מערכת ניטור אקלים פנימי מבוסס פטל פי: 6 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:13

קרא את הבלוג הזה ובנה מערכת משלך כך שתוכל לקבל התראות כאשר החדר שלך יבש או לח מדי.

מהי מערכת ניטור אקלים פנימי ומדוע אנו זקוקים לה?

מערכות ניטור אקלים פנימי מספקות מבט מהיר על נתונים סטטיסטיים מרכזיים הקשורים לאקלים כגון טמפרטורה ולחות יחסית. היכולת לראות נתונים סטטיסטיים אלה ולקבל התראות בטלפון שלך כאשר החדר לח מדי או יבש יכול להועיל מאוד. באמצעות ההתראות תוכל לבצע פעולות מהירות הנדרשות על מנת להשיג נוחות מירבית בחדר על ידי הפעלת התנור או פתיחת החלונות. בפרויקט זה נראה כיצד להשתמש ב- Simulink כדי:

1) הכניס סטטיסטיקות אקלים (טמפרטורה, לחות יחסית ולחץ) מה- Sense HAT אל ה- Raspberry Pi

2) הצג נתונים נמדדים על מטריצת LED 8x8 של ה- Sense HAT

3) תכנן אלגוריתם שיחליט אם הלחות הפנימית היא 'טובה', 'רעה' או 'מכוערת'.

4) רשום את הנתונים בענן ושלח התראה אם הנתונים מסווגים כ'מכוערים '(לחים או יבשים מדי).

אספקה

פטל פי 3 דגם ב '

Raspberry Pi Sense HAT

שלב 1: דרושה תוכנה

אתה צריך MATLAB, Simulink ובחר תוספות כדי לעקוב ולבנות מערכת ניטור אקלים פנימי משלך.

פתח את MATLAB עם גישת מנהל (לחץ לחיצה ימנית על סמל MATLAB ובחר הפעל כמנהל מערכת). בחר תוספות מסרגל הכלים של MATLAB ולחץ על קבל תוספות.

חפש כאן את חבילות התמיכה עם שמותיהן המפורטים להלן ו'הוסף 'אותן.

א. חבילת תמיכה של MATLAB עבור חומרת Raspberry Pi: רכשו כניסות ושליחו יציאות ללוחות Raspberry Pi והתקנים מחוברים

ב. חבילת תמיכה ב- Simulink לחומרה של Raspberry Pi: הפעל דגמי Simulink על לוחות Raspberry Pi

ג. RPi_Indoor_Climate_Monitoring_System: מודלים לדוגמה הדרושים לפרויקט זה

הערה - במהלך ההתקנה, עקוב אחר ההוראות שעל המסך כדי להגדיר את ה- Pi שלך לעבודה עם MATLAB ו- Simulink.

שלב 2: הבא נתוני חיישנים ל- Raspberry Pi באמצעות Simulink

למי שאינו מכיר את Simulink, זוהי סביבת תכנות גרפית המשמשת לדגם ולדמות מערכות דינמיות. לאחר שתכננת את האלגוריתם שלך ב- Simulink, תוכל ליצור קוד אוטומטית ולהטמיע אותו ב- Raspberry Pi או חומרה אחרת.

הקלד את הדברים הבאים בחלון הפקודה MATLAB כדי לפתוח את המודל הראשון לדוגמה. נשתמש במודל זה כדי להביא נתוני טמפרטורה, לחץ ולחות יחסית לתוך ה- Raspberry Pi.

> rpiSenseHatBringSensorData

בלוקי חיישן הלחץ LPS25H וחיישן הלחות HTS221 הם מספריית Sense HAT תחת חבילת התמיכה של Simulink עבור ספריות חומרה של פטל פיי.

בלוקי ההיקף הם מספריית הכיורים תחת ספריות Simulink. כדי לוודא שהדגם שלך מוגדר כהלכה, לחץ על סמל גלגל השיניים בדגם Simulink שלך. נווט אל יישום חומרה> הגדרות לוח חומרה> מקורות חומרה ממוקדים.

