Автоматизированная садовая система, построенная на Raspberry Pi для улицы или дома - MudPi: 16 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

Вы любите садоводство, но не можете найти время для его ухода? Возможно, у вас есть комнатные растения, которые немного хотят пить или вам нужен способ автоматизировать гидропонику? В этом проекте мы решим эти проблемы и изучим основы MudPi, построив автоматизированную садовую систему, которая поможет позаботиться о вещах. MudPi - это садовая система с открытым исходным кодом, которую я создал для управления и обслуживания садовых ресурсов, созданных на Raspberry Pi. Вы можете использовать MudPi как для внутренних, так и для наружных садоводческих проектов, масштабируемых в соответствии с вашими потребностями, поскольку его дизайн можно настраивать.

Сегодня мы начнем с базовой настройки, которую я использовал дома, чтобы увидеть, как MudPi можно использовать для ухода за открытым садом и управления поливом. В этом руководстве вы узнаете, как развернуть главный контроллер с MudPi. Ближе к концу будут некоторые дополнительные ресурсы для тех, кто хочет расширить свои настройки дальше, чем основы, или кто хотел бы узнать больше о различных настройках, например, в помещении. MudPi можно настроить для различных настроек, и на сайте проекта есть куча документации.

Запасы

Не стесняйтесь добавлять / удалять любые определенные датчики или компоненты, которые могут вам понадобиться для вашей собственной системы, поскольку ваши требования могут отличаться от моих.

Общие поставки

• Raspberry Pi с Wi-Fi (я использовал Pi 3 B)

  Debian 9/10

• Монитор / клавиатура / мышь (для настройки Pi)
• SD-карта для Raspbian (8 ГБ)
• Кабель для наружной установки (4-жильный)
• Водонепроницаемая распределительная коробка для улицы
• Кабельные вводы
• DIN-рейка (для установки выключателей и источника постоянного тока)
• Трубка из ПВХ
• Сверло с лопаточными сверлами

Электронные принадлежности

• Датчик температуры / влажности DHT11
• Датчик уровня жидкого поплавка x2
• 2-х канальное реле

• Насос 12 В (или 120 В, если вы используете сетевое напряжение)

  Преобразователь постоянного тока в постоянный, если вы используете 12 В

• Источник питания 5 В

  или источник питания постоянного тока (при питании пи от сети)

• Резисторы 10 кОм для повышения / понижения

Инструменты

• Отвертка
• Инструмент для зачистки проводов
• Мультиметр
• Паяльник
• Припой
• Винты (для монтажа коробок снаружи)
• Силиконовая прокладка

Шаг 1: Планирование сада и орошения

Убедитесь, что ваш полив спланирован, если вы устанавливаете новую систему. Важно, чтобы эти вещи уже были на месте, когда вы собираетесь подготовить оборудование, чтобы вы знали, что вам нужно для компонентов. Потребности могут измениться со временем, но это хорошая практика - подготовиться к будущему. Два основных варианта подачи воды: использование насоса в резервуаре для воды или шланга с соленоидом для открытия и закрытия линии. Выбор будет зависеть от ваших потребностей в саду. Более крупная и более сложная система может использовать и то, и другое (например, перекачка воды через соленоидные клапаны для полива зоны). Если вы планируете использовать MudPi в помещении, вы, вероятно, будете использовать помпу. MudPi также может управлять освещением комнатных растений с помощью реле.

Совет создателя: помните, что вы можете создать свой проект любого масштаба. Если вы просто хотите попробовать MudPi в первый раз, попробуйте что-нибудь вроде бутылки с водой и 3,3-вольтового насоса для полива комнатного растения!

Также рассмотрите варианты доставки воды. Будете ли вы использовать капельные линии, шланг или разбрызгиватели? Вот несколько распространенных методов:

• Спринклерный
• Soakerhose
• Капельные линии
• Ручная ручная вода

Чтобы не допустить чрезмерного увеличения объема этого урока, предположим, что у вас уже есть орошение, и вы просто хотите его автоматизировать. В моей установке у меня есть резервуар с водой с насосом, подключенным к некоторым капельным линиям. Давайте узнаем, как автоматизировать этот насос.

