Приложение № 6. Требования к оборудованию Умная теплица.

Приложение № 6

Требования к оборудованию «Умная теплица».

 

Минимальные требования  к составу оборудования для проведения тренировок и соревнований по заданию «Умная теплица» компетенции «Интернет Вещей».

Составитель:  Рытов А.М.

Санкт-Петербург, 2016

 

Введение.

Компетенция «Интернет Вещей» (“Internet of Things” - IoT) начала проводиться, в рамках состязаний Junior Skills, с весны 2016.  Темой проходивших пилотных соревнований была «Умная теплица», и эта же тема остается в заданиях на соревновательный сезон 2016-2017 года.

В ходе соревнования участники должны собрать, из предоставленных комплектов, макет теплицы, снабдить ее датчиками и исполнительными устройствами для контроля ряда параметров (температуры,  освещенности, влажности), запрограммировать микроконтроллер, управляющий всеми этими датчиками и устройствами, обеспечить передачу информации с датчиков на «облачную» платформу IoT и команд с «облачной» платформы обратно на устройство, отображение состояния «умной теплицы» на компьютерах или мобильных устройствах, подключенных к облачной платформе.

Настоящий документ описывает минимальные требования к комплекту оборудования, необходимого для подготовке к участию в соревнованиях компетенции «Интернет Вещей» по   теме «Умная теплица».  В ходе подготовки задания, преподавателями и обучающимися ГБУ ДО ЦДЮТТИТ, при поддержке специалистов компании MGBot, был разработан комплект оборудования, полностью отвечающий приведенным ниже требованиям.  Этот комплект может быть приобретен в интернет-магазине компании MGBot и является рекомендуемым «официальным» комплектом для участия в соревнованиях.

Тем не менее, образовательные учреждения, не имеющие возможности приобрести готовые комплекты для сборки «Умной теплицы», либо, по любым причинам, предпочитающие идти своим путем, вполне могут проводить тренировки и организовывать соревнования на любом оборудовании, отвечающем приведенным ниже требованиям.

В данном документе рассматриваются только требования к аппаратному и программному обеспечению собственно макета теплицы.  Вопросы получения доступа к «облачной» платформе, подключения к ней и использования ее возможностей здесь не рассматриваются.

Конструкция макета теплицы.

Для подготовки к соревнованиям необходим сборный настольный макет теплицы, имеющий на стенках и под крышей конструктивные элементы для крепления датчиков и исполнительных устройств.  Обратите внимание, что мы говорим о макете теплицы, поскольку он предназначен для выполнения заданий соревнования, а не для фактического выращивания растений.  Рассмотрим подробнее общие требования к макету теплицы:

Размеры.  На ученическом столе, за которым сидит команда из 2-х человек, должно быть достаточно места для размещения макета теплицы, а также ее деталей, электронных модулей и инструментов в процессе ее сборки. С другой стороны, макет теплицы должен иметь достаточный объем для размещения двух небольших горшков с растениями.  Рекомендуемые размеры основания 45х30 см, при высоте 25-30 см.

Сборка. Используемая конструкция может быть любой, однако следует учитывать, что рекомендуемый комплект «Умной теплицы» собирается из листовых деталей, скрепляемых винтовыми соединениями, как показано на рисунке. На соревнованиях, участникам предоставляется подробная пошаговая инструкция, поэтому сборка макета теплицы не вызывает особых затруднений. Тем не менее, предварительная тренировка по сборке конструкций такого типа может дать вашей команде некоторый выигрыш во времени.

Остекление.  Как и в настоящей теплице, стены и крыша макета должны быть выполнены, частично или полностью, из прозрачного материала. Допускается использование пленок, натянутых на раму, или панелей из прозрачного пластика.  Из соображений безопасности, не  допускается использование стекла (бьющегося).  Должно быть обеспечено быстрое снятие  крыши или снятие/открытие больших панелей для установки внутрь теплицы горшков с растениями и доступа к датчикам.  Секция крыши или боковых стенок должна быть поворотной, для обеспечения автоматического проветривания, как более подробно описано ниже.  При закрытых поворотных секциях, внутренний объем теплицы должен быть полностью замкнут.

