智能浮标项目全览：构建、电子、3D 打印与仪表盘
组件与物料
| Arduino Nano R3 | ×1 |
| Raspberry Pi Zero Wireless | ×1 |
项目简介
智能浮标项目总结
大家好！这是我们智能浮标项目的简要总结。我们将技术构建拆分为电子、3D 打印、仪表盘三篇详细教程。
完整物料清单
完整构建需要大量材料，各阶段所需材料将在对应教程列出，此处仅作概览：
- Arduino Nano
- Raspberry Pi Zero
- 18650 电池
- 太阳能板
- 阻隔二极管
- 充电控制器
- 升降压模块
- GPS 模块
- GY-86 (加速度计、陀螺仪、气压计、指南针)
- 水温传感器
- 功率监测模块
- 实时时钟 (RTC) 模块
- 无线电模块
- I²C 多路复用器模块
- 3D 打印机
- PETG 耗材
- 环氧树脂
- 底漆喷漆
- 绳索
- 浮漂
- 胶水
所有代码托管于 GitLab。
功能特性
浮标搭载传感器可测量：波高、波周期、波功率、水温、气温、气压、电压、电流消耗、GPS 位置。理想情况下还想测波向，但这在学术界也是难题，我们虽接近但未完全攻克。如有高人指点波向测量方法，不胜感激！
所有数据经无线电传输至基站 (Raspberry Pi)，前端用 Vue.js 构建仪表盘展示。
机械结构
浮标外壳
这是我们迄今最难的 3D 打印件。考虑因素：海洋环境、长期日照、防水等。简述：近似中空球体分上下两半打印。上半部预留太阳能板卡槽和无线电天线孔；下半部有温度传感器孔和系绳把手。
PETG 打印后打磨、喷填充底漆、刷多层环氧树脂。电子装入后，用热熔胶密封温度传感器、天线、太阳能板，最后用 StixAll 胶水 (超强胶) 合箱。然后祈祷它防水……
浮标电子系统
浮标集成大量传感器，详见专题教程，此处摘要：
- 供电：18650 电池 + 4 块 5V 太阳能板充电
- 仅 RTC 持续供电，通过 RTC 输出引脚控制晶体管给其余系统供电
- 唤醒后采集所有传感器数据 (含电池电压)，根据电压决定下次唤醒间隔，设定 RTC 唤醒闹钟后彻底断电
- 主控 Arduino 通过 I²C 连接 GY-86、RTC、功率监测、I²C 多路复用器 (解决 GY-86 与 RTC 地址冲突)
- 无线电模块用 SPI 通信。原计划加 SD 卡备份，但库太大导致内存不足而放弃
代码采用模块化组织，主文件统一包含，运行良好。详细代码解释见后续教程。
基站电子系统
基站 = Raspberry Pi Zero + 无线电模块。外壳来自 Thingiverse。Arduino 代码跑通后，在 Pi 上运行 receive.py 即可接收数据。团队中的 Web 开发者用 Vue.js 做了很棒的仪表盘。
仪表盘
完整仪表盘开发过程较复杂，若有需求可出专门教程。将文件部署到 Pi 即可运行服务器查看实时数据。为演示效果，服务器内置假数据生成器。详见后续视频。
版本 2 规划
现存问题
- 封箱后无法修改代码：疏忽大意，可加密封 USB 口 (橡胶塞) 解决，但会增加防水复杂度
- 波浪算法粗糙：花大量时间研究磁力计/加速度计/陀螺仪融合算法，收效有限。发现 相关视频 可能有帮助，望高人指点
- 传感器异常：水温传感器偏差近 10°C，可能是传感器质量问题或受发热干扰
改进方向
- 升级主控：Arduino Mega / Teensy / 另一 Pi Zero (成本功耗上升)
- 远距离通信：当前无线电视距仅几公里。可组网状网络，或采用 LoRa、GSM 等技术实现岛屿级覆盖
科研应用前景
项目在加勒比海南部小岛格林纳达实测。当地政府表示此类智能浮标可提供定量水文数据，减少人工误差，辅助海岸线变化研究。建议增加风速测量。虽科技赋能海岸研究正当时，但全面落地仍有长路。
感谢阅读！请观看配套 YouTube 视频。系列第一篇将讲波浪与温度测量：Smart Buoy: Making Wave and Temperature Measurements。若喜欢请考虑 Patreon 赞助，感谢首位赞助者 Giacomo！
代码仓库
https://gitlab.com/t3chflicks/smart-buoy
原理图
制造工艺