描述

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給植物澆水的伺服臂。

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該設(shè)備改善了城市環(huán)境中的植物灌溉。它由 Arduino 101 提供動(dòng)力，使用板載工具和一些外部傳感器來計(jì)算在其自身環(huán)境中給植物澆水的最佳條件，然后在計(jì)算好的時(shí)間給植物澆水。

它基于以下概念：

重力和壓力

這個(gè)設(shè)備的水源來自一個(gè)水庫(kù)，我用牛奶罐、塑料管、管子密封膠粘土和一個(gè)伺服器制作了這個(gè)水庫(kù)。該容器的放置方式使得除了升高之外，它還可以從設(shè)備上方收集雨水。

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儲(chǔ)水罐在高架表面上的位置，在本例中為長(zhǎng)凳。

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水罐主要由家庭供水（由于雨水并不總是可用）填充，但由雨水補(bǔ)充。當(dāng)水壺中有水時(shí)，重力的吸引力會(huì)將水壺內(nèi)的水拉向地球。在水壺的底部切出一個(gè)孔，以便插入出口管。因此，重力將水拉過該出口管。伺服器調(diào)節(jié)何時(shí)允許水完全流出管道。正常情況下，伺服臂處于直立位置，可防止水流出管道。然而，在給植物澆水時(shí)，手臂會(huì)降低 135 度，從而讓水從管道中流出并灌溉植物。一旦完成，手臂就會(huì)抬起。

水對(duì)水壺的壓力不僅有助于水壺的穩(wěn)定性，而且還有助于水的排出，從而在灌溉期間允許水連續(xù)流動(dòng)。

TMP36 溫度傳感器和英特爾居里模式匹配引擎

這種概念組合有助于推動(dòng)確定澆灌植物最佳時(shí)間的計(jì)算。TMP36 是一種溫度傳感器，其工作方式類似于溫度計(jì)，但具有電子模擬輸出。該輸出可由微控制器等設(shè)備讀取，并轉(zhuǎn)換為溫度。在此項(xiàng)目中，該設(shè)備嘗試計(jì)算澆灌植物的最佳時(shí)間，該時(shí)間最接近 25 攝氏度。它每小時(shí)記錄 30 條記錄，間隔兩分鐘，并在每個(gè)周期結(jié)束時(shí)計(jì)算其中 29 條記錄的平均值（不包括第一個(gè)，因?yàn)樗ǔ２粶?zhǔn)確）。這就是模式匹配引擎的用武之地。

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TMP36 在設(shè)備上的位置。

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Intel Curie PME（模式匹配引擎）是 Arduino 101 中內(nèi)置的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。其庫(kù)可在 GitHub 上找到。它由 128 個(gè)神經(jīng)元組成，能夠?qū)W習(xí)和分類數(shù)據(jù)，保存在向量中，基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)，或向量分類。可用的類別越多，PME 可以采用的分類選項(xiàng)就越多。

對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，PME 記錄了一天中的溫度數(shù)據(jù)，并嘗試在這些數(shù)據(jù)中對(duì)最佳條件（25 攝氏度）進(jìn)行分類。結(jié)果成為第二天給植物澆水的時(shí)間。

從上午 8 點(diǎn)到晚上 9 點(diǎn)，每小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)。第一次這樣做時(shí)，數(shù)據(jù)將保存到板載串行閃存中。這將允許設(shè)備啟動(dòng)到數(shù)據(jù)集，即使它已關(guān)閉。獲得數(shù)據(jù)集后，它嘗試對(duì)最佳條件進(jìn)行分類。如果能夠這樣做，則所選類別將成為下一輪使用的小時(shí)。如果不是，則設(shè)備將使用每月常量，或每月一天中溫度最高的時(shí)間。應(yīng)該注意的是，這些并不總是澆灌植物的最佳溫度，這就是我使用 PME 的原因。

在第一次學(xué)習(xí)之后，數(shù)據(jù)被清除并在第二天重新學(xué)習(xí)，在選定的時(shí)間給植物澆水。這個(gè)循環(huán)無限重復(fù)，或者直到設(shè)備斷開電源，此時(shí)再次打開時(shí)它使用保存的參數(shù)作為選定的小時(shí)并繼續(xù)運(yùn)行。