Влагоустойчивость. В отличие от настоящей теплицы, влагоустойчивость макета приветствуется, но не требуется. Хотя в задании содержится управление поливом,  на соревнованиях все процедуры, связанные с измерением влажности и имитацией полива, организованы так, чтобы избежать попадания влаги внутрь теплицы или на электронные компоненты. 

Установка датчиков и исполнительных устройств. В последующих секциях подробно описан каждый из контролируемых параметров и размещение соответствующих датчиков и приводов.  В конструкции макета теплицы следует предусмотреть как места для их крепления,  так и способы проведения внутри теплицы и вывода наружу всех проводов.

Крепление модулей электроники.  Собранная конструкция будет содержать модуль микроконтроллера (Arduino Uno или Mega) и ряд вспомогательных модулей для работы с датчиками и исполнительными устройствами.  Хотя в простейшем варианте все эти модули могут быть просто разложены на столе или висеть на проводах вокруг макета теплицы,  желательно предусмотреть конструктивное решение для их закрепления на самой теплице или на отдельной стойке рядом с теплицей.  Так, рекомендованный комплект «Умная  теплица» включает в себя набор сменных «окошек» - прозрачных панелей для крепления различных электронных модулей на торцах теплицы.

Контролируемые параметры и соответствующее оборудование

Измерение температуры и влажности воздуха

Для измерения температуры и влажности воздуха внутри теплицы используется комбинированный датчик DHT11. Датчик устанавливается в любом месте внутри теплицы, удаленном от локальных источников тепла.  Модуль датчика крепится одним винтом M3.

Доступность:  датчик DHT11 широко доступен на сайтах ebay.com, aliexpress.com по цене от $1 за штуку (60-70 рублей).  Искать:  «DHT11».

Библиотеки: существует несколько вариантов библиотек для работы с датчиками семейства DHT. Все они легко находятся в Интернете, например, здесь: http://playground.arduino.cc/Main/DHT11Lib.

Управление температурой воздуха

Управление температурой воздуха имеет два аспекта:  во-1-х, подогрев уложенным на пол теплицы пленочным подогревателем и, во-2-х, охлаждение за счет проветривания (открывания секции окна или крыши).  Наличие датчика температуры, описанного выше, в сочетании с подогревом и проветриванием, позволяет ставить интересные задачи на автоматическое управление температурой. В то же время, механизм автоматического проветривания усложняет конструкцию теплицы, а использование нагревателя и сервопривода повышает требования к мощности источника питания.

На Национальном чемпионате 2016, опция управления температурой была включена в демонстрационную модель теплицы, но не в задание, выполняемое участниками.  На момент написания данного документа, неизвестно, будет ли управление температурой включено в задание следующего чемпионата.

Подогрев воздуха. 

Рекомендуется использование пленочного нагревателя мощностью не более 50Вт, с напряжением питания 12В. Такие нагреватели используются, например, в автомобилях для обогрева зеркал заднего вида или щеток (наклеиваются на лобовое стекло). В частности, можно использовать нагреватели:

НЩС-35 (350мм х 50мм.) Мощность 17,5 Вт

НЩС-38 (380мм х 50мм.) Мощность 14,5 Вт

НЩС-55 (550мм х 50мм.) Мощность 37,5 Вт

Их стоимость варьируется от 250 до 600 рублей за штуку. Если мощности одного нагревателя недостаточно для ощутимого обогрева теплицы, можно использовать два, подключив их параллельно.  Искать: “НЩС-38”.

Обогреватели снабжены липким слоем и просто наклеиваются на основание. Для уменьшения потерь тепла через пол макета теплицы, обогреватель рекомендуется наклеивать на коврик из фольгированного теплоизолирующего листового материала («Изолон» или аналог).

