IoT APIS V2 - autonómny automatizovaný systém zavlažovania rastlín s podporou IoT: 17 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Tento projekt je evolúciou môjho predchádzajúceho pokynu: APIS - automatizovaný zavlažovací systém rastlín

APIS používam už takmer rok a chcel som vylepšiť predchádzajúci dizajn:

1. Schopnosť diaľkovo monitorovať rastlinu. Vďaka tomu tento projekt povolil IoT.
2. Ľahko vymeniteľná sonda pôdnej vlhkosti. Prešiel som tromi rôznymi prevedeniami vlhkostnej sondy a bez ohľadu na to, aký materiál som použil, skôr alebo neskôr sa erodoval. Nový dizajn mal teda vydržať čo najdlhšie a mal byť rýchlo a ľahko vymenený.
3. Hladina vody vo vedre. Chcel som vedieť, koľko vody je vo vedre ešte k dispozícii, a zastaviť polievanie, keď je vedro prázdne.
4. Lepší vzhľad. Sivý rámček projektu bol dobrý začiatok, ale chcel som vytvoriť niečo, čo vyzerá o niečo lepšie. Budete sudcom, ak sa mi tento cieľ podarilo dosiahnuť …
5. Autonómia. Chcel som, aby bol nový systém autonómny, pokiaľ ide o výkon a/alebo dostupnosť internetu.

Výsledný projekt nie je menej konfigurovateľný ako jeho predchodca a má ďalšie užitočné funkcie.

Tiež som chcel využiť svoju novo získanú 3D tlačiareň, takže niektoré časti bude potrebné vytlačiť.

Krok 1: Hardvér

Na zostavenie IoT APIS v2 budete potrebovať nasledujúce komponenty:

1. Vývojová doska WIFI NodeMcu Lua ESP8266 ESP -12E WIFI - na banggood.com
2. Modul na meranie vzdialenosti ultrazvukového senzora SODIAL (R) s 3 kolíkmi, duálny prevodník, trojpólový na doske-na amazon.com
3. DC 3V -6V 5V Malé ponorné vodné čerpadlo Akvarijné čerpadlo na ryby - na ebay.com
4. Trojfarebné LED - na amazon.com
5. Doska Vero - na amazon.com
6. Tranzistor PN2222 - na amazon.com
7. Plastové skrutky, skrutky a matice
8. Spájkovacie zariadenie a zásoby
9. Drôty, odpory, hlavičky a ďalšie rôzne elektronické súčiastky
10. Prázdna nádoba Tropicana OJ 2.78 QT
11. 2 pozinkované klince

Krok 2: Celkový dizajn

Celkový dizajn pozostáva z nasledujúcich komponentov: 1. Sonda pôdnej vlhkosti a kryt na zavlažovanie rastlín (kombinovaný - 3D tlač) 2. Hadičky a káble3. Senzor úniku vody zo zásobníka (3D tlač) 4. Riadiaci modul namontovaný na vrchole nádoby OJ (umiestnený a uzavretý v 3D tlačenom kufríku) 5. Ponorné vodné čerpadlo 6. Skica NodeMCU7. Konfigurácia IoT 8. Napájanie: USB cez elektrickú zásuvku - ALEBO - solárny panel (autonómny režim) Diskutujme o každom komponente jednotlivo

Krok 3: Ponorné vodné čerpadlo

Ponorné vodné čerpadlo je umiestnené pod držadlom nádoby OJ (aby sa zabránilo rušeniu s meraním hladiny vody). Čerpadlo je umiestnené tak, že sa „vznáša“asi 2 až 3 mm nad dnom nádoby, aby umožnilo voľný prietok vody k nasávaniu.

Pretože by čerpadlo malo byť pre normálnu prevádzku úplne ponorené, minimálna hladina vody v nádobe by mala byť približne 3 cm (asi 1 palec).

