Sistema de jardim automatizado construído em Raspberry Pi para atividades ao ar livre ou dentro de casa - MudPi: 16 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Você gosta de jardinagem, mas não encontra tempo para mantê-la? Talvez você tenha algumas plantas que estão parecendo com um pouco de sede ou procurando uma maneira de automatizar sua hidroponia? Neste projeto, vamos resolver esses problemas e aprender o básico do MudPi, construindo um sistema de jardim automatizado para ajudar a cuidar das coisas. MudPi é um sistema de jardim de código aberto que criei para gerenciar e manter os recursos do jardim construídos em um Raspberry Pi. Você pode usar o MudPi para projetos de jardinagem internos e externos dimensionados de acordo com suas necessidades, uma vez que é projetado para ser personalizado.

Hoje começaremos com uma configuração básica que usei em casa para ver como o MudPi pode ser implantado para administrar um jardim externo e controlar a irrigação. Neste tutorial, você aprenderá como implantar um controlador principal executando o MudPi. Haverá alguns recursos adicionais próximo ao final para aqueles que desejam expandir suas configurações além do básico ou que gostariam de ver mais informações para configurações diferentes, como dentro de casa. O MudPi pode ser configurado para uma variedade de configurações e há uma grande quantidade de documentação no site do projeto.

Suprimentos

Sinta-se à vontade para adicionar / remover quaisquer sensores ou componentes específicos que você possa precisar para seu próprio sistema, pois seus requisitos podem ser diferentes dos meus.

Suprimentos Gerais

• Raspberry Pi com Wifi (usei Pi 3 B)

  Debian 9/10

• Monitor / teclado / mouse (para configuração Pi)
• Cartão SD para Raspbian (8gb)
• Cabo classificado para uso externo (4 fios)
• Caixa de junção impermeável para exterior
• Prensa-cabos
• Trilho Din (para montar disjuntores e alimentação DC)
• Tubo de PVC
• Drill c / Spade Bits

Suprimentos eletrônicos

• Sensor de Temperatura / Umidade DHT11
• Sensor de nível de flutuação líquida x2
• 2 canais de retransmissão

• Bomba de 12v (ou 120v se estiver usando a tensão da rede)

  Conversor DC para DC se você usar 12v

• Fonte de alimentação 5v

  ou fonte de alimentação DC (se alimentando pi da rede)

• Resistores de 10k para pull up / down

Ferramentas

• Chave de fenda
• Descascador de fios
• Multímetro
• Ferro de solda
• Solda
• Parafusos (para caixas de montagem externas)
• Silicone Calk

Etapa 1: Jardim e planejamento de irrigação

Certifique-se de ter sua irrigação planejada se você estiver estabelecendo um novo sistema. Será importante ter essas coisas prontas quando você for preparar o hardware para saber as necessidades dos componentes. As necessidades podem mudar com o tempo, mas é uma boa prática se preparar para o futuro. Suas duas opções principais de distribuição de água são usar uma bomba em um reservatório de água ou uma mangueira com um solenóide para abrir e fechar a linha. A escolha será sua, dependendo das necessidades do seu jardim. Um sistema maior e mais complexo pode fazer uso de ambos (ou seja, bombear água através de válvulas solenóides para regar por zona). Se você planeja usar o MudPi em ambientes internos, provavelmente usará uma bomba. O MudPi também pode controlar as luzes da planta interna usando um relé.

Dica do fabricante: lembre-se de que você pode construir seu projeto em qualquer escala. Se você quer experimentar o MudPi pela primeira vez, experimente algo como uma garrafa de água e uma bomba de 3.3v para regar uma planta de casa!

Considere também as opções de distribuição de água. Você usará tubos de gotejamento, mangueiras de imersão ou sprinklers? Aqui estão alguns métodos comuns:

• Sprinkler
• Mangueira de imersão
• Linhas de gotejamento
• Água manual

Para evitar que o escopo deste tutorial cresça muito, vamos supor que você já tenha a irrigação instalada e apenas gostaria de automatizá-la. Na minha configuração, tenho um tanque de água com uma bomba ligada a algumas linhas de gotejamento. Vamos aprender como automatizar essa bomba.