Управление обогревателем.  Для управления обогревателем, описанным выше, необходимо коммутировать ток 3-5 ампер. Для этого можно использовать MOSFET-модуль или реле.

Доступность:  MOSFET-модули, например, на базе транзистора IRF520 (ток до 5А), широко доступны на сайтах ebay.com, aliexpress.com по цене от $1 за штуку (60-70 рублей).  Искать: “MOSFET module IRF520 arduino”.

Питание:  используйте любой блок питания на 12V и не менее 5А (лучше 10А).  Удобно использовать компьютерный блок питания, с которого можно снять как 12V, так и 5V для питания сервоприводов.

Автоматическое проветривание. 

Для реализации этой функции, секция крыши или окна макета теплицы должна быть смонтирована на поворотной оси и, через жесткую или пружинную тягу, сцеплена с коромыслом сервопривода.  Поворот сервопривода поворачивает или поднимает «форточку». Рекомендуется использование стандартного сервопривода для радиоуправляемых моделей, например, MG995 или аналог.

Доступность:  такие сервоприводы широко доступны на сайтах ebay.com, aliexpress.com по цене от $4.5 за штуку (300-400 рублей).  Искать: «RC servo».

Питание:  сервопривод требует напряжения питания 5V, но при этом потребляет слишком большой ток, так что его нельзя подключать к выходу 5V на плате Ардуино.  Если вы используете компьютерный блок питания, берите +5V на питание сервоприводов непосредственно с него.  Если в вашем распоряжении есть только блок питания на 12V,  используйте для питания сервопривода импульсный понижающий модуль преобразования напряжения.

Доступность:  ebay.com, aliexpress.com по цене от $2.30 (150-200 руб).  Искать: “5V 5A Step Down Converter Module”.

Измерение освещенности.

Макет теплицы снабжен датчиком внешней освещенности, установленным за пределами теплицы (на внешней стороне стенки, на коньке крыши и т.п.). Датчик не должен заслоняться деталями теплицы или электронными модулями. Датчик должен быть хорошо заметен и его должно быть удобно закрыть рукой (для проверки функционирования).

В качестве датчика рекомендуется использовать фоторезистор (например, GL5539) либо готовый модуль с фоторезистором. 

Доступность (у «китайцев»):  за $1 (50-60 руб) можно купить кучку из 20 отдельных фоторезисторов, либо один светочувствительный модуль (основанный на таком же фоторезисторе), имеющий как аналоговый, так и цифровой (значение освещенности превышает заданное) выходы.  Для наших целей цифровой выход не используется, так что единственное преимущество модуля — удобство монтажа. Искать: “photoresistor” либо “Photoresistor Sensor Module”.

Подсветка теплицы

Макет теплицы подсвечивается изнутри светодиодной лентой.  Лента наклеивается под крышу теплицы так, чтобы обеспечивалось равномерное освещение «растений». Использование датчика внешней освещенности в сочетании со светодиодной подсветкой позволяет отрабатывать задания по автоматическому включению света в темное время суток, плавному включению освещения и т.д.  На Национальном чемпионате 2016 использовалась белая подсветка, с одним каналом управления.  В случае использования RGB-ленты и трех каналов управления, можно отрабатывать сценарии с изменением цветового диапазона  подсветки, что, предположительно, должно влиять на скорость роста растений и созревание плодов.

Стандартное напряжение питания светодиодной ленты — 12V.  Необходимые ограничительные резисторы уже встроены в ленту, никаких специальных ухищрений при запитывании ленты не нужно. Лента покупается метрами, может нарезаться с точностью до секции по 3 светодиода, длина секции 10 см или 5 см, в зависимости от плотности размещения светодиодов.  После нарезки ленты по длине теплицы, вам потребуется припаять к концу ленты провода с разъемом.  Для белой ленты это два провода (GND и +12V),  для RGB – 4 провода (+12V и 3 отдельных GND для каждого из цветов).

