حديقة إنترنت الأشياء بالطاقة الشمسية Raspberry Pi: 18 خطوة (مع صور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:39

كان أحد الأهداف الأساسية لهذا المشروع هو القدرة على الحفاظ على رفاهية الحديقة باستخدام قوة إنترنت الأشياء (IoT). من خلال تنوع الأدوات والبرامج الحالية ، تم دمج آلة الزراعة الخاصة بنا مع أجهزة استشعار تراقب حالة النباتات في الوقت الفعلي. لقد أنشأنا تطبيقًا للهواتف الذكية يتيح الوصول إلى البيانات واتخاذ الإجراءات اللازمة إذا لزم الأمر.

تصميم الغراس لدينا قابل للتطوير ومنخفض التكلفة وسهل البناء ، مما يجعله الخيار الأمثل لإضافة الخضرة إلى الشرفة أو الفناء الخلفي. أثبتت الحديقة الذكية أنها أكثر كفاءة في استهلاك المياه وتسهل الصيانة والمراقبة.

تابع لمعرفة كيفية إنشاء قاعدة البيانات والتطبيق الخاصين بك ، من خلال إنشاء حديقة يمكن مراقبتها بنقرة زر واحدة!

الخطوة 1: نظرة عامة على نظام IOT

يعمل نظام Iot من خلال العمليات التالية. يستخدم Raspberry Pi لنقل معلومات مفيدة عن الحديقة ، مثل اللمعان والرطوبة ومحتوى الرطوبة في التربة من أجهزة استشعار مختلفة إلى قاعدة بيانات سحابية. بمجرد أن تكون المعلومات في السحابة ، يمكن الوصول إليها من أي مكان باستخدام تطبيق الهاتف الذكي الذي أنشأناه. هذه العملية قابلة للعكس أيضًا ، يمكن للمستخدم إرسال تعليمات ، مثل حالة مضخة المياه ، إلى الحديقة التي ستنفذ الأوامر المطلوبة.

فيما يلي بعض الميزات الرئيسية لحديقتنا:

ردود الفعل في الوقت الحقيقي لأجهزة الاستشعار المختلفة للحديقة

قاعدة بيانات عن الحالة الصحية للحديقة

قدرات الرصد والتشغيل العالمية

نظام الري بالتنقيط

نظام مياه يتم التحكم فيه بواسطة التطبيق

جداول الري التلقائية

قررنا استخدام Firebase من Google كوسيط لنظام IOT الخاص بنا ، لإنشاء قاعدة بيانات سحابية مجانية خاصة بنا. ثم استخدمنا App Inventor من MIT لإنشاء تطبيق هاتف ذكي متوافق مع قاعدة بيانات Firebase و Raspberry Pi. يمكنه أيضًا التواصل مع قاعدة البيانات بمساعدة مكتبة Python المجانية.

الخطوة الثانية: المواد المطلوبة:

يمكن العثور بسهولة على المواد اللازمة لصنع آلة زرع iot في المتاجر المحلية أو عبر الإنترنت. القائمة التالية هي وصف لجميع الأجزاء المطلوبة.

المعدات:

لوح خشب الصنوبر مقاس 1 بوصة - الأبعاد ؛ 300 سم × 10 سم (نظرًا لأن الخشب سيكون في الخارج ، فإننا نوصي بالخشب المعالج)

1/4 "خشب رقائقي - أبعاد ؛ 120 سم في 80 سم

ورقة من القماش المشمع - الأبعاد ؛ 180 سم × 275 سم

الأنابيب البلاستيكية - الأبعاد ؛ الطول 30 سم ، ضياء 2 سم

أنبوب جراحي - أبعاد 250 سم

مفصل الكوع × 2

برغي خشب × 30

الكترونيات:

Rasberry Pi3 موديل ب

Grove Pi + Sensor Shield

12V صمام الملف اللولبي

مستشعر الرطوبة ودرجة الحرارة (dht11)

مستشعر الرطوبة

مستشعر اللمعان

وحدة الترحيل

12 فولت امدادات الطاقة

التكلفة الإجمالية لهذا المشروع حوالي 50 دولارًا أمريكيًا

الخطوة 3: أجزاء مطبوعة ثلاثية الأبعاد

تم تصنيع المكونات المختلفة التي كان يلزم تخصيصها لهذا المشروع بمساعدة الطباعة ثلاثية الأبعاد. تحتوي القائمة التالية على قائمة كاملة بالأجزاء ومواصفات طباعتها. يتم توفير جميع ملفات STL في مجلد مرفق أعلاه ، مما يسمح لأحد بإجراء التعديلات اللازمة إذا لزم الأمر.

