Sistema de jardín automatizado construido en Raspberry Pi para exteriores o interiores - MudPi: 16 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

¿Le gusta la jardinería pero no encuentra el tiempo para mantenerla? ¿Quizás tiene algunas plantas de interior que parecen un poco sedientas o buscan una manera de automatizar su cultivo hidropónico? En este proyecto, resolveremos esos problemas y aprenderemos los conceptos básicos de MudPi mediante la construcción de un sistema de jardín automatizado para ayudar a cuidar las cosas. MudPi es un sistema de jardín de código abierto que hice para administrar y mantener los recursos del jardín construido en una Raspberry Pi. Puede utilizar MudPi para proyectos de jardinería tanto en interiores como en exteriores adaptados a sus necesidades, ya que está diseñado para personalizarse.

Hoy comenzaremos con una configuración básica que usé en casa para ver cómo se puede implementar MudPi para administrar un jardín al aire libre y controlar el riego. En este tutorial, aprenderá a implementar un controlador principal que ejecute MudPi. Habrá algunos recursos adicionales cerca del final para aquellos que quieran expandir sus configuraciones más allá de lo básico o que quieran ver más información sobre diferentes configuraciones como en interiores. MudPi se puede configurar para una variedad de configuraciones y hay mucha documentación en el sitio del proyecto.

Suministros

Siéntase libre de agregar / quitar cualquier sensor o componente específico que pueda necesitar para su propio sistema, ya que sus requisitos pueden variar de los míos.

Suministros generales

• Raspberry Pi con Wifi (usé Pi 3 B)

  Debian 9/10

• Monitor / teclado / mouse (para configuración Pi)
• Tarjeta SD para Raspbian (8gb)
• Cable clasificado para exteriores (4 hilos)
• Caja de conexiones impermeable para exteriores
• Prensaestopas
• Carril DIN (para montar disyuntores y suministro de CC)
• Tubo de PVC
• Taladro con brocas de pala

Suministros electronicos

• Sensor de temperatura / humedad DHT11
• Sensor de nivel de flotador líquido x2
• Relé de 2 canales

• Bomba de 12v (o 120v si usa voltaje de red)

  Convertidor DC a DC si usa 12v

• Fuente de alimentación 5v

  o fuente de alimentación de CC (si se alimenta pi desde la red eléctrica)

• Resistencias de 10k para subir / bajar

Instrumentos

• Destornillador
• Pelacables
• Multimetro
• Soldador
• Soldar
• Tornillos (para montar cajas en el exterior)
• Calk de silicona

Paso 1: Planificación del riego y del jardín

Asegúrese de planificar su riego si está estableciendo un nuevo sistema. Será importante tener estas cosas ya en su lugar cuando vaya a preparar el hardware para que sepa las necesidades de sus componentes. Las necesidades pueden cambiar con el tiempo, pero es una buena práctica prepararse para el futuro. Sus dos opciones principales de suministro de agua son usar una bomba en un depósito de agua o una manguera con un solenoide para abrir y cerrar la línea. La elección dependerá de usted en función de las necesidades de su jardín. Un sistema más grande y complejo puede hacer uso de ambos (es decir, bombear agua a través de válvulas solenoides para riego por zonas). Si planea usar MudPi en interiores, probablemente usará una bomba en todo caso. MudPi también puede controlar las luces de las plantas de interior mediante un relé.

Consejo del fabricante: tenga en cuenta que puede construir su proyecto a cualquier escala. Si solo quieres probar MudPi por primera vez, prueba algo como una botella de agua y una bomba de 3.3v para regar una planta de interior.

También considere las opciones de suministro de agua. ¿Utilizará líneas de goteo, una manguera de remojo o aspersores? A continuación, se muestran algunos métodos habituales:

• Aspersor
• Manguera de remojo
• Líneas de goteo
• Agua de mano manual

Para evitar que el alcance de este tutorial crezca demasiado, supongamos que ya tiene el riego en su lugar y solo le gustaría automatizarlo. En mi configuración tengo un tanque de agua con una bomba conectada a algunas líneas de goteo. Aprendamos a automatizar esa bomba.

