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隔壁程序员为爱种花的女友DIY 一款超全功能植物生长机,慕了!
智能物联研习社 | 2021-01-29 14:36:01    阅读:281   发布文章

如今,在快节奏的生活中,忙碌占据了多数人的生活,大家能够放松下来走进自然、亲近自然的机会越来越少。即便有越来越多的人喜欢自己养一些绿植来丰富自己的生活,但实际精力有限,经常发生忘记浇水、忘记施肥,植物不易存活、存活期短等问题。

有没有一种“傻瓜式”农园,能“一键种植”

植物生长机应运而生,据 Market Data Forecast 表明,亚马逊智能植物生长机平均月销量 1513,平均价格 $ 80.07,市场饱和度低,需求量较大。

但当前市面上大多数产品为非智能化植物生长机,其存在如下痛点:

1)功能单一,适用植物种类窄;

2)开发门槛高,对于普通开发者不友好;

3)不够智能化,人力维护成本高;

4)需要移植植物,操作麻烦。

针对以上一系列问题,涂鸦智能推出超全功能植物生长系统 Demo,在不额外破坏原有种植环境的情况下,可以根据需求做功能改造,改造成智慧种植大棚、智慧阳台种植系统、智慧桌面植物生长机等。

我们挑选了一款最为常见的植物生长机在其基础上进行改进,让其功能更加丰富智能。

感兴趣的开发者可长按或扫描下方海报中的二维码,即可获取完整开发资料包, DIY 一款属于自己的植物生长机。


下面开始我们的DIY吧~ (长文预警,干货满满,建议先收藏,再细品~)


一、概述

1、功能

通过查询资料,在不消耗太高成本情况下,我们可实现如下功能:

  • App 远程遥控、监测

  • 光照监测

  • 温湿度监测

  • 土壤湿度监测

  • 水箱水位监测

  • 自动补光

  • 自动加湿

  • 自动加温

  • 自动通风

  • 水箱自动加水

  • 自动浇水

  • 亚克力温室罩(可选)

2、预期功能逻辑


二、硬件设计与选型


1、主控板选型改造

为实现涂鸦智能 App 远程控制,我们选用 WB3S 模组 作为主控。涂鸦三明治 Wi-Fi SoC 主控板(WB3S)是方便开发者快速实现各种智能硬件产品原型的一款开发板。由于板载 ADC 接口只有一个,在硬件上需要我们进行接口拓展,这里我们选用一颗 RS2255 开关芯片 实现我们的需求。

接线原理图


PCB 图


在涂鸦三明治 Wi-Fi SoC 主控板(WB3S)的基础上,我们保留原有的 ADC 接口,另外拓展了 A1、A2、A3 三个模拟接口。


模拟接口使用


根据原理图我们不难发现,如果我们需要读取 A1、A2、A3 三个模拟接口的话,程序上首先需要读取 ADC 的数值。ADC 具体与 A1、A2、A3 中哪个模拟接口接在一起,需要通过 PWM0、PWM1 两个管脚的高低电平控制 RS2255。具体模式如下


2、照度检测

照度监测我们选取一个 BH 1750 照度检测模块来实现。BH 1750 照度检测模块 搭载一个 BH1750FVI,是 I2C 总线接口的数字环境光传感器 IC。可以准确读取1-65535XL 的环境照度。


BH1750 接线原理图


I/O 口介绍:


VCC:3-5V 供电

GND:参考地

SCL:IIC_SCL

SDA:IIC_SDA

ADDR:地址线

3、温湿度监测

温湿度监测我们选用一个 SHT21 温湿度传感器。SHT21 具有完全标定、IIC 数字输出、低功耗、优异的长期稳定性等功能特点。(可用 HTU21D 替换)。

SHT21 温湿度传感器接线原理图


I/O 口介绍


VCC:3.3V 供电

GND:参考地

SCL:IIC_SCL

SDA:IIC_SDA

4、土壤湿度监测

土壤湿度监测使用土壤湿度模块,它是一个简易的水分传感器可用于检测土壤的水分,表面镀镍而不易生锈,延长使用寿命,感应面积宽提高导电性能。模块双输出模式,数字量输出简单,模拟量输出更精确。灵敏度可调(图中蓝色电位器调节阀值)。比较器采用 LM393 芯片,工作稳定,信号干净。


土壤湿度传感器接线原理图


I/O 口介绍


VCC:3.3-5V 供电

GND:参考地

D0:开关信号输出

A0:模拟信号输出

5、水箱水位监测

水箱水位监测使用一个水位传感器实现。其具有以下优势:水量到模拟量的转换、可塑性强、输出为基础模拟值、低功耗、灵敏度高、可以直接与微处理器或其他逻辑电路相连接,适合各种开发板和控制器。


