Sistema di monitoraggio per animali domestici alimentato da Arduino e Raspberry Pi: 19 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Di recente, mentre eravamo in vacanza, ci siamo resi conto della mancanza di connessione con il nostro animale domestico Beagle. Dopo alcune ricerche, abbiamo trovato prodotti che presentavano una telecamera statica che permetteva di monitorare e comunicare con il proprio animale domestico. Questi sistemi avevano alcuni vantaggi ma mancavano di versatilità. Ad esempio, ogni stanza richiedeva un'unità per tenere traccia del tuo animale domestico in tutta la casa.

Per questo motivo abbiamo sviluppato un robot robusto in grado di muoversi in casa e di monitorare il proprio animale domestico sfruttando la potenza dell'internet delle cose. Un'app per smartphone è stata progettata per interagire con il tuo animale domestico tramite un feed video in diretta. Il telaio del robot è fabbricato digitalmente poiché diverse parti sono state create utilizzando la stampa 3D e il taglio laser. Infine, abbiamo deciso di aggiungere una funzione bonus che dispensava prelibatezze per premiare il tuo animale domestico.

Continua per creare il tuo sistema di monitoraggio degli animali domestici e magari anche personalizzarlo per le tue esigenze. Guarda il video linkato sopra per vedere come ha reagito il nostro animale domestico e per avere una migliore comprensione del robot. Lascia un voto nel "Robotics Contest" se ti è piaciuto il progetto.

Passaggio 1: panoramica del design

Per concettualizzare il robot di monitoraggio degli animali domestici, lo abbiamo progettato per la prima volta su fusion 360. Ecco alcune delle sue caratteristiche:

Il robot può essere controllato tramite un'app tramite Internet. Ciò consente all'utente di connettersi al robot da qualsiasi luogo

Una telecamera di bordo che trasmette in streaming un feed video allo smartphone può aiutare l'utente a muoversi in casa e interagire con l'animale

Una ciotola aggiuntiva per premiare il tuo animale domestico a distanza

Parti fabbricate digitalmente che consentono di personalizzare il proprio robot

Un Raspberry Pi è stato utilizzato per connettersi a Internet in quanto dispone di una modalità wifi integrata

Un Arduino è stato utilizzato insieme a uno scudo CNC per dare comandi ai motori passo-passo

Passaggio 2: materiali necessari

Ecco l'elenco di tutti i componenti necessari per creare il tuo robot di monitoraggio per animali domestici alimentato da Arduino e Raspberry Pi. Tutte le parti dovrebbero essere comunemente disponibili e facili da trovare.

ELETTRONICA:

• Arduino Uno x 1
• Raspberry Pi (lampeggiato con l'ultimo raspbian) x 1
• Schermo CNC x 1
• A4988 Driver per motore passo-passo x 2
• Picamera x 1
• Sensore di distanza ad ultrasuoni x 1
• Batteria lipo 11.1v x 1
• Motore passo-passo NEMA 17 x 2
• 5v UBEC x 1

HARDWARE:

• Ruote x 2 (le ruote che abbiamo usato avevano un diametro di 7 cm)
• Ruote girevoli x 2
• Dadi e bulloni M4 e M3

Il costo totale di questo progetto escludendo Arduino e Raspberry Pi è di circa 50$.

Passaggio 3: parti fabbricate digitalmente

Alcune delle parti che abbiamo utilizzato in questo progetto dovevano essere realizzate su misura. Questi sono stati prima modellati in Fusion 360 e poi sono stati realizzati utilizzando una stampante 3D e un laser cutter. Le parti stampate in 3D non sopportano molto carico, quindi il PLA standard con un riempimento del 20% funziona alla grande. Di seguito è riportato un elenco di tutte le parti stampate in 3D e tagliate al laser:

Parti stampate in 3D:

• Supporto per stepper x 2
• Supporto per sistema di visione x 1
• Distanziatore elettronico x 4
• Distanziatore verticale x 4
• Rinforzo telaio x 2
• Coperchio ciotola per trattare x 1
• Ciotola da trattare x 1
• Supporto passo-passo posteriore x 1
• Disco di avvolgimento x 1

Parti tagliate al laser:

• Pannello inferiore x 1
• Pannello superiore x 1

Di seguito è allegata una cartella compressa contenente tutti gli STL e i file di taglio laser.

