CODING WORLD RASP JP PFLANZE Instructions [de]

Jugend Programmiert

Die

Schlaue Pflanze

www.codingworld.io

Vorwort

Alle Schaltungen, Programme und Bauteile wurden vorher von uns Geprüft.
Trotzdem können wir leider Fehler im Buch, den Schaltungen oder
Programmen nicht ausschließen. Bei Fragen oder Problemen gibt es unten
die Kontaktmöglichkeiten. Mehr Informationen findest du auch auf der
Internetadresse der Seitenzahl.

LEDs

sollten nicht aus naher Entfernung direkt angesehen werden, ein direkter
Blick kann zu Schäden an den Netzhäuten führen. Diese kann gefährlich
sein, auch wenn sie nicht sofort klar erkennbar sind. Die LEDs dürfen nur wie
in den Anleitungen beschrieben verwendet werden, höhere Ströme oder
Stromspannungen sind zu vermeiden.

Dieses Produkt entspricht den geltenden Europäischen Richtlinien und trägt
ein CE-Kennzeichen. Der richtige Gebrauch ist in dem Beiliegenden Buch
erklärt.

Bauen sie Schaltungen immer wie beschrieben auch, achten sie auf die
Verschiedenen GPIO Pins vom Raspberry Pi.

Herausgeber

Jugend Programmiert
Coding World UG (haftungsbeschränkt) | Homwer.com
Obdrupstraße 23 A, 24986 Mittelangeln
www.codingworld.io
Support: [email protected]
Feedback: [email protected]

→ cw42.de/pflanze/1

Die Schlaue Pflanze

Moin Moin und Willkommen zur
Smart Plant - Schlaue Pflanze
Anleitung!

In diesem Kit sind alle wichtigen Komponenten enthalten, um Daten über
deine Pflanze zu messen und auszuwerten. Das Ziel ist es, dass du am
Ende nicht nur eine schlaue Pflanze hast, sondern dich auch mehr mit der
Technik dahinter auseinandersetzen konntest. Alles was du dafür brauchst,
ist ein laufender Raspberry Pi sowie das Grundwissen aus dem Jugend
Programmiert Starterkit. Zusätzlich kannst du natürlich mit der Hardware des
Starterkits deine Messstation noch ergänzen.

Mit folgenden Inhalten werden wir uns auseinandersetzen:

Inhalte Seite

DHT11 - Luftfeuchtigkeit und Temperatur messen 3

MCP3008 - Analoge Werte am Raspberry Pi messen 6

Der Photowiderstand 10

Der Bodenfeuchtigkeitssensor 12

Die Schlaue Pflanze 14

Weitere Projektideen 19

→ cw42.de/pflanze/2

Die Schlaue Pflanze

Die Lufttemperatur und Feuchtigkeit
mit dem DHT11 messen

Da nicht jeder Mensch mit seinem Raspberry Pi die Temperatur messen
möchte, ist die Bibliothek und die benötigte Software leider nicht
vorinstalliert. Du musst diese Bibliothek also selber aus dem Internet laden.
Wenn dein Pi schon eine Internetverbindung hat, dann mach hier einfach
weiter. Wenn dein Pi noch keine Internetverbindung hat, kannst du den Pi
einfach über ein Lan-Kabel an den Router ins Netz bringen. Mehr wie immer
online!

$ sudo apt-get update

Mit den apt-get-Befehlen verwalten wir die Programme, welche auf unserem
Computer oder Raspberry Pi installiert sind. Speziell bei diesen Quellen
werden die Softwarequellen aktualisiert, damit wir auch immer nur die
neusten Programme installieren.

Wenn du den Sensor mit Python2 benutzen möchtest musst du die
folgenden Befehle einfach nur durch python ersetzen (also die 3 weglassen)
;)

$ sudo apt-get install build-essential python3-dev

Hiermit installieren wir jetzt das Programm, das wir brauchen. Was es
wirklich kann, zeigt sich gleich.

