Jardí IOT amb Raspberry Pi: 18 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Un dels objectius principals d’aquest projecte era poder mantenir el benestar d’un jardí mitjançant el poder de l’Internet de les coses (IoT). Amb la versatilitat de les eines i el programari actuals, el nostre plantador està integrat amb sensors que monitoritzen l’estat en temps real de les plantes. Hem creat una aplicació per a telèfons intel·ligents que permetrà accedir a les dades i fer les accions necessàries si cal.

El disseny de la nostra jardinera és escalable, de baix cost i fàcil de construir, cosa que la converteix en l’opció perfecta per afegir vegetació a la terrassa o al jardí del darrere. El jardí intel·ligent ha demostrat ser més eficient en el consum d’aigua i facilita el manteniment i la supervisió.

Seguiu per aprendre a crear la vostra pròpia base de dades i aplicacions creant un jardí que es pugui controlar mitjançant un clic de botó.

Pas 1: Visió general del sistema IOT

El sistema Iot funciona a través dels processos següents. Un Raspberry Pi s’utilitza per transmetre informació útil del jardí, com ara la lluminositat, la humitat i el contingut d’humitat del sòl de diversos sensors a una base de dades de núvols. Un cop la informació es troba al núvol, es pot accedir des de qualsevol lloc mitjançant una aplicació per a telèfons intel·ligents que hem creat. Aquest procés també és reversible, l'usuari pot enviar instruccions, com ara l'estat de la bomba d'aigua, al jardí que executarà les ordres necessàries.

Les següents són algunes de les característiques principals del nostre jardí:

Retroalimentació en temps real dels diferents sensors del jardí

Base de dades de l’estat de salut del jardí

Capacitats globals de control i funcionament

Sistema de reg per degoteig

Sistema d'aigua controlat per aplicació

Horaris de reg automàtic

Vam decidir utilitzar Firebase de Google com a intermediari del nostre sistema IOT per crear la nostra pròpia base de dades de núvol gratuïta. A continuació, hem utilitzat App Inventor del MIT per crear una aplicació per a telèfons intel·ligents que sigui compatible amb la base de dades Firebase i el Raspberry Pi. També es pot comunicar amb la base de dades amb l'ajuda d'una biblioteca Python gratuïta.

Pas 2: materials necessaris:

Es poden trobar fàcilment els materials necessaris per fabricar el jardiner iot a les botigues locals o en línia. La llista següent és una descripció de totes les parts necessàries.

HARDWARE:

Tauló de fusta de pi de 1 ": dimensions; 300cm x 10cm (com que la fusta serà a l'aire lliure, recomanem fusta tractada)

Fusta contraxapada 1/4 ": dimensions; 120 cm per 80 cm

Full de lona - dimensions; 180cm x 275cm

Tub de PVC: dimensions; longitud 30cm, Dia 2cm

Tub quirúrgic - dimensions; 250cm

Articulació del colze x 2

Cargol de fusta x 30

ELECTRONNICA:

Rasberry Pi3 Model B

Grove Pi + Sensor Shield

Electrovàlvula de 12V

Sensor d'humitat i temperatura (dht11)

Sensor d'humitat

Sensor de lluminositat

Mòdul de relés

Font d'alimentació de 12V

El cost total d'aquest projecte és d'aproximadament 50 USD

Pas 3: peces impreses en 3D

Diversos components que calia personalitzar per a aquest projecte es van fabricar amb l'ajut de la impressió 3D. La llista següent conté la llista completa de peces i les seves especificacions d’impressió. Tots els fitxers STL es proporcionen a una carpeta adjunta a dalt, que permet fer les modificacions necessàries si cal.

Unió de canonada x 1, farcit del 30%

Adaptador de broquet x 3, farcit del 30%

Tap de tub x 3, 10% d'ompliment

Ganxo x 2, 30% de farciment

Muntatge del sensor x 1, 20% d'ompliment

Adaptador de vàlvula x 1, 20% d’ompliment

Coberta de cablejat x 1, 20% d'ompliment

Hem utilitzat el nostre Creality Ender 3 per imprimir les peces, que han trigat unes 8 hores en les 12 parts.

