LASS 專案 - 水下盒子

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會議-LASS 專案 - 水下盒子需求與規格討論

會議-LASS 專案 - 水下盒子規格與設計討論

會議-LASS 專案 - 水下盒子設計討論

緣起

專案原則

一般需求

目前兩個方向,固定式(定點偵測水文資料)、移動式(隨著海流移動)

相同需求

  • 相異處
  • 固定式:

    移動式:

    規格

    設計

    高溫下鋰電池可能(概率較高)會自點火的起火.  強大的夏日陽光下的室外設備, 可以達到高溫

    可考慮6V, 3至6Ah密封鉛酸蓄電池是更合適.  陽光高溫下, 汽車和摩托車用鉛酸蓄電池

    鋰電池火新聞每隔幾個月一次(最新的新聞是2016年9月3日). 如果當尺寸和重量不緊緊限制(不像蜂窩式電話),可考慮沒有必要使用鋰電池

    http://www.jetec.com.tw/chinese/product6-1_JMK01.html

    見目錄,這使用6V 5Ah

    第49頁

     http://www.prba.org/wp-content/uploads/Exponent_Report_for_NFPA_-_20111.pdf

     (Lithium-Ion Batteries Hazard and Use Assessment. Celina Mikolajczak, et al. July 2011. Fire Protection Research Foundation.)

     http://uk.rs-online.com/web/p/lead-acid-rechargeable-batteries/0814821/

     http://uk.rs-online.com/web/p/lead-acid-rechargeable-batteries/1287359/

     

    https://pic.pimg.tw/victor0891/1471313331-4025169872.jpg

    https://pic.pimg.tw/victor0891/1471313338-4097677161_n.jpg

    一些討論想法,  (是事實, 不是消極), 自身安全, 比較地上通氣箱,  防水密閉水下容器有爆炸危險,  請慎重慎重慎重考慮不用危險的鋰電池, AAA尺寸NIHM鎳氫電池電池更安全.  接近電池端安裝有UL安全標誌的保險絲, 電池容量大小應該是剛好夠任務時間。不要用過大的.

    即使有嚴格的檢測,大廠級飛機有2個火事故。導致停飛3個月(Wikipedia), 重新設計, 認證厚的電池防火牆盒子, 並加獨立排氣管, 如果火, 可導高溫氣體出飛機以外

    (是事實, 不是消極) Maker 沒有大廠級安全知識和嚴格的檢測工具和條件,可能的話, 最好不要使用鋰電池。自身安全, 慎重慎重慎重. 

    https://en.wikipedia.org/wiki/Boeing_787_Dreamliner_battery_problems 

    Lithium Batteries: The Pros and Cons

    http://electronics360.globalspec.com/article/5555/lithium-batteries-the-pros-and-cons 

    從下面例子, 國外水下盒子也不用鋰電池為主要電源.  

    他們時鐘有一個小硬幣鋰電池, 依我拙見,最好不用. 可以通過3V的LDO穩壓器連到主鎳氫電池

    https://edwardmallon.wordpress.com/read-the-blog/ 

    Half a million hoverboards were recalled in US  due to Li Battery fire risk. At least 99 incidents where battery packs had overheated.In some cases they caught fire leading to burn injuries and property damage. 

    http://www.bbc.com/news/technology-36727652 

    400MHz的就更好,似乎台灣只有900MHz的?

          > 這是由於台灣NCC規畫920~925MHz頻段為物聯網專用頻譜, 無開放400MHz頻譜用於物聯網.

             

    目前實際相關研究操作狀況

    墾丁珊瑚礁長期監測計畫

    目前只有放置溫度logger在固定深度(5m),全部墾丁地區有10個長期監測站位。目的為紀錄溫度變化並比較珊瑚礁的活珊瑚覆蓋度和大型藻類覆蓋度,最後再用珊瑚礁魚類的丰度和種類去做關聯。目的是要看是否溫室效應(or 氣候變遷)對於活珊瑚的影響,接著藻類爆發並影響魚類群聚。

