Proiectul meu de diploma se intituleaza :Studiul, proiectarea si realizarea unui system [607433]

1
Introducere

Proiectul meu de diploma se intituleaza :”Studiul, proiectarea si realizarea unui system
automat de reglare a parametrilor din interiorul unei sere”.

Alegerea temei a fost influentata de problemele prezente in anumite zone ale planetei legate
de infertilitatea solului sau acoperirea necesarului de hrana in zonele intens populate.
Un exemplu in acest caz poate fi reprezentat de nevoia controlului asupra temperaturii interioar e,
umiditatii din sol si din aer a serei, fiind factor ii decisivi in cresterea rapida a platelor.
Modificarea parametrilor din interiorul serei si pastrarea lor la valorile ideale pt dezvoltarea
culturilor se pot realiza cu un sistem automat format din senzori de temperatura si umiditate
conectati la o unitate centrala, ce stocheaza informatiile si transmite intructiuni la elementele de
executie prezente in sistem pentru ca valorile masurate sa coincide cu valorile de referinta.

Intregul proiect a fost realizat cu ajutorul platformei open source ARDUINO. Pentru
aceasta lucrare am folosit o placa de dezvoltare Arduino Mega 2560, o sursa externa de 12V, o
sursa de 5V, un breadboard, un display 1602, 4 relee controlate cu 5V, 3 ventilatoare, o pompa de
apa alimentata pe 5V, 2 senzori de temperatura, 2 senzori pt umiditatea solului si un senzor capabil
sa monitorizeze temperatura si umiditatea in paralel.

Lucrarea de licenta este structurata in 3 capitole:

Primul capitol prezinta informatii generale necesare pentru intelegerea modului de
functionare a unei seri si construirea acesteia.

Capitolul doi este dedicat prezentarii detaliilor tehnice ale elementelor componente ale
sistemului de reglare automat , conexiunile dintre acestea, schema logica si bloc a sistemului.

Capitolui trei se bazeaza pe modul de functionare a sistemului de reglare a temperaturii si
umiditatii al serei. Pentru aprofundarea informatiilor am inclus secventele de cod necesare
programarii intregului ecosistem.

2
CAPITOLUL I
Notiuni generale despre sere

1.1 Descrierea serelor

Sera reprezinta o constructie cu pereti si acoperit din material plastic sau sticla. In acestea se
pot cultiva plante ce necesita anumite conditii de mediu, diferite fata de mediul natural al zonei
sau pentru o productie continua, perioada necesara de timp din momentul cultivarii pana la
culegerea roadelor mai scazuta si control deplin in dezvoltarea plantelor.

Fig. 1.1 – Sera moderna cu structura metalica

Serele se impart in 3 categorii in functie de temperature obtinuta la interior:
– sere reci, cu valori ale temperaturii interioare cuprinse intre 8 oC si 10 oC;
– sere temperate, avand temperatura cuprinsa intre 18 oC si 20 oC;
– sere calde, cu temperaturi aflate in intervalul: 25 oC si 30 oC.

Incalzirea serelor poate fi realizata in functie de spatiul interior, nevoi sau buget in
urmatoarele moduri:
– radiatoare conectate la o retea de apa geotermala;
– vapori de apa;
– energie electrica.

1.2 Contructia generala a serelor

Asa cum am specificat anterior peretii serelor se pot contrui din sticla sau materiale plastice.
In trecut sticla era singura alegere pentru acest tip de aplicatii. Descoperirile tehnologice din
domeniul materialelor plastice din ultimii ani au dat nastere unor alter native mult mai convenabile
ca pret, mai sigure, mai fiabile si mai usoare ca greutate.

