Systém monitorovania domácich zvierat poháňaný Arduino a Raspberry Pi: 19 krokov (s obrázkami)

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

Nedávno sme si na dovolenke uvedomili nedostatok spojenia s naším domácim miláčikom Beaglom. Po troche výskumu sme našli produkty so statickou kamerou, ktorá mu umožňovala monitorovať domáceho maznáčika a komunikovať s ním. Tieto systémy mali určité výhody, ale chýbala im všestrannosť. Každá izba napríklad vyžadovala jednotku, ktorá by sledovala vášho domáceho maznáčika v celom dome.

Preto sme vyvinuli robustného robota, ktorý dokáže manévrovať po dome a môže monitorovať svojho domáceho maznáčika pomocou internetu vecí. Aplikácia pre smartfóny bola navrhnutá tak, aby komunikovala s vašim domácim miláčikom prostredníctvom živého videa. Podvozok robota je digitálne vyrobený, pretože niekoľko dielov bolo vytvorených pomocou 3D tlače a laserového rezania. Nakoniec sme sa rozhodli pridať bonusovú funkciu, ktorá rozdáva dobroty, aby odmenila vášho domáceho maznáčika.

Pokračujte v vytváraní vlastného systému monitorovania domácich zvierat a možno ho dokonca prispôsobíte svojim požiadavkám. Pozrite sa na video uvedené vyššie, aby ste zistili, ako náš maznáčik reagoval, a lepšie porozumeli robotovi. Ak sa vám projekt páčil, dajte hlas v „Súťaži o robotiku“.

Krok 1: Prehľad dizajnu

Aby sme konceptualizovali robota na monitorovanie domácich zvierat, najskôr sme ho navrhli na fusion 360. Tu sú niektoré z jeho funkcií:

Robota je možné ovládať prostredníctvom aplikácie prostredníctvom internetu. To umožňuje užívateľovi pripojiť sa k robotovi odkiaľkoľvek

Integrovaná kamera, ktorá naživo streamuje prenos videa do smartfónu, môže používateľovi pomôcť pri manévrovaní po dome a interakcii s domácim miláčikom

Prídavná miska na pamlsky, ktorá môže na diaľku odmeniť vášho domáceho maznáčika

Digitálne vyrobené diely, ktoré umožňujú jednému prispôsobiť si robota

Na pripojenie na internet bol použitý Raspberry Pi, ktorý ponúka integrovaný režim wifi

Na zadávanie príkazov krokovým motorom bolo použité Arduino spolu s CNC štítom

Krok 2: Potrebný materiál

Tu je zoznam všetkých komponentov potrebných na vytvorenie vlastného robota na monitorovanie domácich zvierat poháňaného Arduino a Raspberry Pi. Všetky diely by mali byť bežne dostupné a ľahko dostupné.

ELEKTRONIKA:

• Arduino Uno x 1
• Raspberry Pi (blikalo s najnovším raspbianom) x 1
• CNC štít x 1
• Ovládač krokového motora A4988 x 2
• Pikamera x 1
• Ultrazvukový snímač vzdialenosti x 1
• 11.1v Lipo batéria x 1
• Krokový motor NEMA 17 x 2
• 5v UBEC x 1

HARDWARE:

• Kolesá x 2 (kolesá, ktoré sme použili, mali priemer 7 cm)
• Kolieska x 2
• Matice a skrutky M4 a M3

Celkové náklady na tento projekt bez Arduina a Raspberry Pi sa pohybujú okolo 50 dolárov.

Krok 3: Digitálne vyrobené diely

Niektoré diely, ktoré sme použili v tomto projekte, museli byť vyrobené na mieru. Tieto boli najskôr modelované vo Fusion 360 a potom boli vyrobené pomocou 3D tlačiarne a laserovej rezačky. 3D tlačené diely nenesú veľké zaťaženie, takže štandardná PLA s 20% výplňou funguje skvele. Nasleduje zoznam všetkých 3D tlačených a laserom rezaných dielov:

3D tlačené diely:

• Krokový držiak x 2
• Držiak systému Vision x 1
• Odpojenie elektroniky x 4
• Vertikálny rozpera x 4
• Vystuženie podvozku x 2
• Ošetrite veko misy x 1
• Ošetrujúca misa x 1
• Zadný krokový držiak x 1
• Navíjací kotúč x 1

Lasercut diely:

• Spodný panel x 1
• Horný panel x 1

Priečinok na zips obsahujúci všetky STL a súbory na rezanie laserom nájdete v prílohe nižšie.