Etapa 2: Sensores e planejamento de componentes

O outro aspecto de planejamento importante a considerar é quais dados você deseja obter do seu jardim. Normalmente, a temperatura e a umidade são sempre úteis. A detecção de umidade e chuva do solo é excelente, mas pode não ser necessária para uma configuração interna. Será sua decisão final sobre quais condições são importantes para monitorar suas necessidades. Para nosso tutorial básico ao ar livre, iremos monitorar:

• Temperatura
• Umidade
• Níveis de água (interruptor de flutuação x2)

Usei 5 sensores de nível de água para determinar os níveis de 10%, 25%, 50%, 75% e 95% em um tanque grande. Neste tutorial, faremos 10% para baixo crítico e 95% cheio por questão de simplicidade.

Você também pode querer controlar dispositivos em seu jardim. Se você planeja alternar uma bomba ou luzes que não funcionam em 3,3 V (o limite GPIO pi), você precisará de um relé. Um relé permite que você controle circuitos de alta tensão enquanto usa uma tensão mais baixa para alternar o relé. Para nossos propósitos, temos uma bomba que funciona com tensões superiores a 3,3 V, portanto, precisaremos de um relé para alternar a bomba. Apenas um único relé é necessário para controlar a bomba. Embora para fins futuros (e porque os relés são baratos), instalei um relé de 2 canais e deixei o slot adicional disponível para atualizações posteriores.

A coisa mais importante a se planejar é o fornecimento de energia. Como o Pi será alimentado e de onde. Além disso, você deve pensar sobre os dispositivos que está usando e como eles obterão energia. Normalmente, o Pi pode ser alimentado por um adaptador de energia USB, mas isso requer um plugue próprio. Se estivermos alimentando outros dispositivos com tensões mais altas, uma fonte de alimentação DC para DC pode ser usada para reduzir as tensões para 5v para o Pi. Se você planeja comprar uma fonte de alimentação para reduzir as tensões, recomendo não escolher a opção mais barata.

Lembre-se de que o Raspberry Pi só oferece suporte a GPIO digital por padrão. Isso significa que você não pode simplesmente conectar um sensor de solo que faz leituras analógicas para o Pi GPIO. Para ser compatível com componentes analógicos, você precisa fazer uso de um microcontrolador com suporte analógico, como um Arduino ou ESP32 (ou ESP8266).

Felizmente, MudPi tem suporte para controlar dispositivos como nós escravos para emitir comandos para vários dispositivos de um controlador principal (o pi). Isso torna possível ter um controlador principal com várias unidades de sensor que ele pode controlar junto com seus componentes analógicos anexados. Usei um controlador principal para monitorar a área da bomba e uma unidade de sensor para cada canteiro elevado. Hoje vamos continuar construindo o controlador principal para começar.

Etapa 3: reunir suprimentos

É hora de reunirmos nossos materiais. Os componentes e ferramentas usados nesta construção são todos itens de prateleira disponíveis comercialmente para tornar mais fácil para outras pessoas construírem os seus próprios em casa. A maioria pode ser encontrada online ou em lojas de ferragens locais. A lista de materiais exata dependerá do layout específico do jardim. Por causa deste tutorial, vamos manter as coisas no essencial, conforme planejado, a fim de obter uma unidade em execução antes de prosseguir.

Observação: gostaria de fazer uma observação neste ponto se você planeja alternar componentes que funcionam sem a tensão da rede elétrica, tenha CUIDADO! É importante que você esteja seguro ao construir eletrônicos e não mexa em altas tensões se não souber o que está fazendo. Com isso dito, usei uma bomba de 120 V na configuração da minha casa. O processo é o mesmo para uma bomba de 12v com a principal diferença de precisar de um regulador de 12v. Você também pode usar relés para alternar as luzes ou outros dispositivos.

Etapa 4: instale o MudPi no Raspberry Pi

Com um plano pronto e suprimentos em mãos, é hora de preparar o hardware. Para começar, você deve preparar seu pi de framboesa para instalar o MudPi. Você precisará de um Raspberry Pi com recursos de Wifi executando o Debian 9 ou superior. Se você ainda não instalou o Raspbian, você precisará baixar o Raspbian de sua página aqui.

