Arduino城市植物浇水解决方案

描述

 

给植物浇水的伺服臂。

 

该设备改善了城市环境中的植物灌溉。它由 Arduino 101 提供动力，使用板载工具和一些外部传感器来计算在其自身环境中给植物浇水的最佳条件，然后在计算好的时间给植物浇水。

它基于以下概念：

重力和压力

这个设备的水源来自一个水库，我用牛奶罐、塑料管、管子密封胶粘土和一个伺服器制作了这个水库。该容器的放置方式使得除了升高之外，它还可以从设备上方收集雨水。

 

储水罐在高架表面上的位置，在本例中为长凳。

 

水罐主要由家庭供水（由于雨水并不总是可用）填充，但由雨水补充。当水壶中有水时，重力的吸引力会将水壶内的水拉向地球。在水壶的底部切出一个孔，以便插入出口管。因此，重力将水拉过该出口管。伺服器调节何时允许水完全流出管道。正常情况下，伺服臂处于直立位置，可防止水流出管道。然而，在给植物浇水时，手臂会降低 135 度，从而让水从管道中流出并灌溉植物。一旦完成，手臂就会抬起。

水对水壶的压力不仅有助于水壶的稳定性，而且还有助于水的排出，从而在灌溉期间允许水连续流动。

TMP36 温度传感器和英特尔居里模式匹配引擎

这种概念组合有助于推动确定浇灌植物最佳时间的计算。TMP36 是一种温度传感器，其工作方式类似于温度计，但具有电子模拟输出。该输出可由微控制器等设备读取，并转换为温度。在此项目中，该设备尝试计算浇灌植物的最佳时间，该时间最接近 25 摄氏度。它每小时记录 30 条记录，间隔两分钟，并在每个周期结束时计算其中 29 条记录的平均值（不包括第一个，因为它通常不准确）。这就是模式匹配引擎的用武之地。

 

TMP36 在设备上的位置。

 

Intel Curie PME（模式匹配引擎）是 Arduino 101 中内置的人工神经网络。其库可在 GitHub 上找到。它由 128 个神经元组成，能够学习和分类数据，保存在向量中，基于现有数据，或向量分类。可用的类别越多，PME 可以采用的分类选项就越多。

对于这个项目，PME 记录了一天中的温度数据，并尝试在这些数据中对最佳条件（25 摄氏度）进行分类。结果成为第二天给植物浇水的时间。

从上午 8 点到晚上 9 点，每小时记录一次数据。第一次这样做时，数据将保存到板载串行闪存中。这将允许设备启动到数据集，即使它已关闭。获得数据集后，它尝试对最佳条件进行分类。如果能够这样做，则所选类别将成为下一轮使用的小时。如果不是，则设备将使用每月常量，或每月一天中温度最高的时间。应该注意的是，这些并不总是浇灌植物的最佳温度，这就是我使用 PME 的原因。

在第一次学习之后，数据被清除并在第二天重新学习，在选定的时间给植物浇水。这个循环无限重复，或者直到设备断开电源，此时再次打开时它使用保存的参数作为选定的小时并继续运行。

Intel Curie 实时时钟和低功耗蓝牙

Intel Curie RTC 或实时时钟是该设备的重要组成部分。RTC 控制设备上的所有事件何时发生。对于这个项目，RTC 在跟踪小时数（用于给植物浇水和何时记录数据）以及月份（用于确定备用峰值温度常数）方面尤为重要。但是，此 RTC 的精确日期需要手动设置，可以通过代码或用户输入来设置。这已通过 BLE 解决。

 

板载 BLE 天线的位置。

 

Bluetooth Low Energy 是专为低功耗设备设计的更新版本的蓝牙。它在中央-外围系统上运行，其中中央或输入写入外围设备或输出。这更像是一个公告牌系统，中央将数据放在公告牌上，供所有外围设备阅读。在这种情况下，我在我的移动设备上使用 Nordic Semiconductor 的 nRF Connect 作为中心设备，并将 Arduino 101 作为外围设备。移动设备能够连接到 Arduino 并向其发送数据。在这种情况下，移动设备需要发送四次数据，每个必需的输入字段一次。