3

Fig 1.2 – Sera cu pereti de policarbonat

Unul din materialele plastice utilizate frecvent este panoul de policarbonat, avand un pret
relativ scazut fata de sticla si rezistanta crescuta. Acestea se pot gasi in comert la dimensiuni
standard sau se pot comanda in functie de necesitati. Policarbonatul permite lumin ii si energi ei
solar e sa treaca prin placa, insa un beneficiu major reprezentand pastrarea energi e in interiorul
serei, ajutand astfel la mentinerea unei temperaturi mai ridicate decat cea a mediului exterior.
Un avantaj suplimentar fiind atribuit gamei variate de culori, grosimi si tipuri de placa
(policarbonat celular, cutat, compact, etc), facand c a policarbonatul sa devina unul dintre cele mai
utilizate materiale in domeniul constructiei de ser e.
Fiind vorba despre o intreaga clasa de meteriale plastice, policarbonatii sunt diferiti unii fata
de altii, insa per ansamblu au in comun caracteristica d e a fi materiale rezistente si cu o greutate
redusa semnificativ. Unele game de policarbonat transparent au un coefficient mai bun de
transmisie a luminii comparative cu sticla. Policarbonatul compact are o durata de viata mult mai
lunga in comparative cu sticla sau foliile de plastic folosite la acoperirea serelor.
Scheletul serei se poate realiza din materiale feroase, crescand ridigitatea si rezistenta in
timp. Acest ansamblu se afla pe o fundatie solida din beton dar care necesita aprobare de contructie
din partea statului conform legii .

1.3 Amplasarea serelor

In cazul serelor caldura este asigurata pe intreaga zi si noapte prin diferita mijloace la care
contribuie si caldura acumulata de la soare pe timpul zilei. Speciile de legume pretentio ase la
caldura dunt in acelasi timp sensibile si la intensitatea si durata luminii. Suprafata de teren utilizata
pentru sera trebuie sa fie cat mai plana, pentru a reduce riscul acumularii apei de precipitatii in
anumite portiuni, sera fiind orientate cu l ungimea pe directive nord -sud.

4

Fig 1.3 – Amplasare sera pe directia N -S

Pentru evitarea pericolului de inundare in sere, solul pe care se cultiva legumele trebuie sa
fie cat mai permeabil, iar nivelul panzei freatice cat mai coborat. Culturile de plante legumicole
care sunt realizate pe principiul celor super intensive cu mare densitate, au nevoie de cantitati mari
de apa. Pentru indeplinirea acestei cerinte sursa de apa trebuie sa existe in permanenta pe tot
parcursul anului, indiferent de precipi tatiile sau temperaturile din mediu.
Uneori, serele sunt construite parțial în sol, cu pardoseala sub nivelul de îngheț al solului
înconjurător. Astfel se realizează o bună izolație termică fără reduc erea suprafaț ei pe care radiatia
soarel ui poate intra. Incălzirea serelor se poate face cu masă lemnoasă, cu gaz sau cu energie
electrică. Energie electrică poate să provină din surse regenerabile precum cea solară sau
eoliană. Evident, căldura în seră vine predominant de la soare.

Fig 1.4 – Sera semi ingropata in sol

5
In special la serele mari, se poate apela la surse geotermale de încălzire. Forajele pentru
astfel de instalații au costuri ridicate . Serele au pardoseală solidă, iar culturile, sunt dispuse pe
bancuri de creștere pentru un mai bun acces al agricultorului la ele. Energia care nu provine de la
soare este folosita pentru a nu permite temperaturii să coboare sub un anumit nivel specific c ulturii
practicate. De regulă o seră are o temperatură de minim 5 grade Celsius și o umiditate controlată.

1.4 Incalzirea serelor

Pentru incalzirea serelor se pot utiliza diferite incalzitoare sau centrale in functie de buget
si sursa de energie pe care dorim sa o utilizam: biomasa, pelti, lemn, gaz natural, motorina, carbune
sau GPL.

a) Centrala pe biomasa

Centrala pe biomasa genereaza caldura in interiorul serei prin arderea materiilor solide de
origine naturala. Avantajul este ca aceste resturi se pot gasi pe langa gospodaria fermierilor, astfel
costurile sunt scazute .