Шаг 2: Датчики и планирование компонентов

Другой важный аспект планирования, который следует учитывать, - это то, какие данные вы хотите получать от своего сада. Обычно всегда полезны температура и влажность. Обнаружение влажности почвы и дождя отлично, но может не понадобиться для установки в помещении. Это будет ваше окончательное решение о том, какие условия важно отслеживать в соответствии с вашими потребностями. В нашем базовом уроке на открытом воздухе мы будем отслеживать:

• Температура
• Влажность
• Уровни воды (поплавковый выключатель x2)

Я использовал 5 датчиков уровня воды, чтобы определить уровни 10%, 25%, 50%, 75% и 95% в большом резервуаре. В этом уроке мы сделаем 10% для критического минимума и 95% для простоты.

Вы также можете управлять устройствами в своем саду. Если вы планируете переключать насос или фары, которые не работают от 3,3 В (ограничение pi GPIO), вам понадобится реле. Реле позволяет управлять цепями с более высоким напряжением, используя более низкое напряжение для переключения реле. Для наших целей у нас есть насос, который работает от напряжения выше 3,3 В, поэтому нам понадобится реле для переключения насоса. Для управления насосом требуется только одно реле. Хотя для будущих целей (и поскольку реле дешевы) я установил 2-канальное реле и оставил дополнительный слот доступным для последующих обновлений.

Самое главное, что нужно спланировать, - это питание. Как Pi будет питаться и откуда. Также вам следует подумать об устройствах, которые вы используете, и о том, как они получат свою мощность. Обычно Pi может питаться от адаптера питания USB, но для этого требуется отдельная вилка. Если мы запитываем другие устройства более высокими напряжениями, можно использовать источник питания постоянного тока, чтобы понизить напряжение до 5 В для Pi. Если вы планируете получить источник питания для понижения напряжения, я рекомендую не выбирать самый дешевый вариант.

Помните, что по умолчанию Raspberry Pi может поддерживать только цифровой GPIO. Это означает, что вы не можете просто подключить датчик почвы, который снимает аналоговые показания с Pi GPIO. Чтобы быть совместимым с аналоговыми компонентами, вам необходимо использовать микроконтроллер с аналоговой поддержкой, такой как Arduino или ESP32 (или ESP8266).

К счастью, MudPi поддерживает управление такими устройствами, как подчиненные узлы, для выдачи команд для нескольких устройств с одного главного контроллера (pi). Это позволяет иметь главный контроллер с несколькими сенсорными блоками, которыми он может управлять вместе с присоединенными к ним аналоговыми компонентами. Я использовал главный контроллер для наблюдения за площадью насоса и сенсорный блок для каждой возвышающейся грядки. Сегодня давайте продолжим сборку главного контроллера, чтобы начать.

Шаг 3: Соберите припасы

Пришло время собрать материалы. Компоненты и инструменты, используемые в этой сборке, коммерчески доступны в готовом виде, чтобы другие пользователи могли легко создавать свои собственные дома. Большинство из них можно найти в Интернете или в местных хозяйственных магазинах. Точный перечень материалов будет зависеть от конкретной планировки вашего сада. Ради этого урока мы будем придерживаться самого необходимого, как и планировалось, чтобы получить работающий юнит, прежде чем двигаться дальше.

Примечание. На этом этапе я хотел бы отметить, что если вы планируете переключать компоненты, которые работают от напряжения сети, будьте ОСТОРОЖНЫ! При создании электроники важно быть в безопасности и не возиться с высоким напряжением, если вы не знаете, что делаете. С учетом сказанного, я действительно использовал насос на 120 В в своей домашней установке. Процесс такой же для насоса на 12 В, с той разницей, что требуется регулятор на 12 В. Вы также можете использовать реле для переключения света или других устройств.

Шаг 4: Установите MudPi на Raspberry Pi

Имея готовый план и все необходимые материалы, пора подготовить оборудование. Для начала вы должны подготовить Raspberry Pi для установки MudPi. Вам понадобится Raspberry Pi с возможностями Wi-Fi под управлением Debian 9 или выше. Если у вас еще не установлен Raspbian, вам нужно будет загрузить Raspbian с их страницы здесь.

Загрузив файл изображения, запишите его на SD-карту с помощью выбранного вами средства записи изображений. У Raspberry pi есть руководство по записи файлов на SD-карту, если вам нужна помощь.

