Un compteur de niveau d'eau de puits en temps réel : 6 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

Ces instructions décrivent comment construire un compteur de niveau d'eau en temps réel à faible coût pour une utilisation dans des puits creusés. Le compteur de niveau d'eau est conçu pour être suspendu à l'intérieur d'un puits creusé, mesurer le niveau d'eau une fois par jour et envoyer les données par connexion Wi-Fi ou cellulaire à une page Web pour une visualisation et un téléchargement immédiats. Le coût des pièces pour construire le compteur est d'environ 200 $ CAN pour la version WiFi et 300 $ CAN pour la version cellulaire. Le compteur est illustré à la figure 1. Un rapport complet avec des instructions de construction, une liste de pièces, des conseils pour la construction et l'utilisation du compteur, et comment installer le compteur dans un puits d'eau est fourni dans le fichier joint (Water Level Meter Instructions.pdf). Les compteurs de niveau d'eau ont été utilisés pour développer un réseau régional de surveillance des aquifères peu profonds en temps réel en Nouvelle-Écosse, Canada: https://fletcher.novascotia.ca/DNRViewer/index.htm… Instructions pour construire un compteur similaire qui mesure l'eau la température, la conductivité et les niveaux d'eau sont disponibles ici:

Le compteur de niveau d'eau utilise un capteur à ultrasons pour mesurer la profondeur de l'eau dans le puits. Le capteur est connecté à un appareil Internet des objets (IoT) qui se connecte à un réseau WiFi ou cellulaire et envoie les données de niveau d'eau à un service Web à représenter graphiquement. Le service Web utilisé dans ce projet est ThingSpeak.com, qui est gratuit pour les petits projets non commerciaux (moins de 8 200 messages/jour). Pour que la version WiFi du compteur fonctionne, elle doit être située à proximité d'un réseau WiFi. Les puits d'eau domestique remplissent souvent cette condition car ils sont situés à proximité d'une maison avec WiFi. Le compteur n'inclut pas d'enregistreur de données, il envoie plutôt les données de niveau d'eau à ThingSpeak où elles sont stockées dans le cloud. Par conséquent, s'il y a un problème de transmission de données (par exemple lors d'une panne d'Internet), les données de niveau d'eau pour ce jour-là ne sont pas transmises et sont définitivement perdues.

Le compteur a été conçu et testé pour des puits creusés de grand diamètre (0,9 m de diamètre intérieur) avec de faibles profondeurs d'eau (moins de 10 m sous la surface du sol). Cependant, il pourrait potentiellement être utilisé pour mesurer les niveaux d'eau dans d'autres situations, telles que les puits de surveillance environnementale, les puits forés et les plans d'eau de surface.

La conception du compteur présentée ici a été modifiée d'après un compteur conçu pour mesurer les niveaux d'eau dans un réservoir d'eau domestique et signaler le niveau d'eau via Twitter, publié par Tim Ousley en 2015: https://www.instructables.com/id/Wi -Fi-Twitter-Wa…. Les principales différences entre la conception originale et la conception présentée ici sont la possibilité de faire fonctionner le compteur avec des piles AA au lieu d'un adaptateur secteur filaire, la possibilité d'afficher les données dans un graphique chronologique au lieu d'un message Twitter, et l'utilisation d'un capteur à ultrasons spécialement conçu pour mesurer les niveaux d'eau.

Des instructions étape par étape pour la construction du compteur de niveau d'eau sont fournies ci-dessous. Il est recommandé que le constructeur lise toutes les étapes de construction avant de commencer le processus de construction du compteur. L'appareil IoT utilisé dans ce projet est un photon particulaire, et par conséquent, dans les sections suivantes, les termes « appareil IoT » et « Photon » sont utilisés de manière interchangeable.

Fournitures

Parties éléctroniques:

Capteur – MaxBotix MB7389 (portée 5 m)

Appareil IoT - Particle Photon avec en-têtes

Antenne (antenne interne installée à l'intérieur du boîtier du compteur) - Connecteur 2,4 GHz, 6dBi, IPEX ou u. FL, 170 mm de long

Bloc-piles – 4 X AA

Fil – fil de liaison avec connecteurs enfichables (longueur 300 mm)

Piles – 4 X AA

Pièces de plomberie et de quincaillerie:

Tuyau - ABS, 50 mm (2 pouces) de diamètre, 125 mm de long

Top cap, ABS, 50 mm (2 pouces), fileté avec joint pour faire un joint étanche

Capuchon inférieur, PVC, 50 mm (2 pouces) avec filetage femelle NPT de pouce pour s'adapter au capteur

2 coupleurs de tuyaux, ABS, 50 mm (2 pouces) pour connecter les capuchons supérieur et inférieur au tuyau ABS

