Автоматическая система полива сада на Home Assistant, ESP8266 и MiFlora

Шаг 12: что получилось

Спасибо за чтение!

Файлы

ESP-01

ESP-01 — самый популярный модуль на ESP8266. PCB антенна обеспечивает дальность до 400 м на открытом пространстве.

ESP-07

Особенности этого модуля — керамическая антенна и разъем для внешней антенны, металлический экран.

Esp8266 "witty cloud" — самый удачный на данный момент wifi-модуль для самоделок и "умного дома"

http://arduino.esp8266.com/package_esp8266com_index.json

Homebridge и mqtt

Аппаратная часть

Работа с этим модулем, к сожалению, прошла не слишком гладко. Ни один из возможных вариантов подключения не сработал, и я, уже отчаявшись, решила удалять его описание из статьи. Но тут мне дали новый модуль и сказали попробовать еще раз — о чудо, он заработал с первого раза!

В чем было дело и как сломался первый модуль, который я мучила, — неизвестно, но скорее всего он был убит нещадной статикой. Мораль этого лирического отступления такова — если у вас что-то не заработало по инструкции, написанной ниже, не вините инструкцию — сначала прозвоните и проверьте все контакты, а потом попробуйте на другом модуле.

1) Собираем схему

На фото этого и следующего модуля уже можно заметить резисторы. После неведомой поломки уже решила перестраховаться и поставила килоомники, хотя и без них все должно работать.

2) Переводим в режим программирования (необходимо каждый раз выполнять перед прошивкой модуля)

2.1) Отключаем питание от модуля2.2. Подключаем пин GPIO 0 к GND

2.2) Подключаем пин GPIO 0 к GND

2.3) Подключаем модуль к питанию

2.4) Железо готово, приступаем к программной части.

Внешний вид

Разберемся с этим модулем на примере его распайки на Wi-Fi Troyka-модуль производства Амперки. Хоть он и дороже, но взаимодействовать с ним гораздо приятнее. Уже есть ножки, распаянные со со стандартным шагом 2,54 мм, дополнительные защиты, регуляторы напряжения, которые помогают избежать неожиданного поведения и поломок при первых опытах.

Где купить

В России

В Китае

Использованное оборудование

Raspberry Pie

с установленным HassIO (уже была)

ESP32 DevKit, прошитая ESPHome, выступающая bluetooth-гейтвеем для MiFlora и принимающая данные от проводных датчиков влажности. Расположена в саду

Проводные датчики влажности Capacitive Soil Moisture Sensor v1.2, измеряющие влажность в ближних к месту установки ESP32 зонам полива

Датчики MiFlora, подключены к ESP32 по BLE, измеряющие влажность в удаленных зонах полива.

SONOFF 4Ch, прошитый ESPHome, расположен в водоразборном узле, куда приходят трубы от всех зон полива

4 Нормально-закрытых электромагнитных клапана на 220В расположены в водоразборном узле и подключены к Sonoff 4Ch. Открывают подачу воды для полива. Выбрана нормально-закрытая модель, с тем чтобы вероятность «наводнения» в случае каких-либо сбоев электрики и электроники была минимальной, и чтобы минимизировать количество требуемых выходов реле.

Импульсный водосчетчик, стоящий на входе в систему полива в водоразборном узле и подключенный к Sonoff 4ch. Позволил полностью передать данные о расходе воды в Home Asssistant и реализовать функционал полива заданным количеством. Весьма удачным оказалось то, что на этой версии sonoff уже распаяны контакты для прошивки и даже есть один свободный GPIO02 – на него и был повешен импульсный счетчик.

Так выглядит коллектор с установленными клапанами и счетчиком воды. Контроллер (sonoff 4Ch) в кадр не попал, он установлен на расстоянии в полметра в щитке IP65

Код прошивки

Для прошивки всех используемых ниже модулей используем один и тот же код.

Основные функции:

1. Установка Wi-Fi соединения

2. Подключение к объекту на платформе Rightech IoT Cloud по протоколу MQTT

3. Отправка рандомных значений по температуре («base/state/temperature») и влажности («base/state/humidity») каждые 5 секунд (PUB_DELAY)

4. Получение сообщений о переключении света («base/relay/led1»)

Модули на базе esp8266

Для работы с модулями на базе ESP8266 есть два варианта:

1. Работа с AT командами (в стандартной прошивке Wi-Fi модуль общается с управляющей платой через «AT-команды» по протоколу UART);

2. Wi-Fi модуль как самостоятельный контроллер (все представленные модули очень умные: внутри чипа прячется целый микроконтроллер, который можно программировать на языке C через Arduino IDE).

В статье будем рассматривать второй вариант — прошивка модулей в виде самостоятельного полноценного устройства. Здесь также есть два варианта прошивки с точки зрения железа:

1. Через плату Arduino;

2. ЧерезUSB-Serial адаптер.