Com o arquivo de imagem baixado, grave-o no cartão SD usando um gravador de imagens de sua escolha. O Raspberry pi tem um guia para gravar arquivos em um cartão SD, se você precisar de ajuda.

Conecte o cartão SD em seu pi e ligue-o. Conecte seu Pi ao Wifi usando a GUI se você instalou o Raspbian Desktop ou editando o arquivo /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf por meio do terminal no Raspbian Lite.

A próxima coisa que você deve fazer depois que o Wifi estiver conectado é executar atualizações e upgrades no pi.

Para atualizar o login do Pi e a partir do terminal, execute:

sudo apt-get update

sudo apt-get upgrade

Uma vez completada a reinicialização

sudo reboot

Depois que o Pi for reiniciado, agora podemos instalar o MudPi. Você pode fazer isso usando o instalador MudPi com o seguinte comando:

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

O instalador cuidará de todos os pacotes e configurações necessários para MudPi. Por padrão, o MudPi é instalado no diretório / home / mudpi com o núcleo localizado em / home / mudpi / core.

Você pode executar o MudPi manualmente com o seguinte comando:

cd / home / mudpi

mudpi --debug

No entanto, o MudPi tem um trabalho de supervisor que o executará para você. Além disso, você precisará primeiro de um arquivo de configuração antes de executar o MudPi. Para fazer um arquivo de configuração, você precisará saber quais pinos você conectou quais componentes também, o que é feito na próxima etapa. Avante!

Etapa 5: conectar sensores e componentes ao Pi para teste

A próxima etapa é conectar nossos componentes ao Pi. (Observe que eu estava testando componentes adicionais na foto) Você pode estar usando fios de jumper e placas de ensaio para testar, o que é bom, mas lembre-se de atualizar para algo mais confiável ao construir uma unidade final para o campo.

Conecte o pino DATA do sensor DHT11 / 22 ao pino 25 do GPIO.

Conecte a alimentação e o aterramento do DHT11 / 22.

Conecte uma extremidade de cada um dos 2 sensores de flutuação de líquido aos pinos GPIO 17 e 27, respectivamente, com resistores pull down de 10k.

Conecte as outras extremidades dos sensores de flutuação a 3,3 V para que o GPIO seja normalmente puxado para BAIXO, mas para ALTO quando o interruptor de flutuação fecha.

Anexe os pinos de alternância do Relé de 2 canais aos pinos 13 e 16 do GPIO.

Conecte o relé 5V à alimentação e o aterramento ao aterramento.

Vamos nos preocupar com as conexões de alta tensão do relé em uma etapa posterior, quando conectarmos os plugues. Por enquanto, devemos estar prontos para fazer o arquivo de configuração MudPi e testar os componentes.

Etapa 6: Configurar MudPi

Com os sensores e componentes anexados, você pode fazer o arquivo de configuração MudPi e testar se tudo funciona antes de terminar a montagem da unidade. Para configurar o MudPi, você atualizará o arquivo mudpi.config localizado no diretório / home / mudpi / core / mudpi. Este é um arquivo formatado em JSON que você pode atualizar para se adequar às suas necessidades de componente. Certifique-se de verificar a formatação adequada se estiver tendo problemas.

Se você estiver acompanhando o seguinte arquivo de configuração funcionará para os componentes que conectamos:

Há muita coisa acontecendo na configuração acima. Eu recomendo pesquisar os documentos de configuração para obter informações mais detalhadas. Definimos o DHT11 e os flutuadores na matriz do sensor e colocamos as configurações do relé na matriz de alternância. A automação ocorre configurando gatilhos e ações. Um gatilho é uma maneira de dizer ao MudPi para escutar certas condições nas quais queremos agir, como a temperatura estar muito alta. Um gatilho não é muito útil até que forneçamos uma ação para o gatilho. Na configuração acima, existem dois gatilhos de tempo. Um gatilho de tempo usa uma string formatada de cron job para determinar quando deve ser ativado. Os acionadores de tempo acima são definidos para cada 12 horas (ou seja, duas vezes por dia). Eles irão acionar as duas ações que configuramos, que irão apenas ligar / desligar nosso relé com um evento emitido pelo MudPi. O segundo gatilho é deslocado em 15 minutos para que nossa bomba ligue e regue por 15 minutos antes de ser desligada novamente. Isso acontecerá duas vezes por dia, todos os dias.

