IoT APIS V2 - Hệ thống tưới cây tự động hỗ trợ IoT tự động: 17 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Dự án này là sự phát triển của dự án đã hướng dẫn trước đây của tôi: APIS - Hệ thống tưới cây tự động

Tôi đã sử dụng APIS được gần một năm và muốn cải thiện thiết kế trước đó:

1. Khả năng giám sát nhà máy từ xa. Đây là cách dự án này được kích hoạt IoT.
2. Dễ dàng thay thế đầu dò độ ẩm đất. Tôi đã xem qua ba thiết kế khác nhau của đầu dò độ ẩm, và bất kể tôi sử dụng vật liệu nào, sớm muộn gì nó cũng bị xói mòn. Vì vậy, thiết kế mới được cho là sẽ tồn tại lâu nhất có thể và được thay thế nhanh chóng và dễ dàng.
3. Mực nước trong xô. Tôi muốn biết trong xô còn bao nhiêu nước và ngừng tưới khi xô trống.
4. Ngoại hình đẹp hơn. Hộp dự án màu xám là một khởi đầu tốt, nhưng tôi muốn tạo ra thứ gì đó trông đẹp hơn một chút. Bạn sẽ là người đánh giá nếu tôi có thể hoàn thành mục tiêu đó…
5. Quyền tự trị. Tôi muốn hệ thống mới tự chủ về sức mạnh và / hoặc tính khả dụng của internet.

Dự án kết quả có cấu hình không kém so với người tiền nhiệm của nó và có các tính năng hữu ích bổ sung.

Tôi cũng muốn sử dụng máy in 3D mới mua của mình, vì vậy một số bộ phận sẽ phải được in.

Bước 1: Phần cứng

Bạn sẽ cần các thành phần sau để xây dựng IoT APIS v2:

1. NodeMcu Lua ESP8266 ESP-12E WIFI Development Board - trên banggood.com
2. Mô-đun đo khoảng cách cảm biến siêu âm 3 chân SODIAL (R), đầu dò kép, ba chân trên bo mạch - trên amazon.com
3. Máy bơm nước chìm nhỏ DC 3V-6V 5V Máy bơm bể cá cảnh - trên ebay.com
4. Đèn LED ba màu - trên amazon.com
5. Bảng Vero - trên amazon.com
6. Bóng bán dẫn PN2222 - trên amazon.com
7. Vít, bu lông và đai ốc bằng nhựa
8. Thiết bị và vật tư hàn
9. Dây điện, điện trở, tiêu đề và các linh kiện điện tử linh tinh khác
10. Bình Tropicana OJ 2.78 QT trống
11. 2 đinh mạ kẽm

Bước 2: Thiết kế tổng thể

Thiết kế tổng thể bao gồm các thành phần sau: 1. Đầu dò độ ẩm của đất và hộp tưới cây (kết hợp - in 3d) 2. Ống và hệ thống dây điện3. Cảm biến rò rỉ nước khay (in 3d) 4. Mô-đun điều khiển được gắn trên đỉnh của bình OJ (được đặt và kèm theo trong hộp in 3d) 5. Máy bơm chìm 6. Bản phác thảo NodeMCU7. Cấu hình IoT8. Nguồn cung cấp: USB qua ổ cắm điện -OR- bảng điều khiển năng lượng mặt trời (chế độ tự động) Hãy thảo luận từng thành phần riêng lẻ

Bước 3: Máy bơm nước chìm

Máy bơm nước chìm được đặt bên dưới tay cầm của bình OJ (để tránh can thiệp vào quá trình đo mực nước). Máy bơm được đặt sao cho nó "lơ lửng" khoảng 2-3 mm so với đáy bình để cho phép nước chảy tự do đến cửa hút.

Vì máy bơm phải ngập hoàn toàn để hoạt động bình thường, mực nước tối thiểu trong bình phải là khoảng 3 cm (khoảng 1 inch).

Bước 4: Mô-đun điều khiển được gắn trên đầu của OJ Jar

Tôi chọn lọ Tropicana OJ lớn tiêu chuẩn để làm bình đựng nước. Chúng được cung cấp rộng rãi và tiêu chuẩn.

Mô-đun điều khiển được đặt trên đầu bình sau khi tháo vòi ban đầu.

