• 工程設計專題(114學年)

認識感測器

• 講義

• 待完成

  • 電容式土壤水份感測器

    在樹莓派上使用電容式土壤水份感測器這裡有個小挑戰：樹莓派的 GPIO 只能讀取數位訊號（0 或 1），但這款感測器輸出的是類比訊號（Analog Signal）。所以，我們需要一個「翻譯官」—MCP3008 類比數位轉換晶片 (ADC)。

    

    接線圖 (Wiring)

    [A] 感測器連接到 MCP3008：

    

    [B] MCP3008 連接到樹莓派 (SPI 介面)：

    

    

    樹莓派設定

    2. 系統設定在寫程式前，請確保樹莓派的 SPI 介面已開啟：輸入 sudo raspi-config。選擇 Interface Options → SPI → Yes。重啟樹莓派。

    Python程式碼

    from gpiozero import MCP3008
    import time
    
    # 初始化感測器，連接在 MCP3008 的第 0 個頻道 (CH0)
    # 建議將 VREF 接在 3.3V 以獲得較準確的數值
    soil_sensor = MCP3008(channel=0)
    
    print("--- 土壤濕度監測監測中 (按 Ctrl+C 停止) ---")
    
    try:
        while True:
            # soil_sensor.value 會回傳 0.0 到 1.0 之間的數值
            # 注意：電容式感測器通常是「愈乾電壓愈高，愈濕電壓愈低」
            # 所以我們用 (1 - 數值) 來轉換成直覺的濕度感
            raw_val = soil_sensor.value
            moisture = (1 - raw_val) * 100 
            
            print(f"目前原始數值: {raw_val:.3f} | 推估濕度: {moisture:.1f}%")
            
            time.sleep(2)
    
    except KeyboardInterrupt:
        print("\n監測結束。")

  • 人體紅外線感測器(HC-SR501)

    使用 PIR（被動式紅外線）感測器是最簡易的人體感測方案。這個感測器不需要發射任何波，單純是靠偵測物體移動引起的「紅外線熱量變化」來觸發。最常見的型號是 HC-SR501，便宜又好用。

    接線說明

    HC-SR501 通常有三個接腳，請翻到背面查看標示（通常從左到右為 VCC、OUT、GND）：

    

    程式碼

    from gpiozero import MotionSensor
    from signal import pause
    
    # 定義感測器連接在 GPIO 17
    pir = MotionSensor(17)
    
    def motion_detected():
        print("喔！有人在那裡！")
    
    def motion_stopped():
        print("警報解除，沒人了。")
    
    # 指定觸發時的動作
    pir.when_motion = motion_detected
    pir.when_no_motion = motion_stopped
    
    print("感測器初始化中... (請等待約 10-60 秒穩定)")
    pause()

    3. 硬體校準（非常重要！）

    如果你發現感測器「一直亂報」或「反應遲鈍」，請調整感測器側邊的兩個黃色可變電阻：

    靈敏度 (Sensitivity)： 順時針轉動會增加偵測距離（最高可達約 7 公尺）。

    延遲時間 (Time Delay)： 偵測到移動後，訊號維持「高電位」的時間。初次測試建議逆時針轉到底（最短時間約 5 秒），這樣反應最即時。

    小撇步： PIR 感測器啟動後需要約 30 到 60 秒的「預熱期」來適應環境背景溫度，這段期間出現誤報是正常的，別以為它壞掉囉！

  • 攝影鏡頭與定時攝影

    1. 硬體準備與連線
    確保你的攝像頭（Camera Module）已正確插入樹莓派的 CSI 介面。

    以下教學將採用最通用的 subprocess 呼叫方式。

    2.程式碼

    這個程式的功能是：執行時會以「日期時間」為檔名拍攝一張照片，並儲存在指定資料夾。

    import picamera
    import time
    from datetime import datetime
    import os
    
    # 1. 設定儲存路徑
    save_dir = "/home/pi/Desktop/Pictures/timelapse"
    if not os.path.exists(save_dir):
        os.makedirs(save_dir)
    
    # 2. 產生檔名
    timestamp = datetime.now().strftime("%Y%m%d_%H%M%S")
    file_path = f"{save_dir}/{timestamp}.jpg"
    
    # 3. 執行拍照
    # 使用 'with' 語句可以確保程式結束後自動關閉相機資源，避免佔用
    with picamera.PiCamera() as camera:
        # 這裡可以根據需求調整解析度 (例如 1920x1080)
        camera.resolution = (1920, 1080)
        
        # 給相機一點時間調整白平衡與曝光 (建議至少 2 秒)
        print("相機預熱中...")
        time.sleep(2)
        
        # 拍照並儲存
        camera.capture(file_path)
        print(f"照片已儲存至: {file_path}")

    import subprocess
    from datetime import datetime
    import os
    
    # 設定照片儲存路徑 (請確保資料夾已存在)
    save_dir = "/home/pi/Desktop/Pictures/timelapse"
    if not os.path.exists(save_dir):
        os.makedirs(save_dir)
    
    # 產生檔名 (例如: 20231027_143005.jpg)
    timestamp = datetime.now().strftime("%Y%m%d_%H%M%S")
    file_path = f"{save_dir}/{timestamp}.jpg"
    
    # 執行拍照指令 (使用 libcamera-jpeg)
    # --nopreview: 不顯示預覽畫面
    # -o: 輸出檔案路徑
    try:
        subprocess.run(["libcamera-jpeg", "--nopreview", "-o", file_path], check=True)
        print(f"照片已儲存至: {file_path}")
    except Exception as e:
        print(f"拍照失敗: {e}")

     

    3. 系統設定：定時執行 (Crontab)
    在 Linux 系統中，我們使用 cron 工具來管理定時任務。這不需要一直執行 Python 程式，系統會自動在指定時間喚醒程式。

    (1)在終端機輸入指令進入排程編輯器：

    crontab -e

    (第一次進入時，建議選 1. /bin/nano)

    (2)在檔案的最下方加入你的定時排程。例如，如果你想每 10 分鐘拍一張照：

    */10 * * * * /usr/bin/python3 /home/pi/Desktop/take_photo.py

    Crontab 語法解析：

    */10：每 10 分鐘執行一次。

    三個 * 分別代表：小時、日、月、星期。

    最後接的是執行指令的路徑（建議使用絕對路徑）。

    常見範例：

    0 * * * *：每小時整點拍一張。

    0 8-18 * * *：每天早上 8 點到下午 6 點，每小時拍一張。

    */1 * * * *：每一分鐘拍一張。

    儲存並退出（Nano 編輯器請按 Ctrl+O 儲存，Ctrl+X 離開）。

    4.將照片合成影片

    當你累積了幾百張照片後，可以使用 ffmpeg 將它們合成一段縮時影片：

    ffmpeg -pattern_type glob -i '/home/pi/Desktop/Pictures/timelapse/*.jpg' -c:v libx264 -pix_fmt yuv420p output.mp4

    溫馨提示
    儲存空間： 定時攝影會消耗大量空間，請定期檢查 SD 卡剩餘容量。

    權限問題： 如果程式無法執行，請確保資料夾權限正確，或在 crontab 中確認路徑無誤。

    vcgencmd get_camera

     

    sudo apt-get update
    sudo apt-get install python3-picamera

  • 土壤濕度感測器 SHT10

    https://hackmd.io/@hQYRchWRTgWcNUvP97mutg/Sk-92PQsbl