وصلة الأنابيب × 1 ، حشو 30٪

محول فوهة × 3 ، حشو 30٪

قابس أنبوب × 3 ، حشو 10٪

خطاف × 2 ، حشو 30٪

حامل المستشعر × 1 ، حشو 20٪

محول الصمام × 1 ، حشو 20٪

غطاء الأسلاك × 1 ، حشو 20٪

استخدمنا Creality Ender 3 لطباعة الأجزاء ، والتي استغرقت حوالي 8 ساعات للأجزاء الـ 12.

الخطوة 4: الخطط

لا يقتصر أحدهما على الأبعاد التي اخترناها لصنع نباتنا ، ولكن المرفقة أعلاه هي جميع التفاصيل المطلوبة لعمل المشروع. في الخطوات التالية يمكن للمرء الرجوع إلى القيام بهذه الصور لقطع الخشب.

الخطوة 5: بناء الجوانب

للاحتفاظ بالنباتات قررنا صنع هيكل نباتي من الخشب. الأبعاد الداخلية لصندوقنا هي 70 سم × 50 سم بارتفاع 10 سم. استخدمنا ألواح خشب الصنوبر لبناء الجوانب.

باستخدام منشار دائري ، قمنا بقص القطع الأربع بالطول (الأبعاد المرفقة أعلاه). لقد حفرنا ثقوبًا تجريبية في النقاط المحددة وقمنا بغلق الفتحات بحيث تكون رؤوس البراغي متدفقة. بمجرد الانتهاء من ذلك ، سافرنا في 8 براغي خشبية مع التأكد من أن الجوانب مربعة والتي تثبت الإطار.

الخطوة 6: تركيب اللوحة السفلية

لصنع اللوحة السفلية ، قمنا بقص قطعة مستطيلة من الخشب الرقائقي بسمك 5 مم ، ثم قمنا بربطها في مكانها بالإطار الجانبي. تأكد من أن الفتحات غاطسة بحيث تكون المسامير ملحقة بالقاعدة. يمكن العثور على الأبعاد المطلوبة مرفقة أعلاه.

الخطوة 7: ثقوب للأنبوب

صُنع الزرع لدينا لاستيعاب ثلاثة صفوف من النباتات. لذلك ، بالنسبة لنظام الري بالتنقيط ، يحتاج أحد الجانبين إلى تثبيت الأنابيب الخاصة بإدخال المياه.

ابدأ بقياس أقطار الموصلات وارسمها على مسافة متساوية على الجانب الأقصر من الإطار. نظرًا لأنه لم يكن لدينا بت فورستنر ، فقد قمنا بحفر حفرة 10 مم ثم قمنا بتوسيعها بمنشار بانوراما. لتنعيم الحواف الخشنة ، يمكن للمرء استخدام Dremel حتى تناسب الموصلات.

الخطوة الثامنة: توصيل أنابيب المياه

لتوصيل الوصلات ، قم ببساطة بقطع قطعتين من الأنابيب البلاستيكية بطول 12 سم. قم بملاءمة الإعداد الجاف للتحقق مما إذا كان كل شيء مناسبًا بشكل مريح.