Доступность ленты у «китайцев»:  от 200 руб/метр, в зависимости от типа ленты, дешевле (за метр), если покупать помногу. Искать:  “LED strip”.  Также LED-лента легко находится локально, в больших строительных магазинах или специализированных магазинах светодиодной техники.

Подключение/питание:  лента должна подключаться к микроконтроллеру через модуль драйвера. В случае белой ленты, достаточно одного канала управления, и можно использовать такой же MOSFET-модуль, как описан выше для нагревателя.

В случае использования RGB-ленты, необходим отдельный канал управления на каждый цвет, для чего можно, например, использовать модуль драйвера RGB-ленты на базе чипа P9813.

Доступность драйвера у «китайцев»:   от 380 руб.  Искать: “RGB LED Strip Driver for Arduino”. 

Библиотека для Ардуино:  http://fastled.io/.

Датчики для каждого из растений в горшках.

Задание предполагает подключение к контроллеру «Умной теплицы» не менее двух одинаковых комплектов датчиков, установленных в горшках с растениями.  Смысл этого требования заключается в том, чтобы при построении объектной модели теплицы на «облачной» IoT платформе можно было отработать сценарий с несколькими одинаковыми под-объектами «Растение», входящими в состав объекта «Теплица». В каждом горшке измеряется два параметра:  температура почвы и влажность почвы.

В текущей версии «Умной теплицы» не предпринимается никаких попыток непосредственно управлять температурой почвы в горшке (хотя на нее будет влиять общий подогрев пола теплицы).

Датчик температуры почвы.  Рекомендуется использовать датчик DS18B20, «упакованный» внутрь металлического щупа. 

Доступность датчика у «китайцев»:  от 110 руб. Искать: “DS18B20 Probe Waterproof”. 

Библиотека для Ардуино: http://www.milesburton.com/?title=Dallas_Temperature_Control_Library.

Датчик влажности почвы.   Используется простая «вилка» для измерения сопротивления почвы.  Если  в состав датчика входит электронный модуль, как показано на фото, то с него можно снимать как аналоговое, так и цифровое значение (влажность превышает заданное потенциометром пороговое значение). Снятие цифрового значения (влажно/сухо) в задании не предусматривается, единственное преимущество модуля — чуть большее удобство монтажа.

Доступность у «китайцев»:  от 60 руб.  Искать: “soil moisture sensor arduino”. 

Библиотека: не требуется. Датчик подключается к любому аналоговому входу Ардуино.

Система управления поливом.

В отличие от описанных выше каналов управления состоянием теплицы, управление влажностью почвы реализовано частично, с использованием имитации полива. Основная причина этого — стремление избежать сочетания незащищенной электроники с водой, мокрой почвой и неумелыми детскими ручками.  Кроме того, однажды политая почва в горшке высыхает медленно, что делает затруднительной проверку работы алгоритмов управления влажностью в условиях ограниченного времени соревнования.

На соревновании, задачи, связанные с поливом, могут выглядеть так:  работа датчика влажности почвы проверяется ручной перестановкой его из сухого горшка в заранее намоченный и обратно; проверяется включение/выключение имитатора полива командами из «облачного» интерфейса теплицы; реализуется простейший алгоритм регулятора влажности почвы, его работа проверяется также с ручной перестановкой датчика между горшками.

В рекомендованный комплект «Умная теплица» входит отдельный стенд для имитации полива, содержащий реле управления, водяной насос и емкость (бутылку) с водой. Насос и емкость с водой соединены прозрачными силиконовыми трубками по замкнутому контуру. При включении насоса, вода начинает циркулировать по трубкам.  При необходимости, этот стенд можно использовать, выведя наружу трубку, для фактического полива растений, но на соревновании это не потребуется.