Boulon à œil et 2 écrous, en acier inoxydable (1/4 pouce) pour faire accrocher sur le top cap

Autres matériaux: ruban électrique, ruban téflon, soudure, silicone, colle pour l'assemblage du boîtier

Étape 1: Assembler le boîtier du compteur

Assemblez le boîtier du compteur comme indiqué sur les figures 1 et 2 ci-dessus. La longueur totale du compteur assemblé, bout à bout, y compris le capteur et le boulon à œil, est d'environ 320 mm. Le tuyau ABS de 50 mm de diamètre utilisé pour fabriquer le boîtier du compteur doit être coupé à environ 125 mm de longueur. Cela laisse suffisamment d'espace à l'intérieur du boîtier pour loger l'appareil IoT, la batterie et une antenne interne de 170 mm de long.

Sceller tous les joints avec de la colle silicone ou ABS pour rendre le boîtier étanche. Ceci est très important, sinon l'humidité peut pénétrer à l'intérieur du boîtier et détruire les composants internes. Un petit sachet déshydratant peut être placé à l'intérieur du boîtier pour absorber l'humidité.

Installez un boulon à œil dans le capuchon supérieur en perçant un trou et en insérant le boulon à œil et l'écrou. Un écrou doit être utilisé à la fois à l'intérieur et à l'extérieur du boîtier pour fixer le boulon à œil. Silicone à l'intérieur du capuchon au niveau du trou de boulon pour le rendre étanche.

Étape 2: Fixez les fils au capteur

Trois fils (voir la figure 3a) doivent être soudés au capteur afin de le fixer au photon (c'est-à-dire les broches du capteur GND, V+ et la broche 2). Souder les fils au capteur peut être difficile car les trous de connexion sur le capteur sont petits et rapprochés. Il est très important que les fils soient correctement soudés au capteur afin qu'il y ait une bonne et solide connexion physique et électrique et qu'il n'y ait pas d'arcs de soudure entre les fils adjacents. Un bon éclairage et une loupe facilitent le processus de soudure. Pour ceux qui n'ont pas d'expérience en soudure, un peu de pratique de soudure est recommandé avant de souder les fils au capteur. Un didacticiel en ligne sur la façon de souder est disponible auprès de SparkFun Electronics (https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder…).

Une fois les fils soudés au capteur, tout fil dénudé en excès qui dépasse du capteur peut être coupé avec des pinces coupantes sur une longueur d'environ 2 mm. Il est recommandé de recouvrir les joints de soudure d'un épais cordon de silicone. Cela donne aux connexions plus de force et réduit le risque de corrosion et de problèmes électriques au niveau des connexions du capteur si de l'humidité pénètre dans le boîtier du compteur. Du ruban électrique peut également être enroulé autour des trois fils au niveau de la connexion du capteur pour fournir une protection supplémentaire et un soulagement des contraintes, réduisant ainsi le risque de rupture des fils au niveau des joints de soudure.

Les fils du capteur peuvent avoir des connecteurs de type push-on (voir la figure 3b) à une extrémité pour se connecter au photon. L'utilisation de connecteurs enfichables facilite le montage et le démontage du compteur. Les fils du capteur doivent mesurer au moins 270 mm de long afin qu'ils puissent s'étendre sur toute la longueur du boîtier du compteur. Cette longueur permettra au Photon d'être connecté à partir de l'extrémité supérieure du boîtier avec le capteur en place à l'extrémité inférieure du boîtier. Notez que cette longueur de fil recommandée suppose que le tuyau ABS utilisé pour fabriquer le boîtier du compteur est coupé à une longueur de 125 mm. Confirmez avant de couper et de souder les fils au capteur qu'une longueur de fil de 270 mm est suffisante pour s'étendre au-delà du haut du boîtier du compteur afin que le Photon puisse être connecté après que le boîtier a été assemblé et que le capteur est fixé de façon permanente à l'affaire.

Le capteur peut maintenant être fixé au boîtier du compteur. Il doit être vissé fermement dans le capuchon inférieur, en utilisant du ruban téflon pour assurer une étanchéité à l'eau.

Étape 3: connectez le capteur, la batterie et l'antenne à l'appareil IoT

Fixez le capteur, la batterie et l'antenne au photon (Figure 4) et insérez toutes les pièces dans le boîtier du compteur. Une liste des connexions des broches indiquées dans la Figure 4 est fournie ci-dessous. Les fils du capteur et de la batterie peuvent être attachés en soudant directement au photon ou avec des connecteurs de type push-on qui se fixent aux broches d'en-tête sur la face inférieure du photon (comme le montre la figure 2). L'utilisation de connecteurs enfichables facilite le démontage du compteur ou le remplacement du Photon en cas de défaillance. La connexion de l'antenne sur le Photon nécessite un connecteur de type u. FL (Figure 4) et doit être très fermement poussée sur le Photon pour établir la connexion. N'installez pas les piles dans le bloc-piles tant que le compteur n'est pas prêt à être testé ou installé dans un puits. Il n'y a pas d'interrupteur marche/arrêt inclus dans cette conception, donc le compteur est allumé et éteint en installant et en retirant les piles.

