日复一日地管理一个小鸡舍会变成一件相当繁琐的事情：开关门、检查水和食物、提防捕食者……当你还想外出几天而无需依赖邻居或看护人时，考虑一种解决方案就显得非常有意义了。 利用技术和编程实现鸡舍的完全自动化.
这就是SmartCoop的由来。这个项目出自一位在电子和嵌入式开发领域拥有丰富经验的爱好者之手，历经十余年的发展，最终演变成一个高度复杂的系统。它的创造者居住在澳大利亚新南威尔士州堪培拉附近的一个小农场里，饲养着大约30只鸡。他的目标是尽可能减少日常工作，提高防狐狸的安全性，同时，也顺便满足自己对硬件设计和代码编写的热情。 利用树莓派、ESP32-S3 以及 Java 和 C++ 软件.
SmartCoop是什么？它的理念是什么？
SmartCoop本质上是一个全面的鸡舍控制器，其核心是…… 树莓派和ESP32-S3模块安装在SMD PCB板上 这是定制设计的。它不是商业产品，也无意成为商业产品：它的创建者将其维护为一个个人开源项目，没有将其变成商业项目的打算，因为他已经在澳大利亚国防工业中拥有一份繁忙的工作。
该解决方案现已发展到第四代（GEN4.x），是经过多年的测试、失败和迭代改进而设计的。在此期间，该系统解决了许多具体问题，从冬季能源消耗到狐狸的狡猾，以及传感器的局限性和焊接通孔元件的不便。所有这些最终促成了当前PCB设计。 SMD元件、USB-C电源以及多种传感器和执行器接口.
SmartCoop 的方法与您在网上购买的普通自动门开启器截然不同。它的重点在于…… 鸡舍几乎完全自动化：门、水、食物、数据记录、远程监控，甚至还利用RFID技术读取鸡只信息。该系统是为鸟类数量适中、且面临捕食者和天气等实际问题的半乡村环境而设计的。
此外，作者以开源许可协议分享了代码和硬件原理图。任何感兴趣的人都可以从 Bitbucket 代码库下载文件，自行制作电路板，甚至尝试复刻组装过程。作者有时还会提供一些预先组装好的 PCB 板。 仅收取制造成本，并尽可能解答技术问题。.
硬件架构：树莓派、ESP32-S3 和 SMD PCB
该系统的核心是以下几种因素的结合： 树莓派计算模块（第五代）和 ESP32-S3 该系统集成在定制电路板上。树莓派负责处理高级逻辑、Web界面、数据库以及与外部服务的集成。而ESP32-S3则负责实时任务、中断管理、电机和传感器的直接控制以及低功耗功能。
早期版本的电路板采用通孔元件和非常简单的微控制器（PICAXE-14M2），勉强能够应对树莓派每晚的开关机操作。随着第四代技术和SMD封装的出现，一个重要的进步是：用Unexpected Maker ESP32-S3模块替换了原有的微控制器。 C++ 具有更高的性能、更低的功耗、良好的开发社区和丰富的开源库。.
改用SMD元件带来了诸多积极影响。一方面，电路板更加紧凑且经济；另一方面，表面贴装元件的供应和价格都优于同等规格的通孔元件。此外，通过将组装外包给像PCBWay这样的制造商，作者能够以与之前购买空白电路板相近的价格获得多块已完成元件组装的PCB板，从而实现了…… 更专业的组装工艺，更低的功耗，并可通过 USB-C 接口便捷供电。.
一个我们费尽周折才弄明白的细节是关于外部布线的：当地的凤头鹦鹉啄食并破坏了电缆束，所以现在整个现场组件都保护在波纹管或类似的导管内。这类实际问题影响了项目的设计，也解释了为什么当前版本包含…… 坚固的连接器、物理保护和非常实用的安装方案.
