Instalatie Pentru Prevenirea Inundatiilor In Casa

Introducere

Ideea acestei teme a apărut in urma necesităților și confortului de zi cu zi. O inundație în locuința, atunci când proprietarul nu este acasă poate avea urmari grave. Pentru a evita aceste neplăceri, dar și pentru a crea un nivel ridicat de confort și relaxare, se impune monitorizarea și controlul instalațiilor din locuință , dar și implementarea acestei instalații, care sa trimită semnale de avertizare locale și chiar la distantă, prin SMS.

O astfel de instalație automată pentru prevenirea inundației in casă are trei componente principale:

-senzorul de apă ( umiditate)

– unitatea centrală pentru recepționarea si transmiterea comenzii

– electrovalva

În capitolul 1 sunt prezentate câteva concepte generale despre senzori și principiul de funcționare al senzorilor de umiditate capacitivi și rezistivi . Capirolul 2 cuprinde o scurtă clasificare a electrovalvelor și un exemplu de electrovalvă pe baza unei fise tehnice. Capitolul 3 descrie un sistem de prevenire a inundațiilor in casa existent pe piață.Capitolul 4 descrie sistemul propus pentru prevenirea inundațiilor în casă, bazat pe un modul Arduino.

Capitolul 1.Senzori

1.1 Concepte generale despre senzori

Majoritatea autorilor de specialitate foslosesc sintagma „senzori și traductoare” [1] deoarece este dificil de conceput o definiție unitara pentru senzori.

Senzorul, conform DEX ’98 (dictionarului explicativ al limbii române) ,este un dispozitiv (ultrasensibil) care sesizează un anumit fenomen, iar conform MDN (marele dictionar de neologisme) acesta reprezinta un  dispozitiv pentru generarea unui semnal care să indice apariția unei situații date sau să reprezinte variația unui parametru într-un fenomen.

„De la cuvântul latin „sensus”, provine denumirea de sensor, care însemnă simț și înainte de a fi adoptat pentru sisteme tehnice, a fost și este utilizat pentru a desemna capacitățile organelor de simț ale oamenilor și ale organismelor vii, de a culege și prelucra informații din mediul înconjurător și a le transmite creierului. . În acest proces mărimile fizice, neelectrice, sunt convertite în semnale electrice, pe care creierul le poate prelua și interpreta și pe baza cărora coordonează acțiunile mușchilor. Modelul din biologie îl întâlnim, în mare măsură, la sistemele tehnice, astfel că nu este inutilă o scurtă trecere în revistă a sistemelor senzoriale ale omului, cu unele comentarii privind contribuția acestora în supravegherea proceselor de producție de către om. Cea mai solicitată și importantă funcție senzorială este cea vizuală, care asigură cantitatea preponderentă de informație, având și cea mai mare viteză de transfer (cc.3.106 biți/s).”[1]

„Vederea facilitează omului cvasi-totalitatea acțiunilor de investigare a mediului, identificarea obiectelor și a configurației, poziției și orientării lor, aprecierea distanțelor. Extraordinara perfecționare a simțului vizual explică, poate, absența altor senzori de investigare la om, cum ar fi cei ultrasonici, cu care sunt dotate specii de animale, ca lilieci,delfini, balene ș.a. Funcția ochiului nu se rezumă la simpla preluare a unei imagini pe retină și transmiterea ei către creier, ci presupune și o serie de reglări inteligente, prin intermediul mușchilor optici, ale cristalinului și irisului, precum și o prelucrare și compresie a datelor transmise.”[1]

„Simțul auzului permite omului recepționarea undelor sonore din domeniul "audio", având frecvențe cuprinse între aproximativ 16 Hz și 16 kHz. Rata de transfer a informației auditive este de circa 2.104 biți/s. Acest simț stă la baza comunicației dintre oameni; asigură și funcții de investigare a mediului, prin receptarea unor sunete, precum și funcții de supraveghere a procesului de producție, în baza unor semnale sonore provenite de la sisteme de avertizare, a unor zgomote anormale. Foarte importantă, inclusiv în procesele de producție, este sensibilitatea cutanată a omului, asigurată de multipli receptori implantați în piele. Au fost identificate următoarele forme de sensibilitate cutanată: sensibilitatea tactilă, sensibilitatea termică și sensibilitatea dureroasă. Cele trei feluri de sensibilitate cutanată nu sunt răspândite uniform pe suprafața pielii. Sensibilitatea tactilă este dezvoltată, în special, pe pielea de pe fața volară a vârfurilor degetelor, iar sensibilitatea termică este mai accentuată pe fața dorsală a mânii, unde există și o sensibilitate dureroasă accentuată. Receptorii cutanați sunt specializați. Simțul mirosului (olfactiv) (102 biți/s) și cel gustativ (10 biți/s) sunt extrem de utile omului în viața de zi cu zi, dar utilizate de om într-un număr restrâns de procese de producție, din industria alimentară, cea cosmetic.” [1]

„Dacă inițial preluarea de către om a informațiilor din lumea înconjurătoare s-a bazat pe cele cinci organe de simț, prin dezvoltarea senzorilor, informațiile se pot percepe , simții și distinge astfel:

-vederea (senzori optici)

-mirosul (senzori de gaze și umiditate)

-auzul(senzori acustici și de presiune)

-pipăitul(senzori termici și de presiune)

-gustul(senzori de compoziții chimice)” [5]

Traductorul este acceptat, de majoritatea autorilor de specialitate, ca dispozitivul capabil să convertească energia dintr-o formă în alta.

“Această conversie este făcută înainte și după unitatea de prelucrare, astfel traductoarele sunt la interfața fizică dintre sistemul de măsurare (sistemul electronic) și procesele sau experimentele ce se studiază sau controlează.

În tehnologia românească “traductor” înseamnă în mod curent “traductor de măsura”, având înglobat “senzorul” și eventualele circuite de prelucrare adiacente. De exemplu, termorezistența este un sensor, pe când termorezistența plus circuitul de condiționare înglobat formează un traductor.

În limba engleză, termenul de „trasmitter” se utilizează uneori pentru combinație senzor – condiționor de semnal.

Acest sens a termenului „traductor” în limba română vine în contradicție, de exemplu, cu noțiunea de „senzor integrat” sau de „senzor inteligent” care, de asemenea, conțin senzori și circuite de prelucrare a semnalului. ”[2]

„În literatura franceză există aceiași problemă. Mai mult chiar în ambele limbi există doi termeni: traductor („traducteur”) și transductor („transducteur”), ce pot conduce la unele confuzii.

Două dintre principalele criterii după care se clasifică traductoarele sunt:

• poziția pe care o ocupă în sistemul de măsurare;

• modul de obținere a energiei la ieșirea traductorului.

După poziția pe care o ocupă în sistemul de măsură traductoarele se clasifică în:

• elemente sensibile (senzori);

• elemente de execuție.

Dacă traductorul se găsește la intrarea sistemului de măsură este denumit senzor, pentru că sesizează (simte) mărimea fizică dorită și o convertește în altă formă de energie. De altfel, termenul „senzor” sugerează extensia achiziției de informații la mărimi nepercepute de simțurile umane.

Când traductorul se află la ieșire sistemului de măsurare este denumit element de execuție (executor) sau element de acționare („actuator”), pentru că el convertește energia primită într-o formă de energie la care este sensibil (poate reacționa) un sistem independent (biologic său tehnic).

Pentru un observator uman (sistem biologic) elementul de execuție poate fi un ecran de calculator, un instrument de măsură indicator (aparat electromecanic) sau un difuzor, la care pot reacționa sensorii vizuali sau acustici.

Pentru un sistem tehnic elementul de execuție poate fi un dispozitiv de perforat, un dispozitiv de închidere a unei uși etc. “ [2]

„În zilele noastre,domeniul funcțiilor senzoriale ale omului este în continuă creștere , deoarece omul nu se mai bazeasa doar pe organele sale de simț, ci pe diferitele tipuri de senzori, destinați măsurării și analizării diverselor fenomene.” [5]

1.2.Clasificarea generală a senzorilor:

„Răspândirea senzorilor fiind atât de vastă, iar datorită marii diversități a principiilor de conversie a mărimilor fizice în mărimi electrice, precum și a soluțiilor de implementare a acestor principii, este greu de făcut o clasificare exactă a acestara, dar vom prezenta câteva criterii considerate mai importante.”[1]

„După tehnologiile utilizate pentru realizarea lor:

– tehnologii ale materialelor feromagnetice; piezo-ceramice;

– tehnologii ale microeelectronicii și microsistemelor;

– tehnologii ale staturilor subțiri; groase;

– tehnologii pentru materiale sinterizate;

– tehnologii ale foliilor.

Materialele folosite la construcția senzorilor pot fi:

– anorganice,

– organice,

– conductoare,

– semiconductoare,

– izolatoare (dielectric), etc.