Krok 4: Riadiaci modul namontovaný na vrchu OJ Jar

Ako nádobu na vodu som vybral štandardne veľkú nádobu Tropicana OJ. Tie sú široko dostupné a štandardné.

Po odstránení pôvodného kohútika sa ovládací modul umiestni na vrch nádoby.

Platforma, na ktorej je umiestnený riadiaci modul, je vytlačená 3D tlačou. Súbor STL je k dispozícii v sekciách súborov a náčrtov tohto návodu.

Čerpadlo, hadičky a vedenie sú vedené držadlom nádoby Tropicana, aby sa uvoľnil priestor na meranie hladiny vody.

Hladina vody sa meria ultrazvukovým snímačom vzdialenosti integrovaným s platformou riadiaceho modulu. Hladina vody sa určuje ako rozdiel je meranie vzdialenosti prázdnej nádoby a nádoby naplnenej vodou na určitú úroveň.

Riadiaci modul a americký senzor sú pokryté 3D tlačenou „kupolou“. Súbor STL kupoly je k dispozícii v sekcii súborov a náčrtov tohto návodu.

Krok 5: Riadiaci modul - schémy

Schémy pre ovládací modul (vrátane zoznamu komponentov) a súbory návrhov chlebových platní sú uvedené v časti súborov a náčrtkov tohto návodu.

POZNÁMKA: Práca s NodeMCU sa ukázala ako náročná úloha, pokiaľ ide o dostupné piny GPIO. Takmer všetky GPIO slúžia na množstvo funkcií, vďaka ktorým sú buď nedostupné na použitie, alebo ich nemožno použiť v režime hlbokého spánku (kvôli špeciálnym funkciám, ktoré hrajú počas bootovania). Nakoniec sa mi podarilo nájsť rovnováhu medzi používaním GPIO a mojimi požiadavkami, ale trvalo to niekoľko frustrujúcich iterácií.

Napríklad niekoľko GPIO zostáva „horúcich“počas hlbokého spánku. Pripojenie LED k tým, ktoré porazili účel zníženia spotreby energie počas hlbokého spánku.

Krok 6: Snímač úniku vody zo zásobníka

Ak má váš kvetináč v spodnej časti prepadový otvor, existuje riziko, že voda pretečie zo spodného zásobníka a vyleje sa na podlahu (na ktorej sa nachádza polica alebo čokoľvek, na čom je umiestnená vaša rastlina).

Všimol som si, že meranie vlhkosti pôdy je do značnej miery ovplyvnené polohou sondy, hustotou pôdy, vzdialenosťou od napájacieho otvoru atď. Inými slovami, prechod vlhkosťou pôdy môže byť pre váš domov škodlivý iba vtedy, ak voda pretečie spodným zásobníkom a vyleje sa.

Senzor pretečenia je rozpera medzi hrncom a spodným zásobníkom s dvoma drôtmi omotanými okolo tyčí. Keď voda naplní zásobník, dva vodiče sa spoja, čím signalizujú mikrokontroléru, že v dolnom zásobníku je voda.

Nakoniec sa voda odparí a drôty sa odpojia.

Spodný zásobník je vytlačený 3D. Súbor STL je k dispozícii v sekcii súborov a náčrtov tohto pokynu.

Krok 7: Sonda vlhkosti pôdy a kryt na zalievanie

Šesťuholníkový 3D tlačený kryt som navrhol ako kombinovanú sondu pôdnej vlhkosti a zavlažovací priestor.

Súbor 3D tlače (STL) je k dispozícii v sekcii súborov a náčrtkov tohto návodu.

Kryt sa skladá z dvoch častí, ktoré je potrebné zlepiť. Na bočnú stranu krytu je vlepená upravená ostnatá armatúra na pripevnenie potrubí.

Na umiestnenie pozinkovaných klincov slúžia dva otvory 4,5 mm, ktoré slúžia ako sondy vlhkosti pôdy. Pripojenie k mikrokontroléru sa dosahuje kovovými rozperami vybranými špeciálne tak, aby zodpovedali nechtom.