Krok 4: Pripojenie krokového motora

Keď sú všetky diely vytlačené 3D, začnite montáž namontovaním krokového motora do držiaka krokového motora. Držiak krokového motora, ktorý sme navrhli, je určený pre model NEMA 17 (ak niekto používa rôzne krokové motory, bude to vyžadovať iné upevnenie). Prevlečte hriadeľ motora cez otvor a zaistite motor na mieste montážnymi skrutkami. Po dokončení by mali byť oba motory bezpečne držané v držiakoch.

Krok 5: Montáž stepperov na spodný panel

Na montáž držiakov na laserom rezaný spodný panel sme použili skrutky M4. Predtým, ako ich zaistíte maticami, pridajte výstužné pásy podvozku s 3D tlačou a potom upevnite matice. Pásy slúžia na rovnomerné rozloženie zaťaženia na akrylovom paneli.

Nakoniec prevlečte vodiče cez príslušné otvory na paneli. Uistite sa, že ste ich celkom pretiahli, aby ste sa nezamotali do kolies.

Krok 6: Montáž kolies

Akrylový panel má dve časti vyrezané tak, aby zodpovedali kolesám. Kolesá, ktoré sme použili, mali priemer 7 cm a boli vybavené nastavovacími skrutkami, ktoré boli pripevnené k krokovým hriadeľom 5 mm. Uistite sa, že koleso je správne zaistené a nekĺzne po hriadeli.

Krok 7: Predné a zadné kolieska

Aby sa podvozok mohol pohybovať hladko, rozhodli sme sa umiestniť kolieska na prednú a zadnú časť robota. To nielenže zabráni prevráteniu robota, ale tiež umožní podvozku voľne sa otáčať v ľubovoľnom smere. Kolieska kolieska sa dodávajú vo všetkých veľkostiach, najmä naše boli vybavené jednou otočnou skrutkou, ktorú sme namontovali na základňu a pomocou 3D tlačených rozperiek upravili výšku tak, aby bol robot dokonale horizontálny. Vďaka tomu je základňa podvozku kompletná a má dobrú stabilitu.

Krok 8: Elektronika

Keď je základňa podvozku úplne zostavená, je čas namontovať elektroniku na akrylový panel. Do akrylového panelu sme urobili otvory, ktoré sú v súlade s montážnymi otvormi pre Arduino a Raspberry Pi. Pomocou stojanov na 3D tlači sme elektroniku mierne zvýšili nad akrylové panely, aby bolo možné všetky prebytočné káble úhľadne zastrčiť pod seba. Namontujte Arduino a Raspberry Pi na ich zodpovedajúce miesta upevnenia pomocou matíc a skrutiek M3. Akonáhle je Arduino upevnený, pripevnite CNC štít k Arduinu a pripojte krokové vodiče v nasledujúcej konfigurácii.

• Ľavý stepper k portu CNC tienenia osi X
• Pravý stepper k CNC tienenému portu osi Y

S pripojenými krokovými motormi pripojte Arduino k Raspberry Pi pomocou USB kábla Arduina. Nakoniec Raspberry Pi a Arduino budú komunikovať prostredníctvom tohto kábla.

Poznámka: Predná strana robota je bokom s Raspberry Pi

Krok 9: Systém videnia

Primárnym vstupom do prostredia pre nášho robota na sledovanie domácich zvierat je vízia. Rozhodli sme sa použiť Picameru, ktorá je kompatibilná s Raspberry Pi, na odosielanie živých prenosov používateľovi prostredníctvom internetu. Použili sme tiež ultrazvukový snímač vzdialenosti, aby sme sa vyhli prekážkam, keď robot funguje autonómne. Oba senzory sa pripevňujú k držiaku pomocou skrutiek.

Picamera sa zasunie do určeného portu na Raspberry Pi a pripojí ultrazvukový snímač nasledujúcim spôsobom:

• Ultrazvukový snímač VCC na 5v lištu na CNC štíte
• Ultrazvukový snímač GND na GND lištu na CNC štíte
• Ultrazvukový snímač TRIG až X+ koncový doraz na CNC štíte
• Ultrazvukový snímač ECHO až Y+ koncový doraz na CNC štíte

Krok 10: Zostava horného panelu

Na zadnej strane robota je namontovaný systém otvárania veka pre misku na liečbu. Pripojte mini krokový motor k komponentu zadného držiaka a namontujte systém videnia aj systém navíjania pomocou skrutiek M3 na horný panel. Ako už bolo spomenuté, uistite sa, že zrakový systém je namontovaný vpredu a navíjací systém vzadu pomocou dvoch otvorov.