După raportarea mărimii măsurate:

– senzori absoluți

– senzori relativi

După mărimea de intrare:

– pentru mărimi electrice

– pentru mărimi neelectrice

După tipul mărimii fizice de intrare:

– absoluți, când semnalul electric de ieșire poate reprezenta toate valorile posibile ale mărimii fizice de intrare, raportate la o origine (referință) aleasă;

– incrementali, când nu poate fi stabilită o origine pentru toate punctele din cadrul domeniului de măsurare, ci fiecare valoare măsurată reprezintă originea pentru cea următoare.

După mărimea electrică de ieșire:

– cu ieșire în tensiune

– cu ieșire în curent

După tipul mărimii de ieșire:

– senzori analogici, pentru care semnalul de ieșire este în permanență proporțional cu mărimea fizică de intrare;

– senzori numerici (digitali), la care semnalul de ieșire poate lua numai un număr limitat de valori discrete, care permit cuantificarea semnalului fizic de intrare.”[1]

„După semnalul de ieșire din punctul de vedere al numărului de valori posibile, pot fi puse în evidență alte două clase distincte:

– senzori binari, care prezintă la ieșire numai două valori distincte;

– senzori cu un număr mare de valori, pentru măsurarea unei mărimi într-o anumită plajă; pot fi analogici sau numerici.

După numărul elementelor traductoare și de numărul de dimensiuni atribuite valorilor măsurate:

– scalari (un traductor, o dimensiune)

– vectoriali (măsurări după trei direcții ortogonale)

– matriciali (un anumit număr de traductoare dispuse după o matrice mono-, bi- sau tridimensională).

După domeniul în care sunt utilizați în:

– industrie ( chimică, militară, civilă)

– aeronautică

– automotive (industria auto),

– agricultură,

– medicină,

– robotică

– protecția mediului

– automatizarea clădirilor și locuințelor” [1]

Deoarece sunt foarte multe tipuri de senzori, clasificați după diferite criterii, vom amintii o clasificare sumară în funcție de natura mărimii de iestire. “Astfel senzorul poate fi modelat prin:

-impedantă (R,L,C) – sensor pasiv (parametric)

– sursă de energie – senzor activ (generator)

a)Senzorul activ (generator) furnizează la ieșire un semnal electric. Acest semnal electric poate fi o tensiune electrică ,o sarcină electrică sau un curent electric. Acest tip de sensor este exemplificat printr-o schrma electrică –schema Thevenin(figura 1.1), unde eneratorul de tensiune e(m) este plasat în serie cu o impedanță Z, în general de natura rezistivă , deoarece tensiunea e(m) este practic constantă în timp.”[5]

Fig.1.1 Modelarea senzorilor generatori[5]

„Dacă pentru un sensor semnalul informațional este reprezent de intensitatea curentului electric, modelarea se face printr-o sursă de curent i(m). Schema electrică a senzorului este o schemă Norton unde, gemeratorul de curent (m) este plasat în paralel cu impedanța internă a senzoruli, adică un resistor (Rs) plasat în paralel cu un condensator electric (Cs).”[5]

b)Senzorul pasiv (parametric) își variază impedanța sub acțiunea mărimii ce trebuie măsurată și are nevoie de o sursă exterioară de energie pentru extragera unui semnal electric util. Ansamblul sensor activ-sursă de alimentare este cel ce crează semnalul electric al cărui caracteristici (amplitudine, frecventă) trebuie legate de cele ale mărimii de intrare.

“Senzorii rezistivi, inductivi și capacitivi fac parte din această categorie.

Senzorul rezistiv, din punct de vedere electric, este un resistor a cărui rezistentă electrică este determinată de relația:



unde: F(a,b,c) este funcție de geometria și dimensiunile a, b și c ale conductorului, iar reprezintă conductivitatea materialului:

e (pp+nn) (1.2)

unde: e reprezintă sarcina electrică elementară, p și n sunt mobilitățile golurilor de concentrație p și electronilor de concentrație n.

Senzorii inductivi au una sau mai multe înfășurări de măsură tranzversale, de un flux magnetic care depunde de mărimea ce trebuie măsurată (ca de exemplu: o poziti/deplasare unghiulară/liniara). În general se spune că mărimea ce trebuie măsurată acționează asupra inductivității proprii sau mutuale a senzorului

Senzorul capacitiv este reprezenntat de către condensator, acesta fiind în genral un condensator plan sau cilindric., a cărui capacitate electrică se determina cu relațiile:

-pentru condensatorul plan:

Cr(1.3)

unde: A reprezintă aria armaturii, d reprezintă distanța între armature, prmitiviteatea absolută a vidului șir permitivitatea relativă a dielectricului.

-pentru condensatorul cilindric:

(1.4)

unde: r2 reprezintă raza cilindrului exterior , r1 raza cilindrului interior, iar l este lungimea condensatorului.

Mărimea ce trebuie măsurată provoacă o variație a capacității electrice prin modificarea permitivității relative a dielectricului sau a parametrilor geometrici.”[5]

1.3.Caracteristicile primare ale senzorilor (traductoarelor)

Vom prezenta caracteristicile primare ale senzorilor (traductoarelor) folosite în controlul factorilor de mediu, cu referire în special la calitatea apei, sunt următoarele:

„Funcția de transfer – este caracteristica cea mai importantă a unui senzor. Reprezintă expresia relației dintre semnalul de intrare (de exemplu, concentrația unei anumite specii de determinat, temperatura, presiunea, etc.) și semnalul de ieșire al senzorului.

Sensibilitatea (limită de detecție) – este definită drept concentrația cea mai scăzută în specia urmărită, care conduce la apariția unui semnal care poate fi distins de semnalul obținut prin măsurători paralele în probele martor.

Selectivitatea unui traductor se referă la efectul interferențelor cauzate de ioni sau molecule, altele decât specia urmărită. Întrucât la marea majoritate a traductoarelor nu se poate asigura un procent de 100 % a selectivității, este important să se cunoască limitele de selectivitate într-o soluție test dată.

Stabilitatea semnalului în timp: această caracteristică primară se referă, în general, la modificarea performanțelor traductoarelor (T) în timp din cauza unor diverși factori. Cunoașterea stabilității senzorului (traductorului) în timp permite stabilirea frecvenței de verificare și recalibrare a acestuia.

Timpul de răspuns: decalajul în timp dintre variația semnalului de intrare și variația corespunzătoare semnalului de ieșire a traductorului respectiv.

Gradul de participare al senzorului – gradul de participare al senzorului la interacțiunea cu sistemul studiat trebuie să fie redus datorită eliminării perturbațiilor cauzate de prezența senzorului în sistem (exemplu: consum de materii).

Siguranța în exploatare – presupune asigurarea unui grad de fiabilitate a sistemului de măsură, care este garantat de producător pentru o anumită durată de funcționare a traductorului și este de dorit să fie cât mai mare.

Fiabilitatea sistemului de măsură este definită ca numărul maxim de defecțiuni a sistemului într-un anumit interval de timp. În aceste condiții, traductorul trebuie să realizeze măsurarea mărimilor dorite în conformitate cu caracteristicile stabilite de producător.

Economicitatea este o caracteristică a unui senzor (traductor),

care se poate realiza pornind de la producător și ajungând pânã la utilizator. La producător, economicitatea se poate realiza fie prin întrebuințarea unor materiale cu preț de cost redus, fie prin introducerea robotizãrii în procesul de fabricație de serie, folosind

tehnologii de tip hightech (de exemplu: fabricarea senzorilor de tip micro-chip).”[7]

1.3.1.Caracteristicile secundare ale senzorilor

„Caracteristicile secundare ale unui senzor sunt definite ca efecte indirecte ale funcționării senzorului în condiții diferite ambientale, asupra răspunsului generat de sistemul de analiza realizat pe baza senzorului.Caracteristicile secundare ale senzorilor sunt necesare pentru asigurarea unor modalități tehnice de compensare sau autocompensare a influenței condițiilor de analiză asupra validității rezultatelor măsurătorilor. Dacă în cadrul unor măsurători a calității apelor de suprafața, o serie de parametri pot fi menținuți constanți (cum ar fi: viteza de agitare la suprafața membranei senzorului de tip electrod ion selectiv, presiunea apei în celulele de măsurare a gazelor dizolvate, folosind membrane gaz permeabile), influenta altor parametri (cum ar fi: temperatura, tăria ionică etc.) asupra răspunsului generat de senzori este relativ greu de cuantificat. Din această cauză se impune compensația răspunsului senzorilor la influența unor mărimi caracteristici secundare.” [7]

1.4. Senzor de umiditate. Măsurarea umidității

1.4.1 Principalii indicatori ai umidității

Dacă ne raportăm la cantitatea de vapori de apă conținută, aerul umed poate fi clasificat în:

-nesaturat

– săturat

-suprasaturat

“Umiditatea absolută (Ua) este definită că raportul dintre masa vaporilor de apă conținută efectiv într-un anumit volum de aer sau gaz la temperatura existentă în acel moment și volumul de aer.

(1.5)

unde: masa vaporilor de apă (MV), exprimat în grame, iar volumul de aer (V) ,exprimat în m3.

Umiditatea absolută are variații cu altitudinea. În cazul când aerul umed este săturat cu vapori de apă, umiditatea absolută devine maximă (umiditate de saturație).

