IoT APIS V2 - نظام ري نباتات آلي مستقل يدعم إنترنت الأشياء: 17 خطوة (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

هذا المشروع هو تطور لتعليماتي السابقة: APIS - نظام ري النبات الآلي

لقد كنت أستخدم APIS منذ ما يقرب من عام الآن ، وأردت تحسين التصميم السابق:

1. القدرة على مراقبة المصنع عن بعد. هكذا أصبح هذا المشروع ممكّنًا لإنترنت الأشياء.
2. من السهل استبدال مسبار رطوبة التربة. لقد مررت بثلاثة تصميمات مختلفة لمسبار الرطوبة ، وبغض النظر عن المادة التي استخدمتها ، فقد تآكلت عاجلاً أم آجلاً. لذلك كان من المفترض أن يستمر التصميم الجديد لأطول فترة ممكنة وأن يتم استبداله بسرعة وسهولة.
3. مستوى الماء في الدلو. أردت أن أكون قادرًا على معرفة كمية المياه التي لا تزال متوفرة في الدلو والتوقف عن الري عندما يكون الدلو فارغًا.
4. تبدو أفضل. كان صندوق المشروع الرمادي بداية جيدة ، لكنني أردت إنشاء شيء يبدو أفضل قليلاً. ستكون أنت الحكم إذا تمكنت من تحقيق هذا الهدف …
5. الحكم الذاتي. أردت أن يكون النظام الجديد مستقلاً من حيث القوة و / أو توفر الإنترنت.

المشروع الناتج ليس أقل قابلية للتكوين من سابقه ، وله ميزات إضافية مفيدة.

أردت أيضًا استخدام الطابعة ثلاثية الأبعاد التي حصلت عليها حديثًا ، لذلك سيتعين طباعة بعض الأجزاء.

الخطوة 1: الأجهزة

ستحتاج إلى المكونات التالية لإنشاء IoT APIS v2:

1. NodeMcu Lua ESP8266 ESP-12E WIFI Development Board - على banggood.com
2. SODIAL (R) 3-Pin Ultrasonic Sensor Distance Measuring Module ، Dual Transducer ، Three-pin on Board - on amazon.com
3. DC 3V-6V 5V صغيرة غاطسة مضخة مياه حوض للأسماك مضخة - على موقع ebay.com
4. ثلاثة ألوان LED - على amazon.com
5. لوحة Vero - على amazon.com
6. الترانزستور PN2222 - على amazon.com
7. براغي ومسامير وصواميل بلاستيكية
8. معدات ولوازم اللحام
9. الأسلاك والمقاومات والموصلات والمكونات الإلكترونية المتنوعة الأخرى
10. علبة تروبيكانا OJ 2.78 QT فارغة
11. عدد 2 مسامير مجلفنة

الخطوة الثانية: التصميم العام

يتكون التصميم العام من المكونات التالية: 1. مسبار رطوبة التربة وعلبة سقي النبات (مجمعة - مطبوعة ثلاثية الأبعاد) 2. الأنابيب والأسلاك 3. مستشعر تسرب المياه بالدرج (طباعة ثلاثية الأبعاد) 4. وحدة تحكم مُثبتة أعلى برطمان OJ (موضوعة ومرفقة بعلبة مطبوعة ثلاثية الأبعاد) 5. مضخة مياه مغمورة 6. NodeMCU رسم 7. تكوين إنترنت الأشياء 8. مزود الطاقة: USB عبر منفذ الطاقة -أو- لوحة شمسية (الوضع المستقل) دعونا نناقش كل مكون على حدة

الخطوة الثالثة: مضخة مياه مغمورة

توجد مضخة المياه المغمورة أسفل مقبض جرة OJ (لتجنب التداخل مع قياس مستوى الماء). يتم وضع المضخة بطريقة "تحوم" بحوالي 2-3 مم فوق قاع البرطمان للسماح بتدفق الماء الحر إلى المدخول.

نظرًا لأنه يجب غمر المضخة بالكامل للتشغيل العادي ، يجب أن يكون الحد الأدنى لمستوى الماء في الجرة حوالي 3 سم (حوالي 1 بوصة).

الخطوة 4: تثبيت وحدة التحكم أعلى وعاء OJ

لقد اخترت جرة Tropicana OJ كبيرة قياسية لتكون حاوية مياه. تلك متوفرة على نطاق واسع ومعيار.

