Python 制造园丁机器人详解

好了，我的朋友们，你们已经了解了输入和输出的一些基本知识；现在是时候做点什么了，我们可以把一些日常责任交给他们。这个机器人可能看起来不像机器人，但相信我，它会让你的生活更轻松。你花园里的大多数植物都会为你的成功而祝福

我们将讨论以下主题：

我们将要做的是一个自动化系统，它将在你的工厂需要的时候给他们浇水。所以从技术上讲，一旦设置好了，你就不必担心给你的绿色生物浇水了。无论你是在家里，在办公室，还是在度假，无论发生什么事情，这都会保持它的工作

现在，你一定想知道它将如何浇灌植物，所以让我告诉你，对于这个世界上的每一个问题，都有一个解决方案。在我们的例子中，这种解决方案称为电磁阀。它的基本功能是切换液体的流动。市场上有各种电磁阀可供选择；一些识别特征如下所示：

• 尺寸：有半英寸、四分之三英寸、1 英寸等多种尺寸。这基本上将决定电磁阀的流量。
• 介质：是否指流体、气体、蒸汽等。
• 正常状态：
  • 常开：该阀在无电源时，允许液体在关闭状态下流动
  • 常闭：当阀门无电源时，该阀门将在关闭状态下停止液体流动
• 通道数：一个简单的阀门将有一个入口和一个出口。因此，当它打开时，它将允许液体从入口流向出口。但是，也可以有其他类型的阀门，例如可能有两个出口和一个进口的三通阀。它可以调节液体流动的位置

在阀门方面也可以有更多的细节，但现在我们只需要知道这些。关于电磁阀需要注意的一点是，这些阀门可以打开或关闭。不可能在两者之间达到任何状态或通过这些阀门控制流量。为此，我们可以使用伺服阀或电动阀。但到目前为止，我们不需要它

在本章中，我们将使用一个半英寸的水/流体阀门，它是常闭的。当你仔细观察这个阀门时，你会发现它在 12 伏电压下工作，电流消耗接近 1 安培。这对覆盆子皮来说是一个很大的电流。Raspberry Pi 可以为每个引脚提供的电流上限约为 50 毫安。所以如果我们把这个阀门连接到 RespberryPi 上，它肯定不会工作

我们现在该怎么办？这个问题的答案是接力。继电器的基本工作是重新铺设电路。基本上，它是一个电子控制开关。继电器的基本工作是打开和关闭电流/电压消耗高于控制单元所能提供的电流/电压消耗的设备。如图所示，这是一个相当简单的设备。有两条线路。一个用蓝色表示，这是一个低电压和低电流电路。这个电路正在给线圈通电。另一个电路用红色和黑色表示。该电路是一个高电压、大电流电路

如您所见，在初始阶段，高压-大电流电路不完整，烤箱无法工作：

现在，在第二张图中，您可以看到蓝色电路连接到 5V 电源，线圈通电。每当线圈通电时，它就会形成一个电磁铁，吸引大功率电路的金属片，使电路完整，从而为烤箱通电：

这就是电磁阀的工作原理。线圈的消耗几乎不到几毫安，因此很容易通过微控制器驱动线圈。这进而使最终电路之间发生接触

市场上有各种各样的继电器；一些识别特征如下所示：

• 最大输出电压：能够处理的最大电压
• 最大输出电流：连接到它的任何输出设备所能承受的最大电流
• 信号电压：需要开关元件的电压
• 正常状态：
  • 正常关闭：在未收到信号之前，不允许任何电流流动
  • 正常开启：允许电流流动，直到没有收到信号为止

现在，回到我们的园艺机器人，连接到它的电磁阀将工作在 1 安培和 12 伏，所以任何继电器可以提供等于或大于 1 安培和 12 伏将工作

通常，市场上可用的继电器为 120V 和 12 安培直流。需要记住的一件重要事情是，交流和直流电压和电流有两个单独的额定值。由于我们的电磁阀将在 12V 下工作，我们将只考虑直流上限。

