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DIY一個可遠端監控的自動盆栽

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2018-12-10

對於地球上的動植物來說

陽光、空氣、水、養分是所謂的四大生命要素，缺一不可。

我們將植物種植於花盆中，就尤如將動物飼養在空間侷促的牢籠裏，不但得按時的補給水份、營養，更要給予充足的光源，才能保證植物長得茂盛健康。不過，如果你是一個經常忘記澆花、或很少移動室內植物到戶外照光的懶人，那麼你的植物生長狀態必定很不理想。此時一個能夠定時澆水照光的花盆就是您最好的夥伴了！想想看，一盆能讓室內蓬蓽生輝的美麗植栽，您需要做的只是偶爾檢查並補足水箱的備用水，對懶人來說多麼輕鬆愜意啊。

因此我們設計了一個自動化盆栽，功能如下：

光照部份：

  1. 1.當室內光照度不夠時，自動開啟燈光。
  2. 2.可設定每日光照時間，因為植物也需要黑暗和光週期，這種效應被稱為光照週期。故該功能只在設定時段進行光照補光，其它時段則自動關閉。

澆水部份：

  1. 1.當土壤過於乾燥時，自動汲水澆花。
  2. 2.可設定自動澆水時間，系統只在此時段內檢查土壤溼度並決定是否澆水，其餘時段則停止自動澆水。
  3. 3.可設定每次澆水的秒數以及間隔澆水時間，避免澆過多的水。

遠端功能：

  1. 1.除了自動進行照光澆水，亦可透過無線的方式遠端手動開啟燈光或幫浦進行照光澆水。
  2. 2.可遠端觀看目前燈光及澆水幫浦是否開啟，以及土壤溼度、光照度、空氣溫溼度的曲線圖。

準備材料

    1. 一、植物燈的選擇：

    2. 植物燈主要可分兩種，一種是提供類似於太陽的光譜，另一種則提供經過調整供特定栽培植物需要的光譜。有一點很重要必需知道的是，植物的葉綠素所吸收的光譜範圍主要有兩個：一個是在波長650nm ~ 660nm的紅光，另一個是波長430nm ~ 455nm的藍紫光，所以我們經常看到專業的植物燈多是紅藍雙色，可依不同需求有不同的紅藍燈比例。由於植物光源這部份其知識相當廣且專業，往後可另外再開個專題來討論，在此建議您可先自行Google或詢問店家適合的植物燈種類。我在本範例使用的植物燈是在水族館購買，可用於水草缸或一般植物。

    3. 二、抽水幫浦的選擇：

    4. 給植物澆水用的幫浦直接到水族館購買沈水馬達即可，瓦數大小要視您的花盆尺寸以及水箱高低而定。您稍後看到本文後方的範例影片，會發現澆花時幫浦出水量小了點，如果您覺得出水量太小，只要加大馬達的瓦數即可。

    5. 三、其它材料及零件：

    6. （一）雨淋管：馬達抽水到花盆後，我們希望它能分散流向花盆中的各區域，而非僅僅流到某個點。我的方式是使用魚缸用的出水雨淋管，原本它的用途是位於魚缸過濾系統上方將水平均分散到過濾綿上，不過用在花盆上分散澆水區域也很適合。
    7. （二）電子零件：
    8. 1.繼電器模組：用於Arduino控制交流電的植物燈及沈水馬達，所以需要兩個一路relay，或直接用兩路的。
    9. 2. SunplusIT RFLink-UART：一對一的無線UART模組，我們透過該模組來傳送開燈、澆水的command，以及感測模組所搜集的資訊值。

  1. 3. Arduino開發板：搜集並回傳花盆的各種感測數值，並接收來自樹莓派的控制命令執行照光及澆水功能。使用任一版本的Arduino皆可，本範例是MEGA 2560版本。
  2. 4. 樹莓派：建議使用Raspberry Pi 3 B+，作為本盆栽系統的控制中心，遠端接收種植的即時資訊並分析顯示，可設定照光澆水的排程及時機，下指令進行照光及澆水。
  3. 5. 土壤溼度感測器：就使用如下常見的模組。
  4. 6. 光敏電阻或光照度感測器模組：您可以使用可直接輸出Lux照度單位的Lux GY-302 BH1750光照度模組，或者較便宜簡單的光敏電阻。
  6. 7. 溫溼度模組：量測目前空氣溫溼度。使用DHT22或 DHT11皆可。
  7.  

