacing Options", lalu "I2C", dan pilih "Yes" untuk mengaktifkan.
• Di terminal, instal perangkat lunak koneksi desktop jarak jauh:

sudo apt-get install xrdp

• Ketik 'Y' (ya) pada keyboard Anda untuk kedua petunjuknya.
• Temukan alamat IP Pi dengan mengarahkan kursor ke koneksi WiFi (Anda mungkin juga ingin menuliskannya).
• Ubah kata sandi Pi dengan perintah passwd.

Langkah 6: Mulai ulang Pi dan Masuk dari Jarak Jauh

Kami sekarang dapat membuang HDMI dan periferal, woohoo!

• Siapkan koneksi desktop jarak jauh.

  • Di PC, buka Remote Desktop Connection (atau Putty jika Anda merasa nyaman dengan itu).
  • Untuk Mac/Linux, Anda dapat menginstal program ini atau menggunakan program VNC.
• Masukkan IP untuk Pi dan klik "Connect" (Abaikan peringatan tentang perangkat yang tidak dikenal).
• Masuk ke Pi menggunakan kredensial Anda dan pergilah!

Langkah 7: Bangun Ini: Elektronik

Dua foto di atas menunjukkan skema kelistrikan untuk proyek ini dan Pi Zero Pinout. Kami akan membutuhkan keduanya untuk menangani koneksi perangkat keras.

Catatan: Papan breakout LIS331 dalam skema adalah versi yang lebih lama -- gunakan label pin untuk panduan

Langkah 8: Hubungkan Accelerometer ke GPIO Pi

• Solder dan singkirkan residu fluks dengan hati-hati pada akselerometer dan pin header Pi GPIO.
• Kemudian sambungkan kabel jumper antara papan breakout LIS331 dan Pi antara pin berikut:

LIS331 Breakout Board Raspberry Pi GPIO Pin

GND GPIO 9 (GND)

VCC GPIO 1 (3.3V)

SDA GPIO 3 (SDA)

SCL GPIO 5 (SCL)

Untuk memudahkan penyambungan sensor ke Pi Zero, dibuat custom adapter dengan menggunakan female header dan jumper wire. Heat shrink ditambahkan setelah menguji koneksi

Langkah 9: Tambahkan LED Peringatan

• Solder resistor pembatas arus ke kaki LED negatif (kaki lebih pendek) dan tambahkan bungkus menyusut (atau pita listrik) untuk insulasi.
• Gunakan dua kabel jumper atau pin header untuk menghubungkan kaki LED positif ke GPIO26 dan resistor ke GND (posisi header 37 dan 39, masing-masing).
• Hubungkan baterai ke daya input Pi untuk menyelesaikan penyiapan!

Langkah 10: Program Ini

Kode Python untuk proyek ini adalah open-source! Berikut tautan ke repositori GitHub.

Untuk Orang Baru di Pemrograman:

Baca kode program dan komentar. Hal-hal yang mudah dimodifikasi ada di bagian “Parameter Pengguna” di bagian atas

Untuk Orang Lebih Nyaman dengan Teknis 'Deets:

Program ini menginisialisasi akselerometer LIS331 dengan pengaturan default, termasuk mode daya normal dan kecepatan data 50Hz. Baca lembar data LIS331 dan ubah pengaturan inisialisasi sesuai keinginan

Semua

• Skala akselerasi maksimum yang digunakan dalam proyek ini adalah 24G, karena gaya tumbukan menjadi sangat cepat!
• Disarankan untuk mengomentari pernyataan cetak akselerasi di fungsi utama saat Anda siap untuk penerapan penuh.

Sebelum Anda menjalankan program, periksa kembali apakah alamat akselerometer adalah 0x19. Buka jendela terminal dan instal beberapa alat bermanfaat dengan perintah ini:

sudo apt-get install -y i2c-tools

Kemudian jalankan program i2cdetect:

i2cdetect -y 1

Anda akan melihat tabel alamat I2C yang ditampilkan seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas. Dengan asumsi ini adalah satu-satunya perangkat I2C yang terhubung, nomor yang Anda lihat (dalam hal ini: 19) adalah alamat akselerometer! Jika Anda melihat nomor yang berbeda, perhatikan dan ubah dalam program (variable addr).

Langkah 11: Tinjauan Singkat Program

Program membaca akselerasi x, y, dan z, menghitung g-force, dan kemudian menyimpan data dalam dua file (dalam folder yang sama dengan kode program) sebagaimana mestinya:

• AllSensorData.txt – memberikan cap waktu diikuti oleh g-force di sumbu x, y, dan z.
• AlertData.txt – sama seperti di atas tetapi hanya untuk pembacaan yang berada di atas ambang batas keamanan kami (ambang mutlak 9G atau 4G selama lebih dari 3 detik).

G-forces di atas ambang batas keamanan kami juga akan menyalakan LED peringatan kami dan tetap menyala sampai kami memulai ulang program. Hentikan program dengan mengetik “CTRL+c” (interupsi keyboard) di terminal perintah.

Foto di atas menunjukkan kedua file data yang dibuat selama pengujian.