Pas 4: els plans

Un no es limita a les dimensions que hem escollit per fer la nostra jardinera, sinó que s’adjunten més amunt tots els detalls necessaris per fer el projecte. En els passos següents es pot consultar fer aquestes imatges per tallar la fusta.

Pas 5: construir els costats

Per aguantar les plantes vam decidir fer una estructura de jardiner amb fusta. Les dimensions interiors de la nostra caixa són 70cm per 50cm amb una alçada de 10cm. Hem utilitzat taulons de fusta de pi per construir els laterals.

Amb una serra circular tallem els quatre trossos de longitud (dimensions adjuntades a sobre). Vam perforar forats pilot als punts marcats i avellanar-los perquè els caps del cargol quedessin a ras. Un cop fet, vam introduir vuit cargols de fusta assegurant-nos que els laterals eren quadrats que asseguraven el marc.

Pas 6: ajustar el tauler inferior

Per fer el panell inferior vam tallar una peça rectangular de fusta contraxapada de 5 mm, que després vam cargolar al seu lloc al marc lateral. Assegureu-vos que els forats estan avellinats de manera que els cargols quedin al mateix nivell que la base. Les dimensions necessàries es poden trobar adjuntes més amunt.

Pas 7: forats per a la canonada

La nostra jardinera està feta per acomodar tres fileres de plantes. Per tant, per al sistema de reg per degoteig, un costat ha de subjectar les canonades per a l'entrada d'aigua.

Comenceu mesurant els diàmetres dels connectors i traieu-los equidistantment pel costat més curt del quadre. Com que no teníem una mica de forstner, vam foradar un forat de 10 mm i després l’hem eixamplat amb una serra. Per suavitzar les vores rugoses, es pot utilitzar un Dremel fins que encaixin els connectors.

Pas 8: Connexió de les canonades d’aigua

Per connectar les juntes només cal tallar dues peces de tub de PVC de 12 cm de llarg. Encaixeu en sec el conjunt per comprovar si tot s’adapta perfectament.

A continuació, introduïu la junta impresa en 3D al forat central i els dos connectors de colze de PVC als extrems oposats fins que quedin a ras. Torneu a col·locar el tauler al marc i tapeu els connectors des de l'interior amb els adaptadors impresos en 3D. Totes les connexions s’adapten a la fricció i haurien de ser estancs, si no, es podrien segellar les juntes amb cola calenta o cinta de tefló.

Pas 9: electrovàlvula

Per controlar el flux d’aigua cap al sistema de reg per degoteig hem utilitzat una electrovàlvula. La vàlvula actua com una porta que s’obre quan s’envia un senyal elèctric fent-la controlable automàticament. Per incorporar-lo, vam fixar un extrem a la font d’aigua i l’altre a la canonada d’entrada d’aigua del planter mitjançant un adaptador intermediari. És important connectar la vàlvula en l'orientació correcta generalment etiquetada com a "IN" per a l'entrada d'aigua (una aixeta) i "OUT" per a la sortida d'aigua (el plantador).

Pas 10: Cablatge de l'electrònica

A continuació es mostra una taula amb els diferents mòduls i sensors amb els seus ports respectius al blindatge grovepi +.

• Sensor de temperatura i humitat ==> port D4
• Mòdul de retransmissió ==> port D3
• Sensor d’humitat ==> port A1
• Sensor de llum ==> port A0

Utilitzeu el diagrama de cablejat adjunt anterior com a referència.

Pas 11: compartiment del sensor

Vam construir una caixa del compartiment que contenia tota l’electrònica amb la fusta contraxapada sobrant. Tallem la fusta segons el disseny de l’electrònica i enganxem les peces. Un cop assecada la cola, vam muntar la font d'alimentació i Raspberry Pi a la caixa del compartiment, alimentant els cables dels sensors a través d'una ranura. Per tapar les ranures, vam introduir tapes impreses per segellar qualsevol buit.

