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打開/關(guān)閉閥門并監(jiān)控遠(yuǎn)程流量的開源硬件

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資料介紹

描述

監(jiān)測液體和氣體轉(zhuǎn)移很困難。

大多數(shù)用于處理傳輸?shù)默F(xiàn)代系統(tǒng)包括許多管道部分，每個管道都可以通過截止閥隔離或連接到系統(tǒng)的其他部分。

管理這些眾多的連接點是一項挑戰(zhàn)，并且經(jīng)常需要技術(shù)人員手動訪問閥門以執(zhí)行關(guān)閉。為了避免這些手動過程，設(shè)施管理人員希望能夠遠(yuǎn)程打開和關(guān)閉閥門，并能夠監(jiān)控整個系統(tǒng)中液體或氣體的流速。

這就是為什么我們在Blues Wireless建立了一個基于蜂窩的項目來遠(yuǎn)程監(jiān)控液體通過管道的流速，以及一個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，設(shè)施經(jīng)理可以使用它來根據(jù)需要打開和關(guān)閉閥門。

在本文中，您將看到它是如何工作的。我們將從查看如何連接必要的硬件開始，然后查看設(shè)備的固件和項目的 Web 應(yīng)用程序如何工作。

讓我們開始吧。

組裝硬件

此構(gòu)建所需的主要硬件是：

一個電磁閥（可以打開和關(guān)閉）。
流量計（用于測量流量）。
以及一種發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的方式（這樣您就可以控制您的閥門并遠(yuǎn)程獲取流量計的讀數(shù)）。

注意：如果您的項目只需要測量流量（不需要電磁閥），請在 GitHub 上查看我們的流量監(jiān)視器項目。

對于電磁閥，我們使用了DIGITEN 電磁閥；對于流量計，我們使用了GREDIA 水流量傳感器；為了遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制系統(tǒng)，我們使用了Blues Starter Kit中可用的各種組件。

Blues 入門套件包括一個蜂窩 Notecard ，這是一個蜂窩和支持 GPS/GNSS 的設(shè)備到云數(shù)據(jù)泵，預(yù)裝了 500 MB 的數(shù)據(jù)和 10 年的蜂窩服務(wù)。

Notecard 本身是一個微型 30x35mm 系統(tǒng)模塊，帶有 M.2 連接器，允許我們通過蜂窩連接發(fā)送和接收必要的數(shù)據(jù)。

為了使 Notecard 易于集成到現(xiàn)有原型或項目中，Blues 入門套件還包括一個稱為Notecarrier-F的主機板，其中包括一個用于 Notecard 的連接器，以及一組用于任何與 Feather 兼容的 MCU 的接頭.

Blues Starter Kit 的最后一部分是Blues Wireless Swan ，這是我們將用來運行該項目固件的 MCU。Swan 是一款采用 STM32L4 的開發(fā)板，具有 2MB 閃存和 640KB RAM。它支持 C/C++、Arduino 和 CircuitPython，并且與 Feather 兼容，因此可以很好地插入 Notecarrier-F。

要組裝 Blues Starter Kit 的硬件，您可以完成Notecard 的快速入門教程，之后您將擁有一個看起來像這樣的設(shè)置。

使用 Blues 入門套件，您可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到（和從）云后端，我們將使用該功能來控制我們的電磁閥，并監(jiān)控流量計的讀數(shù)。

入門套件準(zhǔn)備就緒后，我們接下來使用下圖所示的接線圖將電磁閥和流量計連接到 Notecarrier-F。您不必完全按照我們所做的那樣進行設(shè)置，但如果您這樣做，請務(wù)必查看我們正在使用的設(shè)備的完整列表。

無論您最終使用的硬件是什么，您都必須滿足以下要求才能使該項目的固件正常工作。

電磁閥的信號線必須連接到Notecarrier的F_D6引腳。固件使用此引腳打開和關(guān)閉螺線管。
流量計的信號線必須連接到Notecarrier的F_D10引腳。固件使用此引腳從流量計讀取流量。
Notecarrier 的F_D13引腳必須連接到 Notecarrier 的ATTN引腳。每當(dāng) Notecard 收到打開或關(guān)閉電磁閥的命令時，固件都會使用它來響應(yīng)中斷。

當(dāng)一切都放在一起時，您的構(gòu)建應(yīng)該看起來像這樣。

如果您選擇使用外殼（例如我們在這些圖片中使用的來自 Sixfab的外殼），您的項目可以放入一個易于安裝在大多數(shù)設(shè)施中的盒子中。

這樣一來，您現(xiàn)在就擁有了通過 Swan 控制電磁閥和監(jiān)控流量的所有連接方式。但要這樣做，您必須首先設(shè)置一個用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的云后端。

云設(shè)置

Notecard 的一大優(yōu)點是它知道如何開箱即用地將數(shù)據(jù)發(fā)送到云后端 Notehub。Notehub是一種托管服務(wù)，旨在連接到 Notecard 設(shè)備并同步數(shù)據(jù)。