Und mit folgendem Befehl lädst du dir die Bibliothek herunter:

$ git clone https://github.com/coding-world/Python_DHT.git

Das besondere ist dabei, dass die Bibliothek in den Ordner Python_DHT
runtergeladen wird und deinem Computer noch nicht bekannt ist. Deswegen
müssen wir erst einmal in den Ordner der Bibliothek wechseln.

Bash

Bash

Bash

→ cw42.de/pflanze/3

Die Schlaue Pflanze

$ cd Python_DHT

Mit

$ sudo python3 setup.py install

installieren wir die Bibliothek auf dem Raspberry Pi und können sie jetzt auch
mit import in unserem Programm benutzen. In der nächsten Einheit
werden wir dann den Sensor anschließen.

Schließe zunächst, wie immer, alles richtig an den Pi an. Die Vorderseite des
DHT11 erkennst du an dem Gitter.

Anschließen

Anschlüsse am Pi Anschlüsse am DHT

3,3V 1. Pin DHT

GPIO4 2. Pin DHT

Widerstand 4,7kOhm Zwischen 1. Pin DHt und 2. Pin DHT

GND (Ground) 4. Pin DHT

Zwischen dem 1. und 2. Pin am DHT musst du noch einen
Widerstand anschließen. Das dient nicht nur zur Stromversorgung
des Sensors, sondern auch dazu, dass dieser Messwerte liefern kann,
die akkurater sind. Am besten eignet sich dafür der Widerstand mit

Bash

Bash

→ cw42.de/pflanze/4

Die Schlaue Pflanze

4,7kOhm. Widerstände erkennst du an ihrem aufgemalten Farbcode.
Beim 4,7kOhm lautet dieser: Gelb, Lila, Schwarz, Braun und Gold. *

Bitte achte genau darauf, den Sensor in dieser Reinfolge
anzuschließen! Wenn du den 3,3V und den GND Pin verwechselst,
kommt es zu einem Kurzschluss und der Sensor kann dadurch kaputt
gehen und sehr sehr warm werden. Achte darauf! Solltest du
bemerken, dass der Sensor unnnormal warm wird oder sich sogar das
Plastik verbiegt, schalte sofort deinen Raspberry Pi aus oder entferne
die Verbindung zwischen dem Breadboard und dem Sensor!

Wie dir hoffentlich aufgefallen ist, benutzen wir nicht den 3. Pin am DHT
Sensor. Diesen kannst du sonst benutzen, um die Daten analog auszulesen.

Jetzt, da alles richtig angeschlossen und installiert ist, können wir uns
endlich in der nächsten Einheit daran machen, die Daten auszulesen.

Jetzt ist alles fertig eingerichtet und du kannst mit dem Programmieren
anfangen. Wie immer einfach eine neue Datei anlegen und los:

$ sudo nano dht11_einfach.py

Das unbeschriebene Blatt mit Code füllen…

Am Anfang binden wir wie immer die benötigte Bibliothek ein. In Zeile 3
erstellen wir eine Variable namens sensor und speichern in ihr einfach nur
die Art des Sensors, den wir auslesen möchten. In unserem Fall ist das der
der DHT11.

In Zeile 4 legen wir den Pin am Pi fest, den wir nutzen möchten.

In Zeile 5 lernst du wieder etwas Neues. Man kann nämlich auch mehrere

import Python_DHT

sensor = Python_DHT.DHT11
pin = 4
feuchtigkeit, temperatur = Python_DHT.read_retry(sensor

print("Temperatur = "+str(temperatur)+ "C Feuchtigkeit = "

1
2
3
4
5
6

Bash

Python

→ cw42.de/pflanze/5

Die Schlaue Pflanze

Variablen durch ein Komma getrennt hintereinander erzeugen und ihnen
hinter dem Gleichzeichen, wieder durch Kommata getrennt, verschiedene
Werte zuweisen. In diesem Fall geben wir mit der Funktion .read_retry()
an, welchen Sensor und welchen Pin wir nutzen wollen.

Ab Zeile 6 geben wir wie gewohnt alle Informationen in der Konsole aus.