最新版本的 PCB 还集成了额外的串行接口，用于与 UHF RFID 阅读器通信；重量传感器连接器；感应门传感器输入；电机继电器；物理按钮触点；以及其他必要的连接，以便完全灵活地管理鸡舍。
第四代SmartCoop的主要特点
SmartCoop GEN4 集成了多种功能，旨在帮助用户摆脱日常琐事，并提高鸟类的安全。该系统包括： 全自动主门，其开启和关闭由光传感器结合日出日落数据控制。 根据GPS定位计算得出。这使其能够适应季节和特定的光照条件。
除了通往鸡舍内部的主门之外，还有第二扇门（院门），用于控制通往露台或户外区域的通道。在这种情况下，是否打开这扇门取决于…… 澳大利亚气象局（BOM）的官方天气预报如果预报的降雨概率超过数据库中可配置的某个阈值，系统会在白天保持该门关闭，这样鸡就不会为了寻找避难所而闯入房屋的门廊……并弄得一团糟。
该控制器配备了功能全面的网页界面，支持手动操作门、调整配置参数、查看传感器历史记录以及以图表形式可视化数据。电路板本身包含多个物理按钮，用于开门/关门、加水箱以及执行其他功能。 如果想在不访问网页界面的情况下操作树莓派，请为其通电。.
另一个重要组成部分是水管理系统：该系统监测水箱水位并控制其自动补水。结合作者设计的储水箱和过滤器，这确保了鸡群持续获得清洁饮用水，最大限度地减少了清空和清洗充满泥沙或藻类的饮水器的需要。同时，电子元件还集成了一个用于树莓派的程序控制开关逻辑，以减少…… 夜间用电量，避免电池和太阳能电池板容量过大。.
该系统配备了一个开源关系数据库（H2），用于记录传感器数据、配置值、历史事件、时间信息和其他参数。此外，该系统还具有GPS接口，可提供精确时间以同步实时时钟和经纬度坐标，即使在……的情况下，也能自动计算日出日落时间。 互联网连接中断，无法访问外部服务。.
为了实现高级监控，SmartCoop 通过 MQTT 代理发布实时信息，允许其他外部应用程序、面板或仪表盘显示消耗量、状态和警报。凭借所有这些功能，该系统成为整个运营的真正神经中枢，能够： 在几乎无需人工干预的情况下运行数日.
自动化和安全防护，防止狐狸和其他掠食者
项目农场反复出现的一个难题是狐狸。尽管鸡舍门会在黄昏时自动关闭，但危险的情况仍然时有发生：午后暴雨迫使母鸡提前回到鸡舍，而鸡舍门却敞开着，狐狸可以自由出入。这促使我们想到了使用…… 使用超高频射频识别标签单独识别每只母鸡.
逻辑简单却强大：如果所有鸡都佩戴一个廉价的RFID标签（很容易在速卖通等平台上买到），系统就能统计有多少只鸡已经进入鸡舍。当系统检测到所有鸡都已进入鸡舍时，就可以提前关闭大门，无需等待自动关闭时间。这大大缩短了狐狸利用天气突变或其他意外情况潜入鸡舍的机会——这在以下情况下尤为重要： 捕食者很快就能“摸清”鸡舍的规律。.
在PCB4.4版本中，该设计集成了一个带有四个天线的UHF RFID读取器，并通过由ESP32-S3管理的RS-232链路连接到树莓派计算模块。这种架构允许对标签进行持续查询，从而实时提供动物在围栏内外位置的信息。作者指出，标签查询功能已经实现，目前正在进行进一步的开发。 将这些数据与运行在 Raspberry Pi 上的 Java 应用程序以及 H2 数据库集成。.
RFID读取技术的另一个有趣用途是监测产蛋情况。通过在产蛋箱中放置天线，可以将每个鸡蛋与其产蛋的母鸡关联起来，记录哪些母鸡产蛋、产蛋频率以及产蛋箱。虽然发明者开玩笑说他并不打算要求母鸡签订服务水平协议或设定产量目标，但这些信息对于与……合作的小农户来说可能很有用。 具有遗传血统或特定选育计划的品种.
与狐狸的遭遇也促使我们重新思考大门早晨开启的逻辑。一段时间以来，大门总是在同一时间开启，这使得狐狸等捕食者能够提前几分钟到达大门旁，伺机而动。为了打破这种惯例，我们开发了一种改进方案，该方案融合了…… 开业时的随机分量.
现在，该软件会从其网站下载一张表格，表格中显示了农场特定位置的日出日落时间，并考虑了所有季节变化。每天早晨，大约在日出时分，控制器开始监测光传感器，直到达到预设的光照阈值。如果超过最大时间（例如 60 分钟）但光照强度仍未达到阈值，大门仍然会打开。这样就形成了一个动态时间表，结合了季节变化、环境光照变化和安全超时机制，大大增加了狐狸进入农场的难度。 预判打开和滥用这种固定模式的确切时机.
