Proiectarea Unei Aplicatii Privind Activitatea Zilnica a Agricultorilor

CUPRINS

INTRODUCERE

În ultimul timp, automatizările au devenit un domeniu din ce în ce mai cunoscut și implementat atât în lume cât și la noi în țară. Dorința de a avea o productivitate cât mai mare, determină majoritatea companiilor să-și dezvolte cât mai mult partea de automatizare, care asigură o productivitate sporită, cu o economie mai mare de energie și de materii prime, un nivel de calitate sporit, precum și un grad de repetitivitate al operațiunilor foarte greu, dacă nu imposibil de atins de către oameni. 

Acest lucru se resimte și în domeniul agriculturii, prin integrarea noilor tehnologii IT (software și hardware) în componența echipamentelor de automatizare, din toate sectoarele agriculturii. Astfel s-a atins un grad foarte mare de control al proceselor din domeniu. 

Lucrarea de față, intitulată “Concept de supraveghere și control automatizat a unei sere”, propune descrierea și realizarea unui exemplu de seră, la scară redusă.

Ideea de la care s-a pornit a fost aceea de a ajuta agricultorii, să depășească condițiile climatice din ce în ce mai nefavorabile agriculturii de câmp prin obținerea parametrilor optimi pentru dezvoltarea culturilor de plante în mediu controlat, indiferent de condițiile climatice. De asemenea, soluția de automatizare reduce favorabil utilizarea resurselor și intervenția operatorului uman în ciclul de viață al culturilor respective.

Cu ajutorul automatizării, procesul de îngrijire al plantelor poate deveni mai accesibil și mai ușor de coordonat. Pentru aceasta, condițiile de mediu în care cresc plantele într-o seră trebuie cunoscute, astfel că achiziția de date trebuie făcută în timp real. Această achiziție se referă la caracteristicile de temperatură și umiditatea a aerului, a intensității luminoase precum și umiditatea solului. Toate aceste componente se modifică în permanență și din acest motiv ele trebuie monitorizate și controlate pentru a optimiza consumul și a se obține un randament ridicat în creșterea plantelor.

Obiectivul acestui proiect este acela de a gândi un circuit de monitorizare în timp real și de control atât local cât și de la distanță a parametrilor de mai sus prin intermediul unui microcontroler. În funcție de condițiile de mediu pot fi lansate comenzi pentru udare și fertilizare, mișcarea și evacuarea aerului din incintă, încălzirea și iluminarea serei. De asemenea se poate controla prin comandă de la distanță acccesul în seră.

Lucrarea constă din următoarele capitole: motivarea alegerii, alegerea soluțiilor potrivite, implementarea soluțiilor și la final concluziile rezultate.

MOTIVAREA ALEGERII ACESTEI LUCRĂRI

O seră, cum se poate vedea și în (Figura 2.1) este o structură înrămată acoperită cu un material transparent sau translucent în care culturile au posibilitatea să se dezvolteîn conditții de mediu în parte controlate, dar și destul de mare pentru a permite accesul și munca unor persoane în interiorul acesteia.

Fig. 2.1. Exemplu de structură de seră

Încă din secolul XVIII în Japonia, rogojinele de paie combinate cu hârtia de vată erau folosite pentru protecția culturilor de condițiile severe ale mediului, de asemenea în Europa, mai cu seamă în Franța și Anglia ale aceluiași secol serele erau acoperite cu geamuri.

Prima seră din anii 1700 folosea sticlă pe o parte ca și acoperiș înclinat. Mai târziu în același secol, sticla se folosea pe ambele părți. Serele de sticlă erau folosite pentru a obține fructe cum ar fi: pepeni, struguri, piersici și căpșuni, iar rareori pentru legume. Agricultura protejată a fost în întregime stabilită odată cu introducerea polietilenei, după cel de-al Doilea Război Mondial.

Prima utilizare a polietilenei pentru acoperirea serei datează din 1948, atunci când profesorul Emery Mayers Emmer de la Universitatea Kentuky, USA, a folosit materialul mai ieftin înlocuind astfel sticla.

Suprafața totală a serelor de sticlă în lume a fost estimată la 30.000 ha, conform rapoartelor din 1987 și cele mai multe au fost amplasate în Europa de Nord-Vest.

Față de serele din sticlă, cele din plastic au fost adoptate de cele 5 continente foarte rapid, în special în zona mediteraneeană, China și Japonia. Sere de plastic acopereau o suprafață de 191,500 ha conform studiilor din 1987-1988.

Începând cu anii 1960, serele nu mai reprezintă doar protectoare de plante. Sistemul de control al mediului agriculturii (CEA) constă în controlul precis al aerului, controlul temperaturii, al apei, umidității, nutriției plantelor și controlul nivelului de dioxid de carbon și lumină. Serele din ziua de astăzi se pot considera a fi fabrici de plante sau legume. Aproape fiecare etapă a sistemului de producție este automatizată cu mediul artificial și sistemul de creștere aproape sub controlul total al calculatorului. [1]

Avantajele oferite de sere

Datorită condițiilor de mediu favorabile, pe parcursul unui an, se pot realiza 4 sau 5 culturi;

Productivitate crescută a culturilor;

Calitatea superioară a produselor;

Controlul superior asupra dăunătorilor și bolilor;

Gradul ridicat de germinare al semințelor;

Posibilitatea planificării producției;

Mărirea eficienței îngrășămintelor precum și economisirea acestora;

Calitatea superioară a produselor obținutte ce duce la creșterea prețului acestora;

Control superior asupra consumului de apă.

Prezentare idee de produs/serviciu inovant

Construirea de sere automatizate din punctul de vedere al irigării/încălzirii/ventilației/accesului și monitorizarea acestora de la distanță de către un user.

Studiu de prefezabilitate

Identificarea elementelor componente ale ideii:

Ce doresc să produc?

Soluții complete de automatizare pentru sere de diferite dimensiuni.

Ce produs voi vinde?

Serele în sine, dar și plante ornamentale crescute în sere.

Care este utilitatea produsului?

Produsul ușureaza munca agricultorilor, înlocuiește efortul depus de resursa umană și optimizează consumul resurselor de altă natură.

Care este modul de vânzare a produsului?

Prin încheierea de contracte- în cazul serelor. Vânzare on-line sau en-gros pentru plante ornamentale.

Delimitarea inițială a pieței avute în vedere:

Ce client ne așteptam să avem?

Clienții vor fi în mare parte agricultori dar și magazinele/depozitele de flori.

Care este natura pieței vizate?

Domeniul automatizării este în continuă creștere. Se apelează din ce în ce mai mult la înlocuirea forței umane.

Colectarea informațiilor esențiale:

Specificațiile tehnice sunt strict confidențiale.

Resursele vor fi achiziționate doar de la companii certificate ISO.

Politica de confidentialitate este garantată.

Audituri periodice vor avea loc.

Clientul poate accesa oricând platforma pusă la dispoziție de către companie.

Posibili clienți sunt: Maschio Gaspardo, John Deere, Claas;

Analiza SWOT

Decizia

În urma SWOT-ului rezultă că ideea și produsul merită exploatat. S > W și O > T . Este un produs/serviciu care reprezintă o inovație și un ajutor pentru agricultori, și nu numai. Dacă se va investi și în cercetare, putem vorbi de o dezvoltare sănătoasă în acest domeniu.

Parametrii unei sere

Productivitatea culturilor nu este influențată doar de ereditate ci și de microclimatul din jurul acestora. Componentele unui microclimat al culturilor cuprind temperatura aerului și a solului, lumina, compoziția aerului și umiditatea. În câmp deschis, se pot manipula doar irigarea și fertilizarea dar și acestea doar parțial. Serele permit controlul oricărei componente amintite mai sus. În cele ce urmează va fi descris efectul asupra plantelor în cazul controlului parametrilor cum ar fi temperatura, lumina , umiditatea și ventilația.

Temperatura

Toate culturile au o gamă de temperatură în care creșterea lor este optimă. Sub această limită, ciclul de viață al plantelor se oprește datorită formării de gheață pe țesuturi. În cealaltă extremă, dacă temperatura este prea mare, enzimele devin inactive deci țesuturile mor.