Umiditatea de saturație (Uș) este raportul dintre masa cea mai mare de vapori de apă, MVs, care poate fi conținută într-un volum de aer, V, la o anumită temperatură și acel volum.

(1.6)

unde: MVs reprezintă masa vaporilor de apă în saturație.

Umiditatea relativă (Ur) este raportul, în procente, dintre umiditatea absolută (Ua) și umiditatea de saturație (Uș) considerate la aceeași temperatură și presiune barometrică.
(1.7)

În aceelasi timp se calculeazaca un raport între ew- presiunea de vapori desupra apei lichide la temperature punctului de rouăTd și ews- presiunea vaporilor saturați deasupra apei lichide la temperatura T.

(1.8)

Temperatura de rouă (ºC) este temperatura la care trebuie răcit aerul umed pentru a atinge saturația (punctul de rouă). Aparatele folosite pentru măsurarea umidității sunt denumite umidimetre, iar cele specifice măsurării umidității aerului (gazelor) sunt denumite higrometre și psihrometre.”[2]

1.4.2.Modalități de măsurare a umidității

„Dintre metodele existente de măsurare a umidității aerului (gazelor) și solului amintim:

– metode bazate pe deformări mecanice.

– metode bazate pe variația impedanței.

– metode bazate pe absorbția energiei undelor electromagnetice (radiației în infraroșu sau ultraviolet).

– metode bazate pe măsurarea diferenței psihrometrice.

– metode bazate pe efectul piezoelectric.

– metode electrolitice.

– metode bazate pe rezonanța magnetică nucleară.

– metode bazate pe efecte nucleare.”[2]

1.4.2.1 Metode bazate pe variația impedanței

„Aceste metode prezintă un interes deosebit pentru scopul urmărit în această lucrare.Metodele utilizează variația impedanței (rezistență, capacitate) cu umiditatea aerului, a solului, etc. a)Higrometre resistive

Elementul sensibil la umiditate de tip rezistiv, Rh, este introdus într-o punte, unde compensarea cu temperatura se face cu ajutorul termistorului, Rt, așa cum se sugerează în Fig.1.2

Termistorul micșorează efectul temperaturii asupra rezistenței traductorului de umiditate.

Elementul sensibil la umiditate poate fi pe bază de polistiren sulfonat, având termistorul de compensare cu temperatura, integrat în traductor.

Fig.1.2 Umidimetru (higrometru) rezistiv[2]

Puntea lucrează dezechilibrat, astfel la introducerea senzorului rezistiv Rh în mediul a cărui umiditate se măsoară, rezistența acestuia se modifică,determinând apariția unei tensiuni de dezechilibru, ΔU, ce este dependentă deumiditate, tensiune care este amplificată și prelucrată în vederea afișăriirezultatului.

Pentru măsurarea temperaturii se poate utiliza un termometru cu traductor de platină.

Acest sistem de măsurare, având un domeniu de măsurare al temperaturii 0 C ÷ 50 °C și un domeniu de măsurare al umidității 15 % ÷ 99 % (incertitudinea 3 %), poate fi utilizat la determinarea confortului termic și higric în săli, incinte, etc.

De asemenea, măsurarea umidității solului se poate face folosind traductoare rezistive absorbante, de o complexitate mai mare. Traductoarele sunt introduse în sol la diverse adâncimi și pot fi menținute acolo timp îndelungat (până la zece ani), rezultând de aici cerințe de compatibilitate chimică, sensibilitate ridicată, timp de răspuns rapid (absorbție – desorbție),duritate mare.”[2]

„Traductoarele trebuie să aibă mare capacitate de absorbție pentru a sesiza variații ale umidității solului între 5 % și 80 % pentru rezistențe de sute de kΩ. El poate constitui unul din brațele unei punți alimentată de un generator de curent constant, de exemplu, cu o frecvență de 2 kHz. “[2]

“În vederea unei măsurări și înregistrări continue a umidității, se poate face echilibrarea automată a punții. Umidimetrele pot fi portabile sau staționare, în funcție de zona de interes.

b) Higrometrele capacitive se bazează pe variația permitivității unor materiale poroase (r=1÷10) la absorbția umidității din atmosferă (pentru apă, permitivitatea relativă variază de lar=88pentru temperatura de 0°C la r= 55pentru temperatura de 100 °C).

Se utilizează traductoare capacitive, având ca dielectric oxidul de aluminiu (Al2O3) sau polimerii.

Astfel, pe partea oxidată a unei plăcuțe din aluminiu se depune un strat de aur poros care lasă umiditatea să treacă la dielectric, și se măsoară capacitate dintre startul de aur și aluminiu.

De asemenea, traductorul de tip capacitiv poate fi format dintr-un disc din material plastic (dielectric) pe ale cărui fețe se depun pelicule de aur.

Aceste traductoare de tip capacitiv sunt introduse în oscilatoare, punți, convertoare capacitate-tensiune.

Așa cum se prezintă în Fig. 1.3 a, umiditatea mediului modifică constanta dielectrică a senzorului capacitiv, Cx, care la rândul ei modifică frecvența de rezonanță a unui circuit oscilant, fx, frecvență ce este măsurată cu un frecvențmetru numeric și din a cărei valoare se extrage informația de umiditate.

Fig.1.3 Umidimetru (higrometru) capacitiv[2]: a) principiu; b) Măsurare diferențială

Pentru măsurarea umidității unor materiale, senzorul capacitiv este format din două armături (două discuri din material conductor) între care se introduce eșantionul a cărui umiditate se măsoară.”

„Mai mult chiar, se poate utiliza o metodă diferențială în vederea eliminării influenței umidității mediului în care se efectuează măsurarea asupra rezultatului ei, așa cum se sugerează în Fig 1.3 b, sau pentru măsurarea diferenței de umiditate între două eșantioane.

Capacitate Cm este o măsură a umidității aerului, care constituie dielectricul, iar capacitatea Cp este o măsură a umidității eșantionului, ce se află între cele două armături. La ieșirea mixerului se obține diferența, Δf, a celor două frecvențe de oscilație, care este corelată cu diferența de umiditate.” [2]

c)Senzor rezistiv de umiditate

Principiul de funcționare :

„Un conductor dintr-un material omogen, de lungime l și suprafață S, are o rezistență electrică dată de formula cunoscută: (1.9) ; unde ρ este rezistivitatea electrică care depinde de material.

Principiul de funcționare al unui senzor rezistiv pornește de la această relație, senzorul fiind o rezistență de construcție specială care-și modifica una dintre mărimile care intervin în relația ce dă valoarea rezistenței, de cele mai multe ori lungimea și uneori rezistivitatea.

Modificarea lungimii se face obișnuit construind o rezistență de lungime fixa dar care are un contact alunecător la unul din capete care prin deplasare spre contactul fix provoacă micșorarea lungimii și deci a rezistenței intre contacte

Senzorilor rezistivi de umiditate sunt construiți din material higroscopic, a căror rezistivitate este influențată de concentrația de molecule de apă absorbite. Doi electrozi tip piaptăne întrepătrunși sunt montați pe un support higroscopic de gel semiconductor.

Fig. 1.4 Senzor rezistiv de umiditate[3]

Rezistența electrică între electrozii conectați la terminalele senzorului depinde de rezistivitatea stratului de material higroscopic depus între structură metalică a electrozilor care la rândul ei depinde de umiditate.”[3]

d)Senzor capacitiv de umiditate

Principiul de funcționare :

„Există două feluri de senzori capacitivi. Primul este de fapt un condensator care are capacitatea data de relația generală (1.10)

Fig.1.5 a) b)

Un astfel de senzor este format din două plăci metalice între care este o a treia, din material dielectric. Valoarea capacității astfel formate poate fi moficata prin modificarea termenilor relației. Se pot modifica mărimile geometrice, distanța între armaturi, d, sau aria A (figura 1.5 a ) din stânga sus) dar și permitivitatea dielectrică, ε, prin deplasarea dielectricului (figura1.5 b) din dreapta sus) “[3]

Structura senzorului capacitiv de umiditate relativă este prezentat în figura1.6 b)[8]

Fig1.6 a) Senzor capacitiv de umiditate[3] Fig.1.6 b)[8]

1.4.3.Specificații tehnice senzor rezistiv de umiditate

Senzor de umiditate rezistiv : seria SYH-2R [9]

a)Tipul senzorului

b)Configurație:

Configurația și dimensiulile senzorului SYH-2R standard sunt prezentate în figură:

a)fără capsulă b)capsulat

c) Caracteristicile electrice

– tensiune mominala : max. ac. 5 Vpp (recomandat 1 VRMS)

– putere nominală : 0.26mW (la 1VRMS)

– caracteristica standard : 33㏀ (la 25°C, 60%RH, 1VRMS, 1kHz) [Fig.1.7]

– temperatura de lucru : -20°C – 85°C [Fig. 1.9]

– interval de valori pentru umiditate relativă : 10 – 95% RH

– interval de valori la frecvenței : 100Hz ~ 10kHz [Fig.1.8]

