APIS - Automatyczny system nawadniania roślin: 12 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

HISTORIA: (kolejna ewolucja tego systemu jest dostępna tutaj)

Na temat podlewania roślin jest sporo instrukcji, więc ledwo wymyśliłem tutaj coś oryginalnego. To, co wyróżnia ten system, to ilość programowania i dostosowań, które zostały w niego wprowadzone, co pozwala na lepszą kontrolę i integrację z codziennym życiem.

Oto film z podlewania: podlewanie

Tak powstał APIS:

Mamy dwie rośliny czerwonej ostrej papryczki chili, które ledwo „przetrwały” kilka naszych wakacji i w tym momencie prawie uważały się za członków rodziny. Przeszły przez ekstremalną suszę i nadmierne podlewanie, ale zawsze jakoś wracały do zdrowia.

Pomysł zbudowania systemu do podlewania roślin opartego na Arduino był prawie pierwszym pomysłem na zastosowanie Arduino jako projektu automatyki domowej. Zbudowano więc prosty system nawadniania roślin.

Jednak wersja 1 nie zawierała żadnych wskazań wilgotności gleby i nie było sposobu, aby stwierdzić, czy ma podlewać rośliny, czy podlewanie ma nastąpić za kilka dni.

Ciekawość, jak wszyscy wiemy, zabiła kota, a wersja 2 została zbudowana z 4-cyfrowym 7-segmentowym modułem, który przez cały czas wyświetla aktualną wilgotność.

To nie wystarczyło. Następne pytanie brzmiało „kiedy ostatni raz podlewał rośliny”? (Ponieważ rzadko byliśmy w domu, aby to zobaczyć). Wersja 3 wykorzystywała moduł 7-segmentowy również do wyświetlania, jak dawno miało miejsce ostatnie nawadnianie (jako ciągły ciąg tekstowy).

Pewnej nocy podlewanie rozpoczęło się o 4 rano, budząc wszystkich. Frustrujące… Ponieważ wyłączanie APIS na noc i włączanie na dzień, aby zapobiec podlewaniu w środku nocy, okazało się, że jest zbyt dużo pracy, aby uśpić urządzenie w nocy, w ramach wersji 4 dodano zegar czasu rzeczywistego, aby uśpić urządzenie w nocy.

Ponieważ zegar czasu rzeczywistego wymaga okresowych regulacji (takich jak na przykład przełącznik czasu letniego), wersja 5 zawiera trzy przyciski umożliwiające ustawienie różnych parametrów nawadniania roślin.

Na tym się nie skończyło. Zauważyłem, że sonda wilgotności ma tendencję do szybkiego erodowania, całkiem możliwe, że była (z założenia) pod stałym napięciem, a zatem pomiędzy sondami występował stały prąd elektryczny (erodująca anoda). Tania sonda glebowa z Chin przetrwała około tygodnia. Nawet ocynkowany gwóźdź został „zjedzony” w ciągu miesiąca. Sonda ze stali nierdzewnej trzymała się lepiej, ale zauważyłem, że nawet to się poddaje. Wersja 6 włącza sondę tylko na 1 minutę co godzinę (i cały czas podczas podlewania), co znacznie zmniejsza erozję (~16 minut dziennie w porównaniu do 24 godzin na dobę).

Pomysł:

Opracuj system nawadniania roślin o następujących możliwościach:

1. Zmierz wilgotność gleby
2. Po osiągnięciu wcześniej zdefiniowanego znaku „niskiej” wilgotności włącz pompę wody i podlewaj rośliny do momentu osiągnięcia znaku „wysokiej” wilgotności
3. Podlewanie powinno odbywać się w kilku cyklach, oddzielonych okresami bezczynności, aby umożliwić nasycenie gleby wodą
4. System powinien dezaktywować się w nocy między godzinami „uśpienia” i „obudzenia”
5. Czas „pobudki” należy dostosować na weekendy do późniejszej wartości
6. System powinien prowadzić dziennik przebiegów pompowania
7. System powinien wyświetlać aktualny odczyt wilgotności gleby
8. System powinien wyświetlać datę/godzinę ostatniego uruchomienia pompy
9. Parametry nawadniania powinny być regulowane bez ponownego programowania
10. Zatrzymaj pompowanie i wskaż stan błędu, jeśli praca pompy nie prowadzi do zmiany wilgotności (brak wody lub problemy z czujnikiem), zapobiegając zalaniu instalacji i wyciekowi wody
11. System powinien włączać/wyłączać sondę wilgotności, aby uniknąć erozji metalu
12. System powinien odprowadzać wodę z rurek, aby zapobiec tworzeniu się w nich pleśni