Paso 2: Sensores y planificación de componentes

El otro aspecto de planificación importante a considerar es qué datos querrá obtener de su jardín. Normalmente, la temperatura y la humedad siempre son útiles. La detección de humedad y lluvia del suelo es excelente, pero puede que no sea necesaria para una instalación en interiores. Será su decisión final sobre qué condiciones son importantes para monitorear para sus necesidades. Para nuestro tutorial básico al aire libre, monitorearemos:

• Temperatura
• Humedad
• Niveles de agua (interruptor de flotador x2)

Usé 5 sensores de nivel de agua para determinar niveles de 10%, 25%, 50%, 75% y 95% en un tanque grande. En este tutorial, haremos un 10% para el nivel bajo crítico y un 95% para el máximo en aras de la simplicidad.

Es posible que también desee controlar los dispositivos de su jardín. Si planea alternar una bomba o luces que no funcionan con 3.3v (el límite pi GPIO), entonces necesitará un relé. Un relé le permite controlar circuitos de voltaje más alto mientras usa un voltaje más bajo para alternar el relé. Para nuestros propósitos, tenemos una bomba que funciona con voltajes superiores a 3,3 V, por lo que necesitaremos un relé para alternar la bomba. Solo se necesita un solo relé para controlar la bomba. Aunque para propósitos futuros (y porque los relés son baratos) instalé un relé de 2 canales y dejé la ranura adicional disponible para actualizaciones posteriores.

Lo más importante a planificar es el suministro de energía. Cómo se alimentará el Pi y de dónde. También debe pensar en los dispositivos que está utilizando y cómo obtendrán su poder. Por lo general, el Pi se puede alimentar con un adaptador de corriente USB, pero eso requiere un enchufe por sí solo. Si estamos alimentando otros dispositivos con voltajes más altos, se puede usar una fuente de alimentación de CC a CC para reducir los voltajes a 5v para el Pi. Si planea obtener una fuente de alimentación para reducir los voltajes, le recomiendo no optar por la opción más barata.

Recuerde que la Raspberry Pi solo admite GPIO digital de forma predeterminada. Esto significa que no puede simplemente conectar un sensor de suelo que toma lecturas analógicas al Pi GPIO. Para ser compatible con los componentes analógicos, debe utilizar un microcontrolador con soporte analógico, como un Arduino o ESP32 (o ESP8266).

Afortunadamente, MudPi tiene soporte para controlar dispositivos como nodos esclavos para emitir comandos para múltiples dispositivos desde un controlador principal (el pi). Esto hace posible tener un controlador principal con múltiples unidades de sensor que puede controlar junto con sus componentes analógicos adjuntos. Usé un controlador principal para monitorear el área de la bomba y una unidad de sensor para cada cama de jardín elevada. Hoy vamos a continuar construyendo el controlador principal para comenzar.

Paso 3: Reúna los suministros

Es hora de que reunamos nuestros materiales. Los componentes y herramientas utilizados en esta construcción están disponibles comercialmente como artículos listos para usar para facilitar que otros construyan los suyos en casa. La mayoría se puede encontrar en línea o en ferreterías locales. La lista exacta de materiales dependerá del diseño específico de su jardín. Por el bien de este tutorial, mantendremos las cosas en lo esencial según lo planeado para obtener una unidad en funcionamiento antes de continuar.

Nota: Me gustaría tomar nota en este punto si planea alternar componentes que funcionan con voltaje de red, ¡tenga cuidado! Es importante que esté seguro al construir productos electrónicos y no juegue con altos voltajes si no sabe lo que está haciendo. Dicho esto, usé una bomba de 120v en la configuración de mi hogar. El proceso es el mismo para una bomba de 12v con la principal diferencia de necesitar un regulador de 12v. También puede usar relés para alternar luces u otros dispositivos.

Paso 4: instale MudPi en la Raspberry Pi

Con un plan listo y los suministros a la mano, es hora de preparar el hardware. Para empezar, debes preparar tu raspberry pi para instalar MudPi. Necesitará una Raspberry Pi con capacidad Wifi que ejecute Debian 9 o superior. Si aún no tiene Raspbian instalado, deberá descargar Raspbian desde su página aquí.

