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自動化植物灌溉

手繪筆記由 Nitya Narasimhan 提供。點擊圖片查看更大版本。

這節課是 IoT for Beginners Project 2 - Digital Agriculture 系列的一部分，由 Microsoft Reactor 提供。

課前測驗

簡介

在上一節課中，你學會了如何監測土壤濕度。在這節課中，你將學習如何構建一個自動灌溉系統的核心組件，該系統能根據土壤濕度進行反應。你還將學習有關時間控制的知識——例如感測器可能需要一些時間來響應變化，而執行器可能需要時間來改變感測器測量的屬性。

在這節課中，我們將涵蓋以下內容：

從低功率 IoT 設備控制高功率設備

IoT 設備使用低電壓。雖然這足以驅動感測器和像 LED 這樣的低功率執行器，但對於控制更大的硬體（例如用於灌溉的水泵）來說，這樣的電壓就太低了。即使是用於家居植物的小型水泵，其電流需求也超過了 IoT 開發板的承受範圍，可能會燒毀電路板。

🎓 電流以安培（A）為單位測量，表示電路中流動的電量。電壓提供推動力，而電流表示被推動的量。你可以在維基百科的電流頁面上了解更多。

解決方案是將水泵連接到外部電源，並使用執行器來開啟或關閉水泵，就像你用手指打開燈一樣。用手指翻動開關只需要很少的能量（來自你的身體），而這個動作會將燈連接到 110V/240V 的市電。

🎓 市電是指通過國家基礎設施輸送到家庭和企業的電力，在世界許多地方都很常見。

✅ IoT 設備通常能提供 3.3V 或 5V，電流小於 1 安培（1A）。相比之下，市電通常為 230V（北美為 120V，日本為 100V），能為需要 30A 電流的設備提供電力。

有許多執行器可以完成這項工作，包括可以模仿手指動作的機械設備，最常見的是繼電器。

繼電器

繼電器是一種電磁開關，能將電信號轉換為機械運動來打開或關閉開關。繼電器的核心是一個電磁鐵。

🎓 電磁鐵是通過電流流過線圈產生磁場的磁鐵。當電流通過時，線圈會被磁化；當電流關閉時，線圈失去磁性。

在繼電器中，控制電路為電磁鐵供電。當電磁鐵通電時，它會拉動一個槓桿，移動開關，閉合一對觸點，從而完成輸出電路。

當控制電路斷電時，電磁鐵關閉，釋放槓桿並打開觸點，從而關閉輸出電路。繼電器是一種數位執行器——高信號打開繼電器，低信號關閉繼電器。

輸出電路可以用來為額外的硬體供電，例如灌溉系統。IoT 設備可以打開繼電器，完成灌溉系統的輸出電路，植物就會被澆水。然後 IoT 設備可以關閉繼電器，切斷灌溉系統的電源，停止供水。

在上面的影片中，繼電器被打開。繼電器上的 LED 亮起，表示它已打開（某些繼電器板上有 LED 指示繼電器的開關狀態），電力被送到水泵，啟動水泵向植物供水。

💁 繼電器還可以用來在兩個輸出電路之間切換，而不是簡單地打開或關閉一個電路。當槓桿移動時，它會將開關從完成一個輸出電路切換到完成另一個輸出電路，通常共用一個電源連接或接地連接。

✅ 做一些研究：繼電器有多種類型，差異包括控制電路在通電時是打開還是關閉繼電器，或者是否有多個輸出電路。了解這些不同類型的繼電器。

當槓桿移動時，你通常可以聽到它與電磁鐵接觸時發出的清脆的“咔嗒”聲。

💁 繼電器可以被接線設計成在連接時實際上切斷繼電器的電源，從而關閉繼電器，然後再次向繼電器供電，如此反覆。這樣繼電器會快速地“咔嗒”作響，發出嗡嗡聲。這就是一些早期電鈴中的蜂鳴器的工作原理。

繼電器的功率

電磁鐵啟動並拉動槓桿所需的功率很小，可以使用 IoT 開發板的 3.3V 或 5V 輸出來控制。輸出電路則可以承載更多的功率，具體取決於繼電器，包括市電電壓甚至更高的工業用電壓。這樣，IoT 開發板可以控制灌溉系統，從單株植物的小型水泵到整個商業農場的大型工業系統。