Jetzt bist du dran: Kriegst du es hin, dass ab einer bestimmten
Temperatur, z.B. 25°C, eine LED anfängt zu leuchten? Tipp: Mit einem
Atemhauch lässt sich die Temperatur erhöhen und logische Operatoren sind
bestimmt auch nicht verkehrt.

MCP3025208 Analoge Werte am
Raspberry Pi Messen

Mit dem Raspberry Pi haben wir ein mächtigen Computer und können mit
den GPIO Pins einfach auf die Umwelt zugreifen und dort Daten lesen. Wir
haben aber ein Problem, nämlich dass wir nur digitale Daten lesen können.
Digitale Daten sind dabei nur eine 0 oder 1. Heißt, wenn wir mit Sensoren
arbeiten, einen hohen oder einen niedrigen Strom haben. Ein Beispiel ist
dabei ein Taster. Wenn Strom fließt, messen wir eine 1 und wenn kein Strom
fließt, messen wir eine 0. Andere Sensoren übermitteln aber analoge Werte.
Diese befinden sich zwischen 0 und 1. Um diese auszulesen, wird ein ADC
gebraucht. Ein Analog zu Digital Konverter. Mit dem MCP3008 haben wir
genau so ein Gerät. Über SPI können wir es an den Raspberry Pi
anschließen und haben dann die Möglichkeit bis zu acht analoge
Anschlüsse auszulesen.

→ cw42.de/pflanze/6

Die Schlaue Pflanze

Die untere Seite erkennst du an der halbrunden Anordnung. CH0 - CH7 sind
die analogen Eingänge, die wir benutzen werden.

VDD: Spannung, die der MCP3008 für den Betrieb braucht
V_REF: Ist die höchste Spannung, welche die analogen Anschlüsse
bekommen. Diese werden gebraucht, um richtige Werte zu messen
AGND: Masse für die analogen Anschlüsse
CLK: Abkürzung für Clock (Uhr). Koordiniert die Geschwindigkeitszeit
D_OUT: Ausgang zur SPI Schnittstelle am Raspberry Pi
D_IN: Eingang zur SPI Schnittstelle am Raspberry Pi
CS/SHDN: Abkürzung für Cable Select. Mit dem SPI lassen sich
verschiedene Geräte gleichzeitig ansteuern
DGND: Masse für den MCP3008

Wie gesagt brauchen wir SPI, wenn du das noch nicht aktiviert hast, gibt es
hier eine Anleitung dafür:

SPI Aktivieren

→ cw42.de/pflanze/7

Die Schlaue Pflanze

Nachdem wir die Software Grundlagen hinter uns haben, geht es darum, die
Hardware richtig anzuschließen.

Die halbrunde Nase zeigt in diesem Fall nach unten. Stecke den MCP3008
am besten über den mittleren Kanal des Breadboards, also zwischen e und
f.

Anschlüsse Raspberry Pi Anschlüsse MCP3008

GND DGND

GPIO 8N CS/SHD

GPIO 10 D_IN

GPIO 9 D_OUT

GPIO 11 CLK

GND AGND

V_REF 3,3V

VDD 3,3V

→ cw42.de/pflanze/8

Die Schlaue Pflanze

$ nano mcp.py

Jetzt musst du nur noch das Programm ausführen

$ sudo python mcp.py

Wichtig ist, dass du das Programm mit Rootrechten ausführst und daran
denkst, dass es sich dabei um ein Python2 Programm handelt. Wenn jetzt

#!/usr/bin/python

import spidev
import time
import os
import RPi.GPIO as gpio

# SPI Verbindung herstellen

spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0,0)

# Liest Daten vom MCP3008

def analogEingang(channel):

adc = spi.xfer2([1,(8+channel)<<4,0])
data = ((adc[1]&3) << 8) + adc[2]
return data

while True:

print("0: "+str(analogEingang(0)))
print("1: "+str(analogEingang(1)))
print("2: "+str(analogEingang(2)))
print("3: "+str(analogEingang(3)))
print("4: "+str(analogEingang(4)))
print("5: "+str(analogEingang(5)))
print("6: "+str(analogEingang(6)))
time.sleep(0.2)

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Bash

Python

Bash

→ cw42.de/pflanze/9

Die Schlaue Pflanze

keine Werte ausgegeben werden, sollte dich das nicht wundern, denn du
hast ja auch noch nichts angeschlossen, was sinnvolle Werte ausgeben
könnte ;)

Also schnell weiter zum ersten Sensor!