Для проведения тренировок, стенд имитатора полива можно просто заменить  светодиодом, подключенным (через ограничительный резистор!) к любому выводу Ардуино.

Если вы все же решили самостоятельно реализовать функцию полива, то можно использовать  дешевый водяной насос, наподобие показанного на фото.

Доступность у «китайцев»:  от 250 руб.  Искать: “water pump 12v dc motor”.

Подключение насоса:  через MOSFET-модуль, описанный выше, либо через модуль Ардуино-совместимого электромеханического реле.  Доступность реле у «китайцев»:   от 130 руб. Искать: «relay module arduino». Кроме одинарных, имеются также варианты с 2, 4, 6 или 8 реле, смонтированными на одном модуле. Сдвоенный модуль реле можно, при желании, использовать для управления подогревом и поливом.

Библиотеки: не требуются. Вход реле подключается к любому «цифровому» выводу Ардуино, управляется функцией digitalWrite().

Питание:  Как и все прочие «силовые» устройства в этом проекте, мотор  нужно запитывать от достаточно мощного источника питания, ни в коем случае не от ножек Ардуино.  Также необходимо учитывать, что любой электромотор при включении и выключении может давать пики напряжения, а коллекторные моторы и при работе являются источниками помех по питанию.  Чтобы избежать сбоев в работе контроллера и датчиков, очень желательно припаять непосредственно на выводы мотора керамический конденсатор до 1мкФ (для устранения высокочастотных помех от искрения щеток), а кроме того, подключить параллельно мотору электролитический конденсатор большой емкости (например, 1000 мкФ) для сглаживания пиков напряжения при запуске и остановке мотора.

Пользовательский интерфейс теплицы.

Хотя большая часть работы с теплицей выполняется либо через отладочный интерфейс (USB), либо через ее «облачный» интерфейс, для отладки работы с оборудованием и для решения задач автономного управления удобно иметь простой пользовательский интерфейс (LCD-дисплей и кнопки) на самой теплице.  На Национальном чемпионате 2016, пользовательский интерфейс присутствовал в демонстрационной модели теплицы, но не в задании, выполнявшемся участниками.  На момент написания данного документа, неизвестно, будет ли монтаж и программирование пользовательского интерфейса теплицы включены в задание следующего чемпионата. Далее рассмотрены экран и блок кнопок, использованные в демонстрационной модели теплицы.

Учтите, что при включении в состав теплицы экрана и блока кнопок, вам, скорее всего, окажется недостаточно ни объема памяти программ, ни количества выводов, имеющихся в Arduino Uno, и придется использовать в качестве контроллера Arduino Mega. 

Блок кнопок (аналоговый).  

Важным достоинством данного устройства является то, что оно подключается к Ардуино через всего один аналоговый вход. Нажатию разных кнопок соответствуют отчетливо различающиеся напряжения на этом входе.   Кнопки можно использовать для навигации по экранному меню, либо непосредственно привязывать к выполнению определенных команд (например, открыть/закрыть окно теплицы, включить/выключить подсветку и т. п.). Такой вариант гораздо проще программируется и может быть применен даже без использования экрана.

Доступность (у «китайцев»):  от 160 руб.  Искать: “button module analog arduino”.

Библиотеки: не требуются. Состояние кнопок считывается функцией analogRead(), затем анализируется серией условных операторов.

Дисплей

Отображает 2 строки по 16 символов. Очень дешевое и распространенное устройство. На задней стороне модуля находится дополнительная плата, обеспечивающая I2C- интерфейс дисплея с микроконтроллером Ардуино.

Подключение:  Поскольку интерфейс I2C в микроконтроллере реализован аппаратно, SDA и SCL от дисплейного модуля нужно подключать к строго определенным выводам Ардуино.  Так, на Arduino Uno, SDA/SCL подключаются, соответственно, к пинам A4 и A5, а на Arduino Mega они подключаются к пинам 20 и 21, и не накладываются на аналоговые входы. 