上圖顯示了一個 Grove 繼電器。控制電路連接到 IoT 設備，使用 3.3V 或 5V 打開或關閉繼電器。輸出電路有兩個端子，任一端都可以是電源或接地。輸出電路可以處理高達 250V、10A 的電流，足以驅動一系列市電設備。你還可以找到能處理更高功率的繼電器。

在上圖中，水泵通過繼電器供電。一條紅線將 USB 電源的 +5V 端子連接到繼電器的輸出電路的一個端子，另一條紅線將輸出電路的另一個端子連接到水泵。一條黑線將水泵連接到 USB 電源的接地端子。當繼電器打開時，它完成了電路，將 5V 電壓送到水泵，啟動水泵。

控制繼電器

你可以使用 IoT 開發板來控制繼電器。

任務 - 控制繼電器

按照相關指南，使用你的 IoT 設備控制繼電器：

通過 MQTT 控制你的植物

目前，你的繼電器是由 IoT 設備直接根據單一的土壤濕度讀數控制的。在商業灌溉系統中，控制邏輯通常是集中化的，這樣可以根據多個感測器的數據進行澆水決策，並且可以在一個地方更改所有配置。為了模擬這一點，你可以通過 MQTT 控制繼電器。

任務 - 通過 MQTT 控制繼電器

在你的 soil-moisture-sensor 專案中添加相關的 MQTT 庫/pip 套件和代碼以連接到 MQTT。將客戶端 ID 命名為 soilmoisturesensor_client，並在前面加上你的 ID。

⚠️ 如果需要，可以參考專案 1，第 4 課中連接到 MQTT 的說明。
添加相關設備代碼，使用 soil_moisture 作為屬性名稱，發送帶有土壤濕度設置的遙測數據。

⚠️ 如果需要，可以參考專案 1，第 4 課中發送遙測數據到 MQTT 的說明。
在名為 soil-moisture-sensor-server 的資料夾中創建一些本地伺服器代碼，訂閱遙測數據並發送命令來控制繼電器。將命令消息中的屬性命名為 relay_on，並將客戶端 ID 命名為 soilmoisturesensor_server，在前面加上你的 ID。保持與你在專案 1，第 4 課中編寫的伺服器代碼相同的結構，因為你將在本課程的後續部分中添加到此代碼。

⚠️ 如果需要，可以參考專案 1，第 4 課中發送遙測數據到 MQTT 的說明和通過 MQTT 發送命令的說明。
添加相關設備代碼，根據接收到的命令控制繼電器，使用消息中的 relay_on 屬性。如果 soil_moisture 大於 450，則發送 true 給 relay_on，否則發送 false，邏輯與之前添加到 IoT 設備中的邏輯相同。

⚠️ 如果需要，可以參考專案 1，第 4 課中處理來自 MQTT 的命令的說明。

💁 你可以在 code-mqtt 資料夾中找到這段代碼。

確保代碼在你的設備和本地伺服器上運行，並通過改變土壤濕度水平進行測試，可以通過更改虛擬感測器發送的值，或者通過向土壤中添加水或將感測器從土壤中移除來改變濕度。

感測器與執行器的時間控制

回到第 3 課，你構建了一個夜燈——當光感測器檢測到低光水平時，LED 會立即亮起。光感測器能夠即時檢測光線變化，設備也能快速響應，僅受 loop 函數或 while True: 循環中的延遲時間限制。作為 IoT 開發者，你不能總是依賴這樣快速的反饋迴路。

土壤濕度的時間控制

如果你在上一課中使用了實體感測器來測量土壤濕度，你可能會注意到，在你給植物澆水後，土壤濕度讀數需要幾秒鐘才會下降。這並不是因為感測器反應慢，而是因為水滲透到土壤中需要時間。 💁 如果你在感應器附近澆水過多，你可能會看到讀數迅速下降，然後又回升——這是因為感應器附近的水分向周圍土壤擴散，導致感應器附近的土壤濕度降低所引起的。

在上圖中，土壤濕度讀數顯示為 658。植物被澆水，但這個讀數並未立即改變，因為水尚未到達感測器。甚至在水到達感測器之前，澆水可能已經完成，然後讀數才會下降以反映新的濕度水平。

