Hệ thống giám sát vật nuôi được hỗ trợ bởi Arduino và Raspberry Pi: 19 bước (có hình ảnh)

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

Gần đây, khi đang đi nghỉ, chúng tôi nhận ra sự thiếu kết nối với con vật cưng Beagle của mình. Sau một số nghiên cứu, chúng tôi đã tìm thấy các sản phẩm có camera tĩnh cho phép một người theo dõi và giao tiếp với thú cưng của mình. Những hệ thống này có những lợi ích nhất định nhưng thiếu tính linh hoạt. Ví dụ: mỗi phòng yêu cầu một đơn vị để theo dõi vật nuôi của bạn trong nhà.

Do đó, chúng tôi đã phát triển một robot mạnh mẽ có thể di chuyển quanh nhà và có thể giám sát vật nuôi của một người bằng cách sử dụng sức mạnh của internet vạn vật. Một ứng dụng điện thoại thông minh được thiết kế để tương tác với thú cưng của bạn thông qua nguồn cấp dữ liệu video trực tiếp. Khung của robot được chế tạo kỹ thuật số vì một số bộ phận được tạo ra bằng cách sử dụng in 3D và cắt laser. Cuối cùng, chúng tôi quyết định thêm một tính năng thưởng là phân phát đồ ăn vặt để thưởng cho thú cưng của bạn.

Tiếp tục để tạo hệ thống giám sát vật nuôi của riêng bạn và thậm chí có thể tùy chỉnh nó theo yêu cầu của bạn. Hãy xem video được liên kết ở trên để xem vật nuôi của chúng tôi phản ứng như thế nào và hiểu rõ hơn về robot. Hãy bỏ phiếu trong "Cuộc thi sáng tạo người máy" nếu bạn thích dự án.

Bước 1: Tổng quan về thiết kế

Để lên ý tưởng cho robot giám sát vật nuôi, chúng tôi đầu tiên thiết kế nó trên fusion 360. Dưới đây là một số tính năng của nó:

Robot có thể được điều khiển thông qua một ứng dụng thông qua internet. Điều này cho phép người dùng kết nối với robot từ mọi nơi

Một camera tích hợp phát trực tiếp nguồn cấp dữ liệu video tới điện thoại thông minh có thể giúp người dùng di chuyển xung quanh nhà và tương tác với thú cưng

Một bát đồ bổ sung có thể thưởng cho thú cưng của bạn từ xa

Các bộ phận được chế tạo kỹ thuật số cho phép một người tùy chỉnh robot của họ

Raspberry Pi được sử dụng để kết nối Internet vì nó có chế độ wifi tích hợp

Một Arduino đã được sử dụng cùng với một tấm chắn CNC để đưa ra các lệnh cho động cơ bước

Bước 2: Vật liệu cần thiết

Dưới đây là danh sách tất cả các thành phần cần thiết để tạo ra robot giám sát vật nuôi hỗ trợ Arduino và Raspberry Pi của riêng bạn. Tất cả các bộ phận phải phổ biến và dễ tìm.

THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ:

• Arduino Uno x 1
• Raspberry Pi (flash bằng raspbian mới nhất) x 1
• Tấm chắn CNC x 1
• Trình điều khiển động cơ bước A4988 x 2
• Picamera x 1
• Cảm biến khoảng cách siêu âm x 1
• Pin Lipo 11.1v x 1
• Động cơ bước NEMA 17 x 2
• 5v UBEC x 1

PHẦN CỨNG:

• Bánh xe x 2 (bánh xe mà chúng tôi sử dụng có đường kính 7cm)
• Bánh xe thầu dầu x 2
• Đai ốc và bu lông M4 và M3

Tổng chi phí của dự án này không bao gồm Arduino và Raspberry Pi là khoảng 50 đô la.