Nền tảng đặt mô-đun điều khiển được in 3D. Tệp STL được cung cấp trong các phần tệp và phác thảo của tài liệu hướng dẫn này.

Máy bơm, đường ống và hệ thống dây điện được luồn qua tay cầm của bình Tropicana để giải phóng không gian cho phép đo mực nước.

Mực nước được đo bằng cảm biến khoảng cách siêu âm tích hợp với nền tảng mô-đun điều khiển. Mực nước được xác định là sự chênh lệch là phép đo khoảng cách của một bình rỗng và bình chứa đầy nước đến một mức nhất định.

Mô-đun điều khiển và cảm biến của Hoa Kỳ được bao phủ bởi một "mái vòm" in 3d. Tệp STL của mái vòm được cung cấp trong phần tệp và phác thảo của tài liệu hướng dẫn này.

Bước 5: Mô-đun điều khiển - Sơ đồ

Sơ đồ cho mô-đun điều khiển (bao gồm danh sách các thành phần) và tệp thiết kế bảng mạch bánh mì được cung cấp trong phần tệp và phác thảo của tài liệu hướng dẫn này.

LƯU Ý: Làm việc với NodeMCU được chứng minh là một nhiệm vụ đầy thách thức đối với các chân GPIO có sẵn. Hầu như tất cả các GPIO đều phục vụ một số chức năng, khiến chúng không thể sử dụng được hoặc không thể sử dụng ở chế độ ngủ sâu (do các chức năng đặc biệt chúng hoạt động trong quá trình khởi động). Cuối cùng, tôi đã tìm được sự cân bằng giữa việc sử dụng GPIO và các yêu cầu của mình, nhưng phải mất một vài lần lặp lại gây khó chịu.

Ví dụ, một số GPIO vẫn "nóng" trong khi ngủ sâu. Việc kết nối đèn LED với những đèn LED đã đánh bại mục đích giảm tiêu thụ điện năng trong khi ngủ sâu.

Bước 6: Cảm biến rò rỉ nước khay

Nếu chậu của bạn có lỗ thoát tràn ở đáy, thì sẽ có nguy cơ nước tràn ra khay dưới và tràn ra sàn (kệ hoặc bất cứ thứ gì đặt cây của bạn).

Tôi nhận thấy rằng việc đo độ ẩm của đất bị ảnh hưởng rất nhiều bởi vị trí đầu dò, mật độ đất, khoảng cách từ vòi tưới, v.v. Nói cách khác, việc đo độ ẩm của đất chỉ có thể gây hại cho ngôi nhà của bạn nếu nước tràn vào khay dưới cùng và tràn ra ngoài.

Cảm biến chống tràn là thanh đệm giữa nồi và khay dưới, có hai dây quấn quanh các thanh. Khi nước đầy khay, hai dây sẽ được kết nối với nhau, do đó báo hiệu cho bộ vi điều khiển rằng nước có trong khay dưới cùng.

Cuối cùng, nước bốc hơi và các dây dẫn bị ngắt kết nối.

Khay dưới cùng được in 3d. Tệp STL có sẵn từ phần tệp và phác thảo của tài liệu hướng dẫn này.

Bước 7: Thăm dò độ ẩm của đất và vỏ bọc tưới nước

Tôi đã thiết kế một bao vây in 3d hình lục giác để làm đầu dò độ ẩm đất kết hợp và bao vây tưới nước.

Tệp in 3d (STL) có sẵn trong phần tệp và phác thảo của tài liệu hướng dẫn này.

Vỏ bao gồm hai phần, chúng phải được dán lại với nhau. Một khớp nối bằng thép gai đã sửa đổi được dán vào mặt bên của vỏ bọc để gắn ống.

Hai lỗ 4,5mm được cung cấp để đặt các đinh mạ kẽm, dùng làm đầu dò độ ẩm của đất. Khả năng kết nối với bộ vi điều khiển được thực hiện thông qua các miếng đệm kim loại được lựa chọn đặc biệt để phù hợp với các đinh.

Thiết kế 3d được thực hiện bằng cách sử dụng www.tinkercad.com, một công cụ thiết kế 3d tuyệt vời và dễ sử dụng nhưng mạnh mẽ.