移动设备上输入的数据是十六进制的。从 10 进制数转换起来相当容易，但可以使用在线转换器。

如何建造

构建此灌溉解决方案需要一些电路知识，但不要太多。它还需要一些非电气元件来完成。这是完整的零件清单：

电气元件

• 阿杜诺 101

• 400 领结面包板，带 +- 导轨

• 旋转电位器

• 16x2 液晶显示器

• 330欧姆电阻

• TMP36温度传感器

• 180度舵机，带舵机喇叭

• 雨量传感器和控制板

• 土壤湿度传感器和控制板（可选，包含硬件作为参考）

• 大量的跳线；参见 Fritzing 图

使用电池运行（可能不会持续太久；我使用的设置）：

• 2X 4xAA 电池盒，带开/关开关和导线

• 8 节 AA 1.2V 镍氢充电电池

要通过壁式电源或笔记本电脑使用 USB 电源运行：

• USB公A-公B线，长度根据需要而定

非电气硬件组件

• 牛奶罐

• 柔性塑料管，长约 20-30 厘米

• 造型粘土、热胶或任何可用作密封剂的东西

• 塑料杆，用于支撑油管臂

• 工艺篮，用来装设备

• 用于放置水壶的高架表面，即小长凳或桌子

• 植物

工具

• 胶带，包括普通胶带和电动胶带

• 剪刀

• 十字螺丝刀，用于将伺服喇叭连接到伺服

脚步

1. 根据下面的 Fritzing 图搭建电路。请注意，土壤湿度传感器是可选的，雨量传感器和伺服器可能需要更长的电线才能到达所需位置。有关电路的最终布置，请参见下面的第二张照片。

 

设备的电路图。Fritzing 页面的快照。

 

 

电缆的最终布线。将土壤传感器、雨量传感器和伺服电缆组合在一起并向左布线。

 

2.（如果使用 USB 电源，请跳至第 5 步）。将电池分别装入两个电池盒中，将一盒的正极和另一盒的负极绑在一起。

 

两个盒子的电线绑在一起并用胶带粘在一起。

 

3. 用电工胶带把盒子粘在一起。固定盒子，使两者的盖子都安装好，两者的外壳都安装好，并且盖子可以作为一个整体拆卸。为电源开关留出插槽。

4. 将电池盒的双盖粘贴到 Arduino 101 和面包板的底部。这样可以通过将电池从电路板下方滑出来轻松更换电池。

 

电池连接到 Arduino 和面包板的底部。

 

5. 将设备插入工艺篮，并在设备的一侧切两个槽。第一个插槽用于编程（如果您愿意，也可以使用 USB 电源），第二个插槽用于连接不在设备上的传感器和执行器。随意使用电工胶带将松散的电线固定在该插座中。

 

工艺篮侧面的插槽。电线在最右边的插槽中布线，USB 在左侧。

 

6. 拿一个牛奶罐，切掉顶部，这样罐子就有足够大的开口来接水，容量也足够大，可以保证可靠性。我建议切口靠近手柄底部。

7. 在罐子底部开一个小孔，就在罐子顶部最大开口的正下方。将塑料管的一端插入该孔。确保孔足够小，以便管道保持在原位，但又足够大，不会挤压管道。

 

水壶顶部和底部的切口。

 

8. 用粘土密封孔中管道周围的顶部和底部区域。确保粘土不会进入管道本身。

9. 使用粘土和电工胶带，将伺服系统尽可能低地固定到牛奶罐底部。将管子的中间和一根塑料棒粘到伺服喇叭上。确保塑料棒也用胶带粘在管子的上端。使用下图作为步骤 8 到 10 的参考。

10. 将水壶固定在升高的表面上。必要时使用胶带。

 

伺服臂和水壶在高架表面上的位置。管道被路由到水壶的底部。

 

11. 在降低位置时，将植物放在管出口正下方。如果您正在使用湿度传感器，请将它们插入土壤中，并将雨量传感器放置在靠近地面植物的位置。将传感器和伺服器插入设备，并将设备放置在离水罐和植物稍远的地方。

编程

使用附带的代码对 Arduino 101 进行编程。使用 Arduino IDE 和 Curie Core 2.0.2 或更高版本（如果可用）上传。代码中包含许多有用的注释。

设备操作

首次打开设备时，它将等待连接移动设备。使用 nRF Connect 连接设备后，它将等待时间输入。为此，按下图所示，按顺序在 nRF Connect 中依次键入以 10 为基数的小时、分钟、日期和月份的十六进制代码。

在输入时间之前，必须输入并发送 ID 输入或任何数字。

 

nRF Connect 连接到 Arduino 101 的阶段。

 

输入时间后，101 将等待移动设备断开连接。这样做之后，它将等待当天或第二天早上 8 点。

到了早上 8 点，开发板将检查闪存中是否保存了任何内容。如果没有，那么它会按照前面描述的那样进行 14 小时的收集过程，然后对数据进行分类并确定最佳时间，此时它会重复收集周期。如果存储了某些内容，则该数据将用作小时常数，并且循环将照常进行。

在委员会给植物浇水期间，下雨或土壤水分过多（可选）会阻止植物浇水。然后它将跳过当天的浇水并等待下一天。

 

植物浇水！

 

该解决方案旨在通过采用自动设置来处理这一问题，从而使城市植物灌溉更简单、更优化。它还通过使用一个水库来保存雨水和现有的房屋供水，这使得雨水没有直接流向植物。

希望这个项目能让我们不断变化的世界变得更美好！