18世紀の製粉所向けのセンサーネットワークの構築

100年前の工場プロセスの監視は困難ですが、nRF24L01 RF送信機のネットワークを使用すると、より簡単、安全、信頼性が高くなります。

ストーリー

現代の工場プロセスは、施設のさまざまな部分を監視するためにデジタルテクノロジーに大きく依存しています。デジタル技術により、工場はより安全で生産性が高く、操作が簡単になりました。この技術は当然のことと考えられており、古い工場を訪れると明らかになります。私は電気がほとんど使われていない18世紀の製粉所で働いています。フラットベルトとプーリーはラインシャフトから機械に動力を伝達します。私たちの機械の大部分は木でできており、手作業で切断され、1900年代初頭に組み立てられました。仕事の工場プロセスのさまざまな部分を監視するセンサーのネットワークを開発するように依頼されたとき、私は職場を21世紀に持ち込む機会に飛びつきました。

ミルは、多数の小さなプロセスが同時に発生する1つの大きなマシンと考えることができます。したがって、これらのプロセスを監視し、何かが正常に機能していないときにアラートを出すことができるさまざまなセンサーが必要でした。プロジェクトの立ち上げに含まれる最初のセンサーは、穀物貯蔵庫内で測定を行い、穀物貯蔵庫がどれだけ満たされているかを把握し、AC Tech SMVectorコントローラーの0〜10v DC出力を監視し、建物のさまざまな部分の温度と湿度を読み取ります。将来のセンサーには、注ぎ口を流れる穀物を測定する注ぎ口流量計、穀物が通過する噴出を記録する2方向バルブの磁気スイッチ、およびベアリングがどれだけ熱くなったかを知らせるラインシャフトベアリングの温度センサーが含まれます。

このネットワークの導入により、建物の4階全体のプロセスを視覚的に検査することなく時間を節約でき、さまざまなプロセスの一部を定量化して統計目的のデータを得ることができます。

ネットワークは、標準ノード、センサーに接続されたArduino搭載デバイス、ベースノード、ネットワークハブとして機能するArduinoデバイス、およびサーバーとして機能するデバイスであるRaspberryPiとデータインタープリター。

「フライス盤」または工場1階

ハードウェア

nRF24L01（RF24）モジュールは、他のRF24モジュールとデータを送受信できる無線周波数送信機です。以下の配線図に従って、RF24モジュールをArduinoNanoに接続できます。

RF24モジュールとArduinoNano

RF24モジュールの配線図は5ボルトで電力を供給できますが、3.3ボルトで電力を供給することをお勧めします。 RF24モジュールが散発的に電力を失わないようにするには、デカップリングコンデンサが必要です。 RFモジュールの電源ピンと接地ピンの近くに10uFの電解コンデンサを使用しました（図には示されていません）。このコンデンサがないと、RFモジュールのパフォーマンスが低下します。

RF24モジュールについて理解したら、さまざまなセンサーに対応できるようにカスタマイズできるPCBを作成するときが来ました。

すべてのネットワークノードに使用した設計設計したPCBは、Arduino Nano、RF24モジュール、10 uF電解コンデンサ、2つのインジケータLED、LED用の2つの抵抗、およびノードに電力を供給するためのマイクロUSBメスコネクタを配置するスポット。ノードをまとめると、次のようになります…

RF24を使用せずに組み立てられたボードとArduinoNanoAの完全に組み立てられたノード各ノードは3D印刷されたケースに入れられ、壁や表面に簡単に取り付けることができます。

ノードとケースの例範囲の問題のため、RF24を変更してより長いアンテナを追加しました。アンテナの変更により、標準のRF24モジュールの範囲が5〜10フィートの範囲から20または30フィートに拡大されます。 RF24アンテナを変更するために、18ゲージの単線を約7インチに切断し、RF24アンテナのトレースの端にはんだ付けしました。警告：RF24アンテナを伸ばすと、アンテナに過度の圧力がかかると、RF24モジュールの既存のトレースが引き上げられる可能性があります。

