Automatiserat trädgårdssystem byggt på Raspberry Pi för utomhus eller inomhus - MudPi: 16 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:39

Gillar du trädgårdsarbete men hittar inte tid att underhålla det? Kanske har du några krukväxter som är lite törstiga eller letar efter ett sätt att automatisera din hydroponik? I detta projekt kommer vi att lösa dessa problem och lära oss grunderna i MudPi genom att bygga ett automatiserat trädgårdssystem för att ta hand om saker. MudPi är ett trädgårdssystem med öppen källkod som jag skapade för att hantera och underhålla trädgårdsresurser byggda på en Raspberry Pi. Du kan använda MudPi för både inomhus och utomhus trädgårdsarbete projekt som skalas efter dina behov eftersom det är design som ska anpassas.

Idag börjar vi med en grundläggande installation som jag använde hemma för att se hur MudPi kan användas för att sköta en utomhusträdgård och kontrollera bevattningen. I den här självstudien lär du dig att distribuera en huvudkontroll som kör MudPi. Det kommer att finnas ytterligare resurser nära slutet för dem som vill utöka sina inställningar längre än grunderna eller som skulle vilja se lära sig mer för olika inställningar som inomhus. MudPi kan konfigureras för olika inställningar och det finns en massa dokumentation på projektets webbplats.

Tillbehör

Lägg till/ta bort specifika sensorer eller komponenter som du kan behöva för ditt eget system eftersom dina krav kan variera från mina.

Allmänna tillbehör

• Raspberry Pi med Wifi (jag använde Pi 3 B)

  Debian 9/10

• Skärm/tangentbord/mus (för Pi -installation)
• SD -kort för Raspbian (8 GB)
• Utomhuskabel (4 ledare)
• Vattentät kopplingsdosa för utomhusbruk
• Kabelgenomföringar
• DIN -skena (för montering av brytare och likström)
• PVC -slang
• Borra med spadebitar

Elektroniska förbrukningsmaterial

• DHT11 temperatur- / fuktighetssensor
• Sensor för flytande flytande nivå x2
• 2 kanals relä

• 12v pump (eller 120v om du använder nätspänning)

  DC till DC -omvandlare om du använder 12v

• 5v strömförsörjning

  eller likström (om strömförsörjning från pi från elnätet)

• 10k motstånd för att dra upp/ner

Verktyg

• Skruvmejsel
• Wire stripper
• Multimeter
• Lödkolv
• Löda
• Skruvar (för montering av lådor utanför)
• Silikonkalk

Steg 1: Planering av trädgård och bevattning

Se till att planera din bevattning om du etablerar ett nytt system. Det kommer att vara viktigt att ha dessa saker redan på plats när du går för att förbereda hårdvaran så att du känner till dina komponentbehov. Behov kan förändras med tiden men det är bra att förbereda sig inför framtiden. Dina två huvudalternativ för vattenleverans är antingen att använda en pump i en vattenbehållare eller en slang med en magnetventil för att öppna och stänga ledningen. Valet är upp till dig beroende på dina trädgårdsbehov. Ett större mer komplext system kan använda båda (dvs pumpa vatten genom magnetventiler för zonbevattning). Om du planerar att använda MudPi inomhus kommer du förmodligen att använda en pump om något. MudPi kan också styra dina växtbelysning inomhus med ett relä.

Maker Tips: Tänk på att du kan bygga ditt projekt i vilken skala som helst. Om du bara vill prova MudPi för första gången, prova bara en vattenflaska och en 3,3v pump för att vattna en krukväxt!

Tänk också på vattenleveransalternativ. Kommer du att använda droppslangar, en sugslang eller sprinkler? Här är några vanliga metoder:

• Sprinkler
• Soakerhose
• Dropplinjer
• Manuellt handvatten

För att förhindra att denna handledning växer för stor kan vi anta att du redan har bevattning på plats och bara vill automatisera den. I min installation har jag en tank med vatten med en pump ansluten till några droppledningar. Lär oss hur man automatiserar den pumpen.