现在，让我们开始制作机器人。首先，你需要把水龙头和螺线管以及螺线管和洒水器连接起来。您还必须建立连接，如下所示：

现在让我们开始编程。我们将在这个机器人中连接土壤湿度传感器。该传感器的工作是确定土壤中的水量。通过确定这一点，我们可以了解花园是否需要水。该土壤湿度传感器是一个模拟传感器，因此我们将使用 ADC 将模拟读数转换为 Pi 数字值。让我们开始吧：

import time
import RPi.GPIO as GPIO
import Adafruit_ADS1x15
water_valve_pin = 23
moisture_percentage = 20
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setup(water_valve_pin, GPIO.OUT)
adc = Adafruit_ADS1x15.ADS1115()
channel = 0
GAIN = 1
while True:
 adc.start_adc(channel, gain=GAIN)
 moisture_value = adc.get_last_result()
 moisture_value= int(moisture_value/327)
 print moisture_value
 if moisture_value < moisture_percentage:
 GPIO.output(water_valve_pin, GPIO.HIGH)
 time.sleep(5)
 else:
 GPIO.output(water_valve_pin, GPIO.LOW)

在运行此代码之前，让我们先了解它实际上在做什么：

moisture_percentage = 20

moisture_percentage = 20是作为阈值的百分比；如果土壤湿度低于 20%，那么你的花园需要水。正是这种情况，你的机器人将继续寻找；一旦满足此条件，则可以采取适当的措施。此百分比也可以根据您花园的需要更改为30、40或任何其他值：

moisture_value = int(moisture_value/327)

ADC 是一个 16 位设备，有 16 个二进制数字可以表示一个值。因此，该值可以在0和2<sup>15</sup>之间，或者换句话说，在0和32768之间。现在，通过简单的数学计算，ADC 将给出以下读数：32768/100或327.68。因此，为了找出土壤中的水分百分比，我们必须将 ADC 给出的实际值除以327.68。

代码的其余部分相当简单，一旦您看完它，就不难理解了

祝贺你制作了第一个机器人！但是你注意到一个问题了吗？我们制造的机器人一直在寻找湿度值，当它发现湿度值很低时，它突然抽水，确保土壤湿度始终超过 20%。然而，这不是必需的。一般来说，我们每天给花园浇水一两次。如果我们多浇水，可能对植物不好。

所以，让我们继续，让它稍微智能化一点，让它只在特定时间水分水平较低时给植物浇水。这一次，我们不需要对硬件进行任何更改；我们只需要调整代码

让我们继续上传以下代码，然后看看到底发生了什么：

from time import sleep
from datetime import datetime
import RPi.GPIO as GPIO
import Adafruit_ADS1x15
water_valve_pin = 23
moisture_percentage = 20
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setup(water_valve_pin, GPIO.OUT)
adc = Adafruit_ADS1x15.ADS1115()
GAIN = 1
def check_moisture():
 adc.start_adc(0,gain= GAIN)
 moisture_value = adc.get_last_result()
 moisture_value = int(moisture_value/327)
 if moisture_value < moisture_level:
 GPIO.output(water_valve_pin, GPIO.HIGH)
 sleep(5)
 GPIO.output(water_valve_pin, GPIO.LOW)
 else:
 GPIO.output(water_valve_pin, GPIO.LOW)
while True:
 H = datetime.now().strftime('%H')
 M = datetime.now().strftime('%M')
 if H == ‘07’ and M <= ‘10’:
 check_moisture()
 if H == ‘17’ and M <= ‘01’:
 check_moisture()

这段代码对您来说可能有点陌生，但相信我，它是最简单的。让我们一步一步地看看发生了什么：

from datetime import datetime

这行代码正在从日期时间库导入日间实例。这是一个默认为 Python 的库。我们需要做的就是给它打电话。现在，它所做的是在没有任何喧嚣的情况下，帮助我们确定代码中的时间：

def check_moisture():

