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Raspberry Pi で 金魚水槽管理システム を構築

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HomeMadeGarbage Advent Calendar 2020 |4日目
Raspberry Pi Advent Calendar 2020 |4日目

これまでESP32等で構成していた我が家の金魚水槽システムですが、
この度メンテナンスのし易さや拡張性の高さから制御をRaspberry Pi で実施することにいたしました。

☟従来型の構成は以下の通りです。
家のローカルネットワーク内で水槽の監視・管理を実施しておりました

チョベリグ金魚水槽システム

 

外出時にも対応したいと考え、外部監視・制御にはセキュリティの観点からATOM CamやAlexaアプリの既存のサービスの使用を採用いたしました。

 

 

システム概要

本システムの機能は以下の通りです。

  • 水槽LED照明のON/OFF
  • 自動エサあげ機構
  • 水槽の水温、pHの監視

いずれも自宅内でWebページからの制御・監視が可能で
さらにAlexaアプリと連動させてスマートスピーカ Amazon Echo dot での音声による制御も可能です。
水温、pHについては以前製作した我が家のコンシェルジュのおしゃべりティラノくんに発話で報告させることができます。

外出先からのエサあげ等の制御にはAlexaアプリを用いてスマホで実施し、
遠隔監視にはネットワークカメラ ATOM Cam を使用いたします。

 

構成

以下が本システムの構成図です。
Raspberry Pi Zero W のGPIO端子に照明用のテープLED、温度センサ、エサあげ用ソレノイドを接続し、
pHセンサをマイコンを介してUSB Host端子に接続しています。

部品

 

各部品の動作確認

本システムはNode-REDで構築しております。
ここでは各接続部品のNode-REDによる動作確認を行います。

Neopixel制御

NeoPixel用のNode-REDノードは存在し以下を参考に導入致しました。
 https://www.npmjs.com/package/node-red-node-pi-neopixel

NeoPixelの信号線をラズパイの12ピン(GPIO 18)し、
以下のようにrpi-neopixelsノードにカラーコードを送るとLEDが点灯いたします。

自動エサあげ機構

エサあげの機構には タカハ製の5Vプッシュソレノイド SSBC-0830/SSBC-0830-01(7.5Ω) を使用いたしました。

筐体は3Dプリンタで製作いたしました。

 

構成は以下の通り

Node-REDでラズパイのGPIOピンを制御して
ソレノイドに5V印可してエサが押し出される仕組みにしました。

水温計

水温系として1 wire温度センサ DS18B20を使用いたしました。

DS18B20のNode-REDノードも存在し、以下を参考に導入致しました。
 https://www.denshi.club/pc/raspi/iot6.html

DS18B20の出力をラズパイの7ピン(GPIO 4)に接続します。

pH計

pH計にはアナログ出力の PH-4502C を使用しました。

センサの校正方法など詳細は以下を参照ください。

pHセンサを味見 ーエッジAI活用への道 7ー

 

ラズパイにはアナログ値の入力ピンがないためArduino互換マイコンのアナログピンにpHセンサ出力を接続し、シリアルでpH値を出力します。

ラズパイのUSB Hostコネクタにマイコンを接続してシリアルでpH値を受信します。

シリアル通信Node-REDノードは以下を使用しました。
 https://flows.nodered.org/node/node-red-node-serialport

 

マイコンArduinoコード

シリアルで文字”1″が入力されるとpHをシリアル出力します。

 

Node-red自動起動設定

以下のコマンドの実行でラズパイ起動で自動的にNode-REDも起動します。

 

水槽システム Node-REDフロー

水槽LED制御

水槽の照明としてLEDテープを48セル設置し、WebページやAlexaによる音声でON/OFF 制御します。

 

① LED ON functionノード

次段に全白のLEDカラーコード(#FFFFFF)を送信します。

 

② LED OFF functionノード

次段にLED消灯カラーコード(#000000)を送信します。

 

③rpi-neopixelsノード

前段からの色信号(ON:#FFFFFF / OFF:#000000)を受けてLEDを制御します。
輝度は30%としています。

エサあげソレノイド制御

WebページやAlexaによる音声でラズパイのGPIO23をON/OFFしソレノイドを 制御します。

 