盆栽的安裝

雨淋管出水孔方向往兩側。
雨淋管放置位置貼近土壤表面
另一端接上水管及沈水馬達。請找一水箱來放置沈水馬達，且需放入水中後才能插電以免燒壞。
土壤溼度計以及光敏模組
植物的燈架，使用3D列印來製作。

Arduino的安裝

Raspberry Pi的安裝

樹莓派主要作為遠端監控使用，安裝上比較簡單，僅需要接上按鈕、RFLink-UART模組及LCD monitor。

程式說明

Arduino

下方的程式定義了讀取Serial端的function，當Serial端收到了下列字串，便會執行相對應的動作：
a: 開燈, b: 關燈, c: 抽水, d: 停止抽水
String readCommand() {

String recv = “";

String a;

while (Serial1.available()) {

a = Serial1.readString(); // read the incoming data as string

recv = recv + a;

Serial.print(a);

}

Serial.println();

 

return recv;

}

String cmd = readCommand();

//–> a: power on ligher, b: power off light, c: power on water, d: power off water

//Check Light command

if(cmd.indexOf(‘a’)>=0) {

digitalWrite(pinLightRelay, HIGH);

Serial.print(“Power on the Light.");

}else if(cmd.indexOf(‘b’)>=0) {

digitalWrite(pinLightRelay, LOW);

Serial.print(“Power off the Light.");

}

//Check Water command

if(cmd.indexOf(‘c’)>=0) {

digitalWrite(pinWaterRelay, HIGH);

Serial.print(“Power on the Water.");

}else if(cmd.indexOf(‘d’)>=0) {

digitalWrite(pinWaterRelay, LOW);

Serial.print(“Power off the Water.");

}
下方程式讀取按鈕值，若按下則停止目前的動作，例如，若目前在澆水則停止澆水，若目前沒有在澆水則開始澆水。植物燈也是同樣的動作。
if(powerLight==1) {

digitalRead(pinLightRelay) ? digitalWrite(pinLightRelay, LOW) : digitalWrite(pinLightRelay, HIGH);

}

if(powerWater==1) {

digitalRead(pinWaterRelay) ? digitalWrite(pinWaterRelay, LOW) : digitalWrite(pinWaterRelay, HIGH);

}
下方程式透過UART發送目前感測數值回遠端：溫溼度、土壤溼度以及光照度。其傳送格式為：
        [T:30.2, H:60.5, L:932, W:430]，使用[及]分別代表開始及結束字元，T為溫度，H為溼度，L為光照度，W為土壤溼度。
Serial1.print(“[T:" + String(temp) + “:0,");

Serial1.print(“H:" + String(hum) + “:0,");

Serial1.print(“L:" + String(valueLight) + “:" + String(digitalRead(pinLightRelay)) + “,");

Serial1.print(“W:" + String(valueWater) + “:" + String(digitalRead(pinWaterRelay)) + “]");

樹莓派 (Python)

樹莓派端的程式較複雜，除了要接收Arduino傳回的感測值，還需要將這些資訊搜集下來繪製曲線圖，另外，各種設定值及盆栽目前的植物燈及沈水馬達的電源狀態也需要顯示出來，因此，該畫面必須能即時的update，我使用matplotlib來繪製曲線圖，並使用opencv來顯示整體畫面。
讀取Arduino回傳的感測值，去掉前後的[ 及 ]字元。
def readSerial():

recv = “"

dataString = “"

count = Serial.inWaiting()

if count != 0:

try:

recv = Serial.read(count).decode(‘utf-8’)

except:

pass

if(recv == “[“):

while recv != “]":

if Serial.inWaiting():

recv = Serial.read(count).decode(‘utf-8’)

if(recv!="]"):

dataString += recv

time.sleep(0.1)

return dataString
使用OpenCV定義顯示的畫面為全螢幕。
cv2.namedWindow(“Plant Image", cv2.WND_PROP_FULLSCREEN)

cv2.setWindowProperty(“Plant Image", cv2.WND_PROP_FULLSCREEN,cv2.WINDOW_FULLSCREEN)
產生四張圖表，分別for溫溼度以及土壤溼度、光照度等。
figure = plot.figure(num=None, figsize=(18, 7), dpi=70, facecolor=’w’, edgecolor=’k’)

ax_t = figure.add_subplot(2,2,1)

ax_h = figure.add_subplot(2,2,2)

ax_l = figure.add_subplot(2,2,3)

ax_w = figure.add_subplot(2,2,4)
繪製曲線圖：清除畫面→設定標題→設定Y軸上下限
→隱藏X軸座標值不顯示→用藍色圓點來繪製。
 

x = np.array (timeList_w )

y = np.array (wList)

ax_w.cla()

ax_w.set_title(“Water (degree)")

ax_w.set_ylim(0, 1024)

ax_w.axes.get_xaxis().set_visible(False)

ax_w.plot ( x, y , ‘bo-‘)
將matplotlib產生的曲線圖轉為OpenCV的Numpy且為BGR格式，待會兒便可把此圖表用OpenCV來整合與其它資訊一起顯示。

遠端監控畫面

在設定的澆水時段內，若土壤溼度小於threshold值，則沈水馬達便會自動開始汲水，透過雨淋管灑水至土壤中。灑水時間視您的沈水馬達瓦數而定，若瓦數很大則灑水時間可設定短一點。植物燈也是類似的動作，當您設定好照光時段後，當該時段內光照度不足時，便會自動開啟植物燈。
下圖左：自動灑水                                                                                                                 下圖右：自動照光
示範影片：自動澆水及自動開關燈

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