ESP32+后端的室內(nèi)氣培花園自動化制作指南

本指南最終有點冗長，還包括將我?guī)У竭@一點的旅程的詳細(xì)信息，而不是一套簡短的說明。這樣做的原因是，在這段旅程中，我遇到了很多選擇，我相信在這里和那里提供更多的細(xì)節(jié)可能會幫助任何人——像我一樣——開始成為一名制造商、室內(nèi)園丁或程序員。

我在這個項目中使用的每一項知識都是自學(xué)的，并且是從互聯(lián)網(wǎng)上免費提供的資料中獲取的。我希望這會鼓勵您學(xué)習(xí)、試驗，讓您和您的社區(qū)的生活更美好，并在途中獲得很多樂趣。我當(dāng)然會:)

花園

這一切都始于大約 2 年前，當(dāng)時我收到一小籃子羅勒和歐芹作為喬遷禮物，我很快就迷上了用新鮮香草烹飪的想法，即使是在隆冬。由于這些年來我也在休假，所以事情注定會失控——以一種好的方式

首先，我開始從當(dāng)?shù)爻刑匾赓徺I新的羅勒植物，很快我的櫥窗里就有 6 到 7 株，腦子里有無數(shù)的新計劃和想法。因此，唯一合乎邏輯的下一步是購買一些生長燈，并最終將該項目發(fā)展成一個半自動化的氣培花園，只需要不時手動更換營養(yǎng)液。

這也是我對 Maker 世界的介紹。

種植容器和氣培法

我最終選擇了氣培法而不是其他方法，因為它似乎是最有效的資源利用方式，而且想到擁有一大桶根莖，在我家中間懸掛在蒸發(fā)的營養(yǎng)液中也具有奇怪的吸引力。

因為它計劃是一個實驗性的構(gòu)建，我使用了一個宜家盒子（可能不是食品級的，所以我不推薦它）在頂部為網(wǎng)杯切幾個洞，就是這樣。

單一容器方法效果很好，但也有缺點：一旦根部接觸到營養(yǎng)液，就很難控制根腐病，因為造霧器不能使水充分充氧。我經(jīng)常需要使用過氧化氫 (H2O2) 對其進(jìn)行消毒。還有其他更好的變體（參見：高壓氣培法），但這個是最容易建造的。

在為 netcups 鉆孔之前找到正確的安排

到目前為止，使用超聲波霧化器并不是最好的解決方案，但它是氣培法的簡單介紹，效果好且維護成本低。

一定要買一個帶有“漂浮物”的，因為它們只能在理想的深度下工作。如果造霧機有一個浸沒傳感器，它也有幫助，這樣它就不會在離開水時打開并損壞自身（例如，當(dāng)容器在炎熱的夏天排水得更快時）。

當(dāng)您更換營養(yǎng)物時，還要確保清潔裝置和漂浮物，因為它可能是細(xì)菌的培養(yǎng)箱。

外殼：

幾個月來，我一直在看著我客廳中央的一個相當(dāng)丑陋的帳篷，它是用反光救生毯、錫箔和電線搭起來的，讓它看起來更像是一個廢棄的臨時***實驗室，而不是羅勒花園。所以我決定使用木框和雙面反光板來升級外殼。它便宜、易于制造，最終大大提高了生長燈的效率。

使用專為該任務(wù)打造的材料：耐熱、表面不平整的反光材料（以避免形成熱點）、耐用、不透明、一側(cè)顏色適合您的環(huán)境。通常一個簡單的熱屏就足夠了。

正在制作中的新外殼

控制器單元

帶DS18B20溫度傳感器的控制器

原理圖

免責(zé)聲明

在這一點上，我必須補充一點，我只是一個愛好者，而不是工程師，所以挑戰(zhàn)我的解決方案總是一個好主意。也就是說，當(dāng)前的設(shè)置是對無數(shù)項目和指南進(jìn)行數(shù)月研究的結(jié)果，旨在尋找最佳實踐來構(gòu)建負(fù)擔(dān)得起但安全的解決方案。

它經(jīng)歷了多次迭代，并且總是有很大的改進(jìn)空間，但目前的原型已經(jīng)在我的花園里全天候服務(wù)了一年多，并被證明是可靠的。

電源連接：

請注意，輸入和輸出電源連接器均為IEC_60320 C14，可輕松更換，并且也是許多生長燈和計算機制造商的標(biāo)準(zhǔn)。

我使用 PC 電源線作為輸入，并使用組裝好的自定義連接器作為輸出。

電源輸入通過電線連接器分配，我使用的是 wago 221s。微控制器（3V3）和繼電器模塊（5V）有一個 5V 直流電源，其余通過繼電器模塊路由到生長燈和灌溉。

安全注意事項：

繼電器缺點：對于輸出電源連接器，接地是直接連接的，但火線和中性線只有一根由繼電器切換，因為這在這類家庭項目中很常見。因此，即使繼電器處于關(guān)閉狀態(tài)，也應(yīng)將末端的任何東西視為帶電。在進(jìn)行任何手動交互之前，將它們與設(shè)備完全斷開。