有好几次我们不得不一次又一次地做某事。这些代码集可以是几行重复的代码或多页代码。因此，重写该代码毫无意义。我们可以创建一个函数。在这个函数中，我们可以定义调用它时将发生什么。在这一行中，我们创建了一个名为check_moisture()的函数；现在，每当在程序中调用此函数时，都会执行一组活动。将要执行的活动集由用户定义。所以，每当我们写def时，就意味着我们正在定义一个函数；然后，我们写下需要定义的函数名

一旦完成，那么我们在缩进中写的任何内容都将在调用函数后完成。请记住，无论何时调用或定义函数，它都会在函数名称的末尾用一个开括号和一个闭括号表示：

 moisture_value = adc.get_last_result()

adc.get_last_result()是adc的一个函数。它所做的活动只是从前面定义的 pin（pin 编号0）中获取结果，并将读数获取到变量moisture_value。因此，在第moisture_value行之后将是 ADC 的管脚编号0的读数，或者换句话说，水分传感器的读数：

H = datetime.now().strftime('%H')

代码datetime是.now()的实例和方法。此函数的作用是更新时间。现在，date time.now()更新了日期和时间的所有参数，包括小时、分钟、秒，甚至日期。这取决于我们是否想要全部或日期和时间的任何特定部分。目前，我们希望将小时值放入变量H，因此我们使用.strftime('%H')方法。strftime表示时间的字符串格式。所以不管它输出什么值，都是字符串格式。('%H') 意味着它只会给我们小时数的值。同样，我们也可以通过使用('%M')和('%S)以分钟为单位获得时间。我们还可以使用以下语法获取日期、月份和年份的值：

• 获取日期：('%d')
• 取月份：('%m')
• 获取年份：('%Y')

if H == ‘07’ and M <= ‘10’:

在前面的条件中，我们正在检查时间是否为 7 点钟；此外，我们还将检查时间是否小于或等于 10 分钟。因此，这段代码将仅在时间为7小时且介于0和10分钟之间时运行if语句中的语句

需要特别注意的一点是，我们在两个条件之间使用了一个and，因此只有当两个语句都完全正确时，它才会运行其中的代码。我们还可以在它内部使用一些其他语句，例如or，在这种情况下，如果其中一条语句为 true，它将运行代码

如果我们在本if语句中将and替换为or，则它将在每小时的 0 到 10 分钟内运行代码，并在上午 7:00 到上午 7:59 之间的整个时间内连续运行代码：

check_moisture()

您可能还记得，之前我们定义了一个名为check_moisture()的函数。在定义该函数的同时，我们还定义了每次调用该函数时将发生的一组活动。

现在是调用该函数的时候了。当程序到达代码的这一端时，它将执行先前在函数中定义的一组活动

所以我们有了它。现在，只要您运行此代码，它就会等待您在程序中定义的时间。一旦达到特定时间，它将检查湿度。如果湿度小于设定值，则会开始给植物浇水，直到湿度达到该阈值以上

了不起的工作！我们已经开始建造比我们自己更聪明的东西。但现在我们想更进一步，让它比我们更聪明，这就是机器人在这里的目的。不仅要做我们所做的，而且要以更好的方式做这一切

那么，我们可以改进什么呢？嗯，在寒冷的冬天，我们不需要很多水，但到了夏天，我们需要的水比冬天喝的要多得多。植物也是如此

在冬天，它们需要的水量要少得多。此外，甚至土壤中水分的蒸发速度也较慢。因此，在这两种情况下，我们需要为花园提供不同数量的水。问题是，我们如何做到这一点？

首先，要知道外面是热还是冷，我们需要一个传感器。我们将使用名为 DHT11 的传感器。这是一个便宜但坚固的传感器，它能为我们提供温度和湿度的读数。最棒的是，它是超便宜的，价格在 2 美元左右

它有四个引脚。但如果你认为它对 I2C 协议有效，那么你就错了。它有自己的数据传输方法。对所有传感器使用一个协议是很好的，但通常您也会发现，有各种传感器或设备使用不同的或全新的协议。DHT11 就是这样一种传感器。在这种情况下，我们可以选择要么理解整个通信方法，要么简单地从制造商那里获取库并使用它。目前，我们将选择后者

