为 18 世纪 Gristmill 构建传感器网络

监测 100 年旧的工厂流程很困难，但有了 nRF24L01 射频发射器网络，它会变得更容易、更安全和更可靠。

故事

现代工厂流程严重依赖数字技术来监控设施的不同部分。借助数字技术，工厂变得更安全、更高效且更易于操作。这项技术被认为是理所当然的，当您访问越来越老的工厂时，这一点就会变得显而易见。我在一个 18 世纪的谷物磨坊工作，那里几乎不使用电。平皮带和皮带轮将动力从线轴传输到机器，我们的大部分机器由木头制成，手工切割并在 1900 年代初组装。当我被要求开发一个传感器网络来监控我工作的工厂流程的不同部分时，我抓住了将我的工作场所带入 21 世纪的机会。

可以将轧机视为一台大型机器，同时进行许多较小的流程。因此，我们需要各种传感器来监督这些过程，并在出现问题时提醒我们。项目启动时包含的初始传感器在粮仓内进行测量，以确定它的装满情况，监控 AC Tech SMVector 控制器的 0-10v dc 输出，并获取建筑物各个部分的温度和湿度读数。未来的传感器将包括测量流经喷嘴的谷物的喷嘴流量计、记录谷物通过哪个喷嘴移动的 2 通阀上的磁开关，以及让我们知道轴承变得多热的线轴轴承上的温度传感器。

通过引入这个网络，我们可以节省时间，无需四处走动，目视检查整个建筑物四层楼的流程，我们可以量化不同流程的各个部分，为我们提供用于统计目的的数据。

该网络由标准节点、连接到传感器的 Arduino 供电设备、基本节点、充当网络集线器的 Arduino 设备和 Raspberry Pi（充当服务器和数据解释器。

“铣床”或我们工厂的一楼

硬件

nRF24L01 (RF24) 模块是一种射频发射器，能够向其他 RF24 模块发送和接收数据。 RF24 模块可以按照下面的接线图连接到 Arduino Nano。

RF24 模块和 Arduino Nano

RF24 模块的接线图可以在 5 伏电压下供电，但建议您在 3.3 伏电压下供电。为确保 RF24 模块不会偶尔断电，需要一个去耦电容器。我在 RF 模块的电源和接地引脚附近使用了一个 10 uF 电解电容器（图中未显示）。没有这个电容，射频模块的性能会很差。

了解了 RF24 模块后，是时候制作可以定制以支持不同传感器的 PCB 了。

我用于所有网络节点的设计

我设计的 PCB 包括一个 Arduino Nano、一个 RF24 模块、一个 10 uF 电解电容器、2 个 LED 指示灯、两个用于 LED 的电阻器和一个放置一个微型 USB 母连接器来为节点供电。当一个节点放在一起时，它看起来是这样的……

没有 RF24 的组装板和 Arduino NanoA 完全组装的节点

然后每个节点都封装在一个 3D 打印的外壳中，以便于安装到墙壁和表面。

节点和案例示例

由于范围问题，我修改了 RF24 以添加更长的天线。天线修改将库存 RF24 模块的范围从 5-10 英尺提高到 20 或 30 英尺。为了修改 RF24 天线，我将一根 18 号实心线切割成大约 7 英寸，然后将其焊接到 RF24 天线走线的末端。警告：如果对天线施加过大的压力，延长 RF24 天线可能会拉起 RF24 模块上原有的走线。

库存 RF24 和天线预焊 RF24 走线，对齐天线，使用烙铁使用大量焊料

我在新天线的两侧涂上大量热胶，因为在实验过程中，我发现它有助于加强 RF24 模块的新天线。

基本节点和 Raspberry Pi 服务器

为了将系统整合在一起，每个网络都需要一个基本节点，所有数据都路由到该节点。在我的项目中，我使用通过串行电缆连接到 Raspberry Pi 的节点。该节点用于发送和接收网络消息，RPI用作记录和解释数据的中央服务器（服务器程序在本项目后面解释）。

节点和案例

节点和基础编程

对于这个项目，我专门使用了 RF24Network 库（由 Tmrh20 创建）来处理 RF24 消息传递。 RF24Network 库允许您以树结构构建节点网络。地址以八进制格式写出。每个 RF24 模块最多可以分为 5 个节点，这些子节点的地址后跟父地址。因此，如果我们想将两个节点分配到节点 2 下，那么我们将一个节点寻址为 012（作为节点 2 的子节点的第一个节点），将另一个节点寻址为 022（作为节点 2 的子节点的第二个节点） .

寻址是在树状结构中完成的

所以你可以更好地理解，这里是我的网络中连接的几个节点的基本布局。

我的网络结构

我使用节点 01、011、0111 和 01111 作为中继节点，这意味着它们主要用于从树结构更下方的节点传输信息。节点 03、0211 和 0311 都是传感器节点，这意味着它们连接的传感器生成我们需要发送回节点 00 的数据。

中继器示例（这是 2 楼中继器）中继器的另一个示例（这是 3 楼中继器）

节点和传感器程序

Node 程序在您创建的节点上运行。这是充当端点的程序，其中数据是从连接到节点的传感器生成的。我提供了一个 Node 代码的版本，没有对我的传感器进行任何修改（用注释来解释发生了什么），但我还包括我为我的项目网络编写的程序（与节点代码略有不同）。

基础程序

基础程序是您在基础节点（记为节点 00）上运行的程序。

关于程序的一些注意事项，当您为消息创建数据结构时，端点程序和基础程序中的 C 结构需要相同。