开源的、低成本的树莓派和Python控制系统的远程实验室

HardwareX 13（2023）e00396可在ScienceDirect上获得目录列表HardwareX杂志首页：www.elsevier.com/locate/ohxRaspyControl Lab：一个完全开源的实时远程实验室，用于使用Raspberry Pi和PythonJonathan Álvarez ArizaZahara，Christian Nomesqui Galvis电子技术系，工程学院，Corporación Universitaria Minuto de Dios-UNIMINUTO，111021 Bogotá，哥伦比亚阿提奇莱因福奥文章历史记录：保留字：远程实验室自动控制工程教育开源硬件开源软件树莓派Python控制系统A B S T R AC T目前，远程实验室已经获得了工程教育的相关性，作为支持学生主动学习，实验和动机的工具。然而，其实施和部署的成本和问题限制了学生和教育工作者获得其优势和功能，如技术和教育。在这一行中，这项研究描述了一个完全开源的远程实验室，用于采用Raspberry Pi和Python语言的自动控制系统的硬件和软件教育，成本约为461美元。甚至，通过改变一些组件，成本可以降低到420美元或更少。为了说明实验室的功能，我们提出了一个低成本的坦克控制系统，其各自的仪表，信号调理，识别和控制，这是在本文件中公开然而，其他实验可以很容易地扩展和适应远程实验室。关于实验室的界面，我们设计了一个完整的用户友好的Web界面，实时视频为用户执行自动控制中的不同活动，如识别或控制器的实现，通过编程语言Python。在为项目提供的开放存储库以及本文中，指示了构建和复制硬件和软件的说明。我们这个项目的目的是提供一个完整的低成本和开源的远程实验室，可以适应和用于学生，教育工作者和利益相关者在自动控制系统领域的学习，实验和教学版权所有2023作者。出版社：Elsevier Ltd这是CC下的开放获取文章BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。规格表：硬件名称RaspyControl Lab主题名称●教育工具和现有基础设施的开源替代方案● 测量物理特性和实验室传感器● 现场测量和传感器● 电气工程和计算机科学（接下页）*通讯作者。电子邮件地址：jalvarez@uniminuto.edu（J. Álvarez Ariza）。https://doi.org/10.1016/j.ohx.2023.e003962468-0672/©2023作者。出版社：Elsevier Ltd这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。J. Alvarez Ariza和C.诺梅斯基·加尔维斯HardwareX 13（2023）e003962●●*（续）硬件名称RaspyControl Lab最近的模拟UniLabs：https://unilabs.dia.uned.es/开源许可证知识共享署名-相同方式共享4.0国际版（CC BY-SA 4.0）硬件成本6USD 461源文件存储库硬件：https://doi.org/10.5281/zenodo.7500242软件：https://github.com/Uniminutoarduino/RaspyControlLabhttps://doi.org/10.5281/zenodo.75002421. 硬件环境在过去的二十年中，远程实验室（RL）有助于加强教学过程，主要是在工程。几个因素，如在教室里的学生人数的增加，需要提供高质量的技术工具，为学生学习和实验，并减少了经济资源的物质基础设施，导致了这种情况[1，2]。通过这种方式，实验室代表了工程和计算机科学实验的基础，它们已经成为这些学科课程的积极组成部分。学生通过动手活动学习和实验，这是科学学习的本质[3，4，2]。根据上述原则，已经创建了几个架构和长期RL，其中包括成功的例子，例如通过几所大学或RL WebLab-DeustoLabsLand [9，10]的合作广泛传播的称为虚拟仪器系统的开放式架构在开源RL的背景下，Lavayssière等人的研究。[11，12]公开了一个用于电子产品的开源RL，称为Laborem Boxwith Raspberry Pi。