Intel Curie 實(shí)時(shí)時(shí)鐘和低功耗藍(lán)牙

Intel Curie RTC 或?qū)崟r(shí)時(shí)鐘是該設(shè)備的重要組成部分。RTC 控制設(shè)備上的所有事件何時(shí)發(fā)生。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，RTC 在跟蹤小時(shí)數(shù)（用于給植物澆水和何時(shí)記錄數(shù)據(jù)）以及月份（用于確定備用峰值溫度常數(shù)）方面尤為重要。但是，此 RTC 的精確日期需要手動(dòng)設(shè)置，可以通過代碼或用戶輸入來設(shè)置。這已通過 BLE 解決。

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板載 BLE 天線的位置。

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Bluetooth Low Energy 是專為低功耗設(shè)備設(shè)計(jì)的更新版本的藍(lán)牙。它在中央-外圍系統(tǒng)上運(yùn)行，其中中央或輸入寫入外圍設(shè)備或輸出。這更像是一個(gè)公告牌系統(tǒng)，中央將數(shù)據(jù)放在公告牌上，供所有外圍設(shè)備閱讀。在這種情況下，我在我的移動(dòng)設(shè)備上使用 Nordic Semiconductor 的 nRF Connect 作為中心設(shè)備，并將 Arduino 101 作為外圍設(shè)備。移動(dòng)設(shè)備能夠連接到 Arduino 并向其發(fā)送數(shù)據(jù)。在這種情況下，移動(dòng)設(shè)備需要發(fā)送四次數(shù)據(jù)，每個(gè)必需的輸入字段一次。

移動(dòng)設(shè)備上輸入的數(shù)據(jù)是十六進(jìn)制的。從 10 進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換起來相當(dāng)容易，但可以使用在線轉(zhuǎn)換器。

如何建造

構(gòu)建此灌溉解決方案需要一些電路知識(shí)，但不要太多。它還需要一些非電氣元件來完成。這是完整的零件清單：

電氣元件

• 阿杜諾 101

• 400 領(lǐng)結(jié)面包板，帶 +- 導(dǎo)軌

• 旋轉(zhuǎn)電位器

• 16x2 液晶顯示器

• 330歐姆電阻

• TMP36溫度傳感器

• 180度舵機(jī)，帶舵機(jī)喇叭

• 雨量傳感器和控制板

• 土壤濕度傳感器和控制板（可選，包含硬件作為參考）

• 大量的跳線；參見 Fritzing 圖

使用電池運(yùn)行（可能不會(huì)持續(xù)太久；我使用的設(shè)置）：

• 2X 4xAA 電池盒，帶開/關(guān)開關(guān)和導(dǎo)線

• 8 節(jié) AA 1.2V 鎳氫充電電池

要通過壁式電源或筆記本電腦使用 USB 電源運(yùn)行：

• USB公A-公B線，長(zhǎng)度根據(jù)需要而定

非電氣硬件組件

• 牛奶罐

• 柔性塑料管，長(zhǎng)約 20-30 厘米

• 造型粘土、熱膠或任何可用作密封劑的東西

• 塑料桿，用于支撐油管臂

• 工藝籃，用來裝設(shè)備

• 用于放置水壺的高架表面，即小長(zhǎng)凳或桌子

• 植物

工具

• 膠帶，包括普通膠帶和電動(dòng)膠帶

• 剪刀

• 十字螺絲刀，用于將伺服喇叭連接到伺服

腳步

1. 根據(jù)下面的 Fritzing 圖搭建電路。請(qǐng)注意，土壤濕度傳感器是可選的，雨量傳感器和伺服器可能需要更長(zhǎng)的電線才能到達(dá)所需位置。有關(guān)電路的最終布置，請(qǐng)參見下面的第二張照片。

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設(shè)備的電路圖。Fritzing 頁(yè)面的快照。

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電纜的最終布線。將土壤傳感器、雨量傳感器和伺服電纜組合在一起并向左布線。

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2.（如果使用 USB 電源，請(qǐng)?zhí)恋?5 步）。將電池分別裝入兩個(gè)電池盒中，將一盒的正極和另一盒的負(fù)極綁在一起。

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兩個(gè)盒子的電線綁在一起并用膠帶粘在一起。

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3. 用電工膠帶把盒子粘在一起。固定盒子，使兩者的蓋子都安裝好，兩者的外殼都安裝好，并且蓋子可以作為一個(gè)整體拆卸。為電源開關(guān)留出插槽。