3D dizajn sa vykonáva pomocou www.tinkercad.com, čo je úžasný a ľahko použiteľný, ale výkonný nástroj pre 3D návrh.

POZNÁMKA: Môžete sa opýtať, prečo som jednoducho nepoužil jednu z vopred vyrobených pôdnych sond? Odpoveď je: fólia na nich sa rozpustí do týždňov. V skutočnosti sú nechty aj pod obmedzeným časom pod napätím, stále sa erodujú a je potrebné ich vymeniť najmenej raz za rok. Vyššie uvedený dizajn umožňuje výmenu nechtov v priebehu niekoľkých sekúnd.

Krok 8: Hadičky a káble

Voda je dodávaná do plánu prostredníctvom superjemnej latexovej gumovej polopriehľadnej trubice (s vnútorným priemerom 1/4 "a vonkajším priemerom 5/16").

Výstup čerpadla vyžaduje väčšiu hadičku a adaptér: Polypropylénová armatúra odolná voči chemikáliám, redukčná rovinka pre ID rúrky 1/4 "x 1/8".

Nakoniec, chemicky odolná polypropylénová armatúra, rovná pre 1/8 trubicu ID, slúži ako konektor pre zavlažovací priestor.

Krok 9: Skica NodeMCU

Skica NodeMCU implementuje niekoľko funkcií IoT APIS v2:

1. Pripojí sa k existujúcej sieti WiFi - ALEBO - beží ako prístupový bod WiFi (v závislosti od konfigurácie)
2. Dotáže sa serverov NTP na získanie miestneho času
3. Implementuje webový server na monitorovanie rastlín a úpravu parametrov zavlažovania a siete
4. Meria vlhkosť pôdy, úniky vody zo spodnej misky, hladinu vody v nádobe a poskytuje vizuálnu indikáciu prostredníctvom 3 farebných LED diód
5. Implementuje prevádzkové režimy online a úsporný režim
6. Ukladá informácie o každom zalievaní lokálne do vnútornej pamäte flash

Krok 10: NodeMCU Sketch - WiFi

Štandardne IoT APIS v2 vytvorí lokálny prístupový bod WiFi s názvom „Plant_XXXXXX“, kde XXXXXX je sériové číslo čipu ESP8266 na palube NodeMCU.

K vstavanému webovému serveru máte prístup pomocou adresy URL: https://plant.io interný server DNS pripojí vaše zariadenie k stavovej stránke APIS.

Zo stavovej stránky môžete prejsť na stránku s parametrami zavlažovania a stránku s parametrami siete, kde sa môžete prinútiť IoT APIS v2 pripojiť k vašej WiFi sieti a začať hlásiť stav do cloudu.

Podpora operácií IoT APIS online a úsporný režim:

1. V online režime IoT APIS neustále udržiava WiFi pripojenie, takže môžete kedykoľvek skontrolovať stav svojho závodu
2. V úspornom režime IoT APIS pravidelne kontroluje vlhkosť pôdy a hladinu vody, pričom medzi nimi prepne zariadenie do režimu „hlbokého spánku“, čím dramaticky zníži jeho spotrebu energie. Zariadenie však nie je k dispozícii online vždy a parametre je možné zmeniť iba vtedy, keď sa zariadenie zapne (v súčasnosti každých 30 minút, v súlade s hodinami/polhodinami hodín v reálnom čase). Zariadenie zostane online každých 1 minútu 1 minútu, aby umožnilo zmeny konfigurácie, a potom prejde do režimu hlbokého spánku. Ak sa používateľ pripojí k zariadeniu, doba „hore“sa predĺži na 3 minúty pre každé pripojenie.

Keď je zariadenie pripojené k miestnej sieti WiFi, jeho IP adresa je nahlásená cloudovému serveru IoT a viditeľná na mobilnom monitorovacom zariadení.