הערה - אינך צריך להגדיר אם פעלת לפי הוראות ההתקנה בעת התקנת חבילת התמיכה של Simulink ל- Raspberry Pi. כתובת המכשיר מאוכלסת אוטומטית בזו של ה- Pi שלך.

ודא שכתובת המכשיר כאן תואמת את כתובת ה- IP שאתה שומע כאשר ה- Pi שלך מופעל. ייתכן שיהיה עליך להפעיל מחדש את ה- Pi באמצעות אוזניות המחוברות לשקע כדי לשמוע את כתובת המכשיר.

לחץ על אישור ולחץ על כפתור הפעלה כפי שמוצג להלן. ודא שה- Pi שלך מחובר פיזית למחשב האישי באמצעות כבל USB או שהוא נמצא באותה רשת Wi-Fi כמו המחשב האישי שלך.

כאשר אתה לוחץ על כפתור הפעלה במצב חיצוני, Simulink מייצר אוטומטית את קוד C המקביל לדגם שלך ומוריד קובץ הפעלה ל- Raspberry Pi. שני בלוקי ההיקף מוגדרים לפתיחה ברגע שהדגם מתחיל לפעול. כאשר Simulink תסיים לפרוס את הקוד ל- Raspberry Pi, תראה את נתוני הלחץ, הטמפרטורה והלחות היחסית בהיקפים כפי שמוצג להלן.

הערה - הקוד פועל ב- Raspberry Pi ואתה צופה באותות האמיתיים דרך בלוקי היקף Simulink, בדיוק כפי שהיית עושה אם היה לך אוסצילוסקופ המחובר לחומרה עצמה. ערך הטמפרטורה משני החיישנים מנותקים מעט זה מזה. אל תהסס לבחור את זה המשקף את הטמפרטורה בפועל בחדר שלך יותר מקרוב ולהשתמש בזה בחלקים הבאים. בכל הבדיקות עם ה- Sense HAT שהיה לנו, ערכי הטמפרטורה של חיישן הלחות HTS221 היו קרובים יותר לטמפרטורה בפועל בחדר. עם זה ראינו את היסודות כיצד להכניס נתוני חיישנים מ- Sense HAT אל ה- Raspberry Pi.

שלב 3: הצג נתוני חיישן על מטריצת LED 8x8

בחלק זה נראה כיצד חלק התצוגה החזותית של הפרויקט הזה נוסף לדגם האחרון. רכיבי Sense HAT המשמשים פרק זה הם חיישן הלחות (לקבלת לחות וטמפרטורה יחסית), חיישן לחץ, מטריצת LED והג'ויסטיק. הג'ויסטיק משמש לבחירת איזה חיישן אנו רוצים להציג.

כדי לפתוח את המודל הבא לדוגמה, הקלד את הדברים הבאים בחלון הפקודה MATLAB.

> rpiSenseHatDisplay

בלוק הג'ויסטיק הוא מספריית Sense HAT. זה עוזר לנו להכניס את נתוני הג'ויסטיק ל- Raspberry Pi, בדיוק כמו בלוקים של חיישן הלחות והלחות בדוגמה הקודמת. לעת עתה, אנו משתמשים בגוש Test Comfort כדי להציג 'טוב' (כאשר ערך הבלוק הוא 1) במטריצת ה- LED. הוא יציג 'רע' כאשר ערך הבלוק הוא 2 או 'מכוער' כאשר הערך הוא 3 או 4. בחלק הבא, נראה את האלגוריתם בפועל שמחליט אם הלחות בפנים טובה, רעה או מכוערת. בואו לחקור את בלוק הבורר על ידי לחיצה כפולה עליו. בלוקים של פונקציות MATLAB משמשים לשילוב קוד MATLAB בתוך דגם Simulink שלך. במקרה זה אנו מביאים את SelectorFcn להלן.

function [value, State] = SelectorFcn (JoyStickIn, לחץ, לחות, טמפ ', ihval)

מתמיד JoyStickCount

אם הוא חבל (JoyStickCount)

