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建造一个联栋温室---第一部分

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用英特尔Edison建造的一个智能的、可控生长的环境

一段时间之前,我和我的同事Andrew接到一个极具挑战性的任务。我们要制造一个微缩的集成了传感器,能实现环境控制的联栋温室,这是物联网应用的一个吸引眼球的、实用的实例。它必须是便携的,能够适于相对狭小的空间并且具有交互性。

英特尔Edison被我们选中作为嵌入式计算平台。与Arduino可兼容Edison分接板相组合,好处是多了许多GPIO口,集成了2.4GHz的无线网络,加上熟悉的Linux环境和Arduino IDE的支持。

这第一篇博文将会包括温室的设计、机械结构的建造,第二篇博文则重点关注软件细节和电子设计的完善。

一个可控环境

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IKEA Socker Greenhouse, image Copyright IKEA

有很多变量是可被我们控置用于优化植物的生长条件。在这里我们选择控制温度、湿度、光照,还包括其它变量包括土壤湿度和PH值,以及容器中的二氧化碳含量。

因为这只是一个模型并且将被放于室内,所以我们认为为了温度控制而额外提供热量是没有必要的。然而我们认为使之能够通过通风来控制湿度,通过LED灯增加光强是有好处的。

一个现成的、本来用于阳台的压缩的温室为我们的提供了一个很好的起点。作为一个平板式包装的套组,它包括一个金属框架和塑料窗面板。我们马上想到这些面板可以用激光切割的亚克力板替代。我们选择的这个平台很经济也适于破解使用。

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Test MDF panel to check fit in greenhouse frame

同时,因为我们的传感器将要被悬挂在微缩温室上,我们想要保持供电、控制电路的分离,远离作为园艺的一部分的水分和土壤。因此我们需要合适的附件、元件和接头。

对元件的保护

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Image from Wikimedia Commons

防护等级,即国际防护标志、防护等级标识,是对于产品或元件的分类,排列了对液体或固体的防护程度。通常被写作IPXY —— X是固体的数字排序,Y是液体的数字排序(有时会加上别的字母,代表着不同的排序)。在维基百科和其他资源上可以找到别的相关信息。

基于我们的容器会包括土壤、植物,且需要偶尔浇水,我们使用的防护等级最少为IP64。

传感器和致动器

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用一个直流风扇来保证温室内的空气流通,减少空气中的水分,使得湿度低于外界,正如我们所期待的那样。为了使空气能在盖子闭合的时候流出温室,设计了一个旋转的通风口。它由一个直流电机驱动并且有一个可以激活微开关的凸轮来决定通风口的状态。

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两个不同的板被悬挂在上方平面。一个是一个价格低廉的光传感器模块,它的传感器面朝外。另一个是来自mikroBUS Click系列的温度和湿度模块的结合。

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一个来自ILS的Petunia LED灯被加到了第二块顶板上。被选中的这个特殊的模块是专门为普通植物生长而设计的,虽然还有其他配有不同LED性质的特定的树苗或植物的生长模块可供选择。

因为LED模块位于一个可以被演示模块的操作者触碰到的地方,我们专门为风扇设计了一个支架用来降低散热器的温度。尽管LED释放的热量远低于传统灯泡,热管理还是有必要的。

多芯电缆被加到所有这些部件之上,在温室外绕线,用锁带确保位置固定。

内部连接

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能够被展示器使用的空间十分有限,挑战就是寻找以一个压缩的,但仍能提供所需IP评级的连接器布于外壳之中。提供了许多不同接口的可供选择的Binder 620系列正是我们所需要的。

在下单之前,一个标明每一个不同连接的列表是有必要的,是公头还是母头,是缆线还是面板安装等等。

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加上插头和套接口是快速简单的操作,但却会使连接变得安全而且高质量。每一个插头都用一个激光切割雕刻的板标记。除此之外,每一根线都用可打印热缩管标记。

外部封装

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沿着这个温室有三个外部封装。首先,是一个控制电子盒,包含了继电器和一块英特尔Edison板。其次,是一个能供给240V电压的电源和Petunia LED模块的供电电源。最后,是一个能够显示温室中传感器数据的控制台和可手动控制风扇、通风口和灯光的电容式按钮。

同时,这些东西中的每一个都将在接下来的博文中详细介绍,我感觉有必要在这里说一下强调控制台的组成部分。

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使用的电容式触摸开关有封装版本,也有瞬息版本,有两种尺寸以及特征高亮RGB LED。它们自动附着,有可调灵敏度,可通过模块另一面的DIP开关控制,取决于他们粘附于平面的类型和厚度,最大厚度可达到11mm的玻璃和8mm的丙烯酸纤维。

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控制器的另一个突出特征是3个大的7段显示屏。它们可通过I2C控制,和温室内的传感器板一样,使得它们更容易与控制器封装内的英特尔Edison板相连。

云覆盖

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因为这是一个联栋温室,我们会使用云控制。然而,一个限制就是我们不能确定一直有网络连接,因此我们必须创造一个“私有云”。这就是一个英特尔NUC, 只是我们用一个云形的外壳封装来演示这个含义。

两块英特尔Edison将会通过无线网络与云互联。

总结

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以一个现成的窗户盒,一系列元件和外壳为起点,现在我们已经建好了整个机械结构。接下来的任务有将传感器相互连接,在每一块英特尔Edison上的输出、互联、程序,以及将在云中运行的控制系统等等。这些将在下一篇博文中展出。

Read Part 2

maker, hacker, doer

13 Jun 2016, 10:12