IoT APIS V2 - Sistem Pengairan Tanaman Automatik berkemampuan IoT: 17 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:08

Projek ini merupakan evolusi dari arahan saya sebelumnya: APIS - Sistem Pengairan Tanaman Automatik

Saya telah menggunakan APIS selama hampir satu tahun sekarang, dan ingin memperbaiki reka bentuk sebelumnya:

1. Keupayaan untuk memantau tanaman dari jarak jauh. Ini adalah bagaimana projek ini menjadi berkemampuan IoT.
2. Mudah untuk mengganti kelembapan tanah. Saya telah melalui tiga reka bentuk pemeriksaan kelembapan yang berbeza, dan tidak kira bahan mana yang saya gunakan, ia terhakis cepat atau lambat. Oleh itu, reka bentuk baru itu seharusnya bertahan selama mungkin dan diganti dengan cepat dan mudah.
3. Paras air di dalam baldi. Saya ingin dapat memberitahu berapa banyak air yang masih ada di dalam baldi dan berhenti menyiram semasa baldi kosong.
4. Kelihatan lebih baik. Kotak projek kelabu adalah permulaan yang baik, tetapi saya mahu membuat sesuatu yang kelihatan lebih baik. Anda akan menjadi hakim sekiranya saya berjaya mencapai matlamat itu …
5. Autonomi. Saya mahu sistem baru menjadi autonomi dari segi kuasa dan / atau ketersediaan internet.

Projek yang dihasilkan tidak kurang dapat dikonfigurasi daripada pendahulunya, dan mempunyai ciri berguna tambahan.

Saya juga ingin menggunakan pencetak 3D yang baru saya beli, jadi beberapa bahagian mesti dicetak.

Langkah 1: Perkakasan

Anda memerlukan komponen berikut untuk membina IoT APIS v2:

1. NodeMcu Lua ESP8266 ESP-12E WIFI Development Board - di banggood.com
2. Modul Pengukur Jarak Sensor Ultrasonik 3-Pin SODIAL (R), Dwi Transduser, Tiga-pin di Papan - di amazon.com
3. Pam Tangki Ikan Akuarium Pam Air Submersible DC 3V-6V 5V - di ebay.com
4. LED tiga warna - di amazon.com
5. Papan Vero - di amazon.com
6. Transistor PN2222 - di amazon.com
7. Skru plastik, selak dan mur
8. Peralatan dan bekalan pematerian
9. Wayar, perintang, header dan komponen elektronik lain-lain
10. Balang Tropicana OJ 2.78 QT kosong
11. 2 kuku tergalvani

Langkah 2: Reka Bentuk Keseluruhan

Keseluruhan reka bentuk terdiri daripada komponen berikut: 1. Probe kelembapan tanah dan kandang penyiraman tanaman (gabungan - dicetak 3d) 2. Tiub dan pendawaian3. Sensor kebocoran air dulang (dicetak 3d) 4. Modul kawalan dipasang di atas balang OJ (diletakkan dan dilampirkan dalam bekas bercetak 3d) 5. Pam air tenggelam6. Lakaran NodeMCU7. Konfigurasi IoT8. Bekalan kuasa: USB melalui saluran kuasa -OR- panel solar (mod autonomi) Mari kita bincangkan setiap komponen secara individu

Langkah 3: Pam Air Tenggelam

Pam air terendam terletak di bawah pemegang balang OJ (untuk mengelakkan gangguan pada pengukuran paras air). Pam diletakkan sedemikian rupa sehingga "melayang" kira-kira 2-3 mm di atas bahagian bawah balang untuk membolehkan aliran air masuk masuk ke udara masuk secara percuma.

Kerana pam harus tenggelam sepenuhnya untuk operasi normal, paras air minimum di dalam balang harus sekitar 3 cm (sekitar 1 inci).

Langkah 4: Modul Kawalan Dipasang di Atas Jar OJ

Saya memilih balang Tropicana OJ besar yang besar untuk dijadikan bekas air. Itu banyak tersedia dan standard.