    溫度logger約3x5x2cm立方的小型紀錄器。目前一年收一次,不是很確定資料紀錄頻率,但是應該一天有一筆以上。

    另外中研院陳昭倫老師研究室有特別因為墾丁核三廠出水口的溫度影響珊瑚共生藻實驗,在退潮1m處還有退潮5m處 各放兩三個logger。來作為共生藻系群的變化。

    東沙環礁珊瑚彈性(resilience)研究

    目前計畫剛開始執行一年,也只有放溫度logger和沉積物收集器,在東沙內環礁15個站位。不過有兩個深度(~3m和~6m),分別在礁台和礁坡邊緣。目前計劃也是一年收一次。溶氧的數據目前沒有監測,主要是logger太貴,目前申請計畫預算中沒有這些項目,可能要重新申請計畫才有可能達成。要收集溶氧資料的原因是調查時發現東沙海草床大量死亡,同時伴隨大量的死魚。根據時間來推估潮水,應該是大潮的時候。因此在最低潮時,環礁內外水的交換不佳,因此溶氧可能是一些關鍵,但缺乏實際數據去驗證。

    需求和困境

    目前研究方式都無法及時得知溫度(或溶氧),都是等到珊瑚白化,或是生物死亡,才趕快去把溫度logger收回來讀取資料,去驗證是否因為溫度造成珊瑚白化等現象。目前海生館孟培傑和墾丁國家公園有長期並即時監測後壁湖的一些水文數值,但是儀器相當昂貴。因此想在簡單的設定下,可以透過LASS和相關夥伴的幫忙來達成。

            溫度相對好做是因為較不怕生物附著,而溶氧若以成本較低(幾千塊)的電極式溶氧容易損壞,而光學式電極(幾幾萬塊)則成本高,生物附著可能是較難克服的因素,另外水壓可能是一個很大的難題。因先前有參與一些水質監測專案,以這類型專案預算可能是百萬至千萬等級,並非無法做,而是成本可能很難低以外,另外溶氧sensor可能很難維護。若以這方向可能也與空氣盒子的取向不同,空氣盒子比較貼近公民科學,而此專案就偏向較為研究型專案,故才會一直提出些疑問,若有比較尖銳的疑問也請見諒。

     

    應用情境

    系統設計

    電源設計

    機構設計

    塑膠: 建議採用 POM 材質. 需要抗 UV 

    塑膠件建議先以紫外線燈管照射滿 8小時以上,確認材質在長時間曝曬下不會脆化or變形

    金屬: 可採用 SUS-304 材質 + 不鏽鋼鈍化 (螺絲採購). 如果有外蓋需要用金屬加工, 可採用 Al-6061+ 硬質陽極處理

    完成品可直接先泡在鹽水 (比重: 30/1000) 內三天, 三天後取出確認金屬部品有無生鏽 (鏽斑可清除者可接受)

    MK1 機構圖面如下

    樣品會先直接用 CNC 加工, 防水設計直接一次到位. 水深測試會做到 50米. 

    材質先以 POM 做加工, 中間以鋁圈加強. 

    內部尺寸會先調整到可放下 Linkit One 主板

    壓力 sensor 單獨連結放置, 預留給想採用其他主板的朋友. 

    第一代設計完成後, 會先用 NC 加工兩個樣品進行測試. 

    機構已經考慮未來增加其他 sensor 的空間, (長度可以一直延長, 變成圓筒)

    想給出貢獻者自入

    主板參考資料

    Seeeduino LoRaWAN W/GPS

    LoPy(LoRa, WiFi and BLE)

    感測器參考資料

    壓力感測零件

    MS5541C - 14bar, 可測試至水深 140米. 可順便量測溫度 -40 ~ +85C

    MS5535C 應該也可以. 

    MS5541-30C 可量測 30 BAR. 

    電信參考資料

    市區附近用LoRa或GPRS,便於支撐

    偏遠沒有GPRS地區可考慮WSPR無線電, 河川,海洋和陸地都適用

    發射器 500至1500 新臺幣

    已有免費共享全球接收設施. 也可己建低成本接收站, 接收自己和別人的數據, 和世界共享 

    WSPR開源. 由諾貝爾物理學獎得主約瑟夫·泰勒Joseph Taylor創建。

    下面三例, 現在是實時進行中。  這浮球,2016年五月在新西蘭海上釋出, 可以再多跑7個月. 

    http://www.qsl.net/zl1rs/oceanfloater.html

    http://www.qsl.net/zl1rs/oceanfloater1.html

    實時數據

    http://wsprnet.org/olddb?mode=html&band=all&limit=20&findcall=ZL1SIX&findreporter=&sort=date

    從五月開始到現在所有數據

    http://www.qsl.net/zl1rs/floater_jt9.txt

    相同的電子設備 放在氣球上, 從一年前開始到現在, 持續改進, 飛了12個版本. 2016年5月,   9版實現18天環球.   