JoyStickCount = 1;

סוֹף

אם JoyStickIn == 1

JoyStickCount = JoyStickCount + 1;

אם JoyStickCount == 6

JoyStickCount = 1;

סוֹף

סוֹף

החלף את JoyStickCount

מארז 1 % טמפרטורת תצוגה ב- C

value = temp;

מדינה = 1;

מארז 2 % לחץ תצוגה בכספומט

value = לחץ/1013.25;

מדינה = 2;

מקרה 3 % הצגת לחות יחסית באחוזים

ערך = לחות;

מדינה = 3;

מארז 4 % טמפרטורת תצוגה ב- F

ערך = טמפ '*(9/5) +32;

מדינה = 4;

מארז 5 % הצג טוב/רע/מכוער

value = ihval;

מדינה = 5;

אחרת % אל תציג/הצג 0

value = 0;

מדינה = 6;

סוֹף

הצהרות מתגים משמשות בדרך כלל כמנגנון בקרת בחירה. במקרה שלנו, אנו רוצים שכניסת הג'ויסטיק תהיה פקד הבחירה ובוחרת את הנתונים הבאים שיוצגו בכל לחיצה על לחצן הג'ויסטיק. לשם כך, הגדרנו לולאת if שמגדילה את המשתנה JoyStickCount בכל לחיצה על לחצן (ערך JoyStickIn הוא 1 אם יש לחיצה על כפתור). באותה לולאה, כדי להבטיח שאנו נוסעים רק בין חמש האפשרויות שניתנו למעלה הוספנו תנאי נוסף שמאפס את ערך המשתנה ל- 1. באמצעות זה, אנו בוחרים איזה ערך יוצג במטריצת ה- LED. מקרה 1 יהיה ברירת המחדל כפי שאנו מגדירים את JoyStickCount להתחיל ב -1, וזה אומר שמטריצת ה- LED תציג טמפרטורה בצלזיוס. משתנה המצב משמש את בלוק נתוני הגלילה כדי להבין איזה ערך חיישן מוצג כרגע ואיזו יחידה יש להציג. כעת, כאשר אנו יודעים כיצד לבחור את החיישן הנכון לתצוגה, הבה נבחן כיצד פועלת התצוגה בפועל.

הצגת תווים ומספרים

כדי להציג על מטריצת ה- Sense HAT LED, יצרנו מטריצות 8x8 עבור:

1) כל המספרים (0-9)

2) כל היחידות (° C, A, % ו- ° F)

3) נקודה עשרונית

4) אלפבית מהמילים טוב, רע ומכוער.

מטריצות 8x8 אלה שימשו כקלט לבלוק מטריקס LED 8x8 RGB. בלוק זה מאיר את נוריות ה- LED המתאימות לאותם אלמנטים במטריצה בעלי ערך 1 כפי שמוצג להלן.

גלילת הטקסט

בלוק נתוני הגלילה בדגם שלנו מתגלגל בין מחרוזות שאורכו יכול להגיע עד 6 תווים. הערך 6 נבחר מכיוון שהוא המחרוזת הארוכה ביותר שנפיק בפרוייקט זה, דוגמה 23.8 ° C או 99.1 ° F. שים לב, כאן ° C נחשב לדמות אחת. ניתן להרחיב את אותו רעיון לגלול מחרוזות באורכים אחרים גם כן.