Con el archivo de imagen descargado, escríbalo en la tarjeta SD usando un grabador de imágenes de su elección. Raspberry pi tiene una guía para escribir archivos en una tarjeta SD si necesita ayuda.

Conecte la tarjeta SD a su pi y enciéndalo. Conecte su Pi a Wifi usando la GUI si instaló Raspbian Desktop o editando el archivo /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf a través del terminal en Raspbian Lite.

Lo siguiente que debe hacer después de conectar Wifi es ejecutar actualizaciones y actualizaciones en el pi.

Para actualizar el inicio de sesión de Pi y desde la terminal, ejecute:

sudo apt-get update

sudo apt-get upgrade

Una vez completado reiniciar

sudo reiniciar

Después de que Pi se haya reiniciado, ahora podemos instalar MudPi. Puede hacerlo usando el instalador de MudPi con el siguiente comando:

curl -sL https://install.mudpi.app | intento

El instalador se encargará de todos los paquetes y configuraciones necesarios para MudPi. Por defecto, MudPi se instala en el directorio / home / mudpi con el núcleo ubicado en / home / mudpi / core.

Puede ejecutar MudPi manualmente con el siguiente comando:

cd / home / mudpi

mudpi - depuración

Sin embargo, MudPi tiene un trabajo de supervisor que lo ejecutará por usted. Además, primero necesitará un archivo de configuración antes de ejecutar MudPi. Para crear un archivo de configuración, necesitará saber qué pines conectó, qué componentes también, que es lo que se hace en el siguiente paso. ¡Adelante!

Paso 5: conecte los sensores y componentes al Pi para realizar pruebas

El siguiente paso es conectar nuestros componentes al Pi. (Tenga en cuenta que estaba probando componentes adicionales en la foto) Es posible que esté usando cables de puente y placas de prueba para probar, lo cual está bien, solo recuerde actualizar a algo más confiable cuando construya una unidad final para el campo.

Conecte el pin de DATOS del sensor DHT11 / 22 al pin 25 de GPIO.

Conecte la alimentación y la tierra del DHT11 / 22.

Conecte un extremo de cada uno de los 2 sensores de flotación de líquido a los pines GPIO 17 y 27, respectivamente, con resistencias desplegables de 10k.

Conecte los otros extremos de los sensores de flotador a 3.3v para que el GPIO normalmente esté BAJO pero esté ALTO cuando se cierre el interruptor de flotador.

Conecte los pines de conmutación del relé de 2 canales a los pines GPIO 13 y 16.

Conecte el relé de 5 V a la alimentación y tierra a tierra.

Nos preocuparemos por las conexiones de alto voltaje del relé en un paso posterior cuando conectemos los enchufes. Por ahora deberíamos estar listos para hacer el archivo de configuración de MudPi y probar los componentes.

Paso 6: configurar MudPi

Con los sensores y componentes conectados, puede hacer el archivo de configuración de MudPi y probar que todo funciona antes de terminar el ensamblaje de la unidad. Para configurar MudPi, actualizará el archivo mudpi.config ubicado en el directorio / home / mudpi / core / mudpi. Este es un archivo con formato JSON que puede actualizar para adaptarse a las necesidades de sus componentes. Asegúrese de verificar el formato adecuado si tiene algún problema.

Si está siguiendo el siguiente archivo de configuración, funcionará para los componentes que conectamos:

Están sucediendo muchas cosas en la configuración anterior. Recomiendo profundizar en los documentos de configuración para obtener información más detallada. Configuramos el DHT11 y flota en la matriz de sensores y colocamos la configuración del relé en la matriz de alternancia. La automatización se lleva a cabo mediante la configuración de activadores y acciones. Un disparador es una forma de decirle a MudPi que escuche ciertas condiciones en las que queremos tomar medidas si la temperatura es demasiado alta. Un disparador no es demasiado útil hasta que le proporcionamos una acción para disparar. En la configuración anterior hay dos activadores de tiempo. Un disparador de tiempo toma una cadena con formato de trabajo cron para determinar cuándo debe activarse. Los activadores de tiempo anteriores se establecen para cada 12 horas (es decir, dos veces al día). Activarán las dos acciones que configuramos que simplemente encenderán / apagarán nuestro relé con un evento emitido por MudPi. El segundo gatillo se compensa en 15 minutos para que nuestra bomba se encienda y riegue durante 15 minutos antes de volver a apagarse. Esto sucederá dos veces al día todos los días.

