Serra automatizzata - Tesina

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 perchè, 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

“ ). Le strisce vengono

Illuminazione artificiale con diodi led”

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.

Per monitorare lo stato di carica della batteria viene semplicemente utilizzato un partitore di

tensione con rapporto dei resistori di 0,25, l'ordine dei resistori è delle decine di Kohm, in

questo modo la corrente assorbita dal partitore è minima, così da ridurne il consumo. La

parte centrale del partitore è collegata all'Arduino che, tramite apposite procedure determina

se interrompere o meno la ricarica.

Si è preferito effettuare la carica solo al raggiungimento di una soglia invece che in modo

continuo per evitare ripetuti mini-cicli di carica/scarica che si tradurrebbero nel decadimento

prematuro della batteria.

La fonte di energia che ricarica la batteria è costituita da due

pannelli solari collegati in serie, secondo diverse misurazioni

fatte, la tensione massima prodotta in caso di piena luce è di 14V,

mentre quella prodotta in caso di scarsa luminosità è di circa

8/9V. La corrente massima prodotta è di circa 500/600 mA. Vista

la variabilità della velocità di ricarica e della corrente richiesta dal

sistema, è impossibile fare una stima utile dell'autonomia della

serra, nel capitolo cinque si proverà a calcolarla.

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Pilotaggio dei motori

Al posto di un ponte ad H, per il controllo dei motori si è

preferito usare due ponti integrati che riducono le dimensioni

finali del circuito, inoltre gli unici due motori in continua

presenti sono molto piccoli e hanno correnti di picco pari a

200mA, di conseguenza l'utilizzo di BJT, MOS-FET o relè è

inutile e superfluo.

Motori in continua

I motori per l'apertura/chiusura di tetto e tenda sono alimentati

a 5V e ridotti. I giri per minuto (RPM) sono molto bassi,

poiché il motore presenta una riduzione del rapporto di

trasmissione e ciò permette un controllo delle parti in

movimento molto preciso. Inoltre grazie alle dimensioni

ridotte la corrente di picco è di soli 200mA, mentre quella a

regime varia, a seconda della forza sviluppata, tra i 100 e i

150mA.

Servo motore

Allo scopo di ottimizzare al massimo la produzione dei pannelli

solari, viene utilizzato un servo motore comandato da Arduino. A

seconda della luminosità rilevata tramite le fotoresistenze, i

pannelli vengono ruotati. La corrente di picco è molto ridotta

(circa 80mA), perciò viene pilotato direttamente da Arduino,

senza interfacce o ponti.

Led di segnalazione

Gli 8 Led di segnalazione sono di colore rosso, giallo e blu.

Per ottimizzare il circuito vengono pilotati da Arduino che gli fornisce una tensione di 5V

che però viene attenuata a circa 2,5V tramite un resistore di limitazione.

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Resistori

Viste le correnti ridotte impiegate in buona parte del circuito, i resistori sono tutti da 1/4 di

W, di conseguenza le loro dimensioni sono ridotte ottimizzando ulteriormente il circuito.

Regolatore di tensione

Per rendere compatibile la batteria principale

con il ponte e con la batteria secondaria è

necessario abbassare la tensione da un valore

minimo di circa 11,7V (batteria al limite della

carica) a 5V, per farlo si può operare in due

modi: realizzare un semplice partitore oppure

utilizzare un regolatore. Per questa applicazione

si è scelta la seconda opzione, infatti il partitore

presenta due criticità:

-Per utilizzarlo con correnti di media entità

servono resistori con potenze dissipabili abbastanza elevate;

-Non si adatta alle variazioni dell'ingresso, perciò l'uscita ne segue l'andamento.

Il regolatore utilizzato (LM7805), indipendentemente dall'ingresso, che può variare tra 7V e

20V, eroga una tensione perfettamente stabilizzata a 5V.

Batteria secondaria

Per assicurare più stabilità possibile al sistema di controllo

(Arduino) e ai sistemi di sensori e di rilevamento, si è scelto di

alimentare quest'ultimi tramite una batteria ausiliaria. La batteria

viene caricata dal regolatore di tensione posto a valle della

batteria principale. Il circuito interno della batteria abbassa la

tensione del regolatore a 3,7V e ricarica una pila ricaricabile; lo

stesso circuito trasforma nuovamente i 3,7V in 5V e li rende

disponibili all'Arduino e a tutti i sensori.

Pag. 12 Cap.4

IL SOFTWARE

Flow chart:

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Vista la complessità della logica di controllo, il programma è diviso in sotto-funzioni, di

seguito verranno analizzate le diverse fasi del sistema:

PRIMA FASE

Come di consueto la prima parte de