APIS - Hệ thống tưới cây tự động: 12 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

LỊCH SỬ: (bản phát triển tiếp theo của hệ thống này có sẵn tại đây)

Có khá nhiều tài liệu hướng dẫn về chủ đề tưới cây, vì vậy tôi hầu như không phát minh ra thứ gì đó nguyên bản ở đây. Điều làm nên sự khác biệt của hệ thống này là số lượng lập trình và tùy chỉnh đã đi vào nó, cho phép kiểm soát và tích hợp tốt hơn vào cuộc sống hàng ngày.

Đây là video về cuộc chạy bộ tưới cây: chạy bộ tưới cây

Đây là cách APIS ra đời:

Chúng tôi có hai cây ớt cay đỏ, chúng hầu như không "sống sót" trong vài kỳ nghỉ của chúng tôi, và gần như được coi là thành viên trong gia đình vào thời điểm này. Chúng đã trải qua thời kỳ hạn hán khắc nghiệt và tưới quá nhiều nước, nhưng luôn hồi phục bằng cách nào đó.

Ý tưởng xây dựng hệ thống tưới cây dựa trên Arduino gần như là ý tưởng đầu tiên làm thế nào Arduino có thể được áp dụng như một dự án tự động hóa gia đình. Vì vậy một hệ thống tưới cây đơn giản đã được chế tạo.

Tuy nhiên, Phiên bản 1 không có bất kỳ dấu hiệu nào về độ ẩm của đất, và không có cách nào để biết liệu nó sắp tưới cây hay là một vài ngày nữa sẽ tưới nước.

Như chúng ta đều biết, Curiosity đã giết chết con mèo và Phiên bản 2 được xây dựng với mô-đun phân đoạn 4 chữ số 7 để hiển thị độ ẩm hiện tại mọi lúc.

Điều đó là không đủ. Câu hỏi tiếp theo là "lần cuối cùng nó tưới cây" là khi nào? (Vì chúng tôi hiếm khi ở nhà để chứng kiến điều đó). Phiên bản 3 sử dụng mô-đun 7 phân đoạn cũng hiển thị cách lần tưới nước cuối cùng đã xảy ra cách đây bao lâu (dưới dạng một chuỗi văn bản đang chạy).

Một đêm, việc tưới nước bắt đầu lúc 4 giờ sáng, đánh thức mọi người. Bực bội… Thấy quá nhiều việc phải tắt APIS vào ban đêm và bật vào ban ngày để tránh bị chảy nước vào giữa đêm, đồng hồ thời gian thực đã được thêm vào để đưa thiết bị vào chế độ ngủ vào ban đêm như một phần của Phiên bản 4.

Vì đồng hồ thời gian thực yêu cầu điều chỉnh định kỳ (chẳng hạn như công tắc thời gian tiết kiệm ánh sáng ban ngày), Phiên bản 5, bao gồm ba nút cho phép thiết lập nhiều thông số tưới cây.

Nó không dừng lại ở đó. Tôi nhận thấy rằng đầu dò độ ẩm có xu hướng ăn mòn khá nhanh, hoàn toàn có thể do thực tế là nó (theo thiết kế) dưới điện áp không đổi, và do đó có dòng điện liên tục giữa các đầu dò (ăn mòn cực dương). Tàu thăm dò đất rẻ tiền từ Trung Quốc tồn tại được khoảng một tuần. Thậm chí, một chiếc đinh mạ kẽm cũng bị “ăn hết” trong một tháng. Một đầu dò bằng thép không gỉ đang giữ tốt hơn, nhưng tôi nhận thấy rằng ngay cả điều đó cũng đang từ bỏ. Phiên bản 6 chỉ bật đầu dò trong 1 phút mỗi giờ (và luôn luôn trong khi tưới nước), do đó làm giảm đáng kể xói mòn (~ 16 phút một ngày so với 24 giờ một ngày).