Ahora puede reiniciar MudPi diciéndole al supervisor que reinicie el programa:

sudo supervisorctl reiniciar mudpi

MudPi ahora debería recargar las configuraciones y estar ejecutándose en segundo plano tomando lecturas de sensores y escuchando eventos para alternar los relés. Puede comprobar que MudPi se está ejecutando con:

sudo supervisorctl status mudpi

MudPi también almacenará archivos de registro en el directorio / home / mudpi / logs. Si tiene problemas, es un buen lugar para verificar primero.

Si ha verificado que MudPi se estaba ejecutando, es hora de comenzar el ensamblaje final de la unidad. Apague la Raspberry Pi y terminemos de ensamblar el hardware.

Paso 7: Suelde los componentes a la placa prototipo

Ahora que MudPi está configurado, puede continuar trabajando en el hardware. Los componentes que permanecen en la caja deben soldarse a una placa prototipo para obtener más estabilidad que los cables de puente. No es tan agradable como una placa de circuito personalizada, pero funcionará por ahora. El sensor DHT11 que estamos usando será externo pero, opcionalmente, podría incluir otro en el interior para las temperaturas internas de la caja.

Soldé un cable de ruptura pi a una placa junto con algunos conectores terminales para facilitar las conexiones GPIO una vez que volvimos a conectar los sensores y el relé. El cable de conexión hizo que fuera agradable poder desconectar el pi sin tener que sacar todo el módulo. También incluí las resistencias de extracción necesarias para los flotadores. Con eso completado, podemos poner todo dentro de una bonita caja de conexiones al aire libre para protegerlo.

Paso 8: comience a colocar los componentes electrónicos en una caja de conexiones para exteriores

En este punto, todo ha sido probado trabajando en MudPi y es hora de ensamblar la unidad exterior para soportar los elementos. Su ferretería local tendrá una selección de cajas de conexiones en la sección de electrónica que puede comprar por menos de 25 $. Busque uno que sea del tamaño adecuado y tenga un sello hermético. Gasté un poco más para conseguir una caja reforzada con fibra con pestillos de resorte. Todo lo que necesita es algo que mantenga la humedad fuera y se ajuste a todos sus componentes. También perforará agujeros en esta caja para enrutar los cables.

Paso 9: Conecte los enchufes al relé e instálelos en la caja de conexiones * Advertencia de alto voltaje *

El Pi debe estar apagado al conectar componentes. Si está usando 120v o 12v para la bomba, considere usar el enchufe. Las bombas que funcionan con 12 V suelen utilizar un conector de barril. Trabajando con 120v, puede trabajar con un cable de extensión hembra. Ahora no corte un cable de extensión y juegue con esto sin el equipo adecuado.

Con un taladro o una broca de pala, taladre dos orificios de 3/4 de pulgada en la parte inferior de la caja de conexiones exterior y coloque dos prensaestopas de 3/4 de pulgada. Pase el cable de extensión macho a través de un prensaestopas y la mitad hembra a través del otro. Si desea utilizar el otro canal de relé, instale otro cable con terminación hembra.

En la caja he instalado una pequeña sección de carril din. En el riel hay una fuente de alimentación de CC para reducir los 120v a 5v para encender el Pi, así como algunos disyuntores de seguridad. Solo estoy usando dos disyuntores para poder apagar el Pi sin apagar todo el sistema. Un interruptor sería suficiente. Ahora, dentro del cable de extensión hay tres cables de colores. BLANCO es neutral, VERDE es tierra y NEGRO es 120v +. El verde y el blanco van directamente a la fuente de alimentación de CC. El negro entra primero en los disyuntores y luego en la fuente de alimentación de CC. En la fuente de alimentación hay un pequeño tornillo que es un potenciómetro para recortar el voltaje hasta 5v.