Passaggio 4: collegamento del motore passo-passo

Una volta che tutte le parti sono state stampate in 3D, inizia l'assemblaggio montando il motore passo-passo nel supporto passo-passo. Il supporto del motore passo-passo che abbiamo progettato è pensato per il modello NEMA 17 (se si utilizzano diversi stepper richiederà un supporto diverso). Passare l'albero del motore attraverso il foro e fissare il motore in posizione con le viti di montaggio. Una volta fatto, entrambi i motori devono essere fissati saldamente ai supporti.

Passaggio 5: montaggio degli stepper sul pannello inferiore

Per montare i supporti sul pannello inferiore tagliato al laser abbiamo utilizzato bulloni M4. Prima di fissarli con i dadi, aggiungi le strisce di rinforzo del telaio stampate in 3D e quindi fissa i dadi. Le strisce vengono utilizzate per distribuire uniformemente il carico sul pannello acrilico.

Infine, far passare i fili nelle rispettive asole previste sul pannello. Assicurati di tirarli fino in fondo per evitare che rimangano impigliati nelle ruote.

Passaggio 6: montaggio delle ruote

Il pannello acrilico ha due sezioni ritagliate per adattarsi alle ruote. Le ruote che abbiamo usato avevano un diametro di 7 cm e venivano fornite con viti di fissaggio fissate agli alberi dello stepper da 5 mm. Assicurarsi che la ruota sia fissata correttamente e non scivoli sull'albero.

Passaggio 7: ruote piroettanti anteriori e posteriori

Per consentire al telaio di muoversi agevolmente, abbiamo deciso di posizionare le ruote piroettanti nella parte anteriore e posteriore del robot. Ciò non solo impedisce al robot di ribaltarsi, ma consente anche al telaio di ruotare liberamente in qualsiasi direzione. Le ruote piroettanti sono di tutte le dimensioni, la nostra in particolare è dotata di un'unica vite girevole che abbiamo montato sulla base e abbiamo utilizzato distanziali stampati in 3D per regolare l'altezza in modo che il robot fosse perfettamente orizzontale. Con questo la base del telaio è completa e ha una buona stabilità.

Passaggio 8: elettronica

Una volta che la base del telaio è completamente assemblata, è il momento di montare l'elettronica sul pannello acrilico. Abbiamo realizzato dei fori nel pannello acrilico che si allineano con i fori di montaggio di Arduino e Raspberry Pi. Usando i distanziatori stampati in 3D abbiamo sollevato l'elettronica leggermente sopra i pannelli acrilici in modo che tutto il cablaggio in eccesso possa essere nascosto ordinatamente al di sotto. Montare Arduino e Raspberry Pi nelle posizioni di montaggio corrispondenti utilizzando dadi e bulloni M3. Una volta che Arduino è stato riparato, collegare lo shield CNC ad Arduino e collegare i fili dello stepper nella seguente configurazione.

• Stepper sinistro alla porta dell'asse X dello scudo CNC
• Stepper destro alla porta dell'asse Y dello scudo CNC

Con i motori passo-passo collegati, collega Arduino al Raspberry Pi usando il cavo USB di Arduino. Alla fine Raspberry Pi e Arduino comunicheranno attraverso questo cavo.

Nota: la parte anteriore del robot è il lato con Raspberry Pi

Passaggio 9: sistema di visione

L'input ambientale principale per il nostro robot di monitoraggio degli animali domestici è la visione. Abbiamo deciso di utilizzare la Picamera, compatibile con Raspberry Pi, per inviare un live streaming all'utente tramite Internet. Abbiamo anche utilizzato un sensore di distanza ad ultrasuoni per evitare ostacoli quando il robot funziona in modo autonomo. Entrambi i sensori si fissano su un supporto con l'aiuto di viti.

La Picamera si inserisce nella sua porta designata sul Raspberry Pi e collega il sensore a ultrasuoni nel modo seguente:

• Sensore a ultrasuoni VCC su guida 5v su schermo CNC
• Sensore a ultrasuoni GND su binario GND su schermo CNC
• Sensore a ultrasuoni da TRIG a X+ perno di fine corsa su schermo CNC
• Sensore a ultrasuoni ECHO al perno di fine corsa Y+ sullo schermo CNC

Passaggio 10: assemblaggio del pannello superiore

Sul retro del robot è montato il sistema di apertura del coperchio per la vaschetta del trattamento. Fissare il mini motore passo-passo al componente del supporto posteriore e montare sia il sistema di visione che il sistema di avvolgimento con bulloni M3 sul pannello superiore. Come detto assicurati di montare il sistema di visione davanti e il sistema di avvolgimento dietro con i due fori previsti.