Toate reacțiile biochimice în plante sunt controlate de enzime. Rata reacțiilor este controlată de enzime deseori se dublează sau se triplează pentru fiecare creștere cu 10 grade a temepraturii, până temperatura optimă este atinsă. O creștere în continuare a temperaturii determină suprimarea reacților și oprirea lor (Fig. 2.2.)

Fig. 2.2. Reacția biochimică a plantelor în funcție de temperatură

Ca și o regulă generală plantele din seră cresc la o temperatură în timpul zilei care este cu 3 până la 6 grade Celsius mai mare decât temperatura pe timpul nopții. Cu injecția de CO2 temperatura pe timpul zilei poate fi mai mare cu 3 grade Celsius. Temperatura pe timpul nopții în seră este în general în gama 7-21 grade Celsius. [1]

Lumina

Lumina vizibilă a radiației solare este o sursă de energie pentru plante. Energia solară, dioxidul de carbon (CO2) și apa contribuie la procesul de fotosinteză prin care carbohidrații sunt formați. Producția de carbohidați din dioxidul de carbon și apa în prezența clorofilei, utilizând energia solară, este responsabilă de creșterea și înmulțirea plantelor. Rata de fotosinteză este guvernată de disponibilitatea elementelor de fertilizare și fertirigare, a dioxidului de carbon, a luminii și temperaturii.

O energie considerabilă este necesară pentru a reduce carbonul care este combinat cu oxigen în CO2 în starea în care se găsește în carbohidrați. Dacă intensitatea luminoasă este diminuată, fotosinteza este încetinită, deci și creșterea plantelor. În schimb, dacă intensitatea luminoasă este mai mare decât cea optimă, creșterea este încetinită din cauza cloroplasmei.

Intensitatea luminoasă este măsurată în sistemul internațional în lucși. Aceasta reprezintă iluminarea directă pe o suprafață de 1 metru dintr-o singură sursă de iluminare a unei candele internaționale. Serele de culturi ar trebui să aibe o intensitatea luminoasă care să varieze de la 129,6 klucși pe timp de vară la 3,2 klucși pe timp de iarnă (Fig. 2.3.).

Pentru majoritatea culturilor nici una din aceste condiții nu este ideală. Multe culturi devin saturate de lumină, sau altfel spus, fotosinteza nu crește la intesitatea luminoasă mai mare de 32,3 klucși. Lumina este clasificată conform lungimii ei de undă în nanometri (nm).

Fig. 2.3. Seră iluminată artificial

Nu toate tipurile de lumină sunt utile pentru fotosinteză. Lumina UV este disponibilă pe o lungime de undă scurtă, de exemplu mai mică decât 400 de nm. Cantități mari de UV sunt de asemenea nocive pentru plante. Sticlele sunt opace pentru majoritatea razelor UV și pentru lungimea de undă mai mică decât 325 de nm. [1]

Lumina vizibilă are o lungime de undă între 400 și 700 nm (Fig. 2.4). Lumina infraroșie nu este implicată în procesul de dezvoltare a plantelor.

Fig.2.4. Lungimile de undă ale luminii vizibile

Spectrul luminii vizibile este utilizat în fotosinteză. În banda albastră și roșie, activitatea fotosintezei este cea mai accentuată. Când plantele sunt expuse doar luminii albastre (Fig. 2.5), ele vor deveni rigide și închise la culoare. Când plantele sunt crescute sub lumina roșie (Fig. 2.6), creșterea este fină și plantele vor fi înalte.

Figura 2.5. Plante iluminate cu lumină albastră

Studiile arată că iluminarea cu LED-uri poate stimula creșterea plantelor cu până la 40%. Sistemul de iluminare trebuie proiectat individual, funcție de aplicație, pentru a obține rezultatele optime bazate pe 2 principii de bază: Eficiența Fotosintezei și Suficiența Fotomorfogenezei.

Fotomorfogeneza – schimbări morfologice induse de lumină într-o plantă – este reglementată în principal de tipul de fotoreceptori: phytochrome, cryptochrome și phototropin. Prin orientarea acestor fotoreceptori la anumite lungimi de undă, producătorii sunt în măsură să obțină modificări morfologice în instalațiile lor (ex. inducerea și suprimarea de flori, înălțimea coronamentului, distanțele inter nodale pentru frunze etc). Realizarea iluminării corecte ce corespunde fotomorfogenezei unei plante este numită “suficiența fotomorfogenezei”, necesară pentru a induce rezultatele vizate. Sistemele de iluminat cu LED-uri maximizează utilizarea energiei la iluminat. [1]

Fig. 2.6. Plante iluminate cu lumină roșie

Umiditatea aerului

Deoarece sera reprezintă un spațiu izolat, umiditatea relativă a aerului din seră va fi mai mare decât cea a aerului de afară din cauza procesului de evapo-transpirație.

O parte din această umiditate este eliminată cu aerul ventilat înspre exterior. Pentru a menține umiditatea relativă în sere, procese precum umidificarea sau dezumidificarea sunt implementate în interiorul acestora (Fig. 2.7).

Fig. 2.7. Instalație de umidificare/dezumidificare implementat într-o seră

Pentru multe culturi, nivelul de umiditate este între 50 și 80 %. În orice caz, pe timpul verii, datorită sensibilității la încălzire, o soluție de dezumidificare este necesară. Pentru aceasta, se folosesc tampoane de racire (Fig. 2.8.). În cazul dezumidificării, ventilatoarele sunt optime. [1]

Fig. 2.8. Seră dotată cu tampoane de răcire

Ventilația aerului

O seră este ventilată (Fig. 2.9) ori pentru a reduce temperatura din aceasta, ori pentru a recircula aerul, pentru a uniformiza temperatura și nivelul de dioxid de carbon. Temperatura de peste 35 de grade Celsius nu este benefică pentru creșterea plantelor.

Este foarte grea aducerea temperaturii aerului din seră sub această limită deoarece temperatura pe timpul verii poate crește la peste 50 de grade. Există 2 tipuri de ventilație în seră: cea naturală și cea forțată.În cazul serelor mici, venitlația naturală poate fi eficientă pe timpul verii și a sezonului de toamnă. În cazul serelor de dimensiuni mari, ventilația forțată este obligatorie folosind ventilatoare și sisteme de recirculare a aerului. [1]

Fig. 2.9. Sistem de ventilare a aerului dintr-o seră

Dioxidul de carbon

Carbonul este un nutrient esențial pentru plante și este prezent într-o cantitate mai mare ca și oricare alt nutrient. Apoximativ 40% din structura unei plante este compusă din carbon și dioxidul de carbon din aer este o sursă importantă pentru acestea. În condiții normale, cantitatea de CO2 din atmosferă este sub 0.03 % sau 345 ppm.

În timpul zilei când fotosinteza se desfășoară în lumina naturală plantele din seră diminuează nivelul de CO2 sub 200 ppm. În aceste circumstanțe, infiltrarea din exterior a aerului sau ventilarea cresc nivelul de CO2, la valoarea celui de afară. În cazul în care nivelul de CO2 este mai mic față de cel al aerului din exterior, creșterea plantelor va fi problematică.

În perioadele reci menținerea nivelului de CO2 prin ventilare poate fi ineficientă datorită necesității de încălzire pentru a menține temperatura optimă. În regiunile reci, suplimentarea serelor cu CO2 se face manual. Nivelul exact de CO2 necesar pentru un anumit tip de plantă, variază atât în funcție de temperatură, lumină, cât și în funcție de nivelul de nutrienți. În general plantele răspund favorabil la un nivel între 1000-1200 ppm. [1]

Avantajele unui sistem computerizat de control

Calculatorul știe întotdeauna ce fac toate sistemele și dacă este programat cum trebuie poate acorda parametri optimi.

Calculatorul poate înregistra date ale parametrilor care pot fi afișate pentru a vedea condițiile curente sau pot fi salvate și procesate pentru a urmări istoricul unei perioade a plantelor. De asemenea se pot desena grafice pentru o analiză în detaliu și cu ajutorul inteligenței artificiale se pot prevedea posibile boli ale plantelor.

Serele se pot controla la distanță cu ajutorul unui calculator central care transmite valori pe o platformă ce poate fi accesată de oriunde.

Cu ajutorul unor senzori, calculatorul poate determina schimbări ale parametrilor serei și poate regla aceste valori prin comanda elementelor de execuție cum ar fi generatorul de căldură, ventilatorul și pompa de irigare.