Usaremos bloques de terminales para hacer conexiones entre los enchufes. Usando un bloque, conecte todos los cables neutros blancos juntos. Si no tiene bloques de terminales, la cinta aislante será suficiente. Los cables de tierra verdes también deben conectarse juntos. El lado de alto voltaje del relé tiene tres conexiones: COM (común), NC (normalmente cerrado) y NO (normalmente abierto). Dependiendo de su relé, es posible que solo tenga NC o NO, no ambos. Conecte un pequeño cable adicional del disyuntor que suministrará 120v al terminal COM (común) de nuestros relés en el lado de alto voltaje. Ahora conecte los cables de extensión hembra de la línea negra de 120v al terminal NC. Esto significará que el enchufe normalmente estará apagado y no conectado, pero cuando activamos el relé, suministrará 120v al enchufe y, por lo tanto, encenderá nuestra bomba.

En este punto, todos los cables de extensión deben tener sus neutros blancos atados y sus bases verdes atadas juntas. Los cables hembra tienen su 120v negro conectado al terminal NC del relé. El cable de extensión macho debe tener su vivo negro enrutado a una ruptura en el riel DIN y luego dividido a la fuente de alimentación de CC y los COM de los relés.

Es importante instalar todo en una caja impermeable y proteger / enrutar adecuadamente todos sus cables. Lo último que quieres es un incendio o que alguien sea atacado. Además, no se meta con el alto voltaje si no puede estar seguro. Todavía puede hacer bastante con 12v y componentes inferiores.

Paso 10: coloque los sensores en la carcasa protectora

La naturaleza y la humedad no son demasiado amigables con la electrónica. Ha protegido el Pi con la caja de conexiones para exteriores, pero ahora necesita proteger cualquier componente externo. Puede hacer una carcasa decente para proteger los componentes externos usando un tubo de PVC u otros trozos de tubos de desecho. Instalé una tapa ventilada simple para el sensor DHT11 para ayudar a protegerlo de la lluvia y los insectos, pero le permití respirar para obtener lecturas exteriores precisas. Use silicona calk para sellar alrededor de los cables en el siguiente paso.

No es la mejor solución, pero funciona para un sensor barato de 4 $. (También hice algunos para sensores de suelo que estaba probando en ese momento). Los sensores de flotador se instalarán en el tanque de agua y no requieren una carcasa adicional.

También encontrará que los sensores generalmente solo vienen con un cable de calibre delgado y barato. Esto no durará mucho para algunas manipulaciones generales o climas exteriores. En el siguiente paso abordamos esto.

Paso 11: Conecte los sensores con cables y enchufes clasificados para exteriores

Obtener un cable para exteriores es imprescindible si desea tener sensores externos conectados a la caja. El cable clasificado para exteriores tiene blindaje para ayudar a proteger los cables internos. Cogí algunos cables y enchufes de 4 hilos. No necesita los enchufes y, en su lugar, puede usar más prensaestopas, pero quería poder cambiar rápidamente los sensores.

Corte un poco de cable a la medida de su sensor de temperatura y sensores de flotación. Le daría unos metros más, ya que siempre es bueno tener más para cortar si es necesario. Sugiero soldar los cables para obtener las mejores conexiones y luego envolverlos con cinta aislante. Sugiero usar el mismo color para la alimentación y la tierra con cada cable para que las cosas sean fáciles de recordar. Meta el cable en la carcasa con un sello de silicona en el resto de la parte inferior de la carcasa de modo que solo la tapa ventilada sea el punto de entrada.

El otro extremo del cable se puede ejecutar en la caja a través de prensaestopas y conectar al Pi en los mismos pines que antes. Si opta por utilizar enchufes, instale los extremos del enchufe en el cable. Taladre e instale los otros extremos en la caja de conexiones y luego conecte los internos.

Paso 12: Instale los sensores de flotación en el tanque

Con los otros sensores protegidos y listos para funcionar, es hora de instalar los sensores de flotador en el tanque de agua. Como solo usamos dos, debe instalar 1 a un nivel bajo crítico para que la bomba no funcione y otro que indique que el tanque está lleno. Encuentre la broca del tamaño correcto y haga un agujero en el tanque en los niveles correctos. Atornille los sensores de flotador en el tanque con la arandela y la tuerca provistas. Mire dentro del tanque y asegúrese de que los sensores de flotación estén orientados de manera que estén en una posición de apagado y se levanten cuando el agua sube haga que cierren el circuito.

