描述

現代工廠流程在很大程度上依賴于數字技術來監控設施的不同部分。借助數字技術，工廠變得更安全、更高效且更易于操作。這項技術被認為是理所當然的，當您參觀越來越老的工廠時，這一點就會變得顯而易見。我在一家 18 世紀的磨坊工作，那里幾乎不用電。平皮帶和皮帶輪將動力從傳動軸傳輸到機械，我們的大部分機械都是用木頭制成的，手工切割并在 1900 年代初期組裝。當我被要求開發一個傳感器網絡來監控工廠流程的不同部分時，我抓住了這個機會，將我的工作場所帶入了 21 世紀。

工廠可以被認為是一臺大機器，同時有許多較小的過程。因此，我們需要各種傳感器來監督這些過程，并在出現問題時提醒我們。該項目啟動時包含的初始傳感器在糧倉內進行測量，以確定它有多滿，監控 AC Tech SMVector 控制器的 0-10v 直流輸出，并獲取建筑物各個部分的溫度和濕度讀數。未來的傳感器將包括測量流經噴口的谷物的噴口流量計、記錄谷物通過哪個噴口的二通閥上的磁性開關，以及讓我們了解軸承溫度的總軸軸承上的溫度傳感器。

通過引入該網絡，我們可以節省時間，無需四處走動以目視檢查整個建筑物的四層樓的流程，并且我們可以量化不同流程的各個部分，為我們提供用于統計目的的數據。

該網絡由標準節點、連接到傳感器的 Arduino 供電設備、基本節點、充當網絡集線器的 Arduino 設備以及充當服務器和數據解釋器的 Raspberry Pi 組成。

硬件

nRF24L01（RF24）模塊是一個射頻發射器，能夠向其他RF24模塊發送和接收數據。RF24 模塊可以按照下面的接線圖連接到 Arduino Nano。

RF24 模塊可以在 5 伏電壓下供電，但建議您在 3.3 伏電壓下供電。為確保 RF24 模塊不會偶爾斷電，需要一個去耦電容器。我在 RF 模塊的電源和接地引腳附近使用了一個 10 uF 電解電容器（圖中未顯示）。如果沒有這個電容，RF 模塊將表現不佳。

一旦我了解了 RF24 模塊，就可以制作可定制的 PCB，以支持不同的傳感器。

我設計的 PCB 包括一個 Arduino Nano、一個 RF24 模塊、一個 10 uF 電解電容器、2 個 LED 指示燈、兩個用于 LED 的電阻器，以及一個用于放置微型 USB 母連接器以為節點供電的位置。當一個節點放在一起時，它看起來像這樣......

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然后將每個節點封裝在一個 3D 打印的外殼中，使其易于安裝到墻壁和表面上。

由于范圍問題，我修改了 RF24 以添加更長的天線。天線修改將庫存 RF24 模塊的范圍從 5-10 英尺范圍擴大到 20 或 30 英尺。為了修改 RF24 天線，我將一根 18 號實心線剪成大約 7 英寸，并將其焊接到 RF24 天線走線的末端。警告：如果對天線施加的壓力太大，延伸 RF24 天線可能會拉起 RF24 模塊上預先存在的跡線。

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我在新天線的兩側涂了一大團熱膠，因為在實驗過程中，我發現它有助于將新天線加固到 RF24 模塊。

為了將系統整合在一起，每個網絡都需要一個將所有數據路由到的基本節點。在我的項目中，我使用通過串行電纜連接到 Raspberry Pi 的節點。節點用于發送和接收網絡消息，RPI 用作記錄和解釋數據的中央服務器（服務器程序將在本項目后面解釋）。

節點和基礎編程

對于這個項目，我專門使用RF24Network庫（由 Tmrh20 創建）來處理 RF24 消息傳遞。RF24Network 庫允許您在樹結構中構建節點網絡。地址以八進制格式寫出。每個 RF24 模塊最多可以分支成 5 個節點，這些子節點的地址后跟父地址。因此，如果我們要將兩個節點分配到節點 2 下，那么我們將一個節點指定為 012（第一個節點是節點 2 的子節點），另一個節點指定為 022（第二個節點是節點 2 的子節點） .