Krok 11: Zostava horného panelu

Vytlačili sme 3D vertikálne rozpery na podporu horného panelu v správnej výške. Začnite tým, že pripevníte štyri rozpery k spodnému panelu a vytvoríte „X“. Potom umiestnite horný panel s miskou na ošetrovanie, uistite sa, že sa ich otvory vyrovnajú, a nakoniec ho pripevnite aj k rozperám.

Krok 12: Mechanizmus otvárania veka

Na ovládanie veka na miske s pamlskom sme použili menší krokový motor na navinutie nylonovej šnúry pripevnenej k veku a jeho otvorenie. Pred pripevnením veka prevlečte šnúrku 2 mm otvorom na veku a na vnútornej strane urobte uzol. Potom odstrihnite druhý koniec šnúrky a prevlečte ju otvormi na navíjacom kotúči. Zatlačte kotúč na stepper a potom zatiahnite za šnúru, kým nie je napnutá. Po dokončení odstrihnite prebytok a uviažte uzol. Nakoniec pomocou skrutky a matice pripevnite veko k miske a uistite sa, že sa otáča. Teraz, keď sa stepper otáča, by sa mala struna navinúť na disk a veko by sa malo postupne otvárať.

Krok 13: Nastavenie cloudovej databázy

Prvým krokom je vytvorenie databázy pre systém, aby ste mohli s robotom komunikovať z mobilnej aplikácie odkiaľkoľvek na svete. Kliknite na nasledujúci odkaz (Google firebase), ktorý vás zavedie na webovú stránku Firebase (budete sa musieť prihlásiť pomocou svojho účtu Google). Kliknutím na tlačidlo „Začíname“sa dostanete do konzoly Firebase. Potom vytvorte nový projekt kliknutím na tlačidlo „Pridať projekt“, vyplňte požiadavky (názov, podrobnosti atď.) A dokončite kliknutím na tlačidlo „Vytvoriť projekt“.

Vyžadujeme iba databázové nástroje Firebase, takže v ponuke na ľavej strane vyberte „databázu“. Potom kliknite na tlačidlo „Vytvoriť databázu“, vyberte možnosť „testovací režim“. Potom nastavte databázu na „databázu v reálnom čase“namiesto „cloud firestore“kliknutím na rozbaľovaciu ponuku v hornej časti. Vyberte kartu „pravidlá“a zmeňte dve „nepravdivé“na „pravdivé“, nakoniec kliknite na kartu „údaje“a skopírujte adresu URL databázy, bude to potrebné neskôr.

Posledná vec, ktorú budete musieť urobiť, je kliknúť na ikonu ozubeného kolieska vedľa prehľadu projektu, potom na „nastavenia projektu“, potom vybrať kartu „účty služieb“, nakoniec kliknúť na „Tajomstvá databázy“a zaznamenať si zabezpečenie kód vašej databázy. Po dokončení tohto kroku ste úspešne vytvorili svoju cloudovú databázu, ku ktorej je prístup z vášho smartfónu a Raspberry Pi. (V prípade akýchkoľvek pochybností použite obrázky uvedené vyššie, alebo jednoducho položte otázku v sekcii komentárov)

Krok 14: Vytvorenie mobilnej aplikácie

Ďalšou časťou systému IoT je aplikácia pre smartfóny. Rozhodli sme sa použiť MIT App Inventor na vytvorenie vlastnej prispôsobenej aplikácie. Ak chcete použiť aplikáciu, ktorú sme vytvorili, najskôr otvorte nasledujúci odkaz (MIT App Inventor), ktorý vás zavedie na ich webovú stránku. Potom kliknite na „vytvárať aplikácie“v hornej časti obrazovky a potom sa prihláste pomocou svojho účtu Google.

Stiahnite si súbor.aia, ktorý je prepojený nižšie. Otvorte kartu „Projekty“a kliknite na „Importovať projekt (.aia) z môjho počítača“, potom vyberte súbor, ktorý ste práve stiahli, a kliknite na „ok“. V okne komponentov posuňte zobrazenie úplne nadol, kým sa nezobrazí „FirebaseDB1“, kliknite naň a upravte položky „FirebaseToken“, „FirebaseURL“na hodnoty, ktoré ste si v predchádzajúcom kroku poznačili. Po dokončení týchto krokov ste pripravení aplikáciu stiahnuť a nainštalovať. Aplikáciu si môžete stiahnuť priamo do telefónu kliknutím na kartu "Zostaviť" a kliknutím na položku "Aplikácia (poskytnúť QR kód pre.apk)", potom naskenujte QR kód pomocou svojho smartfónu alebo kliknite na "Aplikácia (uložiť.apk do môjho počítača") "stiahnete si súbor APK do počítača, ktorý potom môžete presunúť do svojho smartfónu.