Calculatorul poate fi programat să notifice utilizatorul în cazul în care apar condiții inaceptabile sau sitemul de monitorizare are o eroare.

Dezavantajele unui sistem de control computerizat:

Costuri inițiale de investiție mari;

Necesitatea operatorilor calificați;

Mentenanță de nivel înalt, grijă și precauție obligatorie;

Nu este rentabilă pentru sere de dimensiuni mici [1].

Achiziția de date

Achizițiile de date reprezintă un proces tehnic, prin care evenimente din lumea reală, sunt transformate în semnale care pot fi citite, interpretate sau prelucrate de către un echipament cu ajutorul căruia, putem urmări, stoca sau controla activitatea sistemelor din jurul nostru.

Un sistem de achiziție (Fig. 2.10) are în general trei componente principale:

– achiziția datelor (analogică sau digitală);

– transformarea datelor;

– prelucrarea datelor.

Fig. 2.10. Schema unui sistem de achiziții

În decursul anilor, progresul tehnic și științific a pus la dispoziția omenirii, echipamente și metode bazate pe tehnologii noi, care se dezvoltă continuu. Prin achiziția de date, pot fi monitorizate și controlate sistemele tehnice, care ajung să fie din ce în ce mai rapide și mai pretențioase din punct de vedere al preciziei și al calitații.

Componentele unui sistem de achiziție, includ senzori, care transformă orice parametru de măsurat într-un semnal electric, care este recunoscut de către partea hardware a sistemului de achiziție. Valorile achiziționate de obicei sunt afișate, analizate, stocate într-un sistem de calcul, care poate fi un PC sau microsistem, sau depuse într-o memorie cu ajutorul unui microcontroler. De asemena valorile achiziționate, sunt folosite pentru supervizarea sau condiționarea unui proces tehnologic.

Tot ce ne înconjoară din punct de vedere tehnic și în toată tehnologia care ne este pusă la dispoziție, acasă la locul de muncă, în locurile publice, tot ce ține de civilizație și progres, are la bază sisteme de achiziții de date. Toate acestea la o scară mai mică sau mai mare, în funcție de aplicație, necesitate și importanță. Progresul informaticii și al industriei electronice, pune la dispoziție achizițiile de date și prelucrarea informației la viteze foarte mari. Comunicarea între senzori și sistemul de achiziție de date, se face prin aplicarea unor valori analogice pe canalele de intrare create, în sistemul de achiziție de date. [2]

Legătura cu interfața utilizator, se poate face prin metodele clasice cunoscute. Comunicare cu un port al unui sistem de calcul, care ofera posibilitatea de a afișa, valorile transmise de către senzori care mai apoi pot fi prelucrate și folosite ulterior pentru calcule în aplicații sau transmiterea valorilor senzorilor prin modul Bluetooth. [2]

DEZVOLTAREA APLICAȚIEI

Analiza cerințelor

Partea practică a acestei lucrări are menirea de a ușura activitatea zilnică a agricultorilor și de a analiza situațiile care pot apărea (indiferent că este vorba despre reglarea temperaturii sau o defecțiune). Decizia care este luată în fiecare dintre cazuri rezultă dintr-o analiză corectă a specificațiilor clientului și un brainstorming asupra tuturor scenariilor posibile.

Conducerea și reglarea unui sistem de monitorizare al unor sere de plante ornamentale este o provocare din multe puncte de vedere. Sistemul controlat trebuie să fie unul stabil, cu răspuns instant la perturbații și corect din punctul de vedere al valorilor transmise.

Având în vedere evoluția tehnologiei și cerințele cât mai mari ale pieței, agricultura trebuie să evolueze în același timp.

Se dorește o intervenție din ce în ce mai scăzută din partea operatorului uman, așadar toate resursele necesită o optimizare și majoritatea acțiunilor necesită automatizare.

Timpul de creștere al plantelor trebuie scăzut pe cât posibil pentru a putea oferi clienților ceea ce își doresc în orice perioadă a anului.

Energia necesară creșterii plantelor trebuie gestionată corect, pentru a avea diminua cât mai mult pierderile.

Satisfacția clientului este de asemenea prioritară, deoarece proiectul se pliază pe cerințelor acestuia.

Iată câteva exemple de cerințe/necesități ale agricultorilor preluate de pe forumuri:

“Salutări electroniștilor. Am o dilemă, privind un sistem de automatizare pentru seră. Se dă o seră de … 500 mp. Clientul (eu) vrea un sistem de automatizare care să constea în: – acționare automată a geamurilor (deschidere/închidere, geamurile fiind acționate de un motor electric) când temperatura depășește valoarea X  și pornirea sistemului de irigație (tot a unui motor electric, pe scurt) la un interval orar anume, programabil de client,  cu condiția ca toate aceste operații să poată să fie monitorizate și controlate de la distanță (dacă contează, distanța fiind de ~1-2 km). De ce echipamente am nevoie pentru aceste operații de automatizare și cam care ar fi costurile? Multumesc .”         

 –Forum Softpedia[3]

“Bună seara. Intenționez să construiesc/achiziționez un automat (inclusiv senzorii) care să controleze într-o seră temperatura, umiditatea, luminozitatea. În funcție de valorile inregistrate  acesta trebuie să comande electroventile/motorașe cc.

Orice idee, rog postați. Pt oferte personalizate folositi PM. Mulțumesc anticipat.”

                                –Forum Softpedia[3]

“Bine ne-am regăsit. Mă interesează în mod deosebit modul de menținere la un anumit nivel, a temperaturii produsă cu ajutorul unui conductor electric. Respectiv acele fire de nichelină, care încălzesc o anumită incintă, folosită pentru producerea de răsaduri. Cum este mai corect, practic, fiabil, normal? Să folosesc un termostat cu senzor de ambient, adică suprateran, sau un termostat implantat în substratul de nisip de sub lăzile alveolare? ”

–Forum Softpedia[3]

După un studiu de piață, din perspectiva specificațiilor clientului, se enumeră următoarele:

Creșterea productivității/ m2 pentru a menține concurența pe piață;

Creșterea calității produsului cu utilizarea minimă a pesticidelor pentru a menține siguranța alimentară;

Utilizarea eficientă a resurselor insuficiente precum combustibilii fosili, apă și mineralele;

Creșterea utilizării surselor de energie sustenabile (solară, bioenergie și încălzire geotermală);

Soluții de automatizare avansate pentru utilizarea pe termen lung (structură modulară, posibilități de modernizare);

Randamentul recoltei cu utilizarea optimă a terenului și resurselor disponibile (combustibili, apă, energie, minerale);

Soluții de automatizare ușor de utilizat ce permit cultivatorilor să beneficieze de toate caracteristicile (disponibile) ale produsului.

Funcțional, clasificarea cerințelor se va face din mai multe perspective:

Din punct de vedere al elementului de comandă;

Din punct de vedere al valorilor de intrare;

Din punct de vedere al elementelor de măsură;

Din punct de vedere al elementului de procesare;

Din punct de vedere al elementelor de execuție;

Din punct de vedere al valorilor la ieșire.

a) Din punctul de vedere al elementului de comandă sistemul se asigură că:

a.1) o nouă comandă este trimisă doar dacă au apărut schimbări ale parametrilor de temperatură/luminozitate/umiditate a solului;

a.2) orice comandă este în limitele admise ale sistemului hardware;

a.3) orice comandă poate fi întreruptă și repornită la cererea utilizatorului;

a.4) există comenzi atomice (comenzi rapide pentru o singură acțiune).

b) Din punctul de vedere al valorilor de intrare sistemul trebuie să:

b.1) filtreze valorile care au o abatere mare față de valorile anterioare, când timpul de achiziție dintre cele 2 valori este foarte mic;

b.2) medieze valorile de la intrare care nu sunt stabile;

a.3) analizeze valorile de intrare și să le compare cu încă o valoare luată drept referință.

c) Din punctul de vedere al elementelor de măsură, cerințele sunt următoarele:

c.1) valorile să fie transmise periodic, suficient de rapid încât să fie luate în considerare;

c.2) elementele de măsură să nu fie influențate de perturbații;

c.3) în cazul imposibilității de măsurare, sistemul să fie oprit.

d) Din punctul de vedere al elementului de procesare sistemul trebuie să se asigure că:

d.1) timpul de procesare este suficient de scurt astfel încât orice comandă să fie luată în considerare;

d.2) eroarea de procesare este minimă.