Liste des broches de connexion sur l'appareil IoT (Particle Photon):

Broche photon D3 - connecter à - Broche 2 du capteur, données (fil marron)

Broche photon D2 - connecter à - Broche 6 du capteur, V+ (fil rouge)

Broche photon GND - connecter à - Broche du capteur 7, GND (fil noir)

Broche photon VIN - connecter à - Batterie, V+ (fil rouge)

Broche photon GND - connecter à - Batterie, GND (fil noir)

Broche photon u. FL - se connecter à - Antenne

Étape 4: Configuration du logiciel

Cinq étapes principales sont nécessaires pour configurer le logiciel du compteur:

1. Créez un compte Particle qui fournira une interface en ligne avec le Photon. Pour cela, téléchargez l'application mobile Particle sur un smartphone: https://docs.particle.io/quickstart/photon/. Après avoir installé l'application, créez un compte Particle et suivez les instructions en ligne pour ajouter le Photon au compte. Notez que tous les photons supplémentaires peuvent être ajoutés au même compte sans avoir besoin de télécharger l'application Particle et de créer à nouveau un compte.

2. Créez un compte ThingSpeak https://thingspeak.com/login et configurez un nouveau canal pour afficher les données de niveau d'eau. Un exemple de page Web ThingSpeak pour un compteur d'eau est illustré à la Figure 5, qui peut également être consultée ici: https://thingspeak.com/channels/316660. Les instructions pour configurer un canal ThingSpeak sont fournies sur https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w… Notez que des canaux supplémentaires pour d'autres Photons peuvent être ajoutés au même compte sans qu'il soit nécessaire de créer un autre compte ThingSpeak.

3. Un « webhook » est nécessaire pour transmettre les données de niveau d'eau du Photon au canal ThingSpeak. Les instructions pour configurer un webhook sont fournies à l'adresse https://docs.particle.io/tutorials/device-cloud/w…. Si plusieurs compteurs d'eau sont en cours de construction, un nouveau webhook avec un nom unique doit être créé pour chaque photon supplémentaire.

4. Le webhook qui a été créé à l'étape ci-dessus doit être inséré dans le code qui exploite le Photon. Le code de la version WiFi du compteur de niveau d'eau est fourni dans le fichier joint (Code1_WiFi.txt). Sur un ordinateur, accédez à la page Web Particle https://login.particle.io/login?redirect=https://… connectez-vous au compte Particle et accédez à l'interface de l'application Particle. Copiez le code et utilisez-le pour créer une nouvelle application dans l'interface de l'application Particle. Insérez le nom du webhook créé ci-dessus dans la ligne 87 du code. Pour ce faire, supprimez le texte à l'intérieur des guillemets et insérez le nouveau nom du webhook à l'intérieur des guillemets à la ligne 87, qui se lit comme suit:

Particle.publish("Insert_Webhook_Name_Inside_These_Quotes", String(GWelevation, 2), PRIVATE);

5. Le code peut maintenant être vérifié, enregistré et installé sur le Photon. Notez que le code est stocké et installé sur le Photon depuis le cloud. Ce code sera utilisé pour faire fonctionner le compteur d'eau lorsqu'il se trouve dans le puits d'eau. Pendant l'installation sur le terrain, certaines modifications devront être apportées au code pour définir la fréquence de rapport à une fois par jour et ajouter des informations sur le puits d'eau (ceci est décrit dans le fichier ci-joint Water Level Meter Instructions.pdf dans la section intitulée Installation du compteur dans un puits d'eau »).

Étape 5: Testez le compteur

La construction du compteur et la configuration du logiciel sont maintenant terminées. À ce stade, il est recommandé de tester le compteur. Deux tests doivent être effectués. Le premier test est utilisé pour confirmer que le compteur peut mesurer correctement les niveaux d'eau et envoyer les données à ThingSpeak. Le deuxième test est utilisé pour confirmer que la consommation électrique du photon est dans la plage attendue. Ce deuxième test est utile car les batteries tomberont en panne plus tôt que prévu si le Photon consomme trop d'énergie.

À des fins de test, le code est configuré pour mesurer et signaler les niveaux d'eau toutes les deux minutes. Il s'agit d'une période pratique d'attente entre les mesures pendant que le compteur est testé. Si une fréquence de mesure différente est souhaitée, remplacez la variable appelée MeasureTime à la ligne 16 du code par la fréquence de mesure souhaitée. La fréquence de mesure est saisie en secondes (c'est-à-dire que 120 secondes correspondent à deux minutes).

