نظام مراقبة الحيوانات الأليفة بالطاقة من Arduino و Raspberry Pi: 19 خطوة (بالصور)

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

في الآونة الأخيرة أثناء إجازتنا ، أدركنا عدم وجود اتصال مع حيواننا الأليف بيجل. بعد إجراء بعض الأبحاث ، وجدنا منتجات تحتوي على كاميرا ثابتة تسمح للمرء بمراقبة حيوانه الأليف والتواصل معه. كان لهذه الأنظمة فوائد معينة ولكنها تفتقر إلى التنوع. على سبيل المثال ، تتطلب كل غرفة وحدة لتتبع حيوانك الأليف عبر المنزل.

لذلك قمنا بتطوير روبوت قوي يمكنه المناورة حول المنزل ويمكنه مراقبة حيوانك الأليف باستخدام قوة إنترنت الأشياء. تم تصميم تطبيق هاتف ذكي للتفاعل مع حيوانك الأليف عبر بث فيديو مباشر. يتم تصنيع هيكل الروبوت رقميًا حيث تم إنشاء العديد من الأجزاء باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد والقطع بالليزر. أخيرًا ، قررنا إضافة ميزة المكافأة التي تم الاستغناء عنها لمكافأة حيوانك الأليف.

تابع ذلك لإنشاء نظام مراقبة الحيوانات الأليفة الخاص بك وربما حتى تخصيصه وفقًا لمتطلباتك. تحقق من الفيديو المرتبط أعلاه لترى كيف كان رد فعل حيواننا الأليف وللتعرف على الروبوت بشكل أفضل. لا تسقط تصويتًا في "مسابقة الروبوتات" إذا أعجبك المشروع.

الخطوة 1: نظرة عامة على التصميم

لوضع تصور لروبوت مراقبة الحيوانات الأليفة ، قمنا بتصميمه أولاً على نظام Fusion 360. وإليك بعض ميزاته:

يمكن التحكم في الروبوت عبر تطبيق عبر الإنترنت. هذا يسمح للمستخدم بالاتصال بالروبوت من أي مكان

يمكن أن تساعد الكاميرا المدمجة التي تبث بثًا مباشرًا لتغذية الفيديو إلى الهاتف الذكي المستخدم على المناورة في المنزل والتفاعل مع الحيوان الأليف

وعاء علاجي إضافي يمكنه مكافأة حيوانك الأليف عن بُعد

الأجزاء المُصنّعة رقميًا التي تسمح للشخص بتخصيص الروبوت الخاص به

تم استخدام Raspberry Pi للاتصال بالإنترنت لأنه يتميز بوضع wifi على اللوحة

تم استخدام Arduino جنبًا إلى جنب مع درع CNC لإعطاء أوامر لمحركات السائر

الخطوة الثانية: المواد المطلوبة

فيما يلي قائمة بجميع المكونات اللازمة لصنع روبوت مراقبة الحيوانات الأليفة الذي يعمل بنظام Arduino و Raspberry Pi. يجب أن تكون جميع الأجزاء متاحة بشكل عام ويسهل العثور عليها.

الكترونيات:

• اردوينو أونو x 1
• Raspberry Pi (تومض بأحدث نباتات الراسبان) × 1
• درع CNC × 1
• A4988 محرك متدرج × 2
• بيكاميرا × 1
• مستشعر المسافة بالموجات فوق الصوتية × 1
• بطارية ليبو 11.1 فولت × 1
• محرك متدرج نيما 17 × 2
• 5 فولت UBEC × 1

المعدات:

• عجلات × 2 (قطر العجلات التي استخدمناها 7 سم)
• عجلات الخروع × 2
• صواميل ومسامير M4 و M3

تبلغ التكلفة الإجمالية لهذا المشروع باستثناء Arduino و Raspberry Pi حوالي 50 دولارًا.