Następujące parametry powinny być konfigurowalne za pomocą przycisków:

1. Oznaczenie „niskiej” wilgotności, w %, aby rozpocząć pracę pompy (domyślnie = 60%)
2. Znak „wysokiej” wilgotności, w %, do zatrzymania pracy pompy (domyślnie = 65%)
3. Czas trwania pojedynczego nawadniania w sekundach (domyślnie = 60 sekund)
4. Liczba ponownych prób osiągnięcia docelowej wilgotności (domyślnie = 4 przebiegi)
5. Czas wojskowy do wyłączenia na noc, tylko godziny (domyślnie = 22 lub 22)
6. Czas wojskowy do aktywacji rano, tylko godziny (domyślnie = 07 lub 7 rano)
7. Korekta weekendowa dla porannej aktywacji, godziny delta (domyślnie = +2 godziny)
8. Aktualna data i godzina

APIS zapisuje datę/czas 10 ostatnich przebiegów nawadniania do pamięci EEPROM. Dziennik może być wyświetlany, pokazując datę i godzinę przebiegów.

Jedną z wielu rzeczy, których nauczyliśmy się od APIS, jest to, że tak naprawdę nie trzeba codziennie podlewać roślin, co było naszą rutyną, dopóki nie zobaczyliśmy odczytów wilgotności gleby na 7-segmentowym wyświetlaczu…

Krok 1: CZĘŚCI i NARZĘDZIA

Do zbudowania APIS potrzebne będą następujące części:

SKRZYNKA STEROWNICZA I PRZEWODY:

1. Płytka Arduino Uno: na Amazon.com
2. Pompa perystaltyczna do cieczy 12 V z wężykiem silikonowym: na Adafruit.com
3. 4-krotny numeryczny wyświetlacz LED Cyfrowy moduł JY-MCU: na Fasttech.com
4. Zestaw tabliczki zaciskowej DS1307 z zegarem czasu rzeczywistego: na Adafruit.com (opcjonalnie)
5. Przełącznik taktyczny IM206 6x6x6mm Microtivity: na Amazon.com
6. Tablica Vero: na Amazon.com
7. Układ scalony sterownika silnika L293D: na Fasttech.com
8. Rezystory 3 x 10 kOhm
9. Arduino projektuje plastikową obudowę: na Amazon.com
10. Zasilacz 12 V AC/DC z gniazdem zasilania 2,1 mm: na Amazon.com
11. Szaszłyki bambusowe
12. Bieżnik i odrobina kleju do supercementu
13. Super miękka guma lateksowa 1/8" ID, 3/16" OD, 1/32" ścianka, półprzezroczysty bursztyn, 10 ft. Długość: na McMaster.com
14. Trwała nylonowa, szczelna, kolczasta złączka do rur, koszulka do rurki o średnicy wewnętrznej 1/8", biała, opak. po 10 sztuk: na McMaster.com
15. Trwała nylonowa, szczelna, kolczasta złączka rurowa, trójnik do rurki o średnicy wewnętrznej 1/8", biała, opak. po 10 sztuk: na McMaster.com
16. Jak zwykle przewody, lutownice itp.

SONDA WILGOTNOŚCI:

1. Mały kawałek drewna (1/4" x 1/4" x 1")
2. 2 x igły do ekstrakcji trądziku ze stali nierdzewnej: na Amazon.com
3. Moduł czujnika wykrywania wilgotności gleby: na Fasttech.com

Krok 2: SONDA WILGOTNOŚCI GLEBY V1

Wilgotność gleby mierzy się na podstawie rezystancji między dwoma metalowymi sondami wbitymi w ziemię (w odległości około 1 cala). Schematy są przedstawione na rysunku.

Pierwszą sondą, którą wypróbowałem, była ta, którą można kupić od wielu dostawców Internetu (takich jak ta).

Problem z nimi polega na tym, że poziom folii jest stosunkowo cienki i szybko eroduje (kwestia jednego lub dwóch tygodni), więc szybko porzuciłem ten prefabrykowany na rzecz mocniejszego czujnika, opartego na ocynkowanym gwoździu (patrz następny krok).

Krok 3: SONDA WILGOTNOŚCI GLEBY V2

Sonda "nowej generacji" została wykonana w domu z dwóch ocynkowanych gwoździ, drewnianej deski i kilku drutów.

Ponieważ miałem już zużytą wyprodukowaną sondę, ponownie użyłem elementu łączącego i modułu elektronicznego z niego, po prostu wymieniając element gleby.

Ocynkowane paznokcie ku mojemu zdziwieniu również erodowały (choć wolniej niż cienka folia), ale wciąż szybciej niż bym chciała.