ストックRF24とアンテナプレソルダーRF24トレース、アンテナの整列、はんだ付けアイロンの塗布大量のはんだを使用実験中、新しいアンテナの両側に大量のホットグルーを塗布しました。新しいアンテナをRF24モジュールに固定するのに役立つことがわかりました。

ベースノードとRaspberryPiサーバーシステムを統合するには、各ネットワークにすべてのデータがルーティングされるベースノードが必要です。私のプロジェクトでは、シリアルケーブルを介してRaspberryPiに接続されたノードを使用します。ノードはネットワークメッセージの送受信に使用され、RPIはデータの記録と解釈のための中央サーバーとして使用されます（サーバープログラムについては、このプロジェクトの後半で説明します）。

ノードとケース

ノードとベースのプログラミング

このプロジェクトでは、RF24メッセージングを処理するためにRF24Networkライブラリ（Tmrh20によって作成された）のみを使用しました。 RF24Networkライブラリを使用すると、ノードのネットワークをツリー構造で構造化できます。アドレスは8進形式で書き出されます。各RF24モジュールは5つ以下のノードに分岐でき、それらのサブノードのアドレスの後に親アドレスが続きます。したがって、2つのノードをノード2の下に割り当てる場合は、一方のノードを012（ノード2の子である最初のノード）としてアドレス指定し、もう一方のノードを022（ノード2の子である2番目のノード）としてアドレス指定します。。

アドレス指定はツリー構造で行われますもう少し理解できるように、ネットワークに接続されているいくつかのノードの基本的なレイアウトを次に示します。

私のネットワーク構造ノード01、011、0111、01111をリピーターノードとして使用しています。つまり、これらは主にツリー構造のさらに下のノードから情報を送信するために使用されます。ノード03、0211、0311はすべてセンサーノードです。つまり、ノード00に送り返す必要のあるデータを生成するセンサーが接続されています。

リピーターの例（これは2階のリピーターです）リピーターの別の例（これは3階のリピーターです） ノードとセンサープログラム

ノードプログラムは、作成しているノードで実行されます。これはエンドポイントとして機能するプログラムであり、データはノードに接続されたセンサーから生成されます。センサーを変更せずに（何が起こっているのかを説明するコメント付きで）ノードコードのバージョンを提供しましたが、プロジェクトのネットワーク用に作成したプログラム（ノードコードとは少し異なります）も含めています。

基本プログラム

ベースプログラムは、ベースノード（ノード00と表記）で実行するプログラムです。

プログラムに関する注意事項。メッセージのデータ構造を作成する場合、C構造体はエンドポイントプログラムとベースプログラムの両方で同一である必要があります。

センサーをノードに接続する

ネットワークは、3種類のセンサー、フルグレインビンの状態を測定するセンサー、特定のモーターの出力を監視するセンサー、建物周辺の温度と湿度の測定値を提供するセンサーで開始されました。

グレインビンセンシング

超音波センサーの配線穀物貯蔵庫の深さを測定するために、センサーが穀物貯蔵庫を指すように、穀物貯蔵庫の上部に超音波センサーを設置しました。次に、3つの超音波センサーをノードのプロトボード領域に設定したピンにケーブルで接続しました。各エコーピンは個別のArduinoピンに配線されていますが、プログラミングを容易にするためにトリガーピンは共有されています。

ビン検知ノード（3つのビンに3つの超音波センサー）3つの超音波センサーが取り付けられた別のノードビンに取り付けられた超音波センサーの写真 温度と湿度の検知

DHT11の配線 DHT11は、工場の建物全体の温度と湿度を測定するために使用されます。穀物や小麦粉を扱う場合、温度と湿度の変動が小麦粉の製粉の細かさに影響を与える可能性があるため、これは重要な情報です。

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