Agora você pode reiniciar o MudPi dizendo ao supervisor para reiniciar o programa:

sudo supervisorctl restart mudpi

Agora, o MudPi deve recarregar as configurações e funcionar em segundo plano, fazendo leituras dos sensores e ouvindo eventos para alternar os relés. Você pode verificar se o MudPi está funcionando com:

sudo supervisorctl status mudpi

O MudPi também armazenará arquivos de log no diretório / home / mudpi / logs. Se você estiver encontrando problemas, é um bom lugar para verificar primeiro.

Se você verificou que o MudPi estava funcionando, é hora de iniciar a montagem final da unidade. Desligue o Raspberry Pi e vamos terminar a montagem do hardware.

Etapa 7: Soldar componentes para placa de protótipo

Agora que o MudPi está configurado, você pode continuar trabalhando no hardware. Os componentes que permanecem na caixa devem ser soldados a uma placa de protótipo para obter mais estabilidade do que os fios de jumper. Não é tão bom quanto uma placa de circuito personalizada, mas funcionará por enquanto. O sensor DHT11 que estamos usando será externo, mas você pode opcionalmente incluir um outro interno para as temperaturas internas da caixa.

Soldei um cabo breakout pi a uma placa junto com alguns conectores de terminal para conexões GPIO mais fáceis, uma vez que reconectamos os sensores e o relé. O cabo breakout tornou bom ser capaz de desconectar o pi sem ter que retirar todo o módulo. Eu também incluí os resistores pull down necessários para os flutuadores também. Com isso concluído, podemos colocar tudo dentro de uma bela caixa de junção externa para protegê-lo.

Etapa 8: comece a colocar os componentes eletrônicos em uma caixa de junção externa

Neste ponto, tudo foi testado trabalhando no MudPi e é hora de montar a unidade externa para suportar os elementos. Sua loja de ferragens local terá uma seleção de caixas de junção na seção de eletrônicos que você pode comprar por menos de $ 25. Procure um que tenha o tamanho certo e uma vedação estanque. Gastei um pouco mais para conseguir uma caixa reforçada com fibra com travas de mola. Tudo que você precisa é algo que mantenha a umidade do lado de fora e encaixe em todos os seus componentes. Você fará furos nesta caixa para direcionar os cabos também.

Etapa 9: Conecte os plugues ao relé e instale na caixa de junção * Advertência de alta tensão *

O Pi deve ser desligado ao conectar os componentes. Se você estiver usando 120v ou 12v para a bomba, considere o plugue a ser usado. As bombas que executam 12v normalmente usam um conector jack barril. Trabalhando com 120 V, você pode trabalhar com um plugue de cabo de extensão fêmea. Agora, não saia cortando um cabo de extensão e mexendo nisso sem o equipamento adequado.

Usando uma furadeira ou broca de espada, faça dois orifícios de 3/4 pol. Na parte inferior da caixa de junção externa e coloque dois prensa-cabos de 3/4 pol. Se você quiser usar o outro canal de relé, instale outro cabo de terminação fêmea em.

Na caixa, instalei uma pequena seção de trilho din. No trilho está uma fonte de alimentação DC para diminuir a tensão de 120v para 5v para ligar o Pi, bem como alguns disjuntores de segurança. Estou usando apenas dois disjuntores para poder desligar o Pi sem desligar todo o sistema. Um disjuntor seria suficiente. Agora, dentro do cabo de extensão, existem três cabos coloridos. BRANCO é neutro, VERDE é aterrado e PRETO é 120v +. O verde e o branco vão diretamente para a fonte de alimentação DC. O preto vai primeiro para os disjuntores e depois para a fonte de alimentação CC. Na fonte de alimentação está um pequeno parafuso que é um potenciômetro para ajustar a tensão para 5v.

