智能盆栽澆水寶

Posted by On 03 / 09 / 2017 0 Comment


專案起源

此專案源起自妖怪舞專案時魔人整理辦公室外空間時，
老大見狀說：「這塊空間做成公園種種花草似乎不錯。」
魔人無心的附和了一句：「那我們可以做個自動澆水的系統耶！」
老大思考了一下說：「這真是個好主意！」
隨後魔人就被指派為此專案的負責人。
智能盆栽澆水寶（以下簡稱栽寶 ZaiBo），智能盆栽澆水寶 ZaiBo 是一個在 86Duino Zero 上運行 Linux 實作的自動澆水裝置，使用 USB WiFi 網卡做一個 IoT 系統。


功能說明


ZaiBo 分為兩種模式：
第一種為完整版，使用 USB Display 提供觸控功能、自動澆水並且有遠端監控等功能。
第二種為精簡版，精簡版雖然沒有自動澆水功能，但它可以提醒使用者澆水，並且採用 TFT LCD 做為簡易的螢幕，而網站功能皆相同。
ZaiBo 除了把原始碼公開以外，也將建構教學也一併公開，任何人都可以自由使用、修改、散佈。

— 自動澆水 —

使用者可以依據不同品種的盆栽來設定土壤濕度低於多少才澆水。

— 即時檢視 —

使用者可以在 ZaiBo 上的觸控螢幕進行互動。

— 遠端監控 —

使用者可以開啟 ZaiBo 網站進行即時監控，支援即時影像與資料顯示，也可以使用網站功能進行遠端控制。

— 提醒通知 —

使用者可以設定土壤濕度過低時寄信提醒使用者澆水，也可以開啟自動澆水模式，並設定水桶水量不足時可以寄信提醒使用者補水。

— 記錄圖表 —

ZaiBo 也有記錄功能，使用者可以在網站上看到過往的圖表資料。


準備材料

  1. 86Duino Zero
  2. MicroSD 卡
  3. USB Wifi
  4. USB Display / TFT LCD
  5. USB Camera
  6. USB HUB
  7. 超音波模組
  8. 沉水馬達與開關控制電路
  9. 土壤濕度分壓電路



硬體架設


首先我們需要兩根可以導電的鐵棒（我使用露營用的鐵棒）：

然後將線焊上，再焊上一顆 200Ω 的可變電阻（方便依據土壤品質調整分壓阻值），再分別接到 3.3V、A4、Gnd 腳位上：
如此一來就可以使用兩根鐵棒簡單的量測土壤目前的濕度。
因為一般直流抽水馬達會有很多的雜訊，如果要做過濾雜訊的電路會麻煩許多，所以澆水功能的沉水馬達建議使用電腦水冷系統用的馬達。
而開關電路甚至可以很簡單的使用電晶體解決。（當然不是好辦法，各位也可以使用繼電器來作開關）
而超音波模組是用來量測水桶的水量的，我們可以利用水面高度與桶子深度來簡易的計算剩餘的水量。
而量測溫度濕度及大氣壓力，則是使用 RM-G185 模組。


環境設定


首先，可以依照官方教學在 SD 卡上安裝 L86duntu 作業系統：

安裝完後就可以把安裝有 L86duntu 的 SD 卡插入 Zero 的 SD 卡插槽後通電開機，由於是使用 Zero，所以我們必須要遠端網路連線的方式來登入 L86duntu，詳情一樣可以參照官方教學：

登入後首先解決開機的問題，L86duntu 在不正常關機後重開機會在下面看到的選單上等待：
如果不是使用 One 接上顯卡，我們很難知道 L86duntu 是不是卡在這個選單上了，所以我們先將這個功能設定為自動關閉。
首先將 /etc/grub.d/00_header 檔案裡的

make_timeout() {... set timeout = -1 ...}

修改為

make_timeout() {... set timeout = 10 ...}

﹝我們可以直接使用 vim 的搜尋功能 /make_timeout 直接找到該列﹞
再將 /etc/default/grub 檔案中新增一列

GRUB_RECORDFAIL_TIMEOUT=$GRUB_TIMEOUT

最後輸入指令
$ update-grub
修改完後就不會出現選單的問題囉！
接下來我們要安裝 SMTP Server，因為 ZaiBo 的提醒功能是利用寄信來提醒通知的，所以我們需要有一個可以寄送郵件的伺服器。
先接上網路線後執行下面這一行指令來安裝相關套件：

$ sudo apt-get install mailutils

在安裝途中會出現設定視窗，按 Tab 切換到 OK 後進行下一步設定：
接下來將選項選擇到「Internet Site」，然後按 Tab 鍵到 OK 後按 Enter 鍵，接著就會完成 Postfix 的設定了：
接下來可以依照你的喜好設定信箱名稱，然後一樣按 Tab 選到 OK 按 Enter 鍵，之後會看到完成畫面。
接下來我們要安裝 SDL 的套件，因為在 USB Display 上就是使用 SDL 來繪製圖形介面的（如果你要做的是精簡版的 ZaiBo，可以不安裝 SDL），我們先來看看如何安裝 SDL：
我們需要用到的其他函式庫有 SDL_ttf、SDL_image、SDL_gfx，所以我們到 SDL 官網上下載原始碼，用 FileZilla 將檔案傳到 L86duntu 上。
解壓縮後，之後到各個目錄輸入指令開始安裝：

$ tar zxvf filename.tar.gz
$ cd filename
$ ./configure && make && make install

在此以 SDL-1.2.15 為例：

$ tar zxvf SDL-1.2.15.tar.gz
$ cd SDL-1.2.15
$ ./configure && make && make install