作者指出，有几个RL，如UNILabs[13]，RexLab[14]，GOLDi[15]，Farlabs[16]等，不是开放硬件，而本研究是。该解决方案的成本为429.35美元。此外，该工作[17]提出了自动控制领域的低成本实验，并描述了在控制和仪器仪表课程中使用它们的n= 250名学生的感知。同样，Sáenzet al. [18]显示了西班牙国立远程教育大学（UNED）的多输入多输出（MIMO）控制系统的RL。作者揭示了RL的体系结构和识别的控制植物与其各自的控制器和阶跃响应。在[19]中描述了用于嵌入式系统的RL的另一种架构，其中作者描述了RL与交互式实时流媒体平台和远程实验室管理系统（RLMS）一起使用。此外，作者还展示了n= 27名学生的看法与他们的评论。作为补充，一些组织，如全球在线实验室联盟（GOLC）[20]已经讨论了有关工业和学术目的远程实验室的研究和进展虽然以前的研究和技术都是针对设计、施工和部署中考虑的方面作为RaspyControl实验室的一部分，我们打算补充这些研究，为Raspberry Pi和Python的自动控制提供一个完全开源的实验室，可以适应教育工作者和从业者的技术和教育RaspyControl实验室在COVID-19大流行之前和期间，在学生的帮助下，从Corporación Universitaria Minuto de Dios-UNIMINUTO[21，22]工程教育研究小组的一些先前研究和课程反思开始这些工作旨在为我们的学生提供高质量和低成本的学习工具，以便在电路，信号处理和物理计算领域进行实践活动，因为缺乏易于复制和部署的低成本RL特别是，RaspyLab[21]已经在大约n= 90名工程和计算机科学的学生中进行了关于物理计算和编程的主题的此外，由于之前的几个RL都是开源的，但使用的基础设施，如应用程序服务器，或国家仪器（NI）数据和信号采集单元[23]，因此价格昂贵，我们决定构建我们的低成本硬件和开源软件，以支持自动控制学生的学习和实验的不同任务表（1）显示了与我们的工作相比，最相关的RL的简要综合其他补充替代方案可参见参考文献[17，24，25]。该项目的一个目的是，设计的硬件可以很容易地构建和复制与当地或国际分销商的材料和组件同样，硬件的组件也很容易理解表1描述主要RL的硬件和软件，并与RaspyControl Lab进行比较。远程实验室参考开源硬件开源软件1. 拉博雷姆[11，12]是的是的2. UNILabs[13个国家]没有是的3. 网站地图-Deusto LabsLand[第9、10页]没有是的4. 法拉布[16个]没有没有5. RexLab[14个]没有是的6. RaspyControl实验室（自己）[26，27]是的是的J. Alvarez Ariza和C.诺梅斯基·加尔维斯HardwareX 13（2023）e003963如超声波传感器和16位模数转换器（ADC）ADS 1115的调理电路、12 V浸入式电机泵的脉宽调制（PWM）电机驱动器或与Rasp-berry Pi的连接。因此，本文描述了为RLRaspyControl实验室设计和实现的开源硬件和软件。为了测试RL，我们为Raspberry Pi设计并实现了一个低成本的坦克控制系统及其信号调理。然后，用户或学生可以控制主罐（T1）的液位h。为了说明硬件设计，图（1）示出了其总体结构。论文的其余部分如下：第2部分描述了由控制箱和信号调理电路组成的硬件及其相应的印刷电路板（PCB）。第3节介绍了开放式软件，特别强调实时视频和用户的Web界面第4节显示了软件和硬件的设计文件列表第5节描述了物料清单（BOM）。第6节和第7节显示了所设计硬件的构建和操作说明，包括故障排除小节。第8节通过不同的植物鉴定和控制实验对RL进行了验证最后，第9节概述了本研究的结论和进一步的工作2. 硬件描述我们为教育工作者和学生提供的硬件的主要特点和优势如下：可扩展和完全开源的自动控制教育实验平台。低成本和负担得起的坦克控制系统，以帮助学生学习和实验领域的自动控制系统。具有实时视频的用户友好的Web界面，可与Python语言设计的硬件进行交互简单、低成本、低功耗的调理电路，适用于超声波传感器和ADC（ADS1115），最高采样速率为860 SPS。在开始描述硬件和软件组件之前，重要的是要提到，我们采用拉普拉斯（s）和z变换域中的控制系统的典型约定来指定硬件如下：图1.一、RaspyControl Lab的整体硬件外观。1.一、储存罐（T2），2.