– intervalul temperaturii de depozitare : -30 – 85°C

– intervalul umidității de depozitare: > 95%RH

– Acuratețe: ±3%RH (la 25°C, 60%RH)

– Hysteresis : între 2%RH (at 25°C, 4080%RH)

-Timp de răspuns : < 45 sec. (3090%RH), T80)

-Coeficientul de temperatură : – 0.5%RH / °C

d) Exemplu pentru schema tipică de conectare

Vin = RT/(RT+RH)*VDD

RH: Senzor de umiditate

RT: R(25°C) = 50kΩ, B(25/85°C) = 4650

Fig.1.7.Caracteristica temperatura-umiditate relativa Fig.1.8.Caracteristica pentru frecventa

Fig.1.9.Caracteristica limitelor normale de functionare

1.4.4.Specificații tehnice senzor capacitiv de umiditate

Senzor capacitiv de umiditate HC201 [10]

-Capacitate nominală C76 (la 20°C / 68°F) 200 ± 30 pF

-Senzibilitate 0.6 pF / % RH

-Plajă de valori pentru umiditatre 10…95% RH

-Temperatura -40…110°C (-40…230°F)

-Eraoarea liniara (20…90% RH) < ± 2% RH

-Hysteresis 2.0 ± 0.3% RH

-Timp de răspuns t90 < 15 sec

-Dependența de temperatură [%RH /°C] ΔRH = g * RH * (T – 20) g = -0.004 ± 10 %

-Sensibilitatea pe termen lung la 20-30°C (68-86°F) / 20-80% RH

-Tensiunea maximă de alimentare =5 V max (Upp) (tensiune alternativă)

-Tensiune continua maximă < 5 mV

-Frecvența de lucru = 10…100 kHz, se recomandă 20 kHz

-Material folosit: bronz și fosfor acoperit într-un film subțire de staniu

De-a lungul gamei de lucru capacitatea crește cu o valoare medie de aproximativ 50pF. Pentru plajă de 20–90% RH, se pot aproxima liniar valorile umidității relative, cu erori de maxim ± 2% RH.

Caracteristică grafică a senzorului este descrisă , liniar, de formula:

C(RH) = C76 * [1 + HK * (RH – 76)]; unde HK = 2700 ± 250 ppm /% RH

Fig.1.10.Caracteristica umiditare relativă-temperatura

Gama de lucru pentru senzorul de umiditate HC201 este prezentată prin caracteristică umiditare relativa-temperatura. Dincolo de limitele caracteristicii senzorul nu va înceta să funcționeze, dar specificațiile tehnice nu mai sunt garantate.

.

Fig.1.11.Caracteristica umiditare relativă-temperatura

În concluzie:

Deși senzorii capacitivi prezintă caracteristici mai bune din punct de vedere al temperaturi de lucru (pot functiona pana la 200°C)[8], al rezistenței la agenti chimici și al masurării umiditații in condiții de condens, totuși, am ales sa folosim un senzor rezistiv. Senzorii rzistivi sunt interschimbabili si sunt mai usor de reglat (calibrat) decat cei capacitivi și au avantajul ca sunt mai ieftini. Senzorul rezistiv folosit pentru instalația noastra este prezentat în capitolul 4.

Capitolul 2. Electrovalve si unitatea centrală de comandă

Electrovalve sunt de fapt distribuitoarele (pneumatice sau hidraulice) comandate electric. Acestea sunt echipamente utilizate frecvent în sistemele de automatizare.„Ele reprezintă de fapt interfața între unitatea de comandă și subsistemul de putere pneumatic sau hidraulic. Electrovalvele pot fi cu acționare directă sau cu acționare indirectă (pilotate). În primul caz ele au dimensiuni mici și sunt destinate pentru a controla debite mici; în general electrovalvele cu acționare directă deservesc microcilindri sau sunt folosite ca piloți în construcțiile cu acționare indirectă. Electrovalvele întâlnite în mod frecvent în sistemele de acționare pneumatice și hidraulice sunt cu acționare indirectă. În general, firmele producătoare de echipamente pneumatic sau hidraulice realizează distribuitoare într-o construcție modulară, cu posibilitatea interschimbabilității subansamblului de comandă . Acest lucru facilitează obținerea unor electrovalve – în fapt distribuitoare pneumatice sau hidraulice comandate cu semnale electrice – prin acționarea elementului mobil al subansamblului de distribuție cu ajutorul unor piloți.” [13]

2.1. Generalități despre distribuitoare

Caseta reprezintă baza simbolizării distribuitoarelor. Distribuitorul va fi reprezentat prin casete multiple. Fiecare casetă reprezintă o pozițe fixă a organului de distribție.

Fig.2.1.Exemplu de diferite tipuri de distribuitoare[15]

„Se va indica cu ajutorul săgeților, căile de comunicare între orificii, sensul de trecere fiind indicat de varful săgeții. Fiecare poziție a distribuitorului corespunde unei functii precise. In caseta corespunzătoare există reprezentarea acestei funcții. Pentru a interpreta notarea racordurilor este necesar să fie cunoscută semnificația notațiilor.

Există doua tipuri de notatii: numerică și literală” [15]

În practică poate fi intalnită una din cele doua tipuri sau combinate (tabelul 2.1).

Tabel 2.1: Corespondența și notarea racordurilor

„Pentru calea de alimentare se va utiliza litera P. Ieșirile unui distribuitor la consumatori sunt marcate ci literele A pentru o direcție si B pentru cea de-a doua direcție. Descărcatea (ventilarea,evacuarea) este indicată cu E (sauT),iar atunci când sunt doua orificii de descărcare se vor nota cu EA și EB. Orificiul pilot care conectează sursa de putere (areul sub presiune,apa, ulei etc.) la conducta A este notat cu X iar orificiul pilot care leagă sursa de putere cu B este notat cu Y.” [15]

„Distribuitoarele pot asigura, după modul de construcție, pornirea, oprirea, alegerea căii de curgere, diviziunea și reunirea fluxului de lichid. Ele pot fi construite după principiul supapei sau a sertărașului. Cele de tip supapă pot fi cu bile, cu scaune conice sau supape propriu-zise. Distribuitoarele cu sertărașe pot avea sertărașe plane, rotitoare sau de tip piston (plunjere). Ultimele au cea mai mare răspândire, cu ele putând fi comandate debite și presiuni mari, dar cu gabarite reduse. În figură 2.2 este prezentat un asemenea distribuitor, cu patru legături și trei poziții (4/3) în poziția de cuplare "0".” [11]

Fig. 2.2. Distribuitor 4/3 (fără partea de acționare).[11]

„Distribuitorul constă, în general, din: carcasa 1, (având un alezaj central întrerupt de trei canale radiale principale, cel din mijloc comunicând cu sursa de presiune P, canalele vecine cu partea A și B a motorului, iar cele două canale extreme, cu diametru mai mic cu rezervorul notat cu R sau T), sertarul (plunjerul) 2, menținut în poziție centrată de arcurile 3 și piesele 4 și 5.

În această poziție, care este numită poziție normală sau de zero, care se aplică orcărui apărat atunci când el nu este acționat, racordurile aparatului nu comunică între ele.” [11]

Fig. 2.3. Simbolizarea distribuitorului 4/3.

„Simbolul complet al distribuitorului este prezentat în figura 2.3. Distribuitorul are raportul 4/3, 4 fiind numărul racordurilor, iar 3 numărul pozițiilor de lucru. Dintr-un distribuitor cu 4 căi se obține unul cu 3 căi prin închiderea unei legături. Prin modificarea poziției de mijloc, fixă, a plunjerului cu ajutorul unui alt arc, se obține un distribuitor cu două poziții. Distribuitoarele cu mai mult de 4 căi și 3 poziții sunt folosite rar la acționările hidraulice a mașinilor-unelte. Comutarea dintr-o poziție în alta, se poate realiza manual nereținut sau reținut, figura 2.4, mecanic, hidraulic, pneumatic sau cel mai des cu ajutorul unui electromagnet, figura 4.5.”[11]

Fig. 2.4. Sistem de comutare manuală cu autoreținere.[11]

Electromagnet de curent alternativ Electromagnet de curent continuu

Fig. 2.5. Electromagneți de acționare pentru distribuitoare.[11]

2.2 Exemplu de electrovalvă

Ventil electromagnetic motorizat cu 2/2 cai TipEV220B DN 15-50 [14]

Acest tip de electrovalvă se poate folosit pentru:

– aplicații industriale robuste

– apă, abur, petrol, aer comprimat si alte medii neutre similare

Catacteristici:

-domeniul de variație a debitului pentru apă: 2.2 – 160 m3/h

– presiunea diferențială: Maximum 16 bari

– temperatura ambiantă: Max +80°C

– temperatura fluidului de lucru: -30°C…+140°C

– Racorduri filetate: G 1/2" … G2"

– Amortizare socuri hidraulice

– Filtru încorporat pentru protecția sistemului pilot

– Funcție pentru reglarea duratei de închidere

Simbolul arata pozitia electrovalvei la intreruperea alimentarii cu tensiune:

a) ventil normal închis b)ventil normal deschis

Principiu de funcționare: Alimentarea bobinei este deconectată (închis):

„La deconectarea alimentării, placa ventilului (3) este presată pe orificiul pilot (4) de către resortul armăturii (2). Presiunea de pe diafragma (5) este acumulată prin intermediul orificiului de egalizare (7). Diafragma închide orificiul principal (6) imediat ce presiunea de pe diafragmă este egalã cu presiunea de admisie.