Modul kawalan diletakkan di atas balang setelah paip asal dikeluarkan.

Platform di mana modul kawalan terletak dicetak 3d. Fail STL disediakan di bahagian fail dan lakaran dari arahan ini.

Pam, tiub dan pendawaian disalurkan melalui pemegang balang Tropicana untuk membersihkan ruang untuk pengukuran paras air.

Paras air diukur oleh sensor jarak ultrasonik yang disatukan dengan platform modul kawalan. Paras air ditentukan kerana perbezaannya adalah pengukuran jarak dari balang kosong, dan balang diisi dengan air ke tingkat tertentu.

Modul kawalan dan sensor AS ditutup dengan "kubah" bercetak 3d. Fail STL kubah disediakan di bahagian fail dan lakaran dari arahan ini.

Langkah 5: Modul Kawalan - Skematik

Skema untuk modul kawalan (termasuk senarai komponen), dan fail reka bentuk papan roti disediakan di bahagian fail dan lakaran yang diarahkan ini.

CATATAN: Bekerja dengan NodeMCU terbukti menjadi tugas yang mencabar dari segi pin GPIO yang ada. Hampir semua GPIO melayani sejumlah fungsi, yang menjadikannya tidak dapat digunakan, atau mustahil untuk digunakan dalam mod tidur nyenyak (kerana fungsi khas yang mereka mainkan semasa proses boot). Pada akhirnya saya berjaya mencari keseimbangan antara penggunaan GPIO dan keperluan saya, tetapi memerlukan beberapa lelaran yang mengecewakan.

Contohnya sebilangan GPIO tetap "panas" semasa tidur nyenyak. Menyambungkan LED kepada mereka yang mengalahkan tujuan pengurangan penggunaan tenaga semasa tidur nyenyak.

Langkah 6: Sensor Kebocoran Air Baki

Sekiranya periuk anda mempunyai lubang limpahan di bahagian bawah, maka ada risiko air melimpah dulang bawah dan tumpah di lantai (rak atau apa sahaja tempat tanaman anda berada).

Saya perhatikan bahawa pengukuran kelembapan tanah sangat dipengaruhi oleh kedudukan probe, ketumpatan tanah, jarak dari saluran penyiraman, dan lain-lain. Dengan kata lain, kelembapan tanah hanya boleh merosakkan rumah anda jika air melimpah ke dulang bawah dan tumpah.

Sensor limpahan adalah jarak antara periuk dan dulang bawah, dengan dua wayar melilit palang. Apabila air mengisi dulang, kedua-dua wayar menjadi bersambung, sehingga menandakan mikrokontroler bahawa air ada di dulang bawah.

Akhirnya, air menguap, dan wayar terputus.

Dulang bawah dicetak 3d. Fail STL boleh didapati dari bahagian fail dan lakaran dari arahan ini.

Langkah 7: Probe Kelembapan Tanah dan Kandang Penyiraman

Saya merancang kandang bercetak heksagon 3d untuk menjadi gabungan kelembapan tanah dan kandang penyiraman.

Fail percetakan 3d (STL) boleh didapati di bahagian fail dan lakaran dari arahan ini.

Kandang terdiri daripada dua bahagian, yang harus dilekatkan bersama. Pemasangan berduri yang diubahsuai terpaku pada sisi kandang untuk memasang tiub.

Dua lubang 4.5mm disediakan untuk meletakkan kuku tergalvani, berfungsi sebagai penyidik kelembapan tanah. Kesambungan ke mikrokontroler dicapai melalui spacer logam yang dipilih khusus untuk memasangkan kuku.

Reka bentuk 3d dilakukan menggunakan www.tinkercad.com yang merupakan alat reka bentuk 3d yang hebat dan mudah digunakan tetapi hebat.