LƯU Ý: Bạn có thể muốn hỏi tại sao tôi không chỉ sử dụng một trong những đầu dò đất được sản xuất trước? Câu trả lời là: lớp giấy bạc trên đó sẽ tan trong vòng vài tuần. Trên thực tế, ngay cả khi móng chịu điện áp trong thời gian giới hạn, chúng vẫn bị xói mòn và cần được thay thế ít nhất mỗi năm một lần. Thiết kế trên cho phép thay thế các đinh trong vòng vài giây.

Bước 8: Ống và nối dây

Nước được cung cấp đến kế hoạch thông qua Ống bán trong suốt bằng cao su siêu mềm (với 1/4 "Đường kính trong và Đường kính ngoài 5/16").

Đầu ra máy bơm yêu cầu ống lớn hơn và một bộ chuyển đổi: Đầu nối có gai bằng Polypropylene kháng hóa chất, Giảm thẳng cho ID ống 1/4 "x 1/8".

Cuối cùng, Đầu nối có gai bằng Polypropylene chống hóa chất, thẳng cho ID ống 1/8 đóng vai trò như đầu nối với vỏ bình tưới.

Bước 9: Phác thảo NodeMCU

Bản phác thảo NodeMCU triển khai một số tính năng của IoT APIS v2:

1. Kết nối với mạng WiFi hiện tại -OR- chạy như một Điểm truy cập WiFi (tùy thuộc vào cấu hình)
2. Truy vấn máy chủ NTP để lấy giờ địa phương
3. Triển khai máy chủ web để giám sát thực vật, và điều chỉnh các thông số tưới nước và mạng
4. Đo độ ẩm của đất, rò rỉ nước ở khay dưới, mực nước trong bình và cung cấp chỉ báo trực quan thông qua đèn LED 3 màu
5. Triển khai các chế độ hoạt động trực tuyến và tiết kiệm năng lượng
6. Lưu thông tin về mỗi lần tưới nước chạy cục bộ trong bộ nhớ flash bên trong

Bước 10: Phác thảo NodeMCU - WiFi

Theo mặc định, IoT APIS v2 sẽ tạo một điểm truy cập WiFi cục bộ được gọi là "Plant_XXXXXX", trong đó XXXXXX là số sê-ri của chip ESP8266 trên bo mạch của NodeMCU.

Bạn có thể truy cập máy chủ web tích hợp sẵn qua URL: https://plant.io Máy chủ DNS nội bộ sẽ kết nối thiết bị của bạn với trang trạng thái APIS.

Từ trang trạng thái, bạn có thể điều hướng đến trang thông số tưới nước và trang thông số mạng, nơi bạn có thể kết nối IoT APIS v2 với mạng WiFi của mình và bắt đầu báo cáo trạng thái lên đám mây.

IoT APIS hỗ trợ các chế độ hoạt động trực tuyến và tiết kiệm điện:

1. Ở chế độ trực tuyến, IoT APIS giữ kết nối WiFi luôn hoạt động, vì vậy bạn có thể kiểm tra trạng thái nhà máy của mình bất kỳ lúc nào
2. Ở chế độ tiết kiệm điện, IoT APIS kiểm tra độ ẩm của đất và mực nước theo định kỳ, đưa thiết bị vào chế độ "ngủ sâu" ở giữa, do đó giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng. Tuy nhiên, thiết bị không luôn sẵn sàng trực tuyến và chỉ có thể thay đổi các thông số trong thời gian thiết bị bật nguồn (hiện tại cứ 30 phút một lần, phù hợp với đồng hồ thời gian thực giờ / nửa giờ). Thiết bị sẽ trực tuyến trong 1 phút mỗi 30 phút để cho phép thay đổi cấu hình, sau đó sẽ chuyển sang chế độ ngủ sâu. Nếu người dùng kết nối với thiết bị, thời gian "lên" được kéo dài đến 3 phút cho mỗi lần kết nối.

Khi thiết bị được kết nối với mạng WiFi cục bộ, địa chỉ IP của thiết bị sẽ được báo cáo tới máy chủ đám mây IoT và hiển thị trên thiết bị giám sát di động.

Bước 11: Phác thảo NodeMCU - NTP

IoT APIS v2 sử dụng giao thức NTP để lấy thời gian cục bộ từ các máy chủ thời gian NIST. Thời gian chính xác được sử dụng để xác định xem thiết bị có nên chuyển sang chế độ "ban đêm" hay không, tức là tránh chạy máy bơm hoặc đèn LED nhấp nháy.