如果你正在撰寫基於土壤濕度水平通過繼電器控制灌溉系統的程式碼，你需要考慮這種延遲，並在你的 IoT 裝置中加入更智能的時間控制。

✅ 花點時間思考如何解決這個問題。

控制感測器和執行器的時間

假設你被指派建造一個農場的灌溉系統。根據土壤類型，理想的植物土壤濕度水平已被確定為對應於 400-450 的類比電壓讀數。

你可以像夜燈一樣編程裝置——只要感測器讀數高於 450，就啟動繼電器以啟動水泵。問題是水需要一段時間才能從水泵通過土壤到達感測器。感測器在檢測到 450 的水平時會停止供水，但由於泵送的水繼續滲透到土壤中，濕度水平會繼續下降。最終結果是浪費水，並可能損害植物根部。

✅ 記住——過多的水對植物的危害可能和過少的水一樣，並且浪費了珍貴的資源。

更好的解決方案是理解執行器啟動與感測器讀取的屬性改變之間存在延遲。這意味著感測器不僅需要等待一段時間再測量值，執行器也需要在下一次感測器測量之前關閉一段時間。

每次繼電器應該開啟多久？最好謹慎行事，只讓繼電器開啟短時間，然後等待水滲透，再重新檢查濕度水平。畢竟，你可以隨時再次開啟水泵添加更多水，但無法從土壤中移除水。

💁 這種時間控制非常特定於你正在建造的 IoT 裝置、測量的屬性以及使用的感測器和執行器。

例如，我有一株草莓植物，配備了一個土壤濕度感測器和一個由繼電器控制的水泵。我觀察到當我添加水時，土壤濕度讀數需要大約 20 秒才能穩定。這意味著我需要關閉繼電器並等待 20 秒再檢查濕度水平。我寧願水少一點也不願水太多——我可以隨時再次開啟水泵，但無法從植物中移除水。

這意味著最佳的澆水流程可能如下：

啟動水泵 5 秒
等待 20 秒
檢查土壤濕度
如果濕度水平仍然高於需求，重複上述步驟

5 秒可能對水泵來說太長，特別是當濕度水平僅略高於所需水平時。最佳的時間設定方式是嘗試後根據感測器數據進行調整，形成一個持續的反饋循環。這甚至可以導致更精細的時間控制，例如每超過所需濕度 100，啟動水泵 1 秒，而不是固定的 5 秒。

✅ 做些研究：是否有其他時間考量？是否可以在任何土壤濕度過低的時候澆水，或者是否有特定的時間適合或不適合澆水？

💁 天氣預測也可以納入考量，用於控制戶外種植的自動灌溉系統。如果預測有雨，澆水可以暫停，直到雨停後再進行。此時土壤可能已經足夠濕潤，不需要澆水，比在雨前澆水更有效率。

為植物控制伺服器添加時間控制

伺服器程式碼可以修改以添加澆水流程的時間控制，並等待土壤濕度水平的改變。控制繼電器時間的伺服器邏輯如下：

接收到遙測訊息
檢查土壤濕度水平
如果濕度水平正常，則不執行任何操作。如果讀數過高（表示土壤濕度過低），則：
1. 發送指令啟動繼電器
2. 等待 5 秒
3. 發送指令關閉繼電器
4. 等待 20 秒讓土壤濕度水平穩定

澆水流程，即從接收到遙測訊息到準備再次處理土壤濕度水平的過程，大約需要 25 秒。我們每 10 秒發送一次土壤濕度水平，因此在伺服器等待土壤濕度水平穩定期間，可能會接收到新的訊息，這可能會啟動另一個澆水流程。

有兩種解決方法：

更改 IoT 裝置程式碼，使其每分鐘只發送一次遙測訊息，這樣澆水流程可以在下一次訊息發送之前完成
在澆水流程期間取消訂閱遙測訊息

第一種選擇對於大型農場來說並不總是好的解決方案。農民可能希望在澆水期間捕捉土壤濕度水平，以便日後分析，例如了解農場不同區域的水流情況，以指導更有針對性的澆水。第二種選擇更好——程式碼只是忽略無法使用的遙測訊息，但遙測訊息仍然存在，供其他可能訂閱的服務使用。