入口和出口：對于像我這樣的新手來說，區(qū)分相同連接器標(biāo)準(zhǔn)的入口和出口可能也不是很明顯（我只熟悉 PC 電源的入口），但是有非常明顯和合乎邏輯的安全原因使用插座作為輸出連接器，否則您最終會在設(shè)備側(cè)面的裸露金屬針腳上獲得電源電壓。這是次優(yōu)的:)

傳感器：

經(jīng)過幾次嘗試，我發(fā)現(xiàn)將我的傳感器連接到設(shè)備的最簡單方法是通過 3.5 毫米音頻連接器（具有 3 個或更多極）和音頻電纜（至少具有相同數(shù)量的電線）。端口、連接器和電纜均易于采購、易于組裝并符合 3V3-5V 標(biāo)準(zhǔn)。

在這個項目中，我只使用了 DS18B20 溫度傳感器的防水變體來監(jiān)測營養(yǎng)液的溫度。但在房間的另一邊，有一個類似的單元負(fù)責(zé)照看土壤種植的羅勒，它使用電容式土壤濕度傳感器、DHT11 溫濕度傳感器，這些也可以在 MCU 側(cè)項目的模塊中找到模板:: https://github.com/tlvlp/iot-mcu-modules/tree/master/modules

繼電器模塊：

我使用的是 5V 電源和 3V3 控制，非常適合 ESP32。

確保它額定切換電源電壓并且它可以承受灌溉和植物生長燈的負(fù)載。請注意“電源連接”部分中的安全警告！

生長燈：

網(wǎng)上有很多關(guān)于為你的花園選擇合適的燈的材料，它本身就是一門藝術(shù)，這取決于你的植物的要求和主要的書呆子水平:)

由于控制器可以處理任何由電源電壓供電的生長燈，您只需考慮繼電器模塊的額定值或選擇適合您選擇的照明的繼電器。

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組件清單：

ESP32 WROOM 或 WROVER 開發(fā)板

固態(tài)繼電器模塊

交直流5V電源

3.5 毫米音頻連接器

3+線音頻線

信號線

DS18B20水溫傳感器

生長燈

PC電源線插頭

輸入的電源兼容開關(guān)

電源插座

3 個額定電源線連接器https://www.wago.com/221/us/

項目箱 - 最好是防水的

MCU、固件和軟件：

選擇微控制器 - ESP32

首先，我在 Arduino Nanos 上碰了碰運氣，它非常適合學(xué)習(xí)，但幾乎無法用于物聯(lián)網(wǎng)目的。我最終選擇了 ESP32 WROVER 和 WROOM 開發(fā)板，因為即使它們是市場上的新產(chǎn)品，對于內(nèi)置 WiFi 且具有良好性能和存儲容量的 MCU 來說，它們也相對便宜。

我為 ESP 構(gòu)建了一個小型對接平臺，并將所有傳感器、繼電器控制和電源連接到該平臺，使開發(fā)板可從設(shè)置中移除。

選擇語言 - MicroPython

在使用 C++ 和 PlatformIO 大約一個月后，一旦我想對項目進(jìn)行模塊化，我很快就不知所措，最終在不得不調(diào)試一些晦澀的 mqtt 連接問題時放棄了。

那是我找到 MicroPython 并最終在項目中使用它的時候。

它在性能方面當(dāng)然有其缺點，但使用相對強大的 ESP 芯片，我很樂意用一些性能損失來換取可讀性、開發(fā)和調(diào)試的便利性。

與編譯后的 C++ 不同，MP 還必須在內(nèi)存中有其解釋器，占用更多空間。但它的優(yōu)點是不必每次更改都重新編譯和上傳整個項目，而只需上傳已修改的腳本。

通過串行連接的 REPL 也是加速編寫和測試代碼的一個很好的特性。

為您的硬件編寫自定義模塊

由于硬件模塊種類繁多，您很有可能會為它們編寫自定義軟件模塊。

最好的開始方式是決定您的硬件設(shè)置，從下面克隆模塊存儲庫，實施您的解決方案。另請參閱上面的傳感器部分以獲取更多信息。

UAsyncIO 和協(xié)作式多任務(wù)處理：

在自定義 MCU 模塊和設(shè)置時，確保使用與現(xiàn)有實現(xiàn)類似的 uasyncio（Python 的 asyncio 的微型版本）庫，尤其是對于較慢的模塊，以保持單元響應(yīng) - 否則，例如。等待較慢的傳感器會阻止設(shè)備接收 MQTT 調(diào)用。

代碼庫：

https://github.com/tlvlp/iot-mcu-modules - MCU 端 API 詳細(xì)信息和啟動您自己的項目的通用模板

https://github.com/tlvlp/iot-mcu-modules - MCU 端 API 詳細(xì)信息和啟動您自己的項目的通用模板

https://github.com/tlvlp/iot-mcu-bazsalikon-aero - 在這里您可以找到我的花園中當(dāng)前使用的上述模板的實現(xiàn)

更新固件并將項目上傳到 MCU：

https://github.com/tlvlp/micropython-upload - 我用來更新固件、上傳項目文件、訪問 REPL 等的腳本集合。

https://micropython.org/ - 官方 MicroPython 資源，包括開發(fā)板特定的固件和一個非常有用的社區(qū)