הנה קובץ-g.webp

www.element14.com/community/videos/29400/l/gif

כדי להציג מחרוזת של 6 תווים כל אחד במטריצת 8x8, אנחנו צריכים תמונה בגודל 8x48 בסך הכל. כדי להציג מחרוזת שאורכה 4 תווים לכל היותר, נצטרך ליצור מטריצה 8x32. עכשיו בואו לראות את כל העניין בחוסר מעש על ידי לחיצה על כפתור הפעלה. תצוגת ברירת המחדל במטריצת ה- LED היא ערך הטמפרטורה ב- ° C. בלוק היקף יציג את המצב והערך מתוך בלוק הבורר. לחץ על כפתור הג'ויסטיק ב- Sense HAT והחזק שנייה כדי לוודא שהערך משתנה לפלט החיישן הבא וחזור על תהליך זה עד שהוא מגיע לערך המדינה של 5. לצפייה באלגוריתם המעבר בין כל המקרים של סיווג הלחות הפנימית, שנה את הערך של בלוק Test Comfort לכל מספר בין 1 עד 4. שים לב כיצד שינוי ערך של בלוק במודל Simulink משנה באופן מיידי את אופן ההתנהגות של הקוד על החומרה. זה יכול להיות שימושי במצבים שבהם רוצים לשנות את אופן ההתנהגות של הקוד ממקום מרוחק. עם זאת ראינו את המרכיבים המרכזיים מאחורי היבט ההדמיה של מערכת ניטור האקלים. בחלק הבא נלמד כיצד להשלים את מערכת ניטור האקלים הפנימי שלנו.

שלב 4: תכנן אלגוריתם בסימולינק כדי להחליט אם הלחות הפנימית היא 'טובה', 'רעה' או 'מכוערת'

כדי להבין אם החדר שלך לח/יבש מדי או כדי לדעת מה רמת הלחות הפנימית נחשבת נוחה, ישנן מספר שיטות. באמצעות מאמר זה, הקמנו עקומת שטח לחיבור לחות יחסית פנימית וטמפרטורות חוץ כפי שמוצג למעלה.

כל ערך לחות יחסית באזור זה, אומר שהחדר שלך נמצא בסביבה נוחה. למשל, אם הטמפרטורה החיצונית היא -30 ° F אז כל ערך לחות יחסית מתחת ל -15% מקובל. באופן דומה, אם הטמפרטורה בחוץ היא 60 ° F אז כל לחות יחסית מתחת ל -50% מקובלת. כדי לסווג את הלחות הפנימית לנוחות מירבית (טובה), נוחות ממוצעת (רעה) או לחה/יבשה מדי (מכוערת), צריך טמפרטורת חוץ ולחות יחסית. ראינו כיצד להכניס לחות יחסית ל- Raspberry Pi. אז בואו נתמקד בהבאת טמפרטורת חוץ. הקלד את הדברים הבאים בחלון הפקודה MATLAB כדי לפתוח את המודל:

> rpiOutdoorWeatherData

בלוק WeatherData משמש להבאת טמפרטורה חיצונית של העיר שלך (ב- K) באמצעות https://openweathermap.org/. כדי להגדיר את הבלוק הזה, אתה צריך מפתח API מהאתר. לאחר יצירת חשבון החינם שלך באתר זה, עבור לדף החשבון שלך. הכרטיסייה מפתחות API המוצגת למטה נותנת לך את המפתח.

בלוק WeatherData זקוק לקלט של שם העיר שלך בפורמט ספציפי. בקר בדף זה והזן את שם העיר שלך ואז את סמל הפסיק ואחריו 2 אותיות לציון מדינה. דוגמאות - נאטיק, ארה ב וצ'נאי, IN. אם החיפוש מחזיר תוצאה לעיר שלך, השתמש בה בבלוק WeatherData בפורמט ספציפי זה. במקרה שהעיר שלך אינה זמינה, השתמש בעיר שכנה שתנאי מזג האוויר קרובים אליך. כעת לחץ פעמיים על בלוק WeatherData והזן את שם העיר שלך ואת מפתח ה- API שלך מהאתר.

לחץ על הפעלה על דגם Simulink זה כדי לבדוק שהבלוק יכול להכניס את הטמפרטורה של העיר שלך ל- Raspberry Pi. עכשיו נראה את האלגוריתם שמחליט אם הלחות בפנים טובה, רעה או מכוערת. הקלד את הדברים הבאים בחלון הפקודה MATLAB כדי לפתוח את הדוגמה הבאה:

> rpisenseHatIHval

אולי שמתם לב שחסר Test Comfort מהדגם הקודם חסר ובלוק חדש בשם FindRoom Comfort מספק את ה- ihval לגוש Selector. לחץ פעמיים על בלוק זה כדי לפתוח ולחקור.