CATATAN: Anda mungkin ingin bertanya mengapa saya tidak menggunakan salah satu daripada penyiasatan tanah yang telah dibuat sebelumnya? Jawapannya: kerajang pada mereka larut dalam beberapa minggu. Sebenarnya, walaupun dengan masa yang terhad, kuku berada di bawah voltan, kuku masih terhakis dan perlu diganti sekurang-kurangnya sekali setahun. Reka bentuk di atas membolehkan penggantian kuku dalam beberapa saat.

Langkah 8: Tubing dan Pendawaian

Air diserahkan ke rancangan melalui Tubing Semi-Clear Rubber Lateks Super-Lembut (dengan 1/4 "Diameter Dalam dan 5/16" Diameter Luar).

Saluran keluar pam memerlukan tiub yang lebih besar dan penyesuai: Pemasangan Berduri Polipropilena Tahan Kimia, Mengurangkan Lurus untuk ID Tiub 1/4 "x 1/8".

Akhirnya, Pemasangan Tiup Polipropilena Tahan Kimia, Lurus untuk ID Tiub 1/8 berfungsi sebagai penyambung ke kandang penyiraman.

Langkah 9: Lakaran NodeMCU

Sketsa NodeMCU menerapkan beberapa ciri IoT APIS v2:

1. Menyambung ke rangkaian WiFi yang ada -OR- berjalan sebagai Titik Akses WiFi (bergantung pada konfigurasi)
2. Pertanyaan pelayan NTP untuk mendapatkan waktu tempatan
3. Melaksanakan pelayan web untuk pemantauan kilang, dan menyesuaikan parameter penyiraman dan rangkaian
4. Mengukur kelembapan tanah, kebocoran air baki bawah, paras air di dalam balang, dan memberikan petunjuk visual melalui LED 3 warna
5. Melaksanakan mod operasi dalam talian dan poweraves
6. Menyimpan maklumat mengenai setiap penyiraman yang dijalankan secara tempatan dalam memori kilat dalaman

Langkah 10: Lakaran NodeMCU - WiFi

Secara lalai IoT APIS v2 akan membuat titik akses WiFi tempatan yang disebut "Plant_XXXXXX", di mana XXXXXX adalah nombor siri cip ESP8266 di NodeMCU.

Anda boleh mengakses pelayan web terbina dalam melalui URL: https://plant.io pelayan DNS dalaman akan menghubungkan peranti anda ke halaman status APIS.

Dari halaman status, anda dapat menavigasi ke halaman parameter penyiraman dan halaman parameter rangkaian, di mana anda dapat membuat IoT APIS v2 menyambung ke rangkaian WiFi anda dan mula melaporkan status ke awan.

IoT APIS menyokong mod operasi dalam talian dan penjimatan kuasa:

1. Dalam mod dalam talian IoT APIS memastikan sambungan WiFi sentiasa aktif, jadi anda boleh memeriksa status kilang anda pada bila-bila masa
2. Dalam mod penjimatan kuasa, IoT APIS memeriksa kelembapan tanah dan paras air secara berkala, meletakkan peranti ke mod "tidur nyenyak" di antara, sehingga mengurangkan penggunaan kuasanya secara dramatik. Namun, peranti tidak tersedia dalam talian sepanjang masa, dan parameter hanya dapat diubah selama waktu perangkat dinyalakan (saat ini setiap 30 minit, diselaraskan dengan jam waktu nyata / setengah jam). Peranti akan berada dalam talian selama 1 minit setiap 30 minit untuk membolehkan perubahan konfigurasi, dan kemudian akan memasuki mod tidur dalam. Sekiranya pengguna menyambung ke peranti, masa "naik" dilanjutkan hingga 3 minit untuk setiap sambungan.

Apabila peranti disambungkan ke rangkaian WiFi tempatan, alamat IPnya dilaporkan ke pelayan awan IoT, dan terlihat pada perangkat pemantauan mudah alih.