Din punctul de vedere al elementelor de execuție sistemul se va asigura de:

e.1) executarea fiecărei comenzi valide;

e.2) minimizarea delay-ului dintre momentul în care s-a dat comanda și momentul începerii execuției;

e.3) semnalarea unei avertizări în cazul în care execuția nu poate fi realizată în parametri normali.

Din punctul de vedere al valorilor de ieșire sistemul trebuie sa fie capabil de:

f.1) a transmite valorile de la ieșire elementelor corespunzătoare;

f.2) a se asigura că valorile de la ieșire sunt corecte;

f.3) valorile nu pot fi influențate de perturbații.

Studiu comparativ al avantajelor și dezavantajelor soluției

Pentru implementarea soluției optime de automatizare, s-a realizat un studiu comparativ între mai multe componente. S-au luat in considerare următoarele aspecte:

Preț

Viteză de procesare

Resurse

Acuratețe

Viteza de răspuns

Durata de viață

Siguranța în funcționare

Tabel 3.1. Alegerea microcontrolerului:

Am ales microcontrolerul Arduino ATMega2560 pentru a putea procesa informația senzorilor și a comanda toate elementele componente ale serei. Având toate resursele necesare, dar și un preț foarte bun, acest microcontroler reprezintă, în opinia noastră, soluția ideală pentru acest concept de automatizare a serei.

Tabel 3.2. Alegerea senzorului de temperatură:

A fost ales senzorul DHT11, deoarece acesta îndeplinește toate cerințele pentru o funcționare cât mai corectă a proiectului, pentru a acoperi plaja de valori necesară, toleranțele de măsurare și toate celelalte caracteristici, fiind în același timp și produsul optim din punct de vedere a raportului calitate-preț, ținând cont de faptul ca prețul este o caracteristică cu o pondere foarte mare în alegerea unui produs în zilele noastre.

Tabel 3.3. Alegerea senzorului de lumină:

S-a ales senzorul brick de lumină, pentru care valorile mari (peste 900) reprezintă o luminozitate ridicată, iar valorile sub 10 reprezintă întuneric.

Tabel 3.4. Alegerea senzorului de umiditate din sol:

Soluția în acest caz este cea mai ieftină și cea mai portivită pentru dimensiunea lucrării, și anume, senzorul de umiditate a solului.

Arhitectura Hardware

Schema circuitelor

Schema de ansamblu (Fig. 3.1) a fost dezvoltată în mediul Fritzing, program de proiectare și simulare Arduino.

Fig. 3.1. Schema circuitelor

Elementele utilizate pentru implementarea schemei circuitelor

În urma proiectării arhitecturii hardware, s-au ales elemetele de circuit din figura de mai jos (Fig. 3.2).

Acestea se împart în:

elemente de achiziție și măsură : senzorii de temperatură, umiditate a solului și lumină;

elemente de procesare de date: Arduino Mega 2560;

elemente de comandă : releele;

elemente de execuție: bec cu halogen, ventilator, pompa submersibilă și servomotor.

Legăturile din Fig.3.2 sunt simbolice în ceea ce privește elementele de execuție, acestea nefiind comandate direct de către Arduino, ci din cauza unor posibile consumuri ridicate de curent, ceea ce pot duce la distrugerea plăcii, s-a folosit câte un releu comandat cu 5V de pe Arduino și care închide un circuit de 12V la elementele de execuție.

Schema de comandă pentru fiecare element de comandă este descrisă în Fig. 3.3 în care putem să vedem foarte bine cele descrise mai sus și anume, placa Arduino cu înfășurarea bobinei releului ce este alimentata la 5V și de cealaltă parte contactul releului care la închidere transmite către elementul de execuție o tensiune de 12V de la o sursă de current continuu ce poate fi transformator sau acumulator.

Fig. 3.2. Arhitectura hardware

Fig.3.3. Comanda cu releu a elementelor de execuție

Descrierea circuitelor și dispozitivelor electronice utilizate

Elementele de procesare a datelor

Microcontrolerul Arduino Mega 2560

Arduino Mega 2560 (Fig.3.4) este microcontrolerul bazat pe ATmega2560 (microcontroler pe 8 biți produs de compania Atmel cu o memorie flash programabilă de 256Kbytes) destinat să facă aplicarea de obiecte interactive sau medii mai accesibile [5].

Fig. 3.4. Arduino Mega 2560

Tabelul 3.5. Specificațiile microcontrolerului Arduino Mega 2560

Elementele de măsură

Senzorul de umiditate și temperatură DHT11

DHT11 (Fig. 3.5) este un senzor low cost, capabil să redea schimbările de temperatură și umiditate a aerului. Acesta utilizează un senzor de umiditate capacitiv și un termistor pentru a măsura aerul din jur.

Fig. 3.5. Senzor de temperatură DHT11

Senzorul DHT11 comunică cu Arduino pe pinul analogic A3. Pentru utilizarea acestuia, librăria “dht.h” trebuie inclusă în programul încărcat pe microcontroler. Aceasta conține o clasă “dht”, cu funcțiile de citire atât pentru senzorul DHT11 cât și pentru alte versiuni (DHT22, spre exemplu).

Printr-o singură instanțiere, funcția ” read11(PIN)” permite citirea, atât a temperaturii, cât și a umidității.

Valoarea de interes se poate accesa prin “DHT.temperature”, respectiv “DHT.humidity” pe un format de 8 biți.[7]

Tabelul 3.6. Specificații ale senzorului de temperatură și umiditate DHT11

Senzorul de umiditate a solului

Senzorul de umiditatea a solului (Fig.3.6) este un simplu senzor de apă care poate fi folosit pentru a detecta umiditatea solului în care este introdus.

Fig. 3.6. Senzorul de umiditate

Cei doi senzori de umiditate a solului comunică cu Arduino pe pinii analogici A0 și A4. Pentru obținerea valorilor acestora, se ulilizează direct interfața “analogRead()” oferită de Arduino.

Valoarea returnată este între 0 și 1023, cu valoarea maximă reprezentând un deficit de umiditate (sol uscat) iar o valoare mică sugerând o umiditate crescută a solului. Un potențiometru este atașat pentru reglarea sensibilității.

Tabelul 3.7. Specificații ale senzorului de umiditate din sol

Senzorul de lumină Brick

Senzorul de lumină (Fig.3.7) este o componentă care sesizează nivelul de iluminare al mediului. Valoarea iluminării variază liniar între 0 și 1023. Elementul sensibil este un fototranzistor PT15-21C/TR8. [8]

Fig. 3.7. Senzor de lumină Brick

Acest senzor nu este calibrat (în sensul că nu se obține direct o valoare a iluminarii exprimată în lucși, ci doar o valoare numerică direct proportională cu nivelul de iluminare, fără o unitate de măsură).

Senzorul comunică cu Arduino pe pinul analogic A1.Pentru obținerea valorilor acestuia,se utilizează direct interfața “analogRead()” oferită de Arduino.

Valoarea returnată este între 0 si 1023, cu valoarea maximă reprezentând lumină puternică iar o valoare mică sugerând o luminozitate scăzută.

Tabelul 3.8. Specificații ale senzorului de lumină

Elemente de execuție

Ventilatorul

Este un ventilator (Fig. 3.8) simplu, alimentat la 12 V, și comandat prin pinul digital 30 de la Arduino cu ajutorul unui releu. Are atât rolul de răcire cât și de dispersare a aerului cald prin seră.

Fig. 3.8. Ventilator 12 V

Becul cu halogen

Elementul de încălzire ales este un bec cu halogen “H1” (Fig.3.9) alimentat la 12V cu o putere de 55W și comandat prin pinul digital 31 de la Arduino. Acesta este menit să emane căldură, iar cu ajutorul ventilatorului, căldura sa să fie împrăștiată în întreaga încăpere.

.

Fig. 3.9. Bec ”H1”

LED-ul

Iluminarea serei este asigurată pe doua zone. Fiecare zonă conține trei leduri (Fig. 3.10) legate în paralel cu un rezistor la o sursă de 12V. Comanda pentru ambele zone se face prin relee separate comandate prin pinii digitali 40 si 41 de la Arduino.

