Lampiran Sistem Sensor Lingkungan untuk UAV: 18 Langkah

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

Tujuan dari Instruksi ini adalah untuk menjelaskan cara membangun, memasang, dan mengoperasikan sistem sensor lingkungan Integrated Solutions Technology bersama dengan drone DJI Phantom 4. Paket sensor ini menggunakan drone untuk diangkut ke lingkungan yang berpotensi berbahaya untuk mengidentifikasi tingkat risiko karbon monoksida (CO), karbon dioksida (CO2), dan gas propana cair (LPG) saat ini dibandingkan dengan standar OSHA dan EPA. Penting untuk dicatat bahwa meskipun sensor radiasi juga ditampilkan dalam Instruksi ini, ia akan beroperasi sebagai entitas terpisah dari sensor gas, dan produk akhir yang ditampilkan hanya akan menyertakan komponen sensor gas yang tercantum di atas.

Langkah 1: Kumpulkan Alat, Perangkat Lunak, dan Bahan yang Diperlukan

Alat yang digunakan:

1. Perangkat Lunak Arduino (https://www.arduino.cc/en/Main/Software)
2. Tang
3. Gergaji Meja dengan Pisau Abrasif
4. Penggiling Meja

Bahan-bahan yang digunakan:

1. DJI Phantom 4
2. Arduino Uno
3. Baterai Eksternal Jackery 3350mAh
4. Papan tempat memotong roti standar
5. Sensor Karbon Monoksida - MQ - 7
6. Sensor Gas Propana Cair - MQ - 6
7. Sensor Karbon Dioksida CO2 - MG - 811
8. AK9750 Si7021 Sensor Kelembaban dan Suhu
9. Sensor Radiasi Pocket Geiger - Tipe 5
10. Modem Bluetooth - BlueSMiRF Gold
11. Tali Gantungan Baja Lembut
12. Kit Penemu SparkFun
13. Pita Pemasangan Dua Sisi 3M

Langkah 2: Merakit Sensor dan Kabel Mikrokontroler

Akses semua lembar data sensor dari produsen produk untuk menentukan pin input dan output yang diperlukan untuk pengoperasian komponen yang tepat. Untuk membangun orientasi yang efisien untuk semua komponen yang disediakan dalam paket gas dan radiasi, setiap sensor dan modul harus disambungkan secara terpisah untuk memastikannya beroperasi saat terhubung ke mikrokontroler sebelum diintegrasikan ke papan tempat memotong roti tunggal. Untuk memastikan kejelasan, proses untuk membangun setiap jenis rangkaian dasar dan kode terkandung dalam langkah-langkah berikut.

Langkah 3: Tentukan Pin Input dan Output untuk Sensor Karbon Monoksida MQ - 7

Seperti yang ditunjukkan pada diagram di atas, komponen CO harus memiliki tiga pin tegangan input pada rel paling kanan yang terhubung ke catu daya mikrokontroler 5V. Pin input analog akan dihubungkan ke salah satu pin mikrokontroler berlabel A0, A1, A2, dll, sedangkan pin ground terhubung ke pin ground mikrokontroler. Akhirnya, resistor 10K ohm digunakan untuk menghubungkan pin sensor kiri bawah ke ground. Penting untuk dicatat bahwa pinout ini berlaku untuk sensor CO2 dan LPG yang juga digunakan dalam sistem ini.

Langkah 4: Hubungkan Sensor Sesuai Dengan Pinout ke Pin Input dan Output Mikrokontroler

Seperti yang dibahas pada langkah sebelumnya, satu pin ditunjuk sebagai pin input analog ke mikrokontroler. Dalam kode dasar yang ditampilkan di atas, dan tersedia untuk diunduh pada langkah berikutnya, pin analog yang ditentukan adalah pin A0. Sesuai dengan penunjukan ini, sambungkan pin kiri atas ke pin A0 mikrokontroler. Kemudian, input 5V umum dan rel arde dapat dibuat dengan menghubungkan rel daya papan tempat memotong roti paling kiri (ditunjuk dengan simbol "-") ke pin arde dan rel paling kanan ("+") ke pin 5V. Dengan memasang kabel pada papan tempat memotong roti dengan cara ini, pin sensor dapat dihubungkan langsung ke rel papan tempat memotong roti, memungkinkan koneksi yang bersih ke mikrokontroler. Struktur ini disajikan dalam gambar rangkaian dasar di atas.