Langkah 11: Lakaran NodeMCU - NTP

IoT APIS v2 menggunakan protokol NTP untuk mendapatkan waktu tempatan dari pelayan masa NIST. Waktu yang betul digunakan untuk menentukan sama ada peranti harus memasuki mod "malam", iaitu mengelakkan menjalankan pam atau LED berkelip.

Waktu malam boleh dikonfigurasi untuk hari kerja dan pagi hujung minggu secara berasingan.

Langkah 12: Lakaran NodeMCU - Pelayan Web Tempatan

IoT APIS v2 mengimplementasikan pelayan web tempatan untuk pelaporan status dan perubahan konfigurasi. Halaman utama memberikan maklumat mengenai kelembapan semasa dan paras air, kehadiran air limpahan di dulang bawah, dan statistik larian penyiraman terkini. Halaman konfigurasi rangkaian (boleh diakses melalui butang konfigurasi rangkaian) menyediakan kemampuan untuk menyambung ke rangkaian WiFi tempatan, dan menukar antara mod dalam talian dan penjimatan kuasa. (Perubahan pada konfigurasi jaringan akan menyebabkan perangkat disetel ulang) Halaman konfigurasi penyiraman (dapat diakses melalui tombol air konfigurasi) memberikan parameter kemampuan penyiraman perubahan (kelembapan tanah untuk memulai / menghentikan penyiraman, jangka waktu penyiraman dan jeda tepu antara larian, jumlah larian, fail HTML server Web terletak di folder data lakaran IDT IoT APIS Arduino. Mereka harus dimuat ke dalam memori flash NodeMCU sebagai sistem fail SPIFF menggunakan alat "ESP8266 Sketch Data Upload" yang terdapat di sini.

Langkah 13: Sketsa NodeMCU - Log Penyiraman Tempatan dan Akses ke Sistem Fail Dalaman

Sekiranya kesambungan rangkaian tidak tersedia, sistem IoT APIS v2 mencatat semua aktiviti penyiraman secara tempatan.

Untuk mengakses log, sambungkan ke peranti dan arahkan ke halaman '/ edit', kemudian muat turun fail watering.log. Fail ini mengandungi sejarah semua proses penyiraman sejak pembalakan telah dimulakan.

Contoh fail log tersebut (dalam format dipisahkan tab) dilampirkan pada langkah ini.

CATATAN: Halaman muat turun tidak tersedia ketika IoT APIS v2 sedang berjalan adalah mod Titik Akses (kerana ketergantungan pada pustaka Skrip Java dalam talian).

Langkah 14: Sketsa NodeMCU - Kelembapan Tanah, Kebocoran Air Baki Bawah, Paras Air, LED 3 Warna

Pengukuran kelembapan tanah dibuat berdasarkan prinsip yang sama dengan APIS yang asal. Sila rujuk instruksinya untuk perincian.

Kebocoran dulang air dikesan dengan memberi voltan seketika ke wayar yang terletak di bawah periuk menggunakan perintang PULLUP dalaman. Sekiranya keadaan PIN yang dihasilkan adalah RENDAH, maka terdapat air di dalam dulang. Keadaan PIN HIGH menunjukkan bahawa litar "rosak", oleh itu tidak ada air di dulang bawah.

Paras air ditentukan dengan mengukur jarak dari bahagian atas balang ke permukaan air dan membandingkannya dengan jarak ke bahagian bawah balang kosong. Harap perhatikan penggunaan sensor 3 pin! Itu lebih mahal daripada sensor empat pin HC-SR04. Malangnya saya kehabisan GPIO di NodeMCU dan terpaksa memotong setiap wayar yang saya dapat agar reka bentuk berfungsi hanya pada satu NodeMCU tanpa litar tambahan.