Krok 11: NodeMCU Sketch - NTP

IoT APIS v2 používa protokol NTP na získanie miestneho času z časových serverov NIST. Správny čas sa používa na určenie, či má zariadenie vstúpiť do „nočného“režimu, t.j. vyhnite sa spusteniu čerpadla alebo blikajúcej LED.

Nočný čas je možné konfigurovať oddelene pre pracovné dni a víkendové ráno.

Krok 12: Skica NodeMCU - miestny webový server

IoT APIS v2 implementuje lokálny webový server na hlásenie stavu a zmeny konfigurácie. Domovská stránka poskytuje informácie o aktuálnej vlhkosti a hladine vody, prítomnosti pretečenej vody v dolnom zásobníku a štatistikách najnovšieho zavlažovania. Stránka s konfiguráciou siete (prístupná) pomocou tlačidla Konfigurovať sieť) poskytuje možnosť pripojenia k miestnej sieti Wi -Fi a prepínanie medzi režimami online a úspora energie. (Zmeny v konfigurácii siete spôsobia reset zariadenia) Stránka konfigurácie zavlažovania (prístupná pomocou tlačidla konfigurácie vody) poskytuje možnosť zmeny parametrov zavlažovania (vlhkosť pôdy na spustenie/zastavenie zavlažovania, trvanie zavlažovania a pauza nasýtenia medzi cyklami, počet cyklov) atď.) Súbory HTML webového servera sú umiestnené v priečinku s údajmi náčrtu IoT APIS Arduino IDE. Mali by byť nahrané do pamäte NodeMCU flash ako súborový systém SPIFF pomocou tu umiestneného nástroja „ESP8266 Sketch Data Upload“.

Krok 13: Skica NodeMCU - lokálny denník zavlažovania a prístup k internému systému súborov

V prípade, že nie je k dispozícii sieťové pripojenie, systém IoT APIS v2 lokálne zaznamenáva všetky zavlažovacie činnosti.

Ak sa chcete dostať do denníka, pripojte sa k zariadeniu, prejdite na stránku '/upraviť' a potom si stiahnite súbor watering.log. Tento súbor obsahuje históriu všetkých zalievaní od spustenia protokolovania.

K tomuto kroku je priložený príklad takého súboru denníka (vo formáte oddelenom záložkami).

POZNÁMKA: Stránka sťahovania nie je k dispozícii, keď je IoT APIS v2 spustený v režime prístupového bodu (kvôli závislosti od online knižnice Java Script).

Krok 14: Skica NodeMCU - vlhkosť pôdy, únik vody zo spodného zásobníka, hladina vody, 3 farebné LED diódy

Meranie vlhkosti pôdy je založené na rovnakom princípe ako pôvodný APIS. Podrobnosti nájdete v tomto návode.

Netesnosti vodnej nádrže sú detekované okamžitým priložením napätia na vodiče umiestnené pod hrncom pomocou vnútorných rezistorov PULLUP. Ak je výsledný stav PIN NÍZKY, potom je v zásobníku voda. Stav PIN VYSOKÝ naznačuje, že obvod je „prerušený“, a preto v dolnom zásobníku nie je voda.

Hladina vody sa určuje meraním vzdialenosti od vrchu nádoby k vodnej hladine a porovnaním so vzdialenosťou k spodnej časti prázdnej nádoby. Upozorňujeme na použitie 3 -kolíkového senzora! Sú drahšie ako štyri kolíkové snímače HC-SR04. Nanešťastie mi na NodeMCU došli GPIO a musel som prerušiť každý drôt, aby mohol návrh fungovať len na jednom NodeMCU bez ďalších obvodov.

