سیستم مانیتورینگ سطح مایع مبتنی بر گوشی های هوشمند 

سیستم مانیتورینگ سطح مایع مبتنی بر گوشی‌های هوشمند موضوعی است که قصد داریم در این مقاله شما علاقه‌مندان به الکترونیک را با آن آشنا سازیم. اندازه‌گیری سطح مایع در مخازن برای نظارت و  یا کنترل در صنایع فرآیندی ضروری است. در کارخانه‌های فرآوری شده، مخازن حاوی مایعات مختلفی هستند که به طور کلی هزینه‌بر هستند. برخی از مایعات نیز قابل اشتعال و خورنده هستند. بنابراین، کنترل سطح مایعات در مخزن بسیار ضروری است تا از مخزن سرریز نشود.

روش‌های مختلفی برای نظارت بر سطح مایعات استفاده می‌شود و انتخاب فناوری مورد استفاده بر اساس چندین فاکتور انجام می‌شود:

حداکثر و حداقل دما

حداکثر و حداقل فشار

هندسه مخزن

ماهیت مایع

مواد ساخت مخزن

هیچ ردیاب یا سوئیچ سطحی وجود ندارد که بتواند دقت یا قابلیت اطمینان بودن یک برنامه خاص را دقیقاً مشخص کند. یکی از محبوب‌ترین ردیاب‌های سطح، ردیاب سطح التراسونیک است. از مزایای آشکارساز سطح اولتراسونیک می‌توان به استفاده بدون تماس آن و مناسب بودن آن برای مایعات مختلف اشاره کرد. ردیاب‌های سطح اولتراسونیک با تولید یک پالس اولتراسونیک و اندازه‌گیری زمان لازم برای بازگشت یا انعکاس صدا عمل می‌کنند.

اگر ردیاب در بالای مخزن نصب شده باشد، پالس در هوا با سرعت 331m / sec در 0 درجه سانتیگراد حرکت می‌کند. بنابراین زمان سفر نشانه‌ای از عمق فضای خالی بالای مایع در مخزن است. در صورت وجود آب در دمای 25 درجه سانتیگراد، پالس اولتراسونیک با سرعت 1505m / sec حرکت می‌کند. برای آزمایش، آشکارساز را در بالای یک شیشه نصب کردیم و مایع مورد استفاده آب بود. نمونه اولیه در شکل 1 نشان داده شده است.

تصویر صفحه برنامه Android برای نظارت بر سطح آب در مخزن در شکل 2 نشان داده شده است. نمودار بلوک پروژه در شکل 3 نشان داده شده است.

ساختار مدار سیستم مانیتورینگ سطح مایع

این پروژه از دو قسمت تشکیل شده است: یک واحد فرستنده ساخته شده در اطراف Arduino Uno، یک ماژول بلوتوث HC-05 و یک ماژول حسگر اولتراسونیک (HC-SR04). واحد گیرنده تلفن هوشمند Android شما است که یک برنامه Android نصب شده است. نمودار مدار پروژه (فرستنده) در شکل 5 نشان داده شده است. اجزای اصلی مورد استفاده در این پروژه عبارتند از:

برنامه اندروید

برنامه نظارت بر سطح (levelmonitoring.apk) با استفاده از MIT App Inventor ساخته شده است. هنگامی که این برنامه در حال اجرا است، داده‌های ارسال شده توسط ماژول بلوتوث HC-05 در تلفن‌های هوشمند Android دریافت و نمایش داده می‌شود. برنامه نظارت بر سطح در تلفن هوشمند Micromax Q372 با Android Lollipop v5.0 آزمایش شده است.

آردوینو اونو Arduino Uno یک صفحه توسعه مبتنی بر میکروکنترلر AVR ATmega328P با شش پایه ورودی آنالوگ و چهارده پایه ورودی / خروجی دیجیتال است. این میکروکنترلر دارای حافظه فلش ISP 32 کیلوبایت، RAM 2 کیلوبایت و EEPROM 1 کیلوبایت است. این برد قابلیت ارتباط سریال از طریقUART ، SPI و I2C را فراهم می‌کند. میکروکنترلر می‌تواند با فرکانس ساعت 16 مگاهرتز کار کند. ماژول بلوتوث HC-05 و ماژول حسگر اولتراسونیک (HC-SR04) با Arduino Uno رابط دارند.

ماژول بلوتوث HC-05

استفاده از ماژول بلوتوث SPP (پروتکل پورت سریال) که برای راه‌اندازی اتصال سریال بی‌سیم شفاف استفاده می‌شود آسان است. پورت سریال ماژول بلوتوث یک مدولاسیون کاملاً واجد شرایط V2.0 Bluetooth 3Mbps EDR (نرخ داده پیشرفته) با گیرنده رادیویی و باند پایه 2.4GHz کامل است. از سیستم بلوتوث تک تراشه CSR Bluecore 04-External با فناوری CMOS و AFH (ویژگی پرش فرکانس تطبیقی) استفاده می‌کند. نمای بالای ماژول بلوتوث 6 پین HC-05 در شکل 4 نشان داده شده است. این پروژه فقط از چهار پایه RXD ، TXD ، Vcc و GND ماژول HC-05 استفاده می‌کند. بنابراین، می‌توانید از هر ماژول بلوتوث 4 پین مشابه برای این پروژه استفاده کنید.