① ソレノイド ON functionノード

次段に数値1を送ります。

 

② LED OFF functionノード

ON function後200msecの遅延後に次段に数値0を送ります。

 

③ rpi-gpio outノード

前段からの信号を受けてソレノイドを制御します。200msecの間だけ数値1がきてGPIO23がONになりソレノイドに電流が供給されエサが押し出されます。

ラズパイのGPIO制御ノードでGPIO23を制御します。

 

水温・pH測定

Alexaによる音声で起動しおしゃべりティラノくんに発話で水温とpHを報告させます。

 

① rpi-ds18b20ノード

rpi-ds18b20ノード で水温を取得します。

 

② functionノード

前段からの水温を小数点第1位で丸めて変数waterに格納し、
次段に”1″の文字を送信。

 

serial requestノード

前段の文字”1″を受けてpHセンサ値を次段に返します。

 

④ functionノード

前段からのpH値を変数phに格納

 

⑤ templateノード

水温とpHの測定値を受けて、発話内容を生成します。

 

⑥ google-ttsノード

Google Text to Speech APIを呼び出すgoogle-ttsノードを使用しました。
 https://flows.nodered.org/node/node-red-contrib-google-tts

前段からの発話内容を入力して発話のmp3 URLを返します。
言語は日本語(ja-JP)を指定しています。

 

⑦ udp outノード

前段で生成されたmp3 URLをUDPで おしゃべりティラノくんに送信して発話させます。

Webページ生成

“ラズパイのNode-REDのURL/aquarium”にアクセスでWebページを生成します。

ブラウザ表示前に水温とpHを計ってtemplateノードに渡しています。
templateノードにWeb表示用コードを記述しています。

以下がWebページ画面です。

“ごはんをあげる”ボタンで/feedにGETリクエストを投げてソレノイド制御します。
LEDのON/OFFスイッチで/on または /offのGETリクエストを投げてLEDを制御します。

水温とpHの数値を表示します。

Alexa連動

Node-RED Alexa Home Skill Bridge というNode-REDノードを用いてAlexaと連動させ、システムの音声による制御を可能にしました。

Node-RED Alexa Home Skill Bridgeの設定等の詳細は以下を参照ください。
Node-RED Alexa Home Skill Bridge へのユーザ登録や、
スマホのAlexaアプリでNode-REDスキルを有効にしてAlexaサービスとNode-RED Alexa Home Skill Bridgeを紐づける必要があります。

ATOM Echo おしゃべりティラノくんをAlexaと連動

 

デバイス登録

水質の発話報告を起動する”Aquarium”とエサやりソレノイドを起動する”Feed”と
LEDを起動する”水槽”を登録しました。

“水槽”はON/OFF動作させるのでActionにONとOFFを選択しました。

 

Node-RED

Node-REDに登録したデバイスのノードを配置します。

 

定型アクションを編集

以上で登録したデバイスをスマートスピーカAmazon Echoから起動させることが可能になりました。

デバイス”水槽”はLEDのON/OFFを制御するので「水槽つけて」、「水槽消して」で問題ないですが、
“Aquarium”と”Feed”はON/OFFの発話だと不自然なので
Alexaスマホアプリで定型アクションを登録しました。

「アレクサ、ご飯あげて」でデバイス”Feed”を起動してソレノイドを制御します。

 

「アレクサ、水質教えて」でデバイス”Aquarium”を起動してティラノくんに水温とpHを報告してもらいます。

 

動作

水槽設置前の動作テスト

 

ユニットはタッパに入れて水槽裏に設置いたしました。

Webページによる動作

音声による動作

遠隔動作

旅行先でもご飯の供給ができました!

 

追記

みんなラズパイコンテスト

本システムで今年もみんなのラズパイコンテストに応募いたしました。
受賞はできましたが3年連続となるスタートダッシュ賞をいただくことができました♪

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「Raspberry Pi で 金魚水槽管理システム を構築」への2件のフィードバック

  1. DS18B20ノードを使用の際はラズパイの設定で1-Wireを有効にすること

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