主控制箱（T1），3.模拟超声波传感器，4.12 V电动泵，5. Raspberry Pi 4，6.带ADC的信号调理电路（ADS1115），7. L298电机泵驱动器，8. 12 V和5 V电源，9.乌藨子pi摄像机与PVC管支持。●●●●J. Alvarez Ariza和C.诺梅斯基·加尔维斯HardwareX 13（2023）e003964VCCð Þ ð Þ● Gs;Gz：控制装置：主储罐（T1）。要控制的变量是水平（h）。● Hs;Hz：模拟超声波传感器及其信号调理电路。● Cs;Cz：控制器（P、PI或PID）。● Rs;Rz：设定点（电平参考）。Ys;Yz：储罐（T1）液位（h）的控制输出。● Es;Ez：错误。2.1. 概述图（2）描述了RaspyControlLab的整体架构。在这种情况下，硬件包括通过Raspberry Pi 4控制的远程实验为了实现这种远程控制，Raspberry Pi安装了一个Apache服务器，该服务器安装了HTTP协议和称为Web服务器网关接口（WSGI）的补充，以与Python语言进行交互Apache服务器允许访问RL，并包含用于学生控制实验的网页，使用PC，笔记本电脑，平板电脑或智能手机。实验的实时视频是使用发送视频帧的工具FFmpeg[28]从Raspberry Pi相机编码的，这些视频帧被封装到实时流传输协议（RTSP）中。这些帧被发送到安装在Raspberry Pi中的一个特殊的开源和实时视频服务器，称为Janus WebRTC[29，30]，它将RTSP协议中的帧转换为标准的WebRTC，与Google Chrome或Mozilla Firefox等浏览器兼容作为一个概念，基于Web的实时通信（WebRTC）[31，32]是一个相对较新的实时对等通信标准，对于游戏，视频流和传感器数据馈送具有几个优势当学生想要对设备进行识别或控制时，他们必须用Python语言构建一个算法，一方面通过ADC（ADS 1115）读取超声波传感器（US-016）的模拟值以识别储罐的当前液位，另一方面通过通用I/O管理储罐的电动泵Raspberry Pi的GPIOsADC通过I2C协议与Raspberry Pi接口。之后，算法被传输到Raspberry Pi中的Apache服务器进行进一步处理。对于本文所述的硬件，我们采用了图（2）所示的局域网（LAN）。然而，可以通过相同的Raspberry Pi及其域名系统（DNS）或使用学习管理系统（LMS）来保证对实验的远程访问，因为Moodle对软件进行了很少的修改。我们希望根据对项目感兴趣的教育工作者或利益相关者的技术要求来进行选择。尽管如此，在第7.1节中指出了关于实验的互联网访问的一些建议。为了扩展硬件功能，将在下一小节中解释其每个组件。2.2. 控制箱系统控制槽系统由两个圆柱形丙烯酸槽（高度（h）= 51 cm，直径（dia）= 20.8 cm，厚度= 4 mm）和两个（12 V，4.8 W）浸入式电动泵组成，其最大流量和脉冲高度分别为（Qmax= 240 L/H，hmax= 300 cm）。一个丙烯酸储罐（T1）是带有超声波传感器和调节装置H s的控制装置G s，而储罐（T2）用作储存器。两个储罐都配有电动泵，以在它们之间交换液体，这些泵与柔性塑料软管连接。关于超声波传感器（US-016），这是一种模拟传感器，测量范围在2 cm至300 cm之间，分辨率为1 mm。对于1米测量，vs. 传感器的输出电压由表达式h1024ωVout给出，其中h是以mm为单位的罐液位，以及Vcc¼5V。图二. RaspyControl实验室的网络方案。J. Alvarez Ariza和C.诺梅斯基·加尔维斯HardwareX 13（2023）e003965图（3）示出了控制箱系统的整体外观。由于坦克是由当地制造商创建的，我们在TinkerCAD中设计了不同的CAD文件，这些文件在设计文件部分中提供，以帮助教育工作者和实践者以简单的形式进行施工。2.3. 信号调理电路信号调理电路的目的是双重的。一方面，它允许用超声波传感器校准控制箱（T1）的最低检测液位由于液浸泵需要最低液位以防止损坏，我们将此最低液位设置为高于罐底部（T1，T2）4.5 cm，如图（3）所示。因此，信号调理电路保证在此电平下，其输出为0 V。