Доступность:  от 190 руб ($3) у «китайцев». Искать: “1602 Serial I2C LCD module Arduino”.

Библиотеки:  требуются, доступны в Инете.  Вот, например,  статья (in English!) со множеством ссылок : https://arduino-info.wikispaces.com/LCD-Blue-I2C.

Микроконтроллерный «бутерброд»

В рекомендуемой конфигурации, основа электронной начинки «Умной теплицы» - это трехслойный «бутерброд», составленный из платы микроконтроллера Arduino Uno (или Arduino Mega, в расширенном варианте), на который сверху установлена сетевая плата  W5100 для подключения к ethernet, а третьим слоем — SainSmart Sensor shield или аналог, к которому и подключаются все описанные выше датчики и модули управления исполнительными устройствами.  Рассмотрим подробнее каждый из слоев «бутерброда».

Микроконтроллер.

 Arduino Uno - Самая распространенная микроконтроллерная платформа для любительских и учебных проектов, базирующаяся на микроконтроллере ATMega328 фирмы Atmel. К нему существует бесплатная среда Arduino для разработки программ на языке C++.  В сети имеется огромное количество примеров, уроков и документации.  Ограничения: всего 32Kb энергонезависимой программной памяти (флэш-памяти) и всего 2Кб оперативной памяти, а также сравнительно небольшое количество сигнальных выводов («ножек», «пинов»).   Arduino Uno является достаточным для работы с теплицей в базовом варианте, но при попытке добавить дополнительные датчики или пользовательский интерфейс,  память и ножки заканчиваются очень быстро.

 Доступность:  от 200 руб. у «китайцев».  Искать: «UNO R3 ATmega328P». Существует несколько вариантов с разными чипами, реализующим USB-интерфейс.  Для каждого из необходимо найти и установить на компьютере разработчика подходящий драйвер, и в некоторых случаях это может вызывать проблемы (в особенности, с чипами, являющимися «левыми» копиями интерфейсных чипов фирмы FTDI). Предпочтительно выбирать вариант с чипом ATmega16U2 в качестве интерфейсного, с чипом CH340G тоже годятся.

Arduino Mega является более «продвинутой» альтернативой Arduino Uno. Он имеет аналогичную Uno архитектору, но базируется на микроконтроллере ATmega2560, имеющем 256Кб флэш-памяти, 8Кб оперативки и гораздо больше «ножек».  Arduino Mega с избытком достаточен для любых вариаций и экспериментов на тему «Умной теплицы». 

Доступность:  от 400 руб у «китайцев».  Искать: “mega atmega2560”. Комментарии к Uno по поводу интерфейсного чипа также применимы и к Mega.

Модуль связи с сетью.

В рекомендуемом комплекте «Умная теплица», используется сетевой модуль (шилд) W5100, обеспечивающий подключение, по кабелю, микроконтроллера Ардуино к локальной сети (и далее к интернету).  Работа именно с этим модулем предполагается в задании.  В следующем разделе будут приведены некоторые беспроводные альтернативы подключения к Интернет, обеспечивающие гораздо более красивые и практичные технические решения, но возможность использования таких беспроводных решений на соревнованиях пока неопределенна.

Сетевой модуль W5100 также содержит гнездо для карты памяти microSD.  Возможность работы с картой памяти не использовалась в задании прошедших соревнований, но она может быть полезной для автономного сохранения показаний датчиков.

Подключение:  и карта памяти, и сетевой интерфейс подключаются к Arduino через SPI,  «забирая» пины 4, 10, 11, 12 и 13.  Остальные пины проходят через этот шилд насквозь, и могут быть использованы для любых целей. 

Модуль совместим как с Arduino Uno, так и с Mega.  При использовании с Arduino Mega, сетевой модуль оставляет часть разъемов контроллера открытыми, и вам может понадобиться спаять колодку разъемов-удлинителей для подключения этих разъемов к верхнему слою «бутерброда».