Debido a las resistencias de bajada, esto significa que cuando se alcanza el nivel del agua, el sensor de flotación en ese nivel con lectura 1. De lo contrario, el sensor de flotación devolverá 0 si el agua no está levantando el sensor y cerrando el circuito.

Paso 13: despliegue la unidad en el exterior

La unidad MudPi está lista para el campo y podemos montarla en el exterior en su ubicación final. La caja de conexiones para exteriores generalmente viene con una cubierta para atornillar para hacer el sello hermético. También debe encontrar algunos orificios de montaje en la parte posterior para usarlos para montar la unidad. Instalé mi caja justo al lado del cobertizo de agua afuera, ya que los sensores de flotación solo tenían un recorrido de cable limitado.

Puede enchufar el cable de extensión macho en un enchufe y girar el disyuntor para poner MudPi en línea. Asegúrese de que todo funcione antes de dejarlo durante un período prolongado. Pruebe que los sensores estén tomando lecturas buscando en redis los valores almacenados o verificando los registros de MudPi. Si todo se ve bien, es hora de dejar que MudPi funcione mientras te relajas.

Paso 14: Monitoreo de MudPi

Ahora que MudPi está funcionando, es posible que se pregunte cómo monitorear su sistema. La forma más fácil y directa es monitorear el archivo de registro de MudPi:

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

Otra opción es a través de una interfaz como una página web local. Todavía no he tenido tiempo de lanzar una interfaz de usuario pública de MudPi, pero puede obtener fácilmente el estado de sus sensores y componentes de redis con PHP. Obtenga más información sobre cómo MudPi almacena sus datos en redis en los documentos.

Las últimas lecturas del sensor se almacenarán en redis bajo la opción clave que establezca en la configuración. Con esto, puede crear una aplicación PHP simple para tomar las lecturas en la carga de la página y mostrarlas. Luego, actualice la página para obtener nuevos datos.

También es posible escuchar eventos de MudPi en redis y esta es una mejor opción para obtener actualizaciones en tiempo real del sistema. Puede leer los eventos directamente a través de redis-cli

redis-cli psubscribe '*'

Paso 15: Reemplace las placas prototipo con PCB personalizadas (opcional)

He ido un poco más lejos e hice algunas placas de circuito personalizadas también para MudPi. Me ayudan a acelerar el proceso de construcción con la construcción de múltiples unidades MudPi y son mucho más confiables. Comencé a reemplazar mis antiguas placas prototipo con PCB más confiables en todas las unidades existentes que tengo. En el futuro, quiero que estas placas estén disponibles para la venta en pequeñas cantidades para ayudar a respaldar mi trabajo de código abierto. MudPi no requiere ninguna placa de circuito personalizada para funcionar, solo ayuda a reducir la carga de trabajo del hardware con componentes integrados ya instalados, como las resistencias desplegables y los sensores de temperatura / humedad.

Paso 16: ¡Relájese y observe cómo crecen sus plantas

Ahora tiene su propio sistema de jardín automatizado que puede expandir y escalar como desee. Haga más unidades o amplíe la que ya construyó. Hay mucho más que puedes hacer con MudPi y mucha información en el sitio web del proyecto en https://mudpi.app. Mi objetivo era convertir MudPi en el recurso que estaba buscando cuando comencé con el proyecto del jardín. Espero que encuentre un gran uso en MudPi y comparta la palabra si le gusta el trabajo que hago. Yo personalmente uso MudPi tanto en el exterior como en el interior de mi casa para administrar mis plantas y hasta ahora estoy muy contento con los resultados.

MudPi aún se está actualizando con más funciones y desarrollos. Puede visitar el sitio para obtener detalles sobre lo que he estado trabajando y consultar algunos de los enlaces a continuación para guiarlo a más recursos. También entré a MudPi en el concurso Raspberry Pi 2020. Si te gusta MudPi y quieres ayudarme, dame un voto a continuación.

Recursos útiles para ir más lejos

Documentación de MudPi

Código fuente de MudPi

Guías de MudPi

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¡Feliz crecimiento a todos!

- Eric

Hecho con ♥ de Wisconsin

Primer premio en el Concurso Raspberry Pi 2020