现在让我们看看 DHT11 的引脚是什么样子的：

这里你可以看到，只有一个信号管脚可以完成所有的数字通信。电源有两个引脚，其中一个引脚未使用。也就是说，pin 没有重要用途。它可能只是用于焊接或将来使用。该传感器工作在 5V 电源上，只需要几毫安，因此我们可以简单地使用 Raspberry Pi 为其通电。现在，对于数据通信，我们将信号引脚连接到 GPIO 引脚号4。

在开始编写代码之前，让我们首先安装用于 DHT11 和 Raspberry Pi 之间通信的库。我们以前在 ADS1115 库中已经做过这项工作，但在这一部分中，我们需要注意一些小技巧。让我们开始吧。

首先，我们需要确保您的 Raspberry Pi 的操作系统是最新的。因此，将 Raspberry Pi 连接到 internet，在 Raspberry Pi 中打开命令提示符，然后键入以下命令：

sudo apt-get update

此命令将自动更新 Raspberry Pi 的 raspbian 操作系统。然后继续并键入以下内容：

sudo apt-get install build-essential python-dev python-openssl

在此命令中，我们正在安装以下软件包：

• build-essential
• python-dev
• python-openssl

您一定想知道我们为什么要安装所有这些。长话短说，这些是我们将要安装的用于 DHT11 通信的库的依赖项。如果这些软件包没有安装在 Raspberry Pi 上，我们将无法使用该库。

最后，我们必须安装库；这是一个通用库，其中还提供与 DHT11 传感器通信的功能。这应该足以满足我们方便沟通的需要。以下是安装它的命令：

sudo python setup.py install

好吧，我们可以走了。我们的系统已准备好与 DHT11 通话。让我们先看看到目前为止我们所做的是否符合我们的要求。为此，按如下方式连接 DHT11；您可以让电磁阀和土壤湿度传感器等其他部件保持连接状态。他们不应该干涉。现在，在 Pi 中上载以下代码：

from time import sleep
from datetime import datetime
import RPi.GPIO as GPIO
import Adafruit_DHT
sensor = 11
pin = 4
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setwarnings(False)
while True:
 humidity, temperature = Adafruit_DHT.read_retry(sensor, pin)
 print("Temperature: " +temperature+ "C")
 print("Humidity: " +humidity+ "%")
 time.sleep(2)

上传此代码后，您将在屏幕上看到传感器的读数。此代码只是为您提供传感器的原始读数。这段代码非常简单，您将很好地理解这里编写的所有内容，除了以下几行代码：

import Adafruit_DHT

在这一行代码中，我们正在代码中导入Adafruit_DHT库。这与将用于与 DHT11 传感器通信的库相同：

sensor = 11 

有不同版本的 DHT 可用，如 DHT11、DHT22 等。我们需要告诉程序我们正在使用哪个传感器。因此，我们为变量传感器分配了一个值。稍后，您将看到我们将如何使用它：

pin = 4  

在这一行中，我们将值4分配给一个名为pin的变量。此变量将用于告诉程序我们在树莓 Pi 的哪个引脚上连接了 DHT11：

humidity, temperature = Adafruit_DHT.read_retry(sensor, pin)

在这一行中，我们使用了名为Adafruit_DHT.read_retry()的Adafruit库的方法。现在，它读取 DHT 传感器，并将传感器的读数提供给变量humidity和temperature。需要注意的是，DHT11 给出的读数每 2 秒更新一次。因此，您将收到的读数将在每 2 秒后刷新一次