Steg 2: Sensorer och komponentplanering

Den andra viktiga planeringsaspekten att tänka på är vilken data du vill få från din trädgård. Normalt är temperatur och luftfuktighet alltid användbara. Markfuktighet och regndetektering är bra men kanske inte nödvändigt för en inomhusinstallation. Det blir ditt slutgiltiga beslut om vilka villkor som är viktiga att övervaka för dina behov. För vår grundläggande utomhushandledning kommer vi att övervaka:

• Temperatur
• Fuktighet
• Vattennivåer (flottörbrytare x2)

Jag använde 5 vattennivåsensorer för att bestämma nivåer på 10%, 25%, 50%, 75%och 95%i en stor tank. I denna handledning kommer vi att göra 10% för kritisk låg och 95% full för enkelhetens skull.

Du kanske också vill styra enheter i din trädgård. Om du planerar att växla mellan en pump eller lampor som inte går på 3.3v (pi GPIO -gränsen) behöver du ett relä. Ett relä låter dig styra kretsar med högre spänning medan du använder en lägre spänning för att växla reläet. För våra ändamål har vi en pump som går på högre spänningar än 3,3V så vi behöver ett relä för att växla pumpen. Endast ett relä behövs för att styra pumpen. Även om jag för framtida ändamål (och för att reläer är billiga) installerade ett 2 -kanalsrelä och lämnade tilläggsfacket tillgängligt för senare uppgraderingar.

Det viktigaste att planera är strömförsörjning. Hur Pi kommer att drivas och varifrån. Du bör också tänka på vilka enheter du använder och hur de får sin kraft. Vanligtvis kan Pi drivas från en usb -strömadapter men det kräver en plugg på egen hand. Om vi driver andra enheter med högre spänningar kan en DC till DC strömförsörjning användas för att minska spänningarna till 5v för Pi. Om du planerar att få en strömförsörjning för att minska spänningarna rekommenderar jag att du inte går med det billigaste alternativet.

Kom ihåg att Raspberry Pi bara kan stödja digital GPIO som standard. Det betyder att du inte bara kan ansluta en jordsensor som tar analoga avläsningar till Pi GPIO. För att vara kompatibel med analoga komponenter måste du använda en mikrokontroller med analogt stöd som en Arduino eller ESP32 (eller ESP8266).

Lyckligtvis har MudPi stöd för att styra sådana enheter som slavnoder för att utfärda kommandon för flera enheter från en huvudkontroll (pi). Detta gör det möjligt att ha en huvudkontroll med flera sensorenheter som den kan styra tillsammans med sina anslutna analoga komponenter. Jag använde en huvudkontroll för att övervaka pumpområdet och en sensorenhet för varje upphöjd trädgårdsbädd. Idag kan vi fortsätta bygga huvudkontrollen för att starta.

Steg 3: Samla förbrukningsmaterial

Det är dags för oss att samla vårt material. Komponenterna och verktygen som används i denna konstruktion är alla kommersiellt tillgängliga från hyllan för att göra det enkelt för andra att bygga egna hemma. De flesta kan hittas online eller hos lokala järnaffärer. Den exakta materialräkningen beror på din specifika trädgårdslayout. För den här handledningens skull kommer vi att hålla sakerna till det väsentliga som planerat för att få en löpande enhet innan vi går vidare.

Obs: Jag skulle vilja notera vid denna tidpunkt om du planerar att växla komponenter som går ur nätspänning, var försiktig! Det är viktigt att du är säker när du bygger elektronik och inte pyssla med höga spänningar om du inte vet vad du gör. Med det sagt använde jag en 120v pump i mitt hem. Processen är densamma för en 12v -pump med den största skillnaden att den behöver en 12v -regulator. Du kan också använda reläer för att växla lampor eller andra enheter.

Steg 4: Installera MudPi på Raspberry Pi

Med en plan klar och leveranser till hands är det dags att förbereda hårdvaran. För att börja bör du förbereda din hallon pi för att installera MudPi. Du behöver en Raspberry Pi med Wifi -funktioner som kör Debian 9 eller högre. Om du inte redan har Raspbian installerat måste du ladda ner Raspbian från deras sida här.