Der Photowiderstand am Pi

Wie der MCP3008 richtig angeschlossen wird, haben wir schon gelernt.
Diesen brauchen wir auch, wenn wir den Photowiderstand am Raspberry Pi
anschließen wollen. Der Photowiderstand ist, wie der Name es schon sagt,
ein Widerstand und kann damit die Strommenge begrenzen. Doch was für
einen Widerstandswert dieser hat, hängt von der Stärke des Lichts ab. Bei
normalen Zimmerlicht liegt der Widerstandswert bei ca. 10KΩ während in
der Dunkelheit der Wert bei über 2MegaΩ liegen kann. Mit dem MCP3008
können wir diesen Widerstandswert messen und damit Rückschlüsse auf die
Helligkeit ziehen.

Anschlüsse Pi Anschlüsse Sensor

3,3V + 10KΩ Widerstand Seite 1 Photowiderstand

CH0 + Seite 1 Photowiderstand

GND Seite 2 Photowiderstand

→ cw42.de/pflanze/10

Die Schlaue Pflanze

Schritt für Schritt

Der Programmcode sollte dir nicht sehr unbekannt vorkommen, den es wird
alles schon im Kapitel über den MCP3008 erklärt. Wir lesen einfach nur den
ersten analogen Eingang aus, dieser wird auch CH0 genannt. Doch wir
sollten noch einmal auf die elektronische Seite eingehen. Dafür haben wir
extra diesen Schaltplan:

import spidev
import time
import os
import RPi.GPIO as gpio

# SPI Verbindung herstellen

spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0,0)

# Liest Daten vom MCP3008

def analogEingang(channel):

adc = spi.xfer2([1,(8+channel)<<4,0])
data = ((adc[1]&3) << 8) + adc[2]
return data

while True:

print("0: "+str(analogEingang(0)))
time.sleep(0.1)

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Python

→ cw42.de/pflanze/11

Die Schlaue Pflanze

Alles fängt mit der 3,3V Stromquelle an. Interessant wird es aber erst nach
dem 10KΩ Widerstand, denn dort haben wir einmal den Anschluss zum
analogen Eingang und über den Photowiderstand zu Erdung (GND). Wichtig
ist zu wissen, dass Strom immer den weg des geringsten Widerstandes
gehen will, bildlich gesprochen. Umso höher der Widerstandswert des
Photowiderstandes ist, desto mehr Strom geht zum analogen Eingang und
kann gemessen werden. Heißt, wenn du den Photowidertand z.B. mit dem
Finger verdunkelst, steigt der gemessene Wert, während der Wert beim
direkten Anleuchten, z.B. mit dem Smartphone, sinkt. So können wir
einfache Rückschlüsse auf die Helligkeit ziehen.

Wir haben einen Wert von ca. 60 gemessen beim direkten Beleuchten des
Photowiderstands, bei normaler Zimmerbelichtung ein Wert von ca. 300 und
bei kompletter Dunkelheit einen Wert von 800. Diese Werte können bei dir
natürlich variieren, sollten sich aber in einen ähnlichen Bereich befinden.

Boden Feuchtigkeitssensor

Gerade wenn wir mit Pflanzen hantieren, ist es wichtig zu wissen, ob sie
noch gegossen werden müssen. Das gilt vor allem für Topfpflanzen, die
abhängig vom Gießverhalten der Menschen sind. Doch das kann unter
Umständen schwierig sein, da man schnell die Übersicht verlieren kann,
wann das nächste Mal gewässert werden sollte. Dafür gibt es aber einen
Bodenfeuchtigkeitssensor. Während der Luftfeuchtigkeitssensor genau das
getan hat - die Feuchtigkeit in der Luft gemessen - macht der
Bodenfeutchigkeitssensor genau das Selbe, nur halt für den Boden.