一旦该代码通过，我们就可以确保传感器按照我们想要的方式工作。最后，是时候将所有传感器集成在一起，形成一个完全智能的机器人了。由于电磁阀、湿度传感器和温度传感器已经连接好，我们所需要做的就是将代码上传到 Pi 上，看看神奇之处：

from time import sleep
from datetime import datetime
import RPi.GPIO as GPIO
import Adafruit_ADS1x15
import Adafruit_DHT
water_valve_pin = 23
sensor = 11
pin = 4
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setup(water_valve_pin, GPIO.OUT)
Channel =0
GAIN = 1
adc = Adafruit_ADS1x15.ADS1115()
def check_moisture(m):
 adc.start_adc(channel, gain=GAIN)
 moisture_value = adc.get_last_result()
 moisture_value = int(moisture_value/327)
 print moisture_value
 if moisture_value < m:
 GPIO.output(water_valve_pin, GPIO.HIGH)
 sleep(5)
 GPIO.output(water_valve_pin, GPIO.LOW)
 else:
 GPIO.output(water_valve_pin, GPIO.LOW)
while True:
 humidity, temperature = Adafruit_DHT.read_retry(sensor, pin)
 H = datetime.now().strftime(‘%H’)
 M = datetime.now().strftime(‘%M’)
 if H == ‘07’ and M <= ‘10’:
 if temperature < 15:
 check_moisture(20)
 elif temperature >= 15 and temperature < 28:
 check_moisture(30)
 elif temperature >= 28:
 check_moisture(40)
 if H == ‘17’ and M <= ‘10’:
 if temperature < 15:

 check_moisture(20)
 elif temperature >= 15 and temperature < 28:
 check_moisture(30)
 elif temperature >= 28:
 check_moisture(40)

相当长的代码，对吗？看起来可能是这样，但一旦您逐行编写它，您肯定会明白它可能比我们迄今为止编写的所有代码都长，但它一点也不复杂。您可能已经理解了该程序的大部分内容，但是让我来解释一下我们在这里使用的一些新东西：

def check_moisture(m):
  adc.start_adc(channel, gain = GAIN)

moisture_value = adc.get_last_result()
moisture_value = int(moisture_value / 327)
print moisture_value

if moisture_value < m:
  GPIO.output(water_valve_pin, GPIO.HIGH)
  sleep(5)
  GPIO.output(water_valve_pin, GPIO.LOW)
else :
  GPIO.output(water_valve_pin, GPIO.LOW)

在这一行中，我们定义了一个名为check_moisture()的函数。之前，如果你还记得的话，当我们制作函数check_moisture时，我们基本上是在检查湿度值是否大于或小于 20%。如果我们必须检查 30%、40%和 50%的湿度，该怎么办？我们会为此单独设置一个函数吗？

显然不是！我们要做的是将参数传递给函数，参数基本上是放在函数括号内的变量。现在我们可以给这个变量赋值，例如，check_moisture(30)-现在在函数执行期间，m的值将是30。再次，如果你把它叫做check_moisture(40)，那么m的值就是40

现在，如您所见，我们在整个函数中比较m的值：

   if moisture_value < m:

if语句将检查调用函数时分配的m值。这使我们的工作非常简单

让我们看看程序的其他部分在做什么：

            if temperature < 15:
                check_moisture(20)

每次达到所需时间，它都会继续检查温度。如果温度低于15，则调用参数值为20的函数check_moisture 。因此，如果水分低于 20%，则将水供应至花园：

 elif temperature >= 15 and temperature < 28:
                check_moisture(30)

elif或else if语句在if语句之后使用。通俗地说，这意味着如果前面的if语句不正确，那么它将检查此if语句。因此，在前一行中，它将检查温度是否在15和28摄氏度之间。如果这是真的，那么它将检查土壤的湿度。该函数的参数在此行中为30。因此，它将检查湿度是否小于30。如果是这样，那么它将为花园供水：

 elif temperature >= 28:
                check_moisture(40)

类似地，在这一行代码中，我们正在检查温度，如果温度等于或大于28摄氏度，那么它将把值40作为参数传递给函数check_moisture。因此，这一次它将检查湿度是否为28或更高。

如您所见，现在系统将检查环境温度，并在此基础上，调节发电厂的水量。最好的部分是，它是一致的，将提供适当数量的水所需的植物

The values mentioned in this entire chapter are simply assumed values. I would strongly recommend to tweak it based on where you live and what kind of plants you have in your garden to get the best out of the system.

在本章中，我们讨论了一些主题，如螺线管集成和土壤湿度传感器，以构建自动浇灌后院花园的机器人。接下来，我们将介绍电机的基础知识。