4. 將電池盒的雙蓋粘貼到 Arduino 101 和面包板的底部。這樣可以通過將電池從電路板下方滑出來輕松更換電池。

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電池連接到 Arduino 和面包板的底部。

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5. 將設(shè)備插入工藝籃，并在設(shè)備的一側(cè)切兩個(gè)槽。第一個(gè)插槽用于編程（如果您愿意，也可以使用 USB 電源），第二個(gè)插槽用于連接不在設(shè)備上的傳感器和執(zhí)行器。隨意使用電工膠帶將松散的電線固定在該插座中。

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工藝籃側(cè)面的插槽。電線在最右邊的插槽中布線，USB 在左側(cè)。

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6. 拿一個(gè)牛奶罐，切掉頂部，這樣罐子就有足夠大的開口來接水，容量也足夠大，可以保證可靠性。我建議切口靠近手柄底部。

7. 在罐子底部開一個(gè)小孔，就在罐子頂部最大開口的正下方。將塑料管的一端插入該孔。確?？鬃銐蛐?，以便管道保持在原位，但又足夠大，不會(huì)擠壓管道。

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水壺頂部和底部的切口。

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8. 用粘土密封孔中管道周圍的頂部和底部區(qū)域。確保粘土不會(huì)進(jìn)入管道本身。

9. 使用粘土和電工膠帶，將伺服系統(tǒng)盡可能低地固定到牛奶罐底部。將管子的中間和一根塑料棒粘到伺服喇叭上。確保塑料棒也用膠帶粘在管子的上端。使用下圖作為步驟 8 到 10 的參考。

10. 將水壺固定在升高的表面上。必要時(shí)使用膠帶。

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伺服臂和水壺在高架表面上的位置。管道被路由到水壺的底部。

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11. 在降低位置時(shí)，將植物放在管出口正下方。如果您正在使用濕度傳感器，請(qǐng)將它們插入土壤中，并將雨量傳感器放置在靠近地面植物的位置。將傳感器和伺服器插入設(shè)備，并將設(shè)備放置在離水罐和植物稍遠(yuǎn)的地方。

編程

使用附帶的代碼對(duì) Arduino 101 進(jìn)行編程。使用 Arduino IDE 和 Curie Core 2.0.2 或更高版本（如果可用）上傳。代碼中包含許多有用的注釋。

設(shè)備操作

首次打開設(shè)備時(shí)，它將等待連接移動(dòng)設(shè)備。使用 nRF Connect 連接設(shè)備后，它將等待時(shí)間輸入。為此，按下圖所示，按順序在 nRF Connect 中依次鍵入以 10 為基數(shù)的小時(shí)、分鐘、日期和月份的十六進(jìn)制代碼。

在輸入時(shí)間之前，必須輸入并發(fā)送 ID 輸入或任何數(shù)字。

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nRF Connect 連接到 Arduino 101 的階段。

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輸入時(shí)間后，101 將等待移動(dòng)設(shè)備斷開連接。這樣做之后，它將等待當(dāng)天或第二天早上 8 點(diǎn)。

到了早上 8 點(diǎn)，開發(fā)板將檢查閃存中是否保存了任何內(nèi)容。如果沒有，那么它會(huì)按照前面描述的那樣進(jìn)行 14 小時(shí)的收集過程，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類并確定最佳時(shí)間，此時(shí)它會(huì)重復(fù)收集周期。如果存儲(chǔ)了某些內(nèi)容，則該數(shù)據(jù)將用作小時(shí)常數(shù)，并且循環(huán)將照常進(jìn)行。

在委員會(huì)給植物澆水期間，下雨或土壤水分過多（可選）會(huì)阻止植物澆水。然后它將跳過當(dāng)天的澆水并等待下一天。

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植物澆水！

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該解決方案旨在通過采用自動(dòng)設(shè)置來處理這一問題，從而使城市植物灌溉更簡(jiǎn)單、更優(yōu)化。它還通過使用一個(gè)水庫(kù)來保存雨水和現(xiàn)有的房屋供水，這使得雨水沒有直接流向植物。

希望這個(gè)項(xiàng)目能讓我們不斷變化的世界變得更美好！