Na vizuálne zobrazenie stavu APIS sa používajú 3 farebné LED diódy:

1. Stredne blikajúca ZELENÁ - pripojenie k sieti WiFi
2. Rýchlo blikajúce ZELENÉ - dotazovanie sa na server NTP
3. Stručné upozornenie ZELENÉ - pripojené k WiFi a úspešne získané z NTP aktuálny čas
4. Stručne povedané BIELY - inicializácia siete je dokončená
5. Rýchlo blikajúce BIELE - spustenie režimu prístupového bodu
6. Rýchlo blikajúca MODRÁ - polievanie
7. Stredne blikajúca MODRÁ - nasýtená
8. Krátko solídne AMBER nasledované krátko solídnym ČERVENÝM - neschopnosť získať čas z NTP
9. Krátko pevná BIELA počas prístupu na interný webový server

LED dióda nefunguje v „nočnom“režime. Režim NIght bolo možné spoľahlivo určiť iba vtedy, ak bolo zariadenie schopné získať miestny čas zo serverov NTP aspoň raz (miestne hodiny v reálnom čase sa budú používať, kým sa nenadviaže ďalšie pripojenie k serveru NTP)

Príklad funkcie LED je k dispozícii na YouTube tu.

Krok 15: Solárna energia, energetická banka a autonómna prevádzka

Jednou z myšlienok IoT APIS v2 bola schopnosť fungovať autonómne.

Súčasný dizajn na to používa solárny panel a dočasnú 3600 mAh energetickú banku.

1. Solárny panel je k dispozícii na amazon.com
2. Power banka je dostupná aj na amazon.com

Solárny panel má vstavanú aj batériu 2 600 mAh, ale nebol schopný udržať 24 -hodinovú prevádzku APIS ani v režime šetrenia energiou (mám podozrenie, že batéria sa nevyrovnáva so súčasným nabíjaním a vybíjaním). Zdá sa, že kombinácia dvoch batérií poskytuje dostatočný výkon a umožňuje nabíjanie oboch batérií v priebehu dňa. Solárny panel nabíja powerbanku, zatiaľ čo powerbanka napája zariadenie APIS.

Vezmite prosím na vedomie:

Tieto komponenty sú voliteľné. Zariadenie môžete napájať akýmkoľvek adaptérom USB, ktorý poskytuje prúd 1A.

Krok 16: Integrácia IoT - Blynk

Jedným z cieľov nového dizajnu bola možnosť diaľkovo monitorovať vlhkosť pôdy, hladinu vody a ďalšie parametre.

Blynk (www.blynk.io) som si vybral ako platformu IoT kvôli jeho jednoduchému použitiu a príťažlivému vizuálnemu dizajnu.

Keďže môj náčrt je založený na kooperatívnej viacúlohovej knižnici TaskScheduler, nechcel som používať knižnice zariadení Blynk (nie sú povolené pre TaskScheduler). Namiesto toho som použil Blynk HTTP RESTful API (dostupné tu).

Konfigurácia aplikácie je taká intuitívna, ako by mohla byť. Postupujte podľa priložených snímok obrazovky.

Krok 17: Skice a súbory

Skica IoT APIS v2 sa nachádza na serveri github tu: Skica

Niekoľko knižníc použitých v náčrte sa nachádza tu:

1. TaskScheduler - kooperatívna viacúlohová knižnica pre Arduino a esp8266
2. AvgFilter - celočíselná implementácia filtra Average pre vyhladenie údajov senzora
3. RTCLib - implementácia hardvéru a softvéru Real Time Clock (mnou upravené)
4. Čas - Úpravy knižnice času
5. Časové pásmo - knižnica podporujúca výpočty časových pásiem

POZNÁMKA:

Technické listy, dokumentácia ku kolíkom a 3D súbory sa nachádzajú v podpriečinku „súbory“hlavného náčrtu.

Súbory HTML pre vstavaný webový server by ste mali nahrať do pamäte Flash NODE MCU pomocou arduino-esp8266fs-plugin (ktorý vytvorí súborový systém z podadresára „data“hlavného priečinka skici a nahrá ho do pamäte Flash)

Druhé miesto v súťaži o izbovú záhradu 2016