Fig 1.5 – Proces incalzire central a pe biomasa

b) Centrala pe combustibil solid de lemn

Materia prima pentru centrala este alcatuita din resturi produse prin prelucrarea lemnului
(peleti) si care nu au alta utilitate.Aceste resturi devin un combustibil economic si modern, cu o
putere c alorica mare si un grad redus de umiditate.

6

Fig 1. 6 – Centrala pe combustibil solid

c) Generatoare de aer cald

Aceste sisteme de incalzire destinate serelor utilizeaza ca materie prima lemnoase le : lemne
de orice esenta, talaj, resturi lemnoase,carbune, cocs sau rumegus.
Generatoarele de caldura antreneaza o turbin a care impinge aerul pe langa cuva de ardere si pe
langa schimbatorul de caldura al generatorului, in acest fel aerul preia caldura pro dusa.
Avantajul major al acestui sistem de incalzire este siguranta ridicata, fiind singurul sistem care nu
lucreaza sub presiune.

Fig 1.7 – Generator de aer cald

d) Incalzitoarele de tip HHB pe baza de gaz natural / GPL / motorina cu sau fara cos de
fum

Acest tip de incalzitoare produc o putere termica cuprinsa intre 70kW – 120kW . Pentru
incalzitoarele fara cos de fum, gazele arse sunt degajate in sera.Beneficiul fiind aportul de CO2
folositor plantelor conducand la o crestere de maxim 20 % al p roductiei.

7
Daca diferenta dintre temperatura minima din exterior si temperatura din interior de referinta (
Delta T) este mai mare de 25°C, se vor instala si incalzitoare cu cos de fum.

Fig 1.8 – Incalzitor HHB pe gaz

e) Incalzitoare de tip LCSA pe baza de gaz natural / motorina / GPL cu cos de fum

Generatoarele cu aer cald cu combusbil GPl / gaz natural / motorina dezvolta o putere
termica intre 60kW – 100kW. Aceste generatoare sunt prevazute standard cu cos de fum, fiind
special dezvoltat si con truit pentru medii corozive si umede.

Fig 1.9 – Incalzitor de tip LCSA

8
1.5 Irigarea serelor

Apa detine un rol principal in viata legumelor. Factorul esential in cresterea si dezvoltarea
plantelor este apa. Legumele au continue de apa ridicat comparativ cu alte culturi. In acest caz un
continut mare de apa asigura calitatea superioara a produsului finit. Majoritatea legumelor care au
un continut ridicat de apa se caracterizeaza prin prospetime, suculenta si fragezimea lor.
Necesarul de apa al plantelor variaza in functie de faza de vegetatie. Plantele din sere necesita
cantitati insemnate de apa, principalul motiv fiin ca in spatiile acoperite plantele nu au acces la apa
provenita din precipitatii. Sursa de apa trebuie sa fie permanenta cu o calitate ridicata din punct de
vedere al temperaturii si al sarurilor.

Irigarea se poate realiza prin doua metode:
– Irigarea prin picurare;
– Irigarea prin microaspersie.

Irigarea prin picurare este obligatorie in spatiile protejate, fiind un sistem avantajos. Udand la
radacina, scade riscul aparitiei buruienilor ceea ce scade volumul de munca. Un alt ava ntaj este
reprezentat de posibilitatea aplicarii ingrasamintelor in timpul irigarii.
Acest sistem de irigare se poate automatiza, limitandu -se durata de picurare in functie de nevoi ,
de tipul solului si de debitul la picurator.