Fig.3.10. LED THD 5mm

Pompa submersibilă

Soluția propusă pentru irigare este o pompă submersibilă de apă (Fig. 3.11) alimentată la 12V printr-un releu și comandată prin pinul digital 50 de la Arduino.

Fig. 3.11. Pompă submersibilă

Tabelul 3.9. Specificații ale pompei submersibile

Micro servo 9G

Micro servo HXT900 (Fig.3.12) este cel mai performant și ieftin servo motor utilizat în cadrul proiectului pentru deschiderea și închiderea automată a ușilor serei.

Este comandat prin pinul digital 9 al microcontrolerului.

Fig. 3.12. Micro servomotor HXT900

Tabelul 3.10. Specificațiile servo-micromotorului

Relee

Releul (Fig. 3.13) este un aparat automat care, fiind supus acțiunii unui parametru electric de intrare(în cazul nostru o tensiune de 5V), realizează variația bruscă/în salt a parametrului de ieșire(în cazul nostru o tensiune de 12V) l.

La acest proiect s-au folosit 5 relee de comandă la 5 V.

Fig. 3.13. Releu

Elemente de comunicație – Modul Bluetooth

Specificațiile modulul Bluetooth (Fig. 3.14):

– atinge 100 metri ca distanță de transmitere;

– tensiune de alimentare 3.3 – 6 V;

– capabil de rate de transfer între 2400-115200 bps (configurată din fabrică la 9600bps).

Fig. 3.14. Modulul Bluetooth

Implementarea hardware și software a funcțiilor sistemului

Acest proiect se vrea a fi o prezentare a unui concept de optimizare a utilizării eficiente a resurselor utilizate pentru creșterea plantelor în sere .

Cu ajutorul automatizării, procesul de îngrijire al plantelor poate deveni mai accesibil și mai ușor de coordonat. Proiectul de față își propune achiziția de date cu privire la condițiile de mediu în care cresc plantele într-o seră, achiziție ce trebuie făcută în timp real.

Achiziția de date se referă la temperatură, umiditate sol, și gradul de iluminare. Toate aceste componente se modifică de obicei în permanență și din acest motiv ele trebuie monitorizate și controlate în scopul optimizării consumului și a obținerii unui randament ridicat în creșterea plantelor.

Obiectivul acestui proiect este de a gândi un circuit de monitorizare și control al parametrilor mai sus menționați cu ajutorul unui controler. În funcție de condițiile de mediu poate fi comandată o pompă pentru udarea solului, un ventilator pentru răcirea mediului ambiant,un bec cu halogen pentru încălzirea mediului ambiant si leduri pentru suplinirea luminii naturale atunci când este cazul.

Atât datele achiziționate din seră, cât și starea în care se află elementele de execuție utilizate în proiect se vor afișa în aplicațiile care sunt la dispoziția utilizatorilor . Sigur că pentru a putea optimiza creșterea plantelor într-o seră reală, va fi necesară o consultare în prealabil cu specialiști în domeniul agriculturii, pentru a putea adapta softul la cerințele diferitelor plante cultivate.

În urma analizei specificațiilor, după ce s-a făcut proiectarea întregului sistem s-a trecut la implementarea următoarelor funcționalități:

Funcția de încălzire

Pentru a măsura capacitatea încălzitorului pentru o seră, mai întâi trebuie să facem o estimare a pierderilor de căldură din seră. În timp pot fi făcute niște estimări mult mai precise, o metodă simplificată este presupunerea din start că majoritatea pierderilor de căldură au loc prin acoperișul serei.

S-a ales ca și element de încălzire un bec cu halogen, a cărui căldură va fi dispersată cu ajutorul unui ventilator, suficient cât să acopere suprafața de interes (Fig. 3.15).

Fig. 3.15. Ventilator și sursă de încălzire

Serele sunt instalații tehnologice caracterizate prin faptul că perturbația principală a temperaturii e constituită de pierderile de caldură spre exterior sau căldura pătrunsă din exterior.

Pentru a filtra erorile de achiziție și pentru a obține măsurători cât mai constante, s-a realizat medierea unei plaje de 20 de valori.

Algoritmul de reglare constă în compararea valorilor returnate și mediate de la senzor cu valoarea prescrisă de utilizator. O diferență de 10 grade Celsius dintre aceste valori, nu va genera nicio comandă spre elementul de execuție.

Dacă diferența dintre valoarea senzorului și cea prescrisă este mai mare decât 10 grade,

atât becul cât și ventilatorul sunt pornite.

Temperatura actuală din seră poate fi monitorizată de către utilizator atât prin intermediul aplicației desktop (cu posibilitatea de vizualizare a graficelor de evoluție), cât și prin intermediul aplicației mobile.

Funcția de răcire și recirculare a aerului

Ventilatoarele sunt folosite pentru a recircula aerul în seră. Frunzele plantelor din seră trebuie să fie într-o mișcare permanentă ușoară. Această recirculație a aerului menține suprafața frunzelor uscată, ceea ce sporește transpirația și creșterea și diminuează problemele cauzate de boli.

Fig. 3.16. Sistem de recirculare aer (ușă și ventilatoare)

În implementarea regulatorului (Fig. 3.16) s-au folosit următoarele:

Senzorul de temperatură DHT11, conectat la intrarea analogică A3 a microcontrolerului : int pin_temp = A3;

Comanda ventilatorului se face prin conectarea acestora la un releu comandat prin pinii digitali de ieșire :

int led_ventilator =30;

Librăria DHT.h care conține funcții speciale preia valorile returnate de senzor.

Pentru a filtra erorile ce apar la achiziționare și pentru a obține măsurători cât mai aproape de realitate, s-a realizat medierea unei plaje de 20 de valori.

Algoritmul de reglare constă în compararea valorilor returnate și mediate venite de la senzor cu valoarea prescrisă de utilizator. O diferență de 10 grade Celsius dintre aceste valori, nu va genera nicio comandă către elementul de execuție.

Dacă diferența dintre valoarea senzorului și cea prescrisă este mai mare decât 10 grade,

ventilatorul este pornit.

Temperatura actuală din seră poate fi monitorizată de către utilizator atât prin intermediul aplicației desktop (cu posibilitatea de vizualizare a graficelor de evoluție), cât și prin intermediul aplicației mobile cu comunicare prin bluetooth.

Funcția de irigare prin picurare

Benzile de picurare cu presiune compensată permit ca fiecare plantă să primească aceeași cantitate de apă și/sau nutrienți.

Aceste benzi, în interior au o supapă care nu permite ca apa să picure pe la capătul de jos atunci când este închisă apa (Fig. 3.17).

Fig. 3.17. Implementarea benzilor de picurare

Avantajele irigării prin picurare:

Reducerea cheltuielilor cu îngrășămintele, datorită aplicării acestora localizat, la fiecare plantă, prin dizolvarea în apa de udat.

Eficiența în aplicarea apei. Prin picurare, apa este aplicată strict pe fiecare recipient care conține plante.

Posibilitatea de a iriga terenuri cu formă neregulată. Acest lucru ar fi aproape imposibil dacă s-ar iriga prin scurgerea apei pe rigole.

Apa este distribuită uniform. Când presiunea este constantă în sistemul de irigare, apa este distribuită egal către fiecare duză de picurare.

Frunzele plantelor rămân uscate și astfel se reduce riscul de apariție al bolilor și arsurilor.

Sistemele de irigare prin picurare lucrează la presiuni mult mai mici decât sistemele clasice (de exemplu aspersiunea), iar asta reduce costurile de pompare (economie de energie).

În implementarea funcției de irigare s-au folosit următoarele :

2 senzori de umiditate, conectați la intrările analogice A0 și A4 ale microcontrolerului int pin_moisture1 = A0;

int pin_moisture2= A4

Comanda irigării se face prin conectarea unei pompe submersibile la un releu comandat prin pinul digital de ieșire :

int pompă =50;

Pornirea irigării se face atunci când media valorilor de la senzori depășește valoarea prescrisă.