Langkah 5: Unduh Kode Basis Sensor Gas

Setelah terhubung, unggah kode dasar Arduino yang diperoleh dari halaman produk SparkFun (https://www.sparkfun.com/products/9403; terlampir) dengan menekan panah yang terletak di kiri atas antarmuka untuk memverifikasi bahwa komponen terhubung sesuai dengan pinout.

Langkah 6: Buka Serial Monitor untuk Memastikan Pengoperasian

Buka monitor serial dengan memilih ikon kaca pembesar di kanan atas antarmuka. Ini akan membuka jendela terpisah yang ditunjukkan di atas, di mana output sensor, awalnya pembacaan tegangan, akan ditampilkan. Jika data tidak ditampilkan di monitor serial seperti yang ditunjukkan, verifikasi bahwa fungsi analogRead mengacu pada nomor yang benar dari kabel pin analog pada tahap awal proses ini.

Langkah 7: Ulangi Langkah 3-6 untuk Sensor Gas LPG dan Karbon Dioksida

Ulangi definisi pin, pengkabelan sensor, dan pengunggahan kode untuk memastikan pengoperasian sensor tambahan.

Langkah 8: Kawat SparkFun Si7021 Sensor Kelembaban dan Suhu (Opsional)

Proses umum yang sama yang diuraikan untuk sensor gas akan diterapkan untuk sensor suhu dan kelembaban. Namun, pinout berbeda dari sensor gas dan ditampilkan di atas. Pin VCC (kedua dari kanan pada sensor) akan dihubungkan ke sumber daya mikrokontroler 5 atau 3,3 V dan pin ground akan dihubungkan ke ground mikrokontroler seperti yang terlihat pada kabel sensor gas. Alih-alih pin output analog, sensor ini berisi pin output SDA dan SCL yang bertanggung jawab untuk mengirimkan data dari sensor ke mikrokontroler untuk diproses. Sensor ini dapat digunakan untuk memverifikasi keakuratan pengukuran sensor gas dibandingkan dengan nilai lembar datanya.

Langkah 9: Unduh Kode Basis Sensor Kelembaban dan Suhu Si7021 SparkFun

Setelah pemasangan kabel selesai, kode sampel terlampir (diadaptasi dari https://www.sparkfun.com/products/13763) harus diunggah ke mikrokontroler untuk memastikan konstruksi sirkuit yang benar. Seperti yang dijelaskan dengan kode sensor gas, verifikasi bahwa komponen mentransmisikan suhu dan kelembaban dengan mengakses monitor serial. Penting untuk dicatat bahwa kode dasar ini mencakup penggunaan dua pustaka komponen SparkFun yang berbeda. Agar kode ini dapat dikompilasi dan diunggah ke mikrokontroler, pengguna perlu menginstal pustaka ini melalui metode yang ditunjukkan pada Langkah 9.

Langkah 10: Tambahkan Perpustakaan Komponen Arduino

Implementasi perpustakaan Arduino dalam kode diidentifikasi melalui penggunaan perintah #include seperti yang terlihat di dekat bagian atas kode Langkah 8. Tanpa penyertaan pustaka ini, kode tidak akan dapat dikompilasi atau diunggah ke mikrokontroler. Untuk mengakses dan menginstal perpustakaan ini, buka tab sketsa, perluas Sertakan Perpustakaan, dan pilih Kelola Perpustakaan. Ketik nama library yang dibutuhkan (teks yang muncul setelah perintah #include), klik opsi yang diinginkan, pilih versi, dan tekan install.

Langkah 11: Sensor Radiasi Kawat Saku Geiger - Tipe 5

Seperti yang dinyatakan sebelumnya, komponen ini akan disertakan secara terpisah dari sensor gas. Dalam menyiapkan produk ini, prosesnya masih sama; sambungkan pin komponen ke output masing-masing seperti yang ditunjukkan pada pinout di atas. Hubungkan pin VCC ke sumber 5V yang terletak di mikrokontroler dan pin ground ke ground mikrokontroler seperti yang dilakukan dengan sensor gas. Kemudian, sambungkan pin sinyal dan noise ke pin mikrokontroler 2 dan 5 secara berurutan. Setelah menyelesaikan tugas ini, unggah kode dasar yang diadaptasi dari radiation-watch.org melalui Github (https://www.sparkfun.com/products/142090) dan komponen ini siap dioperasikan.