Passaggio 11: montaggio del pannello superiore

Abbiamo stampato in 3D distanziatori verticali per supportare il pannello superiore alla giusta altezza. Inizia attaccando i quattro distanziatori al pannello inferiore per formare una "X". Quindi posizionare il pannello superiore con la ciotola del trattamento assicurandosi che i loro fori siano allineati e infine fissarlo anche ai distanziatori.

Passaggio 12: meccanismo di apertura del coperchio

Per controllare il coperchio sulla ciotola del trattamento, abbiamo utilizzato un motore passo-passo più piccolo per avvolgere una corda di nylon attaccata al coperchio, aprendolo. Prima di attaccare il coperchio, fai passare la corda attraverso il foro di 2 mm sul coperchio e fai un nodo sul lato interno. Quindi tagliare l'altra estremità della corda e farla passare attraverso i fori previsti sul disco di avvolgimento. Spingi il disco sullo stepper e poi tira la corda finché non è tesa. Una volta fatto tagliare l'eccesso e fare un nodo. Infine, usando un bullone e un dado, fissa il coperchio alla ciotola e assicurati che ruoti. Ora, mentre lo stepper ruota, la corda dovrebbe avvolgersi sul disco e il coperchio dovrebbe aprirsi gradualmente.

Passaggio 13: configurazione del database cloud

Il primo passo è creare un database per il sistema in modo da poter comunicare con il robot dalla tua app mobile da qualsiasi parte del mondo. Clicca sul seguente link (Google firebase), che ti porterà al sito web di Firebase (dovrai accedere con il tuo account Google). Fai clic sul pulsante "Inizia" che ti porterà alla console Firebase. Quindi creare un nuovo progetto facendo clic sul pulsante "Aggiungi progetto", compilare i requisiti (nome, dettagli, ecc.) e completare facendo clic sul pulsante "Crea progetto".

Abbiamo solo bisogno degli strumenti di database di Firebase, quindi seleziona "database" dal menu sul lato sinistro. Quindi fare clic sul pulsante "Crea database", selezionare l'opzione "modalità test". Quindi imposta il database su un "database in tempo reale" anziché su "cloud firestore" facendo clic sul menu a discesa in alto. Seleziona la scheda "regole" e cambia i due "falso" in "vero", infine fai clic sulla scheda "dati" e copia l'URL del database, questo sarà richiesto in seguito.

L'ultima cosa che devi fare è fare clic sull'icona a forma di ingranaggio accanto alla panoramica del progetto, quindi su "impostazioni progetto", quindi selezionare la scheda "account di servizio", infine fare clic su "Segreti database" e annotare la sicurezza codice del tuo database. Con questo passaggio completato, hai creato con successo il tuo database cloud a cui puoi accedere dal tuo smartphone e dal Raspberry Pi. (Utilizzare le immagini allegate sopra in caso di dubbi, o semplicemente inserire una domanda nella sezione commenti)

Passaggio 14: creazione dell'app mobile

La parte successiva del sistema IoT è l'applicazione per smartphone. Abbiamo deciso di utilizzare MIT App Inventor per creare la nostra app personalizzata. Per utilizzare l'app che abbiamo creato apri prima il seguente link (MIT App Inventor), che ti porterà alla loro pagina web. Quindi fai clic su "crea app" nella parte superiore dello schermo, quindi accedi con il tuo account Google.

Scarica il file.aia che è collegato di seguito. Apri la scheda "progetti" e fai clic su "Importa progetto (.aia) dal mio computer", quindi seleziona il file appena scaricato e fai clic su "ok". Nella finestra dei componenti, scorri fino in fondo fino a visualizzare "FirebaseDB1", fai clic su di esso e modifica "FirebaseToken", "FirebaseURL" con i valori di cui avevi preso nota nel passaggio precedente. Una volta completati questi passaggi, sei pronto per scaricare e installare l'app. Puoi scaricare l'app direttamente sul tuo telefono facendo clic sulla scheda "Build" e facendo clic su "App (fornisci codice QR per.apk)", quindi scansionando il codice QR con il tuo smartphone o facendo clic su "App (salva.apk sul mio computer))" scaricherai il file apk sul tuo computer che potrai poi trasferire sul tuo smartphone.