Вставьте SD-карту в пианино и включите его. Подключите Pi к Wi-Fi, используя графический интерфейс, если вы установили Raspbian Desktop, или отредактировав файл /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf через терминал на Raspbian Lite.

Следующее, что вам нужно сделать после подключения Wi-Fi, - это запустить обновления и обновления на Pi.

Чтобы обновить логин Pi и запустить из терминала:

sudo apt-get update

sudo apt-get upgrade

После завершения перезагрузки

перезагрузка sudo

После того, как Pi загрузился, мы можем теперь установить MudPi. Вы можете сделать это с помощью установщика MudPi с помощью следующей команды:

curl -sL https://install.mudpi.app | трепать

Установщик позаботится обо всех необходимых пакетах и конфигурациях для MudPi. По умолчанию MudPi устанавливается в каталог / home / mudpi с ядром, расположенным в / home / mudpi / core.

Вы можете запустить MudPi вручную с помощью следующей команды:

cd / home / mudpi

mudpi --debug

Однако у MudPi есть задание супервизора, которое выполнит его за вас. Кроме того, перед запуском MudPi вам сначала понадобится файл конфигурации. Чтобы создать файл конфигурации, вам нужно знать, какие контакты вы подключили, какие компоненты тоже подключили, что и будет сделано на следующем шаге. Вперед!

Шаг 5: Подключите датчики и компоненты к Pi для тестирования

Следующим шагом будет подключение наших компонентов к Pi. (Обратите внимание, что я тестировал дополнительные компоненты на фотографии). Вы можете использовать перемычки и макеты для тестирования, и это нормально, просто не забудьте перейти на что-то более надежное, когда будете собирать последний блок для полевых работ.

Подключите контакт DATA датчика DHT11 / 22 к контакту 25 GPIO.

Подключите питание и заземление DHT11 / 22.

Подключите один конец каждого 2 жидкостных датчика поплавка к контактам 17 и 27 GPIO соответственно с помощью понижающих резисторов 10 кОм.

Подключите другие концы датчиков поплавка к напряжению 3,3 В, чтобы на GPIO обычно было НИЗКОЕ, но ВЫСОКОЕ значение при замыкании поплавкового переключателя.

Присоедините тумблерные штифты 2-канального реле к контактам 13 и 16 GPIO.

Подключите реле 5В к источнику питания и заземление к земле.

Мы позаботимся о высоковольтных соединениях реле на более позднем этапе, когда мы подключим вилки. На данный момент мы должны быть готовы создать файл конфигурации MudPi и протестировать компоненты.

Шаг 6: Настройте MudPi

С подключенными датчиками и компонентами вы можете создать файл конфигурации MudPi и проверить, что все работает, до завершения сборки устройства. Чтобы настроить MudPi, вы обновите файл mudpi.config, расположенный в каталоге / home / mudpi / core / mudpi. Это файл в формате JSON, который вы можете обновить в соответствии с потребностями вашего компонента. Обязательно проверьте правильность форматирования, если у вас возникли проблемы.

Если вы выполните следующие действия, следующий файл конфигурации будет работать для подключенных компонентов:

В приведенной выше конфигурации много чего происходит. Я рекомендую покопаться в документации по конфигурации, чтобы получить более подробную информацию. Мы устанавливаем DHT11 и плавает в массиве датчиков и помещаем настройки реле в массив переключателей. Автоматизация происходит путем установки триггеров и действий. Триггер - это способ сказать MudPi, что нужно прислушиваться к определенным условиям, при которых мы хотим действовать, например, при слишком высокой температуре. Триггер не слишком полезен, пока мы не предоставим ему действие для срабатывания. В приведенной выше конфигурации есть два временных триггера. Триггер времени принимает отформатированную строку задания cron, чтобы определить, когда он должен активироваться. Указанные выше временные триггеры установлены на каждые 12 часов (то есть два раза в день). Они запускают два настроенных нами действия, которые просто включают / выключают наше реле с событием, генерируемым MudPi. Второй триггер смещен на 15 минут, так что наш насос включится и поливает 15 минут, а затем снова выключится. Это будет происходить дважды в день каждый день.