Um die ganze Theorie auch in die Tat umzusetzen, gibt es zwei Beine, die in
den Boden gesteckt werden. Da Feuchtigkeit Strom leitet, können wir den

→ cw42.de/pflanze/12

Die Schlaue Pflanze

Boden in diesem Fall als Widerstand verstehen. Den entstehenden
Widerstandswert können wir messen und wissen dann genau, wann unsere
Topfpflanze endlich mal wieder etwas Wasser brauchen könnte.

Anschlüsse Pi Anschlüsse Sensor

5V VCC

Analoges Singal -> CH1

GND GND

import spidev
import time
import os
import RPi.GPIO as gpio

# SPI Verbindung herstellen

spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0,0)

1

2

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Python

→ cw42.de/pflanze/13

Die Schlaue Pflanze

Das Programm funktioniert ähnlich wie der Photowiderstand. Ein analoger
Wert wird ausgelesen und wiedergegeben. Auch hier können die Messwerte
sich unterscheiden. Bei einer vertrockneten/sehr trockenen Pflanze kommen
wir auf einen Wert von über 900, während wir bei unserer gut gewässerten
Topfpflanze einen Wert von ca. 400 messen können. Diese Wert sind
natürlich von Pflanze zu Pflanze unterschiedlich.

Die Schlaue Pflanze

Wenn du hier angekommen bist, hast du den MCP3008, den DHT11, den
Photowiderstand und den Feuchtigkeitssensor schon behandelt. Alle
einzelnen Komponenten führen wir jetzt zusammen. Das Ziel ist es, dass wir
nachher mit allen Sensoren die Daten von unserer Pflanze lesen können. Zur
Ausgabe haben wir hier noch eine blaue LED angeschlossen. Diese leuchtet
immer dann, wenn die Pflanze gegossen werden muss. Damit das
Programm regelmäßig die Daten liest, richten wir am Ende dafür noch ein
Cronjob an. Als aller erstes müssen wir alle Sensoren anschließen. Am
besten machst du das Schritt für Schritt, damit am Ende alles funktioniert.

# Liest Daten vom MCP3008

def analogEingang(channel):

adc = spi.xfer2([1,(8+channel)<<4,0])
data = ((adc[1]&3) << 8) + adc[2]
return data

while True:

print("Feuchtigkeit: "+str(analogEingang(1)))
time.sleep(0.2)

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→ cw42.de/pflanze/14

Die Schlaue Pflanze

Anschlüsse Pi Anschlüsse Sensoren

3,3V Rote Leisten auf dem Breadboard

GND Blaue Leisten auf dem Breadboard

3,3V 1. Pin DHT11

GPIO4 2. Pin DHT11

Widerstand
4,7kOhm

Zwischen 1. Pin DHt und 2. Pin DHT

GND 3. Pin DHT11

GND DGND

GPIO 8N CS/SHD

GPIO 10 D_IN

→ cw42.de/pflanze/15

Die Schlaue Pflanze

GPIO 9 D_OUT

GPIO 11 CLK

GND AGND

3,3V V_REF

3,3V VDD

3,3V + 10KΩ Widerstand + Seite 1
Photowiderstand

CH0 + Seite 1 Photowiderstand

GND Seite 2 Photowiderstand

3,3V VCC Feuchtigkeitssensor

Analoges Singal -> CH1

GND GND Feuchtigkeitssensor

GPIO21 langes Bein Blaue LED

GND kurzes Bein Blaue LED

→ cw42.de/pflanze/16

Die Schlaue Pflanze

schlaue_pflanze.py

import RPi.GPIO as gpio
import Python_DHT
import spidev
import time
import os

# LED

led = 21
gpio.setmode(gpio.BCM)
gpio.setup(led, gpio.OUT)