Thời gian ban đêm có thể được cấu hình riêng cho các ngày làm việc và buổi sáng cuối tuần.

Bước 12: NodeMCU Sketch - Máy chủ web cục bộ

IoT APIS v2 triển khai một máy chủ web cục bộ để báo cáo trạng thái và thay đổi cấu hình. Trang chủ cung cấp thông tin về độ ẩm và mực nước hiện tại, sự hiện diện của nước tràn trong khay dưới cùng và số liệu thống kê về lần tưới nước gần đây nhất. thông qua nút cấu hình mạng) cung cấp khả năng kết nối với mạng WiFi cục bộ và thay đổi giữa chế độ Trực tuyến và Tiết kiệm năng lượng. (Các thay đổi đối với cấu hình mạng sẽ khiến thiết bị đặt lại) Trang cấu hình tưới nước (có thể truy cập thông qua nút cấu hình nước) cung cấp khả năng thay đổi các thông số tưới nước (độ ẩm đất để bắt đầu / ngừng tưới, thời gian tưới nước và tạm dừng bão hòa giữa các lần chạy, số lần chạy, v.v.) Các tệp HTML của máy chủ trang web nằm trong thư mục dữ liệu của bản phác thảo IoT APIS Arduino IDE. Chúng phải được tải lên bộ nhớ flash NodeMCU dưới dạng hệ thống tệp SPIFF bằng cách sử dụng công cụ "Tải lên dữ liệu phác thảo ESP8266" có tại đây.

Bước 13: NodeMCU Sketch - Nhật ký tưới cục bộ và truy cập vào hệ thống tệp nội bộ

Trong trường hợp không có kết nối mạng, hệ thống IoT APIS v2 sẽ ghi lại tất cả các hoạt động tưới nước cục bộ.

Để truy cập nhật ký, hãy kết nối với thiết bị và điều hướng đến trang '/ chỉnh sửa', sau đó tải xuống tệp tin water.log. Tệp này chứa lịch sử của tất cả các lần tưới nước kể từ khi bắt đầu ghi nhật ký.

Ví dụ về tệp nhật ký như vậy (ở định dạng được phân tách bằng tab) được đính kèm trong bước này.

LƯU Ý: Trang tải xuống không khả dụng khi IoT APIS v2 đang chạy ở chế độ Điểm truy cập (do phụ thuộc vào thư viện Java Script trực tuyến).

Bước 14: Phác thảo NodeMCU - Độ ẩm của đất, Rò rỉ nước ở khay dưới cùng, Mức nước, Đèn LED 3 màu

Đo độ ẩm của đất dựa trên nguyên tắc giống như APIS ban đầu. Vui lòng tham khảo hướng dẫn đó để biết thêm chi tiết.

Rò rỉ khay nước được phát hiện bằng cách cấp điện áp vào dây dẫn nằm dưới nồi bằng điện trở PULLUP bên trong. Nếu trạng thái PIN kết quả là THẤP thì có nghĩa là có nước trong khay. Trạng thái PIN ở mức CAO cho thấy mạch điện bị "hỏng", do đó không có nước trong khay dưới cùng.

Mực nước được xác định bằng cách đo khoảng cách từ đỉnh bình đến mặt nước và so sánh với khoảng cách đến đáy bình rỗng. Hãy lưu ý việc sử dụng cảm biến 3 pin! Chúng đắt hơn cảm biến bốn chân HC-SR04. Thật không may, tôi đã hết GPIO trên NodeMCU và phải cắt mọi dây có thể để thiết kế hoạt động chỉ trên một NodeMCU mà không cần mạch bổ sung.