Теперь вы можете перезагрузить MudPi, сказав супервизору перезапустить программу:

sudo supervisorctl перезапустить mudpi

Теперь MudPi должен перезагрузить конфигурации и работать в фоновом режиме, принимая показания датчиков и прослушивая события для переключения реле. Вы можете проверить, что MudPi работает:

sudo supervisorctl status mudpi

MudPi также будет хранить файлы журналов в каталоге / home / mudpi / logs. Если вы столкнулись с проблемами, это хорошее место для проверки в первую очередь.

Если вы убедились, что MudPi работает, пора приступить к окончательной сборке устройства. Выключите Raspberry Pi и завершите сборку оборудования.

Шаг 7: припаяйте компоненты к прототипной плате

Теперь, когда MudPi настроен, вы можете продолжить работу с оборудованием. Компоненты, которые остаются в коробке, должны быть припаяны к макетной плате для большей устойчивости, чем перемычки. Это не так хорошо, как нестандартная печатная плата, но пока будет работать. Датчик DHT11, который мы используем, будет внешним, но вы можете дополнительно установить еще один внутри для измерения температуры внутри корпуса.

Я припаял соединительный кабель pi к плате вместе с некоторыми клеммными разъемами для упрощения подключения GPIO после того, как мы повторно подключим датчики и реле. Разъемный кабель позволил отсоединить пи без необходимости вынимать весь модуль. Я также включил необходимые понижающие резисторы для поплавков. После этого мы можем поместить все в красивую наружную распределительную коробку, чтобы защитить ее.

Шаг 8: Начните помещать электронику в распределительную коробку на открытом воздухе

К этому моменту все было протестировано, работая с MudPi, и пришло время собрать наружный блок, чтобы он выдерживал элементы. В вашем местном хозяйственном магазине в разделе электроники вы найдете множество распределительных коробок, которые вы можете приобрести менее чем за 25 $. Ищите тот, который подходит по размеру и имеет водонепроницаемое уплотнение. Я потратил немного больше, чтобы получить коробку из армированного волокна с пружинными защелками. Все, что вам нужно, это то, что не пропускает влагу и подходит для всех ваших компонентов. Вы также будете просверливать отверстия в этой коробке для прокладки кабелей.

Шаг 9: Подключите вилки к реле и установите в распределительную коробку * Предупреждение о высоком напряжении *

Pi должен быть выключен при подключении компонентов. Если вы используете для насоса 120 В или 12 В, рассмотрите возможность использования вилки. В насосах с напряжением 12 В обычно используется цилиндрический разъем. Работая с напряжением 120 В, можно использовать удлинитель с внутренней резьбой. Теперь не перерезайте удлинитель и не возитесь с ним без надлежащего оборудования.

С помощью дрели или перфоратора просверлите два отверстия 3/4 дюйма в нижней части распределительной коробки для установки вне помещений и вставьте два кабельных ввода 3/4 дюйма. Пропустите удлинительный шнур с вилкой через один сальник, а половину с внутренней резьбой - через другой. Если вы хотите использовать другой канал реле, вставьте другой шнур с гнездовым концом.

В коробке я установил небольшую секцию DIN-рейки. На рейке находится источник питания постоянного тока для понижения напряжения со 120 В до 5 В для включения Pi, а также некоторые предохранительные выключатели. Я использую только два выключателя, чтобы отключить Pi, не отключая всю систему. Достаточно одного выключателя. Теперь внутри удлинителя три цветных кабеля. БЕЛЫЙ - нейтральный, ЗЕЛЕНЫЙ - заземленный, а ЧЕРНЫЙ - 120 В +. Зеленый и белый идут напрямую в источник питания постоянного тока. Черный сначала идет в выключатели, а затем в источник питания постоянного тока. На блоке питания есть небольшой винт, который представляет собой потенциометр для регулировки напряжения до 5 В.

Мы собираемся использовать клеммные колодки для соединения вилок. Используя один блок, соедините все белые нейтральные кабели вместе. Если у вас нет клеммных колодок, будет достаточно изоленты. Зеленые заземляющие кабели также должны быть соединены вместе. Сторона высокого напряжения реле имеет три контакта: COM (общий), NC (нормально замкнутый) и NO (нормально разомкнутый). В зависимости от вашего реле он может иметь только NC или NO, но не оба. Подключите небольшой дополнительный кабель к выключателю, который будет подавать 120 В на общий вывод COM (общий) нашего реле на стороне высокого напряжения. Теперь подключите удлинительные шнуры-розетки черной линии 120 В к клемме NC. Это будет означать, что вилка обычно выключена и не подключена, но когда мы включаем реле, она подает 120 В на вилку, таким образом, включается наш насос.

