Zarządzanie energią słoneczną oparte na wadze z ESP32: 7 kroków (ze zdjęciami)

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

Uprawa roślin jest fajna, a podlewanie i pielęgnacja nie jest tak naprawdę kłopotliwe. Aplikacje mikrokontrolerów do monitorowania ich zdrowia są w całym Internecie, a inspiracją do ich projektowania jest statyczny charakter roślin i łatwość monitorowania czegoś, co nie biega i nie poci się. Jestem stosunkowo nowy w uprawie roślin, a przewodniki w Internecie wydawały się być napisane przez dobre intencje, ale nie typy inżynierów. Znajomy, którego zapytałem „ile je podlewam…” odpowiedział, że jedynym sposobem jest podniesienie rośliny i jeśli będzie lekko podlewać. Jest bardzo dobry w „rośnięciu”. Wkładanie palca w glebę niewiele pomaga. Większość Instruktorów wykorzystuje tanią sondę wilgotności gleby, która jest podatna na różne awarie, z których najbardziej rażące to niedokładność i korozja.

Przegląd literatury pokazuje, że brud może zawierać do 40% wody, a pomiar tego wymaga dość drogich przyrządów. Tańsze sondy opierają się na przewodności wody, która zmienia się w zależności od rozpuszczonych soli i innych czynników. Powyżej znajduje się wykres, który zrobiłem, przedstawiający pojemnik z brudem ważony przez 2 tygodnie, a następnie podgrzewany w piekarniku do 300, aby usunąć całą nieprzyłączoną wodę. Czterdzieści procent całej gleby to woda, a przez dziesięć gorących dni bezpośredniego nasłonecznienia straciła 75% tej wody w stosunkowo liniowym tempie. Jaki jest więc właściwy poziom nawilżenia? Zależy to od wielu czynników, ale podczas budowy tej maszyny dobrą wskazówką jest ostrożne podlewanie rośliny do poziomu, który uważasz za właściwy i ustawienie jej na maszynie, która dokładnie mierzy jej wagę, a następnie w ustalonym limicie dodaje wodę w razie potrzeby. Konstrukcja może być modyfikowana pod kątem wiszących koszy na rośliny i ciśnieniowych systemów wodnych.

Maszyna musiała działać na energię słoneczną, być autonomiczna z własnym zaopatrzeniem w wodę, monitorować zaopatrzenie w wodę za pomocą powiadomień w sieci, spać, gdy nie była używana, aby zminimalizować moc i zapamiętać wagę podstawową oraz liczbę podlewania i inne dane między snem cykle. Nowy ESP32 wydawał się dobrym kandydatem na mózg.

Krok 1: Zbierz swoje zapasy

Maszyna jest wykonana z dwóch 12-calowych płytek ceramicznych sklepu BigBox w aluminiowej ramie kanałowej, w której znajduje się zbiornik na wodę. Elektronika jest zabezpieczona z tyłu w plastikowej skrzynce elektrycznej. Zbiornik na wodę posiada wąż wylotowy z dołączonej pompy i czujnik przyklejony do dna zbiornika zasilającego roślinę. Wsporniki ogniwa obciążnikowego z belki poprzecznej u góry urządzenia.

1. Arrow Home Products 00743 Pojemnik na napoje o pojemności 2 galonów w kolorze przezroczystym

2. uxcell 5 szt. 5.5V 60mA Poly Mini panel ogniw słonecznych DIY

3. Przełączniki pozycji pochylania Gikfun Metal Ball dla Arduino

4. Uxcell a14071900ux0057 10Kg Elektroniczna waga obciążnikowa ze stopu aluminium

5. Adafruit HUZZAH32 – ESP32 Feather Board

6. Moduł konwersji ogniw obciążnikowych ważących HX711 Moduł czujników Ad dla Arduino

7. Adafruit Latching Mini Relay FeatherWing

8. Moduł ładowarki do ogniw litowych TP4056 z ochroną baterii

9. Pompa ECEEN USB Mini zatapialne pompowanie wody do akwarium zasilane hydroponicznie przez USB DC 3.5-9V

10. Bateria Lipo 18650 z uchwytem baterii

Krok 2: Zbuduj pudełko

Rama skrzynki wykonana jest z 1-calowego kątownika aluminiowego BigBox. Ogólny pomysł czerpiesz ze zdjęć i nie jest zbyt trudny do złożenia. Ramy są oparte na kwadratowych płytkach stóp, które tworzą przednią i tylną stronę urządzenia. Płytki mocuje się do lic ramy aluminiowej za pomocą kleju silikonowego. Wymiar części środkowej zależy od wielkości zbiornika na wodę. Otwór zbiornika został zaprojektowany tak, aby można go było łatwo wyciągnąć z urządzenia i napełnić od góry. Przewody i rurki mocujące zbiornik muszą być wystarczająco długie i zwijać się z tyłu.