Настройка среды программирования arduino ide

По умолчанию среда IDE настроена только на AVR-платы. Для платформ, представленных ниже, необходимо добавить в менеджере плат дополнительную поддержку.

1) Открываем среду программирования Arduino IDE.

Настройки esphome и home assistant

binary_sensor:
  - platform: gpio
    name: "WaterCounter"
    id: counter
    pin:
      number: GPIO2
      mode: INPUT_PULLUP

После того, как все данные собраны, можно приступать непосредственно к поливу.

Вот так у меня выглядит кусок интерфейса с одной из зон в Home Assistant:

Здесь можно задать количество воды для полива (ползунком) и посмотреть значения основных сенсоров и счетчиков. Я привел интерфейс для одной из линий, для остальных все аналогично, только на линиях с проводными датчиками данных несколько меньше.

В интерфейсе можно заметить одну «лишнюю» деталь — вспомогательный сенсор «Достигнута норма». Его пришлось ввести, т.к. мне не удалось заставить работать condition:template для остановки автоматизации при достижении нормы по количеству воды, и в результате автоматизация просто проверяет значение этого сенсора. Уверен, что эту часть автоматизации можно сделать проще и элегантней, но моего уровня для этого не хватило.

Ниже код получившегося «костыльного» темплейт-сенсора:

Автоматизация для запуска полива в конечном итоге выглядит так:

Полив запускается поздно вечером, при этом каждая линия запускается в свой временной интервал. Разделение по времени запуска позволяет использовать один счетчик воды на входе для получения данных по 4 линиям.

При запуске проверяются три условия:

• не превышен ли лимит по количеству воды на сегодня (если, например, включали полив вручную)
• не превышает ли влажность 50% (по наблюдениям в наших условиях свежеполитая почва имеет влажность не более 60%)
• не ожидается ли осадков более 5 мм в ближайшие два дня.

Следующая автоматизация — отключение полива:

В автоматизации использовано целых 4 варианта триггеров, но в большинстве случаев она срабатывает по первому — «костыльному» сенсору, который отслеживает превышение лимита по количеству воды. Остальные триггеры сделаны в большой степени для подстраховки.

Ну и последняя относящаяся к проблеме автоматизация — обнуление ежедневного счетчика

Недостатки и планы по доработке

По итогам выполнения проекта вскрылись некоторые нюансы и возможности для дальнейшего совершенствования.

В частности, я бы заменил электромагнитные клапана 220В на модель 24В — это напряжение являются стандартными для систем полива. В этом случае пришлось бы добавить в систему трансформатор на 24В и сменить Sonoff 4Ch на что-то с сухим контактом (например, Sonoff 4CH Pro или что-то самосборное). Сами клапана при этом стоят дешевле (от 8 евро) и снижают вероятность поражения электрическим током.

Также выяснилось, что для работы с пластиковыми трубопроводами давление из водопровода является слишком высоким, и фитинги могут подтекать во время цикла полива. В моем случае это не критично, все фитинги расположены над поливаемой землей, но по-хорошему надо добавить на входе редуктор для понижения давления.

Еще немного расстроила невозможность учета количества воды для полива в объемах меньших чем 10 литров — именно этот объем является минимальной измеряемой величиной для такого счетчика. Эту проблему можно решить, разобрав счетчик и поменяв местами колесики, но пока до этого не дошли руки.

Питание

Родное напряжение модуля — 3,3 В. Его пины не толерантны к 5 В. Если вы подадите напряжение выше, чем 3,3 В на пин питания, коммуникации или ввода-вывода, модуль выйдет из строя.

Платы на базе esp8266

Если с модулями приходилось немного повозиться, то все представленные ниже платы можно сразу подключать к USB-порту компьютера.

Подключение к iot

Аппаратная и программная часть абсолютно такая же, как и в двух вариантах выше.

1) Выбираем плату: Tools (Инструменты) -> Board(Плата)Generic ESP8266 Module.

2) Вставляем подготовленный код.

3) Задаем данные для подключения Wi-Fi и идентификатор своего объекта на платформе.

4) Компилируем и загружаем скетч на плату.

5) Для обычной работы модуля (не для режима прошивки) пин GPIO 0 должен быть свободен, поэтому отключаем его от GND.

6) Переподключаем питание ESP-12 (например, вытаскиваем и вставляем обратно адаптер).

7) Видим появление данных на платформе.

Подключение периферии

• Цифровые входы/выходы: 21 пин 1–5, 12–19, 21–23, 25–27, 32 и 33Контакты ввода-вывода общего назначения. Пины могут быть настроены на вход или на выход. Логический уровень единицы — 3,3 В, нуля — 0 В. Максимальный ток выхода — 12 мА.

