QuakeSense

Quakesense

يعد مشروع Quakesense نظامًا مفتوحًا للزلزال والمراقبة البيئية يتكون من قوة منخفضة وشبكة إنترنت الأشياء المنخفضة التكلفة المصنوعة من عقد مستشعر مستقلة للطاقة يتم تشغيله من خلال نظام حصاد الطاقة ويتم توصيله ببوابة في طوبولوجيا النجوم.
يعتمد المشروع على تقنيتين ناشئتين في إنترنت الأشياء ، MQTT و LORA ، واحدة من أكثر تقنيات شبكات المناطق ذات الطاقة المنخفضة الواعدة (LPWAN) التي توفر حل وسط جيد بين التغطية والاستهلاك الحالي وطول الندود على النطاق الترددي ومعدل البيانات.
يتم تقديم البيانات التي تم جمعها للمستخدمين بفضل واجهة مخصصة على شبكة الإنترنت ، مما يتيح المراقبة في الوقت الفعلي لكل من الأحداث الزلزالية والمعلمات البيئية.

تنفس المشروع

المكونات الرئيسية لمشروع Quakesense هي: عقد مستشعر واحد أو أكثر ، وبوابة لورا واحدة من القناة واحدة ومنصة IoT Cloud.

وصف المكون

العقد المستشعر

تتكون كل عقدة مستشعر من المكونات التالية:

• لوحة تطوير STM32 Nucleo F401RE بناءً على STM32F401RE 84 MHz ARM Cortex-M4 MCU مع وحدة نقطة عائمة (FPU) ، 512 كيلو بايت من ذاكرة الفلاش و 96 كيلو بايت من SRAM
  • ورقة بيانات STM32F401RE MCU: http://www.st.com/resource/en/datashet/stm32f401re.pdf)
• X-Nucleo-IKS01A2 Motion MOME MOMS ولوحة توسيع المستشعر البيئي بما في ذلك:
  • LSM6DSL: مقياس التسارع 3D MEMS و 3D الجيروسكوب
    • ورقة البيانات: http://www.st.com/resource/en/datashet/lsm6dsl.pdf
  • LSM303AGR: مقياس التسارع MEMS 3D ومقياس المغنطيسية
    • ورقة البيانات: http://www.st.com/resource/en/datashet/lsm303agr.pdf
  • LPS22HB: مستشعر ضغط MEMS
    • ورقة البيانات: http://www.st.com/resource/en/datashet/lps22hb.pdf
  • HTS221: الرطوبة النسبية الرقمية السعة ومستشعر درجة الحرارة
    • ورقة البيانات: http://www.st.com/resource/en/datashet/hts221.pdf
• درع Dragino Lora/GPS بما في ذلك:
  • RFM95W 137 MHz إلى 1020 ميجاهرتز منخفضة الطاقة ، LORA RF طويلة المدى
    • ورقة البيانات: http://www.hoperf.com/upload/rf/rfm95_96_97_98w.pdf
  • وحدة GPS Quectel L80 استنادًا إلى نظام GPS Mediatek MTK MTK MT339 All-in-واحد على شريحة (SOC)
    • ورقة البيانات: https://www.quectel.com/uploadimage/downlad/l80_hardware_design_v1.1.pdf
• Seed Studio Solar Charger Shield v2.2 الذي يتم توصيله:
  • بطارية Adafruit 2000 Mah Lipo
    • ورقة البيانات: https://cdn-shop.adafruit.com/datashets/liion2000mah37v.pdf
  • لوحة Seared Studio 1.5 W Solar
    • ورقة البيانات: http://wiki.seeedstudio.com/1.5w_solar_panel_81x137/

بشكل افتراضي ، تعمل كل عقدة مستشعر في وضع الطاقة المنخفضة. في هذا التكوين ، يتم تشغيل STM32 MCU في وضع التوقف (يتم إيقاف MCU ويتم إيقاف الساعة ، ولكن يتم الاحتفاظ بمحتوى SRAM والسجلات) ، تكون وحدة GPS في وضع COMMOONT دائمًا (وضع توفير الطاقة الذكي الذي يسمح لوحدة GPS بالتكيف وتلقائيًا في الوقت المناسب للبيئة وحركة الحركة) ، في حين
عندما يحدث حدث زلزالي ، يقوم مقياس التسارع بإنشاء مقاطعة مرتبطة بحدث الاستيقاظ وتبدأ العقدة في وضع التشغيل ، مما يؤدي إلى استيقاظ STM32 MCU ووحدة GPS بالكامل في الوضع ، بينما يتم وضع وحدة LORA في وضع الإرسال. يحدث حدث الاستيقاظ إذا تجاوز واحد على الأقل من مكونات التسارع الثلاثة عتبة المرجع (50 ملغ للمكونات الأفقية ، 1120 ملغ للمكونات العمودية).
بمجرد الوصول إلى وضع التشغيل ، تبدأ عقدة المستشعر في قراءة وتسجيل بيانات التسارع لحساب مدة الأقواس ، والتي يتم تعريفها على أنها الفاصل الزمني بين أول وأخير تجاوز عتبة التسارع ، والمكونات الثلاثة لتسريع الذروة الأرضية (PGA) ، والتي تُعرف بأنها الحد الأقصى للتسجيل في القيمة المطلقة. يتم أيضًا مرجع معلمات الحركة القوية المحسوبة أيضًا بفضل وحدة GPS ، بحيث تتم إضافة معلمات خطوط الطول والخطوط والارتفاع والتاريخ والوقت إلى حزمة Lora التي يتم إرسالها أخيرًا إلى البوابة.
يتوقع السلوك الأساسي للعقدة مراقبة دورية (افتراضيًا ، كل 15 دقيقة) للمعلمات البيئية (درجة الحرارة ، الرطوبة النسبية والضغط) من خلال مستشعرات MEMS LPS22HB و HTS221.