El muntatge del sensor té forats per fixar clavilles on podeu muntar els sensors. Connecteu el sensor de lluminositat i humitat a la part superior i el sensor d’humitat a la ranura ajustable. Per fer que la caixa del compartiment fos fàcilment extraïble, hem cargolat ganxos impresos en 3D i el muntatge del sensor que permetien que la caixa s’enganxés a l’estructura principal. D'aquesta manera, la unitat de sistemes electrònica iot es pot integrar fàcilment a qualsevol jardiner.

Pas 12: creació de la base de dades

El primer pas és crear una base de dades per al sistema. Feu clic al següent enllaç (Google firebase), que us portarà al lloc web de Firebase (haureu d’iniciar sessió amb el vostre compte de Google). Feu clic al botó "Comença" que us portarà a la consola de Firebase. A continuació, creeu un projecte nou fent clic al botó "Afegeix projecte", empleneu els requisits (nom, detalls, etc.) i completeu fent clic al botó "Crea projecte".

Només necessitem les eines de base de dades de Firebase, així que seleccioneu "base de dades" al menú de la part esquerra. A continuació, feu clic al botó "Crea una base de dades", seleccioneu l'opció "mode de prova" i feu clic a "habilitar". A continuació, configureu la base de dades en una "base de dades en temps real" en lloc de "cloud firestore" fent clic al menú desplegable de la part superior. Seleccioneu la pestanya "regles" i canvieu les dues "falsa" a "veritable", finalment feu clic a la pestanya "dades" i copieu l'URL de la base de dades; això serà necessari més endavant.

L'últim que heu de fer és fer clic a la icona d'engranatge que hi ha al costat de la visió general del projecte, després a "Configuració del projecte", després seleccionar la pestanya "Comptes de servei", finalment fer clic a "Secrets de la base de dades" i anotar el codi de seguretat de la vostra base de dades. Amb aquest pas complet, heu creat amb èxit la vostra base de dades al núvol a la qual es pot accedir des del telèfon intel·ligent i des del Raspberry Pi. (Utilitzeu les imatges adjuntes anteriorment en cas de dubtes o simplement deixeu anar una pregunta o un comentari a la secció de comentaris)

Pas 13: Configuració de l'aplicació

La següent part del sistema IoT és l’aplicació per a telèfons intel·ligents. Vam decidir utilitzar el MIT App Inventor per crear la nostra pròpia aplicació personalitzada. Per utilitzar l’aplicació que vam crear primer obriu el següent enllaç (MIT App Inventor), que us dirigirà a la seva pàgina web. A continuació, feu clic a "crea aplicacions" cap a la part superior de la pantalla i inicieu la sessió amb el vostre compte de Google.

Baixeu-vos el fitxer.aia que hi ha enllaçat a continuació. Obriu la pestanya "Projectes" i feu clic a "Importa projecte (.aia) des del meu ordinador", seleccioneu el fitxer que acabeu de descarregar i feu clic a "D'acord". A la finestra de components, desplaceu-vos tot cap avall fins que aparegui "FirebaseDB1", feu-hi clic i modifiqueu el "FirebaseToken", "FirebaseURL" als valors dels quals havíeu mantingut una nota al pas anterior.

Un cop finalitzats aquests passos, ja podeu descarregar i instal·lar l'aplicació. Podeu baixar l'aplicació directament al telèfon fent clic a la pestanya "Construeix" i fent clic a "Aplicació (proporcioneu el codi QR per.apk)" i, a continuació, escaneu el codi QR amb el vostre telèfon intel·ligent o feu clic a "Aplicació (deseu.apk al meu ordinador)) "descarregareu el fitxer apk a l'ordinador que haureu de canviar al telèfon intel·ligent per després instal·lar-lo.