الخطوة الثالثة: الأجزاء المصنعة رقمياً

يجب أن تكون بعض الأجزاء التي استخدمناها في هذا المشروع مصنوعة خصيصًا. تم تصميمها لأول مرة في Fusion 360 ثم تم تصنيعها باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد وقاطع ليزر. لا تتحمل الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد الكثير من الأحمال ، لذا فإن PLA القياسي مع حشو بنسبة 20٪ يعمل بشكل رائع. فيما يلي قائمة بجميع الأجزاء المطبوعة والمقطوعة بالليزر ثلاثية الأبعاد:

أجزاء مطبوعة ثلاثية الأبعاد:

• حامل السائر × 2
• نظام الرؤية جبل x 1
• المواجهة الإلكترونية × 4
• فاصل رأسي × 4
• تقوية الهيكل × 2
• علاج غطاء الوعاء × 1
• علاج الوعاء × 1
• حامل السائر الخلفي × 1
• قرص متعرج × 1

أجزاء Lasercut:

• اللوحة السفلية × 1
• اللوحة العلوية × 1

يمكن العثور على مجلد مضغوط يحتوي على جميع ملفات STL وملفات القطع بالليزر مرفقًا أدناه.

الخطوة 4: توصيل محرك متدرج

بمجرد طباعة جميع الأجزاء ثلاثية الأبعاد ، ابدأ التجميع عن طريق تركيب محرك السائر في حامل السائر. إن حامل المحرك المتدرج الذي صممناه مخصص لطراز NEMA 17 (إذا كان المرء يستخدم متدرجًا مختلفًا ، فسوف يتطلب تثبيتًا مختلفًا). قم بتمرير عمود المحرك من خلال الفتحة وقم بتثبيت المحرك في مكانه باستخدام براغي التثبيت. بمجرد الانتهاء من ذلك ، يجب تثبيت كلا المحركين بشكل آمن على الحامل.

الخطوة 5: تركيب السائر على اللوحة السفلية

لتركيب الحوامل على اللوحة السفلية المقطوعة بالليزر ، استخدمنا مسامير M4. قبل تثبيتها بالصواميل ، أضف شرائط تقوية الهيكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد ثم اربط الصواميل. تُستخدم الشرائط لتوزيع الحمل بالتساوي على لوح الأكريليك.

أخيرًا ، قم بتمرير الأسلاك من خلال الفتحات الخاصة بها المتوفرة على اللوحة. تأكد من شدها بالكامل لتجنب تشابكها في العجلات.

الخطوة السادسة: تركيب العجلات

تحتوي اللوحة الأكريليكية على قسمين مقطوعين لتناسب العجلات. كان قطر العجلات التي استخدمناها 7 سم ومزودة بمسامير مثبتة مثبتة على أعمدة السائر 5 مم. تأكد من أن العجلة مؤمنة بشكل صحيح ولا تنزلق على العمود.

الخطوة 7: عجلات العجلات الأمامية والخلفية

للسماح للهيكل بالتحرك بسلاسة ، قررنا وضع عجلات العجلات في مقدمة وخلف الروبوت. لا يمنع هذا الروبوت من الانقلاب فحسب ، بل يتيح أيضًا للهيكل إمكانية الدوران بحرية في أي اتجاه. تأتي عجلات العجلات بجميع الأحجام ، وتأتي عجلاتنا على وجه الخصوص مع برغي محوري واحد قمنا بتثبيته على القاعدة واستخدمنا فواصل مطبوعة ثلاثية الأبعاد لضبط الارتفاع بحيث يكون الروبوت أفقيًا تمامًا. بهذا تكون قاعدة الهيكل كاملة ولها ثبات جيد.

الخطوة الثامنة: الإلكترونيات

بمجرد تجميع قاعدة الهيكل بالكامل ، حان الوقت لتركيب الإلكترونيات على لوحة الأكريليك. لقد صنعنا ثقوبًا في لوحة الأكريليك تتماشى مع فتحات التركيب في Arduino و Raspberry Pi. باستخدام المواجهات المطبوعة ثلاثية الأبعاد ، قمنا برفع الإلكترونيات أعلى قليلاً من الألواح الأكريليكية بحيث يمكن إخفاء جميع الأسلاك الزائدة بدقة تحتها. قم بتركيب Arduino و Raspberry Pi في مواقع التثبيت المقابلة باستخدام صواميل ومسامير M3. بمجرد إصلاح Arduino ، قم بتوصيل درع CNC بـ Arduino وقم بتوصيل أسلاك السائر في التكوين التالي.

