Έξυπνος Κήπος "SmartHorta": 9 Βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:35

Γεια σας παιδιά, αυτό το διδακτικό θα παρουσιάσει το κολεγιακό έργο ενός έξυπνου λαχανόκηπου που παρέχει αυτόματο πότισμα των φυτών και μπορεί να ελεγχθεί από μια εφαρμογή για κινητά. Ο στόχος αυτού του έργου είναι να εξυπηρετήσει πελάτες που θέλουν να φυτέψουν στο σπίτι, αλλά δεν έχουν χρόνο να φροντίζουν και να ποτίζουν στις κατάλληλες ώρες κάθε μέρα. Ονομάζουμε "SmartHorta" επειδή horta σημαίνει λαχανόκηπος στα πορτογαλικά.

Η ανάπτυξη αυτού του έργου πραγματοποιήθηκε για να εγκριθεί στο πεδίο του Έργου Ένταξης στο Ομοσπονδιακό Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Parana (UTFPR). Ο στόχος ήταν να συνδυαστούν οι διάφοροι τομείς της Μηχατρονικής όπως η Μηχανική, η Ηλεκτρονική και η Μηχανική Ελέγχου.

Προσωπικά ευχαριστώ στους καθηγητές του UTFPR Sérgio Stebel και Gilson Sato. Και επίσης στους τέσσερις συμμαθητές μου (Augusto, Felipe, Mikael και Rebeca) που βοήθησαν στην κατασκευή αυτού του έργου.

Το προϊόν έχει προστασία από κακές καιρικές συνθήκες, προσφέροντας προστασία από παράσιτα, άνεμο και δυνατή βροχή. Πρέπει να τροφοδοτείται από μια δεξαμενή νερού μέσω ενός εύκαμπτου σωλήνα. Ο προτεινόμενος σχεδιασμός είναι ένα πρωτότυπο που ταιριάζει σε τρία φυτά, αλλά μπορεί να επεκταθεί σε περισσότερα βάζα.

Χρησιμοποιήθηκαν τρεις τεχνολογίες κατασκευής: κοπή με λέιζερ, άλεση CNC και τρισδιάστατη εκτύπωση. Για το τμήμα αυτοματισμού, το Arduino χρησιμοποιήθηκε ως ελεγκτής. Μια μονάδα bluetooth χρησιμοποιήθηκε για επικοινωνία και μια εφαρμογή Android δημιουργήθηκε μέσω του MIT App Inventor.

Όλοι περάσαμε με βαθμό κοντά στο 9.0 και είμαστε πολύ ευχαριστημένοι με τη δουλειά. Κάτι που είναι πολύ αστείο είναι ότι όλοι σκέφτονται να φυτέψουν ζιζάνια σε αυτήν τη συσκευή, δεν ξέρω γιατί.

Βήμα 1: Εννοιολογικός σχεδιασμός και μοντελοποίηση στοιχείων

Πριν από τη συναρμολόγηση, όλα τα εξαρτήματα σχεδιάστηκαν και διαμορφώθηκαν σε CAD χρησιμοποιώντας το SolidWorks για να διασφαλιστεί ότι όλα ταιριάζουν τέλεια. Ο στόχος ήταν επίσης να χωρέσει ολόκληρο το έργο μέσα στο πορτμπαγκάζ ενός αυτοκινήτου. Επομένως, οι διαστάσεις του ορίστηκαν ως 500mm στο μέγιστο. Η κατασκευή αυτών των εξαρτημάτων χρησιμοποίησε τεχνολογίες κοπής με λέιζερ, άλεση CNC και τρισδιάστατη εκτύπωση. Κάποια μέρη σε ξύλο και σωλήνες κόπηκαν στο πριόνι.