يتم وضع وحدة التحكم أعلى الجرة بعد إزالة الصنبور الأصلي.

المنصة التي توجد عليها وحدة التحكم مطبوعة ثلاثية الأبعاد. يتم توفير ملف STL في أقسام الملفات والرسومات في هذا الدليل.

يتم توجيه المضخة والأنابيب والأسلاك عبر مقبض برطمان Tropicana لإفساح المجال لقياس مستوى المياه.

يتم قياس مستوى الماء بواسطة مستشعر المسافة بالموجات فوق الصوتية المدمج مع منصة وحدة التحكم. يتم تحديد مستوى الماء على أنه الفرق هو قياس مسافة جرة فارغة وجرة مملوءة بالماء إلى مستوى معين.

وحدة التحكم وجهاز الاستشعار الأمريكي مغطاة بـ "قبة" مطبوعة ثلاثية الأبعاد. يتم توفير ملف STL الخاص بالقبة في قسم الملفات والرسومات في هذا الدليل.

الخطوة 5: وحدة التحكم - المخططات

يتم توفير مخططات لوحدة التحكم (بما في ذلك قائمة المكونات) ، وملفات تصميم لوحة الخبز في قسم الملفات والرسومات في هذا الدليل.

ملاحظة: أثبت العمل مع NodeMCU أنه مهمة صعبة من حيث دبابيس GPIO المتاحة. تخدم جميع GPIOs تقريبًا عددًا من الوظائف ، مما يجعلها إما غير متاحة للاستخدام ، أو من المستحيل استخدامها في وضع السكون العميق (بسبب الوظائف الخاصة التي تلعبها أثناء عملية التمهيد). في النهاية تمكنت من إيجاد توازن بين استخدام GPIOs ومتطلباتي ، لكن الأمر استغرق بعض التكرارات المحبطة.

على سبيل المثال ، يظل عدد من GPIOs "ساخنًا" أثناء النوم العميق. توصيل LED لمن هزموا الغرض من تقليل استهلاك الطاقة أثناء النوم العميق.

الخطوة السادسة: مستشعر تسرب المياه بالدرج

إذا كان وعاءك يحتوي على فتحة فيضان في القاع ، فهناك خطر أن يفيض الماء في الصينية السفلية وانسكابها على الأرض (الرف أو أيًا كان مكان النبات الخاص بك عليه).

لقد لاحظت أن قياس رطوبة التربة يتأثر بشكل كبير بموضع المجس ، وكثافة التربة ، والمسافة من منفذ الري ، وما إلى ذلك. بمعنى آخر ، يمكن أن يؤدي استخدام رطوبة التربة فقط إلى الإضرار بمنزلك إذا فاضت المياه في الدرج السفلي وانسكبت عليها.

مستشعر الفائض هو فاصل بين القدر والصينية السفلية ، مع سلكين ملفوفين حول القضبان. عندما يملأ الماء الدرج ، يصبح السلكان متصلين ، مما يشير إلى المتحكم الدقيق أن الماء موجود في الدرج السفلي.

في النهاية ، يتبخر الماء وتنقطع الأسلاك.

الدرج السفلي مطبوع ثلاثي الأبعاد. يتوفر ملف STL من قسم الملفات والرسومات في هذا الدليل.

الخطوة 7: مسبار رطوبة التربة وعلبة الري

لقد صممت حاوية مطبوعة ثلاثية الأبعاد سداسية الشكل لتكون مسبارًا مدمجًا لرطوبة التربة وعلبة سقي.

يتوفر ملف الطباعة ثلاثية الأبعاد (STL) في قسم الملفات والرسومات في هذا الدليل.

يتكون الهيكل من جزأين يجب لصقهما معًا. يتم لصق أحد التركيبات الشائكة المعدلة في جانب العلبة لربط الأنبوب.

يتم توفير فتحتين 4.5 مم لوضع المسامير المجلفنة ، لتكون بمثابة مجسات رطوبة التربة. يتم تحقيق التوصيل بالمتحكم الدقيق من خلال فواصل معدنية مختارة خصيصًا لتناسب الأظافر.

يتم تنفيذ التصميم ثلاثي الأبعاد باستخدام www.tinkercad.com وهو أداة تصميم ثلاثية الأبعاد رائعة وسهلة الاستخدام لكنها قوية.