Nivelul de umiditate actual din seră poate fi monitorizat de către utilizator atât prin intermediul aplicației desktop (cu posibilitatea de vizualizare a graficelor de evoluție), cât și prin intermediul aplicației mobile.

Presiunea actuală a pompei (4l/min.) este ajustată la scara recipientelor cu pământ prin înșurubarea corespunzătoare a picurătorilor.

Funcția de iluminare

Studiile arată că iluminarea cu LED-uri poate stimula creșterea plantelor cu până la 40%. Sistemul de iluminare (Fig.3.18) trebuie proiectat individual, funcție de aplicație, pentru a obține rezultatele optime bazate pe 2 principii de bază: Eficiența Fotosintezei și Suficiența Fotomorfogenezei.

Nivelul de lumină necesar pentru orice plantă poate fi cunoscut din literatura de specialitate publicată sau poate fi determinat de cerințele de lumină cunoscute ale plantelor cultivate (ex. plin soare, parțial soare, umbră, etc).

Dacă iluminarea de bază folosește lumina solară, nivelul de iluminare suplimentară trebuie să fie doar o fracțiune din nivelul complet de lumină, în timp ce nivelurile de lumină fotoperiodice (noapte lungă, zi lungă, zi neutră) pot fi chiar mai mici.

Fig. 3.18. Sistem de iluminare cu leduri

Avantajele LED-urilor de iluminat horticol:

• Controlul intensității iluminării;
• Controlul climatului din seră prin managementul mai eficient al căldurii degajate de LED-uri;
• Eficiența mare a iluminatului prin poziționarea apropiată de plante fiindcă se degajă căldură; 
• Scăderea costurilor cu energia consumată la iluminat și cu eliminarea căldurii degajate de iluminat; 
• Creșterea duratei de utilizare și a fiabilității ansamblului;
• Robustețe, nu există riscul spargerii la contact cu picături de apă, iar praful se poate curăța ușor;
• Libertatea proiectării, LED-ul fiind un micro-cip care se poate poziționa ușor geometric pentru asigurarea uniformității iluminării;

LED-urile și modulele cu LED-uri de iluminat horticol necesită o alimentare fiabilă și eficientă, capabilă să lucreze în mediul umed și cald din sere.

În implementarea funției de iluminare s-au folosit următoarele :

Senzorul de lumină Brick, conectat la intrarea analogică A1 a microcontrolerului : int pin_lumina = A1;

Iluminarea se face pe două zone a câte 3 leduri conectate în serie, împreună cu un rezistor de 360 Ohm legate la o sursă de 12 V;

Comanda ledurilor se face prin conectarea acestora la un releu comandat prin pinii digitali de ieșire :

int led_lumina_zona1 = 40;

int led_lumina_zona2 = 41;

Pornirea iluminării ambelor zone se face atunci când valoarea de la senzor depășește valoarea prescrisă.

Valoarea returnată de către senzorul de lumină nu este exprimată în lucși, așadar s-a făcut o mapare experimentală a acesteia. Plaja de valori furnizată la ieșire este de [0,1023], unde valorile sub 10 reprezintă întuneric, iar valorile peste 900 reprezintă lumină puternică.

Nivelul de iluminare actual din seră poate fi monitorizat de către utilizator atât prin intermediul aplicației desktop (cu posibilitatea de vizualizare a graficelor de evoluție), cât și prin intermediul aplicației mobile.

Funcția de access și compensare CO2

Orice plantă este alcătuită din 70-90% apă și doar aproximativ 10-30% materie solidă.
Conținutul de Carbon (C) al acestei materii solide este de aproximativ 45%. Dioxidul de carbon (CO2) este singura formă a Carbonului pe care plantă o poate utiliza. Pentru a crește plantele folosesc apă și CO2-ul din atmosferă ce le înconjoară pentru a produce biomasa prin folosirea energiei luminoase (fotosinteza).

Dozarea CO2-ului diferă de la o plantă la alta și depinde foarte mult de intensitatea luminii, ventilație și temperatură.

În implementarea funcției de acces și compensare de CO2 (Fig. 3.19) s-au folosit următoarele:

Un servomotor montat pe ușa de acces, conectat la intrarea digitală 9 a microcontrolerului : int pin_servo = 9;

Comanda ușii de acces cuprinde două etape :

deschiderea automată a ușii prin parcurgerea servomotorului a 100 de grade, pas cu pas și de asemenea se controlează viteza de deschidere sau de închidere pentru a preîntâmpina atât deteriorarea sistemelor din cauza utilizării deficitare, dar în același timp și accidentele ce s-ar putea produce la o viteză de deschidere prea mare;

închiderea automată a ușii prin aducerea servomotorului în poziția din care a plecat;

Compensarea cu C02 are loc la fiecare deschidere a ușii de acces.

Fig. 3.19. Implementarea sistemului de compensare cu ajutorul ușilor de acces

Mai multe imagini din timpul realizării proiectului sunt disponibile în Anexa 1.

Concepția și implementarea părții software a sistemului

Arhitectura Software

Soluția software (Fig. 3.20) cuprinde 3 aplicații :

Aplicația pe Arduino care e responsabilă de achiziția și prelucrarea valorilor de la senzori, cât și comanda elementelor execuție;

Aplicația Desktop ce realizează interfațarea între aplicația Arduino și utilizator prin comunicație realizată prin portul serial;

Aplicația Mobile ce realizează interfațarea între aplicația Arduino și utilizator comunicație realizată prin Bluetooth.

Partea comună a soluției o reprezintă aplicația Arduino .

Fig.3.20. Schema implementării soluției software

Aplicația software Arduino

Aplicația este implementată în IDE-ul oferit de Arduino și cuprinde următoarele funcții:

funcția de irigare prin picurare;

funcția de ventilație și recirculare a aerului;

funcția de încălzire;

funcția de iluminare cu ajutorul led-urilor;

funcția de acces în seră;

funcția de monitorizare și prescriere a parametrilor;

funcția de urmărire a evoluției dezvoltării plantelor;

funcția de interfațare cu utilizatorul.

Programul încărcat pe Arduino este structurat sub formă de automat cu stări finite (Fig. 3.21), fiecare stare implementând o anumită funcție.

Stările posibile în care se poate afla sistemul sunt următoarele :

OPEN – deschiderea ușilor;

CLOSE – închiderea ușilor;

MONITOR – monitorizarea tuturor parametrilor din cadrul serei;

MONITOR_TEMP – monitorizarea temperaturii;

MONITOR_LIGHT – monitorizarea gradului de iluminare din seră;

MONITOR_HUMIDITY – monitorizarea gradului de umiditate a solului;

LIGHT1 – iluminarea zonei 1 din seră;

LIGHT2 – iluminarea zonei 2 din seră;

OFF – oprirea tuturor proceselor în derulare în seră;

VENTILATION – pornirea ventilației în seră;

WATERING – pornirea irigării în seră;

HEATING – pornirea încălzirii în seră.

Fig.3.21. Structura automatului cu stări finite

Fiecare din aceste stări apelează o funcție cu denumirea : processMonitorX(); , unde X= parametrul monitorizat.

Precum orice program implementat în mediul oferit de Arduino, lucrarea se împarte în:

definirea bibliotecilor

Am folosit 3 biblioteci :

#include <dht.h>

Această bibliotecă oferă funcții de achiziție pentru orice senzor de tipul DHTxx (DHT22, DHT11 în cazul nostru) și oferă posibilitatea de a afișa atât temperatura (valoare returnată de DHT.temperature()) cât și umiditatea aerului (valoarea returnată de DHT.humidity()).

#include <Servo.h>

Utilizată pentru a prescrie poziția la care să ajungă servomotorul. Această prescriere se face prin funcția myservo.write(pos); unde “pos” reprezintă poziția prescrisă.

#include <SoftwareSerial.h>

Folosită pentru comunicația serială. Se instanțiază un obiect de tipul SoftwareSerial pentru a putea defini pinii de RX si TX folosiți la comunicație.