Ventilul va fi închis pe durata intervalului în care bobina este deconectată.

Alimentarea bobinei este conectată (deschis): La alimentarea bobinei (1), orificiul pilot (4) este deschis. Deoarece orificiul pilot este mai larg decât orificiulde egalizare (7), presiunea pediafragma (5) scade și aceasta eliberează orificiul principal (6).Ventilul este deschis complet și va rămâne astfel cât timp este menținută presiunea diferențialâ minimă în ventil și bobina se află sub tensiune.” [14]

Fig.2.6 Electrovalva EV220B

Fig.2.7.Circulatia apei pei electrovalvă

Alimentarea bobinei este deconectatã (deschis):

„La deconectarea alimentării, orificiul pilot (4) este deschis. Deoarece orificiul pilot este mai larg decât orificiul de egalizare (7), presiunea pe diafragmă (5) scade și aceasta eliberează orificiul principal (6). Ventilul este deschis complet și va rămâne astfel cât timp este menținută presiunea diferențială minimă în ventil și bobina este deconectată.

Alimentarea bobinei este conectată(închis): La alimentarea bobinei (1), placă ventilului (3) este presată pe orificiul pilot (4) de către resortul armăturii (2). Presiunea de pe diafragmă (5) este acumulată prin intermediul orificiului de egalizare (7). Diafragma închide orificiul principal (6) imediat ce presiunea de pe diafragmã este egală cu presiunea de admisie. Ventilul va fi închis pe durata intervalului în care bobina se află sub tensiune.” [14]

Bobinele cu care sunt echipate electrovalvele, uzual, au următoarele tensiuni de alimentare: 12V, 24V și 230V.

Fig 2.8 Bobine de alimentare

2.3.Unitatea centrală pentru recepționarea si transmiterea comenzii

Pentru a recepționa și transmite semnalul primit de la senzori se poate folosii aproape orice unitate cenntrala tip alarma existenta pe piață. Acestea sunt de obicei echipate cu microprocesor și memorie tip EEPROM pentru a reține codul scris chiar și după întreruperea alimentarii. În funcție de tipul unității centrale de alarmă, aceasta va cuprinde canale wireless, canale pentru conexiuni cu cabliri și canale auxiliare.Uzual unitatea se conectează la linia telefonică , la internet sau la rețelele SGM.

Fig.2.9 Panou de control PowerSeries Neo Security – HS2016 [20]

Exemplu de panou de control[20] care este echipat cu:

-6 zone intregrate (zone unde pot fi conectați senzori de diferite tipuri)

-extensie pentru 16 zone wireles si conexiuni cu cabluri

– modulul este deja programat (adițional are șablon de programare)

-poate înregistra pana la 500 de avertizari

În concluzie:

Unitatea centrală pentru instalația de prevenire a inundației în casă propusă este reprezentata de modulul Arduino. Mai multe detalii despre modalitățile de comandă, codul scris (asemănător cu limbajul C++) și configurația pinilor modululi, sunt prezentate în capitolul 4.

De asemenea este prezentat și modul în care s-au realizat conexiunele între senzorul de apă, plăcuta Arduino și releu, pentru a simula închiderea electrovalvi.

Trebuie precizat ca instalația propusă poate activa majoritatea electrovalvelor ce sunt folosite in aplicațiile de uz casnic. Nu se poate alege o electrovalvă standard pentru instalatia propusa, deoarece aceasta se alege in funcție de tipul și dimensiunile racordului de alimentare cu apă, dar și de tipul bobinei

Electrovalvele se aleg in funcție de:

-domeniul de utilizare (industrial, casnic, etc.)

-fluidul de lucru (apă, gaz, ulei, petrol, etc.)

-dimensiunea racordului de alimentare

-tipul bobinei (12V, 24V,230, etc.)

Exemplul de electrovalvă prezentat în acest capitol este relevant pentru noi, deoarece aceasta a fost aleasă pe motiv de siguranta si este de tipul normal închisă. Atunci când alimentarea cu tensiune lipsește și nu există sistem de rezervă, alimentarea cu apă este oprită pentru a evita orice scurgere, accidentală, de apă. În aplicația practică se poate folisii altă electrovalvă în funcțe de necesitate.

Capitolul 3. Soluții existente

Există foarte multe variante și sisteme pentru prevenirea inundațiilor în locuințe. Una dintre variante este sistemul Fibaro[16]. In continuare vom prezenta descrierea și caracteristicile sistemului asa cum o prezinta chiar producatorul[16,17].

3.1 Senzorul de inundație

„Pericolul unei inundații detectat de senzor declanșează răspunsul sistemului Fibaro care trimite comandă către o supapă solenoidă prin intermediulu unui releu Fibaro automat oprind alimentarea cu apă.” [16,17]

Fig.3.1.Componentele principale: senzor ,panou control, releu

Fig.3.2 Senzorul de inundație conceput dupa picatura de apă

Caracteristicile senzorului [16,17] :

-senzor de inclinare:Detectează mișcarea sau înclinarea la mai mult de 15 grade. Trimite o alertă în cazul în care senzorul este mutat

-alarmă cu sirena: Alarma incorporata te ajută să reacționezi rapid în caz de inundație sau de schimbare bruscă de temperatură

-sonde telescopice: Senzorul de inundație Fibaro este singurul din lume care funcționează perfect pe suprafețe denivelate, mulțumită sondelor telescopice din aur care sunt suficient de flexibile pentru a compensa suprafața denivelată

-intrae/iesire: Terminalul de intrări permite conectarea unei sonde externe și instalarea senzorului în orice locație. Terminalul de ieșiri permite conectarea la un sistem de alarmă.

-indicator vizual: Pe lângă alarma dispozitivul poate emite alerte și prin intermediul culorilor emise de LED-ul RGB încorporat

-impiedica intervenția: Carcasa specială conține un buton care protejează senzorul împotriva deschiderii accidentale.

-alimentrae cu baterie: O singură baterie (speciala) este suficientă pentru a alimenta senzorul 2,5 ani.

-senzor temperatură: Senzorul de temperatură încorporat poate fi folosit pentru a controla un sistem de încălzire prin podea sau pe post de senzor de alarmă pentru incendii, detectând creșterea bruscă a temperaturii.

Fig.3.3 Posibilități de alimentare si transmitere semnal ale senzorului

„Un singur senzor , posibilități nelimitate: Senzorul este un dispozitiv complet. Poate fi alimentat cu baterie sau la tensiune continua de 12V saau 24V. Mulțumită terminalului de ieșire, senzorul de inundație Fibaro poate fi integrat la orice sistem de alarmă.

Terminalul de intrare permite conectarea unei sonde externe pentru folosirea senzorului în locuri cu accesibilitate limitată. Senzorul permite trimiterea de notificări prin cablu sau wireless.” [16,17]

Avertizare la deschidere

„Din motive de siguranță senzorul Fibaro este protejat împotriva deschiderii, a opririi sau a distrugerii.Detectarea oricărui tip de intervenții va genera o alertă prin SMS, Push sau e-mail.” [16,17]

Fig.3.4. Exemplu avertizare

3.2.Unitatea centrală de alarma Fibaro

Fig.3.5 Exemplu panou de control[16,17]

Dispozitivul electronic Home Center 2 (HC2) este cel care face „legătura” între componentele sistemul Fibaro. Prin legătura ne referim la faptul că dispozitivul se comportă ca o unitate centrală. HC2 primește semnale de la senzori și transmite comenzi către relee și module folosind comunicație wireless. [16,17]

Interfața sistemului Fibaro este primitoare și ușor de utilizat, se instaleza pe computer, tablete sau smartphone. Aceste dispositive pot controla modulele sistemului Fibaro, de acasă sau de la distanță, singura condiție este ca HC2 să fie conectat la internet.