先进的水资源管理：从肮脏的池塘到近乎自动化的系统
在最初的设置中，母鸡们从一个小池塘或水池里饮水。问题显而易见：水质会随着季节和水位的变化而大幅波动，饮水器很快就会变脏，需要频繁地清空、清洗和重新注水。为了避免这些重复性的工作，作者设计了一套完整的系统。 PVC储罐、砂滤和自动灌装.
该系统以一个用雨水管制成的大型水箱为基础，水箱内设有沙滤器，可显著改善水质。这个主水箱为第二个较小的水箱供水，第二个较小的水箱也由90毫米PVC管制成，并通过小型饮水杯或自动喂食器（类似于商业养殖场使用的喂食器）向母鸡供水。
SmartCoop 控制器会监测可用水位，并在必要时启动水泵或阀门为储水箱补水。这几乎完全免去了业主每隔几天清空、清洗和重新注满饮水槽的麻烦，从而保持了更卫生、更稳定的系统。通过将液压组件与电子元件相结合，该解决方案实现了…… 稳定、清洁的供水系统，几乎无需日常维护.
这项改进与夜间能源控制相结合：如果夜间不需要运行水泵或使用树莓派屏幕，系统会被编程为部分关闭以节省能源。在堪培拉阴雨连绵的冬季，平衡太阳能电池板的可用功率、电池容量和电子设备的需求是一个棘手的问题，而最终选择的策略是…… 与其投资更昂贵的太阳能电池板和电池，不如通过智能管理开关来减少不必要的开支。.
食品控制装置和带有重量传感器的分配器
对于养鸡户来说，饲料是另一个关键问题。如果你想外出旅行几天，仅仅装满一个小喂食器然后祈祷它能撑到最后是不够的。作者想知道如何才能让系统可靠地“提醒”饲料即将耗尽，于是决定集成…… 基于NAU7802芯片的重量传感器 在最新版本的PCB中。
其理念是利用这些转换器和称重传感器来称量食物分配器中的食物。有了这些信息，SmartCoop 可以估算剩余食物够吃多少天，检测异常消耗（例如，由于其他物种或啮齿动物的存在），并在达到低阈值时触发精确警报。该设计旨在使这些储粮罐至少能容纳两周的食物，以便…… 老板和他的合伙人可以外出几天，而不需要向任何人求助。.
此外，该系统会将采食量记录在数据库中，以便分析中期模式：例如，母鸡的采食量随季节变化，以及添加或移除鸡群时采食量是否发生变化等等。这有助于调整饲料配比、预测饲料采购量，甚至在观察到异常波动时检测鸡群的健康问题。所有这些逻辑的设计目的都是为了…… 饲料管理不应再仅仅依赖于对喂食器的快速观察。 并开始依赖客观指标。
能耗、夜间关机和移动版本
最初的挑战之一是如何让系统在太阳能电池板和蓄电池的合理组合下运行，避免每隔几天恶劣天气就断电。在堪培拉的冬季，由于树莓派和屏幕需要24小时不间断运行，仅仅几个阴天就足以耗尽蓄电池的电量。在急于购买更大功率的太阳能电池板和蓄电池之前，作者决定…… 引入智能电源开关管理.
在最初的版本中，我们使用了一个小型 PICAXE 微控制器，利用实时时钟 (RTC) 的信息，在特定时间段切断 Raspberry Pi 和其他组件的电源。这样做的逻辑是，当鸡在睡觉时，无需保持所有电子设备通电、传感器持续运行或屏幕显示信息。
随着向SMD板和ESP32-S3的迁移，这项职责转移到了新的模块上，从而实现了更精细、更灵活的策略。甚至考虑过移动操作模式，设计用于便携式“鸡群追踪器”，它可以从一个GPS点移动到另一个GPS点，白天保持关闭状态，夜间激活以记录位置或状态。这种工作方式展现了…… 能源优化理念高度关注实际使用情况和可用硬件的局限性。.