На этом этапе все удлинительные кабели должны иметь свои белые нейтрали, связанные вместе, а их зеленые заземления - вместе. Черные шнуры на 120 В подключены к клемме NC реле. Черный удлинитель шнура должен иметь черный ток, подключенный к разрыву на DIN-рейке, а затем разделенный на источник питания постоянного тока и COM реле.

Важно установить все в водонепроницаемую коробку и правильно защитить / проложить все ваши кабели. Меньше всего вам нужно, чтобы огонь или кого-нибудь поразили. Также не связывайтесь с высоким напряжением, если вы не можете быть в безопасности. Вы все еще можете многое сделать с компонентами 12 В и ниже.

Шаг 10: Поместите датчики в защитный кожух

Природа и влага не слишком дружелюбны для электроники. Вы защитили Pi с помощью наружной распределительной коробки, но теперь вам нужно защитить любые внешние компоненты. Вы можете сделать приличный корпус для защиты внешних компонентов, используя трубы из ПВХ или другие кусочки утильных труб. Я установил простую вентилируемую крышку для датчика DHT11, чтобы защитить его от дождя и насекомых, но позволить ему дышать для точных внешних показаний. На следующем этапе используйте силиконовый герметик для герметизации кабелей.

Не лучшее решение, но оно работает для дешевого сенсора за 4 доллара. (Я также сделал некоторые датчики почвы, которые я тестировал в то время.) Датчики поплавка будут установлены в резервуар для воды и не требуют дополнительного корпуса.

Вы также обнаружите, что датчики обычно поставляются только с дешевым тонким проводом. Это не продлится долго в условиях общего обращения или внешнего климата. На следующем этапе мы решим это.

Шаг 11: Подключите датчики с помощью кабеля и вилок, рассчитанных на использование вне помещений

Если вы хотите, чтобы к коробке были подключены внешние датчики, необходимо приобрести кабель, рассчитанный на использование вне помещений. Кабель, рассчитанный на использование вне помещений, имеет экранирование для защиты внутренних проводов. Я взял 4-х проводный кабель и вилки. Вам не нужны заглушки, вместо них можно использовать больше кабельных вводов, но я хотел иметь возможность быстро менять датчики.

Отрежьте кабель нужной длины для датчика температуры и датчиков поплавка. Я бы дал ему несколько дополнительных ножек, так как всегда приятно иметь дополнительные ножки, которые можно отрезать в случае необходимости. Я предлагаю припаять кабели для лучшего соединения, а затем обмотать изолентой. Я предлагаю использовать один и тот же цвет для питания и заземления для каждого провода, чтобы упростить запоминание. Заправьте кабель в корпус с помощью силиконовой прокладки, изолирующей остальную часть нижней части корпуса, чтобы точкой входа была только вентилируемая крышка.

Другой конец кабеля вы можете ввести в коробку через кабельные вводы и подключить к Pi теми же контактами, что и раньше. Если вы решите использовать штекеры, установите концы штекеров на кабель. Просверлите и установите другие концы в распределительную коробку, а затем подключите внутренние детали.

Шаг 12: Установите датчики поплавка в резервуар

Когда другие датчики защищены и готовы к работе, самое время установить датчики поплавка в резервуар для воды. Поскольку мы используем только два, вы должны установить один на критически низком уровне, при котором насос не должен работать, и один, который должен указывать на то, что резервуар заполнен. Найдите сверло подходящего размера и проделайте отверстие в резервуаре на нужных уровнях. Вкрутите датчики поплавка в резервуар с помощью прилагаемой шайбы и гайки. Загляните внутрь резервуара и убедитесь, что датчики поплавка находятся в выключенном положении и поднимаются, когда вода поднимается, заставляя их замкнуть контур.

Из-за понижающих резисторов это означает, что при достижении уровня воды датчик поплавка находится на этом уровне со значением 1. В противном случае датчик поплавка вернет 0, если вода в настоящее время не поднимает датчик, замыкая контур.