Bước 3: Các bộ phận được chế tạo kỹ thuật số

Một số bộ phận mà chúng tôi sử dụng trong dự án này phải được làm riêng. Chúng được tạo mô hình đầu tiên trong Fusion 360 và sau đó được tạo ra bằng máy in 3D và máy cắt laser. Các bộ phận được in 3D không chịu nhiều tải nên PLA tiêu chuẩn với mức chèn 20% hoạt động tuyệt vời. Dưới đây là danh sách tất cả các bộ phận được in 3D và cắt bằng laser:

Bộ phận in 3D:

• Giá đỡ bước x 2
• Hệ thống Tầm nhìn Mount x 1
• Điện tử Standoff x 4
• Khoảng cách dọc x 4
• Gia cố khung xe x 2
• Xử lý Nắp bát x 1
• Xử lý Bowl x 1
• Giá đỡ bậc sau x 1
• Đĩa quanh co x 1

Bộ phận Lasercut:

• Bảng điều khiển phía dưới x 1
• Bảng trên cùng x 1

Có thể tìm thấy một thư mục nén chứa tất cả các STL và các tệp cắt laser bên dưới.

Bước 4: Gắn động cơ bước

Sau khi tất cả các bộ phận được in 3D, hãy bắt đầu lắp ráp bằng cách lắp động cơ bước vào giá đỡ bước. Giá đỡ động cơ bước mà chúng tôi thiết kế dành cho kiểu NEMA 17 (nếu một người sử dụng các bước khác nhau, nó sẽ yêu cầu một giá đỡ khác). Luồn trục của động cơ qua lỗ và cố định động cơ vào vị trí bằng các vít lắp. Sau khi hoàn thành, cả hai động cơ phải được giữ chắc chắn vào giá đỡ.

Bước 5: Gắn các bước vào bảng điều khiển dưới cùng

Để gắn các giá đỡ vào bảng điều khiển phía dưới được cắt bằng laser, chúng tôi đã sử dụng bu lông M4. Trước khi cố định chúng bằng đai ốc, hãy thêm các dải gia cố khung xe được in 3D và sau đó buộc chặt các đai ốc. Các dải được sử dụng để phân phối tải trọng đồng đều trên tấm acrylic.

Cuối cùng, luồn dây qua các khe tương ứng được cung cấp trên bảng điều khiển. Đảm bảo kéo chúng hết cỡ để tránh chúng vướng vào bánh xe.

Bước 6: Lắp bánh xe

Tấm acrylic có hai phần được cắt ra để lắp bánh xe. Các bánh xe mà chúng tôi sử dụng có đường kính 7cms và đi kèm với các vít định vị gắn vào trục bước 5mm. Đảm bảo rằng bánh xe được giữ chặt và không bị trượt trên trục.

Bước 7: Bánh xe Castor Trước và Sau

Để cho phép khung xe di chuyển trơn tru, chúng tôi quyết định đặt bánh xe đẩy ở phía trước và sau của robot. Điều này không chỉ ngăn robot lật nhào mà còn cho phép khung xe xoay tự do theo bất kỳ hướng nào. Bánh xe có đủ kích cỡ, đặc biệt của chúng tôi đi kèm với một vít xoay duy nhất mà chúng tôi gắn vào đế và sử dụng miếng đệm in 3d để điều chỉnh chiều cao sao cho robot nằm ngang một cách hoàn hảo. Với điều này, cơ sở của khung hoàn chỉnh và có độ ổn định tốt.

Bước 8: Điện tử

Sau khi cơ sở của khung được lắp ráp hoàn chỉnh, đã đến lúc lắp các thiết bị điện tử lên bảng acrylic. Chúng tôi đã tạo các lỗ trên bảng acrylic phù hợp với các lỗ gắn của Arduino và Raspberry Pi. Sử dụng chân đế in 3D, chúng tôi nâng thiết bị điện tử lên trên các tấm acrylic một chút để tất cả các dây thừa có thể được giấu gọn gàng bên dưới. Gắn Arduino và Raspberry Pi vào vị trí lắp tương ứng của chúng bằng cách sử dụng đai ốc và bu lông M3. Sau khi Arduino được cố định, hãy gắn tấm chắn CNC vào Arduino và kết nối các dây bước trong cấu hình sau.

• Bước trái đến cổng trục X lá chắn CNC
• Bước phải đến cổng trục Y lá chắn CNC

Với các động cơ bước được gắn vào, hãy kết nối Arduino với Raspberry Pi bằng cáp USB của Arduino. Cuối cùng thì Raspberry Pi và Arduino sẽ giao tiếp thông qua cáp này.