ESP32 - Lolin32 v1.0.0 開發(fā)板

服務(wù)器端

因為在做這個項目的時候，我也正在轉(zhuǎn)行成為一名軟件開發(fā)人員，所以我發(fā)現(xiàn)用這個項目作為學(xué)習(xí)新技術(shù)的動力是一個好主意。

因此，服務(wù)器端并不像您對類似規(guī)模的創(chuàng)客項目所期望的那樣輕巧，它不需要在 MCU 或 Raspberry Pi 上運行，它需要一個中等大小的家用服務(wù)器或計算機，但作為回報，它可以擴展以處理更多的 MCU :)

可以在此處找到項目摘要存儲庫，其中包含部署所需的所有詳細(xì)信息和材料：https ://github.com/tlvlp/iot-project-summary

特點：

機組監(jiān)控

每個單元中的模塊電平控制（例如繼電器）

以計劃任務(wù)的形式實現(xiàn)自動化

報告：使用原始數(shù)據(jù)和每小時、每天、每周、每月和每年的平均值為單元動態(tài)生成模塊級報告。

安全——所有公開的端點都使用 TLS、身份驗證和授權(quán)規(guī)則。所有密碼均在安裝期間生成并存儲在 Docker 機密中。

Dockerized 服務(wù)堆棧提供安全可靠性并與服務(wù)器的其余部分分離

大多數(shù)服務(wù)都可以通過 Docker Swarm 進(jìn)行擴展（詳情在部署倉庫中）

部分：

Linux服務(wù)器

網(wǎng)絡(luò)連接

TLS 證書（最好使用域加密）

下圖顯示了服務(wù)之間可能的 API 調(diào)用的概覽。除了 MQTT 代理之外的所有服務(wù)都使用數(shù)據(jù)庫，因此為了清楚起見，我省略了這些連接。

API 網(wǎng)關(guān)控制大部分流程，但 MQTT 客戶端和調(diào)度程序也可以通過專用的內(nèi)部用戶帳戶調(diào)用網(wǎng)關(guān)。

服務(wù)器后端+前端服務(wù)圖

后端部署：

我已經(jīng)為幾種情況編寫了安裝、部署和卸載腳本。

在獲得 TLS 證書和簡短配置后，安裝是完全自動的。

所有詳細(xì)信息都可以在https://github.com/tlvlp/iot-server-deployment repo 中找到。

網(wǎng)絡(luò)門戶：

https://github.com/tlvlp/iot-api-gateway是與服務(wù)交互的最穩(wěn)定方式，您可以制作自己的前端實現(xiàn)。

在撰寫此摘要時，我對前端世界還比較陌生，因此在當(dāng)前狀態(tài)下，該項目附帶的門戶充其量是粗糙的，尤其是在涉及 UX 時，但它是安全且功能齊全的。

特征：

完全實現(xiàn)后端 API

由 TLS 保護

桌面和移動兼容

PWA（漸進(jìn)式 Web 應(yīng)用程序），您可以將其作為應(yīng)用程序安裝到桌面和手機以方便訪問

單元詳細(xì)信息部分包含從單元列表視圖中選擇的單個單元的所有詳細(xì)信息和可用操作，例如：

開關(guān)繼電器模塊

添加、編輯預(yù)定事件

查看單元活動日志

為單元的給定模塊生成報告

單位詳情查看

報告部分顯示單個單元模塊的可自定義報告。

可以同時顯示不同的平均范圍，這將在當(dāng)前基于文本的報告被可視化圖表取代時更有用。

如果從“單元詳細(xì)信息”視圖打開，報告參數(shù)會預(yù)先填充單元和模塊特定詳細(xì)信息。

報告視圖

Admin 部分僅供具有 ADMIN 角色的用戶訪問，目前是注冊新用戶的唯一途徑。

用戶管理員視圖

構(gòu)建您自己的自定義輕量級后端的技巧：

您可以將項目的后端部分替換為您自己的解決方案。

只要滿足以下條件，您就可以使用您熟悉的任何語言和庫：

它需要包括一個 MQTT 服務(wù)器和客戶端

它必須實現(xiàn)https://github.com/tlvlp/iot-mcu-modules的 README 中詳述的 MCU 端 API

如果您了解一點 java 和 SpringBoot，快速構(gòu)建在 RaspberryPi 上運行的輕量級單體后端的一種方法是：

安裝和配置 MQTT 代理（例如 Mosquitto 或 VerneMQ）

克隆https://github.com/tlvlp/iot-mqtt-client存儲庫

在 /mqtt/MessagingService.java 中，將您的自定義邏輯添加到這些方法：handleIncomingMessage() 和 handleOutgoingMessage()

使用 Spring security 添加身份驗證和 TLS。示例可以在https://github.com/tlvlp/iot-api-gateway/ repo 的 src/.../config 包中找到

您還可以在各自的 repos 中找到調(diào)度、報告和單元處理相關(guān)邏輯，所有這些都在https://github.com/tlvlp/iot-project-summary中引用

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