Serra automatizzata - Tesina

Mirco Gnuva 5O

IIS Marconi Galletti

Indirizzo Elettronica/Elettrotecnica, art. Elettronica

a.s. 2015/2016

Serra automatizzata

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Indice

Cap.1: Introduzione al progetto.................. pag3

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Cap.2: Schema a blocchi................................pag4

Cap.3: l'Hardware...........................................pag5

Cap.4: il Software...........................................pag13

Cap.5: Dimensionamento................................pag22

Cap.6: Stima durata batteria...................... pag24

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Cap.7: Test di funzionamento......................pag25

Cap.8: Problemi e soluzioni........................... pag28

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Cap.9: Valutazioni economiche.....................pag28

Cap.10: Garanzie..............................................pag29

Cap.11: Valutazioni sulla sicurezza..............pag29

Manuale d'uso..................................................pag31

Allegati e datasheet...................................... pag33

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Ringraziamenti.................................................pag41

Pag. 2 Cap.1

Introduzione al progetto

Il percorso di studi di indirizzo elettronico prevede, al terzo anno, lo studio della scheda di sviluppo open-source Arduino per realizzare sistemi automatici.

L' interesse personale e una naturale predisposizione a questo argomento mi ha indirizzato verso la costruzione di una serra automatizzata di cui viene controllata la temperatura, l' umidità del terreno, l' illuminazione interna e lo stato della batteria. Tutti i dati sono accessibili sia in locale che da remoto.

La serra si compone di una parte hardware e di una software. Quella hardware è composta da sensori e finecorsa.

I sensori rilevano la temperatura esterna, interna e dell'acqua, l'umidità del terreno, il livello dell'acqua, la presenza di pioggia e la luminosità. Invece i finecorsa rilevano lo stato del tetto e della tenda.

La parte software si occupa di acquisire i dati provenienti dai sensori, di convertirli e una volta fatto ciò di elaborarli. A seconda delle soglie, impostabili dall'utente, il programma svolge specifiche azioni e controlli.

A fine routine, tutti i dati vengono inviati tramite internet a due WebServer, uno per i dispositivi mobile ed uno per i PC. I due WebServer sono raggiungibili da entrambe le tipologie di dispositivi, ma a secondo della loro destinazione sono state effettuate migliorie e ottimizzazioni soprattutto riguardanti l'interfaccia. Tutti i dati sono salvati sulla microSD; essendo salvati in file .txt standard sono editabili anche da PC.

Il modello realizzato è da intendersi unicamente come un prototipo, infatti non offre garanzie e sicurezze sufficienti a renderlo commercializzabile.

Pag. 3 Cap.2

Schema a blocchi

Pag. 4 Cap.3

L'hardware

Schema di principio:

Di seguito verranno elencate le principali caratteristiche dei componenti hardware utilizzati, tuttavia per informazioni più dettagliate e complete si consiglia la lettura dei datasheet allegati.

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Arduino Mega 2560

Vista la complessità del sistema realizzato e il discreto numero di trasduttori ed attuatori impiegati, si è scelto di usare la scheda Arduino Mega 2560 che offre in tutto 54 pin digitali e 16 analogici.

Visto che non vengono effettuate operazioni grafiche (come l'utilizzo di display touch o elaborazione di immagini) e lo shield wifi non viene utilizzato come server, la potenza di calcolo richiesta non è eccessivamente alta, perciò la scelta più oculata ed economica è proprio l'Arduino Mega 2560.

Shield WiFi

La connessione internet viene affidata ad uno shield compatibile cc3000, il quale offre un buon livello del segnale e la stabilità dello stesso è molto buona, a patto che non vengano inviati ingenti quantità di dati per secondo.

Si è preferito utilizzare uno shield wifi invece di uno ethernet che offrirebbe maggiore banda utilizzabile perché, così facendo, si rende la serra completamente indipendente da qualsiasi struttura.

Valvola idraulica

Invece di utilizzare una pompa d'acqua per l'irrigazione, si è scelta una valvola idraulica a 12V che offre consumi ridotti e rende l'assorbimento dell'acqua da parte del terreno più graduale e costante.

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Striscia RGB

Volendo assicurare un'illuminazione costante anche in giornate nuvolose, ai lati della serra sono state posizionate due strisce LED.

Per riprodurre al meglio la luce solare viene fornita alle piante luce rossa e blu, così facendo si riproduce al meglio lo spettro luminoso del sole (in allegato l'approfondimento “Illuminazione artificiale con diodi led”). Le strisce vengono alimentate a 12V con una corrente totale approssimativa di circa 1A, per risparmiare spazio i resistori di limitazione della corrente sono di tipo SMD e saldati direttamente sulla striscia.

Dispositivi di controllo

Avendo Arduino MEGA una corrente massima di uscita (per pin) pari a 40mA, il pilotaggio diretto degli attuatori è impossibile, perciò sono stati utilizzati alcuni MOS-FET per disaccoppiare Arduino dagli attuatori.

Per il controllo dei led di avviso, del buzzer e dell'LCD invece, trattandosi di correnti molto ridotte, non sono stati utilizzati dispositivi di disaccoppiamento.

Infine vista la possibilità che si verifichino problemi di alimentazione, l'intero circuito può essere spento in qualsiasi momento tramite un MOS-FET.

Per permettere il pilotaggio tramite Arduino tutti i MOS-FET sono pilotati in modalità low-side (con il source riferito a massa).

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Sensori di temperatura

Per la misurazione della temperatura vengono utilizzati tre DS18S20.

Questo sensore dispone di tre pin di cui due per l'alimentazione (+5V e GND) e uno per la trasmissione dati che avviene, interfacciandolo con Arduino, grazie al protocollo OneWire che verrà descritto in seguito.

E' stato scelto questo sensore perché restituisce direttamente il valore numerico della temperatura, bypassando qualsiasi conversione che introdurrebbe errori indesiderati; inoltre è impermeabile, il che lo rende perfetto per funzionare in un ambiente come una serra sottoposta a precipitazioni.

Sensore di umidità del terreno

Il sensore per la misurazione dell'umidità del terreno è costituito da due parti: la prima parte è costituita da una forca con un filamento metallico, la seconda da un circuito che trasforma la variazione della resistenza del filamento in una variazione di tensione.

Tale circuito presenta 6 pin: 2 collegano la forca, 2 sono usati per l'alimentazione (+5V e GND) e i rimanenti sono le uscite.

Questo modulo comprende un trimmer a vite che determina la soglia in base alla quale varia l'uscita digitale, tuttavia per il monitoraggio viene utilizzato il pin analogico che permette una maggiore rielaborazione del dato.

Sensore di pioggia

Il sensore di pioggia è simile al sensore di umidità, cambia solo la struttura del rilevatore.

Per perfezionare il rilevamento la forca viene sostituita da una piastra ricoperta da una serpentina metallica. La scheda per la conversione della misurazione è esattamente la stessa.

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Sensore del livello dell'acqua

L'unica differenza tra questo sensore e quello per la pioggia è la larghezza della piastra di rilevamento, per ogni altro aspetto è completamente identico al sensore di pioggia.

Sensori di luminosità

Per il rilevamento dell'intensità luminosa sono stati sfruttati 4 fotoresistori che costituiscono (insieme a 4 resistori da 10kOhm) dei partitori di tensione per la misurazione da parte di Arduino.

Finecorsa

Tutti i finecorsa utilizzati sono di tipo optoelettronico.

Sono costituiti da un fotodiodo ad infrarossi che irradia la base di un fototransistor. Per il corretto funzionamento dei componenti, che verranno alimentati entrambi a 5V, sono stati utilizzati due resistori, uno da 100Ohm collegato all'emettitore del transistor e uno da 200Ohm collegato all'anodo del fotodiodo.

Si è preferito questo tipo di finecorsa al posto di quelli meccanici per evitare problemi di ossidazione, inoltre i finecorsa optoelettronici offrono una velocità di risposta più rapida rispetto alla controparte meccanica.

Batteria

La batteria che garantisce l'alimentazione di tutto il circuito è al piombo con tensione a carico di circa 12V e capacità di 9Ah.

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Ricarica della batteria

Il sistema di ricarica della batteria prevede tre componenti: il sistema di controllo, il sistema di monitoraggio e la fonte di energia.

Il controllo della carica è effettuato tramite un relè comandato da un MOS-FET. Se la bobina viene eccitata la batteria viene fisicamente distaccata dalla fonte di energia, in caso contrario la batteria viene caricata.