如果您正在跟進并想自己構(gòu)建這個項目，則需要在 notehub.io 上設(shè)置一個免費帳戶，然后創(chuàng)建一個新項目。

創(chuàng)建項目后，請確保復(fù)制新項目的 ProductUID（請參見下面的屏幕截圖），因為您需要該標(biāo)識符才能將 Notecard 連接到新的 Notehub 項目。

您將在整篇文章中了解有關(guān) Notehub 的更多信息，但現(xiàn)在您已經(jīng)設(shè)置了后端，接下來讓我們看看使閥門監(jiān)視器項目正常工作的代碼。

編寫固件

該項目的固件負(fù)責(zé)與 Notecard、電磁閥和流量計進行通信。

GitHub 上提供了實現(xiàn)這一目標(biāo)所需的完整源代碼，但我們將在此處展示最重要的部分。我們使用Platform.io構(gòu)建應(yīng)用程序，使用以 Swan 為目標(biāo)的 Arduino 應(yīng)用程序。（這里是讓所有這些在您的設(shè)備上運行的說明，其中包括添加您之前從 Notehub 復(fù)制的 ProductUID。）

管理閥門

固件必須做的最重要的事情是管理電磁閥的狀態(tài)。我們的電磁閥默認(rèn)是關(guān)閉的，固件必須在收到 Notecard 的命令時提供電源來打開閥門。

為此，固件首先使用其 card.attn 請求武裝 Notecard 以接收中斷。

// Configure ATTN to watch for changes to data.qi.
req = notecard.newRequest("card.attn");
const char *filesToWatch[] = {"data.qi"};
int numFilesToWatch = sizeof(filesToWatch) / sizeof(const char *);
J *filesArray = JCreateStringArray(filesToWatch, numFilesToWatch);
JAddItemToObject(req, "files", filesArray);
JAddStringToObject(req, "mode", "files");
notecard.sendRequest(req);

注意：關(guān)于 Notecard 的一件很酷的事情是它的 API 都是基于 JSON 的——所以要使用 Notecard，您可以發(fā)送簡單的 JSON 對象，并且（如果需要）接收返回的 JSON 對象作為響應(yīng)。

配備 Notecard 后，它會在收到我們稱之為Note的任何時候收到中斷。Note 是包含開發(fā)人員提供的正文的 JSON 對象，是 Notecard 與其 Notehub 后端之間的主要通信方式。

要發(fā)送筆記，您可以使用Notehub API 的 note.add 請求，該請求將數(shù)據(jù)發(fā)送到您的 Notehub 后端，后者又立即將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到您的 Notecard 設(shè)備。

并且因為 Notecard 在收到某些 Notes 時準(zhǔn)備好中斷，固件可以響應(yīng)傳入的 Notes 并打開或關(guān)閉電磁閥。具體來說，固件會查找具有以下 JSON 結(jié)構(gòu)的注釋。

"body": {
    "state": "open" // or "close"
}

固件具有響應(yīng)該中斷并根據(jù)需要打開或關(guān)閉電磁閥的功能。

// Toggle the valve's state. If open, close, If closed, open.
void valveToggle()
{
    if (state.valveOpen) {
        digitalWrite(VALVE_OPEN_PIN, LOW);
    }
    else {
        digitalWrite(VALVE_OPEN_PIN, HIGH);
    }
    state.valveOpen = !state.valveOpen;
}

從流量計讀取數(shù)據(jù)

固件的下一個任務(wù)是監(jiān)控流量計的流量，并定期將該值報告給云端后端。

每當(dāng)有 2.25 mL 的流體通過時，流量計的信號線就會發(fā)出脈沖。因此，作為第一步，我們配置一個中斷處理程序，每當(dāng)我們在信號線上看到從低到高的轉(zhuǎn)換（“下降”）時都會觸發(fā)該中斷處理程序。

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(FLOW_RATE_METER_PIN), flowMeterISR,
    FALLING);

在該中斷處理程序中，我們增加一個計數(shù)器來跟蹤發(fā)生了多少脈沖。

void flowMeterISR()
{
    ++state.flowMeterPulseCount;
}

最后，我們通過跟蹤自上次測量以來發(fā)生的脈沖數(shù)（默認(rèn)為每 500 毫秒）來計算以 mL/min 為單位的速率。

// Calculate the flow rate in mL/min.
uint32_t calculateFlowRate(uint32_t currentMs)
{
    return 60000 * (state.flowMeterPulseCount * 2.25) /
           (currentMs - state.lastFlowRateCalcMs);
}

一旦固件有了流量值，它的最終任務(wù)就是將該數(shù)據(jù)發(fā)送到云端后端。為此，固件使用 Notecard 的 note.add 請求來格式化和發(fā)送流量和閥門狀態(tài)（打開或關(guān)閉）。

J *req = notecard.newRequest("note.add");
if (req != NULL) {
    JAddStringToObject(req, "file", file);
    JAddBoolToObject(req, "sync", true);
    J *body = JCreateObject();
    if (body != NULL) {
        JAddNumberToObject(body, "flow_rate", flowRate);
        if (state.valveOpen) {
            JAddStringToObject(body, "valve_state", "open");
        }
        else {
           JAddStringToObject(body, "valve_state", "closed");
        }
        JAddItemToObject(req, "body", body);
    }
    notecard.sendRequest(req);
}