Lưu ý: Mặt trước của robot là mặt với Raspberry Pi

Bước 9: Hệ thống Tầm nhìn

Đầu vào môi trường chính cho robot giám sát vật nuôi của chúng tôi là thị lực. Chúng tôi đã quyết định sử dụng Picamera tương thích với Raspberry Pi để cung cấp luồng trực tiếp cho người dùng qua internet. Chúng tôi cũng sử dụng cảm biến khoảng cách siêu âm để tránh chướng ngại vật khi robot đang hoạt động tự động. Cả hai cảm biến đều gắn vào một giá đỡ với sự trợ giúp của vít.

Các khe cắm Picamera vào cổng được chỉ định trên Raspberry Pi và kết nối cảm biến siêu âm theo cách sau:

• Cảm biến siêu âm VCC đến đường sắt 5v trên tấm chắn CNC
• Cảm biến siêu âm GND đến đường ray GND trên tấm chắn CNC
• Cảm biến siêu âm TRIG đến chốt dừng cuối X + trên tấm chắn CNC
• Cảm biến siêu âm ECHO đến chốt dừng cuối Y + trên tấm chắn CNC

Bước 10: Lắp ráp bảng điều khiển hàng đầu

Ở phía sau của robot được gắn hệ thống mở nắp cho bát xử lý. Gắn động cơ bước mini vào thành phần giá đỡ phía sau và gắn cả hệ thống tầm nhìn và hệ thống cuộn dây bằng bu lông M3 vào bảng điều khiển trên cùng. Như đã đề cập, hãy đảm bảo gắn hệ thống quan sát ở phía trước và hệ thống cuộn dây ở phía sau với hai lỗ được cung cấp.

Bước 11: Lắp ráp bảng điều khiển hàng đầu

Chúng tôi in 3d miếng đệm dọc để hỗ trợ bảng điều khiển trên cùng ở chiều cao phù hợp. Bắt đầu bằng cách gắn bốn miếng đệm vào bảng điều khiển dưới cùng để tạo thành một chữ "X". Sau đó, đặt tấm trên cùng với bát xử lý để đảm bảo các lỗ của chúng thẳng hàng và cuối cùng cố định nó vào miếng đệm.

Bước 12: Cơ chế mở nắp

Để điều khiển nắp trên bát xử lý, chúng tôi sử dụng một động cơ bước nhỏ hơn để quấn một sợi dây nylon gắn vào nắp, kéo nó mở ra. Trước khi gắn nắp, luồn dây qua lỗ 2mm trên nắp và thắt nút ở mặt trong. Sau đó, cắt đầu dây còn lại và luồn nó qua các lỗ được cung cấp trên đĩa cuộn dây. Đẩy đĩa trên bước sau đó kéo dây cho đến khi nó căng. Sau khi hoàn thành, hãy cắt phần thừa và thắt một nút. Cuối cùng dùng bu lông và đai ốc gắn nắp vào bát và đảm bảo nó xoay được. Bây giờ khi bước quay, dây sẽ cuốn vào đĩa và nắp sẽ dần dần mở ra.

Bước 13: Thiết lập cơ sở dữ liệu đám mây

Bước đầu tiên là tạo cơ sở dữ liệu cho hệ thống để bạn có thể giao tiếp với rô bốt từ ứng dụng dành cho thiết bị di động của mình từ mọi nơi trên thế giới. Nhấp vào liên kết sau (Google firebase), liên kết này sẽ dẫn bạn đến trang web Firebase (bạn sẽ phải đăng nhập bằng tài khoản Google của mình). Nhấp vào nút "Bắt đầu" sẽ đưa bạn đến bảng điều khiển firebase. Sau đó, tạo một dự án mới bằng cách nhấp vào nút "Thêm dự án", điền các yêu cầu (tên, chi tiết, v.v.) và hoàn thành bằng cách nhấp vào nút "Tạo dự án".