Βήμα 2: Κοπή λέιζερ

Η κοπή λέιζερ έγινε σε γαλβανισμένο φύλλο χάλυβα AISI 1020 πάχους 1mm, 600mm x 600mm και στη συνέχεια διπλώθηκε σε γλωττίδες 100mm. Η βάση έχει τη λειτουργία να στεγάζει τα δοχεία και το υδραυλικό τμήμα. Οι οπές τους χρησιμοποιούνται για να περάσουν τους σωλήνες στήριξης, τους αισθητήρες και τα καλώδια ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας, και για να ταιριάξουν τους μεντεσέδες των θυρών. Επίσης κοπή με λέιζερ ήταν μια πλάκα σχήματος L που χρησιμεύει για την τοποθέτηση των σωλήνων στην οροφή.

Βήμα 3: Μηχανή άλεσης CNC

Η σερβοκινητική βάση κατασκευάστηκε με τη χρήση φρέζας CNC. Δύο κομμάτια ξύλου κατεργάστηκαν, στη συνέχεια κολλήθηκαν και επικαλύφθηκαν με στόκο ξύλου. Μια μικρή πλάκα αλουμινίου κατασκευάστηκε επίσης για να χωρέσει τον κινητήρα στο ξύλινο στήριγμα. Επιλέχθηκε μια στιβαρή κατασκευή για να αντέξει τη σερβο ροπή. Γι 'αυτό το ξύλο είναι τόσο παχύ.

Βήμα 4: Τρισδιάστατη εκτύπωση

Σε μια προσπάθεια σωστού ποτίσματος των φυτών και καλύτερου ελέγχου της υγρασίας του εδάφους, σχεδιάστηκε μια δομή για να κατευθύνει το νερό από τον σωλήνα παροχής στη βάση στον ψεκαστήρα. Χρησιμοποιώντας το, ο ψεκαστήρας τοποθετήθηκε στραμμένος προς το έδαφος (με κλίση 20º προς τα κάτω) αντί για τα φύλλα των φυτών. Τυπώθηκε σε δύο μέρη σε ημιδιαφανές κίτρινο PLA και στη συνέχεια συναρμολογήθηκε με παξιμάδια και μπουλόνια.

Βήμα 5: Πριόνι χειρός

Η ξύλινη δομή της οροφής, οι πόρτες και οι σωλήνες PVC κόπηκαν χειροκίνητα στο πριόνι. Η ξύλινη δομή της οροφής σπάστηκε, λειάνθηκε, τρυπήθηκε και στη συνέχεια συναρμολογήθηκε με βίδες ξύλου.

Η οροφή είναι ένα ημιδιαφανές φύλλο υαλοβάμβακα του eternit και κόπηκε με μια ειδική λαιμητόμο κοπής ινών, στη συνέχεια τρυπήθηκε και τοποθετήθηκε στο ξύλο με βίδες.

Οι ξύλινες πόρτες σπάστηκαν, λειάνθηκαν, τρυπήθηκαν, συναρμολογήθηκαν με ξύλινες βίδες, επικαλύφθηκαν με μάζα ξύλου και στη συνέχεια τοποθετήθηκε κουνουπιέρα με συρραπτικό για να αποφευχθεί ζημιά στα φυτά από έντονη βροχή ή έντομα.

Οι σωλήνες PVC κόπηκαν απλά στο πριόνι.

Βήμα 6: Υδραυλικά και μηχανικά εξαρτήματα και συναρμολόγηση

Αφού κατασκευάσουμε την οροφή, τη βάση, την κεφαλή και τις πόρτες, προχωρούμε στη συναρμολόγηση του δομικού τμήματος.

Πρώτα τοποθετούμε τους σφιγκτήρες αγωγών στη βάση και την πλάκα L με παξιμάδι και μπουλόνι, και μετά απλώς τοποθετούμε τους τέσσερις σωλήνες PVC στους σφιγκτήρες. Αφού πρέπει να βιδώσετε την οροφή στα φύλλα L. Στη συνέχεια, απλά βιδώστε τις πόρτες και τις λαβές με παξιμάδια και μπουλόνια. Τέλος πρέπει να συναρμολογήσετε το υδραυλικό μέρος.

