描述

介紹

該項目的靈感來自我的女兒Elizabeth Vicarte和她的項目FloWat -> Flow Water ，它描述了第一次嘗試使用水動能創建一個自我可持續的系統。

該項目擴展了這一想法，并展示了利用管道中自然水流的機械能發電的可行性。

系統監控：水輪機產生的電力，以及系統的電力消耗。它還捕獲用水量。

最終目標是證明系統可以在戶外部署后不用擔心電池電量。好奇，繼續閱讀，看看我是否能夠達到無電池狀態。

材料

以下是收集傳感器數據并通過 Notehub.io 傳輸到云服務的核心系統材料

核心系統

核心系統分為兩個主要任務：電源/傳感器監控和數據傳輸到云端。

我們使用 Adafruit FeatherWing Doubler 將 ESP32 V2 微控制器（主機）連接到 Adafruit FeatherWing INA219 以監控發電。它還通過 I2C 連接到 Adafruit LC709203F 以監控電池狀態，最后通過 I2C 連接到 OLED 顯示器以更新狀態。

數據流如此鏡像所顯示。

傳感器和監控數據由 ESP32 主機獲取并格式化，然后傳輸到記事卡 WiFi，后者將其發送到Notehub.io ，并從那里路由到其目的地Adafruit.io 。

系統每 10 秒采樣一次數據并將其發送到 Notehub.io。每分鐘都會通過 MQTT 路由將示例數據發送到Adafruit.io 。

有效負載經過 JSON 編碼并通過 JSONATA 進行轉換以傳送到云服務；有關更多信息，請參閱使用 JSONATA 進行路由和數據格式化部分。

第一次嘗試

我的第一次嘗試與伊麗莎白的項目一樣，包括一個水輪機、一個流量傳感器和核心系統。

渦輪機產生 5 V 電源。

水流傳感器通過霍爾效應磁傳感器產生中斷，核心系統跟蹤脈沖。該傳感器至少需要 5 V 電源。

?

使用單個水輪機，電壓捕獲為 5 V，電流為 93.3 mA。

電池無法充電，如下圖所示，它會不斷耗盡，直到完全放電。每秒轉數保持在 45 到 50 之間。

顯然，這種安排不能提供所需的能量。

我開始研究如何在不改變電壓的情況下增加電流，并且只保留一個渦輪機。MOSFET 和超級電容上場了，但在審查電池的并聯和串聯電連接時，“燈泡”時刻到來了。電池串聯會增加電壓，并聯會增加電流。然后與電池一樣，我如何將水輪機連接到同一條管道并并聯它們的電力貢獻。

多一個

在這里，我應用上一節中的“啊哈”時刻，并將兩個水輪機連接到同一條管道上，將它們并聯連接到相同的試驗板導軌。

結果是 5 V 輸出，但現在電流約為 138 mA。關閉電池電源，僅使用水輪機產生的電力，系統嘗試啟動，但在 Notecard 打算與 AP 建立通信時，電流需求量大于提供的 138 毫安并開始進入電源循環。

該怎么辦？

6個怎么樣？

好吧，如果 2 還不夠，讓我們試試 6。哇！！！

該系統現在在相同的 5 V 輸出下產生大約 250 毫安的電流。

而且，瞧！產生的電流能夠通過電池失效測試。在數據傳輸周期中關閉電池可保持系統運行和傳輸。恢復電池電源不會中斷系統，也不會重啟系統。

現在來測試一個更真實的場景。

添加繼電器定時系統

農業灌溉系統并非 24/7 全天候運行，它們有自己的運行時間表。在這里，我使用一個簡單的系統每小時運行 15 分鐘，是的有點太多了，但考慮到這只是一個循環水關閉系統，不會浪費水。

繼電器系統由一個 HUZZA32、一個功率繼電器 FeatherWing 和一個精密實時時鐘 FeatherWing 組成，都是 Adafruit 板。

下圖顯示了系統運行的兩個周期。在每個循環中，您都可以看到電池百分比上升，這意味著正在充電。

另請注意，在第二個循環中，電池幾乎耗盡，在某個時候它會以 0% 的電量恢復，即使這樣它也會喚醒系統并為電池充電。

該圖顯示了一些差異，兩個周期之間有一個峰值，這是由于我通過短時間手動轉動水流進行的測試，另一個是每秒的轉數，由于該測試內部計數器可能已損壞。有趣的是，單渦輪機系統的流速高達每秒 50 轉，現在已降至每秒 32 轉。擁有所有這些渦輪機確實會影響系統的流動壓力。