Langkah 12: Kembangkan Pengkabelan Sensor Terintegrasi

Setelah memasang kabel satu per satu pada setiap sensor untuk memastikan pengoperasiannya, mulailah mengintegrasikan setiap kabel sensor dalam format yang dipadatkan sehingga semua sensor yang dijelaskan di atas terhubung ke papan tempat memotong roti, seperti yang ditampilkan pada gambar di atas. Referensi tabel di atas untuk menghubungkan pin Arduino yang diperlukan dengan benar ke komponen masing-masing sehingga kode di bawah ini tidak perlu diubah sebelum diunggah. Untuk mendukung format yang dipadatkan, gunakan power dan ground rail yang sama dengan menghubungkan satu power rail papan tempat memotong roti sebagai 5V dan yang lainnya sebagai 3.3V. Hubungkan kedua rel tanah bersama-sama sambil memberikan koneksi ke pin tanah mikrokontroler Arduino. Setelah selesai, unggah kode terlampir untuk mengakses kemampuan sensor gas yang terpasang di papan. Kode Arduino terlampir akan mengontrol sensor gas, serta sensor suhu dan kelembaban, dan menampilkan data pengukurannya, dalam bagian per juta melalui monitor serial. Ini juga akan memberikan klasifikasi tingkat bahaya dari data yang diukur. Sensor radiasi dapat bergantung pada pengukuran terikat waktu (yaitu hitungan per menit), jadi disarankan untuk mengoperasikan komponen ini secara terpisah dari sensor gas. Untuk mendukung perbedaan ini, sensor CO, LPG, dan CO2 akan menjadi satu-satunya komponen yang dibahas saat mikrokontroler dipasangkan dengan modul Bluetooth. Namun, penting untuk dicatat bahwa proses berikut dapat diikuti untuk mencapai hasil yang sama dengan sensor radiasi.

Langkah 13: Memulai Koneksi Bluetooth Antara Telepon dan Modul

Setelah sistem sensor yang diinginkan dirakit, dikodekan, dan dipadatkan, langkah selanjutnya adalah menghubungkan perangkat pengguna secara nirkabel ke sistem. Ini akan memungkinkan pembacaan sensor langsung dikirim ke pengguna pada jarak yang jauh dari area bahaya. Koneksi sistem sensor dan perangkat pengguna akan difasilitasi dengan modul Bluetooth BlueSMiRF Arduino. Modul ini akan terhubung dengan aplikasi mobile “Arduino Bluetooth Data” yang dapat diunduh dari Google Play store. Antarmuka ini akan langsung menampilkan pembacaan yang diperoleh baik dari sensor gas, kehadiran manusia, atau sensor radiasi, dan akan dapat diakses hingga 350 kaki dan akan memperingatkan pengguna tentang perubahan pembacaan sensor, sekaligus memungkinkan pengguna untuk menilai apakah tingkat bahaya bahaya lingkungan terdeteksi sehubungan dengan peraturan OSHA dan EPA.

Komponen harus disambungkan secara terpisah, seperti yang ditunjukkan dengan sensor, untuk menginisialisasi pengaturan komponen dan mengevaluasi pengoperasian. Menggunakan diagram komponen yang ditunjukkan pada gambar di atas, komponen akan disambungkan dengan input daya 5V dan pin ground, sedangkan pin komponen TX dan RX akan dihubungkan ke dua pin digital yang ditentukan pengguna. Seperti yang ditunjukkan oleh gambar, pin TX ditugaskan ke pin digital kedua dan RX didefinisikan sebagai yang ketiga. Setelah menyelesaikan tugas ini, jalankan kode contoh yang ditemukan di bawah ini untuk memulai penyiapan komponen. Pada titik ini, LED komponen harus berkedip perlahan dengan warna merah. Akses monitor serial dan aktifkan opsi di bagian bawah jendela untuk membaca, “No line ending” dan “9600 baud,” di kotak dropdown, masing-masing. Kemudian ketik "$$$" ke dalam kotak perintah, dan tekan "Kirim." Ini akan memulai "Mode Perintah" di komponen, dan menyebabkan LED berkedip cepat dengan warna merah. Selain itu, komponen akan mengirim pesan "CMD" kembali ke monitor serial.

Alihkan pengaturan dropdown monitor serial lagi untuk membaca "Newline" dan "9600 baud," sebelum melanjutkan dengan pengaturan. Perintah kirim "D" dan "E" ke monitor serial untuk menampilkan pengaturan komponen, termasuk nama pabrik. Untuk memasangkan ke ponsel Anda, buka pengaturan Bluetooth, pilih nama modul Bluetooth yang diberikan (ECEbluesmirf untuk contoh yang diberikan). Setelah pemilihan ini, kirim perintah "I" untuk memindai perangkat berkemampuan Bluetooth. Nomor pertama akan digunakan untuk menyinkronkan kedua perangkat, dengan mengirimkan "C, Nomor Pertama." Setelah selesai, LED Bluetooth akan berubah menjadi hijau pekat.