4.3.Releul (Dimmer)

Specificații tehnice [16,17]:

-Tensiune de alimentare: 230V+/- 10%, 50Hz

– Puterea asigurată la ieșire: 25-500W (doar sarcini resistive). În alte cazuri, decât cele rezistive intensitatea curentului nu poate fi mai mare decât de 1.8A
-Conform cu normele europene: EN 55022 (interferență unde radio), EN 61000-6(siguranța utilizării)

–Protectie la supracurent : 2.5A
– Protecție la supraîncălzire (se decuplează automat la 105 grade C)
– Temperatura mediului ambant 10 grade C-40 grade C
– Instalare în doze de aparat standard ≥ 50mm
– Protocol Radio: Z Wave
– Frecvența Radio 868,4 MHz
– Raza de emisie: până la 50 m în exterior sau până la 30m în interior (în funcție de structură clădirii)” [16,17]

Schema tipică de conectare în circuit a releului Fibaro :

Fig.3.6. Schema tipică pentru conectare cu conductor de legătură.[16]

Capitolul 4. Instalație pentru prevenirea inundațiilor în casă (varianta propusă)

Fig 4.1 Părtile componente ale instalației

Părțile componente ale instalației propuse sunt:

-Arduino Uno v3 (unitatea de comandă)

-Base Shield V1.3 – Grove (modul adițional)

-Arduino GSM Shield 2 cu antena integrată

-Sursa 12V/2A

-Senzor Apa Grove

-Releu Modul Grove

-Buzzer Grove (semnal sonor)

-Cabluri Grove 4 pini, 20 cm

4.1. Arduino UNO.Prezentare generală

„Arduino UNO este un modul ce are la bază configurația unui microcontroler ATmega328, bazată pe software și hardware flexibil și simplu de folosit. Constă într-o platformă de mici dimensiuni (6.8 cm / 5.3 cm – în cea mai des întâlnită variantă) construită în jurul unui procesor de semnal și este capabilă de a prelua date din mediul înconjurător printr-o serie de senzori și de a efectua acțiuni asupra mediului prin intermediul luminilor, motoarelor, servomotoare, și alte tipuri de dispozitive mecanice. Procesorul este capabil să ruleze cod scris într-un limbaj de programare care este foarte similar cu limbajul C++.”[18]

Fig.4.2 Modul Arduino UNO v3

„Plăcuța este prevăzută cu 14 pini de intrare/ieșire ce pot primi semnal digital (dintre care 6 pot fi utilizați ca pini de ieșire cu comanda PWM), 6 pini pentru intrare analogică, un rezonator ceramic de 16 MHz, conexiune USB, un conector de alimentare și un buton pentru restart. Conține tot ce este necesar pentru susținerea microcontroler-ului. Pentru a fi pornită, placă trebuie conectată la calculator cu un cablu USB sau alimentată cu un adaptor extern sau o baterie.

„UNO” înseamnă unu în limba italiană și a fost numit așa pentru a evidenția lansarea platformei Arduino 1.0. UNO și versiunea 1.0 vor fi versiunile de referință pentru Arduino. UNO este ultima variantă din seria plăcilor Arduino pentru USB și modelul de referință pentru platformă Arduino.”[18]

4.1.1.Specificații tehnice:

Microcontroler:                                    ATmega328

Tensiune nominala:                               5V

Tensiune de intrare (recomandat):    7-12V

Tensiune de intrare (limite):               6-20V

Pini digitali:                                         14 (6 PWM semnal de ieșire)

Pini analogici:                                     6

Curent de ieșire:                             40 mA

Curent de ieșire:               50 mA (la tensiunea de 3.3V)

Memore:                                     32 KB (ATmega328)

SRAM:       2 KB (ATmega328)

EEPROM:                                           1 KB (ATmega328)

„ClockSpeed”:                                     16 MHz (frecvența de procesare)

Lungime: 68.6 mm

Lățime: 53.4 mm

Greutate: 25 g

4.1.2Memorie

Atmega328 dispune de 32KB . De asemenea, are 2 KB de memorie SRAM și 1 KB memorie EEPROM (care poate fi citită și scrisă cu ajutorul bibliotecii EEPROM)

4.1.3 Intrări și Ieșiri

Fiecare din cei 14 pini digitali poate fi folosit pentru intrare sau ieșire folosind funcțiile pinMode(), digitalWrite() și digitalRead(). Ei funcționează la tensiunea 5V. Fie că sunt configurați ca pini de ieșire sau de intrare aceștia pot asigura un current de maxim 40 mA. Aceștia au în interior un rezistor, în caz de scurtcircuit (deconectat din fabrică) de 20-50 kΩ. Mai mult decât atât, unii pini au funcții speciale:

Serie: 0 (RX) și 1 (TX). Folosiți pentru a primi (RX) sau a transmite (TX) date TTL în serie. Acești pini sunt legați la pinii corespunzători de pe cipul serie USB-TTL al Atmega8U2.

Pini de întrerupere externi: 2 și 3. Acești pini pot fi configurați să declanșeze o întrerupere variații ale tensiunii sau curentului.

PWM: 3, 5, 6, 9, 10, 11. Asigură un semnal de ieșire de 8-biti PWM prin funcția analogWrite().

SPI:10 (SS), 11(MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Acești pini susțin comunicarea SPI folosind biblioteca SPI

LED:13. Există un LED încorporat conectat la pinul digital 13.Când pinul primește o a tensiune la valoare ridicată(setat pe funcția HIGH), LED-ul este aprins iar când pinul primește o tensiune la valoare scăzută(funcția LOW), LED-ul este stins.

UNO are 6 pini analogi, denumiți de la A0 la A5, fiecare asigurând o rezoluție de 10 biți (ex. 1024 valori diferite). Fiind setați anterior , ei pot primii valori de la 0 (pin “legat la masă”) până la 5 volți, deși este posibilă modificarea limitei superioare utilizând pinul AREF și funcția analogReference().În plus, unii pini au funcții specializate:

TWI: A4 sau pinul SDA și A5 sau pinul SCL. Susțin comunicația TWI folosind biblioteca Wire

În afară de cei menționați anterior, mai există și alți pini pe placă:

AREF. Tensiunea referință pentru intrările analoage. Folosit cu functiaanalogReferance().

Restart. Pentru a reseta microcontrolerul, această linie trebuie aducă la o valoare scăzută. De obicei este folosit pentru a adăuga un buton de resetare la shield-urile care ilblocheaza pe cel de pe placă.

Fig.4.3.Schema de localizare a pinilor [19]

4.1.4.Transfer de date

Arduino UNO are o serie de facilități pentru a transfera date către un calculator, către un alt Arduino sau cu alte module echipate cu microprocesor. Atmega328 asigura comunicație serială la valoarea de 5V, disponibilă pe pinii digitali 0 (RX) și 1 (TX) . Pe placă, Atmega16U2 transfera date prin comunicație seială cu ajutorul USB-ului . Pe Windows, este necesar un fișier .inf. LED-urile TX și RX de pe placa vor fi aprinse când sunt transmise date prin cipul USB-in-Serie sau conexiunea USB la calculator (dar nu pentru comunicația serială prin pinii 0 și 1). Biblioteca SoftwareSerial permite comunictia serială cu oricare dintre pinii digitali ai UNO.

A.Programare

ArduinoUno poate fi programat cu ajutorul softului Adruino. Atmega328 de pe ArduinoUno este deja setat cu un program ce permite încărcarea unui nou cod fără a fi necesar un alt dispozitiv hardware.Datele se transmit folosind protocolul original STK500. De asemenea, se poate ocoli setarea inițială și se poate programa direct microcontrolorul cu ajutorul ICSP (In-Circuit Serial Programming) folosind Arduino ISP.

Codul sursă al softului intrgrat în ATmega16U2 este disponibil. Se poate folosi softul Atmel`s FLIP (Windows) sau programatorul DFU (Mac OS și Linux) pentru a încărca softul integrat.

B.Resetare automată a softului

În loc de a fi necesară apăsarea fizică a unui buton pentru resetare înainte de upload, AdruinoUnno este conceput astfel încât poate fi resetat de un software ce rulează pe un calculator conectat la placă. Una dintre liniile de control hardware (DTR) al ATmega8U2/16U2 este conectată la o linie de restart al microcontroller-ului ATmega 328 prin intermediul unui condensator de 100 nF. Prin varierea capacității liniei de reset se poate reseta chipul. Software-ul Arduino permite încărcarea unui cod prin simplă apăsare a butonului pentru Upload din mediul Arduino.

C.Protecția USB la supracurent

ArduinoUno are o siguranță multiplă ,ce se pote reseta, care protejează portul USB al calculatorului la supracurent și scurtcircuit. Dacă apare un current mai mare de 500 mĂ la un port USB, siguranță va întrerupe automat conexiunea până când defectul a fost înlăturat.

4.2.Grove – Base Shield (modul adițional)

Fig.4.4 Modul adițional

Modulul Grove V1.3 are o formă asemănătoare cu cea a plăcutei Arduino, ceea ce permite cuplarea exactă a pinilor de intrare/ieșire de pe plăcută Arduino cu pini modulului. Acest mod de cuplare este recomandat pentru a facilita conectarea prin cabluri Grove, a senzorilor și dispozitivelor adiționale la plăcuța Arduino.

Caracteristicile modului adițional Grove :

-fiecare conector Grove dispune de 4 pini ( Semnal 1 , Semnal 2 , VCC și GND )

-exista cabluri care îți transformă mufa Grove în mufe clasice de Arduino 

-compatibil cu Seeeduino , Arduino UNO , Duemilanove , etc.