Ý tưởng:

Phát triển hệ thống tưới cây với các khả năng sau:

1. Đo độ ẩm đất
2. Khi đạt đến mốc độ ẩm "thấp" được xác định trước, hãy bật máy bơm nước và tưới cây cho đến khi đạt đến mốc độ ẩm "cao"
3. Tưới nước nên được thực hiện trong nhiều lần, cách nhau bởi các khoảng thời gian không hoạt động để cho phép nước bão hòa qua đất
4. Hệ thống sẽ tự tắt vào ban đêm giữa thời gian "ngủ" và "thức"
5. Thời gian "thức dậy" phải được điều chỉnh cho các ngày cuối tuần thành giá trị muộn hơn
6. Hệ thống phải lưu giữ nhật ký vận hành bơm
7. Hệ thống sẽ hiển thị số đọc hiện tại của độ ẩm đất
8. Hệ thống sẽ hiển thị ngày / giờ chạy máy bơm cuối cùng
9. Các thông số tưới nước nên được điều chỉnh mà không cần lập trình lại
10. Dừng bơm và cho biết tình trạng Lỗi nếu máy bơm chạy không dẫn đến thay đổi độ ẩm (hết nước, hoặc các vấn đề về cảm biến) ngăn cây bị ngập úng và rò rỉ nước
11. Hệ thống nên bật / tắt đầu dò độ ẩm để tránh xói mòn kim loại
12. Hệ thống nên thoát nước khỏi các ống để ngăn nấm mốc hình thành bên trong chúng

Các thông số sau có thể được cấu hình thông qua các nút:

1. Dấu độ ẩm "thấp", tính bằng%, để bắt đầu chạy máy bơm (mặc định = 60%)
2. Dấu độ ẩm "cao", tính bằng%, để dừng chạy máy bơm (mặc định = 65%)
3. Thời lượng của một lần tưới nước, tính bằng giây (mặc định = 60 giây)
4. Số lần thử lại để đạt được độ ẩm mục tiêu (mặc định = 4 lần chạy)
5. Thời gian quân sự để tắt vào ban đêm, chỉ giờ (mặc định = 22 hoặc 10 giờ tối)
6. Giờ quân sự để kích hoạt vào buổi sáng, chỉ giờ (mặc định = 07 hoặc 07 giờ sáng)
7. Điều chỉnh cuối tuần cho kích hoạt buổi sáng, giờ đồng bằng (mặc định = +2 giờ)
8. Ngày và giờ hiện tại

APIS ghi ngày / giờ của 10 lần tưới cuối cùng chạy vào bộ nhớ EEPROM. Nhật ký có thể được hiển thị, hiển thị ngày và thời gian của các lần chạy.

Một trong nhiều điều chúng tôi học được từ APIS là bạn không thực sự cần phải tưới cây hàng ngày, đó là thói quen của chúng tôi cho đến khi chúng tôi nhìn thấy các chỉ số độ ẩm của đất trên màn hình 7 phân đoạn…

Bước 1: CÁC BỘ PHẬN VÀ CÔNG CỤ

Bạn sẽ cần các phần sau để xây dựng APIS:

HỘP VÀ ỐNG ĐIỀU KHIỂN:

1. Bo mạch Arduino Uno: trên Amazon.com
2. Bơm chất lỏng nhu động 12v với ống silicon: trên Adafruit.com
3. Màn hình LED số 4X Mô-đun JY-MCU Ống kỹ thuật số: trên Fasttech.com
4. Bộ bảng đột phá Đồng hồ thời gian thực DS1307: trên Adafruit.com (tùy chọn)
5. Công tắc Tact Microtivity IM206 6x6x6mm: trên Amazon.com
6. Bảng Vero: trên Amazon.com
7. IC điều khiển động cơ L293D: trên Fasttech.com
8. Điện trở 3 x 10kOhm
9. Arduino dự án vỏ nhựa: trên Amazon.com
10. Bộ chuyển đổi AC / DC 12v có giắc cắm nguồn 2,1 mm: trên Amazon.com
11. Xiên tre
12. Tread và một chút keo siêu bền
13. Ống cao su siêu mềm 1/8 "ID, 3/16" OD, 1/32 "Wall, Semi-Clear Amber, Chiều dài 10 ft: trên McMaster.com
14. Ống thép gai kín khít bằng nylon bền, Tee cho ống ID 1/8 ", Màu trắng, gói 10: trên McMaster.com
15. Ống thép gai kín khít bằng nylon bền, Wye cho ID ống 1/8 ", Màu trắng, gói 10: trên McMaster.com
16. Như thường lệ, dây điện, dụng cụ hàn, v.v.