Zaprojektowano kolejną sondę, opartą na igłach do usuwania trądziku ze stali nierdzewnej. (patrz następny krok).

Krok 4: SONDA WILGOTNOŚCI GLEBY V3 "Katana"

Sonda ze stali nierdzewnej (przypominająca miecz samurajski, stąd nazwa) jest obecnie używana.

Uważam, że szybką erozję można przypisać temu, że sonda była zawsze pod napięciem elektrycznym (24x7), niezależnie od tego, jak często miał miejsce rzeczywisty pomiar.

Aby to złagodzić, zmieniłem interwały pomiarowe na 1 godzinę (w końcu to NIE jest system czasu rzeczywistego) i podłączyłem sondę do jednego z pinów cyfrowych zamiast stałego 5v. Obecnie sonda jest zasilana tylko przez ~16 minut dziennie zamiast 24 godzin, co powinno radykalnie wydłużyć jej żywotność.

Krok 5: PODSTAWOWA FUNKCJONALNOŚĆ

APIS oparty jest na płytce Arduino UNO.

APIS mierzy wilgotność gleby raz na godzinę, a jeśli spadnie poniżej określonego progu, włącza pompę na określony czas, określoną liczbę razy oddzielonych interwałami „nasycenia”.

Po osiągnięciu docelowego progu wilgotności, proces wraca do trybu pomiaru raz na godzinę.

Jeśli nie można osiągnąć docelowej wilgotności, ale osiągnięto dolną granicę, to też jest OK (przynajmniej miało miejsce podlewanie). Powodem może być niefortunne umieszczenie sondy, gdzie znajduje się ona zbyt daleko od wilgotnej gleby.

Jeśli jednak nie można osiągnąć nawet dolnego limitu wilgotności, deklarowany jest stan błędu. (Najprawdopodobniej problem z sondą lub zabrakło wody w wiadrze itp.). W przypadku błędu urządzenie będzie spać przez 24 godziny bez robienia czegokolwiek, a następnie spróbuje ponownie.

Krok 6: WYŚWIETLANIE 7 SEGMENTÓW

7-SEGMENTOWY WYŚWIETLACZ OPARTY NA TM1650:

Pierwotnie APIS nie miał możliwości wyświetlania. Bez połączenia przez USB nie można było określić aktualnego poziomu wilgotności gleby.

Aby to naprawić, dodałem do systemu 4-cyfrowy 7-segmentowy wyświetlacz: na Fasttech.com

Nie mogłem nigdzie znaleźć biblioteki do pracy z tym modułem (ani arkusza danych), więc po kilku godzinach sondowania i eksperymentowania portu I²C postanawiam sam napisać bibliotekę sterowników.

Obsługuje wyświetlanie do 16 cyfr (przy czym 4 to wartość domyślna), może wyświetlać podstawowe znaki ASCII (należy pamiętać, że nie wszystkie znaki mogą składać się z 7 segmentów, więc litery takie jak W, M itp. nie są zaimplementowane). Obsługuje dziesiętne wyświetlacz punktowy na module, biegnący ciąg znaków (do wyświetlania więcej niż 4 liter) i obsługuje 16 stopni jasności.

Biblioteka jest dostępna na placu zabaw arduino.cc tutaj. Biblioteka sterowników TM1650

Przykładowy film jest dostępny tutaj

ANIMACJA:

Podczas spływu zaimplementowano nieco 7-segmentową animację.

• Gdy pompa jest włączona, cyfrowe kropki na wyświetlaczu przesuwają się od lewej do prawej, symbolizując przepływ wody: animacja wideo nawadniania
• W okresie „nasycenia” kropki biegną od środka wyświetlacza na zewnątrz, symbolizując nasycenie: animacja nasycenia wideo

Niepotrzebny, ale miły akcent.

Krok 7: POMPA i STEROWANIE POMPĄ

POMPA

Do podlewania roślin użyłem 12v Peristaltic Liquid Pump (dostępny tutaj). Pompa dostarcza około 100 mL/min (co stanowi około 1/2 szklanki - warto pamiętać konfigurując czas przepływu wody, aby uniknąć przepełnień, a stało się to 8-))

STEROWANIE POMPĄ - L293D

Pompą steruje układ sterownika silnika L293D. Ponieważ kierunek obrotu jest wstępnie ustawiony, tak naprawdę wystarczy użyć pinu włączania chipa do sterowania. Piny kierunkowe mogą być podłączone bezpośrednio do +5V i GND na stałe.

