Робот-садовник на Arduino Mega. Антикризисное решение

...И наконец, у робота-садовника нет другой работы, кроме как круглосуточно следить за садом, каждую минуту что-то измерять и исправлять. Люди так тоже могут, но лень и раздолбайство роботу не ведомы.

Для начала…

Что умеет робот? То, чему ты его научишь. Вот то, чему я научил своего:

• Контроль освещения по заданной программе. Режим может быть любой, с шагом в один час. Например, можно включать свет 4/4/4/6/3/2/1. Не знаю, какому растению это может понравиться, но теперь нет никаких ограничений в экспериментах.
• Поддержание температуры и влажности по заданным параметрам. Хочешь +22 при 65% влажности? Робот попробует сделать это с теми приборами, что ты к нему подключишь.
• Поддержание уровня и качества раствора в гидросистеме. Подливаем водички, регулируем pH и EC. На самом деле, это – самая сложная и самая полезная часть системы, потому что регулировки раствора просто невозможно реализовать на примитивных розеточных таймерах.
• Конечно же, есть автополив (дриппер) по расписанию. В DWC гидропонике особо не нужен, разве что на ранних стадиях, когда корни еще не доросли до воды, но мой робот с небольшими переделками подойдет и для почвы.
• Тотальный контроль и статистика. Периодически отправляем на сервер данные со всех датчиков, а на сервере рисуем красивые графики про всё, что можно измерить.

Из чего это сделано?
За основу я взял «детский» контроллер Arduino Mega. Он самый доступный по цене - за $20 китайцы продают стартовый набор, который и составляет ядро системы. Платформа достаточно надежная, долгие годы её лечили от глюков всем миром. Ардуино очень легко программировать, современное ленивое школоло за это их очень любит. И главное – для Ардуино есть все возможные модули, сенсоры и разные свистелки-перделки, стоящие копейки у братьев-кетайцев. Это тебе не промышленная автоматика, где каждая гайка стоит как самолет!



Вторая часть системы – сервер базы данных. Звучит устрашающе, но это самый обычный компьютер, на который установлен самый обычный linux с самыми распространенными программами. Собственно, робот-садовник может работать и без компьютера, но я – фанат статистики и контроля, и хочу в любой момент знать, как там поживает мое деревце.
Ну и, конечно, сама палатка. В ней-то и расположены все датчики и моторчики, подключенные к контроллеру. Опять же, это – самый обычный гроубокс. Если ты уже растил что-то на гидре, то 90% необходимых устройств у тебя уже есть, осталось только подключить их к роботу.
Что у меня в сетапе и сколько это стоит?

1. Палатка SecretJardin DarkStreet 90x90x170 -- $150
2. Cooltube 120/40 (Россия) -- $40
3. Фито-лампа Philips GreenPower 400W -- $30
4. ЭМПРА 400 Ватт + стартер, магнитный пускатель и конденсатор (Россия) -- $20
5. Угольный фильтр на проток 300 кубов/час, фланец 100 (Россия) -- $50
6. Канальный вентилятор Blauberg Centro-M 100 на 270 кубов/час. Две скорости. Один вент – вытяжка, второй – приточка. -- $40 x 2
7. Ведро для гидры на 23 литра с воздушной помпой и горшком (Россия). Весьма достойный вариант, ничем не хуже знаменитого AquaFarm, но стоит в 5 раз дешевле. -- $25
8. Погружной насос для аквариума 0,2A -- $5
 

Итого по палатке: $400
  
9. Arduino Mega Kit. Контроллер Mega 2560 r3, плата Ethernet, дисплей LCD 1602, ультразвуковой измеритель дистанции. В моей сборке применяются все компоненты, кроме релюшки и проводочков. -- $20

 

10. Датчик температуры/влажности DHT22. Цифровой, безотказный, точный. Для наших целей – даже слишком точный :) -- $2 x 2

 

11. Датчик температуры воды DS18B20. -- $1 

12. Релейный модуль 8 каналов (управление 5V). В моей сборке этот модуль прикручен к корпусу удлинителя на 6 розеток, каждая розетка заведена на контакты соответствующего реле. Ток через эти реле – не более 5 ампер, так что освещение можно включать только через магнитный пускатель! -- $8

13. Часы реального времени DS3231. Не сбрасываются, когда вырубается питание контроллера. -- $1