• Цифровые входы: 4 пина 34–36 и 39Контакты ввода общего назначения. Могут быть настроены только на вход.

• ШИМ: все пины ввода-выводаПозволяет выводить аналоговые значения в виде ШИМ-сигнала с разрядность 16 бит. Максимальное количество каналов 16.

• АЦП: 15 пинов 2, 4, 12–15, 25–27, 32–36 и 39Позволяет представить аналоговое напряжение в цифровом виде с разрядностью 12 бит.

• ЦАП: пины 25(DAC1) и 26(DAC2)Аналоговый выход цифро-аналогового преобразователя, который позволяет формировать 8-битные уровни напряжения.

Максимальный выходной ток пина 3V3: 1 А

Принципиальная схема

Сад был разбит на 4 зоны полива, каждая из них снабжается индивидуальным датчиком влажности почвы и может поливаться по индивидуальному графику и разным количеством воды.

По земле проложены ПНД-трубки капельного полива с перфорацией, которые подключены к трубам сходящимся в водоразборном узле и подключенным через электромагнитные клапаны к водопроводу. Клапаны управляются реле подключенными к ESP8266 (Sonoff 4Ch).

Полив осуществляется по таймерам, в ночное время, чтобы увеличить количество воды, которое впитается в землю и не будет испарено солнцем.

При наступлении запланированного времени полива проверяется соответствие нескольким условиям:

• влажность почвы ниже заданной величины
• отсутствуют прогнозируемые осадки в достаточно большом количестве на ближайшие 2 дня
• не превышен лимит воды по поливу заданного для этой линии

Программная часть

1) Выбираем плату: Tools (Инструменты) -> Board(Плата)Generic ESP8266 Module.

2) Вставляем подготовленный код.

3) Задаем данные для подключения Wi-Fi и идентификатор своего объекта на платформе.

4) Компилируем и загружаем скетч на плату.

5) Для обычной работы модуля (не для режима прошивки) пин GPIO 0 должен быть свободен, поэтому отключаем его от GND.

6) Переподключаем питание ESP-01 (например, вытаскиваем и вставляем обратно адаптер).

7) Видим появление данных на платформе.

Средняя цена

~ 100 рублей

Текущая цена

~ 850 рублей

Установка и настройка esp_easy

     {
            "accessory": "mqttthing",
            "type": "valve",
            "valveType": "sprinkler",
            "name": "Грядки",
            "url": "mqtt://127.0.0.1",
            "username": "admin",
            "password": "admin",
            "topics": {
                "setActive": "/ESP_Easy/gpio/12",
                "getActive": "/ESP_Easy/sprinkler/Switch",
                "getInUse": "/ESP_Easy/sprinkler/Switch"
            },
            "integerValue": "true",
            "onValue": "1",
            "durationTimer": "true",
            "offValue": "0"
        },

Установка электроники в корпус

Шаг 1: программирование модуля esp-01

Программирование модуля ESP-01 похоже на программирование Arduino, разница в том, что модуль меньше и у него есть вай-фай, еще, к сожалению, у него нет USB-порта для соединения с компьютером. Поэтому вам понадобится переходник на USB, подключенный на 3В, чтобы программировать модуль ESP-01. Если у вас такой адаптер, как показан на картинке, вы можете проводом коннектором подключиться на 3В или на 5В.

Теперь вам нужно соединить модуль с адаптером так, как показано на картинке. Так как вам нужно сделать два соединения на питание и два соединения на землю, использование макетной платы облегчает задачу. Соединения с модулем должны быть временными, так как потом вам еще нужно будет работать с ним. Раз все соединения сделаны, пора двигаться дальше.

Шаг 10: собираем электронику

Для соединений я использовал провода-коннекторы, иногда для удобства я отрезал лишнюю длину. Для питания я взял зарядное устройство (5В 550 мА) от старенькой Motorola, которой давно не пользуюсь. От шнура зарядного устройства я отрезал штекер мини-USB и соединил положительный и отрицательный провода со входом регулятора напряжения и с VCC (питанием) и землей модуля реле.

Этот же положительный провод я соединил со средней из трех клемм. Провод питание от водяного насоса идет к NO-терминалу реле, на картинке показано, как должна выглядеть нижняя часть терминала. А отрицательный провод от насоса соединяем с той же землей, что и реле, и регулятор напряжения.

Выход от регулятора напряжения идет только к ESP-01. Положительный провод идет на VCC и на выход CH_PD, а отрицательный подключаем к земле.

В последнюю очередь соединяем GPIO2 со входом реле, обычно маркируемым IN1.Сначала я смонтировал все компоненты пластиковыми стойками для печатных плат, затем приклеил стойки термоклеем к корпусу.