另一方面，由于MCP 6004的共模抑制比（典型CMRR = 76 dB），该电路有助于降低传感器的噪声如图（4）所示，调理电路由一个由运算放大器（MCP 6004）制成的减法器、一些电阻和一个10KX微调器组成由于减法器的电阻值为10KX（R1-R4），因此该电路的输出电压为Vout¼VOFF-Vsens，其中VOFF是微调器的调节电压，Vsens是超声波传感器的输出电压。但如果如果该电路需要增益，则可以改变电阻器R1减法器电路产生的输出电压直接连接到ADS 1115的通道A0，尽管该器件在范围内有4个通道图三. RaspyControlLab的控制箱系统。见图4。 RaspyControl实验室信号调理电路示意图。J. Alvarez Ariza和C.诺梅斯基·加尔维斯HardwareX 13（2023）e003966¼≈¼≈¼图五. 为信号调理电路设计PCB板。0 V-3.3 V。唯一的预防措施是不要超过ADS1115输入（通道A0）的3.3 V这可以通过一个3.3 V齐纳二极管，如1N4728A（原理图中的D2），作为MCP 6004输出的限制器。在实验中，由于槽高度（h）和超声波传感器的电压输出，3.3V值没有被超过。在这种情况下，RaspyControl Lab的控制实验是单输入单输出（SISO）系统，因为仅控制变量（水平）。但是，如果需要为多输入多输出（MIMO）系统添加新变量，则可以重新设计电路以满足这些规格。该电路有两种电源选项。MCP 6004和传感器的工作电压为5 V，而ADS1115的工作电压为3.3 V。因此，我们将信号调理电路和电机泵的电源分开，以降低系统中的电噪声水平此外，ADS1115直接与3.3V和I2C协议引脚SCL和SDA接口在Raspberry Pi这种设计选择是由于超声波传感器（US-016）是一种敏感的设备，其测量可能受到纹波电压或电噪声的影响因此，我们采用了两个开关模式电源，如图。（6）和图。（7）显示由于其低纹波电压（0：3 V）。必须按照图（4）的示意图将电源连接到连接器（MCP 6004和ADS1115IN）。此外，连接器MCP 6004中的输入SIN允许连接传感器电压输出。根据这些方面，我们设计了一个印刷电路板（PCB），如图（5）所示，尺寸为（w= 6.91 cm，h= 5.41cm）。在Proteus VSM8.9. (See 图（8））。关于16位ADC（ADS1115），这是一款I2CADC，具有四个模拟通道和一个可编程增益放大器（PGA）。如前所述，ADC 1115连接到Raspberry Pi的3.3 V电源。该器件的可编程数据速率范围为85 SPS至860 SPS，非常适合控制设备，因为它不是一个快速系统。实际上，正如我们将在验证和表征部分中看到的，h40cm为（ts262secs）。利用Adafruit Python库（cir- cuitpythonadafruit_ads1x15[33]），以电压形式读取来自ADS 1115的数据。2.4. 电机泵功率驱动器每个电机泵都通过Raspberry Pi中的GPIO（12，13）控制，支持PWM。所选PWM频率为fpwm¼490Hz。 每个电动泵的最大电流消耗，12 V电源我0：4A，功耗为（P4： 8W），这是电机驱动器L298标称容量的理想选择（P20W），用于控制系统。每个PWM信号的占空比（k）随着控制器的创建而改变被学生们。具体来说，学生应该使用Python库RPi.GPIO，并使用以下方法，其中RP1m13是引脚（GPIO13）的对象，用于访问库RPi.GPIO的不同功能GPIO.PWM（13，490）13.ChangeDutyCycle（50）第一种方法配置引脚和频率，而第二种方法以百分比（0-100%）改变占空比k图（6）显示了电机泵驱动器（L298）和Raspberry Pi 4的整体原理图。J. Alvarez Ariza和C.诺梅斯基·加尔维斯HardwareX 13（2023）e003967图六、L298驱动程序和树莓派的原理图在这种情况下，5 V和12 V电源的接地与Raspberry Pi 4的接地相连见图7。RaspyControl Lab的组件1. Raspberry Pi 4（4 GB），2.信号调理电路，3. L298电机泵驱动器，4.电源（5 V、12 V）。J. Alvarez Ariza和C.诺梅斯基·加尔维斯HardwareX 13（2023）e003968≈¼ ¼¼图8.第八条。实验用的摄像1.一、8MP摄像头。二、垂直PVC管段。3.