Langkah 14: Hubungkan Sistem ke Aplikasi Seluler - Pengguna Android

Untuk mengakses data sensor di Android, unduh aplikasi seluler "Arduino Bluetooth Data" dari Google Play store. Buka aplikasi seluler dan ketuk nama modul Bluetooth pada antarmuka pengguna untuk terhubung. Saat diminta, pilih aplikasi sebagai penerima. Antarmuka yang menampilkan data sensor akan ditampilkan dan modul akan berisi LED hijau solid. Setelah selesai, unggah kode terlampir untuk mengaktifkan sensor dan mengambil data bahaya lingkungan. Nama sensor dapat diperbarui untuk mengakomodasi sensor yang digunakan, seperti yang dilakukan untuk mencapai tangkapan layar di atas.

Langkah 15: Buat Kurung Pendukung untuk Memasang Sistem Sensor

Perakitan sistem sensor memerlukan penggunaan dua tali gantungan baja lunak dan pita pemasangan perekat dua sisi 3M untuk dipasang pada drone DJI Phantom 4. Langkah pertama adalah menekuk dan membentuk tali gantungan baja lunak ke drone. Ini membutuhkan total panjang tali awal 23 inci. Dari stok ini, potong tali yang sama menggunakan gergaji meja dengan pisau abrasif. Kemudian, giling ujungnya untuk menghilangkan gerinda. Hasil proses ditunjukkan pada gambar pertama yang ditampilkan di atas. Selama proses ini Anda ingin menghindari pemotongan di sepanjang slot terbuka, untuk menghindari melemahnya ujung tali.

Langkah selanjutnya akan membutuhkan pembengkokan tali agar pas di drone. Disarankan untuk menggunakan tang untuk membengkokkan baja dan meletakkan tali di bagian bawah rel. Pusatkan tali pada rel kaki drone, dan tandai di mana tepi kaki rel. Ini akan berfungsi sebagai visual untuk tempat menekuk baja. Tekuk tali sedikit demi sedikit sampai melingkari pagar, mencegah geser.

Langkah 16: Merakit Sistem ke Drone

Contoh perakitan sistem sensor akan didemonstrasikan menggunakan tali gantungan baja lunak dan pita perekat. Seperti yang telah dibahas sebelumnya, tali gantungan baja lunak ditekuk dan ditempatkan di bagian bawah drone untuk membuat platform bagi komponen tempat duduk. Setelah ini selesai, pasang komponen ke tali dengan perekat agar aman, tetapi tidak mengganggu pengoperasian normal drone. Untuk memberikan ruang yang cukup, contoh ini menggunakan dua tali gantungan yang mendukung baterai eksternal, mikrokontroler, dan papan tempat memotong roti. Selain itu, sensor ditempatkan di bagian belakang drone.

Langkah 17: Menggunakan Sistem Ini untuk Mengevaluasi Risiko Bahaya

Untuk menentukan tingkat keparahan tingkat bahaya yang disajikan oleh sistem ini, seseorang harus mengacu pada standar berikut. Hijau menunjukkan lingkungan yang aman untuk semua yang ada di area yang diminati, sedangkan ungu menunjukkan konsentrasi lingkungan yang paling buruk, yang menyebabkan efek mematikan. Sistem warna yang digunakan berasal dari Program Bendera Kualitas Udara EPA.

Karbon Monoksida (OSHA)

• 0-50 PPM (Hijau)
• 50-100 PPM (Kuning)
• 100-150 PPM (Oranye)
• 150-200 PPM (Merah)
• >200 PPM (Ungu)

Gas Propana Cair (NCBI)

• 0-10.000 PPM (Hijau)
• 10.000-17.000 PPM (Kuning)
• >17.000 PPM (Merah)

Karbon Dioksida (Lembaga CCS Global)

• 0-20, 00 PPM (Hijau)
• 20.000-50.000 PPM (Kuning)
• 50.000-100.000 PPM (Oranye)
• 100.000-150.000 PPM (Merah)
• >150.000 PPM (Ungu)

Langkah 18: Memanfaatkan Sistem untuk Mengumpulkan Data Terukur

Sekarang setelah perakitan akhir telah selesai, sistem siap untuk beroperasi. Karena kode yang diperlukan untuk memungkinkan mikrokontroler mengoperasikan sistem sensor sudah diunggah, mikrokontroler dapat dihubungkan ke baterai ponsel untuk mengirimkan data, sebagai pengganti komputer. Sistem sekarang siap digunakan dalam aplikasi penilaian bahaya lingkungan!