Chúng tôi chỉ yêu cầu các công cụ cơ sở dữ liệu của Firebase, vì vậy hãy chọn "cơ sở dữ liệu" từ menu ở phía bên trái. Tiếp theo nhấp vào nút "Tạo cơ sở dữ liệu", chọn tùy chọn "chế độ kiểm tra". Tiếp theo, đặt cơ sở dữ liệu thành "cơ sở dữ liệu thời gian thực" thay vì "kho lưu trữ đám mây" bằng cách nhấp vào trình đơn thả xuống ở trên cùng. Chọn tab "quy tắc" và thay đổi hai từ "sai" thành "đúng", cuối cùng nhấp vào tab "dữ liệu" và sao chép URL cơ sở dữ liệu, điều này sẽ được yêu cầu sau này.

Điều cuối cùng bạn cần làm là nhấp vào biểu tượng bánh răng bên cạnh tổng quan dự án, sau đó vào "cài đặt dự án", sau đó chọn tab "tài khoản dịch vụ", cuối cùng nhấp vào "Bí mật cơ sở dữ liệu" và lưu ý bảo mật. mã của cơ sở dữ liệu của bạn. Với bước này hoàn tất, bạn đã tạo thành công cơ sở dữ liệu đám mây của mình, cơ sở dữ liệu này có thể được truy cập từ điện thoại thông minh của bạn và từ Raspberry Pi. (Sử dụng các hình ảnh đính kèm ở trên trong trường hợp có bất kỳ nghi ngờ nào, hoặc chỉ cần thả câu hỏi trong phần bình luận)

Bước 14: Tạo ứng dụng di động

Phần tiếp theo của hệ thống IoT là ứng dụng điện thoại thông minh. Chúng tôi quyết định sử dụng MIT App Inventor để tạo ứng dụng tùy chỉnh của riêng mình. Để sử dụng ứng dụng mà chúng tôi đã tạo, trước tiên hãy mở liên kết sau (Nhà phát minh ứng dụng MIT), liên kết này sẽ dẫn bạn đến trang web của họ. Tiếp theo, nhấp vào "tạo ứng dụng" ở phía trên cùng của màn hình, sau đó đăng nhập bằng tài khoản Google của bạn.

Tải xuống tệp.aia được liên kết bên dưới. Mở tab "dự án" và nhấp vào "Nhập dự án (.aia) từ máy tính của tôi" tiếp theo chọn tệp bạn vừa tải xuống và nhấp vào "ok". Trong cửa sổ thành phần, cuộn xuống hết cỡ cho đến khi bạn thấy "FirebaseDB1", nhấp vào nó và sửa đổi "FirebaseToken", "FirebaseURL" thành các giá trị mà bạn đã lưu ý ở bước trước. Sau khi hoàn tất các bước này, bạn đã sẵn sàng tải xuống và cài đặt ứng dụng. Bạn có thể tải ứng dụng trực tiếp xuống điện thoại của mình bằng cách nhấp vào tab "Xây dựng" và nhấp vào "Ứng dụng (cung cấp mã QR cho.apk)" sau đó quét mã QR bằng điện thoại thông minh của bạn hoặc nhấp vào "Ứng dụng (lưu.apk vào máy tính của tôi) ", bạn sẽ tải tệp apk xuống máy tính của mình, tệp này sau đó có thể chuyển sang điện thoại thông minh của bạn.

Bước 15: Lập trình Raspberry Pi

Raspberry Pi được sử dụng vì hai lý do chính.

1. Nó truyền một luồng video trực tiếp từ robot tới máy chủ web. Người dùng có thể xem luồng này bằng ứng dụng dành cho thiết bị di động.
2. Nó đọc các lệnh được cập nhật trên cơ sở dữ liệu firebase và hướng dẫn Arduino thực hiện các tác vụ cần thiết.

Để thiết lập Raspberry Pi phát trực tiếp, một hướng dẫn chi tiết đã tồn tại và bạn có thể tìm thấy tại đây. Các hướng dẫn tổng hợp thành ba lệnh đơn giản. Bật Raspberry Pi và mở thiết bị đầu cuối và nhập các lệnh sau.