第三章。0.5英寸PVC管内的柔性电缆四、圆形PVC耦合，以适应相机连接。2.5. 组件图（7）显示了RaspyControl Lab的组件框及其组件。在盒子中分配了控制系统的主要硬件组件，如Raspberry Pi，电机泵驱动器，信号调理电路和电源。组件盒由丙烯酸制成，尺寸如下：（高9： 8 cm;长20cm，宽40 cm）。组件通过M3和M2.5型螺钉及其螺母连接到盒上关于摄像头，这是一个8MP Raspberry Pi摄像头，与2米的柔性电缆 将柔性电缆放入0.5英寸PVC管中，长度为11：2 m，包括安装摄像机的垂直段，如图所示。（1）描绘。我们选择这个距离，提供了一个很好的视频重点实验。2.6. 3D模型如上所述，为了便于罐和组件盒的构造与模型的链接可在第4节中找到。 图（9）说明模型。请记住，模型的尺寸为1：10。见图9。RaspyControlLab的TinkerCAD 3D模型。J. Alvarez Ariza和C.诺梅斯基·加尔维斯HardwareX 13（2023）e0039693. 软件描述RaspyControlLab的软件组件由一个Web界面组成，学生和教育工作者可以在其中识别控制设备，测试控制器并轻松调试它们。该界面具有图（10）中描绘的元素。在工作区，学生或教育工作者可以用Python构建他们的控制算法，以执行自动控制中的不同操作，例如识别，以及控制器的测试和调试。在任何时候，用户都可以看到控制植物的行为与实时视频流从安装在实验中的摄像头。通过Janus WebRTC服务器以WebRTC标准编码的视频帧显示在用户界面中，最大带宽为200 Kb/s。鼓励开发人员或教育工作者根据实验所处网络的特点，随时根据软件库的指示更改此带宽。在我们所做的不同实验中，潜伏期在500 ms到3 s之间振荡当学生在工作区完成他们的算法时，他们可以点击运行按钮来执行实验中的Python脚本同样，学生或教育工作者可以保存或上传在界面中创建的脚本最后，查看Python控制台和绘图按钮允许学生查看Raspberry Pi的Python控制台，以检查代码执行中的错误或打印信息，并从传感器，控制器等绘制Python脚本的数据分别Web界面可从与WebRTC标准兼容的Web浏览器（如Google Chrome或Mozilla Fire-fox）访问 只有用户必须通过浏览器在实验中输入RaspberryPi的IP，例如http：//192.162。 5.2，或者域名为http：//raspberrypi。学生的Python脚本的所有信息都是通过Apache服务器使用Raspberry Pi中的HTTP端口（80）以WSGI模式管理的Web界面通过POST查询将创建的Python代码发送到Apache服务器。因此，在软件界面的创建中使用了六个关键的开源库组件，如表2所示。采用Janus WebRTC Server实现实时视频，NodeJS利用Redis数据库实时绘制脚本数据，Flask通过HTTP协议处理学生用Python创建的脚本，最后利用ACE代码编辑器直接在Web界面高亮显示和编辑Python脚本语句除 了 前 面 的 软 件 组 件 之 外 ， 对 于 想 要 从 头 开 始 复 制 软 件 的 开 发 人 员 的 说 明 可 以 在 GitHub 存 储 库（https://github.com/Uniminutoarduino/RaspyControlLab）中找到。同样，第6节和第7节中的说明也适用于只想开始使用组件进行实验的教育工作者本文档中所公开的硬件和软件。最后，完整的Raspberry Pi OS镜像可供下载，包含研究中开发的所有软件组件见图10。RaspyControlLab的用户友好的Web界面。1.工作区，2。实时视频，3.实现了帮助、执行、停止和保存脚本的功能; 4.加载脚本形式，5.按钮查看Python控制台，6.按钮从脚本中绘制数据J. Alvarez Ariza和C.诺梅斯基·加尔维斯HardwareX 13（2023）e0039610表2RaspyControl Lab软件中使用的主要补充和框架。软件补充或框架描述链接1. Janus WebRTC服务器由Meetecho设计和开发的开源通用WebRTC服务器https://github.com/雅努斯网关2.NodeJS JavaScript运行时构建在ChromeNode.js旨在构建可扩展的网络应用程序。