Jeśli (tak jak ja) nie jesteś pewien, w którym kierunku pójdzie pompa, nadal możesz podłączyć wszystkie trzy piny do Arduino i sterować kierunkiem programowo. Mniej ponownego lutowania.

Krok 8: KONFIGURACJA i PRZYCISKI

GUZIKI:

Do konfiguracji i sterowania APIS użyłem trzech przycisków.

Wszystkie naciśnięcia przycisków są przetwarzane na podstawie przerwań pinów (biblioteka PinChangeInt).

• Czerwony (po prawej) to przycisk WYBIERZ. Wprowadza APIS w tryb konfiguracji, a także potwierdza wartości.
• Czarne przyciski skrajnie lewe i środkowe (odpowiednio PLUS i MINUS) służą do zwiększania/zmniejszania konfigurowalnych wartości (w trybie konfiguracji) lub wyświetlania bieżącej daty/czasu i informacji o ostatnim przebiegu nawadniania (w trybie normalnym).

Ponieważ przez większość czasu wyświetlacz jest wyłączony, wszystkie przyciski najpierw „obudzą” APIS, a dopiero po drugim naciśnięciu wykonają swoją funkcję.

Wyświetlacz wyłącza się po 30 sekundach bezczynności (chyba że trwa nawadnianie).

APIS przechodzi przez parametry konfiguracyjne po uruchomieniu do przeglądu: wideo

KONFIGURACJA:

APIS ma cztery tryby konfiguracji:

1. Skonfiguruj parametry nawadniania
2. Ustaw zegar czasu rzeczywistego
3. Podlewanie „Wymuś”
4. Przejrzyj dziennik nawadniania

PARAMETRY PODLEWANIA:

1. Niski próg wilgotności gleby (rozpocznij podlewanie)
2. Wysoki próg wilgotności gleby (przestań nawadniać)
3. Czas trwania pojedynczego nawadniania (w sekundach)
4. Liczba przebiegów nawadniania w jednej partii
5. Czas trwania nasycenia gleby pomiędzy przebiegami w ramach jednej partii (w minutach)
6. Czas aktywacji trybu nocnego (czas wojskowy, tylko godziny)
7. Czas zakończenia trybu nocnego (czas wojskowy, tylko godziny)
8. Korekta weekendowa dla czasu zakończenia trybu nocnego (w godzinach)

USTAWIENIA ZEGARA CZASU RZECZYWISTEGO:

1. Wiek (tj. 20 w 2015 r.)
2. Rok (tj. 15 dla 2015)
3. Miesiąc
4. Dzień
5. Godzina
6. Minuta

Zegar jest regulowany z sekundami ustawionymi na 00 po potwierdzeniu minut.

Ustawienia mają limit czasu 15 sekund, po którym wszystkie zmiany są anulowane.

Po zapisaniu parametry są zapisywane w pamięci EEPROM.

WYMUSZENIE PODLEWANIA:

Nadal nie jestem pewien, dlaczego go zaimplementowałem, ale jest. Po aktywacji APIS przechodzi w tryb nawadniania. Tryb nawadniania jednak nadal podlega progom. Oznacza to, że jeśli wymusisz nawadnianie, ale wilgotność gleby jest powyżej znaku WYSOKI, nawadnianie natychmiast się zakończy. Zasadniczo działa to tylko wtedy, gdy wilgotność gleby znajduje się między progiem NISKIM i WYSOKIM.

PRZEGLĄD DZIENNIKA PODLEWANIA:

APIS przechowuje w pamięci EEPROM rejestr ostatnich 10 cykli nawadniania, który użytkownik może przeglądać. Przechowywana jest tylko data/godzina przebiegu nawadniania. Progi (w tym czasie) i liczba przebiegów potrzebnych do osiągnięcia progu WYSOKIego nie są zapisywane (choć w następnej wersji mogą być).

Krok 9: RTC: ZEGAR CZASU RZECZYWISTEGO

TRYB NOCNY

Gdy APIS obudził mnie w nocy, przyszedł mi do głowy pomysł na zaimplementowanie „trybu nocnego”.

Tryb nocny to tryb, w którym nie są wykonywane żadne pomiary, wyświetlacz jest wyłączony i nawadnianie nie jest uruchomione.

W zwykły dzień roboczy APIS „budzi się” o 7 rano (można konfigurować) i przechodzi w tryb nocny o 22:00 (można skonfigurować)., jeśli korekta weekendowa wynosi 2 godziny).

PŁYTA ROZDZIELAJĄCA RTC a RTC „OPROGRAMOWANIE”:

Użyłem sprzętowego zegara czasu rzeczywistego (dostępnego tutaj) do śledzenia daty/czasu oraz wchodzenia/wychodzenia z trybów nocnych.