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

Sau khi cài đặt xong, hãy khởi động lại Pi và bạn sẽ có thể truy cập luồng bằng cách tìm kiếm https:// địa chỉ IP của Pi trên bất kỳ trình duyệt web nào.

Với tính năng phát trực tiếp được thiết lập, bạn sẽ cần tải xuống và cài đặt một số thư viện nhất định để có thể sử dụng cơ sở dữ liệu đám mây. Mở một thiết bị đầu cuối trên Pi của bạn và nhập các lệnh sau:

• sudo pip cài đặt yêu cầu == 1.1.0
• sudo pip cài đặt python-firebase

Cuối cùng, tải xuống tệp python được đính kèm bên dưới và lưu nó trên Raspberry Pi của bạn. Trên dòng thứ tư của mã, thay đổi cổng COM thành cổng kết nối với Arduino. Tiếp theo, thay đổi URL trên dòng 8 thành URL firebase mà bạn đã lưu ý trước đó. Cuối cùng, chạy chương trình thông qua thiết bị đầu cuối. Chương trình này tìm nạp các lệnh từ cơ sở dữ liệu đám mây và chuyển nó đến Arduino thông qua kết nối nối tiếp.

Bước 16: Lập trình Arduino

Arduino được sử dụng để diễn giải các lệnh từ Pi và hướng dẫn các bộ truyền động trên robot thực hiện các nhiệm vụ cần thiết. Tải xuống mã Arduino được đính kèm bên dưới và tải nó lên Arduino. Sau khi Arduino được lập trình, hãy kết nối nó với một trong các cổng USB của Pi bằng cáp USB chuyên dụng.

Bước 17: Cấp nguồn cho hệ thống

Robot sẽ được tắt nguồn pin lipo 3 cell. Các cực pin cần được chia thành hai, trong đó một đầu nối trực tiếp đến tấm chắn CNC để cấp nguồn cho động cơ, trong khi đầu kia được kết nối với 5v UBEC, tạo ra một đường dây điện 5v ổn định sẽ được sử dụng để cung cấp năng lượng cho Raspberry Pi. các chân GPIO. 5v từ UBEC được kết nối với chân 5v của Raspberry Pi và GND từ UBEC được kết nối với chân GND trên Pi.

Bước 18: Sử dụng ứng dụng

Giao diện của ứng dụng cho phép người ta điều khiển robot giám sát cũng như phát trực tiếp nguồn cấp dữ liệu từ camera trên bo mạch. Để kết nối với rô bốt của bạn, hãy đảm bảo bạn có kết nối internet ổn định, sau đó chỉ cần nhập địa chỉ IP của Raspberry Pi vào hộp văn bản được cung cấp và nhấp vào nút cập nhật. Sau khi hoàn tất, nguồn cấp dữ liệu trực tiếp sẽ xuất hiện trên màn hình của bạn và bạn có thể điều khiển các chức năng khác nhau của rô bốt.

Bước 19: Sẵn sàng kiểm tra

Giờ đây, rô bốt giám sát vật nuôi của bạn đã được lắp ráp hoàn chỉnh, người ta có thể đổ đầy đồ ăn cho chó vào bát. Mở ứng dụng, kết nối máy ảnh và vui chơi! Chúng tôi hiện đang chơi với máy quay và Beagle của chúng tôi và đã ghi lại những khoảnh khắc khá vui nhộn.

Một khi con chó đã vượt qua nỗi sợ hãi ban đầu về vật thể chuyển động này, nó sẽ đuổi theo con bot xung quanh nhà để lấy đồ ăn. Máy ảnh trên bo mạch cung cấp góc nhìn rộng tốt ra môi trường xung quanh, giúp bạn dễ dàng điều động.

Có chỗ để cải tiến để làm cho nó hoạt động tốt hơn trong thế giới thực. Điều đó nói rằng, chúng tôi đã tạo ra một hệ thống mạnh mẽ, hệ thống này có thể xây dựng và mở rộng hơn nữa. Nếu bạn thích dự án này, hãy bỏ phiếu cho chúng tôi trong "Cuộc thi về người máy"

Chúc bạn thành công!

Giải nhì cuộc thi Robotics