Библиотеки:  доступны, бесплатны. Например, здесь: https://github.com/Wiznet/WIZ_Ethernet_Library.  Кроме низкоуровневой сетевой библиотеки, целесообразно поискать готовые библиотеки для посылки HTTP запросов, получения и анализа данных в формате JSON.

Что надо уметь делать: инициализировать сетевую плату, установить соединение по заданному IP или доменному имени. Уметь послать и принять данные, не потеряв ничего по дороге, не выскочив за границы буфера, не зависнув навеки и пр. Сформировать URL для GET-запроса (включая показания датчиков), передать его на сервер, принять ответ, выделить и разобрать ответ из «облака» в формате JSON.  Быть готовым обработать разного рода ошибочные ситуации (сервер не отвечает, непонятный формат данных и пр.).

Доступность:  от 400 руб. у «китайцев».  Искать: “W5100 Ethernet Shield”.

Плата ввода/вывода (I/O Shield, Sensor shield, I/O Expansion shield)

Эта плата образует верхний слой нашего «бутерброда».  Большинство датчиков и прочих внешних устройств подключаются к контроллеру тремя проводами:  «земля», питание и сигнал.  Плата ввода-вывода разводит каждый пин Ардуино на отдельный 3-контактный разъем, добавляя землю и +5V, что существенно облегчает подключение внешних устройств.  Кроме того, на плату можно подвести отдельное питание для подключаемых сервоприводов.  На фото справа показан один из возможных вариантов такой платы, для Arduino Mega.

Доступность:  множество вариантов «у китайцев», от 250 до 1500 руб.  Искать: “Uno sensor shield”, “Uno I/O expansion shield”, “Mega sensor shield” и пр.  При выборе, руководствуйтесь типом контроллера (Uno или Mega), количеством используемых в вашей версии «Умной теплицы» устройств и требованиями к их подключению.

Библиотеки: не применимо. Модуль представляет собой просто плату с разъемами и не содержит активных электронных компонентов.

Дополнительные устройства и возможности

Описываемые далее устройства не входят в состав рекомендуемого комплекта «Умная теплица» и, скорее всего, не будут входить в задание соревнований сезона 2016-2017 годов. Тем не менее, их использование позволяет ставить и решать интересные учебные задачи в как в рамках проекта «умной теплицы», так и других интернет-вещей.

Беспроводные модули

GPRS-модемы

GPRS-модемы позволяют передавать данные через сотовую сеть. Таким образом, ваша интернет-вещь может передавать данные в интернет из любого места, находящегося в зоне действия сети.  Это не слишком нужно в условиях соревнования, но очень полезно, если ваша «умная теплица» находится у бабушки на огороде.  Простейшие из GPRS-модулей,  SIM800L,  доступны «у китайцев» по ценам от 450 руб, более продвинутый SIM900 – от 1300 руб.  Искать: “GSM module arduino”.

WiFi модули на базе ESP8266.Подпись: ESP8266-02

ESP8266 – сравнительно новый и стремительно набирающий популярность чип (SoC - «система на чипе»), который включает в себя WiFi трансивер и микроконтроллер, существенно превосходящий Ардуино по своим характеристикам. Этот чип всегда используется в составе сборки, куда дополнительно входит чип флэш-памяти объемом до 4Мб (поскольку, в отличие от чипов ATMega,  ESP8266 не имеет встроенной флэш-памяти), антенна и вспомогательные компоненты. Существует несколько вариантов таких сборок, отличающихся количеством выведенных наружу пинов и объемом флэш-памяти.