ملاحظة: قد ترغب في أن تسأل لماذا لم أستخدم ببساطة أحد مجسات التربة المصنعة مسبقًا؟ الجواب: ورق القصدير الذي يذوب في غضون أسابيع. في الواقع ، حتى مع وجود وقت محدود تكون فيه المسامير تحت الجهد ، فإنها لا تزال تتآكل وتحتاج إلى استبدالها مرة واحدة على الأقل في السنة. يسمح التصميم أعلاه باستبدال المسامير في غضون ثوان.

الخطوة 8: الأنابيب والأسلاك

يتم تسليم المياه للخطة عبر أنابيب شبه شفافة من المطاط اللاتكس فائق النعومة (بقطر داخلي 1/4 بوصة وقطر خارجي 5/16 بوصة).

يتطلب مخرج المضخة أنبوبًا أكبر ومهايئًا: تركيبات شائكة مقاومة للمواد الكيميائية من مادة البولي بروبيلين ، وتقليل مستقيم لمعرف الأنبوب 1/4 بوصة × 1/8 بوصة.

أخيرًا ، يعمل تركيبات شائكة من مادة البولي بروبيلين المقاومة للمواد الكيميائية ، مستقيم لمعرف الأنبوب 1/8 بوصة كموصل لحاوية الري.

الخطوة 9: رسم NodeMCU

ينفذ رسم NodeMCU العديد من ميزات IoT APIS v2:

1. يتصل بشبكة WiFi الحالية -أو- يعمل كنقطة وصول WiFi (حسب التكوين)
2. الاستعلام عن خوادم NTP للحصول على التوقيت المحلي
3. ينفذ خادم الويب لمراقبة المصنع ، وتعديل معلمات الري والشبكات
4. يقيس رطوبة التربة ، تسربات المياه في الدرج السفلي ، مستوى الماء في الجرة ، ويوفر إشارة مرئية عبر 3 ألوان LED
5. تنفذ أساليب التشغيل على الإنترنت وحفظ الطاقة
6. يحفظ المعلومات حول كل عملية سقي تعمل محليًا في ذاكرة الفلاش الداخلية

الخطوة 10: NodeMCU Sketch - WiFi

بشكل افتراضي ، سيقوم IoT APIS v2 بإنشاء نقطة وصول WiFi محلية تسمى "Plant_XXXXXX" ، حيث يكون XXXXXX هو الرقم التسلسلي لشريحة ESP8266 على لوحة NodeMCU.

يمكنك الوصول إلى خادم الويب المدمج عبر URL: https://plant.io سيربط خادم DNS الداخلي جهازك بصفحة حالة APIS.

من صفحة الحالة ، يمكنك الانتقال إلى صفحة معلمات الري وصفحة معلمات الشبكة ، حيث يمكنك جعل IoT APIS v2 متصلاً بشبكة WiFi وبدء الإبلاغ عن الحالة إلى السحابة.

يدعم IoT APIS أوضاع العمليات عبر الإنترنت وتوفير الطاقة:

1. في وضع الاتصال بالإنترنت ، يحافظ IoT APIS على اتصال WiFi طوال الوقت ، حتى تتمكن من التحقق من حالة مصنعك في أي وقت
2. في وضع توفير الطاقة ، يتحقق IoT APIS من رطوبة التربة ومستوى المياه بشكل دوري ، مما يضع الجهاز في وضع "النوم العميق" بينهما ، وبالتالي يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة. ومع ذلك ، لا يتوفر الجهاز عبر الإنترنت طوال الوقت ، ولا يمكن تغيير المعلمات إلا أثناء وقت تشغيل الجهاز (حاليًا كل 30 دقيقة ، بالتوافق مع ساعة / نصف ساعة في الوقت الحقيقي). سيبقى الجهاز متصلاً بالإنترنت لمدة دقيقة واحدة كل 30 دقيقة للسماح بتغييرات التكوين ، وبعد ذلك سيدخل في وضع السكون العميق. إذا اتصل المستخدم بالجهاز ، فسيتم تمديد وقت "up" إلى 3 دقائق لكل اتصال.

عندما يكون الجهاز متصلاً بشبكة WiFi محلية ، يتم الإبلاغ عن عنوان IP الخاص به إلى خادم إنترنت الأشياء السحابي ، ويكون مرئيًا على جهاز المراقبة المحمول.