LED 3 warna digunakan untuk menunjukkan keadaan APIS secara visual:

1. Berkedip HIJAU sederhana - menyambung ke rangkaian WiFi
2. Berkedip HIJAU dengan pantas - meminta pelayan NTP
3. HIJAU padat ringkas - disambungkan ke WiFi dan berjaya memperoleh masa semasa dari NTP
4. WHITE padat ringkas - permulaan rangkaian selesai
5. PUTIH berkelip cepat - memulakan Mod Titik Akses
6. Berkelip cepat BIRU - menyiram
7. Berkelip Sederhana BIRU - tepu
8. AMBER ringkas padat diikuti dengan RED padat sekejap - tidak dapat mendapat masa dari NTP
9. PUTIH sekejap semasa akses ke pelayan web dalaman

LED tidak beroperasi dalam mod "malam". Mod NIght hanya dapat ditentukan dengan pasti jika peranti dapat memperoleh waktu tempatan dari pelayan NTP sekurang-kurangnya sekali (Jam Waktu Nyata tempatan akan digunakan sehingga sambungan seterusnya ke NTP dibuat)

Contoh fungsi LED boleh didapati di YouTube di sini.

Langkah 15: Tenaga Suria, Power Bank dan Operasi Autonomi

Salah satu idea di sebalik IoT APIS v2 ialah kemampuan beroperasi secara autonomi.

Reka bentuk semasa menggunakan panel kuasa solar dan bank kuasa 3600 mAh sementara untuk mencapainya.

1. Panel solar boleh didapati di amazon.com
2. Power bank juga terdapat di amazon.com

Panel solar telah menggunakan bateri 2600 mAh juga, tetapi ia tidak dapat mengekalkan operasi APIS 24jam walaupun dalam mod powerave (saya mengesyaki bateri tidak berfungsi dengan baik dengan pengisian dan pelepasan serentak). Gabungan dua bateri nampaknya memberikan tenaga yang mencukupi dan membolehkan pengisian semula kedua-dua bateri pada siang hari. Panel solar mengecas power bank, sementara power bank menghidupkan peranti APIS.

Sila ambil perhatian:

Komponen tersebut adalah pilihan. Anda hanya boleh menghidupkan peranti dengan penyesuai USB yang menyediakan arus 1A.

Langkah 16: Integrasi IoT - Blynk

Salah satu tujuan untuk reka bentuk baru adalah kemampuan untuk memantau kelembapan tanah, permukaan air dan parameter lain dari jarak jauh.

Saya memilih Blynk (www.blynk.io) sebagai platform IoT kerana kemudahan penggunaan dan reka bentuk visual yang menarik.

Oleh kerana lakaran saya berdasarkan perpustakaan multitasking koperasi TaskScheduler, saya tidak mahu menggunakan perpustakaan peranti Blynk (mereka tidak diaktifkan untuk TaskScheduler). Sebaliknya, saya menggunakan Blynk HTTP RESTful API (tersedia di sini).

Mengkonfigurasi Aplikasi sama intuitifnya. Sila ikuti tangkapan skrin yang dilampirkan.

Langkah 17: Lakaran dan Fail

Sketsa IoT APIS v2 terletak di github di sini: Sketsa

Beberapa perpustakaan yang digunakan oleh lakaran terdapat di sini:

1. TaskScheduler - perpustakaan multitasking koperasi untuk Arduino dan esp8266
2. AvgFilter - pelaksanaan integer penapis Purata untuk pelicinan data sensor
3. RTCLib - pelaksanaan perkakasan dan perisian Jam Masa Nyata (diubah suai oleh saya)
4. Masa - Pengubahsuaian untuk perpustakaan Masa
5. Timezone - perpustakaan menyokong pengiraan zon waktu

CATATAN:

Lembar data, dokumentasi pin, dan fail 3D terletak di sub-folder "fail" pada lakaran utama.

Fail HTML untuk pelayan web terbina dalam harus dimuat naik ke memori flash NODE MCU menggunakan plugin arduino-esp8266fs (yang membuat fail sistem fail dari sub-folder "data" dari folder lakaran utama dan memuat naiknya ke memori flash)

Naib Johan dalam Pertandingan Berkebun Dalam Negeri 2016