💁 IoT 數據並非僅由一個裝置發送到一個服務，而是許多裝置可以將數據發送到一個代理，許多服務可以從代理中接收數據。例如，一個服務可以接收土壤濕度數據並將其存儲到資料庫中以供日後分析。另一個服務也可以接收相同的遙測訊息來控制灌溉系統。

任務 - 為植物控制伺服器添加時間控制

更新你的伺服器程式碼，使繼電器運行 5 秒，然後等待 20 秒。

如果尚未打開，請在 VS Code 中打開 soil-moisture-sensor-server 資料夾。確保虛擬環境已啟動。
打開 app.py 文件
在現有的導入語句下方添加以下程式碼：
```
import threading
```
此語句從 Python 庫中導入 threading，threading 允許 Python 在等待期間執行其他程式碼。
在處理遙測訊息的 handle_telemetry 函數之前添加以下程式碼：
```
water_time = 5
wait_time = 20
```
這定義了繼電器運行的時間（water_time）以及之後檢查土壤濕度的等待時間（wait_time）。
在此程式碼下方添加以下內容：
```
def send_relay_command(client, state):
    command = { 'relay_on' : state }
    print("Sending message:", command)
    client.publish(server_command_topic, json.dumps(command))
```
此程式碼定義了一個名為 send_relay_command 的函數，用於通過 MQTT 發送指令來控制繼電器。遙測訊息被創建為字典，然後轉換為 JSON 字串。傳遞到 state 的值決定繼電器應該開啟還是關閉。
在 send_relay_code 函數之後添加以下程式碼：
```
def control_relay(client):
    print("Unsubscribing from telemetry")
    mqtt_client.unsubscribe(client_telemetry_topic)

    send_relay_command(client, True)
    time.sleep(water_time)
    send_relay_command(client, False)

    time.sleep(wait_time)

    print("Subscribing to telemetry")
    mqtt_client.subscribe(client_telemetry_topic)
```
此程式碼定義了一個函數，用於基於所需的時間控制繼電器。它首先取消訂閱遙測訊息，以便在澆水期間不處理土壤濕度訊息。接著它發送指令啟動繼電器，等待 water_time 後發送指令關閉繼電器。最後它等待 wait_time 秒讓土壤濕度水平穩定，然後重新訂閱遙測訊息。

將 handle_telemetry 函數更改為以下內容：

def handle_telemetry(client, userdata, message):
    payload = json.loads(message.payload.decode())
    print("Message received:", payload)

    if payload['soil_moisture'] > 450:
        threading.Thread(target=control_relay, args=(client,)).start()

此程式碼檢查土壤濕度水平。如果濕度水平大於 450，則土壤需要澆水，並調用 control_relay 函數。此函數在單獨的執行緒中運行，作為背景執行。

確保你的 IoT 裝置正在運行，然後運行此程式碼。更改土壤濕度水平並觀察繼電器的行為——它應該運行 5 秒，然後至少保持關閉 20 秒，只有在土壤濕度水平不足時才會再次啟動。
```
(.venv) ➜  soil-moisture-sensor-server ✗ python app.py
Message received: {'soil_moisture': 457}
Unsubscribing from telemetry
Sending message: {'relay_on': True}
Sending message: {'relay_on': False}
Subscribing to telemetry
Message received: {'soil_moisture': 302}
```
在模擬灌溉系統中測試此功能的一個好方法是使用乾燥的土壤，然後在繼電器開啟時手動倒水，當繼電器關閉時停止倒水。

💁 你可以在 code-timing 資料夾中找到此程式碼。

💁 如果你想使用水泵建造一個真實的灌溉系統，你可以使用 6V 水泵和 USB 終端電源供應。確保水泵的電源或輸出通過繼電器連接。

🚀 挑戰

你能想到其他 IoT 或電氣裝置也有類似的問題嗎？即執行器的結果需要一段時間才能到達感測器。你家裡或學校可能就有幾個。

它們測量什麼屬性？
屬性在執行器使用後需要多久才能改變？
屬性超過所需值是否可以接受？
如果需要，如何將屬性返回到所需值？

課後測驗

回顧與自學

閱讀更多關於繼電器的內容，包括它們在電話交換機中的歷史用途：繼電器 Wikipedia 頁面。

作業

建造更高效的澆水流程

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