-compatibil cutoate modulele Grove

-contine 7 conectori digitali (D2-D8)

-contine 4 conectori analogici (A0-A3)

– semnal prin LED verde la punerea sub tensiune

-semnal prin LED roșu la resetare

Fig.4.5 Configurația modulului

4.3. Arduino GSM Shield

4.3.1.Prezentare generala

Fig. 4.6. Modul GSM

Modulul Arduino GSM conectează placa Arduino la internet folosind reteaua wireless GPRS. Acest modul trebuie conectat pe placa Arduino, apoi conectată o cartela SIM de la un operator ce ofera acoperire GPRS și apoi urmate câteva instrucțiuni simple. Se apasă butonul de start și apoi butonul de reset pentru a recepționa semnalul de la operator . De asemenea, se pot efectua / primi apeluri vocale (este nevoie de un difuzor si microfon extern) si se pot trimite / primi mesaje SMS.

Fig. 4.7. Configurația pinilor

Modulul Arduino GSM permite plăcii Arduino să se conecteze la internet, să efectueze/primească apleuri vocale si să trimită/primească mesaje SMS. Pentru a indeplinii aceste funcții, modulul foloseste un modem radio M10 de la Quectel [25]. „Libraria” GSM, trebuie inclusă în liniile de cod, atunci când se scrie codul de programare , aceasta oferind numeroase metode pentru a comunica cu diferite module. Pinii digitali 2 si 3 ai modulului sunt folositi pentru comunicatie seriala software cu M10. Pinul 2 este conectat la pinul TX al lui M10 iar pinul 3 este conectat la pinul RX.

Pinul de control de la modem este conectat la pinul 7 de la Arduino.
M10 este un modem “quad-band” GSM / GPRS care functioneaza la urmatoarele frecvente:

GSM850MHz

GSM900MHz

DCS1800MHz

PCS1900MHz

Suporta protocol HTTP și TCP / UDP datorită unei conexiuni GPRS, pentru transfer de date,cu viteza maxima de transfer GPS este de 85.6 kbps.Placa necesită o cartela SIM (perfect funcționala) de la un operator de rețea pentru a se conecta la reteaua GSM. Pentru a fi activat, SIM-ul trebuie introdus modulul GSM , care se află sub tensiune montat pe o placa Arduino.

Se recomandă alimentarea modulului de la o sursă externă, care poate oferi intre 700mA si 1000mA. Nu se recomanda alimentarea placii Arduino si a modulul GSM de la o conexiune USB, deoarece aceasta nu poate furniza curentul necesar atunci când modulul este utilizat intens. Modulul poate folosii un curent de pâna la 2A în timpul transmisiei de date.

Modulul GSM conține un numar de LED-uri de stare:

ON: arată faptul că modulul GSM este alimentat

STATUS: se aprinde atunci când modulul este alimentat și se transferă date la / de la rețeaua GSM / GPRS

NET: clipește când modulul GSM comunică cu rețeaua.

Fig.4.8 Led-uri de stare

4.4.Senzor Apă – Grove

Fig.4.9.Senzorul de apă

Senzorul de apă tip rezistiv face parte din sistemul Grove. Acest sensor transmite semnal către unitatea de comandă și când este uscat dar și când detectează apă (fie doar umed, parțial în apă sau total sub apă) prin variația conductivității.

Senzorul este prevăzut cu un set de lamele conectate la pinul pentru semnal (5V în cazul nostru) și alt set de lamele conectate la “masă” (0V în cazul nostru, GND); lamelele sunt intercalate. Lamelele pentru semnal reprezintă un resistor cu valoarea de 1 MΩ. Acest rezistor va indica valoarea maximă (5V în czul nostru) până când o picatură de apă va face conexiunea cu lamelele conectate la “masă” și astfel va indica valoarea minimă ( 0 V).

Acest tip de sensor de apă Grove, funcționează pe pinii de semnal digital, compatibil cu Arduino.

Specificații tehnice:

Tabe 4.1

4.5.Releu Modul – Grove

Fig.4.10 Releul

Fig.4.11.Schema releului

Releu Modul – Grove este un întrerupător digital, normal deschis ce controlează un releu capabil să închidă /deschidă circuite cu valori ale tensiunii și curentului mai mari decât cele suportate de plăcută Arduino. Când este setat (în programul în care s-a scris codul) la valoarea “HIGH” ,led-ul de pe plăcută releului se va aprinde și releul va închide circitul în care este integrat. Similar la setarea valorii “LOW” releul va(decuplă) deschide circuitul. Valoarea tensiunii este de maxim de 250V,iar intensitatea curentului electric de 10A.

4.6.Grove – Buzzer (avertzare acustiă)

Fig.4.12 sonerie

Fig.4.13.Schema tipică

Elementul pentru avertizare acustică este foarte simplu de folosit. Se folosește conexiunea la pinii digitali de ieșire ai plăcutei Arduino , iar “buzzer-ul” va produce un sunet atunci când valoare pinilor de ieșite este setată pe “HIGH”

4.7.Modul de funcționare al instalației:

Conexiunea între elementele montajului se realizează astfel încât fiecare componentă să corespundă unui pin de semnal de pe plăcuta Arduino; după cum urmează:

-senzorul de apă -pinul 8

-releul –pinul 5

-soneria-pinul 6

-LED –pinul 13 (această configurație este realizată de către producător)

Semnalul de la senzor este setat ca valoare de intrare, iar semnalul ce trebuie transmis către releu, sonerie si led, ca valoare de ieșire. Semnalele primite si transmise de /de pe modulul Arduino sunt semnale digitale.

Modulul GSM are o configurație specială și de aceea pinii acestuia corespund cu cei ai modulului Arduino si ai celui adițional. Se include “libraria “ acestuia in codul programului. Trebuie specificat codul PIN al cartelei (perfect functională) care se atașaza pe modul și un numar de telefon care sa peimeaza SMS cu mesajul de avertizare.

Dupa ce sa realizat conexiunea elementelor componente,se alimenteaza cu tensiune montajul. Se apasă butonul de pornire al modulului GSM, apoi butonul de reset și astfel montajul este “pregatit” pentru avertizare.

Senzorul de apă verifica la un interval de 30 secunde dacă exista scurgeri de apa în locul în care a fost montat (ex: sub chiuveta, sub masina de spalat etc.). Daca nu exista , acesta trimite semal catre modulul de comanda , de pe modul se va trimite semnal catre relul, care va cupla si astfel electrovalva va deschide circuitul de alimentare cu apa. Led-ul roșu de pe releu indica acest lucru. Se va trimite un SMS cu mesajul: "Senzorul nu a detectat scurgeri de apă! Electrovalva a fost deschisă!"

Fig.4.14.Montaj complet (releul este cuplat)

În cazul în care apare o scurgere de apă, modulu “citește” semnalul de la senzor și “scrie” semal către releu, sonerie și led. Releul va decupla, astfel va întrerupe alimentarea electrovalvei și coloana de apa va fi închisă. Soneria va produce o avertizare acustică iar led-ul una vizuală.

Se va trimite SMS cu mesajul : "ATENTIE! Senzorul a detectat scurgeri de apă! Electrovalva a fost inchisă! "

Fig.4.15.Releul decuplat după ce senzorul a detectat apa

După ce problema scurgerii de apă se rezolvă, se repetă procesul inițial cand senzorul nu a detectat apă, electrovalva va fi deschisă (led-ul roșu de la releu indica acest lucru) și se va trimite SMS cu textul initial

Fig.4.16. SMS primit de utilizator.

Prin optiunea Serial Monitor pusa la dispozitie de programul instalat in computerul, de pe care s-a incarcat codul pe modulul Arduinoi, se pot citi mesajele: "Senzorul nu a detectat scurgeri de apa!"-"Releul a fost cuplat!" sau "Senzorul a detectat scurgeri de apa!"-"Releul a fost decuplat!"

Fig.4.11. Mesaj de avertizare prin opțiunea SerialMonitor

În continuare vom prezenta limiile de cod cu explicații. Codul este asemantor cu limbajul de programare C++, se poate scrie într-un fișier WordPad și salvat cu extensia .ino , fie direct în fereastra programului instalat pe coputer și salvat ulterior cu extensie.