全數安裝完後我們就可以開啟我們的程式來做測試了。

— 擴充 1G 的 swap —

由於我們安裝了 L86duntu 又使用了很多的周邊裝置，所以 128M 的記憶體或許稍顯不足，所以我們可以將 swap 擴充，讓硬碟的一些空間拿來當作虛擬記憶體，指令如下：

$ cd /var
$ fallocate -l 1G swapfile
$ chmod 600 swapfile
$ mkswap /var/swapfile
$ swapon /var/swapfile

然後我們要在每一次開機時讓它自動啟動，所以我們需要增加 /etc/fstab 的內容：

$ /var/swapfile    none    swap    sw    0    0

修改完後我們可以重開機，輸入指令 free –m 來確認是否有變成 2G 的 swap。

— 使用 USB WiFi —

在 86Duino 上使用 USB WiFi 很簡單，如果各位也是使用同一個 USB WiFi 晶片的話就可以照著官網的教學建立 WiFi。
我在此有將指令稍做修改，因為我們的 ZaiBo 必須要自動連線，所以要自己辨識自己的網路編號：

$ cd /home/dmp
$ modprobe rt2800usb
$ echo 148f 5370 | tee /sys/bus/usb/drivers/rt2800usb/new_id
$ sleep 1
$ ID=$(exec iwconfig | grep -o -P "wlan[0-9]*")
$ echo $ID > /tmp/usbwifiID
$ ifconfig $ID up
$ killall wpa_supplicant
$ killall wpa_supplicant
$ killall wpa_supplicant
$ killall wpa_supplicant
$ killall wpa_supplicant
$ killall wpa_supplicant
$ killall wpa_supplicant
$ wpa_supplicant -i $ID -D nl80211 -c /etc/wpa_supplicant.conf -B
$ sleep 1
$ udhcpc -i $ID

在這段指令中，會將網卡的名稱存到 /tmp/usbwifiID 中，而在 UI 顯示的程式中也有來存取這個名稱，所以此一修改是必要的。

— 使用 USB Display —

和 USB WiFi 一樣，USB Display 在 86Duino 的官網一樣有詳盡的教學，但我們不需要進入圖形介面，所以可以自行修改 run_usbdisp.sh 內的內容：

$ modprobe rp_usbdisplay
$ sleep 1
$ modprobe -r rp_usbdisplay
$ modprobe rp_usbdisplay
$ sleep 1
$ modprobe -r rp_usbdisplay
$ modprobe rp_usbdisplay
$ cp /home/dmp/rpusbdisp-master/drivers/linux-driver/xserver_conf/10-disp.conf /usr/share/X11/xorg.conf.d/
— 開機時自動啟動所有的裝置 —

首先我們在 /etc/init.d/ 下建立一個檔案，在此我以 plant 為例。
建立完後在裡面輸入內容：﹝可能因裝置不同需要做更動﹞
儲存完成後，我們要先將此檔案的權限修改為可執行：

$ chmod 755 /etc/init.d/plant

然後使用 update-rc.d 更新開機 script

$ update-rc.d plant start 99 1 2 3 4 5 6 . stop 80 0 .

設定完後每次重新開機就會啟動這支 script，而我在這支 script 中也有做判斷是否使用 USB display 的裝置，若是沒有接上 USB display 的話就會啟用 TFT LCD 來做顯示。


程式解說

— UI_display.cpp —

在此函式中我利用 SDL 去讀取背景圖片以及文字字型。

bool load_files()
{
	if(mode == 0)
		background = SDL_LoadBMP("background2.bmp");
	else
		background = SDL_LoadBMP("background.bmp");
    loading = SDL_LoadBMP("loading.bmp");
    buttonSheet = SDL_LoadBMP( "water.bmp" );
    font = TTF_OpenFont( "mvboli.ttf", 12 );
    //...
    return true;
}
— app.js —

在這段程式中，我設定了一個每隔 500ms 刷新一次的 Interval，用來觀測是否有澆水事件發生，若是發生則起動幫浦澆水。

setInterval(function IsWatering(){
	if(Watering){
		pump_time = Date.now();
        pump_speed += .1;
		if(pump_speed >= 1)
            pump.write(1);
        else
			pump.write(pump_speed);
    }else if(pump_time + 5000 > Date.now()){
        pump_speed += .1;
		if(pump_speed >= 1)
            pump.write(1);
        else
			pump.write(pump_speed);
	}else{
		pump_speed = 0;
		Watering = false;
		pump.write(0);
	}
},500);



成果展示

— 網站功能 —

在 ZaiBo 開機後會自動開啟網站功能，各位可以看到簡單易懂的介面：
Current State 也就是當前所有的狀態，分別是水箱水量、土壤濕度、空氣濕度、溫度以及大氣壓力。
而下方可以看到歷史記錄的圖表，讓使用者快速掌握近期的狀況。
Live Stream 也就是即時串流，使用者可以在直接連上網站，就可以透過 Camera 知道目前的狀態。
在上方的橫欄也有 Settings 可以做設定：
Settings 中提到的兩種模式，Warning mode 也就是精簡版，只會在該澆水時寄信提醒你，而 Watering mode 則是完整功能版，也就是將抽水馬達澆水的功能也加進去了，會在水箱沒水時提醒補水。
由於是網頁，所以使用智慧型手機連線也是可以的！

— 寄信功能 —

ZaiBo 是利用寄信來通知使用者該補水或澆水，以下可以看到 ZaiBo 寄信通知的功能：

— DEMO影片 —




相關連結


[1] 本專案 Github

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