    http://qrp-labs.com/ultimate3/ve3kcl-balloons/ve3kcl-s9.html

    2016年6月21日, 發飛 12版氣球, 實時數據

    http://qrp-labs.com/ultimate3/ve3kcl-balloons/ve3kcl-s12.html

    2016年6月14日, 發飛 11版氣球,  飛行2天后GPS有問題

    http://qrp-labs.com/ultimate3/ve3kcl-balloons/ve3kcl-s11.html

    發射器

    http://www.qrp-labs.com/ultimate3.html    33美元

    http://www.qrp-labs.com/synth.html           8 美元

    http://www.qrp-labs.com/qlg1.html            23美元

    https://en.wikipedia.org/wiki/WSJT_%28Amateur_radio_software%29

    只在maker(非專業的)新西蘭浮球例子看到,不知道是否準確?  從海流預報, 在東岸發浮球, 先可能到到日本, 之後可能到美洲.  要不然, 8個月電池壽命夠長, 漂到不可預知的地方?  以上是個人的一些看法, 沒做過這些工作,希望各位能不吝指教。

    https://earth.nullschool.net/#current/ocean/surface/currents/overlay=currents/orthographic=-179.74,40.80,814/loc=-177.705,-25.269

    https://earth.nullschool.net/#current/ocean/surface/currents/overlay=currents/orthographic=-230.08,30.02,3000/loc=-177.705,-25.269

    若都有循著黑潮往北跑的話,但有時浮標會進入對馬海峽(日本海),或甚至進入日本東岸的渦流系統而離開黑潮,並不一定會直接到北美,有興趣的話可以進入Global Drifter Program網站下載全球浮標資料來看看,可以看到有哪些浮標資訊,而此GDP專案使用的通訊為衛星通訊WMO,只要是WMO的會員之國家級研究單位或政府組織就可以進入此系統下載所有浮標衛星資料,很可惜....台灣沒有在此組織內。

    http://www.aoml.noaa.gov/phod/dac/index.php

    Q&A

    參考

    *

    Float Sensors

    *

    Anti-fouling的相關資訊 

    10 tips to prevent biofouling on water quality instruments (滿詳細的資訊)

    https://www.ysi.com/File%20Library/Documents/Tips/E108-Antifouling-Tips-Book.pdf

    若沒記錯的話,YSI的儀器一個sensor可能是萬把塊以上,另外它是否有釋出讓使用者自行整合這也是另一個問題,因為可能要搭配它的Data Logger才能下載資料,之前研究室也有使用過YSI儀器,單位也是幾十萬至百萬間,成本有點昂貴。

    (@王啟竑 這邊只是我可以找到類似自我清潔的儀器案例,不清楚其他人是否有辦法做出,或是找到可用的便宜替代方案)

    光學式溶氧才有機會做生物附著刮除,電極式不能對電極表面做任何可能刮傷行為,之前有嘗試過這種方式,藻類依舊會在表面形成薄膜。

    史丹佛 水下機器人 ocean-one 

    http://cs.stanford.edu/groups/manips/ocean-one.html

    *前陣子看到今年台北魚客松競賽第一名影片,其功能與本次設計的功能需求類似,但不確定是否適用於海洋環境(http://devpost.com/software/cloud-monitoring-service-for-the-aquatic-environment),該有的sensor都有,內容提及所有東西在ebay都買得到,製作價格也不高,他們也開發了類似空氣盒子的雲端回報系統,這模式應該也可達到空氣盒子開源及全民科學家的訴求,如果價位不貴,從河川上游丟下,一路監測河川水質變化,或者固定在某個河段監控和河川污染,我的部分則用來看海灣的流場變化,應該都可以很輕易達到。

    網路上查到這產品的網站是http://www.akubic.com/,(誠映股份有限公司)

    DIY 資料: 最近搜尋到國外 MAKER 自己 DIY 的水下盒子

    https://edwardmallon.wordpress.com/

    他的 sensor 包含了流量, 溫度, 壓力(水位高度)

    裡面的壓力 sensor 安裝方式是錯誤的 (以我自己做潛水電腦外殼的經驗來看)

    外殼的設計也是錯誤的 (所以他的 DIY 過程中花了蠻多時間處理漏水的問題). 

    但是整體的功能及開發流程可以參考.