14. Насос-дозатор (перистильная помпа) 12V. Шумный, но позволяет отмерять очень небольшие количества жидкости, буквально – капли. -- $8 x 3

15. Релейный модуль на 4 канала (управление 5 вольт). Управляет перистильными помпами. -- $3

16. OpenAquarium Aquaponics Kit (сенсоры PH и EC, плата расширения для Arduino). На плате – операционные усилители сигналов от сенсоров. У китайцев продается полное говно, этот набор – самый дешевый из нормальных. -- $120

Итого по автоматике: $170

Общий итог: $570

Есть еще не очень поддающиеся подсчету мелочи, потому что в процессе разработки я перепортил кучу всяких материалов: пенопласт, гибкие вентканалы, фланцы, хомуты, трубочки, кабель, розетки, тройники, корпус для контроллера и так далее и тому подобное. Оценю это на глаз в $30, чтобы получилась ровная сумма $600 за весь комплект.

Как это работает?
Давай определимся, что мы хотим от нашего садовника? Садовник должен делать некоторые вещи по расписанию (например, включать и выключать свет), а некоторые – по показаниям датчиков (например, поддерживать уровень воды). Соответственно, садовник бегает по бесконечному кругу: проверил время -> что-то сделал -> проверил датчик -> что-то сделал -> отправил отчет хозяину -> начал заново. Один круг занимает 30 миллисекунд (чтобы моргнуть, человеку требуется 300 миллисекунд). Всё остальное – детали: нужно научить контроллер правильно читать показания датчиков, предусмотреть аварийные варианты развития событий (например, потоп), правильно управлять исполнительными устройствами.
 

Начнём с датчиков.


Температура / влажность в палатке.
DHT22 (цифровой). Установлен на крышке ведра.
С этими датчиками особых секретов нет, поскольку они цифровые и данные не «плавают». Поэтому используем соответствующую библиотеку для чтения, читаем один раз за цикл.

Температура / влажность снаружи.
DHT22 (цифровой). Установлен на корпусе контроллера.

Температура воды
DS18B20. Плавает в ведре.
Тоже цифровой датчик, работающий через 1Wire. Никаких дополнительных плат для чтения не требуется, все есть на борту Ардуино.

Уровень воды
HC-SR04. Ультразвуковой. Установлен на крышке ведра.
Хоть этот датчик и цифровой, его показания приходится усреднять. Дело в том, что вода в ведре аэрируется и булькает, а пузыри на поверхности кратковременно уменьшают расстояние до поверхности воды. Читаем его 20 раз подряд, вычисляем среднее значение и используем его при остальных расчетах.

Датчики pH/EC
OpenAquarium Aquaponics Kit. Плата расширения на корпусе контроллера. Сенсоры частично погружены в ведро.
Для чтения этих сенсоров нужна специальная плата, улавливающая очень малые сопротивления сенсоров и выдающая аналоговый сигнал на аналоговые входы Ардуино. Бывают и цифровые платы, но они вдвое дороже. На практике точности до тысячных в гидропонике не требуется, так что просто усредняем результат, сортируя буфер из 30 полученных значений.

Теперь – немного об исполнительных механизмах. Они подключаются через блок реле, каждый вывод которого управляет своей розеткой на удлинителе. В розетки включается все, что светится, крутится и жужжит.



Пройдемся по списку из моего сетапа:

• Свет и автополив включаются по графику в зависимости от времени суток и стадии роста. Графики переключаются путем залива новой микропрограммы в контроллер или кнопками в меню контроллера.
• Увлажнитель включается при 20% влажности, отключается при достижении 50% (кстати, с работающей на всю катушку вытяжкой, особенно – зимой, получить 50% почти нереально, но робот все равно попробует).
• Вытяжной вент включается всегда, когда горит свет (иначе Cooltube плохо охлаждается). После включения света вносится небольшая задержка, чтобы снизить пусковые токи в сети.
• Приточный вент включается при +30, снижает (если может) температуру до +20 и отключается. Если вытяжка не работает, приточнику включаться запрещено, иначе палатка надуется и попрет запашина.
• Насосы-дозаторы включаются с отдельного блока на 4 реле. Используются только 3, потому что мне не нужно повышать кислотность, она и сама отлично повышается. В программе контроллера задаются желаемые значения pH, EC и уровня воды в ведре, и контроллер пытается привести раствор к заданным показателям, подкачивая из емкостей соответствующие жидкости. Поскольку датчики pH и EC реагируют на изменения в смеси не сразу, внесена задержка в 10 минут между коррекциями.