Pas 14: programació del Raspberry Pi

El Raspberry Pi s’ha de llançar amb l’última versió de Raspbian (Raspbian). Per si teniu previst utilitzar l’escut GrovePi + tal com ho vam fer nosaltres, feu servir el vostre Raspberry Pi amb la versió més recent de "Raspbian for Robots" (Raspbian for Robots). Un cop hagueu llançat el vostre Raspberry Pi, haureu d’instal·lar una biblioteca de python addicional. Obriu el terminal i enganxeu les ordres següents:

1. sol·licituds d'instal·lació de sudo pip == 1.1.0
2. sudo pip instal·la python-firebase

Un cop fet això, descarregueu el fitxer adjunt a continuació i deseu-lo en un directori del vostre Raspberry Pi. Obriu el fitxer i desplaceu-vos cap avall fins a la línia 32. En aquesta línia, substituïu la part que diu "enganxeu el vostre URL aquí" per l'URL de la base de dades que havíeu assenyalat anteriorment. Assegureu-vos que enganxeu l'URL entre els fitxers ''. Amb això, heu acabat, obriu el terminal i executeu l'script python mitjançant l'ordre "python".

Pas 15: utilitzar l'aplicació

La interfície de la nostra aplicació s’explica per si mateixa. Els quatre quadres principals mostren valors en temps real de lluminositat, temperatura, humitat i el contingut d’humitat del sòl en percentatges. Aquests valors es poden actualitzar fent clic al botó "obtenir valors" que indica a Raspberry Pi que actualitzi la base de dades del núvol seguit del botó "actualitza" que actualitza la pantalla un cop s'ha actualitzat la base de dades.

La secció inferior de la pantalla és per al sistema de reg per degoteig. El botó "on" activa la bomba d'aigua mentre el botó "off" l'apaga. El botó "automàtic" utilitza els diversos valors del sensor per calcular l'aigua exacta necessària diàriament i rega les plantes dos cops al dia a les 8 del matí i a les 4 de la tarda.

Pas 16: folre de lona

Com que la humitat del sòl podria fer pudrir la fusta amb el pas del temps, vam tallar una làmina de lona a mida i la vam folrar a la superfície interna del jardiner. Assegureu-vos de tirar-lo pels costats i, finalment, manteniu-lo al seu lloc amb una mica de cola. Un cop fet, vam omplir el sòl que vam obtenir d’una granja local. Esteneu el sòl de manera uniforme fins a la part superior i incorporeu les tres files del tub de reg per degoteig.

A la cantonada prop de les canonades d’aigua s’ajusta la caixa electrònica i s’incrusta el sensor d’humitat al sòl. Això facilita el treball del cablejat, ja que la solenoide està a prop de l'electrònica i es pot connectar fàcilment.

Pas 17: Sistema de reg per degoteig

Tallar tres trossos del tub quirúrgic que s'estenen al llarg de la jardinera (al voltant de 70cm); això actuarà com la línia principal de degoteig de les plantes. Per tant, planifiqueu l’espai necessari entre les plantes i practiqueu un forat d’1 mm i els intervals. Comproveu si l’aigua gotera fàcilment i amplieu els forats si cal. Utilitzeu els tres endolls per tancar els extrems assegurant-vos que l’aigua només pugui sortir dels forats de degoteig.

Incrusteu lleugerament els tubs al sòl i estigueu a punt per regar les plantes.

Pas 18: plantació de resultats

Les imatges anteriors són els resultats del treball del jardí durant un mes. Les plantes són sanes i hem aconseguit cultivar herbes com la menta i el coriandre.

Mitjançant l'experimentació, hem observat que el mode automàtic estalvia prop del 12% d'aigua al dia. A mesura que es regen les plantes mitjançant reg per degoteig, les seves arrels creixen rectes donant més espai per fer créixer més plantes al jardiner. L’únic inconvenient que vam observar va ser que les plantes més grans necessiten més profunditat del sòl. Dit això, a causa de la construcció modular, es pot afegir fàcilment una base més profunda a les seves necessitats.

Per concloure, aquest sistema no només fa que el vostre jardí sigui més eficient, sinó que també garanteix el benestar de les vostres plantes, ja que la retroalimentació de les dades en temps real proporciona un mètode robust per proporcionar la quantitat adequada d’aigua i llum solar. Esperem que l'instrumentable sigui útil i que us ajudi a cultivar el vostre propi jardí.

Feliç fer!

Primer premi a l'IoT Challenge