鼓聲，沒有電池！

是的，最后的考驗。

取出電池，查看所提供的電量是否足以啟動系統、傳輸然后關閉。

是的！！！。6 個渦輪機提供的電流足以啟動系統、與 AP 建立通信、從流量傳感器收集數據并傳輸到云服務。

上圖顯示了第一個數據的峰值，因為這是它與 150 毫安的 WiFi 接入點建立連接的時間。數據收集和傳輸平均使用 135 毫安的電流，速度約為每秒 32 轉。

請注意，我還嘗試了蜂窩記事卡，但在這種情況下，與蜂窩塔建立通信所需的電流超過 250 毫安的最大值。我確實相信增加電流（增加更多渦輪機）并使輸出接近 500 毫安（如 Blues 無線所需功率所述）將使系統運行。

這一結果顯示了系統利用自然資源自我維持的能力。

Notehub.io 設置

將數據發送到 Notehub 是一件輕而易舉的事情。

有效負載包含三組數據。水流、電池和電源組。

水流有每升水流量（waterflowperlt）和每轉水流量（waterflowperrev）數據，來自傳感器流量裝置。

電池組包含電池百分比、溫度和電壓，來自 LC709203 電池監控器。

電源組由總線電壓、電流、負載、分流和功率數據組成，來自 INA219 器件。

//Flow sensor data
J *flow = JCreateObject();
JAddNumberToObject(flow, "waterflowperrev", pulseCountperSec);
JAddNumberToObject(flow, "waterflowperlt", flowMilliLitres);
JAddItemToObject(body, "flow", flow);
//Battery monitor data
J *battery = JCreateObject();
readBattery(batteryStatus, bufTemp, battery);
JAddItemToObject(body, "battery", battery);
//Water turbine power data
J *power = JCreateObject();
readPower(inPowerStatus, power);
JAddItemToObject(body, "power", power);
JAddItemToObject(req, "body", body);

有效負載每 10 秒發送一次到 Notehub.io，并通過 MQTT 路由器每分鐘發送一次到Adafruit.io 。

使用 JSONATA 進行路由和數據格式化

一開始，我為負載中的每個數據組件創建了一個路由（如下所示），但這是Adafruit.io服務的過載。

然后，我了解到Adafruit.io可以處理作為 JSON 對象傳遞的數據組。使用這種格式，我能夠將路由數量減少到 3 條，并將有效負載中傳遞的組數據保持在一起。

需要使用 JSONATA 格式化數據，下面是每個路由的 JSONATA 代碼：分別是 AdafruitFlow、AdafruitPower 和 AdafruitBattery。

WATER FLOW
{ "feeds":{
  "waterflow.perliter": body.flow.waterflowperlt,
  "waterflow.perrevolution": body.flow.waterflowperrev},
  "location": {
    "lat": 0.0,
    "lon": 0.0,
    "ele": 0.0
  }}

POWER  
  { "feeds":{
  "power.busvoltage": body.power.Bus,
  "power.current": body.power.Current,
  "power.load": body.power.Load,
"power.shunt": body.power.Shunt,
"power.power": body.power.Power},
  "location": {
    "lat": 0.0,
    "lon": 0.0,
    "ele": 0.0
  }}

BATTERY
  { "feeds":{
  "battery.batterypercentage": body.battery.Percent,
  "battery.batterytemperature": body.battery.Temp,
  "battery.batteryvoltage": body.battery.Voltage},
  "location": {
    "lat": 0.0,
    "lon": 0.0,
    "ele": 0.0
  }}

請注意，為了使其成為Adafruit.io 的有效組，添加了沒有數據的位置字段。

Adafruit 儀表板

在Adafruit.io上組裝儀表板也非常簡單。

以下是儀表板的時間序列。

每個提要的圖形界面也非常有用。

數據分組

Adafruit.io允許對有效負載中發送的數據進行分組。您可以在此處閱讀更多內容。

使用組減少了對我的數據的請求數量并使其響應更快。

以上是 Battery、Light（即將推出的項目）、Power 和 WaterFlow 的組提要。

結論

這是一個非常鼓舞人心的項目。想象一下灌溉和管道健康的數據收集，或者不需要任何外部電源的系統中的泄漏。

下一步，設計一臺渦輪機，只需一臺設備即可提供足夠的電流。

請務必查看即將開展的太陽能和風能項目。

附錄

Wi-Fi 記事卡設置

Blues Wireless 文檔提供了簡明易懂的指南，可將您的 Notecard 連接到“快速入門”中的 Notehub 服務。請注意，該指南強烈依賴于使用支持 Web 串行通信的 Chrome 版本。您還可以選擇安裝一個 CLI 來使用 Notecard，但是將所有內容都放在一個頁面中對遵循設置過程有很大幫??助。

如果您使用的是 Wi-Fi 記事卡，請確保還遵循“連接到 Wi-Fi 接入點”指南中的說明。

我建議完成快速入門并熟悉 Notehub 的基礎知識，因為這兩者都將幫助您了解此項目中的其他步驟。