Le premier test peut être effectué au bureau en suspendant le compteur au-dessus du sol, en l'allumant et en vérifiant que le canal ThingSpeak signale avec précision la distance entre le capteur et le sol. Dans ce scénario de test, l'impulsion ultrasonore se réfléchit sur le sol, qui est utilisé pour simuler la surface de l'eau dans le puits.

Pour le deuxième test, le courant électrique entre la batterie et le Photon doit être mesuré pour confirmer qu'il correspond aux spécifications de la fiche technique Photon: https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-d… L'expérience a montré que ce test permet d'identifier les appareils IoT défectueux avant leur déploiement sur le terrain. Mesurez le courant en plaçant un ampèremètre entre le fil positif V+ (fil rouge) sur la batterie et la broche VIN sur le photon. Le courant doit être mesuré à la fois en mode de fonctionnement et en mode veille profonde. Pour ce faire, allumez le Photon et il démarrera en mode de fonctionnement (comme indiqué par la LED sur le Photon prenant une couleur cyan), qui se déroulera pendant environ 20 secondes. Utilisez le moulinet pour observer le courant de fonctionnement pendant ce temps. Le Photon passera alors automatiquement en mode veille prolongée pendant deux minutes (comme indiqué par l'extinction de la LED sur le Photon). Utilisez le courantomètre pour observer le courant de sommeil profond à ce moment. Le courant de fonctionnement doit être compris entre 80 et 100 mA, et le courant de veille profonde doit être compris entre 80 et 100 µA. Si le courant est supérieur à ces valeurs, le photon doit être remplacé.

Le compteur est maintenant prêt à être installé dans un puits d'eau (Figure 6). Des instructions sur la façon d'installer le compteur dans un puits d'eau sont fournies dans le fichier joint (Water Level Meter Instructions.pdf).

Étape 6: Comment créer une version cellulaire du compteur

Une version cellulaire du compteur d'eau peut être construite en apportant des modifications à la liste des pièces, aux instructions et au code décrits précédemment. La version cellulaire ne nécessite pas de WiFi car elle se connecte à Internet via un signal cellulaire. Le coût des pièces pour construire la version cellulaire du compteur est d'environ 300 $ CAN (hors taxes et frais d'expédition), plus environ 4 $ CAN par mois pour le forfait de données cellulaires fourni avec l'appareil IoT cellulaire.

Le compteur cellulaire utilise les mêmes pièces et étapes de construction énumérées ci-dessus avec les modifications suivantes:

• Remplacez l'appareil WiFi IoT (Particle Photon) par un appareil IoT cellulaire (Particle Electron): https://store.particle.io/collections/cellular/pr…. Lors de la construction du compteur, utilisez les mêmes connexions de broches décrites ci-dessus pour la version WiFi du compteur à l'étape 3.

• L'appareil IoT cellulaire utilise plus d'énergie que la version WiFi, et donc deux sources de batterie sont recommandées: une batterie Li-Po 3,7 V, fournie avec l'appareil IoT, et une batterie avec 4 piles AA. La batterie LiPo 3,7 V se fixe directement à l'appareil IoT avec les connecteurs fournis. Le bloc-piles AA est attaché à l'appareil IoT de la même manière que décrit ci-dessus pour la version WiFi du compteur à l'étape 3. Les tests sur le terrain ont montré que la version cellulaire du compteur fonctionnera pendant environ 9 mois en utilisant la configuration de la batterie décrite ci-dessus.. Une alternative à l'utilisation à la fois de la batterie AA et de la batterie Li-Po 2000 mAh 3,7 V consiste à utiliser une batterie Li-Po 3,7 V avec une capacité plus élevée (par exemple 4000 ou 5000 mAh).

• Une antenne externe doit être fixée au compteur, telle que: https://www.amazon.ca/gp/product/B07PZFV9NK/ref=p…. Assurez-vous qu'il est évalué pour la fréquence utilisée par le fournisseur de services cellulaires où le compteur d'eau sera utilisé. L'antenne fournie avec l'appareil IoT cellulaire n'est pas adaptée à une utilisation en extérieur. L'antenne externe peut être connectée avec un long câble (3 m) qui permet de fixer l'antenne à l'extérieur du puits à la tête de puits (Figure 7). Il est recommandé d'insérer le câble d'antenne par le bas du boîtier et de le sceller soigneusement avec du silicone pour empêcher l'entrée d'humidité (Figure 8). Un câble d'extension coaxial extérieur de bonne qualité et étanche est recommandé.

• L'appareil IoT cellulaire fonctionne avec un code différent de celui de la version WiFi du compteur. Le code de la version cellulaire du compteur est fourni dans le fichier joint (Code2_Cellular.txt).