Про дозаторы стоит поговорить отдельно. Я использую перистильные помпы простейшей конструкции, которые дают на полной мощности 100 мл в минуту. Если качать таким насосом концентрат, легко можно перелить, поэтому я использую для дозаправки готовые растворы высокой концентрации, в 10 раз гуще обычной дозы.

Про подводные камни, грабли и геморрои…

Трудности я примеряю на себя. Возможно, для кого-то – это не трудности вовсе. Просто перечислю:

- Датчики pH и EC – это зонды с крайне маленьким диапазоном измерений, требующие операционного усилителя, да еще и совершенно нетерпимые к наводкам, даже очень слабым. Чтобы сенсор выдал «правду», нужно, чтобы внутреннее опорное напряжение, подаваемое на датчик, было фиксированным и абсолютно стабильным, с точностью до сотых вольта. Как показала практика, «Ардуино» и «стабильный» - несовместимые в одном предложении слова. В процессе работы колебания «внутреннего» опорного напряжения от 4,1 до 4,9 происходят постоянно. Ошибка в пол-вольта приводит к разбросу pH от 5.1 до 6.8, что совершенно недопустимо, конечно. К счастью, конструкторы предусмотрели специальный вход для «эталонного» напряжения, к которому я присобачил стабилизированный источник в +4,996 вольта на стабилитроне. Естественно, нужно усреднять результат, считывая датчик не менее 20 раз подряд.

- Опять о датчиках pH/EC. Их нельзя включать одновременно, если они оба погружены в одно ведро. При измерении через сенсор течет небольшой ток, который сильно влияет на измерения второго сенсора. Пришлось модернизировать программу, теперь датчики включаются только в момент измерения и никогда не работают одновременно. Опять же есть небольшая хитрость: чтобы получить точные показания, нужно внести небольшую задержку после включения и перед измерением, чтобы сенсор «прогрелся» (в бОльшей степени это относится к сенсору pH).

- И снова о датчиках! Если в момент измерения работает аэратор, сенсор периодически «измеряет» пузырьки воздуха, поднимающиеся со дна, а совсем не раствор. Можно было применить очень большое усреднение (например, приемлемый результат я получил, выбрав среднее из 5000 значений, на чтение и анализ которых уходит 25 секунд), но я пошел другим путем. Я написал подпрограмму проверки раствора, которая запускается каждые 5 минут. Контроллер отключает аэратор, чтобы утихли пузырьки, и подает напряжение на сенсор pH, которому нужно не менее 30 секунд, чтобы «прогреться» и стабилизировать показания. Через 60 секунд снимаются показания с сенсоров. Потом отключается питание сенсоров и включается аэратор. Намылить, смыть, повторить.

- Пузырьки влияют не только на сенсоры pH/EC. Если на сонар ультразвукового датчика дистанции попадает капелька воды из лопнувшего рядом пузырька, может появиться чудовищная погрешность в 1.5 – 2 раза, и контроллер может решить, что воды в ведре намного меньше, чем есть на самом деле. Дистанция 12 см - достаточно большая, чтобы брызги не долетали до сонара, но пару раз в месяц все-таки это случается. Пришлось использовать программный «костыль», а на будущее – надо бы соорудить какой-то подиум, чтобы поднять датчик еще на 5-10 сантиметров над водой.

- Вообще, при сборке я вынужден был проверять мультиметром ВСЕ цепи, которые могли повлиять на показания сенсоров, разбираться и устранять причины. Одним из главных приобретений был стабилизированный источник питания на 12 вольт / 35 ватт. Только такой БП не начинает «плавать», когда начинают переключаться реле и повышается нагрузка.

Опыт, сын ошибок трудных…

Почему мой контроллер стоит меньше 200 баксов, а система «из коробочки» - $500 или больше? Конечно же, виноваты китайцы с их безпатентной политикой. И еще… Грошовые китайские компоненты – не самые качественные в мире. Следует минимизировать ущерб от плохого качества страховочными мерами.