HUMIDITY PROBE:

1. Miếng gỗ nhỏ (1/4 "x 1/4" x 1 ")
2. 2 x Kim lấy mụn bằng thép không gỉ: trên Amazon.com
3. Mô-đun cảm biến phát hiện độ ẩm của đất: trên Fasttech.com

Bước 2: SOIL HUMIDITY PROBE V1

Độ ẩm của đất được đo dựa trên điện trở giữa hai đầu dò kim loại cắm vào đất (cách nhau khoảng 1 inch). Các giản đồ được thể hiện trên hình.

Đầu tiên tôi đã thử thăm dò là một trong những bạn có thể mua từ một số nhà cung cấp internet (như thế này).

Vấn đề với những thứ đó là mức độ giấy bạc tương đối mỏng và bị ăn mòn nhanh chóng (vấn đề trong một hoặc hai tuần), vì vậy tôi đã nhanh chóng từ bỏ loại được sản xuất trước này để chuyển sang cảm biến cứng hơn, dựa trên đinh mạ kẽm (vui lòng xem bước tiếp theo).

Bước 3: SOIL HUMIDITY PROBE V2

Đầu dò "thế hệ tiếp theo" được làm từ hai chiếc đinh mạ kẽm, một tấm gỗ và một vài sợi dây.

Vì tôi đã có một đầu dò được sản xuất cũ nát, tôi đã sử dụng lại mảnh kết nối và mô-đun điện tử từ nó, về cơ bản chỉ thay thế thành phần đất.

Tôi ngạc nhiên là móng tay mạ kẽm cũng bị ăn mòn (mặc dù chậm hơn giấy bạc mỏng), nhưng vẫn nhanh hơn tôi muốn.

Một đầu dò khác được thiết kế dựa trên kim lấy mụn bằng thép không gỉ. (xem bước tiếp theo).

Bước 4: SOIL HUMIDITY PROBE V3 "Katana"

Đầu dò bằng thép không gỉ (giống như thanh kiếm samurai, do đó có tên) là loại hiện đang được sử dụng.

Tôi tin rằng sự xói mòn nhanh chóng có thể là do đầu dò luôn ở dưới điện áp (24x7) bất kể việc đo thực tế diễn ra thường xuyên như thế nào.

Để giảm thiểu điều này, tôi đã thay đổi khoảng thời gian đo thành một lần trong 1 giờ (xét cho cùng, đây KHÔNG phải là hệ thống thời gian thực) và kết nối đầu dò với một trong các chân kỹ thuật số thay vì 5v cố định. Hiện tại, tàu thăm dò chỉ được cung cấp năng lượng ~ 16 phút mỗi ngày thay vì 24 giờ, điều này sẽ làm tăng tuổi thọ của nó lên đáng kể.

Bước 5: CHỨC NĂNG CƠ BẢN

APIS dựa trên board Arduino UNO.

APIS đo độ ẩm của đất mỗi giờ một lần và nếu nó giảm xuống dưới ngưỡng được xác định trước, hãy bật máy bơm trong một khoảng thời gian xác định trước, số lần được xác định trước cách nhau bằng khoảng "bão hòa".

Sau khi đạt đến ngưỡng độ ẩm mục tiêu, quá trình quay trở lại chế độ đo mỗi giờ một lần.

Nếu không thể đạt được độ ẩm mục tiêu, nhưng đã đạt đến giới hạn thấp hơn, thì điều đó cũng không sao (ít nhất là một vài lần tưới nước đã diễn ra). Nguyên nhân có thể là do không may đặt đầu dò, nơi quá xa đất ẩm.

Tuy nhiên, nếu ngay cả giới hạn độ ẩm thấp hơn không thể đạt được, một điều kiện lỗi sẽ được thông báo. (Hầu hết có thể là sự cố đầu dò, hoặc xô cấp nước hết nước, v.v.). Trong điều kiện lỗi, thiết bị sẽ ngủ trong 24 giờ mà không làm gì cả và sau đó sẽ thử lại.

Bước 6: 7 MÀN HÌNH HIỂN THỊ PHÂN ĐOẠN

TM1650 MÀN HÌNH 7 PHÂN ĐOẠN DỰA TRÊN:

Ban đầu, APIS không có bất kỳ khả năng hiển thị nào. Không thể cho biết mức độ ẩm hiện tại của đất mà không kết nối qua USB.

