Controlador de irrigação Win10 IOT com sensores de umidade

Usando Win10 IOT, RPi2 e XBee, meça a umidade do solo do gramado e execute a irrigação automaticamente conforme necessário.

Plano de fundo

Grandes porções dos Estados Unidos sofreram com a falta de água ou secas nos últimos anos. Há um grande número de coisas que um proprietário pode fazer para reduzir o consumo doméstico de água, e a irrigação do gramado é uma delas. Trabalhar com os controladores de irrigação residencial mais comuns é inconveniente e frustrante. Escondidos em garagens, os mostradores complexos e as instruções obscuras nesses controladores tornam difícil ajustar por quanto tempo o sistema funciona diariamente. E eles ainda não sabem de quanta água as plantas realmente precisam.

Meu projeto visa resolver pelo menos uma parte do problema, permitindo que o controlador de irrigação saiba o quão úmido está o solo, para que saiba se deve correr e quando parar. Além disso, adicionei o controle baseado na web, para que possa controlar os sprinklers usando meu smartphone no quintal ou em qualquer lugar do país.

Etapa 1:detecção

Primeiro, precisamos fazer com que os sensores de umidade do solo enviem dados ao RPi2. Queremos que os sensores estejam dentro ou imediatamente próximos ao gramado, mas o RPi2 terá que ser localizado em algum lugar seguro e próximo à energia e Ethernet. Os sensores serão protegidos dos elementos, alimentados por bateria e precisam ser capazes de ler dados de um sensor de umidade do solo. Felizmente, a linha de chips XBee da Digi International é bem adaptada para resolver todas essas três condições.

Para simplificar, escolhi usar o XBee Pro - Série 1 módulos. Embora a Digi tenha uma camada de comunicação proprietária DigiMesh e uma implementação ZigBee (aqui está um ótimo resumo), a solução mais simples e direta era usar a implementação básica “802.15.4”. Nesta configuração, cada sensor sem fio fala diretamente com o chip XBee conectado ao RPi2. Cada sensor XBee individual gerencia seu próprio ciclo de sono-vigília, o que aumenta drasticamente a vida útil da bateria. E o sensor XBee tem 6 entradas analógicas para digitais de 10 bits integradas, perfeitas para conectar nosso sensor de umidade do solo. Há ainda entradas extras suficientes para coletar leituras de temperatura ou luz em uma data posterior.

Para alimentar o sensor, eu queria capacidade suficiente para não ter que substituir as baterias constantemente. Calculando a energia usada pelo chip XBee em um ciclo de sono-vigília e usando as capacidades padrão da bateria, fui capaz de ajustar a frequência com que o sensor reporta para casa, de modo que eu deveria ter que trocar as baterias apenas uma vez por ano. Idealmente, uma revisão futura incorporará células solares.

Finalmente, precisei programar o chip XBee. No lado direito da planilha de orçamento de energia, nas colunas “G” e “H”, estão os valores que alterei usando o software Digi X-CTU. Consegui usar o componente USB do XBee Explorer da SparkFun conectado ao meu PC, em vez de ter que comprar um kit de desenvolvedor separado da Digi.

Etapa 2:Programando o Raspberry Pi

O maior desafio para programar o Raspberry Pi é a interface do módulo XBee. O XBee fala apenas em serial e o RPi2 não tem recursos seriais integrados acessíveis. Decidi usar o módulo USB Sparkfun XBee Explorer. O chip integrado utilizado, fabricado pela FTDI, não possui drivers nativos para Win10 IOT Core. No entanto, seguindo as instruções fornecidas por Jark em seu repositório GitHub, consegui me comunicar com o módulo XBee.

Os sensores enviarão periodicamente dados do sensor ao RPi, que são recebidos como um frame API, de acordo com a documentação do XBee. Existem muitas, muitas bibliotecas diferentes para processar dados de quadro da API XBee, mas decidi lançar a minha própria, para evitar quaisquer problemas de licenciamento.

Depois de analisar as leituras, os dados são enviados para um serviço em nuvem, hospedado no Azure. O serviço de nuvem pode então determinar se deve ou não abrir o valor e operar os sprinklers em uma determinada zona.

Etapa 3:Serviço em nuvem para registros de sensores, controle de irrigação

Para o serviço de nuvem, decidi usar o ServiceStack em execução em um aplicativo da web do Windows Azure. ServiceStack é uma estrutura orientada para a web que é uma alternativa ao ASP.Net com Entity Framework. Ele tem componentes adicionais para suportar Redis, clientes C # e tem licença comercial / AGPL dupla e generosas cotas gratuitas para projetos de passatempo. Ao usar o Azure, há uma grande variedade de recursos adicionais que podemos utilizar, como back-end do Redis, banco de dados SQL, Barramento de serviço e muitas oportunidades de expansão, se necessário.

Como um projeto de experimento / hobby, meu site é mínimo, mas ilustra a abordagem. Ele é projetado para fornecer um exemplo funcional que pode ser expandido para atender às necessidades dos futuros hackers.

1. Um link de eventos enviados pelo servidor é aberto, usando ServerEvents do ServiceStack, permitindo efetivamente a comunicação bidirecional entre o RPi2 e o servidor. Isso é semelhante, mas mais simples e menos robusto, do que usar SignalR.
   
2. O RPi envia dados do sensor para a nuvem conforme são recebidos
3. O servidor diz ao controlador de irrigação para ligar ou desligar as válvulas do sprinkler.

O poder dessa abordagem é que o servidor pode realizar uma programação ou lógica complexa, como olhar as previsões do tempo ou aderir aos regulamentos locais (como rega em dias pares / ímpares). Ele também permite o gerenciamento remoto ou gerenciamento de muitos locais diferentes a partir de uma única interface baseada na web. A desvantagem é que os sprinklers não funcionam a menos que a conexão com a Internet esteja funcionando corretamente.

Etapa 4:O Futuro

Este projeto tem sido principalmente uma prova de conceito, para que os futuros hackers possam construí-lo e adaptá-lo às suas próprias necessidades. Há muitas coisas que podem ser feitas para torná-lo um projeto mais polido:

• Adicione um front-end da web mais robusto
• Adicionar suporte para sensores de temperatura
• Implementar segurança
• Adicionar programação de irrigação
• Baixe a programação de irrigação, em caso de indisponibilidade da Internet
• Adicione controles físicos, como um LCD e botões de ação

Fonte:Win10 IOT Irrigation Controller with Moisture Sensors