• السائر الأيسر إلى منفذ المحور السيني للدرع CNC
• السائر الأيمن إلى منفذ المحور Y المحمي باستخدام الحاسب الآلي

مع توصيل محركات السائر ، قم بتوصيل Arduino بـ Raspberry Pi باستخدام كابل USB الخاص بـ Arduino. في النهاية ، سيتواصل Raspberry Pi و Arduino عبر هذا الكابل.

ملاحظة: الجزء الأمامي من الروبوت هو جانب Raspberry Pi

الخطوة 9: نظام الرؤية

إن المدخلات البيئية الأولية لروبوتنا لمراقبة الحيوانات الأليفة هي الرؤية. قررنا استخدام Picamera المتوافق مع Raspberry Pi لتقديم بث مباشر للمستخدم عبر الإنترنت. استخدمنا أيضًا مستشعر المسافة بالموجات فوق الصوتية لتجنب العوائق عندما يعمل الروبوت بشكل مستقل. يعلق كلا المستشعرين على حامل بمساعدة البراغي.

تدخل Picamera في المنفذ المخصص لها على Raspberry Pi وتوصيل المستشعر بالموجات فوق الصوتية بالطريقة التالية:

• جهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية VCC إلى سكة 5 فولت على درع CNC
• جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية GND إلى سكة GND على درع CNC
• جهاز استشعار الموجات فوق الصوتية TRIG إلى X + نهاية دبوس توقف على درع CNC
• جهاز استشعار الموجات فوق الصوتية صدى إلى Y + نهاية دبوس على درع CNC

الخطوة 10: تجميع اللوحة العلوية

يوجد في الجزء الخلفي من الروبوت نظام فتح الغطاء لوعاء العلاج. قم بتوصيل محرك السائر الصغير بمكون الحامل الخلفي وقم بتركيب كل من نظام الرؤية ونظام اللف بمسامير M3 على اللوحة العلوية. كما ذكرنا ، تأكد من تركيب نظام الرؤية في الأمام ونظام اللف في الخلف مع وجود الفتحتين.

الخطوة 11: تجميع اللوحة العلوية

قمنا بطباعة الفواصل العمودية ثلاثية الأبعاد لدعم اللوحة العلوية بالارتفاع الصحيح. ابدأ بربط الفواصل الأربعة باللوحة السفلية لتشكيل علامة "X". ثم ضع اللوحة العلوية مع وعاء المعالجة مع التأكد من محاذاة ثقوبها ثم قم بتثبيتها في النهاية بالفواصل أيضًا.

الخطوة 12: آلية فتح الغطاء

للتحكم في الغطاء الموجود على وعاء المعالجة ، استخدمنا محركًا متدرجًا أصغر لتصفية خيط نايلون متصل بالغطاء ، وسحبه لفتحه. قبل توصيل الغطاء ، مرر الخيط عبر الفتحة 2 مم على الغطاء وقم بعمل عقدة على الجانب الداخلي. ثم اقطع الطرف الآخر من الخيط وانزلقه خلال الفتحات الموجودة على قرص اللف. ادفع القرص على السائر ثم اسحب الخيط حتى يصبح مشدودًا. بمجرد الانتهاء من ذلك ، قص الزائدة واربط عقدة. أخيرًا ، باستخدام مسمار وصمولة ، اربط الغطاء بالوعاء وتأكد من أنه يدور. الآن بينما يدور السائر ، يجب أن يلتف الخيط على القرص ويجب أن يفتح الغطاء تدريجياً.

الخطوة 13: إعداد قاعدة البيانات السحابية

تتمثل الخطوة الأولى في إنشاء قاعدة بيانات للنظام بحيث يمكنك التواصل مع الروبوت من تطبيق الهاتف المحمول الخاص بك من أي مكان في العالم. انقر فوق الارتباط التالي (Google firebase) ، والذي سيقودك إلى موقع Firebase الإلكتروني (سيتعين عليك تسجيل الدخول باستخدام حساب Google الخاص بك). انقر فوق الزر "البدء" الذي سينقلك إلى وحدة التحكم في Firebase. ثم أنشئ مشروعًا جديدًا بالنقر فوق الزر "إضافة مشروع" ، وقم بملء المتطلبات (الاسم ، التفاصيل ، إلخ) واستكمل بالنقر فوق الزر "إنشاء مشروع".