ثم ادفع المفصل المطبوع ثلاثي الأبعاد في الفتحة المركزية وموصلي الكوع PVC على الأطراف المتقابلة حتى يتدفقوا. قم بتوصيل اللوحة مرة أخرى بالإطار وقم بتغطية الموصلات من الداخل باستخدام محولات الطباعة ثلاثية الأبعاد. جميع الوصلات مناسبة للاحتكاك ويجب أن تكون مانعة لتسرب الماء ، وإذا لم يكن الأمر كذلك ، فيمكن للمرء أن يغلق الوصلات بالغراء الساخن أو شريط التفلون

الخطوة 9: صمام الملف اللولبي

للتحكم في تدفق المياه إلى نظام الري بالتنقيط ، استخدمنا صمام الملف اللولبي. يعمل الصمام كبوابة تفتح عند إرسال إشارة كهربائية مما يجعلها قابلة للتحكم تلقائيًا. لدمجها ، قمنا بتوصيل أحد طرفيه بمصدر المياه والآخر بأنبوب إدخال المياه في الغراس باستخدام محول وسيط. من المهم توصيل الصمام في الاتجاه الصحيح الذي يحمل علامة "IN" لإدخال المياه (صنبور) و "OUT" لإخراج الماء (الغراس).

الخطوة العاشرة: توصيل أسلاك الإلكترونيات

يوجد أدناه جدول يحتوي على وحدات وأجهزة استشعار مختلفة مع منافذ كل منها على درع grovepi +.

• مستشعر درجة الحرارة والرطوبة ==> المنفذ D4
• وحدة الترحيل ==> المنفذ D3
• مستشعر الرطوبة ==> المنفذ A1
• مستشعر الضوء ==> المنفذ A0

استخدم مخطط الأسلاك المرفق أعلاه كمرجع.

الخطوة 11: حجرة الاستشعار

قمنا ببناء صندوق مقصورة يحتوي على جميع الأجهزة الإلكترونية مع بقايا الخشب الرقائقي. نقطع الخشب وفقًا لتصميم الإلكترونيات ولصقنا القطع معًا. بمجرد أن يجف الغراء ، قمنا بتركيب مصدر الطاقة و Raspberry Pi في صندوق المقصورة ، لتغذية أسلاك المستشعرات من خلال فتحة. لتغطية الفتحات ، قمنا بدفع أغطية مطبوعة لسد أي فجوات.

يحتوي المستشعر على فتحات لتوصيل الأوتاد التي يمكنك تركيب المستشعرات عليها. قم بتوصيل مستشعر الإضاءة والرطوبة بالأعلى ومستشعر الرطوبة في الفتحة القابلة للتعديل. لجعل صندوق المقصورة قابلاً للإزالة بسهولة ، قمنا بربط الخطافات المطبوعة ثلاثية الأبعاد وحامل المستشعر الذي سمح للصندوق بالتثبيت على الهيكل الرئيسي. بهذه الطريقة ، يمكن دمج وحدة النظام الإلكتروني ونظام iot بسهولة مع أي آلة زرع.

الخطوة 12: إنشاء قاعدة البيانات

الخطوة الأولى هي إنشاء قاعدة بيانات للنظام. 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 الزر "إنشاء قاعدة بيانات" ، وحدد خيار "وضع الاختبار" وانقر على "تمكين". 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 رمز الأمان من 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 شكوك معينة ، أو قم فقط بإسقاط سؤال أو تعليق في قسم التعليقات)

الخطوة 13: إعداد التطبيق

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 وقم 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 تحتاج إلى نقله إلى هاتفك الذكي لتثبيته بعد ذلك.

الخطوة 14: برمجة Raspberry Pi

يجب وميض Raspberry Pi بأحدث إصدار من Raspbian (Raspbian). في حال كنت تخطط لاستخدام درع GrovePi + كما فعلنا ، فقم بوميض Raspberry Pi بأحدث إصدار من "Raspbian for Robots" بدلاً من ذلك (Raspbian for Robots). بمجرد وميض Raspberry Pi الخاص بك ، ستحتاج إلى تثبيت مكتبة بيثون إضافية. افتح الجهاز والصق الأوامر التالية:

1. طلبات تثبيت sudo pip == 1.1.0
2. sudo pip تثبيت python-firebase

بمجرد الانتهاء من ذلك ، قم بتنزيل الملف المرفق أدناه وحفظه في دليل على Raspberry Pi الخاص بك. افتح الملف وانتقل لأسفل إلى السطر 32. في هذا السطر ، استبدل الجزء الذي يقول "الصق عنوان URL الخاص بك هنا" بعنوان URL الخاص بقاعدة البيانات الذي لاحظته سابقًا ، وتأكد من لصق عنوان URL بين 's. بهذا تكون قد انتهيت من ذلك ، افتح المحطة وقم بتشغيل نص بايثون باستخدام الأمر "python".