Langkah 12: Uji Sistem

Buka jendela terminal, arahkan ke folder tempat Anda menyimpan kode program menggunakan perintah cd.

jalur cd/ke/folder

Jalankan program menggunakan hak akses root:

sudo python NameOfFile.py

Periksa apakah nilai percepatan dalam arah x, y, dan z dicetak ke jendela terminal, masuk akal, dan nyalakan lampu LED jika g-force di atas ambang batas kami.

• Untuk menguji, putar akselerometer sehingga setiap sumbu mengarah ke bumi dan periksa apakah nilai yang diukur adalah 1 atau -1 (sesuai dengan percepatan gravitasi).
• Kocok akselerometer untuk memastikan pembacaan meningkat (tanda menunjukkan arah sumbu, kami paling tertarik dengan besarnya pembacaan).

Langkah 13: Amankan Sambungan Listrik & Pasang

Setelah semuanya bekerja dengan benar, pastikan monitor kekuatan benturan benar-benar dapat menahan benturan!

• Gunakan tabung panas menyusut dan/atau lapisi sambungan listrik untuk akselerometer dan LED dalam epoksi.

• Untuk pemasangan permanen yang super tahan lama, pertimbangkan untuk melapisi seluruh shebang dengan epoksi: Pi Zero, LED, dan akselerometer (tetapi BUKAN konektor kabel Pi atau kartu SD).

  Peringatan! Anda masih dapat mengakses Pi dan melakukan semua pekerjaan komputer, tetapi lapisan penuh epoksi akan mencegah penggunaan pin GPIO untuk proyek mendatang. Atau, Anda dapat membuat atau membeli kasing khusus untuk Pi Zero, meskipun memeriksa daya tahannya

Amankan helm, orang Anda, atau moda transportasi seperti skateboard, sepeda, atau kucing Anda*!

Uji sepenuhnya apakah Pi terpasang dengan aman atau pin GPIO mungkin menjadi longgar yang menyebabkan program macet.

*Catatan: Awalnya saya bermaksud mengetik "mobil", tetapi saya pikir monitor kekuatan benturan untuk kucing mungkin juga menghasilkan beberapa data menarik (dengan persetujuan kucing, tentu saja).

Langkah 14: Menanamkan Sirkuit di Helm

Ada beberapa metode embedding sirkuit ke helm. Inilah pendekatan saya untuk pemasangan helm:

• Jika Anda belum melakukannya, sambungkan baterai ke Pi (dengan baterai mati). Amankan akselerometer ke bagian belakang Pi dengan insulasi nonkonduktif di antaranya (seperti bungkus gelembung atau busa kemasan tipis).
• Ukur dimensi kombinasi konektor Pi Zero, akselerometer, LED, dan baterai. Tambahkan 10% di kedua sisi.
• Gambarlah potongan untuk proyek di satu sisi helm, dengan konektor baterai menghadap ke bagian atas helm. Potong bantalan di helm menyisakan beberapa milimeter (~ 1/8 inci).
• Tempatkan sensor, Pi, dan LED pada potongan. Potong bagian bantalan helm berlebih atau gunakan busa kemasan untuk menyekat, melindungi, dan menahan barang elektronik di tempatnya.
• Ukur dimensi baterai, tambahkan 10%, dan ikuti potongan yang sama untuk baterai. Masukkan baterai ke dalam saku.
• Ulangi teknik isolasi untuk baterai di sisi lain helm.
• Pegang bantalan helm di tempatnya dengan selotip (kepala Anda akan menahannya di tempatnya saat Anda memakainya).

Langkah 15: Terapkan

Nyalakan baterai!

Sekarang Anda dapat masuk dari jarak jauh ke Pi melalui SSH atau desktop jarak jauh dan menjalankan program melalui terminal. Setelah program berjalan, program mulai merekam data.

Saat Anda memutuskan sambungan dari WiFi rumah, koneksi SSH akan terputus, tetapi program tetap harus mencatat data. Pertimbangkan untuk menghubungkan Pi ke WiFi hotspot ponsel cerdas Anda, atau cukup masuk kembali dan ambil datanya saat Anda tiba di rumah.

Untuk mengakses data, login ke Pi dari jarak jauh dan baca file teks. Program saat ini akan selalu menambahkan data ke file yang ada – jika Anda ingin menghapus data (seperti dari pengujian), menghapus file teks (melalui desktop atau menggunakan perintah rm di terminal) atau membuat nama file baru di program kode (dalam Parameter Pengguna).

Jika LED menyala, memulai ulang program akan mematikannya.

Sekarang pergilah, bersenang-senanglah dalam hidup, dan periksa data sesering mungkin jika Anda kebetulan menabrak sesuatu. Mudah-mudahan, ini benjolan kecil tapi setidaknya Anda akan tahu!

Langkah 16: Menambahkan Lebih Banyak Fitur

Mencari peningkatan pada monitor kekuatan dampak? Itu di luar cakupan tutorial tetapi coba lihat daftar di bawah ini untuk mendapatkan ide!

Lakukan analisis pada data g-force Anda dengan Python!

Pi Zero memiliki kemampuan Bluetooth dan WiFi - tulis Aplikasi untuk mengirim data akselerometer ke ponsel cerdas Anda! Untuk memulai, inilah tutorial untuk Pi Twitter Monitor.

Tambahkan sensor lain, seperti sensor suhu atau mikrofon*!

Selamat Membangun

*Catatan: Untuk mendengar suara mendesing yang terkait dengan akselerasi Anda!:D