水培植物的水酸堿度監(jiān)測(cè)開(kāi)源

描述

介紹

我已經(jīng)種植了兩年的水培植物，直到今年夏天一切都很順利。新的花朵，本應(yīng)是粉紅色的，卻是綠色的，帶有一些粉紅色。所以我在谷歌上搜索，我發(fā)現(xiàn)我的植物的最佳水 pH 值是 5.5 和 5.8。好吧，你猜怎么著？我為植物使用自來(lái)水，其 pH 值為 7！因此，我決定購(gòu)買(mǎi)一個(gè) pH 校正解決方案，并建立自己的系統(tǒng)，通過(guò)利用微型機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)監(jiān)測(cè)水的 pH 值。

設(shè)置

硬件
對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我決定使用 Arduino Nano 33 BLE Sense 作為中央單元，因?yàn)槲以贖arvardX TinyML 課程中使用過(guò)它。電路很簡(jiǎn)單：一個(gè) pH 傳感器（連接了一個(gè)水 pH 探頭）連接到 Arduino 模擬輸入，3 個(gè) LED 被驅(qū)動(dòng)為數(shù)字輸出。將草圖上傳到 Arduino 后，我必須校準(zhǔn)傳感器。我將 pH 試紙浸入一杯自來(lái)水中以了解其 pH 值，結(jié)果為 7。然后，我將探頭浸入同一玻璃杯中，并調(diào)整靠近探頭連接器的傳感器微調(diào)器，直到讀取到 7 左右的值串行監(jiān)視器。對(duì)于我使用的特定傳感器，調(diào)整靠近傳感器引腳的微調(diào)器也很有用，以提高靈敏度。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我選擇了三個(gè) pH 邊緣值：

- pH 4：低于 5 的 pH 值對(duì)植物來(lái)說(shuō)太低了

- pH 5：5 至 6 的 pH 值最適合植物

- pH 7：7 左右的 pH 值對(duì)植物來(lái)說(shuō)太高了

為了得到 pH 值為 4 的溶液，我在一杯自來(lái)水中加入了一些檸檬汁，然后我用試紙測(cè)量了 pH 值以確認(rèn)它在 4 左右，所以我將探針浸入玻璃杯中并它感應(yīng)到 4 左右的值，這讓我確信傳感器已經(jīng)校準(zhǔn)好。對(duì)于 pH 值為 5 的溶液，我又取了一杯自來(lái)水，并在其中放入了一個(gè) pH 校正劑以降低其 pH 值。試紙和 pH 傳感器的值都在 5 左右，所以我決定將這種溶液用于水培植物。電路中的三個(gè) LED 指示 pH 值：

- 紅色 LED：當(dāng) pH 值在 4 左右時(shí)亮起

- 綠色 LED：當(dāng) pH 值在 5 左右時(shí)亮起

- 黃色 LED：當(dāng) pH 值在 7 左右時(shí)亮起

TinyML模型為了訓(xùn)練 tinyML 模型，我使用了 Edge Impulse 平臺(tái)。我已經(jīng)根據(jù)三個(gè)邊緣值訓(xùn)練了模型，對(duì)于每個(gè)邊緣值，我都采集了五分鐘的數(shù)據(jù)，以覆蓋該值周?chē)拇蟛糠中〔▌?dòng)。

數(shù)據(jù)采集

?

數(shù)據(jù)收集后，我進(jìn)行了脈沖設(shè)計(jì)，添加了我需要的功能塊。

沖動(dòng)設(shè)計(jì)

?

“時(shí)間序列數(shù)據(jù)”塊將收集的數(shù)據(jù)拆分為選定大小的幾個(gè)窗口（在本例中為 2000 毫秒）。“頻譜分析”??模塊過(guò)濾信號(hào)，然后執(zhí)行頻譜分析。“分類(lèi)”塊是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它使用光譜分析的結(jié)果來(lái)學(xué)習(xí)如何區(qū)分三個(gè)數(shù)據(jù)集。為了創(chuàng)建脈沖，我點(diǎn)擊了“保存脈沖”，然后轉(zhuǎn)到左側(cè)菜單上的“光譜特征”查看光譜分析結(jié)果并單擊“保存參數(shù)”。

光譜分析結(jié)果

?

之后，出現(xiàn)了一個(gè)新窗口，允許為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成特征。

生成特征

?

然后，點(diǎn)擊左側(cè)菜單中的“NN Classifier”，進(jìn)入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)配置環(huán)境。我選擇對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 500 個(gè) epoch 的訓(xùn)練，以達(dá)到令人滿意的模型精度水平。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

?

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)集，因此我可以進(jìn)行下一步：將“異常檢測(cè)”塊添加到脈沖設(shè)計(jì)中，允許將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法識(shí)別的異常數(shù)據(jù)分類(lèi)。

異常檢測(cè)

?

左側(cè)菜單上的“異常檢測(cè)”部分允許我選擇我想要檢測(cè)異常的特征。

配置異常檢測(cè)

?

為了測(cè)試模型，我進(jìn)行了實(shí)時(shí)分類(lèi)，并從 ph 5 溶液中收集了五分鐘的數(shù)據(jù)。該模型能夠識(shí)別出收集的數(shù)據(jù)屬于 ph 5 數(shù)據(jù)集。由于感測(cè)值包含在數(shù)據(jù)集中，因此未檢測(cè)到異常。

實(shí)時(shí)分類(lèi)

?

該模型已被證明是可靠的，因此我已將其部署到 Arduino。左側(cè)菜單的“部署”部分幫助我做到了這一點(diǎn)。我可以選擇將脈沖部署為庫(kù)或固件，我決定創(chuàng)建一個(gè) Arduino 庫(kù)，這樣我就可以將它包含在我的草圖中。

部署

?

在Arduino IDE上為了在 Arduino IDE 中包含模型庫(kù)，我繼續(xù) Sketch -> Include Library -> Add.ZIP，然后在我的草圖中包含庫(kù)并在代碼中添加幾行以運(yùn)行模型Arduino Nano 33 BLE Sense。

將模型庫(kù)添加到 Arduino IDE

?

?