https://nodejs.org/en/3.Flask Web框架，Python模块，让您轻松开发Web应用程序网址：//flask.palletsprojects.com/zh/2.1.x/4. ACE代码编辑器和荧光笔用JavaScript编写的嵌入式代码编辑器它与Sublime、Vim和TextMate等原生编辑器的功能和性能相https://ace.c9.io/5. Apache Server用于现代操作系统（包括UNIX和Windows）的开源HTTP服务器。https://httpd.apache.org/6. Redis开源（BSD许可），内存数据结构存储，用作数据库，缓存和消息代理。https://redis.io/4. 设计文件4.1.设计文件摘要所有设计文件都可以在存储库中找到（https：//doi.org/10.5281/zenodo.7500242）。具有不同实验的数据集，包括被控对象识别和控制器设计文件名文件类型开源许可证ProteusVSM.zipCAD文件，包含信号的原理图和PCBProteus VSM 8.9中的调节电路。3Dmodel.zip链接到TinkerCAD设计和实现的硬件3D模型署名-相同方式共享4.0国际许可协议（CC BY-SA 4.0）署名-相同方式共享4.0国际许可协议（CC BY-SA 4.0）RaspberryPiOSIMage2022-Raspberry Pi OS的完整镜像，以及项目中安装或开发的所有软件组件署名-相同方式共享4.0国际许可协议（CC BY-SA 4.0）Scripts.zipPython v3.9脚本与不同的控制器（P，PI，PID）的设计和实现。MATLAB.zipMATLAB R2018b文件，其中包含在项目中创建的模拟和SISO工具会话。署名-相同方式共享4.0国际许可协议（CC BY-SA 4.0）署名-相同方式共享4.0国际许可协议（CC BY-SA 4.0）Dataset（identification-control）.xlsxsoftware.zip数据集与不同的实验，从植物识别到控制器的实施。包含所有软件组件的文件夹，从头开始安装在Raspberry Pi OS中。署名-相同方式共享4.0国际许可协议（CC BY-SA 4.0）署名-相同方式共享4.0国际许可协议（CC BY-SA 4.0）5. 物料清单完整的物料清单（BOM）可在开放存储库（https：//doi.org/10.5281/zenodo.7500242）中找到一些部件，特别是油箱系统的部件是由当地制造商制造的请与您当地的制造商或分销商一起使用BOM和3D TinkerCAD模型中指定的尺寸构建这些组件在设计中，我们使用了两个电源的电机泵和信号调理电路。尽管如此，可以包括一个电源，以降低12 V和5 V支持的成本。Raspberry Pi 4（4 GB）可以替换为另一个2 GB，因为RaspyControl Lab的RAM消耗不会超过此值。事实上，如第8.5节所示，实验的当前RAM消耗为290 MB。执行总费用为461美元，但经过先前的修改，费用可减少到420美元在BOM表中（l=长度，h=高度，w=宽度）。J. Alvarez Ariza和C.诺梅斯基·加尔维斯HardwareX 13（2023）e00396115.1. 罐系统指定数量成本每单位-美元总 费用-美元材料来源12 V无刷直流电机泵2 13.53 27.06https://www.aliexpress.com/item/32472119699.html超声波传感器（US-016）12.382.38https://es.aliexpress.com/item/1005001593889019.HTML其他其他L298驱动器1 5.65 5.65https://bit.ly/3NzYAYE其他丙烯酸储罐2 80 160当地制造商丙烯酸（高<$51 cm;宽< $20： 8 cm;厚< $4 mm）亚克力盖子（直径= 20.8 cm，厚度= 4 mm）2 10 20当地制造商亚克力亚克力铰链（宽<$45 mm）2 4 8当地制造商亚克力带粘合剂的塑料接线管（宽1： 5cm;高1： 1 cm;长 1： 5 m）1 4 4本地制造商塑料塑料软管（直径1厘米;长2米）1 10 10当地制造商塑料螺纹塑料球阀1=200in28.5617.12https://bit.ly/3a1HmWJPlastic5.2. 