الخطوة 15: استخدام التطبيق

واجهة تطبيقنا تشرح نفسها بنفسها تمامًا. تعرض الصناديق الأربعة العلوية قيمًا في الوقت الفعلي لللمعان ودرجة الحرارة والرطوبة ومحتوى رطوبة التربة بالنسب المئوية. يمكن تحديث هذه القيم بالنقر فوق الزر "الحصول على القيم" الذي يوجه Raspberry Pi لتحديث قاعدة البيانات السحابية متبوعًا بزر "التحديث" الذي يقوم بتحديث الشاشة بمجرد تحديث قاعدة البيانات.

الجزء السفلي من الشاشة مخصص لنظام الري بالتنقيط. يقوم زر "التشغيل" بتشغيل مضخة المياه بينما يقوم الزر "إيقاف التشغيل" بإيقاف تشغيلها. يستخدم الزر "تلقائي" قيم المستشعر المختلفة لحساب كمية المياه المطلوبة على أساس يومي وسقي النباتات مرتين يوميًا عند الساعة 8 صباحًا و 4 مساءً.

الخطوة 16: بطانة من القماش المشمع

نظرًا لأن رطوبة التربة قد تتلف الخشب بمرور الوقت ، فإننا نقطع قطعة من القماش المشمع إلى حجمها ونبطنها على السطح الداخلي للزارع. تأكد من سحبها على الجانبين ثم ثبتها أخيرًا في مكانها ببعض الغراء. بمجرد الانتهاء من ذلك ، ملأنا التربة التي حصلنا عليها من مزرعة محلية. انشر التربة بالتساوي حتى القمة ثم قم بتضمين الصفوف الثلاثة لأنابيب الري بالتنقيط.

في الزاوية بالقرب من أنابيب المياه ، ضع الصندوق الإلكتروني وقم بتضمين مستشعر الرطوبة في التربة. هذا يجعل مهمة الأسلاك أسهل حيث أن صمام الملف اللولبي قريب من الإلكترونيات ويمكن توصيله بسهولة.

الخطوة 17: نظام الري بالتنقيط

قم بقطع ثلاث قطع من الأنبوب الجراحي الممتد على طول الزارع (حوالي 70 سم) وهذا سيكون بمثابة خط التنقيط الرئيسي للنباتات. لذلك قم بتخطيط التباعد المطلوب بين النباتات وحفر حفرة 1 مم والفواصل الزمنية. اختبر ما إذا كانت المياه تقطر بسهولة وقم بتوسيع الثقوب إذا لزم الأمر. استخدم المقابس الثلاثة لإغلاق النهايات مع التأكد من تقييد خروج الماء من فتحات التنقيط فقط.

قم بتضمين الأنابيب قليلاً في التربة وستكون جاهزًا لسقي نباتاتك!

الخطوة 18: نتائج الزراعة

الصور أعلاه هي نتائج عمل حديقة iot لمدة شهر. النباتات صحية وتمكنا من زراعة أعشاب مثل النعناع والكزبرة.

من خلال التجربة ، لاحظنا أن الوضع التلقائي يوفر ما يقرب من 12٪ من الماء يوميًا. عندما يتم ري النباتات من خلال الري بالتنقيط ، تنمو جذورها بشكل مستقيم مما يعطي مساحة أكبر لزراعة المزيد من النباتات في الغراس. العيب الوحيد الذي لاحظناه هو أن النباتات الكبيرة تحتاج إلى مزيد من عمق التربة. ومع ذلك ، نظرًا للبناء المعياري ، يمكن للمرء بسهولة إضافة قاعدة أعمق لمتطلباتهم.

في الختام ، لا يجعل هذا النظام حديقتك أكثر كفاءة فحسب ، بل يضمن أيضًا رفاهية نباتاتك حيث توفر ردود الفعل على البيانات في الوقت الفعلي طريقة قوية لإعطاء الكمية المناسبة من الماء وضوء الشمس. نأمل أن تكون التعليمات مفيدة وأن تساعدك على تنمية حديقة iot الخاصة بك.

صنع سعيد!

الجائزة الأولى في تحدي إنترنت الأشياء