نحتاج فقط إلى أدوات قاعدة بيانات Firebase ، لذا حدد "قاعدة بيانات" من القائمة الموجودة على الجانب الأيسر. انقر بعد ذلك على زر "إنشاء قاعدة بيانات" وحدد خيار "وضع الاختبار". بعد ذلك ، اضبط قاعدة البيانات على "قاعدة بيانات في الوقت الفعلي" بدلاً من "Cloud firestore" بالنقر على القائمة المنسدلة في الأعلى. حدد علامة التبويب "القواعد" وقم بتغيير الخيارين "خطأ" إلى "صحيح" ، ثم انقر أخيرًا على علامة التبويب "البيانات" وانسخ عنوان URL لقاعدة البيانات ، وسيكون هذا مطلوبًا لاحقًا.

آخر شيء عليك القيام به هو النقر على رمز الترس بجوار نظرة عامة على المشروع ، ثم على "إعدادات المشروع" ، ثم تحديد علامة التبويب "حسابات الخدمة" ، ثم النقر أخيرًا على "أسرار قاعدة البيانات" وتدوين الأمان رمز قاعدة البيانات الخاصة بك. مع اكتمال هذه الخطوة ، تكون قد نجحت في إنشاء قاعدة البيانات السحابية الخاصة بك والتي يمكن الوصول إليها من هاتفك الذكي ومن Raspberry Pi. (استخدم الصور المرفقة أعلاه في حالة وجود أي شك ، أو قم فقط بإسقاط سؤال في قسم التعليقات)

الخطوة 14: إنشاء تطبيق الهاتف المحمول

الجزء التالي من نظام إنترنت الأشياء هو تطبيق الهاتف الذكي. قررنا استخدام MIT App Inventor لإنشاء تطبيقنا المخصص. لاستخدام التطبيق الذي أنشأناه أولاً ، افتح الرابط التالي (MIT App Inventor) ، والذي سيرشدك إلى صفحة الويب الخاصة بهم. انقر بعد ذلك على "إنشاء تطبيقات" أعلى الشاشة ، ثم قم بتسجيل الدخول باستخدام حساب Google الخاص بك.

قم بتنزيل ملف aia المرتبط أدناه. افتح علامة التبويب "المشاريع" وانقر على "استيراد مشروع (.aia) من جهاز الكمبيوتر الخاص بي" ثم حدد الملف الذي قمت بتنزيله للتو وانقر على "موافق". في نافذة المكونات ، قم بالتمرير لأسفل حتى ترى "FirebaseDB1" ، وانقر فوقه وقم بتعديل "FirebaseToken" ، "FirebaseURL" إلى القيم التي احتفظت بها في الخطوة السابقة. بمجرد اكتمال هذه الخطوات ، تكون جاهزًا لتنزيل التطبيق وتثبيته. يمكنك تنزيل التطبيق مباشرة على هاتفك بالنقر فوق علامة التبويب "إنشاء" والنقر على "التطبيق (توفير رمز الاستجابة السريعة لـ.apk)" ثم مسح رمز الاستجابة السريعة ضوئيًا بهاتفك الذكي أو النقر فوق "التطبيق (حفظ.apk على جهاز الكمبيوتر الخاص بي)) "ستقوم بتنزيل ملف apk على جهاز الكمبيوتر الخاص بك والذي يمكن بعد ذلك تحويله إلى هاتفك الذكي.

الخطوة 15: برمجة Raspberry Pi

يستخدم Raspberry Pi لسببين رئيسيين.

1. ينقل دفق فيديو مباشر من الروبوت إلى خادم الويب. يمكن للمستخدم مشاهدة هذا التدفق باستخدام تطبيق الهاتف المحمول.
2. يقرأ الأوامر المحدثة على قاعدة بيانات Firebase ويوجه Arduino لأداء المهام المطلوبة.

لإعداد Raspberry Pi للبث المباشر ، يوجد برنامج تعليمي مفصل بالفعل ويمكن العثور عليه هنا. التعليمات تتلخص في ثلاثة أوامر بسيطة. قم بتشغيل Raspberry Pi وافتح الجهاز وأدخل الأوامر التالية.