Сборки ESP8266 с минимальным количеством выводов можно использовать как простой, компактный и исключительно дешевый WiFi модем (а при необходимости — и как точку доступа!).  Варианты с большим числом выводов используются как полноценные программируемые микроконтроллеры. Доступность: от 150 руб!Подпись: ESP8266-12

Однако в таком виде, как показано выше, сборки ESP8266 довольно сложно подключать к любительским конструкциям, их рабочее напряжение 3.3V, а не 5V, как в Ардуино, а процедура «заливки» в них прошивки весьма замысловата.  В результате, «у китайцев» стало появляться множество модулей, сделанных на базе этих сборок, но адаптированных под использование в любительских конструкциях вместе с Ардуино либо вместо него.

Стоит отметить следующие интересные варианты, основой каждого из них является один и тот же модуль ESP8266-12:

WiFi шилд для Arduino Uno, с возможностью использовать либо как модем, либо программировать его. Связан с Arduino через последовательный интерфейс.

NodeMCU: микроконтроллерный модуль, программируется через USB-порт. Прошивка  — интерпретатор языка Lua.

(питание его и всех подключаемых устройств - только на 3.3V!)

WeMos D1:  замена Arduino Uno, на базе ESP8266. Конструктивно совместим со всеми шилдами для Arduino, но имеет меньше пинов (и только один аналоговый!)

Цена:  от 600 руб

Цена:  от 380 руб

Цена:  от 370 руб  ($6)

Искать: “esp8266 shield arduino UART”

Искать: “NodeMCU”

Искать: “WeMos D1”

 

Инфракрасное управление

Инфракрасный приемник позволяет очень легко реализовать дистанционное управление любой «умной вещью». Дистанционное управление заменяет или дополняет «кнопочный» пользовательский интерфейс, встраиваемый в вашу «Умную теплицу» или другой проект.

ИК приемник может быть приобретен как отдельный компонент, как модуль (построенный на базе такого компонента) и как комплект, включающий такой модуль, пульт управления и ИК светодиод (для построения собственного ИК передатчика).

Подключение:  выход приемника подключается на любой один цифровой пин Ардуино.

Библиотеки:  нужно, доступно несколько вариантов.  Искать: “IRRemote arduino library”, либо просто взять здесь: https://github.com/z3t0/Arduino-IRremote.

Доступность (у «китайцев»):   отдельным компонентом — от 25  руб за штуку, при покупке по 10 или более штук;  модулем - от 65 руб ($1);  комплектом с пультиком и пр. - от 130 руб.  Искать: «IR receiver arduino».

 

Приложения.

А. Таблица использования выводов Arduino Uno для «Умной теплицы» (примерная, базовый вариант)

Устройство

Интерфейс

Пины

кол-во

Ethernet shield

SPI

D10-D13 (fixed)

1

Display

I2C

A4,A5 (fixed)

1

DHT11 - Темп/влажность

1 любой Dxx

D1

1

Dallas Temp. (темп. в горшке)

1Wire (1 любой Dxх)

D2, D3

2

Фоторезистор (внешняя осв.)

аналог

A0

1

Влажность почвы (вилка)

аналог

A1, A2

2

Блок кнопок

аналог

A3

1

Нагреватель (через реле)

любой Dхх

D4

1

LED-подсветка (через MOSFET)

ШИМ

~D5

1

Насос (через реле)

любой  D

D7

1

Подъем крыши (2 серво, в параллель)

ШИМ

~D6

2

 

Б. Подача питания.

Предполагается использование напряжений +5V и +12V от компьютерного блока питания.

 

Устройство

Напряжение

Ток

Откуда берем

Ардуино (бутерброд)

12V

менее 1A

Прямо с БП, спецразъем

Датчики, экран, Ethernet shield

5V

< 500мА

С Ардуино, через Sensor Shield.

Сервоприводы

5V

до 3A

с БП +5V на Sensor Shield (НЕ используем выход +5V на Ардуино!)

Нагреватель (“теплый пол”)

12V

до 5А

С БП через блок реле.

LED-Подсветка

12V

до 1А

С БП через модуль с MOSFET

Насос

5V

до 3А

С БП через блок реле.