Để khắc phục điều đó, tôi đã thêm màn hình 4 chữ số 7 phân đoạn vào hệ thống: trên Fasttech.com

Tôi không thể tìm thấy thư viện để làm việc với mô-đun này ở bất kỳ đâu (không có bảng dữ liệu cho nó), vì vậy sau vài giờ thăm dò và thử nghiệm cổng I²C, tôi quyết định tự viết thư viện trình điều khiển.

Nó hỗ trợ hiển thị lên đến 16 chữ số (với 4 là mặc định), có thể hiển thị các ký tự ASCII cơ bản (xin lưu ý rằng không phải tất cả các ký tự đều có thể được xây dựng với 7 phân đoạn, vì vậy các chữ cái như W, M, v.v. không được triển khai), hỗ trợ thập phân hiển thị điểm trên mô-đun, chạy chuỗi ký tự (để hiển thị nhiều hơn 4 chữ cái) và hỗ trợ độ sáng 16 độ.

Thư viện có sẵn trên sân chơi arduino.cc tại đây. Thư viện trình điều khiển TM1650

Video mẫu có sẵn tại đây

ĐỘNG VẬT:

Một chút hoạt ảnh 7 đoạn được thực hiện trong quá trình chạy trên mặt nước.

• Trong khi bơm hoạt động, các chấm kỹ thuật số trên màn hình đang chạy theo mô hình từ trái sang phải, tượng trưng cho dòng nước: video hoạt hình tưới nước
• Trong khoảng thời gian "bão hòa", các chấm chạy từ tâm màn hình ra ngoài, tượng trưng cho độ bão hòa: video hoạt ảnh bão hòa

Không cần thiết, nhưng một liên lạc tốt đẹp.

Bước 7: BƠM và ĐIỀU KHIỂN BƠM

BƠM

Tôi đã sử dụng Bơm chất lỏng nhu động 12v (có sẵn tại đây) để tưới cây. Máy bơm cung cấp khoảng 100 mL / phút (tức là khoảng 1/2 ly - bạn nên nhớ khi định cấu hình thời gian chạy nước để tránh bị tràn, và nó đã xảy ra 8-))

ĐIỀU KHIỂN BƠM - L293D

Máy bơm được điều khiển thông qua chip điều khiển động cơ L293D. Vì hướng quay được thiết lập trước, bạn thực sự chỉ cần sử dụng chân kích hoạt chip để điều khiển. Các chân định hướng có thể được nối dây trực tiếp đến + 5v và GND vĩnh viễn.

Nếu bạn (như tôi) không chắc máy bơm sẽ đi theo hướng nào, bạn vẫn có thể kết nối cả ba chân với Arduino và điều khiển hướng theo chương trình. Ít hàn lại.

Bước 8: CẤU HÌNH VÀ CÁC NÚT

NÚT:

Tôi đã sử dụng ba nút để định cấu hình và điều khiển APIS.

Tất cả các lần nhấn nút đều được xử lý dựa trên các ngắt chân (thư viện PinChangeInt).

• Màu đỏ (ngoài cùng bên phải) là nút CHỌN. Nó làm cho APIS vào chế độ cấu hình và cũng xác nhận các giá trị.
• Các nút màu đen ngoài cùng bên trái và giữa (tương ứng là CỘNG và TRỪ) được sử dụng để tăng / giảm các giá trị có thể cấu hình (ở chế độ cấu hình) hoặc hiển thị ngày / giờ hiện tại và thông tin về lần tưới nước gần đây nhất (ở chế độ bình thường).

Vì hầu hết thời gian màn hình bị tắt, tất cả các nút đầu tiên sẽ "đánh thức" APIS và chỉ sau đó, trong một lần nhấn thứ hai, mới thực hiện chức năng của chúng.

Màn hình sẽ tắt sau 30 giây không hoạt động (trừ khi đang tiến hành tưới cây).