# DHT11

sensor = Python_DHT.DHT11
pin = 4

# SPI Verbindung herstellen

spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0,0)

# Liest Daten vom MCP3008

def analogEingang(channel):

adc = spi.xfer2([1,(8+channel)<<4,0])
data = ((adc[1]&3) << 8) + adc[2]
return data

def pflanze_messen():

helligkeit = analogEingang(0)
bodenFeuchtigkeit = analogEingang(1)

if bodenFeuchtigkeit > 650:
print("Du solltest deine Pflanze Waessern")
gpio.output(led, gpio.HIGH)
else:

1

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9
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11
12
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21
22
23
24
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26
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28
29
30
31
32
33

Python

→ cw42.de/pflanze/17

Die Schlaue Pflanze

Wenn du das Programm jetzt ausführst, sollte bei einer Pflanze, die noch
gegossen werden muss, die Blaue LED aufleuchten. Wenn nichts
aufleuchtet, ist alles gut. In Zeile 30 kannst du diesen Grenzwert auch
anpassen. Denn dieser ist von Pflanze zu Pflanze unterschiedlich.

Damit wir das Programm nicht immer mit der Hand ausführen müssen,
richten wir jetzt noch einen Cronjob ein. Vereinfacht gesagt können wir mit
einem Cronjob bestimmte Programme zu bestimmten Zeiten automatisch
ausführen lassen.

$ crontab -e

@hourly \home\pi\schlaue_pflanze.py

gpio.output(led, gpio.LOW)

feuchtigkeit, temperatur = Python_DHT.read_retry(sensor
print("===========================")
print("Feuchtigkeit: "+str(bodenFeuchtigkeit))
print("Helligkeit: "+str(helligkeit))
print("Temperatur: "+str(temperatur))
print("Feuchtigkeit: "+str( feuchtigkeit)+"%")
time.sleep(1.2)

pflanze_messen()

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35
36
37
38
39
40
41
42
43
44

Bash

→ cw42.de/pflanze/18

Die Schlaue Pflanze

Weitere Möglichkeiten

Unser Hauptprojekt ist zu Ende. Zusammen mit der LED wissen wir jetzt
immer, wann unsere geliebte Pflanze gegossen werden muss. Doch damit
sind noch nicht alle Möglichkeiten erschöpft. Was ist, wenn wir die LED mal
übersehen? Können wir nicht noch anders mit der Person, die die Pflanze
gießen soll, in Kontakt treten?

E-Mails

Eine Möglichkeit ist das Versenden von E-Mails. Auf

http://cw42.de/emailVersenden findest du heraus, wie du das machen

kannst. Dort könntest du dann auch noch die anderen Messwerte
übermitteln.

Display

Wir haben schon öfters mit dem 84 x 48 Zeichen Display gearbeitet und hier
gibt es ein perfektes Beispiel. Auf dem Display können die gesamten
Messwerte dargestellt werden. Dazu gibt es gerade mit der
Zimmertemperatur auch die Möglichkeit, eine Anzeige für die Uhrzeit zu
bauen. Sollte dann die Pflanze Wasser brauchen, leuchtet nicht nur die
LED, sondern auch die Anzeige auf dem Display kann sich verändern.

http://cw42.de/pflanzeDisplay

Twitter Bot

Mit Twitter kannst du schnell kleine Nachrichten von maximal 140 Zeichen in
die Welt senden. Wir haben so schon unseren eigenen Ficus

twitter.com/jp_norbert online gebracht. Mit einem Cronjob kannst du so die

Messwerte von deiner Pflanze posten. http://cw42.de/twitterBot

Auf Wiedersehen

Wir hoffen, dir hat dieses kleine Paket gefallen! Wenn du noch mehr erleben
und arbeiten willst, findest du das auf codingworld.io Dort gibt es weitere
Projekte und Hintergrundinfos für dein Projekt!

→ cw42.de/pflanze/19

Die Schlaue Pflanze