水位传感器接线原理图


I/O 介绍


+:3-5V 供电

-:参考地

S:模拟量输出

6、补光


补光功能我们沿用普通植物生长机上的补光灯实现,这款补光由暖色、红色、红外、蓝色四种颜色的 2835LED 灯珠组成,共有 114 颗灯珠,暖光/红光/远红外/蓝光的灯珠数量比为 25:9:2:2 。

可以使用两路 PWM 进行控制,其中一路控制蓝光,另一路控制暖光、红光和远红外。有蔬菜和瓜果/花卉两种工作模式。


工作模式


  • 蔬菜模式

灯板亮暖光、红光、远红外、蓝光四种色光,以下为灯板的光谱图和功率测试。



  • 瓜果/花卉模式

灯板亮暖光、红光、远红外三种色光,以下为灯板的光谱图和功率测试。



I/O 口介绍

12V:12V 供电

PON:PWM 输入1

RON:PWM 输入2

GND:参考地

通过测试只有在另一路工作时蓝光才能调节,使用时需要注意。其他两路 PWM 的灯串替换此款灯板。


7、加湿

加湿功能采用一路继电器控制一个 5V 加湿模块实现。芯片设计工作频率为 108KHz。芯片预留了水位监测控制脚(8 脚),可实现枯水断电,以保护雾化片不会因为缺水而干烧。


加湿传感器接线原理图


I/O 口介绍


红线:5V

黑线:GND

8、加温


植物温度控制可以采用一路继电器控制一个 75W 远红外加热灯实现。具有热效率高、发热效果好、遇水防爆、导热散热强、潮湿环境可用等优点。根据需求可以添加散热风扇。


(可选)散热风扇


本教程沿用普通植物生长机的 DC 12V 0.18A 的风扇。通过一个 AC220V-DC12V 的变压器与加热灯并联,一同被继电器控制。


9、通风


通风功能通过一路继电器控制两个 6CM 12V 0.5A 大风量风扇实现。通风功能可以让温室的温湿度降低,并有助于植物的授粉,让环境与外界进行气体交换。


10、水箱加水功能


水箱加水功能,则是一路继电器控制一个 12V 水泵实现。可从其他水池或水井向水箱供水,也可根据具体情况把水泵换成12V 自来水阀来控制。


功率:24 W

流量:5L/min

进水压力:0.48 MPa


11、浇水功能


浇水功能通过一路继电器控制两个 12V 直流隔膜泵实现,把水箱里的水抽向植物土壤达到浇水的目的。


12、继电器


一般情况下,我们的控制器不能直接控制比其电压高的电路,那么要想控制其他供电网络上的设备,使用继电器无疑是一个不错的选择。


这里我们选用两个一路继电器和一个四路继电器,控制加湿、加温、水箱加水、通风、浇水功能。


一路继电器


四路继电器


继电器管脚


13、普通植物生长机选型

我们需要找一个结构比较合适的植物生长机进行改造。以下这款土培方式的植物生长机就比较合适,有双模式灯板和大容量的土盆,更易于改装。


拆机前功能


14、整机供电


整机有 AC220V、DC 12 V、DC 5V、DC 3.3V 四种供电网络。


  • AC 220V


AC 220V 我们直接接在 AC220V 50Hz 市电上。


  • DC 12 V


DC12V 主要是通过一个 S-120-12 开关电源接在市电 AC 220V 上获得。


12V 散热风扇因为需要与加热灯联动,与加热灯相同的逻辑启动,为了节省 IO 接口,我们通过一个220V 转 12V AC-DC 降压模块输出是 12V400mA 的隔离开关电源模块并联在加热灯的两端为散热风扇供电。


  • DC 5V


DC 5V 供电网络主要用于继电器供电、超声波加湿器供电另降为 3.3V 为控制板和所有传感器供电。


模块参数


1:工作电压:DC 9V--36V;

2:输出电压:5.2V/5A/25W

3:输出能力:

9~24V输入:输出5.2V/6A/30W

24~32V输入:输出5.2V/5A/25W

32~36V输入:输出5.2V/3.5A/18W


  • DC 3.3V


DC 3.3V:通过涂鸦三明治直流供电电源板获得,该电源开发板具有 DC 12V、DC 5V 两个输入接口。


  • 在 DC 12V 输入时,两个 SY8012B 芯片同时工作可为其他开发板部件提供 DC 12V、DC 5V、DC 3.3V。

  • 在 DC 5V 输入时,一个 SY8012B 工作,为其他开发板部件提供 DC 5V、DC 3.3V。



15、亚克力温室罩设计


亚克力罩 autoCAD 等常用单位建模软件进行设计,最后生成工厂可加工的文件。


需要注意以下设计点:


  • 基础花盆尺寸

  • 各元件的尺寸和位置规划

  • 各元件需要的固定孔位

  • 走线开孔

本教程设计了一款简单的亚克力温室罩,供您参考,您可以根据需求改进或者重新设计。点击【阅读原文】下载激光雕刻 2D 图纸 ZIP 文件。


  • 参考模型正面图:



  • 参考模型背面图



三、整机搭建


1、整体物料准备

物料包含涂鸦三明治直流供电电源板、自制涂鸦三明治 Wi-Fi控制板、涂鸦 USB 转UART 串口等,您可以根据自己的需求做适当调整。


2、组装亚克力

找工厂按照事先画好的亚克力模型切割完外壳零件以后,按照图纸将外壳使用亚克力浇水组装起来。


3、接线示意图


4、安装元件安装和接线注意事项

在所有的物料准备好以后,我们就可以进行元件安装和接线了。您可以根据自己的个人喜好安装,安装时您需要注意以下几点:


  • 各个具体位置放置

  • 上通风口为进风口,下通风口为出风口

  • 线材选择和长度截取

  • 光照传感器位置放置


5、加湿器装置制作


加湿装置制作比较灵活,这里为您分享一个制作经验,您可以根据身边的材料自由发挥。


选择一个有内盖的瓶子


固定吸水棉

内盖钻孔,内盖孔径大小调整到可以固定吸水棒上端,在瓶内放置沙子或小石块固定吸水棒下段


将水位感应线通过内盖孔插入瓶内


固定起雾装置

首先,将起雾装置按如图所示方式放置在吸水棒上。

然后将外盖固定上,注意不能压太紧,压太紧不能出雾。如果没有类似的瓶子可以用热熔胶固定。


6、成品展示


将所有元件安装好以后,再用绕线管整理线束。整体效果如下图:


四、智能植物生长机产品创建


完成整机搭建后,还需要在 IoT 平台上创建智能产品,创建产品后您才能获得相关嵌入式开发包,进行智能设备的 IoTOS 开发。该产品代表了智能设备在 IoT 平台上的功能映射、包含了相关授权信息、产品配置等,方便植物生长机与 IoT 平台的通信。本小节步骤介绍了您在平台上创建植物生长机的主要步骤,详细步骤请参考选品类创建产品。


  • 进入 涂鸦智能 IoT 平台,点击 创建产品

  • 选择小家电 > 宠物 > 植物生长机



  • 选择自定义方案,输入产品名称,选择通讯协议为Wi-Fi+蓝牙,点击创建产品。

  • 添加标准功能,选择“开关”、“水泵开关”、“当前温度”、“当前湿度”、“倒计时”、“倒计时剩余时间”、“故障告警”,功能点名称、枚举值等可自行编辑修改。



(可选)要实现所有的设备功能,还需要根据功能需求自行创建额外的 DP 功能点。点击添加功能按钮,编辑功能点名称、标识名,勾选数据类型和数据传输类型即可完成功能点创建。


  • 添加最大温度、最小温度、最大湿度、最小湿度四个 DP 点,用于设置植物生长机的温湿度控制区间。

  • 添加水箱水量,数值型只上报类 DP 点,用于上报水箱内水量的剩余情况。

  • 添加灯光颜色,枚举型 DP 点,用于控制补光灯颜色。

  • 添加自动补光,布尔型 DP 点,用于控制设备切换手动定时补光模式和自动补光模式。



设定完功能点后,下一步点击设备面板,选择 App 的面板样式。推荐选择开发调试面板,比较直观,且可以开到 dp 数据包的接收和发送,方便开发阶段调试使用。


至此,产品的创建基本完成,可以正式开始嵌入式软件部分的开发。

五、嵌入式开发


嵌入式代码基于 BK7231 平台,使用涂鸦通用 Wi-Fi SDK 进行 SOC 开发,具体环境可以拉取涂鸦 Git 库上的 Demo 例程或者直接下载已经包含了 SDK 环境的 Demo 例程。


Git 库地址:github.com/tuya/tuya-iotos-embeded-sdk-wifi-ble-bk7231t

本 Demo 完整源代码例程: 可点击 :developer.tuya.com/cn/demo/smart-planter?_source=fcc3112ff5048eb6831a6908b0042a4b


六、Demo展示


完成开发调试后,一款包含自动手机 App 远程遥控和视频监测、监测温湿度、光照、土壤湿度、水箱水位、自动补光、加湿、加温、通风、水箱加水、浇水的智能植物生长机即完成制作。


至此,恭喜您完成了一款智能植物生长机的原型开发。基于涂鸦 IoT 平台,您可以更加方便搭建更多智能产品原型,加速智能产品的开发流程。


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