Med bildfilen nedladdad skriver du den till SD -kortet med en bildskrivare efter eget val. Raspberry pi har en guide för att skriva filer till ett SD -kort om du behöver hjälp.

Anslut SD -kortet till din pi och slå på det. Anslut din Pi till Wifi med GUI om du installerade Raspbian Desktop eller genom att redigera filen /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf via terminalen på Raspbian Lite.

Nästa sak du bör göra efter att Wifi är ansluten är att köra uppdateringar och uppgraderingar på pi: n.

För att uppdatera Pi -inloggningen och från terminalen:

sudo apt-get uppdatering

sudo apt-get uppgradering

Efter avslutad omstart

sudo starta om

Efter att Pi har startat upp igen kan vi nu installera MudPi. Du kan göra det med MudPi Installer med följande kommando:

curl -sL https://install.mudpi.app | våldsamt slag

Installatören tar hand om alla paket och konfigurationer som behövs för MudPi. Som standard är MudPi installerat i katalogen/home/mudpi med kärnan på/home/mudpi/core.

Du kan köra MudPi manuellt med följande kommando:

cd /home /mudpi

mudpi --debug

MudPi har dock ett arbetsledarjobb som kommer att köra det åt dig. Dessutom behöver du först en konfigurationsfil innan du kör MudPi. För att skapa en konfigurationsfil måste du veta vilka stift du kopplade till vilka komponenter också, vilket är vad som görs i nästa steg. framåt!

Steg 5: Anslut sensorer och komponenter till Pi för testning

Nästa steg är att ansluta våra komponenter till Pi. (Observera att jag testade ytterligare komponenter på bilden) Du kanske använder bygelkablar och brödbrädor för testning, vilket är bra, kom bara ihåg att uppgradera till något mer pålitligt när du bygger en slutenhet för fältet.

Anslut DHT11/22 -sensorns DATA -stift till GPIO -stift 25.

Anslut DHT11/22 -ström och jord.

Anslut ena änden av varje de två flytande flottörsensorerna till GPIO -stiften 17 respektive 27 med 10k neddragningsmotstånd.

Anslut flottörsensorernas andra ändar till 3,3v så att GPIO normalt dras LÅGT men vara HÖG när flottörströmbrytaren stängs.

Fäst 2 -kanalsreläets vippstift till GPIO -stiften 13 och 16.

Anslut reläet 5V till strömmen och jorda till jord.

Vi kommer att oroa oss för reläets högspänningsanslutningar i ett senare steg när vi ansluter kontakterna. För närvarande bör vi vara redo att göra MudPi -konfigurationsfilen och testa komponenterna.

Steg 6: Konfigurera MudPi

Med sensorerna och komponenterna anslutna kan du göra MudPi -konfigurationsfilen och testa att allt fungerar innan du avslutar enheten. För att konfigurera MudPi uppdaterar du filen mudpi.config i/home/mudpi/core/mudpi -katalogen. Detta är en JSON -formaterad fil som du kan uppdatera för att passa dina komponentbehov. Var noga med att kontrollera om formateringen är korrekt om du har några problem.

Om du följer med kommer följande konfigurationsfil att fungera för komponenterna som vi anslutit:

Det händer mycket i konfigurationen ovan. Jag rekommenderar att gräva i konfigurationsdokumenten för mer ingående information. Vi ställer in DHT11 och flyter i sensormatrisen och sätter reläinställningarna i växlingsmatrisen. Automatiseringen sker genom att ställa in triggers och åtgärder. En utlösare är ett sätt att berätta för MudPi att lyssna efter vissa förhållanden som vi vill vidta åtgärder som om temperaturen är för hög. En utlösare är inte alltför användbar förrän vi ger den en åtgärd att utlösa. I konfigurationen ovan finns det två tidsutlösare. En tidsutlösare tar en cron -jobbformaterad sträng för att avgöra när den ska aktiveras. Tidsutlösarna ovan ställs in var 12: e timme (alltså två gånger om dagen). De kommer att utlösa de två åtgärder vi konfigurerade som bara kommer att slå på/av vårt relä med en händelse som sänds ut av MudPi. Den andra utlösaren kompenseras med 15 minuter så att vår pump startar och vattnar i 15 minuter innan den stängs av igen. Detta kommer att hända två gånger om dagen varje dag.