În cazul nostru, se instanțiază SoftwareSerial Bluetooth(11,12); care va fi folosit în comunicația Bluetooth.

definirea valiabilelor globale

S-au utilizat variabile globale pentru a preciza conectarea elementelor de măsură și execuție la microcontroler și anume:

Intrările analogice:

A0 – senzor de umiditate 1

A1 – senzor de lumină

A3 – senzor de temperatură

A4 – senzor de umiditate 2

Intrări digitale:

11 – RX-ul modulului Bluetooth

Ieșiri digitale:

9 – comandă servomotor

12 – TX-ul modulului Bluetooth

30 – comandă ventilator

31 – comandă bec cu halogen

40 – comandă iluminare zona 1

41 – comandă iluminare zona 2

50 – comandă pompă submersibilă

funcția setup()

Conține inițializările necesare rulării programului:

configurarea pinilor de intrare/ieșire

setarea stării inițiale ale automatului

inițializarea parametrilor din seră cu primele citiri de la senzori

inițializarea comunicației Bluetooth

funcția loop()

Reprezintă programul principal al aplicației, care rulează ciclic instrucțiunile din cadrul acestuia. Are următoarele componente:

verificarea disponibilității comunicației Bluetooth și a recepționării unui byte

procesarea comenzii recepționate prin Bluetooth și setarea stării corespunzătoare

în funcție de starea setată, se apelează funcția process() pentru starea respectivă, mai apoi se apelează funcția care execută comanda lansată de utilizator

pentru fiecare stare, în funcțiile de comandă se setează la valoarea corespunzătoare pinul de ieșire al elementului de execuție respectiv

comenzi simple transmise pe portul serial prin Bluetooth vor determina execuția funcțiilor sistemului, după cum urmează:

“o”=> setare stare OPEN – deschiderea ușii

“c”=> setare stare CLOSE– închiderea ușii

“a”=> setare stare LIGHT1– iluminare zonă 1

“b”=> setare stare LIGHT2– iluminare zonă 2

“s”=> setare stare OFF– oprire procese în derulare

“v”=> setare stare VENTILATION– pornire ventilație

“w”=> setare stare WATERING– pornire irigare

“h”=> setare stare HEATING– pornire încălzire

“m”=> setare stare MONITOR– pornire algoritm de achiziție și reglare

“t”=> setare stare MONITOR_TEMP– achiziție date senzor de temperatură

“l”=> setare stare MONITOR_LIGHT– achiziție date senzor de lumină

“u”=> setare stare MONITOR_HUMIDITY– achiziție date senzor de umiditate a solului

un caz special de stare reprezintă starea MONITOR în care algoritmul de achiziție și reglare este descris.

Mai întâi se face achiziția de date de la senzori, după cum se poate vedea mai jos de la toți senzorii care monitorizează sera la care se face referire în acest proiect, senzorul de lumină, urmat de senzorul de umiditate și cel de temperatură, iar în cazul temperaturii se mediază câte 20 de valori pentru a se evita obținerea de valori aberante care ar duce la perturbarea bunei funcționări a serei.

Totul este implementat, după cum se poate vedea prezentat în partea de cod afișat în cele ce urmează.

În variabilele auxiliare, se salvează valorile prescrise de către utilizator (temperatură minimă, temperatură maximă, luminozitate și umiditate) și recepționate prin Bluetooth:

Se compară mai apoi valoarea prescrisă (cea auxiliară) cu valoarea achiziționată de la senzor și se ia decizia de execuție a următoarele comenzi:

În cazul luminozității: – dacă valoarea prescrisă este mai mică decât cea actuală, zonele nu vor fi iluminate, altfel se va lansa o comandă de iluminare grupărilor de LED-uri din ambele zone;

– dacă dimpotrivă vom avea o valoare prescrisă mai mare decât cea actuală, zonele rezultate a fi iluminate îndestulător astfel că lumina din zonele acoperite de LED-uri vor fi stinse automat.

Mai jos este prezentată secvența de cod care realizează cele descrise mai sus în ceea ce privește senzorul de iluminare, precum și comanda celor două zone de iluminare cu LED-uri.

În cazul temperaturii se face o reglare bipozițională cu histeresis, zona de insensibilitate reprezentând +/- 5 grade Celsius. Dacă valoare prescrisă este mai mică decât cea actuală cu cel puțin 5 grade Celsius, o comandă de răcire se va lansa ventilatorului, altfel, dacă temperatura prescrisă este mai mare decât cea actuală cu cel puțin 5 grade Celsius, o comandă de încălzire va fi trimisă becului cu halogen și ventilatorului care va dispersa căldura în întreaga seră. Dacă parametrii prescriși sunt în zona de insensibilitate, nicio comandă nu va fi lansată.

În cazul irigării, se face o mediere a valorilor recepționate de la senzorii de umiditate a solului, iar dacă valoare prescrisă este mai mică decât cea mediată, irigarea va fi pornită, altfel nu se va lansa nicio comandă către pompa submersibilă.

În cazul în care parametrii din seră depășesc limitele normale, o alarmă va fi declanșată pentru anunțarea utilizatorului despre anomalie.

ANALIZA APLICAȚIEI REALIZATE

Simularea și testarea aplicației

Se consideră următoarele scenarii de test :

Test în cazul în care tensiunea nu corespunde cu valoarea admisă

Precondiții : sistemul funcționează în parametri normali alimentat la 12V

Test de validare a parametrilor prescriși pentru temperatură

Precondiții : sistemul funcționează în parametrii normali alimentat la 12V

valorile introduse în sistem să fie în limitele suportate de acesta

Test de validare a parametrilor prescriși pentru iluminare

Precondiții : sistemul funcționează în parametrii normali alimentat la 12V

valorile introduse în sistem să fie în limitele suportate de acesta

Test de validare a parametrilor prescriși pentru umiditate

Precondiții : sistemul funcționează în parametrii normali alimentat la 12V

valorile introduse în sistem să fie în limitele suportate de acesta

4.2. Dificultăți întâlnite și rezolvarea lor

Realizarea acestui proiect este rezultatul muncii de aproximativ 3 luni (prima lună fiind alocată cercetării temei, temă deschisă încă de pe vremea primei facultăți, iar următoarele două fiind alocate pentru proiectarea și implementarea soluției), perioadă în care am avut ocazia de a fi confruntat cu o serie de dificultăți, după cum urmează:

O primă dificultate întâmpinată a fost amplasarea recipientelor de pământ în care trebuiau pozițioate plantele. Am ales soluția unei sere în model scară întrucât permite utilizarea optimă a spațiului din seră.

O altă dificultate întâmpinată a fost alegerea elementelor de execuție din cadrul serei :

Sistemul de incălzire

S-a ales ca și element de încălzire un bec a cărei putere este transformată în proporție de 98% în căldură, ce va fi dispersată cu ajutorul unui ventilator, suficient cât să acopere suprafața de interes.

Sistemul de irigare

Prima soluție de irigare a serei a fost utilizarea unor furtune mici de-a lungul recipientelor cu pămănt in forma de “S” găurite la o distanță de 3 mm. Prin testare s-a ajuns la concluzia că, uniformitatea irigării nu era controlată. Ulterior, în proiectare s-a folosit un sistem de irigare prin picurare cu o picurătoare pe fiecare nivel , situată central.

O altă problemă la sistemul de irigare a fost reglarea debitului apei provenite de la pompa submersibilă (4 l/min.), problemă rezolvată tot prin folosirea acestor picurătoare.

Sistemul de răcire

La proiectare s-a ales un ventilator ce creează o circulație continuă a aerului în seră. Această circulație a aerului ajută la păstrarea uniformității aerului din seră. Circulația aerului printre frunzele plantelor va îmbunătăți transpirația și fotosinteza plantei.

O altă dificultate întâmpinată a fost interpretarea valorilor provenite de la senzori și calibrarea acestora. De asemenea în sistem se face o mediere a valorilor senzorilor pentru a înlătura valorile problematice. Prin testări multiple s-a ajuns la concluzia că valorile provenite de la senzorul de lumină (valori cuprinse între 1 și 1023) sunt direct proporționale cu gradul de iluminare din mediul ambiant, pe când valorile provenite de la senzorul de umiditate a solului (valori cuprinse între 1 și 1023) sunt invers proporționale cu nivelul de umiditate al acestuia.

Recepția datelor a constituit un mare obstacol de asemenea, întrucât interfațarea aplicațiilor cu modulul de achiziție nu se executa cum trebuie. Problema s-a rezolvat cu sincronizarea ratei de transfer a datelor și convertirea valorilor în tipuri de dată corespunzătoare și anume din codul ASCII în tipul numeric.