الخطوة 11: NodeMCU Sketch - NTP

يستخدم IoT APIS v2 بروتوكول NTP للحصول على التوقيت المحلي من خوادم الوقت NIST. يتم استخدام الوقت الصحيح لتحديد ما إذا كان يجب أن يدخل الجهاز في الوضع "الليلي" ، أي تجنب تشغيل المضخة أو وميض مؤشر LED.

الوقت الليلي قابل للتهيئة لأيام العمل وصباح عطلة نهاية الأسبوع بشكل منفصل.

الخطوة 12: NodeMCU Sketch - خادم الويب المحلي

يقوم IoT APIS v2 بتنفيذ خادم ويب محلي للإبلاغ عن الحالة وتغييرات التكوين. توفر الصفحة الرئيسية معلومات حول الرطوبة الحالية ومستوى المياه ، ووجود المياه الفائضة في الدرج السفلي ، وإحصائيات عن أحدث عملية ري. صفحة تكوين الشبكة (يمكن الوصول إليها) عبر زر تكوين الشبكة) يوفر القدرة على الاتصال بشبكة WiFi المحلية ، والتغيير بين وضعي الإنترنت وتوفير الطاقة. (التغييرات على تكوين الشبكة ستؤدي إلى إعادة ضبط الجهاز) توفر صفحة تكوين الري (يمكن الوصول إليها عبر زر تكوين المياه) إمكانية تغيير معلمات الري (رطوبة التربة لبدء / إيقاف الري ، ومدة تشغيل الري وإيقاف التشبع مؤقتًا بين الدورات ، وعدد مرات التشغيل ، وما إلى ذلك) توجد ملفات HTML لخادم الويب في مجلد البيانات الخاص برسم IoT APIS Arduino IDE. يجب تحميلها على ذاكرة فلاش NodeMCU كنظام ملفات SPIFF باستخدام أداة "ESP8266 Sketch Data Upload" الموجودة هنا.

الخطوة 13: NodeMCU Sketch - سجل الري المحلي والوصول إلى نظام الملفات الداخلي

في حالة عدم توفر اتصال الشبكة ، يقوم نظام IoT APIS v2 بتسجيل جميع أنشطة الري محليًا.

للوصول إلى السجل ، اتصل بالجهاز وانتقل إلى صفحة "/ تحرير" ، ثم قم بتنزيل ملف watering.log. يحتوي هذا الملف على محفوظات جميع عمليات الري منذ بدء التسجيل.

تم إرفاق مثال لملف السجل هذا (بتنسيق مفصول بعلامات جدولة) بهذه الخطوة.

ملاحظة: لا تتوفر صفحة التنزيل عند تشغيل IoT APIS v2 في وضع Access Point (بسبب الاعتماد على مكتبة Java Script عبر الإنترنت).

الخطوة 14: NodeMCU Sketch - رطوبة التربة ، تسرب المياه من أسفل الدرج ، مستوى الماء ، 3 ألوان LED

يعتمد قياس رطوبة التربة على نفس مبدأ APIS الأصلي. يرجى الرجوع إلى هذا الدليل للحصول على التفاصيل.

يتم الكشف عن التسريبات في علبة الماء عن طريق تطبيق الجهد لحظياً على الأسلاك الموجودة أسفل الإناء باستخدام مقاومات PULLUP الداخلية. إذا كانت حالة PIN الناتجة منخفضة ، فهناك ماء في الدرج. تشير حالة PIN من HIGH إلى أن الدائرة "معطلة" ، وبالتالي لا يوجد ماء في الدرج السفلي.

يتم تحديد مستوى الماء عن طريق قياس المسافة من أعلى الجرة إلى سطح الماء ومقارنتها بالمسافة إلى قاع الجرة الفارغة. يرجى ملاحظة استخدام مستشعر 3 دبابيس! تلك هي أغلى من أجهزة الاستشعار HC-SR04 ذات الأربعة أسنان. لسوء الحظ ، نفدت GPIOs على NodeMCU واضطررت إلى قطع كل سلك يمكنني جعل التصميم يعمل على NodeMCU واحد فقط بدون دوائر إضافية.