Nu kan du starta om MudPi genom att säga till handledaren att starta om programmet:

sudo supervisorctl starta om mudpi

MudPi bör nu ladda om konfigurationerna och köras i bakgrunden och ta sensoravläsningar och lyssna efter händelser för att växla reläerna. Du kan kontrollera att MudPi körs med:

sudo supervisorctl status mudpi

MudPi kommer också att lagra loggfiler i katalogen/home/mudpi/logs. Om du stöter på problem är det ett bra ställe att kontrollera först.

Om du har verifierat att MudPi kördes är det dags att börja slutmontera enheten. Stäng av Raspberry Pi och låt slutföra monteringen av hårdvaran.

Steg 7: Lödkomponenter till prototypkort

Nu när MudPi är konfigurerad kan du fortsätta arbeta med hårdvaran. Komponenter som finns kvar i lådan bör lödas till ett prototypkort för mer stabilitet än bygelkablar. Det är inte lika trevligt som ett anpassat kretskort men kommer att fungera för tillfället. DHT11 -sensorn som vi använder kommer att vara extern men du kan eventuellt inkludera en annan inuti för interna lådtemperaturer.

Jag lödde en pi -brytkabel till ett kort tillsammans med några terminalanslutningar för enklare GPIO -anslutningar när vi återansluter sensorerna och reläet. Breakout -kabeln gjorde det trevligt att kunna koppla bort pi: n utan att behöva ta ut hela modulen. Jag inkluderade också de nödvändiga neddragningsmotstånden för flottörerna också. Med det färdiga kan vi lägga allt i en fin utomhus kopplingsdosa för att skydda den.

Steg 8: Börja lägga elektroniken i en utomhuskopplingsdosa

Vid det här laget har allt testats och arbetat med MudPi och det är dags att montera utomhusenheten så att den står emot elementen. Din lokala järnaffär kommer att ha ett urval kopplingsdosor i elektronikavsnittet som du kan köpa för under 25 $. Leta efter en som har rätt storlek och har en vattentät tätning. Jag spenderade lite mer för att skaffa en fiberförstärkt låda med fjäderspärrar. Allt du behöver är något som håller fukt ute och passar alla dina komponenter. Du kommer att borra hål i den här rutan för att dra kablar också.

Steg 9: Anslut pluggar till relä och installera i kopplingsdosa *Varning för högspänning *

Pi ska stängas av vid anslutning av komponenter. Om du använder 120v eller 12v för pumpen, överväg kontakten att använda. Pumpar som kör 12v använder vanligtvis en fatkontakt. När du arbetar med 120v kan du arbeta med en honkontakt. Nu ska du inte klippa en förlängningssladd och bråka med det här utan rätt utrustning.

Använd en borr- eller spadeborr för att borra två 3/4in -hål i botten av utomhuskopplingsdosan och sätt in två 3/4in -kabelförskruvningar. Dra den manliga förlängningssladden genom en packning och honhalvan genom den andra. Om du vill använda den andra reläkanalen installerar du en annan honkabel.

I lådan har jag installerat en liten del av din skena. På skenan finns en likströmsspänning för att trappa ner 120v till 5v för att slå på Pi samt några säkerhetsbrytare. Jag använder bara två brytare så att jag kan stänga av Pi utan att stänga av hela systemet. En brytare skulle räcka. Nu inuti förlängningssladden finns det tre färgade kablar. VIT är neutralt, GRÖN är slipat och SVART är 120v+. De gröna och vita går direkt in i DC -nätaggregatet. Det svarta går först in i brytarna och sedan till likspänningen. På strömförsörjningen finns en liten skruv som är en potentiometer för att trimma spänningen till 5v.