O altă dificultate întâmpinată a fost pierderea conexiunii la Bluetooth în timpul implementării aplicației mobile la trecerea dintr-o pagina în cealaltă. Ca rezolvare s-a realizat o conexiune globală per aplicație.

De asemenea au fost dificultăți și la transmiterea datelor prin Bluetooth până s-a realizat convertirea acestora la tipul de dată recunoscut de interfața serială Arduino.

4.3. Costuri de realizare

Lista de materiale folosite

Circuit de test

Rezistor 360 ohm – 2 buc.

Relee 5V/12V – 5 buc.

Senzorul de umiditate și temperatură DHT11 – 1 buc.

Senzor de lumină Brick – 1 buc.

Senzor de umiditate sol – 2 buc.

Ventilator – 1 buc.

Bec cu halogen “H1” – 1 buc.

Pompă submersibilă – 1 buc.

Micro servo 9G – 1 buc.

Modul Bluetooth HC 05

Fire conductoare

LED-uri albe – 6 buc.

Arduino Mega 2560 – 1 buc.

Plexiglass – 1m2

Toate componentele electronice s-au achiziționat de la magazinele de specialitate Vitacom, RET și Farnell, o parte din ele fiind comandate online.

Mai jos este prezentat un tabel în care s-au centralizat componentele utilizate la realizarea proiectului, împreună cu prețurile de achiziție, rezultând în final prețul total de realizare al proiectului din punct de vedere electric și electronic.

Structura din Plexiglas a serei este rezultatul transformării unui proiect mai vechi ce reprezintă o fermă avicolă.

Costuri

CONCLUZII FINALE

Automatizarea în domeniul serelor s-a dovedit a fi o idee inovativă și încă neacoperită în totalitate în țara noastră.

Lucrarea de față se vrea un model modular în ceea ce privește automatizarea serelor. Aceasta încorporează atât monitorizarea cât și controlul parametrilor din seră.

Funcțiile implementate ușurează munca de zi cu zi a celor ce își desfășoară activitatea în domeniu, dar totodată și optimizează resursele necesare dezvoltării culturilor din sere.

Partea de cercetare realizată înaintea și în timpul proiectării soluției a ajutat la înțelegerea nevoii de automatizare în acest domeniu și a oferit idei de imbunătățire pentru proiect.

Deoarece s-a utilizat reglarea automată în algoritmul implementat s-a putut realiza controlul total asupra parametrilor de intrare și de ieșire.

S-a încercat găsirea unei soluții cât mai simple în ceea ce privește interfațarea cu utilizatorul. Acesta poate urmări evoluția parametrilor din seră dar poate și transmite comenzi către seră ușor și rapid.

Conform unui studiu de piață realizat pe un eșantion de 150 de persoane, din toate categoriile sociale s-a observat că lucrarea de față acoperă nevoile exprimate de aceștia și anume:

Amplasarea tip scară a plantelor 75%;

Utilizarea de led-uri albe pentru iluminare 60%;

Utilizarea ventilatoarelor care recirculă aerul 80%;

Sistem de irigare prin picurare 90%;

Fertirigarea 75%.

Idei de îmbunătățire a sistemului

Studiile de specialitatea ne arată că iluminarea cu LED-uri poate stimula creșterea plantelor cu până la 40%, ceea ce face ca amplasarea acestora într-o seră să fie absolut necesară.

Unul din principalele avantaje a folosirii LED-urilor este controlul iluminării.

Așadar, o primă îmbunătățire a proiectului este comandarea intensității luminii furnizată de LED-uri în funcție de necesitățile fiecărei plante, cât și utilizarea LED-urilor de culori diferite.

O altă îmbunătățire este comandarea deschiderii ușii de acces de la distanță. Să presupunem următorul scenariu: persoana ce trebuie să intre într-o seră având mâinile ocupate, nu poate comanda deschiderea acesteia. Pentru ca ușa să se deschidă se va monta un senzor de prezență umană care va detecta prezența unei persoane lângă seră și va deschide ușa.

O altă îmbunătățire este posibilitatea utilizatorului de a monitoriza sera în timp real cu ajutorul unei camere video.

De asemenea, există posibilitatea de prelucrare a imaginilor furnizate de camera pentru a detecta eventualele boli ce pot apărea în procesul de dezvolatare al plantelor.

Tampoanele de răcire reprezintă o altă îmbunătățire ce poate fi adusă serei. Acestea contribuie la răcirea temperaturii din seră pe timpul verii, dar pot influența și gradul de umiditate al aerului .

Bibliografie:

K, GARZOLI GreenHouses.pdf

GreenHouse Tehnology and Management.pdf

"12.7.3 Simplified Method of Heat Requirement Calculation" 

http://matadornetwork.com/trips/30-spectacular-examples-of-terraced-agriculture-pics/

http://www.hrt.msu.edu/Energy/pdf/Energy%20case%20study,%20Penn%20State.pdf

http://www.armandconsulting.eu/documente/tomate.pdf (studiu de caz)

http://www.marcoser.ro/produse/carte/tehnologii_de_cultura/legume_timpurii_vol1.html

http://www.marcoser.ro/images/produse/272_0_2_legume_timpurii_vol1.jpg

http://www.marcoser.ro/images/produse/272_1_2_legume_timpurii_vol1.jpg

http://www.marcoser.ro/images/produse/272_2_2_legume_timpurii_vol1.jpg

http://www.marcoser.ro/images/produse/272_3_2_legume_timpurii_vol1.jpg

http://www.afacerilacheie.net/articole/afaceri-profitabile/reteta-rapida-pentru-a-face-bani-din-agricultura_cultivarea-plantelor-aromatice-si-a-rubarbei-2492.html

http://www.gazetadeagricultura.info/plante/legume/17220-ghid-de-plantare-a-legumelor-in-solar.html

http://www.gazetadeagricultura.info/plante/legume/442-rosii/459-cultura-tomatelor-in-solarii.html (foarte util)

http://www.recolta.eu/arhiva/infiintarea-culturilor-legume-solarii-sere-10891.html

http://blog.seretransilvania.ro/de-ce-sa-cultivam-in-sera-sau-solar/

http://blog.seretransilvania.ro/cultivarea-plantelor-floricole-in-sera/

http://www.econet-romania.com/files/5_GFR_RO.pdf

http://sere-natura.ro/2015/

http://www.jovis.ro/carti/carti-legumicultura/cartea-cultura-legumelor-sere-solarii-rasadnite-1718.htm

https://books.google.ro/books?id=OUbGDTXJMjsC&pg=PA106&lpg=PA106&dq=necesitatea+serelor&source=bl&ots=FshbUnm1aA&sig=rS5zjpEmi_v2bGFh9R4gJOJE6fQ&hl=ro&sa=X&ei=2x53VYTmB4HXU9K-gogI&ved=0CDgQ6AEwBA#v=onepage&q=necesitatea%20serelor&f=false (carte)

http://www.legume-flori.ro/flori-de-sera/

http://forum.softpedia.com/topic/763842-automatizare-sera/ (cerinte pentru sere)

http://www.pc-control.co.uk/greenhouse.htm (cerinte pentru constructia si automatizarea serei)

http://www.eco-agri.ro/sere.php

http://www.conceptairnature.com/#!sere-hobby/c15qb

http://sere-eco-solare.spatiiverzibuzau.ro/sera-eco-solara.html

http://www.dataincorporated.ro/sere,-ghivece,-plante-si-accesorii/sere/

http://www.witura.com/solutions/gsm-green-house-monitoring-system.html

http://livingshade.com.au/2/greenhouse/systems-structures/how-svensson-screens-work/

http://www.agricomag.ro/banda-de-picurare-aqua-traxx-10-mil-picuratori-la-20-cm-diam-22-mm-debit-1-14-l-h.html

Anexe:

Anexa 1: Fotografii cu etapele execuției serei

Foto.A1.1 Pregătirea structurii

Foto.A1.2 Implementarea deschiderii ușilor

Foto.A1.3 Implementarea sistemului de încălzire-ventilare

Foto.A1.4 Implementarea irigării prin picurare

Foto.A1.5 Introducerea suportului pentru plante

Foto.A1.6 Realizarea părții electronice

Foto.A1.7 Închiderea serei