Шаг 13: Разверните блок снаружи

Устройство MudPi готово к работе в полевых условиях, и мы можем установить его снаружи в окончательном месте. Распределительная коробка для установки вне помещений обычно поставляется с крышкой, которую можно привинтить, чтобы сделать водонепроницаемое уплотнение. Вы также должны найти несколько монтажных отверстий на задней панели, чтобы использовать их для установки устройства. Я установил свою коробку прямо рядом с водным навесом снаружи, так как у датчиков поплавка был только ограниченный кабель.

Вы можете подключить штекерный удлинитель к розетке и перевернуть выключатель, чтобы MudPi подключился к сети. Убедитесь, что все работает, прежде чем оставлять его на длительный период. Убедитесь, что датчики снимают показания, просмотрев redis на предмет сохраненных значений или проверив журналы MudPi. Если все в порядке, то самое время позволить MudPi поработать, пока вы расслабляетесь.

Шаг 14: Мониторинг MudPi

Теперь, когда MudPi работает, вы можете задаться вопросом, как контролировать свою систему. Самый простой и прямой способ - следить за файлом журнала MudPi:

хвост -f /home/mudpi/logs/output.log

Другой вариант - через интерфейс, подобный локальной веб-странице. У меня еще не было времени выпустить общедоступный пользовательский интерфейс MudPi, но вы можете легко получить свои датчики и состояние компонентов из redis с помощью PHP. Узнайте, как MudPi хранит ваши данные в Redis, подробнее в документации.

Последние показания датчиков будут храниться в Redis под ключевым параметром, который вы установили в config. Используя это, вы можете создать простое приложение PHP, которое будет захватывать показания при загрузке страницы и отображать их. Затем просто обновите страницу для получения новых данных.

Также можно прослушивать события MudPi в Redis, и это лучший вариант для получения обновлений в реальном времени из системы. Вы можете читать события прямо через redis-cli

redis-cli psubscribe '*'

Шаг 15: Замените платы прототипа пользовательскими платами (необязательно)

Я пошел немного дальше и сделал несколько пользовательских плат для MudPi. Они помогают мне ускорить процесс сборки за счет создания нескольких модулей MudPi и намного надежнее. Я начал заменять свои старые прототипы плат более надежными печатными платами во всех имеющихся у меня устройствах. В будущем я хочу сделать эти платы доступными для продажи в небольших количествах, чтобы поддержать мою работу с открытым исходным кодом. MudPi не требует для работы каких-либо специальных печатных плат, он просто помогает снизить нагрузку на оборудование с уже установленными встроенными компонентами, такими как понижающие резисторы и датчики температуры / влажности.

Шаг 16: Расслабьтесь и наблюдайте, как растут ваши растения

Теперь у вас есть собственная автоматизированная садовая система, которую вы можете расширять и масштабировать по своему желанию. Сделайте больше юнитов или расширьте тот, который вы уже построили. С MudPi вы можете сделать гораздо больше, и много информации можно найти на веб-сайте проекта по адресу https://mudpi.app. Моей целью было превратить MudPi в ресурс, который я искал, когда начинал работу над садовым проектом. Я надеюсь, что вы найдете большое применение в MudPi и поделитесь своим мнением, если вам нравится моя работа. Я лично использую MudPi как снаружи, так и внутри дома, чтобы управлять своими растениями, и до сих пор очень доволен результатами.

MudPi все еще обновляется, добавляя новые функции и разработки. Вы можете посетить этот сайт, чтобы получить подробную информацию о том, над чем я работаю, и воспользоваться некоторыми из приведенных ниже ссылок, которые направят вас к дополнительным ресурсам. Я также участвовал в MudPi в конкурсе Raspberry Pi 2020 года. Если вам нравится MudPi и вы хотите мне помочь, дайте мне голос ниже.

Полезные ресурсы для дальнейшего развития

Документация MudPi

Исходный код MudPi

Руководства MudPi

Поделитесь с вами MudPi Build

Поддержите мою работу над MudPi

Поддержка MudPi

Всем счастливого роста!

- Эрик

Сделано с ♥ из Висконсина

Первый приз в конкурсе Raspberry Pi 2020