Usaremos blocos de terminais para fazer conexões entre os plugues. Usando um bloco, conecte todos os cabos neutros brancos juntos. Se você não tiver blocos de terminais, fita isolante será suficiente. Os cabos de aterramento verdes também devem ser conectados juntos. O lado de alta tensão do relé tem três conexões: COM (comum), NC (normalmente fechado) e NO (normalmente aberto). Dependendo do seu relé, ele pode ter apenas NC ou NÃO, não ambos. Conecte um pequeno cabo extra do disjuntor que fornecerá 120 V ao terminal COM (comum) do nosso relé no lado da alta tensão. Agora conecte os cabos de extensão fêmea da linha preta de 120 V ao terminal NC. Isso significa que o plugue estará normalmente desligado e não conectado, mas quando alternarmos o relé, ele fornecerá 120v ao plugue, ligando assim nossa bomba.

Neste ponto, todos os cabos de extensão devem ter seus neutros brancos amarrados juntos e seus aterramentos verdes amarrados juntos. Os cabos fêmeas têm seu 120v preto conectado ao terminal NC do relé. O cabo de extensão macho deve ter sua energia preta direcionada para uma ruptura no trilho din e, em seguida, dividida para a fonte de alimentação DC e os COMs dos relés.

É importante instalar tudo em uma caixa à prova d'água e proteger / encaminhar adequadamente todos os seus cabos. A última coisa que você quer é um incêndio ou alguém sendo eletrocutado. Também não mexa com alta tensão se você não puder estar seguro. Você ainda pode fazer um pouco com 12v e componentes inferiores.

Etapa 10: Coloque os sensores na caixa protetora

Natureza e umidade não são muito amigáveis para a eletrônica. Você protegeu o Pi com a caixa de junção externa, mas agora precisa proteger todos os componentes externos. Você pode fazer alguns invólucros decentes para proteger os componentes externos usando alguns tubos de PVC ou outros pedaços de tubos de sucata. Eu montei uma tampa ventilada simples para o sensor DHT11 para ajudar a protegê-lo da chuva e insetos, mas permitir que ele respire para leituras externas precisas. Use silicone calk para vedar ao redor dos cabos na próxima etapa.

Não é a melhor solução, mas funciona para um sensor barato de 4 $. (Eu também fiz alguns para sensores de solo que estava testando na época também.) Os sensores de bóia serão instalados no tanque de água e não requerem alojamento adicional.

Você também descobrirá que os sensores geralmente só vêm com algum fio barato de bitola fina. Isso não vai durar muito para algum manuseio geral ou climas externos. Na próxima etapa, abordaremos isso.

Etapa 11: conectar sensores com cabos e plugues classificados para ambientes externos

Obter algum cabo classificado para uso externo é essencial se você deseja ter sensores externos conectados à caixa. O cabo classificado para uso externo possui blindagem para ajudar a proteger os fios internos. Peguei um cabo de 4 fios e plugues. Você não precisa dos plugues e, em vez disso, pode usar mais prensa-cabos, mas eu queria trocar os sensores rapidamente.

Corte o cabo no comprimento certo para o sensor de temperatura e sensores flutuantes. Eu daria alguns metros extras, pois é sempre bom ter um extra para cortar, se necessário. Sugiro soldar os cabos para melhores conexões e, em seguida, enrolar com fita isolante. Eu sugiro usar a mesma cor para alimentação e aterramento com cada fio para tornar as coisas fáceis de lembrar. Coloque o cabo na caixa com vedação de silicone no restante da parte inferior da caixa, de forma que apenas a tampa ventilada seja o ponto de entrada.

A outra extremidade do cabo você pode passar para a caixa através dos prensa-cabos e conectar ao Pi nos mesmos pinos de antes. Se você optar por usar plugues, instale as extremidades do plugue no cabo. Perfure e instale as outras extremidades na caixa de junção e, em seguida, conecte os internos.

Etapa 12: Instale os sensores de flutuação no tanque

Com os outros sensores protegidos e prontos para funcionar, é hora de instalar os sensores do flutuador no tanque de água. Como estamos usando apenas dois, você deve instalar 1 em um nível crítico baixo para que a bomba não funcione e um que deve marcar o tanque está cheio. Encontre a broca de tamanho correto e faça um furo no tanque nos níveis corretos. Aparafuse os sensores de flutuação no tanque com a arruela e a porca fornecidas. Olhe dentro do tanque e certifique-se de que os sensores do flutuador estejam orientados de forma que fiquem na posição desligada e se levantem quando a água subir, faça-os fechar o circuito.