Προσέξτε όμως, θα πρέπει να μας απασχολήσει η στεγανοποίηση του υδραυλικού τμήματος, έτσι ώστε να μην υπάρχει διαρροή νερού. Όλες οι συνδέσεις πρέπει να είναι ερμητικά σφραγισμένες με σφραγιστικό νήματος ή κόλλα PVC.

Αγοράστηκαν διάφορα μηχανικά και υδραυλικά εξαρτήματα. Παρακάτω παρατίθενται τα συστατικά:

- Σετ άρδευσης

- 2 φορές λαβές

- 8x μεντεσέδες

- 2x 1/2 PVC γόνατο

- Σφιγκτήρες αγωγού 16x 1/2"

- 3x γόνατο 90º 15mm

- μάνικα 1μ

- 1x 1/2 μπλε συγκολλητό μανίκι

- 1x 1/2 μπλε συγκολλητό γόνατο

- 1x θηλή με σπείρωμα

- 3 δοχεία

20x ξύλινη βίδα 3,5x40mm

Μπουλόνι και παξιμάδι 40x 5/32"

- Κουνούπι 1μ

- σωλήνας PVC 1/2"

Βήμα 7: Ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά εξαρτήματα και συναρμολόγηση

Για τη συναρμολόγηση ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών εξαρτημάτων πρέπει να ανησυχούμε για τη σωστή σύνδεση των καλωδίων. Σε περίπτωση λανθασμένης σύνδεσης ή βραχυκυκλώματος, μπορεί να χάσετε ακριβά εξαρτήματα που χρειάζονται χρόνο για να αντικατασταθούν.

Για να διευκολύνουμε την τοποθέτηση και την πρόσβαση στο Arduino, θα πρέπει να κατασκευάσουμε μια ασπίδα με γενική πλακέτα, ώστε να είναι ευκολότερο να αφαιρέσετε και να κατεβάσετε έναν νέο κώδικα στο Arduino Uno και επίσης να αποφύγετε τη διάσπαρση πολλών καλωδίων.

Για την ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα πρέπει να κατασκευαστεί μια πλάκα με οπτικοαπομονωμένη προστασία για το ρελέ, για να γλιτώσουμε από τον κίνδυνο καύσης των εισόδων/εξόδων του Arduino και άλλων εξαρτημάτων. Πρέπει να δίνεται προσοχή κατά την ενεργοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας: δεν πρέπει να ανοίγει όταν δεν υπάρχει πίεση νερού (διαφορετικά μπορεί να καεί).

Τρεις αισθητήρες υγρασίας είναι απαραίτητοι, αλλά μπορείτε να προσθέσετε περισσότερους για πλεονασμό σήματος.

Αγοράστηκαν αρκετά ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Παρακάτω παρατίθενται τα συστατικά:

- 1x Arduino Uno

- 6x αισθητήρες υγρασίας εδάφους

- 1x 1/2 Ηλεκτρομαγνητική Βαλβίδα 127V

- 1x σερβοκινητικό 15kg.cm

- 1x πηγή 5v 3A

- 1x 5v 1A πηγή

- 1x μονάδα bluetooth hc-06

- 1x ρολόι πραγματικού χρόνου RTC DS1307

- 1x ρελέ 5v 127v

- 1x 4n25 κεκλιμένο οπτικό ζεύγος

-1x θυρίστορ bc547

- 1x δίοδος n4007

- 1x αντίσταση 470 ohms

- 1x αντίσταση 10k ohms

- 2x γενική πλάκα

- 1x πολύπριζα με 3 πρίζες

- 2 φορές ανδρική πρίζα

- 1x βύσμα p4

- Καλώδιο 2 κατευθύνσεων 10μ

- Καλώδιο ίντερνετ 2μ

Βήμα 8: Προγραμματισμός C με Arduino

Ο προγραμματισμός Arduino είναι βασικά για να πραγματοποιήσει έλεγχο της υγρασίας του εδάφους των αγγείων "n". Για αυτό πρέπει να πληροί τις απαιτήσεις ενεργοποίησης της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας, καθώς και τη θέση του σερβοκινητήρα και την ανάγνωση των μεταβλητών διεργασίας.