• استنساخ بوابة
• القرص المضغوط RPi_Cam_Web_Interface
• ./install.sh

بمجرد اكتمال التثبيت ، أعد تشغيل Pi ويجب أن تكون قادرًا على الوصول إلى الدفق بالبحث في https:// عنوان IP الخاص بـ Pi على أي متصفح ويب.

مع إعداد البث المباشر ، ستحتاج إلى تنزيل وتثبيت مكتبات معينة لتتمكن من استخدام قاعدة البيانات السحابية. افتح Terminal على Pi الخاص بك وأدخل الأوامر التالية:

• طلبات تثبيت sudo pip == 1.1.0
• sudo pip تثبيت python-firebase

أخيرًا ، قم بتنزيل ملف python المرفق أدناه واحفظه على Raspberry Pi الخاص بك. في السطر الرابع من الكود ، قم بتغيير منفذ COM إلى المنفذ الذي يتصل به Arduino. بعد ذلك ، قم بتغيير عنوان URL الموجود في السطر 8 إلى عنوان URL الخاص بـ firebase الذي كنت قد احتفظت به مسبقًا. أخيرًا ، قم بتشغيل البرنامج من خلال المحطة. يقوم هذا البرنامج بجلب الأوامر من قاعدة البيانات السحابية ونقلها إلى Arduino من خلال الاتصال التسلسلي.

الخطوة 16: برمجة Arduino

يتم استخدام Arduino لتفسير الأوامر من Pi وتوجيه المشغلات الموجودة على الروبوت لأداء المهام المطلوبة. قم بتنزيل كود Arduino المرفق أدناه وقم بتحميله على Arduino. بمجرد برمجة Arduino ، قم بتوصيله بأحد منافذ USB باستخدام كابل USB المخصص.

الخطوة 17: تشغيل النظام

سيتم إيقاف تشغيل الروبوت ببطارية ليبو ثلاثية الخلايا. يجب تقسيم أطراف البطارية إلى قسمين ، حيث يذهب أحدهما مباشرة إلى درع CNC لتشغيل المحركات ، بينما يتصل الآخر بـ 5 فولت UBEC ، والذي أنشأ خط طاقة ثابتًا بجهد 5 فولت والذي سيتم استخدامه لتشغيل Raspberry Pi من خلال دبابيس GPIO. يتم توصيل 5 فولت من UBEC بالدبوس 5 فولت الخاص بـ Raspberry Pi ويتم توصيل GND من UBEC بدبوس GND الموجود على Pi.

الخطوة 18: استخدام التطبيق

تسمح واجهة التطبيق للفرد بالتحكم في روبوت المراقبة بالإضافة إلى بث البث المباشر من الكاميرا الموجودة على متن الطائرة. للاتصال بالروبوت الخاص بك ، تأكد من أن لديك اتصال إنترنت مستقر ثم اكتب ببساطة عنوان IP الخاص بـ Raspberry Pi في مربع النص المقدم وانقر فوق زر التحديث. بمجرد الانتهاء من ذلك ، سيظهر البث المباشر على شاشتك ويجب أن تكون قادرًا على التحكم في الوظائف المختلفة للروبوت.

الخطوة 19: جاهز للاختبار

الآن بعد أن تم تجميع روبوت مراقبة الحيوانات الأليفة الخاص بك بالكامل ، يمكن للمرء أن يملأ الوعاء ببعض مكافآت الكلاب. افتح التطبيق ، وقم بتوصيل الكاميرا واستمتع! نحن نلعب حاليًا مع العربة الجوالة وبيجل لدينا والتقطنا لحظات مرحة جدًا.

بمجرد أن تغلب الكلب على الخوف الأولي من هذا الكائن المتحرك ، كان يطارد الروبوت حول المنزل للحصول على المكافآت. توفر الكاميرا الموجودة على متن الطائرة رؤية جيدة بزاوية واسعة للمحيط مما يسهل المناورة إلى حد ما.

هناك مجال للتحسين لجعله يعمل بشكل أفضل في العالم الحقيقي. ومع ذلك ، فقد أنشأنا نظامًا قويًا يمكن للمرء أن يبني عليه ويتوسع فيه. إذا أعجبك هذا المشروع ، فقم بإسقاط تصويت لنا في "مسابقة الروبوتات"

صنع سعيد!

الجائزة الثانية في مسابقة الروبوتات