Por causa dos resistores pull down, isso significa que quando o nível de água é atingido, o sensor de flutuação nesse nível com leitura 1. Caso contrário, o sensor de flutuação retornará 0 se a água não estiver levantando o sensor fechando o circuito.

Etapa 13: Implantar a unidade externa

A unidade MudPi está pronta para o campo e podemos montá-la do lado de fora em seu local final. A caixa de junção externa normalmente vem com uma tampa para aparafusar para fazer a vedação à prova d'água. Você também deve encontrar alguns orifícios de montagem na parte traseira para usar para montar a unidade. Eu instalei minha caixa ao lado do galpão de água do lado de fora, uma vez que os sensores da bóia só tinham uma passagem de cabo limitada.

Você pode conectar o cabo de extensão macho em uma tomada e virar o disjuntor para colocar o MudPi online. Certifique-se de que tudo está funcionando antes de deixá-lo por um longo período de tempo. Teste se os sensores estão fazendo leituras examinando os valores armazenados no redis ou verificando os registros do MudPi. Se tudo estiver certo, é hora de deixar o MudPi trabalhar enquanto você relaxa.

Etapa 14: Monitorando MudPi

Agora que o MudPi está funcionando, você pode se perguntar como monitorar seu sistema. A maneira mais fácil e direta é monitorar o arquivo de log MudPi:

tail -f /home/mudpi/logs/output.log

Outra opção é por meio de uma interface como uma página da web local. Ainda não tive tempo de lançar uma IU pública do MudPi, mas você pode facilmente obter seus sensores e o estado do componente do redis com PHP. Saiba como o MudPi armazena seus dados no redis mais nos documentos.

As leituras mais recentes do sensor serão armazenadas no redis na opção de chave que você definiu na configuração. Usando isso, você pode fazer um aplicativo PHP simples para obter as leituras no carregamento da página e exibi-las. Em seguida, basta atualizar a página para novos dados.

Também é possível ouvir eventos MudPi no redis e esta é a melhor opção para obter atualizações em tempo real do sistema. Você pode ler os eventos diretamente através do redis-cli

redis-cli psubscribe '*'

Etapa 15: Substitua as placas de protótipo por PCBs personalizados (opcional)

Eu fui um pouco mais longe e fiz algumas placas de circuito personalizadas também para o MudPi. Eles me ajudam a acelerar o processo de construção com a construção de várias unidades MudPi e são muito mais confiáveis. Comecei a substituir minhas antigas placas de protótipo por PCBs mais confiáveis em todas as unidades existentes que tenho. No futuro, quero disponibilizar essas placas para venda em pequenas quantidades para ajudar no suporte ao meu trabalho de código aberto. O MudPi não requer placas de circuito personalizadas para funcionar, ele apenas ajuda a reduzir a carga de trabalho do hardware com componentes integrados já instalados, como resistores pull down e sensores de temperatura / umidade.

Etapa 16: Relaxe e observe o crescimento das plantas

Agora você tem seu próprio sistema de jardim automatizado que pode expandir e dimensionar como desejar. Faça mais unidades ou expanda aquela que você já construiu. Há muito mais que você pode fazer com MudPi e muitas informações no site do projeto em https://mudpi.app. Meu objetivo era transformar o MudPi no recurso que eu procurava quando comecei o projeto do jardim. Espero que você encontre uma grande utilidade no MudPi e compartilhe a palavra se gostar do trabalho que faço. Eu pessoalmente uso o MudPi dentro e fora de casa para gerenciar minhas plantas e estou muito feliz com os resultados até agora.

MudPi ainda está sendo atualizado com mais recursos e desenvolvimentos. Você pode visitar o site para obter detalhes sobre o que tenho trabalhado e verificar alguns dos links abaixo para orientá-lo para mais alguns recursos. Também participei do MudPi no concurso 2020 Raspberry Pi. Se você gosta do MudPi e quer me ajudar, dê um voto abaixo.

Recursos úteis para ir mais longe

Documentação MudPi

Código Fonte MudPi

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Feliz crescimento para todos!

- Eric

Feito com ♥ de Wisconsin

Primeiro prêmio no Raspberry Pi Contest 2020