Первое – и главное: всё критически важное должно быть в двойном экземпляре. Сейчас мой «фонд запасных частей» состоит из контроллера Mega 2560, блока питания на 2А, модуля часов реального времени, датчика температуры в боксе, датчика температуры воды и основного релейного блока на 8 каналов. Остальные компоненты могут быть исключены из сборки без потери работоспособности всей системы. Все запчасти стоят $40, к тому же, когда я отлаживаю новые функции контроллера, я пользуюсь запасным, а в основной заливаю программу только после полноценной обкатки. Если тебе уже не терпится бежать за покупками, советую сразу купить и запчасти – может статься, что они пригодятся сразу!

Второе: используй как можно меньше переходников, «хлебных досок», удлинителей и т.п. При разработке, разумеется, всё это идет в ход, но при установке в бокс нужно брать в лапы паяльник и безжалостно пропаивать все соединения, которые не предполагается размыкать.
Третье: как я уже говорил, аналоговые датчики совершенно не терпят электрических наводок. Никогда не перекрещивай и не прокладывай рядом проводки датчика и электричества, иначе неверные показатели просто гарантированы, причем разброс может быть и 50%, и даже 100%! Для передачи сигнала от контроллера в палатку я взял экранированный многожильный кабель cat.6, это значительно снизило ошибки.

Наконец, в процессе эксплуатации выяснилось, что раствор с удобрениями – очень агрессивная среда для печатных плат с оловянными и медными дорожками. Если случайно пролить на них микстуру или даже просто брызнуть – медь тут же зазеленеет и датчик начнет сбоить. В идеале, все компоненты, находящиеся рядом с водой – датчик уровня, плата сенсоров pH/EC, датчик температуры, следует заливать в эпоксидку и клеить к ведру на самоклейку. Также под раздачу может попасть погружной насос и датчик температуры воды, но эти приборы разработаны для погружения в жидкости и проживут намного дольше, чем устройства с открытым корпусом.

А что будет, если?

Отдельный абзац посвящу внутренней инженерской паранойе. Почему современный самолет не упадет из-за отказа одной или даже нескольких систем? Ответ – дублирование критически важных элементов, уход от единой точки отказа.
Когда я пишу каждый отдельный блок программы, я в уме пытаюсь предположить, что будет, если… Если вдруг именно этот датчик выключится именно в этот самый неподходящий момент? Что будет, если в этот момент выключится электричество? Как отличить достоверные показания от случайных, переданных неисправным датчиком? Если мне кажется, что предполагаемый сценарий может привести к катастрофе, я сразу же дополняю код необходимыми «заглушками». Естественно, всего не предусмотришь, но процент отказов изначально будет сведен к минимуму.

Теперь – немного об отказах «железа». Первая фобия – потоп. Система при выходе из строя теоретически может перекачать весь резервуар с запасной водой в «рабочее» ведро. Решение в моем случае простое: общий объем моего ведра – 23 литра, в системе работает 15 литров, в дополнительном баке – 10 литров. То есть перелив приведет к протечке не более 2-х литров, с чем вполне справится непромокаемое дно палатки. Дополнительная мера безопасности – автономный датчик протечки, не связанный с контроллером, который отключает всё электричество при появлении воды на полу. Вторая фобия – вышедший из-под контроля садовник-терминатор убивает молодую растишку. Не допустить перелива регулирующих раствор жидкостей – самая важная задача. При отказе сенсоров pH или EC контроллер может сойти с ума и залить в раствор все добавки одновременно. На этот случай написана программная «заглушка», перед включением дозирующих насосов проверяющая историю показаний сенсора. Например, если 10 минут назад pH был 5.9, а потом сразу вырос до 10.7, датчик признается неисправным и подпрограмма регулировки pH перестает выполняться, чтобы там дальше датчик не показывал. То же самое – с EC. И с уровнем воды. Мой перистильный насос для пополнения раствора водой не может повысить уровень больше, чем на 5 миллиметров в минуту. Если датчик дистанции показал такую прыть – пора его отключить и зажечь аварийную лампочку!