Passaggio 15: Programmazione del Raspberry Pi

Il Raspberry Pi viene utilizzato per due motivi principali.

1. Trasmette un flusso video in diretta dal robot a un server web. Questo flusso può essere visualizzato dall'utente utilizzando l'app mobile.
2. Legge i comandi aggiornati sul database firebase e indica ad Arduino di eseguire le attività richieste.

Per configurare il Raspberry Pi per lo streaming live, esiste già un tutorial dettagliato e può essere trovato qui. Le istruzioni si riducono a tre semplici comandi. Accendi il Raspberry Pi e apri il terminale e inserisci i seguenti comandi.

• git clone
• cd RPi_Cam_Web_Interface
• ./install.sh

Una volta completata l'installazione, riavvia il Pi e dovresti essere in grado di accedere allo stream cercando https://l'indirizzo IP del tuo Pi su qualsiasi browser web.

Con la configurazione del live streaming, dovrai scaricare e installare determinate librerie per poter utilizzare il database cloud. Apri un terminale sul tuo Pi e inserisci i seguenti comandi:

• sudo pip install request==1.1.0
• sudo pip install python-firebase

Infine, scarica il file python allegato di seguito e salvalo sul tuo Raspberry Pi. Nella quarta riga del codice cambia la porta COM nella porta a cui è collegato Arduino. Quindi, cambia l'URL sulla riga 8 con l'URL di Firebase di cui avevi preso nota in precedenza. Infine, esegui il programma tramite il terminale. Questo programma preleva i comandi dal database cloud e li inoltra ad Arduino tramite la connessione seriale.

Passaggio 16: programmare Arduino

L'Arduino viene utilizzato per interpretare i comandi dal Pi e istruisce gli attuatori sul robot per eseguire le attività necessarie. Scarica il codice Arduino allegato di seguito e caricalo su Arduino. Una volta programmato Arduino, collegalo a una delle porte USB del Pi utilizzando il cavo USB dedicato.

Passaggio 17: alimentazione del sistema

Il robot sarà alimentato da una batteria lipo a 3 celle. I terminali della batteria devono essere divisi in due, dove uno va direttamente allo shield CNC per alimentare i motori, mentre l'altro si collega all'UBEC 5v, che ha creato una linea di alimentazione 5v stabile che verrà utilizzata per alimentare il Raspberry Pi attraverso i pin GPIO. Il 5v dell'UBEC è collegato al pin 5v del Raspberry Pi e il GND dell'UBEC è collegato al pin GND del Pi.

Passaggio 18: utilizzo dell'app

L'interfaccia dell'app consente di controllare il robot di monitoraggio e di trasmettere in streaming un feed dal vivo dalla telecamera di bordo. Per connetterti al tuo robot assicurati di avere una connessione Internet stabile, quindi digita semplicemente l'indirizzo IP del Raspberry Pi nella casella di testo fornita e fai clic sul pulsante di aggiornamento. Una volta fatto, il feed live apparirà sullo schermo e dovresti essere in grado di controllare le varie funzioni del robot.

Passaggio 19: pronto per il test

Ora che il tuo robot di monitoraggio degli animali domestici è completamente assemblato, puoi riempire la ciotola con alcune prelibatezze per cani. Apri l'app, collega la fotocamera e divertiti! Al momento stiamo giocando con il rover e il nostro Beagle e abbiamo catturato momenti piuttosto esilaranti.

Una volta che il cane ha superato la paura iniziale di questo oggetto in movimento, ha inseguito il bot in giro per casa in cerca di dolcetti. La fotocamera di bordo offre una buona visione grandangolare dell'ambiente circostante, il che lo rende abbastanza facile da manovrare.

C'è spazio per miglioramenti per farlo funzionare meglio nel mondo reale. Detto questo, abbiamo creato un sistema robusto, su cui è possibile costruire ed espandere ulteriormente. Se ti è piaciuto questo progetto lascia un voto per noi nel "Robotics Contest"

Fare felice!

Secondo Premio al Concorso di Robotica