4.7.Codul cu care a fost programată unitaea de comandă:

#include <GSM.h> // importam libraria GSM

GSM gsmAccess; // inițializarea librariei GSM

GSM_SMS sms; // inițializarea librariei GSM_SMS

#define WATER_SENSOR 8 // atașarea senzorului de apa la pinul 8 Arduino

#define RELAY 5 // atașarea releului la pinul 5 Arduino

#define BUZZER 6 // atașarea buzzer-ului la pinul 6 Arduino

#define LED 13 // atașarea LED-ului la pinul 13 Arduino

#define PIN_NUMBER "1234" // specificarea PIN-ului pentru cartela SIM

#define PHONE_NUMBER "0734210605" // specificarea numarului de telefon la care se trimite SMS de avertizare

#define VERIFY_TIME 30000 // specificarea intervalului de timp intre verificările de stare ale sezorului de apă (30000 ms = 30 s)

boolean FIRST_TIME_ON=true;

boolean FIRST_TIME_OFF=true;

void setup()

{

pinMode(WATER_SENSOR, INPUT); // inițializarea pinului pentru senzorul de apă ca intrare

pinMode(RELAY, OUTPUT); // inițializarea pinului pentru releu ca ieșire

pinMode(BUZZER, OUTPUT); // inițializarea pinului pentru buzzer ca ieșire

pinMode(LED, OUTPUT); // inițializarea pinului pentru LED ca ieșire

Serial.begin(9600); // inițializarea comunicarii seriale

boolean notConnected = true; // specificarea starii de deconectare la reteaua GSM

while(notConnected)

{

if(gsmAccess.begin(PIN_NUMBER, false)==GSM_READY) // verificarea conectarii la reteaua GSM

{

notConnected = false;

Serial.println("Conexiune GSM realizata"); // informare in fereastra de monitorizare serială

}

else

{

Serial.println("Conexiune GSM nerealizata"); // informare in fereastra de monitorizare seriala

delay(1000); //întarzie 1 secundă

}

}

Serial.println("GSM initializat"); // informare in fereastra de monitorizare seriala

}

void loop()

{

if(digitalRead(WATER_SENSOR) == LOW)

{

Serial.println("Senzorul a detectat scurgeri de apa!"); // informare in fereastra de monitorizare serială

digitalWrite(RELAY, LOW); // decuplare releu/inchidere electrovalvă

Serial.println("Releul a fost decuplat!"); // informare in fereastra de monitorizare serială

digitalWrite(BUZZER, HIGH); // inițiere semnal acustic de avertizare

digitalWrite(LED, HIGH); // inițiere semnal vizual de avertizare

if (FIRST_TIME_ON) // daca e prima oara cand se detectează apa, se trimite avertizare prin SMS

{

FIRST_TIME_ON=false;

FIRST_TIME_OFF=true;

sendSMS_Sensor_ON();

}

}

else

{

Serial.println("Senzorul nu a detectat scurgeri de apă!"); // informare in fereastra de monitorizare serială

digitalWrite(RELAY, HIGH); // cuplare releu/deschidere electrovalvă

Serial.println("Releul a fost cuplat!"); // informare in fereastra de monitorizare serială

digitalWrite(BUZZER, LOW); // sistare semnal acustic de avertizare

digitalWrite(LED, LOW); // sistare semnal vizual de avertizare

if (FIRST_TIME_OFF) // dacă e prima oara cand nu se detecteaza apă, se trimite informare prin SMS

{

FIRST_TIME_OFF=false;

FIRST_TIME_ON=true;

sendSMS_Sensor_OFF();

}

}

delay(VERIFY_TIME);

}

void sendSMS_Sensor_ON() // expediere SMS de avertizare când senzorul a detectat scurgeri de apa

{

sms.beginSMS(PHONE_NUMBER);

sms.print("ATENTIE! Senzorul a detectat scurgeri de apă! Electrovalva a fost inchisă!");

sms.endSMS();

}

void sendSMS_Sensor_OFF() // expediere SMS de informare cand senzorul nu a detectat scurgeri de apa

{

sms.beginSMS(PHONE_NUMBER);

sms.print ("Senzorul nu a detectat scurgeri de apă! Electrovalva a fost deschisă!");

sms.endSMS();

}

Observații si concluzii:

Modelul propus de instalație automată pentru prevenirea inundațiilor în casă poate fi integrat cu succes într-un proiect de „casă inteligentă”. Tehnica modernă impune realizarea sistemelor de acest fel, atât pentru confortul utilizatorului cât și pentru siguranța acestuia. Controlul automat și monitorizarea permanentă a instalațiilor din locuința devine din ce în ce mai mult o necesitate. Deși în aceasta lucarare ne-am resumat doar la prevenirea inundațiilor în casă, pe acest modul (Arduino) se pot monta și alte tipuri de senzori, astfel încat sa avem un control total asupra locuinței.

Dezavantaje:

– montajul nu contine modul de conectare la internet

– montajul nu contine modul tip wirless

-montajul are cuprinde doar un senzor de apă

Avantajele instalației propuse sunt:

-preț mai mic comparativ cu produse similare.

-montaj ușor de realizat si programat

-dimensiuni reduse

-avertizare locală si la distanta prin SMS

-se pot adăuga module tip wirless

-se poate adauga modul pentru conexiune la internet

-se pot adăuga mai multi senzori identici sau de tip diferit (temperatură, optici, de gaz, etc.)

-aceeași configurație a montajului se poate folosii pentru diferite aplicații

-codul se poate modifica (Arduino[18] pune la dispozitie o gamă vastă de exemple)

Bibliografie

[1] http://webbut.unitbv.ro/Cărți%20on-line/BSM/BSM/capitol4.pdf

[2] David,V., Măsurarea mărimilor electrice și neelectrice, curs, Domeniul Inginerie Energetică, Fac. De Electrotehnica, Universitatea Tehnică „GH. ASACHI” Iași, 2009.

***http://iotă.ee.tuiasi.ro/~demm/Cursuri%20David/Curs%20MMEN%20II.pdf

[3] http://aut.unitbv.ro/aut/electronică/SMC/curs/5&6cursSMC14senzDiv.pdf

[4] http://aut.unitbv.ro/aut/electronică/SMC/curs/3&4cursSMCgenMasSenzTemp14.pdf

[5] Seritan,G.,Cepisca,C., Măsurări electrice și electronice, Editura POLITEHNICA PRESS, București, 2013

[6] http://xa.yimg.com/kq/groups/31580618/1265747652/name/CS_V_std.unlocked.pdf

[7] Igor Cretescu, Senzori și traductoare în monitorizarea mediului, Facultatea de inginerie chimică și protecția mediului,Universitatea Tehnică ”Gheorghe Asachi” Iași

***http://iotă.ee.tuiasi.ro/~emse/Senzori%20si%20traductoare%20in%20monitorizarea%20mediului.pdf

[8] MONICA-ANCA CHITA.Unele aspecte privind corecția caracteristicii de conversie a unui sensor capacitiv de umiditate relativă de tip HUMICOR 5000 prin modelarea dependenței mărimii de ieșire față de o mărime de influență (temperatura).

*** http://www.eea-journal.ro/includes/showArticle.php?identificatorArticol=52

*** http://www.sensorsmag.com/sensors/humidity-moisture/choosing-a-humidity-sensor-a-review-three-technologies-840

[9]http://www.samyoungsnc.com/updata/nproduct/data02-2011082218570403.pdf

[10] http://www.epluse.com/fileadmin/data/product/hc201/datasheet_HC201.pdf

[11] Bistribuitoare http://www.termo.utcluj.ro/ahp/ahp.pdf

[12] MACREA Tudor, Sisteme inteligente autoadaptive pentru controlul acționărilor electro-hidraulice industriale, Teză de Doctorat, UPB, București 2011.

[13] Electrovalva https://modulul5.files.wordpress.com/2011/02/curs-sisteme-de-actionare-pneumatice.pdf

[14]Fisă tehnica electrovalva

***http://www.termodinamic.eu/files_/produse/pdf/Danfoss%20EV.pdf

[15] http://www.scribd.com/doc/105807244/Capitolul-2-Distribuitoare-2011#scribd

[16] http://www.fibaro.com/ro/Sistemul-Fibaro/senzor-de-inundatie

[17]http://www.terax.ro/wp-content/uploads/2012/Documentatii/Fibaro/Fibaro%20-%20Advanced%20Users%20Guide.pdf.

[18] ***https://www.arduino.cc/

***https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno

***http://www.robofun.ro/arduino/arduino_uno_v3

[19]https://www.arduino.cc/en/Hacking/PinMapping168

[20] Exemplu panou comandă

***http://www.dsc.com/index.php?n=products&o=view&id=2441

[21]Modul adițional

*** http://www.seeedstudio.com/wiki/Grove-Base_Shield_V1.3

***http://www.jola.ro/shield-uri/59-sld01099p.html

[22]Sensor apa

*** http://www.seeedstudio.com/wiki/index.php?title=Twig_-_Water_Sensor

*** http://www.jola.ro/gaz-si-lichide/278-sen11304p.html

[23]Releu

***http://www.seeedstudio.com/wiki/index.php?title=GROVE_-_Starter_Kit_v1.1b#Grove_-_Relay

*** http://www.seeedstudio.com/depot/grove-relay-p-769.html?cPath=156_160

[24]Grove Buzzer: http://www.seeedstudio.com/wiki/index.php?title=GROVE_-_Starter_Kit_v1.1b#Grove_-_Buzzer

[25] https://www.arduino.cc/en/uploads/Main/Quectel_M10_AT_commands.pdf

[26] PĂUN Victorița, Studii fizico-chimice la realizarea senzorilor de umiditate si caracterizarea lor metrologică, Teza de Doctorat, UPB, Fac. Chimie Industrială, București 2004.

***Exemplu programare sensor apa: http://arduinobasics.blogspot.ro/2014/08/grove-water-sensor.html

***Exemplu programare releu : http://arduinobasics.blogspot.com.au/2014/09/relay-module.html

*** Exemplu programare GSM :https://www.arduino.cc/en/Tutorial/GSMExamplesSendSMS