Наконец, растим мы не совсем помидоры. Поэтому у меня предусмотрен радиобрелок, который обесточивает розетку на радиоуправлении на расстоянии 50 метров от палатки. Ношу его с собой на ключах. Ну и последнее - от превратностей работы нашей электросети спасёт только ИБП. У меня через мощный ИБП на 1,5 киловатт с дополнительной батареей подключен контроллер, роутер и компьютер с БД. Так что при отключении света моя система сохраняет все данные как минимум 6 часов. Естественно, программа контроллера предусматривает «холодный» пуск после перезагрузки с возобновлением работы по расписанию.

И немного про высокие IT технологии…

В стартовом комплекте Ардуино есть Ethernet Shield с вполне сносной библиотекой, реализующей на контроллере tcp/ip и http. Грех не воспользоваться! Давай я скажу про эту штуку коротко: использовать Ардуино как web-сервер – не стоит. Это – не компьютер, это - контроллер, со всеми его минусами – невысокой скоростью, однозадачностью (ну почти), непредвидимыми задержками и т. п. Да и постоянной памяти, в которой можно хранить какие-то логи, у контроллера – с гулькин нос (если, конечно, не применять запись на sd-карту, чего я тоже от души не советую). Поэтому самое разумное – периодически отправлять текущее состояние сенсоров и реле на «взрослый» сервер. Сенсоры у меня логируются раз в 10 минут, состояние реле – при каждом переключении. Ещё раз в минуту на сервер постится картинка с web-камеры в боксе, но эта задача никакого отношения к Ардуино не имеет – камеры у нас теперь и сами с этим справляются.

Я сделал у себя на компьютере виртуальную машину, на которую водрузил Debian, MySQL, Apache2, PHP (школьный набор web разработчика). Данные контроллер передает через http get запросы в php скрипт, который записывает их в базу MySQL. А страничка, генерируемая php скриптом, показывает красивые графики, отрисованные с помощью библиотеки Google Charts. Я в эти дебри сейчас углубляться не буду, а то получится книга в двух томах. Просто поверь на слово, ничего сложного, вкуривай google и ничего не бойся!

А дальше?

Основное достоинство решения на Ардуино – можно навернуть еще тучу разных плюшек за сравнительно небольшие деньги. Естественно, у меня уже есть планы, выходящие далеко за пределы сегодняшних задач. Что-то имеет второстепенное значение, до чего-то руки не дошли пока.

• Датчик уровня воды в дополнительном баке. Даст мне статистику, сколько точно воды и с какой динамикой потребляет растение. Можно рассчитать по времени работы подкачивающей помпы, но со вторым датчиком будет намного точнее. Заодно контроллер может напомнить, что пора наполнить пустую емкость. И, наконец, два датчика могут контролировать исправность друг друга, если соответственно доработать программу.
• Датчик освещенности на уровне верхней колы. Можно точно подрегулировать лампу под пресловутую таблицу с люменами/сантиметрами. Проблема в том, что куст растет, и датчик придется перемещать вручную. Короче, практической пользы – почти никакой. А можно оставить этот датчик на уровне горшка и по падению освещенности рассчитывать плотность лиственного покрова и, соответственно, скорость роста растения – но это уже для гурманов, я думаю J
• Датчик концентрации CO2 в палатке– так, на всякий случай напоминаю – деревья только этим и дышат. Поскольку система принудительной подачи CO2 явно не для гровера средней руки, польза от датчика – только телеметрия.
• Аквариумный чиллер для охлаждения раствора в ведре в зависимости от температуры. Летом, когда весь бокс охладить тяжело, можно охлаждать только воду. Нормальный чиллер стоит довольно дорого, даже китайский, как только заполучу такой для теста – так и подключу.
• Удаленное управление нагрузками через Веб-форму. Особо не требуется, если контроллер настроен по уму – он сам все включит вовремя без твоей помощи.
• Пока я разыскивал по всему интернету зонды pH/EC, наткнулся на серьезную контору Atlas Scientific. Они делают цифровые датчики, намного менее чувствительные к помехам, и усреднение не требуется. Стоит удовольствие под $300 (самое дорогое – зонды), но я определенно хочу попробовать их вместо кустарного изделия OpenAquarium. Даже после всех танцев с бубном, описанных выше, флуктуации при измерении EC сильно раздражают и рождают в душе недоверие к результатам.

На сегодня всё, друг мой! Да принесет тебе Джа парочку умных идей и силы их воплотить! 

Обсудить на форуме