Użycie tej opcji jest opcjonalne, ponieważ szkice mogą być kompilowane w celu użycia tak zwanego "programowego" RTC (przy użyciu funkcjonalności millis() arduino).

Wadą korzystania z oprogramowania RTC jest to, że przy każdym uruchomieniu APIS trzeba ustawiać czas.

Zmodyfikowałem standardową bibliotekę RTC, aby dokładnie pasowała do API, a także aby obejść problem z najazdem millis. (Proszę zobaczyć krok szkiców do pobrania).

Krok 10: ZŁOŻYĆ TO WSZYSTKO W RAZIE

Cały układ (oprócz sondy) wraz z pompą mieści się w niewielkim pudełku dla Arduino Uno.

1. Wyświetlacz TM1650 wykorzystuje interfejs TWI, więc przewody SDA i SDC trafiają odpowiednio do pinów Arduino A4 i A5. Pozostałe dwa przewody to +5v i GND.
2. Płyta RTC wykorzystuje interfejs TWI, taki sam jak powyżej. (TM1650 i RTC używają różnych portów, dzięki czemu współistnieją spokojnie). Pin RTC +5v jest podłączony do pinu 12 arduino (zasilany przez pin cyfrowy zamiast +5v). Nie pamiętam, dlaczego to zrobiłem, nie musisz.
3. Piny L293D są połączone w następujący sposób: enable (pin 1) do D5, a piny 2 i 7 kontroli kierunku do pinów arduino D6 i D7.
4. PRZYCISKI są podłączone do pinów D2, D8 i D9 odpowiednio dla SELECT, PLUS i MINUS. (Przyciski zaimplementowane są rezystorami typu pull-down 10K - w konfiguracji „active-high”).
5. Zasilanie +5V modułu PROBE jest podłączone do pinu 10 arduino (w celu umożliwienia pomiarów okresowych), a sonda jest podłączona do pinu analogowego A1.

UWAGA: Plik Fritzing schematics został dodany do repozytorium github.

Krok 11: SZKICÓW i nie tylko

Aktualizacja z marca 2015 r.:

1. Dodano funkcję opróżniania rur po uruchomieniu nawadniania, aby zapobiec tworzeniu się pleśni (chłopcze! Cieszę się, że nie okablowałem na stałe kierunku obrotów pompy w L293D!)
2. Bardziej rozbudowane rejestrowanie obejmuje datę/godzinę rozpoczęcia i zakończenia nawadniania, wilgotność początkową i końcową oraz liczbę załączeń pompy podczas nawadniania
3. Aktualizacja procedury błędu: urządzenie zostanie zresetowane po 24 godzinach od wejścia w stan błędu
4. Przekompilowany za pomocą TaskScheduler 2.1.0
5. Różne inne poprawki błędów

Od 18 listopada 2015 r. APIS został zaktualizowany o następujące dodatkowe funkcje:

1. Wykorzystanie biblioteki DirectIO do szybszej i łatwiejszej zmiany pinów
2. Korzystanie z biblioteki stref czasowych do prawidłowego przełączania między EST i EDT
3. Dodano logikę odrzucania przycisków przy użyciu tylko TaskScheduler
4. Dodano funkcję powtarzania przycisków (wartości zmieniają się po naciśnięciu i przytrzymaniu przycisku, przy czym prędkość cyklu wzrasta po 5 cyklach)
5. Przekompilowany z IDE 1.6.6 AVR 1.6.9 przeciwko TaskScheduler 1.8.4
6. Przeniesiono do Github

BIBLIOTEKI:

APIS opiera się na następujących bibliotekach:

• EEPROM - część Arduino IDE
• Drut - część Arduino IDE
• EnableInterrupt - dostępne na Github
• Strefa czasowa – dostępna na Github
• DirectIO - dostępne na Github

Zmodyfikowane (rozwidlone) przeze mnie:

• Czas - dostępny na Github
• RTClib - dostępny na Github

Opracowane przeze mnie:

• TM1650 - dostępny na Github
• TaskScheduler - dostępny na Github
• AvgFilter - dostępny na Github

NASZKICOWAĆ:

Najnowsza wersja szkicu APIS, w tym plik ze schematami fritzingu, jest dostępna na Github

ARKUSZE DANYCH:

• L293D: tutaj
• Tablica zaciskowa RTC: tutaj

Krok 12: *** WYGRALIŚMY !!! ***

Ten projekt zdobył drugą nagrodę w konkursie Home Automation sponsorowanym przez Dexter Industries.

Sprawdź to! WOO-HOO!!!

II nagroda w dziedzinie automatyki domowej