Umieszczenie panelu słonecznego zależy od projektu. Zamierzałem użyć wielu okrągłych paneli, aby nadać mu wygląd „kostki”, ale osiadłem na kwadratach, ponieważ dawały najlepszą kombinację napięcia i prądu. Nie zamierzam wchodzić w szczegóły podłączania wielu paneli słonecznych, ale potrzebujesz co najmniej 5,5 V, aby obwód ładowarki działał. Wszystkie te panele zostały połączone równolegle, aby zwiększyć natężenie prądu. Otwory w płytce ceramicznej są starannie wywiercone diamentowym wiertłem – upewnij się, że używasz do tego wody jako chłodziwa, w przeciwnym razie zepsujesz wiertło. Każda z tych dziur powinna zająć tylko kilka minut. Użyj dużej ilości kleju silikonowego, aby utrzymać panele i przewody po wewnętrznej stronie płytek na miejscu.

Ogniwo obciążnikowe jest bardzo rozsądne i ma różne wagi. Użyłem odmiany 10 kg, ale jeśli zamierzasz uprawiać ciężką sadzonkę, odpowiednio zaplanuj. Podobnie jak moje inne Instructables: https://www.instructables.com/id/Bike-Power-Pedal-IoT/ te ogniwa obciążnikowe muszą być wyprowadzone ze strony podparcia z otworami na śruby 4 mm i 5 mm. W tym przypadku aluminiowa listwa poprzeczna pomiędzy dwoma wspornikami płytek ceramicznych utrzymuje jeden koniec ogniwa obciążnikowego. Drugi podtrzymuje platformę z płaskiego aluminiowego pręta silikonowego przyklejonego do miski drenażowej roślin. Bądź bardzo ostrożny z przewodami tych facetów – są bardzo delikatne i prawie niemożliwe do naprawy, jeśli zostaną oderwane w pobliżu ich pochodzenia. Klej z dużą ilością gorącego kleju lub silikonu, aby zachować ich integralność.

Krok 3: Zbuduj pompę/pusty uchwyt przełącznika

Pompa jest zasilana przez przekaźnik z akumulatora Lipo i działa dobrze przy ograniczonym napięciu, ale nie możesz przekroczyć wysokości około 2 stóp, chyba że użyjesz wzmacniacza mocy do podniesienia napięcia. Pompka jest naprawdę mistrzowska, nie wymaga zalewania, jest wodoodporna i ma na jednym końcu wtyczkę USB. Jednak nie radzi sobie dobrze z wysychaniem. Przełącznik pełny/pusty zbiornika to po prostu przełącznik przechyłu, który wymazałem silikonem, aby był wodoodporny, a następnie przywiązałem do aluminiowego wspornika pompy i pływającej gumowej kaczuszki. Gumowa kaczustka powinna być bezpośrednio przywiązana do aluminiowego drążka, aby zdjąć przyczepność z przewodów przełącznika przechyłu. Kiedy w zbiorniku jest woda, kaczuszka unosi się i przechyla przełącznik – zwierając się do masy i umożliwiając polecenia do zasilania przekaźnika i pompy. Wysyła również te dane do sieci i wysyła tweeta, jeśli potrzebujesz wody. Pompka jest przyklejona silikonem do tej konstrukcji nośnej, a następnie przyklejona do dna zbiornika wody.

Krok 4: Budowanie elektroniki

Adafruit HUZZAH32 – ESP32 Feather Board to stosunkowo nowy mikrokontroler i bardzo dobrze sprawdza się w tym mądrym pomocniku roślin. Przewaga tej płyty nad starszym 8266 polega na lepszej zdolności do spania (podobno lata zamiast godziny…), jej zdolności do zapamiętywania tego, czego się nauczyła między drzemkami (stary 8266 reset od zera…) i niższym zużyciu energii podczas drzemki i więcej szpilek. Świetny youtuber Andreas Spiess szczegółowo opisuje zmiany w kodzie, aby ESP32 wykonał właściwą pracę ważenia i powinieneś obejrzeć jego film, jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak działają szczegóły. Przykład uśpienia z Arduino IDE został również wykorzystany i zmodyfikowany dla tego oprogramowania.