Vi kommer att använda plintar för att göra anslutningar mellan kontakterna. Anslut alla vita neutralkablar med ett block. Om du inte har plintar räcker det med tejp. De gröna jordkablarna bör också anslutas ihop. Reläets högspänningssida har tre anslutningar: COM (gemensam), NC (normalt stängd) och NO (normalt öppen). Beroende på ditt relä kan det bara ha NC eller NO inte båda. Anslut en liten extra kabel från brytaren som levererar 120v till våra reläer COM (gemensamma) terminal på högspänningssidan. Anslut nu kvinnliga förlängningssladdars svarta 120v -ledning till NC -terminalen. Detta betyder att kontakten normalt är avstängd och inte är ansluten, men när vi slår på reläet kommer det att leverera 120v till kontakten och därmed sätta på vår pump.

Vid denna tidpunkt bör alla förlängningskablar ha sina vita neutraler bundna och sina gröna grunder bundna. De kvinnliga sladdarna har sin svarta 120v ansluten till reläets NC -terminal. Den manliga förlängningssladden ska ha sin svarta strömförande till ett avbrott på din skena och sedan dela till DC -strömförsörjningen och reläernas COM.

Det är viktigt att installera allt i en vattentät låda och korrekt skydda/dra alla dina kablar. Det sista du vill ha är en brand eller att någon blir zappad. Bråka inte heller med högspänning om du inte kan vara säker. Du kan fortfarande göra en hel del med 12v och lägre komponenter.

Steg 10: Sätt sensorer i skyddshölje

Natur och fukt är inte alltför vänliga mot elektronik. Du har skyddat Pi med utomhuskopplingsboxen men nu måste du skydda eventuella externa komponenter. Du kan göra ett anständigt hölje för att skydda externa komponenter med hjälp av några PVC -rör eller andra bitar av skrotrör. Jag riggade upp ett enkelt ventilerat lock för DHT11 -sensorn för att skydda den från regn och buggar men låta den andas för exakta yttre avläsningar. Använd silikonkalk för att täta runt kablarna i nästa steg.

Inte den bästa lösningen men det fungerar för en billig 4 $ sensor. (Jag gjorde också några för jordsensorer som jag testade vid den tiden också.) Flottsensorerna installeras i vattentanken och kräver inte ytterligare hus.

Du kommer också att upptäcka att sensorerna vanligtvis bara levereras med en billig tunn gauge -tråd. Detta kommer inte att vara länge för vissa allmänna hantering eller yttre klimat. I nästa steg tar vi upp detta.

Steg 11: Anslut sensorer med utomhuskabel och pluggar

Att skaffa en utomhuskabel är ett måste om du vill ha externa sensorer anslutna till lådan. Utomhusklassad kabel har skärmning för att skydda de inre trådarna. Jag tog upp några 4wire -kabel och pluggar. Du behöver inte pluggarna och kan istället använda fler kabelförskruvningar men jag ville snabbt kunna byta ut sensorer.

Klipp lite kabel till din temperatursensor och flottörsensorer. Jag skulle ge den några extra fot eftersom det alltid är trevligt att ha extra att klippa om det behövs. Jag föreslår att lödning av kablarna för bästa anslutningar och sedan inslagning med eltejp. Jag föreslår att du använder samma färg för ström och jord med varje tråd för att göra saker lätt att komma ihåg. Stick in kabeln i höljet med silikonkalkförsegling resten av husets botten så att endast det ventilerade locket är ingångspunkten.

Den andra änden av kabeln kan du springa in i lådan genom kabelgenomföringar och ansluta till Pi på samma stift som tidigare. Om du väljer att använda pluggar installerar du pluggändarna på kabeln. Borra och installera de andra ändarna i kopplingsdosan och anslut sedan de inre delarna.

Steg 12: Installera flottörsensorer i tanken

Med de andra sensorerna skyddade och redo att gå sin tid att installera flottörsensorerna i vattentanken. Eftersom vi bara använder två bör du installera 1 på en kritisk låg nivå så att pumpen inte ska gå och en som ska markera tanken är full. Hitta rätt borr och gör ett hål i tanken på rätt nivå. Skruva in flottörsensorerna i tanken med brickan och muttern. Titta inuti tanken och se till att flottörsensorerna är orienterade så att de är i avstängt läge och lyfts upp när vattnet stiger gör att de stänger kretsen.

På grund av neddragningsmotstånden betyder detta att när vattennivån är uppfylld flytsensorn på den nivån med avläst 1. Annars returnerar flottörsensorn 0 om vattnet för närvarande inte lyfter sensorn som stänger kretsen.