ماژول حسگر اولتراسونیک HC-SR04

ماژول محدوده اولتراسونیک HC-SR04 عملکرد اندازه‌گیری غیر تماسی 2 سانتی‌متر تا 400 سانتی‌متر با دقت تا 3 میلی‌متر را فراهم می‌کند. این ماژول شامل یک فرستنده، گیرنده و مدار کنترل فراصوت است و دارای چهار پایه echo ، trig ، Vcc و GND است. اصل اساسی کار ماژول به شرح زیر است:

پین Trig (ماشه) یک پین ورودی است. این برای پالس بالا با حداقل 10 میکرو ثانیه ساخته شده است  که با دریافت آن به طور خودکار هشت انفجار صوتی 40 کیلوهرتز (سیگنال‌های اولتراسونیک) ارسال می‌کند. این سیگنال پس از بازتاب از جسم / آب، توسط پین اکو دریافت می‌شود.

پین اکو یک پین خروجی است. برای مدتی زیاد می‌شود که برابر با مدت زمان برگشت موج اولتراسونیک به سنسور است. پین اکو زمان حرکت موج صدا را در میکروثانیه فراهم می‌کند.

نمودار اتصال ماژول اولتراسونیک با آردوینو در شکل 5 نشان داده شده است.

سنسور اولتراسونیک با ارسال یک موج فراصوت و محاسبه زمان لازم برای انعکاس صدا، فاصله بین سنسور و جسم / مایع را اندازه‌گیری می‌کند. اگر زمان بین ماشه و اکو مشخص باشد، می‌توان فاصله جسم را با ضرب نیمی از زمان با سرعت صدا در هوا محاسبه کرد. این اصل در اینجا برای تشخیص سطح آب در یک مخزن استفاده می‌شود. نحوه کار سنسور در شکل 6 و 7 نشان داده شده است.

همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است، هنگامی که مخزن خالی است، موج فراصوت به پایین مخزن برخورد می‌کند و منعکس می‌شود. در نتیجه، عمق مخزن خالی را در ارتفاع ‘H’ تشخیص می‌دهد.

اگر مخزن تا ارتفاع “h” از آب پر شود، موج فراصوت از سطح آب منعکس می‌شود و عمق فضای خالی “y” بالای آب را تشخیص می‌دهد، همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است.

وقتی “H” و “y” شناخته شدند، می‌توان سطح آب “h” را با کم کردن “y” از “H” ، یعنی h = (H-y) محاسبه کرد. مقدار H هنگام کالیبراسیون اولیه هنگام خالی بودن مخزن فقط یک بار محاسبه می‌شود. برای تنظیم ما، مقدار H 17 سانتی‌متر بود. می‌توانید مقدار H را در کد به 30cm ، 50cm یا هر مقدار دیگر بسته به ارتفاع مخزن تغییر دهید.

مقدار سطح آب با استفاده از ارتباط سریال به ماژول بلوتوث HC-05 ارسال می‌شود. همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، پین‌های RXD و TXD ماژول بلوتوث به ترتیب به پایه‌های TX و RX برد Arduino Uno متصل می‌شوند. ماژول بلوتوث HC-05 این داده‌ها را از طریق بلوتوث به صورت بی‌سیم به تلفن هوشمند می‌فرستد. داده‌های دریافت شده در تلفن هوشمند در برنامه نمایش داده می‌شود. برای اتصال ماژول بلوتوث به تلفن هوشمند، این موارد باید جفت شوند.

ساخت و تست سیستم مانیتورینگ سطح مایع

کد منبع ‘smart_water_level.ino’ را در صفحه Arduino Uno بارگیری کنید. برنامه ‘Level Monitoring’ در تلفن هوشمند Android نصب شده است. در مرحله بعدی، بلوتوث تلفن هوشمند خود را روشن کنید.

وقتی مدار (سمت فرستنده) را روشن می‌کنید، ماژول بلوتوث HC-05 با بلوتوث در تلفن هوشمند Android شما جفت می‌شود. کلید عبور پیش فرض “1234” یا “0000” است.

پس از جفت شدن موفق، برنامه “Level Monitoring” را از تلفن هوشمند باز کرده و آرم بلوتوث را فشار دهید. لیستی از دستگاه‌های بلوتوث شناسایی شده توسط تلفن هوشمند دریافت خواهید کرد. شما باید یک دستگاه HC-05 را از لیست انتخاب کنید.

پس از اتصال موفقیت‌آمیز، یک پیام “متصل” در صفحه اصلی برنامه دریافت خواهید کرد. برنامه Android اکنون نمایش داده‌های سطح آب دریافت شده از سمت فرستنده را شروع می‌کند.

همانطور که در شکل 5 نشان داده شده مدار را جمع کرده و سنسور اولتراسونیک را در بالای ظرف / ظرفی که می‌خواهید سطح مایع آن را اندازه بگیرید قرار دهید. همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است، برای عیب‌یابی می‌توانید ولتاژها را در نقاط مختلف تست بررسی کنید.

تصویری از گوشی هوشمندی که هنگام آزمایش سطح آب = 9 سانتی‌متر را نشان می‌دهد در شکل 8 نشان داده شده است.

برای دانلود کد این پروژه کلیک کنید.