אנו משתמשים בבלוק WeatherData בכדי להביא טמפרטורת חוץ. מערכת המשנה גבולות לחות מייצגת את תרשים הלחות היחסית לעומת טמפרטורת החוץ שראינו למעלה. בהתאם לטמפרטורת החוץ הוא יפיק מה יהיה ערך הגבול המרבי של הלחות. בואו נפתח את בלוק הפונקציות DecideIH MATLAB על ידי לחיצה כפולה עליו.

אם ערך הלחות היחסית חורג ממגבלת הלחות המרבית, אז הסימן יהיה חיובי בהתבסס על הדרך שבה אנו מפחיתים את הנתונים, מה שמרמז שהחדר לח מדי. אנו מפרסמים 3 (מכוער) לתרחיש זה. הסיבה מאחורי השימוש במספרים במקום מחרוזות היא שקל להציג זאת בגרפים וליצור התראות מהם. שאר הסיווגים בפונקציית MATLAB מבוססים על קריטריונים שרירותיים שהגענו אליהם. כשההפרש קטן מ -10 הוא מסווג נוחות מקסימלית וכאשר הוא פחות מ -20 זוהי נוחות ממוצעת ומעל זאת יבשה מדי. אל תהסס להריץ דגם זה ולבדוק את רמת הנוחות של החדר שלך.

שלב 5: רישום נתוני אקלים פנימי והנתונים המסווגים בענן

בחלק הבא נראה כיצד לרשום נתונים בענן. כדי לפתוח דוגמה זו, הקלד את הדברים הבאים בחלון הפקודה MATLAB.

> rpiSenseHatLogData

במודל זה, חלק התצוגה של המודל הקודם לדוגמה מוסר בכוונה מכיוון שאיננו צריכים שמערכת הניטור תציג את הנתונים הסטטיסטיים בעת רישום נתונים ושליחת התראות. אנו משתמשים ב- ThingSpeak, פלטפורמת IoT בעלת קוד פתוח ללא תשלום הכוללת ניתוח MATLAB, להיבט רישום הנתונים. בחרנו ב- ThingSpeak מכיוון שיש דרכים ישירות לתכנת Raspberry Pi ולוחות חומרה אחרים בעלות נמוכה לשליחת נתונים ל- ThingSpeak באמצעות Simulink. בלוק ThingSpeak Write הוא מתוך חבילת התמיכה של Simulink עבור ספריית החומרה של Raspberry Pi, וניתן להגדיר אותו באמצעות מפתח ה- API של כתיבה מערוץ ThingSpeak שלך. להלן הוראות מפורטות כיצד ליצור את הערוץ. כדי לרשום נתונים כל הזמן אל הענן, אתה רוצה שה- Pi שלך יעבוד ללא תלות ב- Simulink. לשם כך, תוכל ללחוץ על כפתור "פריס לחומרה" בדגם Simulink שלך.

צור ערוץ ThingSpeak משלך

מי שאין לו חשבון יכול להירשם לאתר ThingSpeak. אם יש לך חשבון MathWorks, אז יש לך באופן אוטומטי חשבון ThingSpeak.

• לאחר שנכנסת, תוכל ליצור ערוץ על ידי מעבר אל ערוצים> הערוצים שלי ולחיצה על ערוץ חדש.
• כל מה שאתה צריך הוא שם לערוץ ושמות לשדות שאליהם אתה מתכוון לרשום כפי שמוצג להלן.
• האפשרות הצג מיקום ערוץ זקוקה לקו הרוחב והאורך של העיר שלך כקלט ויכולה להציג את המיקום בתוך הערוץ במפה. (ערכי דוגמה המשמשים כאן הם עבור Natick, MA)
• לאחר מכן לחץ על שמור ערוץ כדי לסיים את יצירת הערוץ שלך.