Fig 1.10 – Sistem de irigare prin picurare

9
Sistemul de irigatii prin picurare este format din:

a)Sursa de apa – care poate proveni din reteaua stradala, bazine de stocare, sursa locala(fantana);
Avand in vedere consumul ridicat de apa din sere, se va cauta o sursa de apa cu costuri cat mai
mici.

b)Sistemul de filtrare – este obligatoriu si se va dimensiona in functie de suprafata irigata si
calitatea apei.

c)Conducta distribuitoare – este reprazentata de teava de polietilena , diametrul conductei fiind
dimensiona t in functie de tipul sursei si de necesarul de apa.

d)Liniile de picurare – pot fi tip tub sau banda. Tuburile sau benzile de picurare se amplaseaza cu
un spatiu intre ele de 50-60 cm. Liniile de picurare se monteaza la suprafata solului.

Avantajele sistemului de irigare prin picurare:
– Precizia si controlul cantitatii de apa ;
– Economia de energie si apa;
– Aparitia redusa a buruienilor;
– Organizarea eficienta.

Irigarea prin microaspersie este reprezentata prin simularea unei ploi fine in interiorul
serei.Se foloseste in sere pentru ridicarea gradului de umiditate a atmosferei si solului. Permit
aplicarea de tratamente si ingrasaminte in timpul folosirii. Acest tip de sistem de irigatie se poate
automatiza complet .
Sistemele de aspersie sunt folosite pentru plate cultivate la sol. Aceste sisteme, in functie
de presiunea apei se pot imparii astfel:
-Low pressure;
-High pressure.

Sistemele de aspersie high pressure functioneaza la presiuni de 5-8 bar, se pot construi cu
sprinklere fixe sau cu bare mobile.

Fig 1.11 – Sistem de irigare cu sprinkler fix

10
Barele mobile utilizate pentru irigare sunt instalatii automatizate cu una sau doua linii de
duze pentru aspersie, deplasarea lor fiind orizontal -longitudinal. Barele mobile sunt recomandate
pentru culturi cu inaltimi mici. Sistemul lucreaza la debite si presiuni mici.

Fig 1.12 – Irigare prin microaspersie cu bara mobila

Sisteme de aspersia low pressure au presiuni de 3-5 bar, au sprinklere fixe aflate pe reteaua
de tuburi din HDPE sau PVC si sunt destinate tratamentelor sau irigarii plantelor. Acest tip de
sistem genereaza o umidificare a mediului interior al serei si o scadere a temperatirii pe perioada
verii.

11
CAPITOLUL II
PROIECTAREA SI REALIZAREA SISTEMULUI AUTOMAT DE REGLARE A
PARAMETRILOR DIN INTERIORUL UNEI SERE

2.1 Schema electrica si schema bloc pentru sistemul proiectat

Sistemele de reglare automata ( SRA) , s-au dezvoltat masiv la scara larga in economie si viata
cotidiana. Ele se pot intalni in electrocasnice, motoarele autovehiculelor sau industrie.

„Reglarea este operația de menținere a mărimii de ieșire a procesului la o valoare cât mai
apropiată de cea a unei mărimi de referință în condițiile modificării în timp a mărimii de referință
și a acțiunii perturbațiilor asupra procesului reglat.” [3]
In prezent, sistemele de control sunt standard computerizate pentru serele agricultorilor,
sunt imbunatatite in p ermanenta datorita descoperirilor tehnologice tot mai avansate. Odata cu
trecerea timpului sistemele autonome de conducere s -au dezvoltat de la bucle de reglare cu o
singura intrare si o singura iesire la sisteme autonome multi functionale .
Reducerea costurilor de productie si scaderea consumului energetic se pot evidentia prin
monitorizarea si controlul umiditatii din sere, respectiv temperaturii si prin irigarea corecta a
solului .

“Sistemele cu acțiune după efect sunt cu structură închisă , adică elementul care produce
mărimea de comandă este informat în legătură cu rezultatul acțiunii sale.” [6]
Proiectul meu încearcă sa reproducă funcțiile prioritare de reglare a temperaturii si
umidității in sere cu ajutorul următoarelor componente: