DISPOZITIV ELECTRONIC PENTRU MONITORIZAREA CREȘTERII PLANTELOR [304522]

[anonimizat]. Călin Mureșan

Data emiterii temei :

Termen de predare :

[anonimizat]: [anonimizat]. [anonimizat]-angajament: Deoarece acest proiect de diplomă/lucrare de disertație nu ar fi putut fi finalizat(ă) fără ajutorul membrilor departamentului Electrotehnică și Măsurări și a [anonimizat].

Data: ………… Semnătura

Declarație: [anonimizat]/[anonimizat], sub îndrumarea conducătorului științific și pe baza bibliografiei indicate de acesta.

Data: ………… Semnătura

CAPITOLUL I Introducere

Motivația si importanța subiectului ales

Lucrarea surprinde importante aspecte cu privire la monitorizarea creșterii și dezvoltării plantelor de interior. Am ales această temă deoarece marea majoritate a [anonimizat], nu le udă la timp și nu le îngrijesc corespunzător.

Nevoile fiecărei plante diferă în funcție de specie și de zona din care provin. [anonimizat] a se putea dezvolta corect.

Un factor indispensabil pentru evoluția plantei este lumina. Datorită razelor de soare toate plantele care includ clorofilă pot produce fotosinteză. [anonimizat].

[anonimizat], și apa care are rolul de a asigura transportul unor substanțe la nivelul compartimentelor plantei. Apa este un component de bază în procesul de osmoză și participă la realizarea turgescenței celulelor.

[anonimizat].

Obiectivul lucrării

Lucrarea urmărește implementarea și proiectarea unui dispozitiv automatizat care să monitorizeze și să asigure creșterea unei plante de interior în condiții optime. [anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat]. [anonimizat] a uda planta.

Acest dispozitiv este reprezentat de un ghiveci dreptunghiular în care se vor încapsula urmatorii senzori:

Senzori de lumină;

Senzori de temperatura;

Senzor de umiditate a solului;

Senzor de nivel.

Pentru achiziția și procesarea datelor se folosește un microcontroller Arduino Uno. Acesta preia datele de la senzori și le afișează pe un ecran LCD format din două rânduri a câte 16 caractere fiecare. De asemenea, se utilizează un LED RGB care va indica starea actuală a plantei.

CAPITOLUL II Considerații teoretice

Plantele de interior sunt cele care ne împrospătează aerul din casă și care oferă un aspect plăcut camerei, motiv pentru care trebuie să avem mare grijă de ele. Datorită diversității speciilor, nu putem știi cu exactitate nevoile fiecărei plante. Factorii care influențează dezvoltarea corectă a marii majorități de plante sunt: [27]

Lumina

Temperatura

Apa

Nutrienții

Sol adecvat

Parametrii ambientali

Lumina

În general, lumina naturală a soarelui este esențială pentru o plantă pentru a crește corespunzător, deoarece ele sunt singurele organisme care o folosesc pentru a-și produce hrana necesară. Datorită faptului că în interiorul casei lumina naturală pătrunde mai greu, doar prin intermediul ferestrelor, ghivecele trebuie amplasate în apropierea lor pentru a beneficia de cât mai multă lumină. Statisticile arată că ele au nevoie, în medie, între 8 și 12 ore de lumină pe zi, în funcție de specie. Intensitatea luminoasă se măsoară în lucși (lux). Intensitatea luminii soarelui diferă de-a lungul zilei, având valori de câteva sute de lucși la răsărit sau apus și până la 100.000 de lucși în mijlocul zilei și de-a lungul anului, în funcție de anotimp.

Figura 2.1. Orientarea camerelor în funcție de soare[16]

Clasificarea plantelor în funcție de necesitatea luminii:

Plante care au nevoie de un nivel scăzut de lumină: între 1076 și 2152 lucși.

Acestea pot fi poziționate la un metru de ferestrele orientate spre est sau nord.

Plante care au nevoie de un nivel mediu de lumină: între 2152 și 5382 lucși.

Poziționarea lor poate fi la un metru de ferestrele orientate spre vest, sud sau est.

Plante care au nevoie de un nivel ridicat de lumină: între 5382 și 10760 lucși.

Așezarea lor se va face lângă ferestrele orientate spre vest sau sud.

Plante care au nevoie de un nivel foarte ridicat de lumină: peste 10760 lucși.

Pentru a beneficia de toată lumina soarelui, se vor poziționa lângă ferestrele orientate spre sud, acestea fiind luminate mai puternic pe o perioadă îndelungată, conform Figurii 2.1. [25]

Temperatura

Temperatura din interiorul casei depinde de anotimp și de umiditatea aerului. Astfel, ea va fi mult mai ridicată vara decât iarna. În medie, plantele de interior au nevoie de o temperatură de 16°C până la 25°C. Influența ei depinde de cea a luminii, deci odată cu creșterea intensității luminoase trebuie să crească și temperatura, deoarece în timpul zilei planta își produce hrana necesară, deci necesită mai multă căldură, iar în timpul nopții sau în zilele ploioase când lumina este mai slabă, procesul de fotosinteză se întrerupe iar planta nu necesită temperaturi ridicate.

Fiecare specie de plantă are nevoie de o anumită temperatură pentru a se dezvolta, în funcție de zona din care provin:

Plante care provin din zone cu climat tropical sau subtropical, care au nevoie de temperaturi de 25°C pentru a încolți;

Plante care provin din zone cu climat temperat sau rece, care au nevoie de temperaturi de 13°C pentru a încolți;

În perioada de înflorire, temperatura prea mare afectează culoarea florilor, acestea ajungând să fie decolorate.[39]

Pentru o dezvoltare productivă, este de preferat ca locul în care poziționăm ghiveciul să fie ferit de sursele de căldură (calorifer, sobă) și de locurile reci (balcon) și de schimbările bruște de temperatură, deoarece acestea pot dăuna plantei.[38]

Temperatura solului este și ea importantă în dezvoltarea lor, ea fiind mai mare decât cea a aerului, depinzând de umiditatea pământului.[20]

Apa

Apa este o necesitate pentru plantele și florile de interior, deoarece ele nu profită de ea în abundență din precipitații. Pe lângă faptul că ea ajută la crearea celulelor și țesuturilor, rolul ei este și de a asigura transportul sevei brute din partea inferioară (rădăcini) spre partea superioară (frunze) și a sevei elaborate dinspre partea superioară spre organele de depozitare. De asemenea, ajută la absorbția substanțelor organice și anorganice din pământ.

Lipsa sau prezența exagerată a apei duce la ofilirea plantei. Prezența abuzivă a apei înlătură oxigenul din substrat, care este foarte util, rădăcinile nu-l mai pot absorbi, lucru ce duce la putrezirea lor și implicit la ofilirea plantei.

Udarea plantelor se face, în general, dimineața, iar apa trebuie să fie la temperatura camerei. Acest proces poate fi influențat de următorii factori:

Specie;

Mărime;

Mărimea ghiveciului;

Poziționarea ghiveciului;

Temperatura camerei;

Umiditatea aerului;

Tipul solului;

Drenaj;

Anotimp.

Când plantei îi lipsește apa, frunzele încep sa se onduleze și să se usuce pe margine, să se îngălbenească și să cadă, iar bobocii se ofilesc înainte de a se deschide. Dacă are prea multă apă, frunzele se înmoaie și se ofilesc iar florile putrezesc.

Ele trebuie udate des când se află în faza de creștere sau înflorire, când au frunzele uscate sau mari, când se află în încăperi cu temperaturi mari sau în care soarele este prezent pe parcursul întregii zile, iar în anotimpul rece (când acestea se află în repaus), aflate în spații mai răcoroase, se vor uda mai rar.[43]

Nutrienții

Fertilizatorii sunt importanți pentru plante, deoarece intensifică rezistența lor împortiva bolilor. Ei sunt alcătuiți din nutrienți si micronutrienți, cum ar fi Azot, Fosfor, Potasiu, Fier, Magneziu, care au fiecare rolul lor specific în favorizarea creșterii:

Azotul ajută la dezvoltare și la colorarea frunzelor;

Fosforul ajută la apariția florilor într-un număr cât mai mare și pe o perioadă mai îndelungată;

Potasiul solidifică pereții celulari pentru ca planta să fie mai rezistentă în condiții neplăcute;

Fierul evită ingălbenirea frunzelor;

Magneziul intensifică rezistența plantei.[27]

Solul

Pământul folosit pentru plantele de interior poate varia tot în funcție de specie. În general se utilizează un amestec de turbă, nisip, mraniță, pământ de țelină. Pentru cele bogate în apă, se utilizează un pământ nisipos.[43]

Măsurarea parametrilor ambientali

Măsurarea temperaturii

Temperatura este o mărime fizică a unui obiect, care indică dacă acesta este cald sau rece. Este o caracteristică fundamentală care definește starea termică a unui corp, de ea depinzând celălalte proprietăți fizice. Pentru măsurarea ei, se aleg acele proprietăți care variază în același sens și care se pot măsura cu exactitate.

Măsurarea acesteia este bazată pe acele efecte fizice determinate de variația acesteia, precum dilatarea lichidelor, solidelor sau gazelor, varația rezistenței electrice, intensitatea radiațiilor emise, producerea unei tensiuni electromotoare la joncțiunea unor două metale etc.

Pentru o bună funcționare, traductorul de temperatură trebuie așezat și protejat corespunzător împotriva elementelor sau efectelor distructive. Alegerea tipului de traductor depinde de o serie de factori, precum: domeniul de măsurare, precizia de măsurare, sensibilitatea, timpul de răspuns, dimensiunea și locul amplasării.

Termometre mecanice:

Termometrul din sticlă cu lichid

Termometrul cu lichid funcționează pe principiul dilatării, respectiv contractării unui lichid (în general Mercur sau alt lichid organic) în funcție de temperatură.

Figura 2.2 Termometru cu lichid [42]

Termometrul bimetalic

Termometrul bimetalic funcționează pe principiul dilatării a două metale care au coeficienții de dilatare diferiți, unite și dispuse elicoidal. Extremitatea liberă a bimetalului este conectată la acul indicator, care va fi acționat în momentul în care va avea loc deformarea bimetalului datorită variației de temperatură.

Figura 2.3 Termometru bimetalic[3]

Manotermometrul

Manotermometrul conține un gaz depozitat într-un rezervor, care, odată cu modificarea temperaturii se modifică și presiunea acestuia, iar valoarea ei este măsurată cu ajutorul unui manometru.

Figura 2.4 Manotermometru [41]

Senzori si traductoare folosite pentru măsurarea temperaturii:

Termorezistența

Este alcătuită dintr-un fir conductor bobinat pe un miez izolant, introdus într-un tub cu rol de protecție. Aceasta se bazează pe fenomenul de variație al rezistenței electrice a firului în funcție de temperatura sa.

Relația de variație a unei rezistențe cu temperatura:

, (2.1)

unde RT și R0 reprezintă valorile rezistenței traductorului la temperaturile T si T0 (T0=20șC=293șK) , iar este coeficientul de variație al rezistenței cu temperatura. Alegerea termorezistenței ca și traductor de temperatură depinde de domeniul de măsurare. Astfel, cele confecționate din fier măsoară temperaturi între 0șC – 200șC, cele din nichel între 0șC – 300șC, cele din cupru între -50șC – 200șC iar cele din platină între -200șC – 600șC.[9]

Termistorul

Este un senzor de temperatură pasiv, caracterizat de sensibilitate. Rezistența lui depinde de temperatură (rezistența lui scade concomitent cu creșterea temperaturii), motiv pentru care majoritatea au coeficientul de temperatură negativ (-4..-8%/°C). Domeniul de lucru este reprezentat de variația rezistenței RT cu temperatura.

Legea de variație:

, (2.2)

unde RT și R0 sunt rezistențele senzorului la temperatura T0=298 K, iar B=3000…4000.

Termistorii sunt caracterizați de un timp de răspuns de aproximativ 10-15 secunde, de un domeniu de măsurare între 0șC-150șC (există și termistori realizați din aliaje speciale care măsoară temperaturi până la 600șC) și de un curent maxim admis de până la 100mA.[9]

Termocuplul

Se bazează pe efectul Seebeck, care presupune generarea unei tensiuni electromotoare într-un circuit alcătuit din două metale distincte, care au joncțiunile aflate la temperaturi diferite. Acesta constă din două conductoare metalice diferite (termoelectrozi), unite la un capăt (joncțiune de măsurare) și independente la celălalt capăt (joncțiune de referință).

, (2.3)

unde Erc este tensiunea electromotoare, este temperatura joncțiunii de măsurare, este temperatura joncțiunii de referință și Krc sensibilitatea termocuplului dată de cei doi termoelectrozi.

Figura 2.5 Termocuplul – schemă generala[40]

În general, domeniul de măsurare a temperaturii cu termocuplul este cuprins între -50șC și 600șC.[9]

Dioda semiconductoare

Se utilizează pentru măsurarea temperaturilor într-un domeniu limitat, mai exact între 10șC și 70șC, dar având o sensibilitate bună.

Pentru măsurarea temperaturii cu ajutorul unei diode semiconductoare, se măsoară curentul invers sau căderea de tensiune pe rezistența Rs, cu aparate a căror scară se poate etalona direct in grade de temperatură. Pentru o precizie mai bună, tensiunea de alimentare Ua trebuie să fie stabilizată.

Figura 2.6 Căderea de tensiune pe Rs – Măsurarea temperaturii

Relația lui Shockley:

, (2.4)

unde I0 este curentul de saturație:

(2.5)

n=3.5;

este lățimea benzii;

KB este constanta lui Boltzman;

T este temperatura.[9]

Tranzistorul metalic

Folosirea acestora pentru măsurarea temperaturii constitue un avantaj în ceea ce privește sensibilitatea variației cu temperatura a unor parametrii precum curentul rezidual ICB0 și tensiunea bază-emitor UBE.

, (2.6)

unde este factorul de curent al tranzistorului.

O altă modalitate de conectare este cea cu bază comună și curent de colector constant (Ic=constant). În acest caz tensiunea bază-emitor UBE variază liniar cu temperatura, sensibilitatea fiind constantă pe un domeniu mai larg de temperatură: -40șC-120șC. [9]

Măsurarea intensității luminoase

Intensitatea luminoasă, notată cu ”I”, este unitatea de măsură a fluxului luminos, notat cu ”Φ”, emis în unghiul solid Ω. O sursă de lumină emite flux luminos în mai multe direcții, formând un unghi Ω (unitatea de măsura a unghiului Ω este steradianul, notat sr) și la diferite intensități. Unitatea de măsură a intensității luminoase este candela [cd].

Figura 2.7 Intensitatea luminoasă a unui bec incandescent

Iluminarea, notată cu ”E”, indică gradul de iluminare a unei suprafețe și se obține din raportul dintre fluxul luminos și suprafața de iluminat. Aceasta se măsoară în lucși [lx].

(2.7)

Un grad de iluminare de 1 lx apare când un flux luminos de 1 lumen se repartizează uniform pe o suprafață de 1 metru pătrat.

Iluminarea medie a unei suprafețe:

(2.8)

Figura 2.8 Iluminare[28]

Senzori și traductoare folosite pentru măsurarea intensității luminoase:

Fotorezitența

Senzorii fotorezistivi sunt alcătuiți din materiale semiconductoare și funcționează pe baza efectului fotoelectric intern. În momentul în care lumina cade pe stratul semiconductor, în urma absorbției fotoionilor incidenți, se transferă energie la electronii din banda de valență, iar dacă a fost absorbită destulă energie, aceștia trec în banda de conducție. Deci, datorită radiației luminii, conductivitatea electrică a materialului semiconductor se schimbă.

Construirea lor constă într-un suport izolant, pe care se depune în zigzag un strat subțire de material semiconductor, de 1μm grosime din sulfură de plumb (PbS), sulfură de cadmiu (CdS), seleniură de cadmiu (CdSe) etc., care este acoperit în general cu lac pentru protecție. La extremitățile materialului semiconductor se leagă doi electrozi pe post de conectori.

Figura 2.9 Fotorezistor

În lipsa luminii, ele sunt caracterizate de un curent redus, iar în prezența ei, crește numarul de electroni din banda de conducție, implicit crește și curentul. Rezistența electrică scade liniar cu iluminarea.

Figura 2.10 Graficul unui fotorezistor în funcție de intensitatea luminoasă[24]

Una dintre caracteristicile fotorezistențelor este cea spectrală. Pentru a avea o tensiune constantă la bornele fotorezistenței și o intensitate luminoasă constantă, se obține o valoare maximă a curentului doar pentru o anumită lungime de undă, care depinde de materialul semiconductor. Ca și alte semiconductoare, temperatura are influența ei asupra fotorezistoarelor. La o temperatură ridicată, curentul și constanta de timp a acestora scad, datorită recombinării electronilor absorbiți din radiația luminoasă.

Sensibilitatea lor crește la anumite lungimi de undă. Cele care au materialul semiconductor din sulfură de cadmiu, au caracteristica spectrală apropiată de cea a ochiului uman și cele din sulfură de plumb au sensibilitate crescută în infraroșu.[12]

Fotodioda

Este un dispozitiv de măsurare a radiației luminoase, alcătuit dintr-o joncțiune pin fotosensibilă (Figura 2.7, a ), dintr-o joncțiune metal-semiconductor (Figura 2.7, b), dintr-un contact punctiform (Figura 2.7, c) sau dintr-o heterojoncțiune (Figura 2.7, c) . Acestea sunt polarizate invers, pentru că doar în acest regim se poate valorifica în cele mai bune condiții influența pe care o are radiația luminoasă asupra curentului prin acest dispozitiv.

În ceea ce privesc fotodiodele pin, zona notată în Figura 2.7 cu ”i” este reprezentată de un material intrinsec, cu o rezistivitate mare, care mărește gama dinamică a detectorului, micșorează zgomotul propriu și reduce timpul de răspuns al senzorului (aproximativ 10-9 s).

Figura 2.11 Clasificarea fotodiodelor

Cele cu joncțiune metal-semiconductor sunt alcătuite prin depunerea pe suprafața unui material semiconuctor a unui strat metalic, a cărui proprietăți și grosime influențează răspunsul traductorului.

Fotodiodele cu heterojoncțiune și cele cu contact punctiform detectează semnale optice modulate cu frecvențe de până la 102 MHz. Joncțiunile n și p sunt alcătuite din materiale diferite precum GaAs și Ge. Cele cu contact punctiform au capacitatea joncțiunii mică, la fel ca și timpul de răspuns (aproximativ 102 ps).[9]

Celula solară

Celula solară transformă direct energia radiației luminii în energie electrică prin efectul fotovoltaic. Ea reprezintă de fapt o fotodiodă nepolarizată, construită în așa fel încât să aibă un randament mare de conversie și o sensibilitate ridicată în zonele spectrale specifice radiației solare. Este caracterizată de o rezistență serie mică, de aproximativ 1Ω, concentrație mare de impurități și suprafață fotosensibilă mare.

Joncțiunea celulei solare este realizată prin difuzie sau prin depunere sub forma unui pieptene, pentru a micșora rezistența serie.

Figura 2.12 Celulă solară[9]

Fototranzisotrul

Este un dispozitiv al cărui curent de colector este comandat de un flux luminos. Este format dintr-o capsulă pe care este montată o lentilă, care concentrează fluxul luminos pe regiunea fotosensibilă.

Figura 2.13 Fototranzistor

Captarea luminii are loc în zona joncțiunii colector-bază, suprafața fiind mai mare decât a unui tranzistor normal, după care se generează perechi de electroni goi. Există fototranzistoare cu două terminale și cu trei terminale. Cele cu două terminale nu au baza accesibilă, motiv pentru care semnalul de intrare este reprezentat de lumină. În cazul celor cu trei terminale , baza asigură stabilitatea punctului static de funcționare în funcție de variația temperaturii.

Este utilizat în aplicații de comutație pentru verificarea curentului la întuneric și la iluminare.[9]

Fototiristorul

Fototiristorul funcționează asemănător cu tiristorul, diferența fiind reprezentată de asigurarea conducției care este comandată de un semnal luminos focalizat pe una dintre joncțiunile traductorului.

Figura 2.14 Fototiristor

Pentru utilizarea lui, el trebuie să aibă o sensibilitate ridicată (să fie comandat cu nivele mici ale semnalului optic de comandă).[9]

Măsurarea nivelului de lichid

Măsurarea nivelului de lichid dintr-un anumit vas este un proces important în ceea ce privesc anumite procese tehnologice și în estimarea unor stocuri. Acest proces poate fi îngreunat dacă vasul se află sub presiune, lichidul are temperaturi înalte, este coroziv sau prezintă spumă la suprafață. În funcție de necesitate, măsurarea se poate face continuu, sau în anumite puncte, atunci cand este nevoie doar să se afle anumite nivele critice. De asemenea, poate fi directă, când se urmărește determinarea lungimii substanței, sau indirectă când măsurarea se face cu ajutorul altor mărimi precum masa, presiunea etc. Trebuie precizat faptul ca măsurarea nivelului nu urmărește măsurarea volumului sau a masei de substanță.[1]

Senzori și traductoare folosite pentru măsurarea nivelului de lichid:

Nivelmetru capacitiv

Este folosit pentru măsurarea nivelului unor materiale dielectrice și este alcătuit dintr-un vas metalic de înălțime h, care are în mijloc un electrod. Nivelul lichidului este notat cu x.

Figura 2.15 Nivelmetru capacitiv

Capacitatea totală dintre electrod și vas:

(2.9)

Pot apărea erori cauzate de schimbarea permitivității electrice în funcție de temperatură. Acestea pot fi echilibrate cu ajutorul unor circuite electrice specifice.[1]

Nivelmetru rezistiv

Se folosește pentru materiale conductoare și este construit dintr-un vas metalic și un rezistor R așezat pe toată înălțimea lui. Astfel, lichidul conductor șuntează o anumită porțiune a rezistenței.

Figura 2.16 Nivelmetru rezistiv

, (2.10)

unde r(x) este rezistența echivalentă a lichidului.

Folosirea acestei metode are un dezavantaj, reprezentat de faptul că conductivitatea depinde de natura lichidului și de temperatură.[1]

Nivelmetru cu plutitor

Această metodă funcționează pe baza unui plutitor care se află întotdeauna la suprafața lichidului, legat de un capăt al unui fir care este trecut peste un tambur gradat, iar de celălalt capat al firului este legată o contragreutate.

Figura 2.17 Nivelmetru cu plutitor

În funcție de nivelul de coborâre, respectiv de urcare a plutitorului, tamburul va indica pe o scară gradată nivelul de lichid din vas.[1]

Nivelmetru cu imersor

Metoda folosește un imersor care este introdus parțial în lichid, fiind suspendat de un resort.

Greutatea imersorului:

, (2.11)

unde Fe reprezintă forța elastică iar Fa forța arhimedică a resortului.

, (2.12)

unde este deformarea resortului față de poziția de echilibru,

k – constanta elastică a resortului;

m – masa imersorului;

g – accelerația gravitațională;

x – nivelul de fluid;

h – înălțimea vasului;

– densitatea lichidului;

– densitatea imersorului.

Metoda se poate folosi dacă se cunoaște densitatea lichidului. Erorile care pot apărea sunt date de dependența densității de temperatură.

Figura 2.18 Nivelmetru cu imersor[1]

Nivelmetru cu ultrasunete

În cazuri speciale în care măsurarea nivelului este dificilă (vase sub presiune sau la temperaturi ridicate, medii corozive etc.), se pot utiliza nivelmetre cu radiații, mai precis cu ultrasunete sau cu microunde. Avantajul folosirii unor astfel de nivelmetre constă în faptul că se folosesc procedee de măsurare fără contact.

Figura 2.19 Nivelmetru cu ultrasunete

Nivelmetrul cu ultrasunete poate funcționa în undă continuă, în impuls, prin metode de transmisie sau reflexie. Cel mai utilizat mod de funcționare este cel în impuls, care prin metoda transmisiei presupune fie măsurarea nivelului de lichid din vas, folosind traductoarele 1 și 2, fie a cantității de aer de deasupra lichidului, folosind traductoarele 2 și 3. Pentru aceleași cazuri, folosirea metodei reflexiei presupune utilizarea doar a unuia din senzori, deoarece el poate funcționa atât ca emițător, cât și ca receptor.[1]

Nivelmetru cu microunde

Acestea funcționează pe principiul că materialele conductoare reflectă microundele iar cele dielectrice le atenuează.

Figura 2.20 Nivelmetru cu microunde[1]

Emițătorul E transmite prin antena AE fasciculul de microunde spre lichidul conductor, care îl reflectă, apoi este recepționat de antena AR și transferat în receptorul R. Avantajul folosirii acestei metode îl reprezintă faptul că are erorile de măsurare mici ( aproximativ 1-2%).

Măsurarea umidității

Umiditatea se definește ca fiind conținutul de apă dintr-un material solid, lichid sau gazos. La solide și lichide, cantitatea de apă se exprimă prin umiditate absolută, notată cu Ua și umiditate relativă, notată cu Ur.

(2.13)

unde ma este masa apei și mu este masa materialului uscat.

Pentru măsurarea umidității solului avem relația:

(2.14)

unde: și este umiditatea maximă;

Uef – umiditatea efectivă;

n – porozitatea solului;

– greutatea specifică a solului.[10]

Senzori și traductoare folosite pentru măsurarea umidității:

Traductoare rezistive

Traductoarele rezistive funcționează pe principiul scăderii rezistenței unui corp umed concomitent cu creșterea conținutului de apă. (14)

(2.15)

unde a și b sunt constante de material, R este rezistența materialului și Ur este umiditatea relativă.

Un astfel de traductor este construit din doi electrozi, care se introduc în materialul căruia trebuie să i se măsoare umiditatea, între ei măsurându-se o rezistență pe baza căreia rezultă gradul de umiditate.[7]

Figura 2.21 Electrozi pentru măsurarea umiditații[19]

Aceștia trebuie sa respecte urmatoarele condiții:

Rezistență proprie constantă;

Rezistența dintre cei doi electrozi să fie foarte mare (1011-1013 Ω) pentru a nu apărea erori atunci când materialul este aproximativ uscat;

Rezultatul măsurării să poată fi reprodus;

Suprafață mare de contact cu materialul.

Traductoare capacitive

Acestea funcționează pe principiul variației permitivității unui material în funcție de cantitatea de apă. Majoritatea materialelor cărora trebuie să li se determine umiditatea sunt dielectrici care în stare uscată au permitivități scăzute, aproximativ 1-6, având în vedere faptul că apa are permitivitatea ε= 81,1 la temperatura de 18șC. Traductorul folosit este reprezentat de un condensator care are ca dielectric materialul căruia trebuie să i se determine umiditatea.[7]

(2.16)

unde C și C0 sunt capacitățile condensatorului.

Măsurarea cu astfel de traductoare este influențată de temperatură și de nivelul de compactare al materialului. Cu cât umiditatea (conductivitatea) este mai mare, cu atât și pierderile în dielectric sunt mai mari.

Figura 2.22 Schema unui traductor de umiditate capacitiv[10]

Traductoare cu microunde

Traductoarele de umiditate cu microunde funcționează pe baza influenței pe care apa o are atunci când undele electromagnetice trec sau reflectă prin materialul umed. Apa absoarbe aceste microunde, mai bine decât materialul uscat, deci, pentru a determina umiditatea, se măsoară atenuarea microundelor la trecerea prin material.

Figura 2.23 Schema unui traductor de umiditate cu microunde[7]

CAPITOLUL III Implementarea dispozitivului

Acest capitol surprinde informații cu privire la construcția dispozitivului de monitorizare și a elementelor componente, precum și a modului de funcționare a acestuia.

Aspecte tehnice

Dispozitivul este realizat pe baza unui ghiveci dreptunghiular, fiind compartimentat și prelucrat în așa fel încât sa poată îngloba toate cele necesare monitorizării creșterii unei plante.

Figura 3.1 Schema constructivă a dispozitivului

Figura 3.2. Schema bloc de funcționare a dispozitivului

Componentele dispozitivului

Arduino Uno

Este o placă de dezvoltare care are la bază un microcontroler Atmega328p. Are 14 pini digitali de intrare, respectiv ieșire, dintre care 6 pot fi utilizați ca și ieșiri PWM, 6 intrări analogice, un cristal de cuarț de 16MHz, o conexiune USB-B, o mufă de alimentare, conexiune ICSP și un buton de resetare. Aceasta poate prelua date din mediul înconjurator, prin intermediul unor senzori și poate acționa asupra mediului prin intermediul unor lumini, motoare etc. Este comandată printr-un limbaj de programare, asemanător cu cel C++. [15](18)

Figura 3.3 Arduino Uno [33]

Specificații tehnice:

Tensiune de operare:5V

Tensiune de intrare recomandată:7-12V

Tensiune de intrare limită:6-20V

Pini digitali: 14, din care 6 pot fi utilizați ca si ieșiri PWM

Pini analogici de intrare: 6

DC Current per I/O: 20mA

DC Current pentru 3.3V: 50mA

Memorie flash: 32KB, din care 0.5KB utilizată de bootloader

SRAM: 2KB

EEPROM: 1KB

Viteza procesorului: 16MHz

Lungime: 68,6 mm

Lățime: 53,4 mm

Greutate: 25g

S-a folosit o plăcuță Arduino Uno pentru citirea datelor de la senzori și pentru comanda pompei. Aceasta s-a conectat la rețea prin intermediul unui alimentator care are tensiunea de ieșire de 12 volți și curentul de ieșire de 2 amperi.

Senzor de temperatură LM35

Este un senzor care are tensiunea de ieșire direct proporțională cu temperatura în grade Celsius. Avantajul folosirii acestui senzor îl reprezintă faptul că, față de alți senzori calibrați în grade Kelvin, acesta nu necesită calcularea tensiunii de ieșire, deoarece el măsoară direct în grade Celsius, cu o precizie de 0.5șC (la o temperatură de 25șC). Este încapsulat într-un tranzistor T0.

Figura 3.4 Senzor de temperatură LM35 [36]

Specificații tehnice:

Tensiune de lucru: 6V

Curent de lucru: 10mA

Tensiune minimă: 4V

Tensiune maximă: 20V

Temperatură minimă: 2șC

Temperatură maximă: 150șC

Tensiune/șC: 10mV/șC

Pentru măsurarea temperaturii, s-au folosit doi senzori LM35, unul pentru temperatura solului și unul pentru temperatura camerei.

Figura 3.5 Schema de conectare a senzorilor LM35

Senzor de umiditate a solului YL-69

După cum îi spune și numele, acesta măsoară gradul de umiditate al solului. El este alcătuit dintr-un circuit PCB, care conține comparatorul și care permite reglarea sensibilității printr-un potențiometru și partea care intră în pământ, formată din doi electrozi care detectează umiditatea în funcție de cantitatea de apă. Este caracterizat de o tensiune de ieșire mică atunci când solul este umed, respectiv de o tensiune de ieșire mare dacă solul este uscat.

Figura 3.6 Senzor de umiditate sol [37]

Specificații tehnice:

Tensiune de alimentare: 3.3-5V

Ieșire digitală: returnează valoarea 1/0, în funcție de conținutul de apă

Ieșire analogică: returnează valori de la 0 la 1023

Dimensiune PCB: 3×1.5 cm

Dimensiune senzor: 6×2 cm

Figura 3.7 Schema de conectare a senzorului de umiditate

Senzor de nivel apă

Este un senzor de nivel magnetic, care funcționează pe baza unui plutitor. Acesta conține pe plutitor un magnet, care, în momentul în care ajunge în partea inferioară a tijei pe care este montat, închide circuitul, respectiv semnalează lipsa apei din rezervor.

Figura 3.8 Senzor de nivel apă [35]

Specificații tehnice:

Tensiune de operare: 5-12V

Curent de operare: 1.25A

Rezistența senzorului: 280MΩ

Figura 3.9 Schema de conectare a senzorului de nivel

Fotorezistențe

Permit măsurarea intensității luminoase. Sunt alcătuite dintr-un strat subțire de material semiconductor, care este acoperit cu lac pentru protecție. Acestea funcționează pe principiul variației unei rezistențe în funcție de intensitatea luminii care cade pe aceasta.

Figura 3.10 Fotorezistență [22]

Specificații tehnice:

Tensiune maximă: 150V

Putere maximă: 100mW

Temperatură de operare: -30 – 70 șC

Lungimea undei la sensibilitate maximă 540nm

Rezistență: la 10 lucși: 8-20KΩ, la întuneric: 1MΩ

Figura 3.11 Schema de conectare a celor patru fotorezistențe

Pinii VCC ai fotorezistențelor au fost conectate prin intermediul unui divizor de tensiune rezistiv, pentru a se alimenta doar cu 0.83 volți.

Liquid Crystal LCD 16×2

Este un ecran LCD care afișează datele pe două linii a câte 16 caractere fiecare. Se poate folosi si pe timp de noapte, deoarece are iluminare de fundal. Aceasta se protejează prin utilizarea unui potențiometru de 10kΩ prin intermediul căruia se poate regla și contrastul. Pentru inițializarea lui se folosește librăria ”LiquidCrystal.h” din programul Arduino. Cursorul se poziționează printr-o comandă specifică ”lcd.setCursor(col,row)” în care col reprezintă coloana și row reprezintă rândul. Valoarea 0 reprezintă prima coloană, respectiv primul rând.

Figura 3.12 Display LCD [30]

Specificații tehnice:

Tensiune de alimentare: 5V

Curent: 1.1mA

Tensiune de alimentare lumină fundal: 4.2V

Curent lumină fundal: 100mA

Figura 3.13 Schema de conectare a display-ului

LED RGB

LED-ul RGB (Red, Green, Blue) este un LED 3 în 1, care afișează separat sau simultan culorile Roșu, Verde sau Albastru. Poate fi utilizat ca și indicator de stare prin cele 3 culori sau prin combinarea lor.

Figura 3.14 LED RGB [31](25)

Specificații tehnice:

Curentul de operare: 20mA

Tensiunea de operare: Roșu:2V, Verde:3.2V, Albastru:3.2V

Diametru: 5mm

Figura 3.15 Schema de conectare a LED-ului

Pompă apă

Pompă de apă folosită la transferul de apa dintr-un recipient. Aceasta este comandată de către microcontrollerul Arduino, prin intermediul unui releu, fiind alimentată separat de la rețea cu un alimentator care are tensiunea de ieșire de 7.5 volți, respectiv curentul de ieșire de 1.6 amperi.

Figura 3.16 Pompă apă [32]

Specificații tehnice:

Tensiune de operare: 5-12V

Presiune: 2 bar

Diametru conductă: 6 mm

Diametru conductă aspirație: 7 mm

Figura 3.17 Schema de conectare a pompei

Modul Releu 5V

Modulul cu releu este realizat specific pentru proiectele cu Arduino. Are trei pini, VCC, GND și Signal. Funcționează ca și comutator, circuitul de comandă și circuitul de sarcină trebuie alimentate separat. Prezintă un LED roșu care se aprinde în momentul în care releul cuplează.

Figura 3.18 Modul releu [34]

Specificații tehnice:

Tensiune de operare: 5-12V

Curent/Tensiune maximă: 10A/250VAC , 10A/30VDC

Prezintă contact deschis (Normaly Open) și închis (Normaly Closed)

Pentru ca bobina releului să fie alimentată, trebuie conectat pinul Signal de la Arduino

Implementarea software

Achiziția, procesarea și afișarea datelor

Achiziția datelor se face prin intermediul senzorilor de temperatură, umiditate sol, nivel și lumină, care sunt programați prin microcontrolerul Arduino Uno printr-un limbaj de programare asemanător cu C++. Pe baza lor, vor fi afișate datele corespunzătoare pe ecranul LCD, LED-ul RGB va indica starea și în funcție de acestea, pompa de apă va porni, respectiv se va opri.

Figura 3.19 Schema bloc de rulare a programului Arduino

Definirea pinilor și includerea librariilor folosite

Figura 3.20 Includerea librăriei

Această librărie permite microcontrollerului Arduino să comande ecranul LCD prin intermediul celor 6 pini.

Figura 3.21 Conectarea senzorilor de temperatură

Conectarea celor doi senzori de temperatură se face pe pinii analogici A4 și A5 ai plăcuței Arduino Uno, deoarece ei citesc temperatura sub formă analogică.

Figura 3.22 Conectarea senzorului de nivel

Conectarea senzorului de nivel se face pe pinul digital 6, deoarece acesta trebuie să returneze valoarea HIGH sau LOW.

Figura 3.23 Conectarea fotorezistențelor

Cele patru fotorezistențe se conectează pe pinii analogici A0, A1, A2 și A3, deoarece acestea măsoară intensitatea luminoasă sub formă analogică.

Figura 3.24 Conectarea senzorului de umiditate a solului

Senzorul de umiditate a solului se conectează pe pinul digital 7 al plăcuței Arduino, valoarea returnată de el fiind HIGH sau LOW.

Figura 3.25 Conectarea LED-ului

Cele două culori ale LED-ului RGB se declară pe pinii digitali 8 și 9, fiind comandați prin instrucțiunea HIGH sau LOW.

Figura 3.26 Conectarea releului

Releul se conectează pe pinul digital 10, comanda lui se face de asemenea cu instrucțiunea HIGH sau LOW, prin care pornește, respectiv oprește pompa.

Declararea variabilelor

Figura 3.27 Declararea variabilelor

Variabilele tc0, tc1, tp2, cc și pc sunt folosite pentru a controla durata de funcționare a pompei de apă, iar ”vmed” și ”sum” realizează media aritmetică dintre cele patru fotorezistențe, pentru a se obține o singură variabilă de comparat. În variabila ”p” se memorează valoarea medie a intensității luminoase calculată în procente.

Definirea tipului de pini folosiți

Figura 3.28 Definirea pinilor de intrare

Comanda ”lcd.begin(16, 2);” inițializează ecranul LCD și specifică dimensiunea lui, mai exact, acesta are 16 coloane și 2 rânduri.

Pinii senzorilor de temperatură, nivel, lumină și umiditate sunt declarați ca și pini de intrare, deoarece aceștia citesc anumite valori din exterior, care sunt procesate ulterior de către Arduino.

Figura 3.29 Definirea pinilor de ieșire

Pinii LED-ului RGB și cel al pompei sunt declarați ca și pini de ieșire, deoarece aceștia vor fi comandați de către Arduino pe baza datelor citite de la senzori.

Figura 3.30 Setarea tensiunii de referință

Linia de cod ”analogReference();” permite setarea tensiunii de referință. Inițial tensiunea celui mai puțin semnificativ bit (LSB) este de 5V/1023, iar după setarea ei ca și INTERNAL se schimbă sensibilitatea convertorului analog numeric și tensiunea devine 1.1V/1023. Este folosită pentru senzorii de temperatură LM35, deoarece aceștia produc tensiuni doar între 0V și 1V, precizia acestora fiind astfel îmbunătățită. ”Serial.begin(9600);” ne permite să afișăm date în Serial Monitor.[13]

Figura 3.31 Setarea variabilei tc0

Funcția ”millis()” returnează numărul de milisecunde de când rulează programul. Astfel, prin inițializarea lui tc0 cu această funcție, se poate contoriza timpul de funcționare a pompei, timp care va fi afișat în Serial Monitor.

Achiziția, afișarea și procesarea datelor de la senzori

Afișarea datelor se face prin intermediul ecranului LCD. Pe acesta sunt afișate mereu în partea stângă temperatura exterioară și temperatura solului, iar în partea dreaptă valoarea intensității luminoase și mesaje specifice de la ceilalți senzori. Cu ajutorul LED-ului RGB, se indică starea. Inițial, dacă temperatura, umiditatea, nivelul apei și intensitatea luminoasă nu depășesc anumite valori, el este aprins Albastru, iar în caz contrar, se va schimba în culoarea Roșu.

Figura 3.32 Setarea inițială a culorilor LED-ului

Senzori de temperatură

Achiziție și procesare

Citirea temperaturii de la senzori se face instant, conform Figurii 3.33.

Figura 3.33 Citirea temperaturii de la senzori

Valoarea citită de la senzori se împarte la 9.31 deoarece tensiunea de referință s-a setat ca fiind 1.1V, deci fiecare citire este egală cu 1.0742mV. Întrucât LM35 returnează 1șC/10mV, rezultă faptul că pentru fiecare 10/1.0742, se detectează o schimbare de un grad la fiecare 9.31, iar prin această împărțire se obține direct temperatura în grade Celsius.

Afișarea temperaturii pe LCD și prin LED-ul RGB

Afișarea temperaturii se face de asemenea instant în partea stângă a ecranului, conform Figurii 3.34. Comenzile ”lcd.setCursor(0, 0)” și ”lcd.setCursor(0, 2)” poziționează cursorul, mai exact specifică poziția de unde începe afișarea. În primul caz afișază pe primul rând începând cu prima poziție, iar în al doilea caz afișază pe al doilea rând, începând cu prima poziție.

Figura 3.34 Afișarea temperaturii

”Te” reprezintă temperatura exterioară iar ”Ts” temperatura solului.

Pentru o valoare prea ridicată, respectiv prea scazută a temperaturii exterioare, LED-ul RGB se schimbă din culoarea Albastru, care indică faptul că totul este în regulă, în culoarea Roșu. Pe ecranul LCD apare mesajul ”Temp mare”, dacă valoarea ei este mai mare de 30șC (Figura 3.35 a.), respectiv ”Temp mica” daca aceasta scade sub 15șC (Figura 3.35, punctul b.).

a. b.

Figura 3.35 Afișarea temperaturii și a mesajului specific

Secvența de program specifică se poate observa în Figura 3.36.

Figura 3.36 Schimbarea culorii LED-ului și afișarea mesajului pe LCD în funcție de temperatură

Senzor de umiditate

Achiziție

Citirea gradului de umiditate de la senzor se face digital. Așadar, valoarea returnată de senzor în cazul unui sol umed este 0 sau HIGH, fiind este caracterizat de o tensiune mică, iar în cazul unui sol uscat, returnează valoarea 1 sau LOW, fiind caracterizat de o tensiune mare. Valoarea pragului poate fi reglată din potențiometru.

Figura 3.37 Citirea umidității

Procesare

Figura 3.38 Timpii de funcționare a pompei

Timpul ”tc0” este inițializat la început cu ”millis()”. După inițializarea lui ”tc1” cu aceeași funcție, în constanta ”cc” se memorează diferența dintre cei doi timpi.

Figura 3.39 Timpii de funcționare a pompei

Dacă valoarea lui ”cc” este mai mare decât 10000 (echivalentul a 10 secunde), se inițializează un al treilea timp ”tp2” cu funcția ”millis()”. Constanta ”pc” memorează diferența dintre ”tp2” și ”tc0” și o afișază în Serial Monitor. Această diferență are mereu valoarea aproximativă de 10000 și reprezintă timpul de funcționare al pompei.

Comandă

Figura 3.40 Comanda pompei

Dacă senzorul de umiditate este caracterizat de o tensiune mare, fapt care denotă că umiditatea solului este scăzută, și până când constanta ”pc” are valoarea 12000, pompa pornește pentru a uda planta, altfel, aceasta rămâne oprită iar timpul ”tc0” se inițializează iar cu comanda ”millis()”.

Figura 3.41 Comanda pompei

Afișarea

Figura 3.42 Afișarea mesajului specific senzorului de umiditate

În momentul în care se detectează o umiditate scăzută, ecranul afișază mesajul ”Sol uscat” conform Figurii 3.43, iar microcontrollerul Arduino comandă pornirea pompei.

Figura 3.43 Afișarea mesajului specific senzorului de umiditate

Durata de funcționare a pompei este limitată de acești timpi în felul următor: la fiecare 10 secunde senzorul citește gradul de umiditate al solului. Dacă acesta este umed, pompa rămâne oprită. Dacă este uscat, pompa pornește timp de 2 secunde, după care se așteaptă citirea gradului de umiditate din nou, iar dacă solul nu a fost udat suficient, operația se repetă până când senzorul detectează suficientă umiditate. Avantajul unei astfel de metode este reprezentat de faptul că nu se cunoaște cu exactitate viteza de scurgere a apei prin sol, astfel el nu este udat din abundență, ci doar cât este necesar.

Senzor de nivel

Achiziție, procesare și afișare

Citirea valorii de la acest senzor se face direct. Dacă nivelul apei din rezervor scade prea mult, plutitorul se află în partea inferioară a rezervorului, închizând circuitul și semnalând lipsa apei. În acest caz, ecranul afișează mesajul ”Lipsa apa” (Figura 3.44) și LED-ul este de culoare Roșie, până când vasul se reumple.

Figura 3.44 Afișarea mesajului specific senzorului de nivel

Secvența de program pentru senzorul de nivel se poate observa în Figura 3.45.

Figura 3.45 Secvența de program specifică senzorului de nivel

Senzori de lumină

Aceștia furnizează informații cu privire la intensitatea luminii.

Achiziție

Figura 3.46 Achiziția senzorilor de lumină

Citirea se face direct de la senzori, valoarea returnată fiind una analogică.

Procesare

Figura 3.47 Medierea valorii senzorilor de lumină

În variabila ”sum” se adună cele patru valori ale intensității luminoase citite de la fotorezistențe, urmând să se împartă la 4 în variabila ”vmed” pentru a se calcula media lor aritmetică. Astfel, se obține o singură valoare, care este comparată ulterior.

Figura 3.48 Transformarea valorii medii a intensității în procente

Datorită faptului că fotorezistențele nu sunt calibrate astfel încât să returneze valoarea intensității luminoase în lucși, s-a calculat valoarea ei medie în procente, conform Figurii 3.48. Este important de precizat faptul că o fotorezistență măsoară intensitatea sub forma unor valori cuprinse între 0 și 700, pe considerentul că valoarea 0 reprezintă întuneric iar valoarea 700 reprezintă intensitate luminoasă maximă.

Afișare

În partea dreapta a ecranului pe prima linie este afișată valoarea medie a intensității luminoase în procente. Aceasta apare pe ecran doar în cazul în care nu există alte mesaje de afișat de la alți senzori, mai precis de la cei de temperatură.

Figura 3.49 Afișarea valorii medii a intensității luminoase

Figura 3.50 Afișarea intensității luminoase în procente pe LCD

Dacă valoarea medie a intensității luminoase scade sub pragul de 30%, ecranul afișează mesajul ”Lum slaba”, precum în Figura 3.52, iar LED-ul se schimbă în Roșu.

Figura 3.51 Secvența de program pentru lumină slabă

Figura 3.52 Afișarea mesajului specific unei lumini slabe pe LCD

Pe timpul nopții, pentru ca dispozitivul să nu avertizeze încontinuu detecția unei lumini slabe, s-a setat un ”mod de noapte”, care se activează în momentul în care valoarea medie a intensității scade sub 10%. Astfel, dispare de pe LCD valoarea intensității luminoase și apare mesajul ”Mod noapte”, LED-ul ramâne Albastru.

Figura 3.53 Secvența de program pentru modul de noapte

Figura 3.54 Afișarea mesajului ”Mod noapte” pe LCD

CAPITOLUL IV Rezultate experimentale. Dezvoltări ulterioare

Rezultate experimentale

S-a urmărit modul de funcționare al sistemului pe parcursul mai multor zile de vară, el fiind amplasat lângă o fereastră orientată spre Vest și pe o masă aflată la aproximativ 2m de aceeași fereastră.

Figura 4.1 Amplasarea sistemului

Cazuri de funcționare ale sistemului

Amplasarea sistemului lângă fereastră

În acest caz, am amplasat ghiveciul lângă o fereastră orientată spre Vest, unde soarele bate doar după ora 16:00.

Figura 4.2 Afișarea valorilor normale

Valorile temperaturii exterioare și cea a solului, respectiv valoarea intensității luminoase sunt afișate pe ecran. LED-ul este aprins Albastru, deci totul funcționează în parametrii normali.

Valoarea intensității luminoase variază în funcție de anotimp, vreme sau perioada zilei.

Pe parcursul unei zile însorite de vară, am observat urmatoarele valori ale luminii naturale:

Dimineața, ora 8:00, valori cuprinse între 60%-70%

La prânz, ora 14:00, valori cuprinse între 80%-90%

Apus. Ora 21:00, valori cuprinse între 60%-70%

Seara, modul de noapte se activa în jurul orei 22:00

Pe parcursul unei zile ploioase de vară, am observat urmatoarele valori:

Dimineața, ora 8:00, valori cuprinse între 50%-60%

La prânz, ora 14:00, valori cuprinse între 70%-85%

La apus, ora 21:00, valori cuprinse între 50%-60%

Seara, modul de noapte se activa în jurul orei 21:30

Valoarea temperaturii exterioare variază în funcție de temperatura camerei. Pe timp de vară, am constatat că aceasta are valori începând de la 24șC dimineața și până la 30șC pe parcursul zilei și seara. Ea poate fi influențată doar dacă razele soarelui cad direct pe senzor.

Amplasarea sistemului lângă fereastră are și efecte negative. Am constatat că, în zilele foarte călduroase, când razele soarelui cad direct pe geam, temperatura în această zonă crește peste limita de 30șC, avertizând o temperatură mare, precum în Figura 4.3.

Figura 4.3 Avertizarea unei temperaturi ridicate

Dupa două zile, sistemul a avertizat un ”Sol uscat”, pompa pornind pentru 2 secunde.

Figura 4.4 Avertizarea unui ”Sol uscat” și pornirea pompei

Senzorul de nivel a avertizat lipsa apei dupa 7 zile.

Figura 4.5 Avertizare ”Lipsa apa”

În acest caz, se poate spune că pompa pornește aproximativ din două în două zile, iar rezervorul de apă trebuie reumplut aproximativ o dată la 7 zile, grija luminii slabe nu constitue o problemă.

Amplasarea sistemului la distanță față de fereastră

Din anumite motive, precum insuficiența spațiului de depozitare, necesitatea deschiderii frecvente a ferestrei sau chiar temperatura prea ridicată, ghiveciul se poate muta de pe pervazul ferestrei în alt loc al încaperii. Dacă aici nu am pus problema luminii insuficiente, în anumite părți mai umbroase ale camerei, funcționarea sistemului în parametrii normali ar putea fi împiedicată de acest aspect.

Am poziționat sistemul pe o masă, la aproximativ 2m de fereastră. Ținând cont de faptul că pe timpul verii ferestrele sunt acoperite în cea mai mare parte a timpului cu perdele împotriva pătrunderii luminii soarelui și implicit a căldurii, am observat următoarele valori ale luminii într-o zi însorită de vară:

Dimineața, ora 8:00, valori cuprinse între 60%-70%

La prânz, ora 14:00, valori cuprinse între 70%-75%

Ora 21:00, valori sub 30%, sistemul avertizează o lumină slabă

Seara, modul de noapte se activa în jurul orei 21:30

Figura 4.6 Mod noapte

În timp ce într-o zi ploioasă de vară:

Dimineața, ora 8:00, valori cuprnse între 50%-60%

La prânz, ora 14:00, valori cuprinse între 60%-70%

Ora 20:00, valori sub 30%, sistemul avertizează o lumină slabă

Seara, modul de noapte se activa în jurul orei 21:00

Figura 4.7 Lumină slabă

De asemenea, am observat că temperatura în această zonă nu depașește valoarea limită, ea oscilând de la 24șC dimineața, până la 29șC în timpul zilei și seara.

În ceea ce privește udarea plantei, am remarcat că pompa pornește aproximativ o dată la 3 zile, iar rezervorul se golește dupa aproximativ 10 zile.

Dezvoltări ulterioare

Dacă până acum sistemul udă floarea automat când umiditatea solului scade, avertizează lipsa apei, a luminii sau o temperatură prea mare sau prea mică, pe viitor, pentru ca el sa fie mult mai complex și mai avansat în tehnologie și pentru ca grija noastră în ceea ce privesc plantele de interior să dispară complet, se pot adapta diverse funcții care ar simplifica utilizarea lui.

Iluminarea artificială

O primă funcție care se poate adăuga acestui sistem, este cea de iluminare artificială.

Ea presupune montarea unei lămpi cu ultraviolete, deoarece, spre deosebire de o lampă normală, aceasta ajută la creșterea și dezvoltarea plantei.

Figura 4.8 Lampă UV [29]

Prin implementarea acestei funcții, ar dispărea grija noastră în ceea ce privește lumina slabă, deoarece lampa s-ar aprinde automat în momentul scăderii intensității luminoase.

Sistem de răcire

În zilele toride de vară planta riscă să se ofilească, motiv pentru care ea trebuie ferită de temperaturi foarte mari. Dacă nu este nimeni acasă să-i schimbe locația, o soluție ar fi montarea unui ventilator de dimensiuni mici, care să funcționeze la turație redusă, pentru a ”răcori” planta. Astfel, în momentul în care temperatura este prea mare, peste valoarea limită setată, acesta va porni.

Figura 4.9 Ventilator [44]

Control de la distanță

Pentru ca planta să beneficieze de toată atenția ori de câte ori are nevoie de ceva, este posibilă implementarea unui sistem de control de la distanță prin intermediul unui telefon inteligent. Printr-un modul Bluetooth sau Wireless se pot transmite avertizări în timp real către telefon despre starea plantei, dar și comenzi din telefon către sistem. Astfel, vor apărea pe telefon informații cu privire la temperatură, umiditate și calitatea luminii.

Figura 4.10 Control de la distanță[17]

Prin intermediul unui astfel de sistem, se poate controla de la distanță ghiveciul și toate celălalte funcții pe care le deține, precum pornirea sau oprirea pompei de apă, a ventilatorului, respectiv a lampei UV.

Implementarea acestor componente pe lângă cele existente ar face ca sistemul să fie mult mai complex și automatizat, el făcând toate operațiile necesare îngrijirii unei plante. Astfel, dacă planta are nevoie de apă pompa o va uda, dacă lumina este prea slabă lampa se va aprinde iar dacă temperatura este prea mare ventilatorul va porni.

CAPITOLUL V Concluzii

Obiectivul central al acestei lucrări a fost  acela de a implementa principalele modalități de monitorizare a creșterii și dezvoltării plantelor de interior, constituind o soluție practică care joacă un rol important în dezvoltarea calitativă a unei plante.

Dispozitivul electronic de monitorizare a creșterii plantelor a fost creat pe baza unui ghiveci dreptunghiular care a fost împărțit în trei compartimente. Primul compartiment este destinat depozitării circuitului de comandă și afișare. Acesta este reprezentat de microcontrollerul Arduino Uno,  folosit pentru achiziția datelor și pentru comandă, un ecran LCD, folosit pentru afișarea datelor și pentru avertizare, un LED RGB folosit pentru semnalarea stării, o pompă folosită pentru udarea plantei și un releu prin care aceasta se comandă. Cel de-al doilea compartiment este reprezentat de un rezervor de apă, în care s-a inserat senzorul de nivel, care monitorizează nivelul apei. Cel de-al treilea compartiment este destinat depozitării plantei. Pe lângă aceasta, compartimentul conține cei doi senzori de temperatură, unul inclus în sol și celălalt poziționat sub carcasă pentru a fi protejat de razele directe ale soarelui, deoarece acestea pot influența valoarea măsurata. Tot aici se afla și senzorul de umiditate, care este, de asemenea, fixat în sol.

Pe parcursul lucrării au fost surprinse aspecte importante cu privire la metodele de măsurare ale parametrilor ambientali, precum și caracteristicile, modul de conectare și funcționare ale componentelor. De asemenea, sistemul a fost testat, fiind prezentate aspectele cu privire la funcționarea acestuia.

Datorită faptului că oamenii tratează superficial plantele de interior, consider că acest dispozitiv contribuie la modul în care planta se dezvoltă. Având în vedere faptul că pe parcursul acestui proces atenția oamenilor este scăzută, acest dispozitiv este responsabil de hidratarea și atenționarea posesorului acesteia când lumina este prea slabă, temperatura este prea mare sau prea mică sau nivelul apei din rezervor a scăzut.

Anexă

Programul Arduino, care stă la baza funcționării sistemului:

#include <LiquidCrystal.h>

LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2); //definire pini LCD

int tempPin = A4;

int tempPin2 = A5;

int nivel = 6;

int LDR = A0; //definirea pinilor pentru cele 4 fotorezistente

int LDR2 = A1;

int LDR3 = A2;

int LDR4 = A3;

byte humidity = 7;

int redPin = 9; //definirea pinilor pentru culoarea rosu si albastru

int bluePin = 8;

int pump = 10;

int tempC1;

int tempC2;

int reading;

long tc0 = 0; //declararea variabilelor pentru timpul de functionare a pompei

long tc1 = 0;

long tp2 = 0;

long cc = 0;

long pc = 0;

int vmed; //valoarea medie a luminii de la cei 4 senzori

int sum; //suma valorilor luminii de la cei 4 senzori

int p;

void setup() {

lcd.begin(16, 2);

pinMode(nivel, INPUT);

pinMode(tempPin, INPUT);

pinMode(tempPin2, INPUT);

pinMode(LDR4, INPUT);

pinMode(LDR3, INPUT);

pinMode(LDR2, INPUT);

pinMode(LDR, INPUT);

pinMode(humidity, INPUT);

pinMode(redPin, OUTPUT);

pinMode(bluePin, OUTPUT);

pinMode(pump, OUTPUT);

analogReference(INTERNAL);

Serial.begin(9600);

reading = digitalRead(humidity);

tc0 = millis();

Serial.print("tc0:");

Serial.println(tc0);

}

void loop() {

digitalWrite(bluePin, HIGH);

digitalWrite(redPin, LOW);

lcd.clear();

reading = 0;

reading = analogRead(tempPin);

tempC1 = reading / 9.31;

lcd.setCursor(0, 0);

lcd. print ("Te=");

lcd.print(tempC1);

reading = analogRead(tempPin2);

tempC2 = reading / 9.31;

lcd.setCursor(0, 2);

lcd. print ("Ts=");

lcd.print(tempC2);

if (tempC1 > 30)

{

lcd.setCursor(6, 0);

lcd.print("Temp mare");

digitalWrite(bluePin, LOW);

digitalWrite(redPin, HIGH);

}

if (tempC1 < 15)

{

lcd.setCursor(6, 0);

lcd.print("Temp mica");

digitalWrite(bluePin, LOW);

digitalWrite(redPin, HIGH);

}

reading = digitalRead(humidity);

Serial.print("umiditate:");

Serial.println(reading);

tc1 = millis();

cc = tc1 – tc0;

Serial.println(digitalRead(humidity));

Serial.print("timp c:");

Serial.println(cc);

Serial.print("tc0:");

Serial.println(tc0);

Serial.print("tc1:");

Serial.println(tc1);

if (cc > 10000)

{

tp2 = millis();

pc = tp2 – tc0;

Serial.print("pc:");

Serial.println(pc);

if ((digitalRead(humidity) == HIGH) && (pc < 12000))

{

Serial.println(" ON pompa");

lcd.setCursor(6, 2);

lcd.print("Sol uscat");

digitalWrite(pump, HIGH);

}

else

{

Serial.println(" OFF pompa");

digitalWrite(pump, LOW);

tc0 = millis();

}

}

Serial.println("val lumina");

int v = analogRead(LDR);

int v2 = analogRead(LDR2);

int v3 = analogRead(LDR3);

int v4 = analogRead(LDR4);

sum = v + v2 + v3 + v4;

vmed = sum / 4;

Serial.println(vmed);

p = (vmed * 100) / 700;

Serial.println("Lumina=");

Serial.print(p);

if ((tempC1 <= 30) and (tempC2 >= 15) and (p > 10))

{

lcd.setCursor(6, 0);

lcd.print("Lumina:");

lcd.print(p);

lcd.print("%");

}

if (p < 10)

{

lcd.setCursor(6, 0);

lcd.print("Mod noapte");

delay(1000);

}

else

if (p < 30)

{

lcd.setCursor(6, 2);

lcd.print("Lum slaba");

digitalWrite(bluePin, LOW);

digitalWrite(redPin, HIGH);

}

if (digitalRead(nivel) == HIGH)

{

lcd.setCursor(6, 1);

lcd.print("Lipsa apa");

digitalWrite(bluePin, LOW);

digitalWrite(redPin, HIGH);

}

delay(1000);

}

Bibliografie

Dr.Ing. ALIMPIE IGNEA, “Măsurarea electrică a mărimilor neelectrice”, Editura de Vest, Timișoara, 1996

D. STANCIU, ”Senzori. Prezent și perspectivă”, Editura Tehnică, București, 1987

IOANA OPRIȘ și PETRE BLAGA, ”Măsurarea mărimilor neelectrice”, f.e., f.l., f.a.

I.G. TÂRNOVAN, ”Termometre cu joncțiuni p-n în domeniul 0…100șC”, Bul. Științ. Al Simpozionului RPTEM, Institutul Politehnic Cluj, octombrie 1986

***”Measurement, Instrumentation and Sensors-Handbook”, ediția a II-a, editată de JOHN G. WEBSTER și HALIT EREN, Editura CRC, f.l., f.a.

***”Modern Sensors-Handbook”, editată de Pavel Ripka și Alois Tipek , Editura ISTE, Marea Britanie, 2007

NICOLAE D. DRAGOMIR, ”Măsuri și traductoare: Traductoare si măsurarea mărimilor neelectrice”-volumul II, Litografia Institutului Politehnic Cluj, 1988

NICOLAE D. DRAGOMIR, ”Traductoare pentru măsurarea temperaturii. Termometre și termoregulatoare”, Laboratorul de Metrologie al Institutului Politehnic Cluj, 1989

NICOLAE D.DRAGOMIR ș.a., “Măsurarea electrică a mărimilor neelectrice”-volumul II, Editura Mediamira, Cluj-Napoca, 2002

NICOLAE D.DRAGOMIR ș.a., ”Măsurarea electrică a mărimilor neelectrice”-volumul IV, Editura Mediamira, Cluj-Napoca, 2006

Col. TH. NICOLAU, ”Umidimetre electronice”, Editura Tehnică, București, 1973

V. DOGARU ULIERU și C. CEPIȘCĂ, ”Măsurarea electrică a mărimilor neelectrice”, Editura Electra, București, 2007

***analogReference: https://www.rastating.com/reading-the-room-temperature-with-an-lm35-sensor/07.06.2017

***Arduino Uno V3: https://www.robofun.ro/arduino_uno_v3 03.06.2017

***Arduino Uno: https://www.arduino.cc/en/main/arduinoBoardUno 03.06.2017

***Așezarea locuinței în funcție de soare: https://blog.cosmopolis.ro/cum-sa-ti-alegi-locuinta-ideala-in-functie-de-soare/ 17.05.2017

***Control la distanță: http://blog.parrot.com/wp-content/uploads/2014/12/Capture4.jpg 03.07.2017

***Dioda semiconductoare: https://mail.uaic.ro/~ftufescu/CURS%20DCE-3%20Jonctiuni%20pn.Dioda%20semiconductoare.pdf 05.05.2017

***Electrozi pentru măsurarea umidității solului: https://ro.trotec.com/images/pereche-de-electrozi-rotunzi-ts-008-300-4-mm-afisare-in-trotec-webshop-b2.jpg 08.05.2017

***Factorii care influențează creșterea și dezvoltarea plantelor: http://agroromania.manager.ro/articole/stiri/productie-vegetala-factorii-de-mediu-care-influenteaza-cresterea-si-dezvoltarea-plantelor-10270.html 04.05.2017

***Fotodioda: http://cursuri.flexform.ro/courses/L2/document/Cluj-Napoca/grupa1/Aranyi_Iulia/site/fotodioda.html 03.06.2017

***Fotorezistență: http://www.escol.com.my/Datasheets_specs/GL5528_CdS_.pdf 05.06.2017

***Fototranzistor: http://cursuri.flexform.ro/courses/L2/document/Cluj-Napoca/grupa1/Aranyi_Iulia/site/fototranzistor.html 03.06.2017

***Grafic fotorezistor: http://ap.urpi.fei.stuba.sk/sensorwiki/images/thumb/c/cd/Fotorezistor_VACH.PNG/350px-Fotorezistor_VACH.PNG 06.05.2017

***Importanța luminii: http://flori-si-plante.blogspot.ro/p/lumina.html 03.05.2017

***Importanța temperaturii: http://gabyral.blogspot.ro/2014/01/temperatura-cultura-plantelor-1.html 04.05.2017

***Îngrijirea plantelor: https://www.compo.com/ro/ro/centru-de-informatii/ingrijirea-plantelor-de-interior.html 04.05.2017

***Intensitatea luminoasă: http://luminotehnica.blogspot.ro/ 05.05.2017

***Lampă UV: https://www.aliexpress.com/item/BEST-Grow-Lights-Plant-Lamp-UFO-LED-Lamp-UV-IR-Grow-Tent-Lighting-For-Flowering-Plant/32618123980.html?spm=2114.40010408.3.25.WUJ7X2 03.07.2017

***LCD: https://ardushop.ro/ro/electronice/36-lcd-1602.html 05.06.2017

***LED RGB: https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/YSL-R596CR3G4B5C-C10.pdf 05.06.2017

***Pompă apă: http://www.bujia.ro/piese-auto/pompa-spalator-parbriz/pompa-spalator-parbriz_507417bc58f43_20009701_37.php 05.06.2017

***Poză Arduino Uno: https://www.robomart.com/arduino-uno-online-india 03.06.2017

***Releu: http://tinkbox.ph/sites/tinkbox.ph/files/downloads/KEYES%205V%20Relay%20Module%20KY-019.pdf 05.06.2017

***Senzor de nivel: https://www.pieseauto.ro/senzori-auto/mercedes/s-class-cupe-c140/senzor-nivel-apa-spalare-geam-mercedes-benz-s-364906216.html 04.06.2017

***Senzor de temperatură LM35: https://ardushop.ro/ro/electronice/192-senzor-temperatura-lm35dz.html 03.06.2017

***Senzor de umiditate a solului: https://www.optimusdigital.ro/senzori-senzori-de-umiditate/73-senzor-de-umiditate-a-solului.html 04.06.2017

***Sfaturi pentru îngrijirea plantelor: https://universulflorilor.wordpress.com/page/2/ 17.05.2017

***Temperatura optimă: http://plantesiflori.elixir.ro/domenii.php?mnu=380 17.05.2017

***Termocuplu: http://www.scritub.com/files/tehnica%20mecanica/1918_poze/image004.jpg 05.05.2017

***Termomanometru: http://www.ferro.pl/foto/1/d/TM63A.jpg 05.05.2017

***Termometru cu lichid: https://trusaexploratorului.files.wordpress.com/2012/05/termometru.jpg 05.05.2017

***Udarea plantelor: http://www.horticultorul.ro/flori-de-apartament-gradina/udarea-plantelor-florilor-de-apartament/ 04.05.2017

***Ventilator: http://2.grgs.ro/images/products/1/2/93649/normal/silent-fan-120-si1-5eded8886dcf4ee220add0292e67a417.jpg 03.07.2017