得益于这种方法，无需安装超大型太阳能电池板即可解决电池反复放电的问题。现在，系统在闲置期间会自动关闭，但在关键时刻仍会继续执行所有重要的自动化和安全功能，例如：开关门、夜间检查以及重要的状态变更。
Java Web界面、远程监控和通知
除了纯粹的物理层面，SmartCoop 还集成了一个高度复杂的软件层。作者利用其 Java 经验，开发了一个运行在 Raspberry Pi 上的应用程序，该应用程序包含…… 一个基于 Javalin 的轻量级 Web 服务器，用于提供控制和监控接口。通过此界面，您可以打开或关闭门、强制注水、检查传感器状态以及查看使用 Google Charts 生成的图表。
这项改进源于一次系统故障事件：系统检测到大门关闭超时，并发送电子邮件警告，提示大门可能未完全关闭。在此之前，诊断此类问题需要用户亲临现场，在本地触摸屏前操作，并逐个浏览系统界面。为了减少这种依赖性，我们创建了一个可通过互联网连接访问的 Web 界面，并将界面服务的任务委托给 Java 和 Javalin 语言。 页面简洁，带有控制按钮和实时状态更新。.
系统每天发送的电子邮件都包含提供互联网接入的路由器的公网 IP 地址。这使得用户能够从家外连接到控制面板，就像站在鸡舍前一样。未来，作者计划扩展此界面，提供更详细的诊断功能和高级设置，但即使在目前状态下， 能够从任何位置开关门、检查液位和验证警报 这是安心度假的关键。
该Java应用程序依赖H2数据库来持久化存储长期信息，并依赖MQTT代理来分发读数和事件。这为将SmartCoop集成到其他家庭自动化平台或通用仪表盘中铺平了道路，这些平台或仪表盘可以订阅MQTT主题，并将鸡舍的状态与其他家用或农业设备的状态一起显示。
其中一项特别实用的新增功能是“夜间最终检查”。该模块会在预设时间扫描所有门、储罐和传感器的状态，并将结果摘要通过电子邮件发送给预设的收件人列表。这样，如果青少年忘记锁手动门，或者执行器发生故障，都可以在……之前及时发现。 夜间低功耗模式下，断开系统部分组件的连接 趁现在还来得及，及时纠正它。
将天气预报与鸡的日常生活相结合
SmartCoop 还集成了外部数据源，特别是澳大利亚气象局的天气预报。该应用程序会定期下载预报 XML 文件，并分析该地区的降雨概率是否超过数据库中设定的特定阈值。如果超过，系统会做出相应的决定。 保持通往露台的副门关闭。防止鸡群在房屋周围四处散开，以及在下雨或天气寒冷时，鸡粪会顺便堆满门廊。
这套系统是在观察到恶劣天气下，鸡更喜欢在靠近房屋的木质平台上闲逛，而不是在草地上漫步之后开发的。这导致需要经常使用高压清洗机来保持该区域的清洁。有了这套基于降雨预报的自动决策系统，鸡群会花更多时间待在鸡舍内或不太容易出问题的区域，从而减少了使用高压清洗机的必要性。 每周没人愿意做的清洁家务.
此外，该系统将所有这些气象和行为数据收集到 H2 数据库中，从而可以随后分析母鸡如何应对不同的天气模式，或者是否观察到降雨量、作息时间变化、饲料消耗量和产蛋频率之间的奇怪相关性。
SmartCoop 结合了内部传感器、外部数据（例如天气或日出日落时间）以及 Java 逻辑中的决策能力，使其远不止是一个简单的门禁自动化系统。实际上，它就像一个小型“家庭养鸡场管理员”，能够…… 动态调整以适应环境条件和畜群的实际需求.
使用这样的系统也需要一定的数字自律：定期查看电子邮件，确保公网IP地址不会在您不知情的情况下更改，监控树莓派和太阳能电池板的运行状况等等。但作为回报，您可以外出长达一周而无需任何人来开关门、加水或查看狐狸是否还在附近出没。
综上所述，SmartCoop 展示了嵌入式电子元件、Java 和 C++ 编程、各种传感器、MQTT 通信以及定制硬件设计的结合如何实现 将一个简易鸡舍改造成一个高度自动化、防捕食、节能且更易于管理的设施。所有这一切都秉承了该项目诞生之初的开放项目精神，不带任何商业目的。