Schemat Fritzing dokładnie pokazuje wszystkie połączenia okablowania. Komponenty zostały zmontowane z płyt perf, a następnie połączone ze sobą. Bateria Lipo to Twój standardowy tani 18650 na własnych saniach. Płytka ładowarki to TP4056, która według Andreasa jest bardzo wydajna w tej roli ładowania słonecznego. Przycisk On/Off z wbudowaną diodą LED przesyła zasilanie do całego systemu oraz wspólne połączenie przekaźnika zasilającego pompę. Płytka przekaźnika to ładna płytka przekaźnika zatrzaskowego Adafruit, która działa na 3 V. Wzmacniacz HX711 jest zasilany przez Adafruit i jest podłączony do dwóch pinów na płytce.

Wszystkie komponenty są ułożone w plastikowej zewnętrznej skrzynce elektrycznej otwartej w dolnej części, aby umożliwić przepływ powietrza, ale blokować deszcz. Umieść ESP32 na górze, aby umożliwić programowanie i monitorowanie szeregowe przy zdjętej pokrywie.

Krok 5: Oprogramowanie

"ładowanie="leniwe"

Urządzenie jest proste w obsłudze. Po włączeniu zasilania dioda LED na przełączniku zasilania miga, dopóki roślina doniczkowa, która została podlana do poziomu, który chcesz utrzymać, nie zostanie umieszczona na platformie. Po ustabilizowaniu się wagi komputer zapamiętuje tę początkową wagę i co godzinę lub ustawiony interwał porównuje nową wagę roślin i albo koryguje ją dodatkową pompowaną wodą, albo zgłasza nową wagę i wszystkie inne informacje do Thingspeak, a następnie idzie spać. Powyższe wykresy odzwierciedlają wyniki w ciągu trzech dni dla rośliny pomidora o wysokości około 2 stóp, rosnącej w pełnym słońcu. Wzrost rośliny w czasie oczywiście wpłynie na wagę doniczki i powinien być skompensowany przez ponowne inicjowanie po czasie określonym przez pęcznienie wzrostu rośliny. Dodatkowe adaptacje oprogramowania pozwoliłyby na automatyczną analizę maksymalnej i minimalnej tolerancji wody i wymagań roślin poprzez zalewanie doniczki do momentu, gdy waga już się nie zmienia, a następnie pomiar spadku masy wody w czasie. Będzie to zależeć od rodzaju gleby, pogody oraz struktury roślin i korzeni. Następnie można by dostosować dodatkowe algorytmy nawadniania oparte na ocenach danych Thingspeak. Wadą wagi zamiast konserwacji instalacji z czujnikami przewodzącymi jest konieczność ważenia ograniczonego obszaru nawadnianego, ale inteligentne sadzarki, takie jak ta, są tanie, łatwe do podłączenia do sieci i sterowania oraz w dziwny sposób, w jaki można je śledzić w Internecie.

Krok 7: Ponów

Tak, dobrze zaprojektowana maszyna działała dobrze przez około tydzień, a następnie miałaby tendencję do tego, aby ESP32 wpadał w dziwną pętlę i nie uruchamiał się poprawnie i rozładowywał baterię przez noc. Żadna ilość zmian oprogramowania nie mogła na to wpłynąć, więc zrezygnowałem i dodałem Adafruit TPL5111, aby kontrolować cykl energetyczny ESP, ale ponieważ nie mogłem już korzystać z pamięci, jak wcześniej napisałem, aby korzystać z EEPROM i zmieniłem z Thingspeak na Blynk, który znajdź więcej zabawy na swoim telefonie i naprawdę dobry system. Zmiana sprzętu to tylko kwestia podłączenia TPL 5111 do zasilania i masy, gotowego pinu do ESP i Enable out do pinu EN. Upewnij się, że umieściłeś przełącznik między EN-out a EN na płycie, aby móc zmieniać programy i przesyłać. Ustawiam cykl snu co dwie godziny. Aby wyczyścić pamięć EEPROM i zresetować urządzenie dla nowej rośliny lub dodatkowej masy, ustawiłem przełącznik w Blynk, aby wyczyścić pamięć i ponownie uruchomić proces ważenia. Program dla nowego oprogramowania znajduje się powyżej, a program na Blynk jest oczywisty do skonfigurowania. Ta maszyna naprawdę działa świetnie i produkuje eleganckie produkty. Jestem pod wrażeniem tego, jak fajna okazała się rzecz – ogniwa słoneczne działają łatwo i nigdy się nie wyczerpią.