APIS chạy qua các thông số cấu hình khi khởi động để xem xét: video

CẤU HÌNH:

APIS có bốn chế độ cấu hình:

1. Định cấu hình các thông số tưới nước
2. Thiết lập đồng hồ thời gian thực
3. Chạy nước "cưỡng bức"
4. Xem lại nhật ký tưới nước

THÔNG SỐ NƯỚC:

1. Ngưỡng độ ẩm của đất thấp (bắt đầu tưới nước)
2. Ngưỡng độ ẩm của đất cao (ngừng tưới nước)
3. Thời gian của một lần tưới nước duy nhất (tính bằng giây)
4. Số lần tưới trong một đợt
5. Khoảng thời gian bão hòa đất giữa các lần chạy trong một mẻ (tính bằng phút)
6. Thời gian kích hoạt chế độ ban đêm (giờ quân sự, chỉ giờ)
7. Thời gian kết thúc chế độ ban đêm (giờ quân sự, chỉ giờ)
8. Điều chỉnh cuối tuần cho thời gian kết thúc chế độ ban đêm (tính bằng giờ)

CÀI ĐẶT ĐỒNG HỒ THỜI GIAN THỰC:

1. Century (tức là 20 cho năm 2015)
2. Năm (tức là 15 cho năm 2015)
3. Tháng
4. Ngày
5. Giờ
6. Phút

Đồng hồ được điều chỉnh với giây được đặt thành 00 khi xác nhận phút.

Cài đặt có khoảng thời gian chờ là 15 giây, sau đó tất cả các thay đổi sẽ bị hủy.

Sau khi lưu, các thông số sẽ được lưu vào bộ nhớ EEPROM.

CẦN CHẠY NƯỚC:

Vẫn không chắc tại sao tôi thực hiện nó, nhưng nó ở đó. Sau khi được kích hoạt, APIS sẽ chuyển sang chế độ tưới nước. Tuy nhiên, chế độ tưới nước vẫn phải tuân theo các ngưỡng. Điều này có nghĩa là nếu bạn bắt buộc chạy nước nhưng độ ẩm của đất trên mốc CAO, thì việc tưới nước sẽ ngay lập tức kết thúc. Về cơ bản, điều này chỉ hoạt động nếu độ ẩm của đất nằm giữa ngưỡng THẤP và CAO.

ĐÁNH GIÁ NHẬT KÝ NƯỚC:

APIS lưu giữ nhật ký của 10 lần tưới nước gần nhất trong bộ nhớ EEPROM, bộ nhớ này người dùng có thể xem lại. Chỉ Ngày / Giờ của lần tưới nước được lưu trữ. Ngưỡng (tại thời điểm đó) và số lần chạy để đạt đến ngưỡng CAO không được lưu trữ (mặc dù chúng có thể ở phiên bản tiếp theo).

Bước 9: RTC: ĐỒNG HỒ THỜI GIAN THỰC

CHẾ ĐỘ BAN ĐÊM

Khi APIS đánh thức tôi vào ban đêm, tôi nảy ra ý tưởng triển khai "chế độ ban đêm".

Chế độ ban đêm là khi không có phép đo nào diễn ra, màn hình tắt và không chạy nước.

Vào một ngày làm việc bình thường, APIS "thức dậy" lúc 7 giờ sáng (có thể định cấu hình) và chuyển sang chế độ ban đêm lúc 10 giờ tối (có thể định cấu hình). Vào cuối tuần, APIS sử dụng cài đặt "điều chỉnh cuối tuần" để trì hoãn việc thức dậy (ví dụ: đến 9 giờ sáng, nếu điều chỉnh cuối tuần là 2 giờ).

RTC BREAKOUT BOARD so với "PHẦN MỀM" RTC:

Tôi đã sử dụng RTC phần cứng (có sẵn tại đây) để theo dõi ngày / giờ và vào / ra chế độ ban đêm.

Nó là tùy chọn để sử dụng, vì các bản phác thảo có thể được biên dịch để sử dụng cái gọi là "phần mềm" RTC (sử dụng chức năng millis () của arduino).

Hạn chế của việc sử dụng phần mềm RTC là bạn phải đặt thời gian mỗi khi APIS bật nguồn.

Tôi đã sửa đổi thư viện RTC tiêu chuẩn để khớp chính xác với API và cũng để giải quyết vấn đề di chuyển qua mili. (Vui lòng xem bước phác thảo để tải xuống).