Μπορείτε να τροποποιήσετε την ποσότητα των σκαφών

#define QUANTIDADE 3 // Quantidade de plantas

Μπορείτε να τροποποιήσετε την ώρα που θα ανοίξει η βαλβίδα

#define TEMPO_V 2000 // Tempo que a válvula ficará aberta

Μπορείτε να τροποποιήσετε τον Χρόνο Αναμονής για να υγρανθεί το χώμα.

#define TEMPO 5000 // Tempo de esperar para o solo umidecer.

Μπορείτε να τροποποιήσετε την καθυστέρηση του υπηρέτη.

#define TEMPO_S 30 // Delay do servo.

Για κάθε αισθητήρα υγρασίας εδάφους υπάρχει διαφορετικό εύρος τάσης για ξηρό και πλήρως υγρό χώμα, οπότε θα πρέπει να δοκιμάσετε αυτήν την τιμή εδώ.

umidade [0] = χάρτης (umidade [0], 0, 1023, 100, 0);

Βήμα 9: Εφαρμογή για κινητά

Η εφαρμογή αναπτύχθηκε στον ιστότοπο MIT App Inventor για την εκτέλεση λειτουργιών εποπτείας και διαμόρφωσης έργου. Μετά τη σύνδεση μεταξύ κινητού τηλεφώνου και ελεγκτή, η εφαρμογή εμφανίζει σε πραγματικό χρόνο την υγρασία (0 έως 100%) σε κάθε ένα από τα τρία βάζα και τη λειτουργία που εκτελείται αυτήν τη στιγμή: είτε σε κατάσταση αναμονής, μετακίνηση του σερβοκινητήρα σε τη σωστή θέση ή το πότισμα ενός από τα βάζα. Η διαμόρφωση του τύπου φυτού σε κάθε βάζο γίνεται επίσης στην εφαρμογή και οι διαμορφώσεις είναι πλέον έτοιμες για εννέα είδη φυτών (μαρούλι, μέντα, βασιλικό, σχοινόπρασο, δεντρολίβανο, μπρόκολο, σπανάκι, νεροκάρδαμο, φράουλα). Εναλλακτικά, μπορείτε να εισαγάγετε χειροκίνητα τις ρυθμίσεις ποτίσματος για φυτά που δεν περιλαμβάνονται στη λίστα. Τα φυτά της λίστας επιλέχθηκαν επειδή είναι εύκολο να αναπτυχθούν σε μικρές γλάστρες όπως αυτές του πρωτοτύπου μας.

Για να κατεβάσετε την εφαρμογή πρέπει πρώτα να κατεβάσετε την εφαρμογή MIT App Inventor στο κινητό σας τηλέφωνο, να ενεργοποιήσετε το wifi. Στη συνέχεια, στον υπολογιστή σας θα πρέπει να συνδεθείτε στον ιστότοπο του MIT https://ai2.appinventor.mit.edu/ για να συνδεθείτε, να εισαγάγετε το έργο SmartHorta2.aia και, στη συνέχεια, να συνδέσετε το κινητό σας τηλέφωνο μέσω κωδικού QR.

Για να συνδέσετε το arduino στο smartphone, πρέπει να ενεργοποιήσετε το bluetooth στο τηλέφωνό σας, να ενεργοποιήσετε το arduino και, στη συνέχεια, να συνδέσετε τη συσκευή. Αυτό ήταν, είστε ήδη συνδεδεμένοι με το SmartHorta!