Шаг 11: собираем трубку для полива

Используйте Т-образные переходники с круговыми зубцами, которые вы купили или напечатали на 3Д-принтере, чтобы соединить трубку так, как показано на картинке сверху. Соедините трубку с насосом и наполните сосуд водой.Обычно цветы поливаются автоматически раз в день, также вы можете поменять в интерфейсе виджет таймера на виджет кнопки, и поливать вручную со смартфона.

Шаг 3: …продолжаем настраивать

В верхней панели меню выберите Инструменты – выберите Плата – выберите Менеджер плат, пролистайте список, чтобы убедиться, что ESP8266 by ESP8266 Community установлена. Если установлена, кликните Закрыть и снова выберите Инструменты – Платы – Менеджер плат, теперь вы увидите несколько плат типа ESP8266, которые вы можете программировать с помощью Arduino IDE.

Шаг 5: устанавливаем приложение blynk

Теперь у вас есть модуль ESP-01, подключенный к адаптеру и идет установка программного обеспечения.Теперь вам нужно установить приложение Blynk App на ваш смартфон, и получить серийный номер, который понадобится вам для скетча. Потом нужно выбрать настройки оборудования в IDE, затем модифицировать установленный скетч для ESP-01. Скоро ваша система автоматического полива комнатных растений с интернет-подключением заработает!

Шаг 6: конфигурирование настроек оборудования в ide

Соедините последовательный адаптер с компьютером и модулем ESP-01. Загрузите приложенный к скетчу файл «.ino», дважды кликните и он загрузится в Arduino IDE.

В IDE выберите Инструменты – Платы и выберите Generic ESP8266 Module.Снова войдите в Инструменты, выберите Порт, выберите СОМ-порт ESP-01, который вы только что подключили к компьютеру. В случае необходимости модуль можно попробовать подключать в другие порты, чтобы выяснить, какой из них СОМ-порт.

Снова войдите в Инструменты, выберите Скорость загрузки, установите значение 115200 или 9600. У меня вставлено 115200, но, если у вас не идет загрузка, выставьте 9600.

В скетче вам нужно будет сделать несколько изменений – в «Auth Token», в «ssid» и в «password».В файле инструкция по поиску вашего кода авторизации «AUTH CODE».

Файлы

Шаг 7: устанавливаем приложение blynk арр для android/ ios

Начинаем:

1. Загрузите приложение: ссылка для Android или ссылка для iOS
2. Кликните на иконку QR-код и наведите камеру на QR-код на картинке
3. Наслаждайте моим приложением!

После сканирования появится новый проект, все виджеты, настройки и структура будут скопированы. Копирование проекта очень энергоемкий процесс.

Как только проект появится у вас на смартфоне, кликните на иконку гайки справа наверху на экране. Там вы и найдете ваш ключ авторизации (Auth Token).

Шаг 8: редактируем код программы

Редактировать вам нужно всего три пункта:

1. Ключ авторизации (Auth Token) – где его взять написано в предыдущем пункте
2. «ssid» — имя вашего домашнего вай-фая
3. Пароль (password) – действующий пароль вашего домашнего вай-фая

Вот и все! Можно начинать выгрузку проекта.Как только выгрузка будет завершена, отсоединяйте модуль ESP-01 от компьютера и приступайте к сборке системы.

Шаг 9: делаем отверстия

Просверлите два отверстия, по одному на каждом конце корпуса. Они должны быть достаточного размера, чтобы с одной стороны мог пройти шнур питания, а с другой могла выйти трубка от водяного насоса. У вашего корпуса в крышке также нужно сделать углубление под провода.

Потом просверлите несколько отверстий в виниловой трубке, я сделал расстояние между отверстиями примерно по 2,5 см. Я использовал сверло 0,5 см.

Экономика проекта

Затраты на управляющую часть системы полива получились следующие:

(Raspberry PIE c HassIO на борту и WiFi router с покрытием в саду уже были до начала проекта, их я не учитываю)

Электромагнитный клапан UNIPUMP BCX-15 1/2″ (нормально закрытый) 4*20 евроSonoff 4CH 17 евроСчетчик импульсный Пульсар 8 евроESP32 DevKitC 3.5 евроCapacitive Soil Moisture Sensor v1.2 2*0.67 евроДатчики MiFlora 2*16 евроЩитки, коллектор, провода, фиттинги все вместе около 50 евро

ИТОГО: около 190 евро

https://www.youtube.com/watch?v=Nh1ho-rGFP4

Затраты времени на настройку датчиков и МК — примерно 3-4 вечера по нескольку часов, но большая часть времени была потрачена на «изобретение велосипедов» и придумывание «костылей», в целом работы там немного. Физическая сборка системы заняла около 2 вечеров.

Апгрейд погодной станции на esp8266 wifi-iot — выводим на дисплей "домашнего" модуля данные датчиков с "уличного" модуля