بوابة

تتكون بوابة لورا القناة الواحدة من المكونات التالية:

• B-L475E-UIOT01A2 STM32L4 Discovery Kit Phinking:
  • STM32L475VG: Ultra-Low-Power Arm Cortex-M4 MCU والذي يتضمن وحدة نقطة عائمة (FPU) ، 1 ميغابايت من ذاكرة الفلاش و 128 كيلو بايت من SRAM
    • ورقة البيانات: http://www.st.com/resource/en/datashet/stm32l475vg.pdf
  • مخترع ISM43362-M3G-L44: وحدة Wi-Fi (802.11 B/G/N)
    • ورقة البيانات: http://www.inventeksys.com/wp-content/uploads/ism43362_m3g_l44_functional_spec
  • SPSGRF-868: وحدة RF منخفضة الطاقة الفرعية (868 ميجا هرتز)
    • ورقة البيانات: http://www.st.com/resource/en/datashet/spsgrf.pdf
  • SPBTLE-RF: وحدة Bluetooth V4.1
    • ورقة البيانات: http://www.st.com/resource/en/datashet/spbtle-rf.pdf
  • M24SR64-Y: علامة NFC الديناميكية بما في ذلك أيضًا هوائي NFC مطبوع
    • ورقة البيانات: http://www.st.com/resource/en/datashet/m24sr64-y.pdf
  • HTS221: الرطوبة النسبية السعوية ومستشعر درجة الحرارة
    • ورقة البيانات: http://www.st.com/resource/en/datashet/hts221.pdf
  • LSM303AGR: مقياس التسارع 3D MEMS و MEMS 3D المغنطيسي
    • ورقة البيانات: http://www.st.com/resource/en/datashet/lsm303agr.pdf
  • LSM6DSL: مقياس التسارع 3D MEMS و MEMS 3D الجيروسكوب
    • ورقة البيانات: http://www.st.com/resource/en/datashet/lsm6dsl.pdf
  • LSP22HB: 260-1260 HPA مقياس الإخراج الرقمي المطلق
    • ورقة البيانات: http://www.st.com/resource/en/datashet/lps22hb.pdf
• درع دراجينو لورا الذي يتضمن:
  • RFM95W منخفضة الطاقة ، LORA RF طويلة المدى على أساس SX1276
    • ورقة البيانات: http://www.hoperf.com/upload/rf/rfm95_96_97_98w.pdf

البوابة مسؤولة وظيفيًا عن تلقي الحزم المرسلة بواسطة العقد المستشعر ، وتوحل القيم المغلفة وإعادة توجيهها إلى منصة Adafruit IO عبر بروتوكول MQTT.
تتعامل البوابة أيضًا مع سلامة الحزم: في كل مرة يتم فيها استلام حزمة جديدة ، تقوم البوابة بحساب الفحص وتقارنها بالرسالة التي تم استلامها. في حالة عدم تطابق ، يتم إسقاط الحزمة وإرسال رسالة خطأ إلى منصة Adafruit IO.

adafruit io

يتم استخدام منصة Adafruit IO لجمع ومعالجة وتصور البيانات البيئية في الوقت الفعلي ومعلمات الحركة القوية المتعلقة بالأحداث الزلزالية.
تتكون واجهة المستخدم (UI) من لوحة معلومات ، والتي تتضمن بعض الأدوات التي يتم تنفيذها من خلال الرسوم البيانية الخطية والقياس وغيرها من الكتل لإظهار قيمة المعلمات البيئية واتجاه الوقت للمكونات الثلاثة لتسريع الذروة.

مكونات البرمجيات

مكتبات البرامج والأطر المستخدمة لتنفيذ مشروع Quakesense هي:

1. Arduino Core Stm32: https://github.com/stm32duino/arduino_core_stm32
2. مكتبة STM32LowPower: https://github.com/stm32duino/stm32lowpower
3. مكتبة Adafruit GPS: https://github.com/biagiom/adafruit_gps
4. مكتبة Arduino Lora: https://github.com/sandeepmistry/arduino-lora
5. WIFI-IMS43362-M3G-L44 مكتبة: https://github.com/stm32duino/wifi-ism43362-m3g-l44
6. LSM6DSL Library: https://github.com/stm32duino/lsm6dsl
7. HTS221 مكتبة: https://github.com/stm32duino/hts221
8. LPS22HB Library: https://github.com/stm32duino/lps22hb

المؤلفون

Biagio Montaruli - [email protected]

رخصة

تم ترخيص هذا البرنامج بموجب شروط GNU GPLV3. انظر ملف الترخيص. md لمزيد من التفاصيل.

شكر وتقدير

تم تطوير هذا المشروع لأطروحتي الجامعية في إنترنت الأشياء بجامعة باري في كلية الفنون التطبيقية (Poliba).
أود أن أقول شكرًا خاصًا لأستاذي ومشرفي Luigi Alfredo Grieco ، وإلى جميع الباحثين وأفراد مختبر Telematics (@Telematics-DEV) الذين ساعدوني أثناء تطوير هذا المشروع.