所以你可以更好地理解一點，這是我網絡中連接的幾個節點的基本布局。

我使用節點 01、011、0111 和 01111 作為轉發器節點，這意味著它們主要用于從樹結構中更靠下的節點傳輸信息。節點 03、0211 和 0311 都是傳感器節點，這意味著它們連接了傳感器，這些傳感器生成我們需要發送回節點 00 的數據。

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節點和傳感器程序

Node 程序在您正在創建的節點上運行。這是充當端點的程序，其中數據從連接到節點的傳感器生成。我提供了一個沒有對我的傳感器進行任何修改的節點代碼版本（帶有解釋發生了什么的注釋），但我還包括我為我的項目網絡編寫的程序（與節點代碼略有不同）。

基地計劃

基本程序是您在基本節點（標記為節點 00）上運行的程序。

關于程序需要注意的一點是，當您為消息創建數據結構時，端點程序和基礎程序中的 C 結構需要相同。

將傳感器附加到節點

該網絡推出了 3 種傳感器類型，用于測量谷物箱滿滿程度的傳感器，用于監控某些電機功率輸出的傳感器，以及為我們提供建筑物周圍溫度和濕度讀數的傳感器。

糧倉傳感

為了測量糧倉的深度，我在糧倉頂部安裝了超聲波傳感器，使傳感器指向倉內。然后我將 3 個超聲波傳感器連接到我在節點的原型板區域設置的引腳。每個回聲針都連接到一個單獨的 Arduino 針，但觸發針是共享的，以便于編程。

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溫濕度傳感

DHT11用于測量整個廠房的溫度和濕度。這是重要的信息，因為在處理谷物和面粉時，溫度和濕度的波動會影響面粉的研磨細度。

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SMVector 3 相控制器監視器

要將小麥漿果磨成面粉，我們必須用石磨研磨漿果。磨機本身使用連接到 AC Tech SMVector 控制器的三相電機運行，該控制器可以選擇輸出 0-10 伏模擬信號，該信號與電機消耗的電流成比例。這對于監控很有用，因為石磨可以打開其進料機構，讓更多的谷物進入磨機，這使得磨機更難研磨谷物。最終，這會導致電機試圖補償、吸收更多電流，并最終過載和卡住。網絡允許我們遠程監控電流，因此如果我們看到該值穩定上升，我們可以在磨機開始超載之前手動關閉進料機構。該電路充當分壓器，

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Python服務器程序

消息從網絡中的 RF24 節點發送后，消息被路由到基節點（地址 00），然后作為字符串通過串行電纜發送到 Raspberry Pi。

該程序將收到一條消息，將其分解為多個組成部分，解釋數據，然后將其顯示在 GUI 中。從 GUI 中，您可以查看節點\傳感器信息并使用輸入框和“發送命令”按鈕向節點發送消息。每 10 條消息后，程序會自動將節點信息保存到文本文件中，以便日后分析。

最后的想法

我這個項目的目標是建立一個 RF24 網絡，可以從一個中心位置監控我們工廠的不同部分。通過使用 RF24 模塊、Arduino Nano 和各種傳感器，我能夠創建一個廉價的解決方案來完成我的目標，同時構建一個可以輕松構建和擴展的強大框架。雖然網絡不是完全無線的（節點需要電源線，除非節點由電池供電），但在網絡中實施新節點就像打開設備一樣簡單。

更新更好的版本

如果你想在我已經完成的工作的基礎上再接再厲，我設計了一個更好的 PCB，它更容易制作傳感器。我會將該板作為 gerber 文件包括在內，如果您想根據我的工作構建自己的網絡，我建議您使用 Network Board 版本 2 而不是版本 1。

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