Đèn LED 3 màu được sử dụng để biểu thị trạng thái APIS một cách trực quan:

1. XANH XANH nhấp nháy vừa phải - kết nối với mạng WiFi
2. Nhấp nháy nhanh XANH - đang truy vấn máy chủ NTP
3. XANH ngắn gọn chắc chắn - đã kết nối với WiFi và lấy thành công thời gian hiện tại từ NTP
4. Tóm tắt về WHITE chắc chắn - quá trình khởi tạo mạng đã hoàn thành
5. Nhấp nháy nhanh TRẮNG - bắt đầu Chế độ điểm truy cập
6. Nháy nhanh BLUE - tưới nước
7. Nhấp nháy vừa phải BLUE - bão hòa
8. THÁNG NĂM chắc chắn ngắn gọn sau đó là ĐỎ ĐỎ ngắn gọn - không thể lấy được thời gian từ NTP
9. TRẮNG chắc chắn ngắn gọn trong khi truy cập vào máy chủ web nội bộ

Đèn LED không hoạt động ở chế độ "ban đêm". Chế độ NIght chỉ có thể được xác định một cách đáng tin cậy nếu thiết bị có thể lấy thời gian cục bộ từ máy chủ NTP ít nhất một lần (Đồng hồ thời gian thực cục bộ sẽ được sử dụng cho đến khi kết nối tiếp theo với NTP được thiết lập)

Ví dụ về chức năng đèn LED có sẵn trên YouTube tại đây.

Bước 15: Năng lượng mặt trời, Ngân hàng điện và Vận hành tự chủ

Một trong những ý tưởng đằng sau IoT APIS v2 là khả năng hoạt động tự động.

Thiết kế hiện tại sử dụng một bảng điều khiển năng lượng mặt trời và một pin dự phòng 3600 mAh tạm thời để đạt được điều đó.

1. Bảng điều khiển năng lượng mặt trời có sẵn trên amazon.com
2. Ngân hàng điện cũng có sẵn trên amazon.com

Bảng điều khiển năng lượng mặt trời cũng được tích hợp pin 2600 mAh, nhưng nó không thể duy trì hoạt động APIS trong 24 giờ ngay cả ở chế độ tiết kiệm năng lượng (tôi nghi ngờ pin không xử lý tốt với việc sạc và xả đồng thời). Sự kết hợp của hai pin dường như cung cấp đủ năng lượng và cho phép sạc lại cả hai pin trong ngày. Bảng điều khiển năng lượng mặt trời sạc pin dự phòng, trong khi pin sạc dự phòng cung cấp năng lượng cho thiết bị APIS.

Xin lưu ý:

Các thành phần đó là tùy chọn. Bạn chỉ có thể cấp nguồn cho thiết bị bằng bất kỳ bộ chuyển đổi USB nào cung cấp dòng điện 1A.

Bước 16: Tích hợp IoT - Blynk

Một trong những mục tiêu của thiết kế mới là khả năng giám sát độ ẩm của đất, mực nước và các thông số khác từ xa.

Tôi đã chọn Blynk (www.blynk.io) làm nền tảng IoT do tính dễ sử dụng và thiết kế trực quan hấp dẫn.

Vì bản phác thảo của tôi dựa trên thư viện đa nhiệm hợp tác TaskScheduler, tôi không muốn sử dụng các thư viện thiết bị Blynk (chúng không được kích hoạt cho TaskScheduler). Thay vào đó, tôi đã sử dụng Blynk HTTP RESTful API (có sẵn tại đây).

Việc định cấu hình Ứng dụng càng trực quan càng tốt. Vui lòng làm theo ảnh chụp màn hình đính kèm.

Bước 17: Bản phác thảo và tệp

Bản phác thảo IoT APIS v2 được đặt trên github tại đây:

Một số thư viện được sử dụng bởi bản phác thảo được đặt tại đây:

1. TaskScheduler - thư viện đa nhiệm hợp tác cho Arduino và esp8266
2. AvgFilter - triển khai số nguyên của bộ lọc Trung bình để làm mịn dữ liệu cảm biến
3. RTCLib - triển khai Đồng hồ thời gian thực phần cứng và phần mềm (do tôi sửa đổi)
4. Thời gian - Các sửa đổi cho thư viện Thời gian
5. Múi giờ - thư viện hỗ trợ tính toán múi giờ

GHI CHÚ:

Bảng dữ liệu, tài liệu ghim và tệp 3D nằm trong thư mục con "tệp" của bản phác thảo chính.

Các tệp HTML cho máy chủ web tích hợp phải được tải lên bộ nhớ flash NODE MCU bằng cách sử dụng arduino-esp8266fs-plugin (tạo tệp hệ thống tệp từ thư mục con "dữ liệu" của thư mục phác thảo chính và tải nó lên bộ nhớ flash)

Á quân Cuộc thi Làm vườn Trong nhà 2016