信号调理电路指定器数量单位成本-费用共计材料来源材料USDUSD类型ADS1115（16位ADC）114.9514.95https://www.adafruit.com/其他产品展示/1085MCP 6004（U1）10.690.69https://bit.ly/3a8bwaL半-导体10 KX电阻（0.25 W）40.140.56https://bit.ly/3y9fGan碳膜（R1-R4）1 KX电阻器（0.25W）（R5）1 0.14 0.14https://bit.ly/3y9fGan碳膜指定器数量单位成本-美元总 费用-美元材料来源材料类型10 KX裁纸机12.042.04https://bit.ly/3OPxjTe碳膜红色led（3 mm）（D1）11.221.22https://bit.ly/3AiNwMK其他输入电容（100 uF/25 V）（C1）10.350.35https://bit.ly/3OOMuMq电解3.3 V Zener diode（D2）11.2571.257https://bit.ly/3ezudGk半导体14-插针IC插座10.50.5https://bit.ly/3OSBCx1塑料金属10-针式单排母头（间距10.750.75https://bit.ly/3y7BFhR塑料金属2.54毫米）3- 针JST XH连接器组（间距= 2.5 4mm）-公连接器和母电缆4- 针JST XH连接器组（间距= 2.5 4mm）-公连接器和母电缆1 0.7 0.7https://bit.ly/3uhiKA9 Plastic-cooper1 0.8 0.8https://bit.ly/3OGuoNe Plastic-cooperRaspberry Pi GPIO Tall Header-2x20 1 2.75 2.75https://bit.ly/3An3Egl塑料金属用于调节电路的1 16 16schustercircuitos.com/（本地制造商）聚合物-铜J. Alvarez Ariza和C.诺梅斯基·加尔维斯HardwareX 13（2023）e00396125.3. 摄像机支撑指定器数量单位成本-美元总费用-美元材料来源材料类型1=200PVC管，l¼1：5 m166本地制造商塑料1=200圆弯头PVC耦合连接器133本地制造商塑料1=200T型PVC耦合连接器133当地制造商塑料1=200PVC外螺纹接头，带螺母133本地制造商塑料5.4. Raspberry Pi指定器数量单位成本-美元费用共计-美元材料来源材料类型Raspberry Pi 4（4 GB）15555网址：//www.其他adafruit.com/product/4296Raspberry Pi Camera Board v2 - 8129.9529.95网址：//www.其他万像素adafruit.com/product/3099Raspberry Pi相机的柔性电缆或15.955.95网址：//www.塑料-显示屏- 2米adafruit.com/product/金属2144树莓派4电源适配器5 V 4A19.139.13https://bit.ly/3I3fn5r其他充电器20 W USB Type CMicro SD卡（32 GB）1 6.69 6.69https://amzn.to/3KQefU3其他5.5. 电源指定器数量单位成本-美元总 费用-美元材料来源材料类型电源1（5 V）-Q-60 B四路输出开关电源60 W 5 V/12 V/-5V/-12 V电源2（12 V）-3A DC适配器，带连接器1111.25.611.25.6https：//bit.ly/3a0SDqlhttps：//bit.其他其他ly/3uhg19H5.6. 元件指定器数量单位成本-美元费用共计-美元材料来源材料类型亚克力组件（高1/49： 5 cm;宽1/4 40 cm;长1/4 20 cm），带顶盖13030本地制造商丙烯酸J. Alvarez Ariza和C.诺梅斯基·加尔维斯HardwareX 13（2023）e0039613¼ ¼¼6. 构建指令在本节中，我们讨论了硬件和软件的构建说明。首先，我们指出了总体指令。其次，我们描述了硬件和软件中每个主要组件的特定指令，并使用不同的图像来说明该过程。6.1. 总体说明一般来说，构建硬件和软件的指令总结如下：对于硬件：1. 