3 ألوان LED تستخدم للإشارة بصريًا إلى حالة APIS:

1. وميض أخضر معتدل - الاتصال بشبكة WiFi
2. يومض الأخضر بسرعة - الاستعلام عن خادم NTP
3. أخضر قصير موجز - متصل بشبكة WiFi وحصل على الوقت الحالي من NTP بنجاح
4. موجز أبيض صلب - تم الانتهاء من تهيئة الشبكة
5. يومض الأبيض بسرعة - بدء وضع نقطة الوصول
6. وامض بسرعة الأزرق - سقي
7. وميض أزرق معتدل - مشبع
8. العنبر الصلب لفترة وجيزة متبوعًا باللون الأحمر الصلب لفترة وجيزة - غير قادر على الحصول على وقت من NTP
9. بيضاء صلبة لفترة وجيزة أثناء الوصول إلى خادم الويب الداخلي

LED لا يعمل في الوضع "الليلي". لا يمكن تحديد الوضع NIght بشكل موثوق إلا إذا كان الجهاز قادرًا على الحصول على التوقيت المحلي من خوادم NTP مرة واحدة على الأقل (سيتم استخدام Real Time Clock المحلي حتى يتم إنشاء الاتصال التالي بـ NTP)

يتوفر مثال لوظيفة LED على موقع YouTube هنا.

الخطوة 15: الطاقة الشمسية وبنك الطاقة والتشغيل المستقل

كانت إحدى الأفكار وراء IoT APIS v2 هي القدرة على العمل بشكل مستقل.

يستخدم التصميم الحالي لوحة طاقة شمسية وبنك طاقة مؤقت 3600 مللي أمبير في الساعة لتحقيق ذلك.

1. الألواح الشمسية متاحة على amazon.com
2. بنك الطاقة متاح أيضًا على amazon.com

بنيت اللوحة الشمسية في بطارية 2600 مللي أمبير أيضًا ، لكنها لم تكن قادرة على الحفاظ على تشغيل 24 ساعة APIS حتى في وضع توفير الطاقة (أظن أن البطارية لا تتعامل بشكل جيد مع الشحن والتفريغ المتزامن). يبدو أن مجموعة من بطاريتين توفر طاقة كافية وتسمح بإعادة شحن كلتا البطاريتين خلال النهار. تقوم اللوحة الشمسية بشحن بنك الطاقة ، بينما يقوم بنك الطاقة بتشغيل جهاز APIS.

يرجى الملاحظة:

هذه المكونات اختيارية. يمكنك فقط تشغيل الجهاز بأي محول USB يوفر تيار 1A.

الخطوة 16: تكامل إنترنت الأشياء - Blynk

كان أحد أهداف التصميم الجديد هو القدرة على مراقبة رطوبة التربة ومستوى المياه والمعايير الأخرى عن بُعد.

اخترت Blynk (www.blynk.io) كمنصة إنترنت الأشياء نظرًا لسهولة استخدامها وتصميمها المرئي الجذاب.

نظرًا لأن الرسم الخاص بي يعتمد على مكتبة TaskScheduler التعاونية متعددة المهام ، لم أرغب في استخدام مكتبات أجهزة Blynk (لم يتم تمكينها لـ TaskScheduler). بدلاً من ذلك ، استخدمت واجهة برمجة تطبيقات Blynk HTTP RESTful (متوفرة هنا).

يعد تكوين التطبيق أمرًا بديهيًا قدر الإمكان. يرجى اتباع الصور المرفقة.

الخطوة 17: اسكتشات وملفات

يوجد رسم تخطيطي لـ IoT APIS v2 على جيثب هنا: Sketch

توجد بعض المكتبات التي يستخدمها الرسم هنا:

1. TaskScheduler - مكتبة تعاونية متعددة المهام لـ Arduino و esp8266
2. AvgFilter - تنفيذ عدد صحيح لمرشح المتوسط لتنعيم بيانات المستشعر
3. RTCLib - تنفيذ الأجهزة والبرامج Real Time Clock (تم تعديله بواسطتي)
4. الوقت - تعديلات لمكتبة الوقت
5. المنطقة الزمنية - مكتبة تدعم حسابات المنطقة الزمنية

ملاحظة:

توجد أوراق البيانات ووثائق الدبوس والملفات ثلاثية الأبعاد في المجلد الفرعي "الملفات" للرسم الرئيسي.

يجب تحميل ملفات HTML لخادم الويب المدمج على ذاكرة فلاش NODE MCU باستخدام arduino-esp8266fs-plugin (الذي يقوم بإنشاء ملف نظام ملفات من المجلد الفرعي "data" لمجلد الرسم الرئيسي وتحميله في ذاكرة فلاش)

الوصيف في مسابقة البستنة الداخلية 2016