Steg 13: Distribuera enheten utanför

MudPi -enheten är redo för fält och vi kan montera den utomhus på sin slutliga plats. Utomhuskopplingsboxen levereras vanligtvis med ett lock att skruva ner för att göra den vattentäta tätningen. Du bör också hitta några monteringshål på baksidan för att montera enheten. Jag installerade min låda alldeles intill vattenskuren utanför eftersom flottörsensorerna bara hade en begränsad kabeldragning.

Du kan ansluta den manliga förlängningssladden till ett uttag och vända brytaren för att få MudPi online. Se till att allt fungerar innan du lämnar det under en längre period. Testa att sensorerna tar avläsningar genom att titta på redis efter lagrade värden eller kontrollera MudPi -loggarna. Om allt ser bra ut är det dags att låta MudPi arbeta medan du slappnar av.

Steg 14: Övervakning av MudPi

Nu när MudPi fungerar kanske du undrar hur du kan övervaka ditt system. Det enklaste och mest direkta sättet är att övervaka MudPi -loggfilen:

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

Ett annat alternativ är via ett gränssnitt som en lokal webbsida. Jag har inte hunnit släppa ett offentligt MudPi -gränssnitt ännu men du kan enkelt ta tag i dina sensorer och komponentstatus från redis med PHP. Läs mer om hur MudPi lagrar dina data i redis mer i dokumenten.

De senaste sensoravläsningarna kommer att lagras i redis under det nyckelalternativ du ställer in i konfigurationen. Med hjälp av detta kan du göra en enkel PHP -applikation för att ta tag i avläsningarna på sidens laddning och visa dem. Sedan är det bara att uppdatera sidan för ny data.

Det är också möjligt att lyssna på MudPi -händelser på redis och detta är ett bättre alternativ för att få uppdateringar i realtid från systemet. Du kan läsa händelserna direkt genom redis-cli

redis-cli psubscribe '*'

Steg 15: Byt ut prototypkort med anpassade kretskort (tillval)

Jag har gått lite längre och gjort några anpassade kretskort också för MudPi. De hjälper mig att påskynda byggprocessen med att bygga flera MudPi -enheter och är mycket mer pålitliga. Jag har börjat byta ut mina gamla prototypkort med mer pålitliga kretskort i alla befintliga enheter jag har. I framtiden vill jag göra dessa brädor tillgängliga för försäljning i små mängder för att stödja mitt arbete med öppen källkod. MudPi kräver inga anpassade kretskort för att köra, det hjälper bara till att minska maskinvarubelastningen med inbyggda komponenter som redan är installerade, till exempel neddragningsmotstånd och temp/fuktighetssensorer.

Steg 16: Slappna av och se dina växter växa

Nu har du ditt eget automatiska trädgårdssystem som du kan expandera och skala som du vill. Gör fler enheter eller expandera den du redan byggt. Det finns mycket mer du kan göra med MudPi och mycket information på projektets webbplats på https://mudpi.app. Mitt mål var att göra MudPi till den resurs jag letade efter när jag började på trädgårdsprojektet. Jag hoppas att du finner stor nytta av MudPi och delar ordet om du gillar det arbete jag gör. Jag använder personligen MudPi både ute och inne hemma för att hantera mina anläggningar och har varit mycket nöjd med resultaten hittills.

MudPi uppdateras fortfarande med fler funktioner och utvecklingar. Du kan besöka webbplatsen för detaljer om vad jag har arbetat med och kolla in några av länkarna nedan för att vägleda dig till några fler resurser. Jag deltog också i MudPi i Raspberry Pi -tävlingen 2020. Om du gillar MudPi och vill hjälpa mig ge mig en röst nedan.

Användbara resurser för att gå vidare

MudPi -dokumentation

MudPi -källkod

MudPi -guider

Dela dig MudPi Build

Stöd mitt arbete med MudPi

Stöd MudPi

Lycka till att växa alla!

- Eric

Gjord med ♥ från Wisconsin

Första priset i Raspberry Pi Contest 2020