4a. התראה אם הנתונים מסווגים כ'מכוערים '

כדי להשלים את מערכת ניטור האקלים הפנימי שלנו, עלינו לראות כיצד לקבל התראות המבוססות על נתוני ענן. זה קריטי מכיוון שבלעדיו לא תוכל לבצע פעולות נחוצות כדי לשנות את רמת הנוחות בחדר. בחלק זה נראה כיצד לקבל הודעה בטלפון שלך בכל פעם שנתוני הענן מצביעים על כך שהחדר לח או יבש מדי. נשיג זאת באמצעות שני שירותים: IFTTT Webhooks ו- ThingSpeak TimeControl. IFTTT (מייצג אם זה, אז זה) הוא שירות מקוון שיכול להתמודד עם אירועים ולהפעיל פעולות המבוססות על האירועים.

שלבים להתקנת IFTTT Webhooks

הערה: נסה את אלה במחשב לקבלת התוצאות הטובות ביותר.

1) צור חשבון ב- ifttt.com (אם אין לך חשבון) וצור Applet חדש מהדף היישומים שלי.

2) לחץ על הכפתור הכחול "זה" כדי לבחור את שירות ההדק שלך.

3) חפש ובחר Webhooks כשירות.

4) בחר קבל בקשת אינטרנט וספק שם לאירוע.

5) בחר צור טריגר.

6) בחר "זה" בדף הבא וחפש הודעות.

7) בחר שלח הודעה מאפליקציית IFTTT.

8) הזן את שם האירוע שיצרת בשלב 2 של IFTTT ובחר צור פעולה.

9) המשך עד שתגיע לשלב האחרון, סקור ולחץ על סיום.

10) עבור אל https://ifttt.com/maker_webhooks ולחץ על כפתור ההגדרות בחלק העליון של הדף.

11) עבור לכתובת האתר שבקטע פרטי חשבון.

12) הזן את שם האירוע שלך ולחץ על 'בדוק אותו'.

13) העתק את כתובת האתר בשורה האחרונה לשימוש עתידי (עם המפתח).

שלבים להתקנת ThingSpeak TimeControl

1) בחר אפליקציות> ניתוח MATLAB

2) לחץ על חדש בדף הבא ובחר Trigger Email from IFTTT ולחץ על צור.

החלקים החשובים כאן בקוד התבנית הם:

מזהה ערוץ - הזן את ערוץ ThingSpeak שלך הכולל את המידע "ערך לחות פנימית".

IFTTTURL - הזן את כתובת האתר שהועתקה מהקטע הקודם שלב 13.

readAPIKey - מקש Enter של סעיף ThingSpeak Channel. Action - זה שפועל על הערך האחרון. שנה את זה להלן כדי להפעיל התראות.

3) באתר ThingSpeak לחץ על אפליקציות> TimeControl.

4) בחר חוזר ובחר תדירות זמן.

5) לחץ על Save TimeControl.

כעת ניתוח MATLAB פועל באופן אוטומטי כל חצי שעה ושולח טריגר לשירות IFTTT Webhooks אם הערך גדול או שווה ל- 3. אז אפליקציית הטלפון IFTTT תתריע בפני המשתמש בהתראה כפי שמוצג בתחילת סעיף זה.

שלב 6: מסקנה

עם זאת ראינו את כל ההיבטים החשובים כיצד לבנות מערכת ניטור אקלים משלך. בפרויקט זה, ראינו כיצד ניתן להשתמש ב- Simulink ל -

• לתכנת פטל פטל כדי להביא נתונים מ- Sense HAT. הדגשה - דמיינו את הנתונים ב- Simulink כשהקוד עדיין פועל ב- Raspberry Pi.
• לבנות את התצוגה החזותית של מערכת ניטור האקלים הפנימי. הדגשה - שנה את התנהגות הקוד שלך על החומרה מ- Simulink.
• לעצב את האלגוריתם של מערכת ניטור האקלים הפנימי.
• רשום את הנתונים מ- Raspberry Pi אל הענן וצור התראות מהנתונים שנרשמו.

מהם השינויים שתעשה במערכת ניטור האקלים הפנימי הזה? אנא שתף את ההצעות שלך באמצעות הערות.