Bước 10: CỐ GẮNG TẤT CẢ CÙNG NHAU

Toàn bộ hệ thống (ngoại trừ đầu dò) bao gồm cả máy bơm nằm gọn trong một hộp nhỏ cho Arduino Uno.

1. Màn hình TM1650 sử dụng giao diện TWI, vì vậy các dây SDA và SDC đi đến các chân Arduino tương ứng là A4 và A5. Hai dây còn lại là + 5v và GND.
2. Bảng RTC sử dụng giao diện TWI, tương tự như trên. (TM1650 và RTC sử dụng các cổng khác nhau nên chúng cùng tồn tại hòa bình). Chân RTC + 5v được kết nối với chân 12 của arduino (cấp nguồn qua chân kỹ thuật số thay vì + 5v). Đừng nhớ tại sao tôi đã làm điều đó, bạn không cần phải làm thế.
3. Các chân L293D được kết nối như sau: kích hoạt (chân 1) đến D5, và các chân điều khiển hướng 2 và 7 tương ứng với các chân D6 và D7 của arduino.
4. NÚT được kết nối với các chân D2, D8 và D9 cho lần lượt là CHỌN, CỘNG và TRỪ. (Các nút được thực hiện với điện trở 10K kéo xuống - trong cấu hình "hoạt động cao").
5. Nguồn + 5v của mô-đun PROBE được kết nối với chân arduino 10 (để cho phép đo định kỳ) và đầu dò được kết nối với chân tương tự A1.

LƯU Ý: Tệp sơ đồ Fritzing đã được thêm vào kho lưu trữ github.

Bước 11: SKETCHES và hơn thế nữa

Cập nhật tháng 3 năm 2015:

1. Đã thêm chức năng thoát nước ống sau khi tưới nước để ngăn nấm mốc hình thành (Bạn trai! Tôi rất vui vì tôi đã không có dây cứng hướng xoay máy bơm trên L293D!)
2. Ghi nhật ký rộng rãi hơn bao gồm ngày / giờ bắt đầu và kết thúc quá trình tưới nước, độ ẩm bắt đầu và kết thúc và số lần máy bơm hoạt động trong quá trình tưới nước
3. Đã cập nhật quy trình lỗi: thiết bị sẽ khôi phục cài đặt gốc sau 24 giờ kể từ khi gặp lỗi
4. Biên dịch lại với TaskScheduler 2.1.0
5. Nhiều bản sửa lỗi khác

Kể từ ngày 18 tháng 11 năm 2015, APIS đã được nâng cấp với các tính năng bổ sung sau:

1. Sử dụng thư viện DirectIO để thay đổi mã pin nhanh hơn và dễ dàng hơn
2. Sử dụng thư viện Múi giờ để chuyển đổi chính xác giữa EST và EDT
3. Đã thêm logic khử nảy nút chỉ bằng TaskScheduler
4. Đã thêm chức năng lặp lại nút (chu kỳ giá trị nếu nút được nhấn và giữ, với tốc độ chu kỳ tăng sau 5 chu kỳ)
5. Được biên dịch lại với IDE 1.6.6 AVR 1.6.9 chống lại TaskScheduler 1.8.4
6. Đã chuyển sang Github

THƯ VIỆN:

APIS dựa trên các thư viện sau:

• EEPROM - một phần của Arduino IDE
• Dây - một phần của Arduino IDE
• EnableInterrupt - có sẵn trên Github
• Múi giờ - có trên Github
• DirectIO - có trên Github

Đã được sửa đổi (phân nhánh) bởi tôi:

• Thời gian - có trên Github
• RTClib - có trên Github

Do tôi phát triển:

• TM1650 - có trên Github
• TaskScheduler - có sẵn trên Github
• AvgFilter - có trên Github

BỎ QUA:

Phiên bản mới nhất của bản phác thảo APIS, bao gồm tệp sơ đồ tổng hợp, có sẵn trên Github

BẢNG DỮ LIỆU:

• L293D: tại đây
• Bảng đột phá RTC: tại đây

Bước 12: *** CHÚNG TÔI WON !!! ***

Dự án này đã đạt giải Nhì trong cuộc thi Tự động hóa gia đình do Dexter Industries tài trợ.

Kiểm tra nó ra! RỒI RỒI !!!

Giải nhì về Tự động hóa gia đình