根据TinkerCAD 3D模型中描述的尺寸和孔，并考虑1：10的比例，构建丙烯酸储罐和组件2. 把电动泵放进丙烯酸水箱里。将软管连接到电动泵上，并使用每个罐顶部的孔将其穿过罐之间。3. 将超声波传感器（US-016）放入并粘在主控箱（T1）的顶盖4. 在每个水箱中粘贴电线管，以组织每个电机泵的电线5. 焊接PCB的元件。按照Proteus VSM示意图。对于MCP 6004，使用14针IC插座。对于ADS 1115，采用10引脚单排母头连接器（1*10间距= 2.54 mm）。6. 将Raspberry Pi、信号调理电路、L298驱动器和电源放在组件盒中使用M3或M2.5螺钉及其螺母将它们7. 将之前的组件相互请特别注意电源（12 V、5 V）的接线连接以及硬件组件之间的公共接地。8. 打开电源。如有必要，用万用表检查这些电路、L298驱动器和信号调理电路的电压。在连接ADC之前，检查信号调理电路的输出是否不超过3.3 v的对于软件：1. 下载Raspberry Pi OS映像并将其保存在项目存储库中的micro SD卡（32 GB）上。对于这项任务，使用软件Raspberry Pi成像器。2. 将micro SD插入Raspberry Pi 4。3. 连接Raspberry Pi 4的5 V电源等待Raspberry Pi OS启动。4. 默认情况下，Raspberry Pi的IP由DHCP分配如果您需要更改此IP，请使用软件高级IP扫描器来检测当前IP。安装VNC客户端并使用以下凭据访问此IP：（用户：pi，密码：remotelab）。根据您的需要直接在Raspberry Pi OS中更改IP5. 在以下文件中使用分配给您的IP搜索并修改第191行：/var/www/FlaskApp/templates/indexcode.ht ml。使用nano、Geany或其他编辑器。接下来，保存此文件，并在Raspberry Pi OS的终端中键入命令sudo service apache2 restart。6. 从浏览器中键入Raspberry Pi的IP或访问域名（http：//raspberrypi）。查看实验的实时视频。利用存储库中可用的不同Python脚本来测试自动控制实验。6.2. 硬件安装说明6.2.1. 安装亚克力罐、电动泵和超声波传感器1. 使用TinkerCAD模型中指定的尺寸创建坦克将塑料球阀插入每个水箱底部的指定孔中两个水箱的顶盖均采用丙烯酸铰链。用粘合剂将它们粘在一起，例如，乐泰超级粘合剂。将超声波传感器（US-16）插入带孔的水箱（T1）顶盖使用传感器大小的泡沫块 在每个水箱中粘贴尺寸为（高10 mm;宽15毫米;l48cm），以组织每个电动泵和超声波传感器的导线。 见图（11）和图（12）。（十二）、2. 将电动泵安装在丙烯酸罐的底部将塑料软管（直径=1cm）连接到长度足够的电动泵使用每个罐顶部的孔将软管穿过罐之间为了减少可能影响超声波传感器测量的罐（T1）中的液体湍流，切下一小块透明塑料醋酸酯，并将其安装在罐T1中沉积液体的塑料软管的最后部分用尼龙扎带将塑料片与软管连接起来 见图（12），图。（十三）、同样，在卷尺的帮助下，绘制或粘贴（T1）的水平刻度（以厘米为单位），考虑到（T1）的电动泵的最低水平是上述水箱底部上方4.5cm（见图）（十四））J. Alvarez Ariza和C.诺梅斯基·加尔维斯HardwareX 13（2023）e0039614见图11。 将超声波传感器连接到顶部丙烯酸盖的过程。6.2.2. 组装信号调理电路根据Proteus 8.9 VSM存储库中提供的原理图和PCB设计焊接信号调理电路的组件。MCP 6004和ADS1115IN连接分别采用3针和4针JST XH连接器（间距= 2.54 mm）。同样，对于运算放大器（OP-AMP）MCP 6004，使用14引脚IC插座。对于ADS 1115，采用10引脚母头连接器（1*10间距= 2.54 mm）。连接ADC（ADS 1115）和见图12。 安装电动泵、塑料软管和丙烯酸铰链的程序。J. Alvarez Ariza和C.诺梅斯基·加尔维斯HardwareX 13（2023）e0039615图十三.安装塑料软管和透明醋酸塑料终端的程序，以减少罐（T1）中的湍流。见图14。ADS1115的信号调理组装过程MCP6004到PCB的信号调理电路。此外，请注意，我们在PCB中使用了精