Krok 15: Programovanie Raspberry Pi

Raspberry Pi sa používa z dvoch hlavných dôvodov.

1. Prenáša živý video stream z robota na webový server. Tento stream si môže užívateľ pozrieť pomocou mobilnej aplikácie.
2. Číta aktualizované príkazy v databáze firebase a dáva Arduinu pokyn, aby vykonal požadované úlohy.

Podrobný návod na nastavenie Raspberry Pi na priamy prenos už existuje a nájdete ho tu. Pokyny sa skladajú z troch jednoduchých príkazov. Zapnite Raspberry Pi, otvorte terminál a zadajte nasledujúce príkazy.

• klon git
• cd RPi_Cam_Web_Interface
• ./install.sh

Akonáhle je inštalácia dokončená, reštartujte Pi a mali by ste mať prístup k streamu vyhľadaním https:// adresy IP vášho Pi v ľubovoľnom webovom prehliadači.

Keď je nastavené živé vysielanie, budete si musieť stiahnuť a nainštalovať určité knižnice, aby ste mohli používať cloudovú databázu. Otvorte na svojom Pi terminál a zadajte nasledujúce príkazy:

• sudo pip install requests == 1.1.0
• sudo pip install python-firebase

Nakoniec si stiahnite nižšie uvedený súbor python a uložte ho na svoj Raspberry Pi. Na štvrtom riadku kódu zmeňte port COM na port, ku ktorému je pripojené Arduino. Potom zmeňte adresu URL v riadku 8 na adresu URL platformy Firebase, ktorú ste si predtým poznačili. Nakoniec spustite program cez terminál. Tento program načítava príkazy z cloudovej databázy a odosiela ich do Arduina prostredníctvom sériového pripojenia.

Krok 16: Programovanie Arduina

Arduino sa používa na interpretáciu príkazov z Pi a dáva pokyn pohonom na robote, aby vykonali potrebné úlohy. Stiahnite si nižšie priložený kód Arduino a nahrajte ho do Arduina. Akonáhle je Arduino naprogramované, pripojte ho k jednému z USB portov Pi pomocou vyhradeného USB kábla.

Krok 17: Napájanie systému

Robot bude napájaný z 3 -článkovej lipo batérie. Terminály batérie je potrebné rozdeliť na dva, pričom jeden ide priamo na CNC štít na napájanie motorov, zatiaľ čo druhý sa pripája k 5 V UBEC, čo vytvorilo stabilné 5 V elektrické vedenie, ktoré bude slúžiť na napájanie Raspberry Pi prostredníctvom kolíky GPIO. 5v z UBEC je pripojený na 5v pin Raspberry Pi a GND z UBEC je zapojený do GND pinu na Pi.

Krok 18: Používanie aplikácie

Rozhranie aplikácie umožňuje ovládať monitorovacieho robota a streamovať živý prenos z integrovanej kamery. Ak sa chcete pripojiť k svojmu robotovi, uistite sa, že máte stabilné internetové pripojenie, a potom jednoducho zadajte IP adresu Raspberry Pi do poskytnutého textového poľa a kliknite na tlačidlo aktualizovať. Po dokončení sa na vašej obrazovke zobrazí živý prenos a mali by ste byť schopní ovládať rôzne funkcie robota.

Krok 19: Pripravené na test

Teraz, keď je váš robot na monitorovanie domácich zvierat úplne zostavený, môžete misku naplniť psími pochúťkami. Otvorte aplikáciu, pripojte fotoaparát a bavte sa! Aktuálne sme sa hrali s roverom a naším Beaglom a zachytili sme celkom veselé momenty.

Akonáhle pes prekonal počiatočný strach z tohto pohybujúceho sa predmetu, prenasledoval robota po dome kvôli pochúťkam. Palubná kamera poskytuje dobrý širokouhlý výhľad na okolie, čo uľahčuje manévrovanie.

Existuje priestor na zlepšenie, aby lepšie fungovalo v reálnom svete. To znamená, že sme vytvorili robustný systém, na ktorom je možné ďalej stavať a rozširovať ho. Ak sa vám tento projekt páčil, dajte nám hlas v „súťaži robotiky“

Šťastnú tvorbu!

Druhá cena v súťaži robotiky