Πλήρης αυτοματισμός θερμοκηπίου -Γυμνάσιο- Λύκειο Κορώνειας

Πλήρης αυτοματισμός θερμοκηπίου -Γυμνάσιο- Λύκειο Κορώνειας

 Αρχική πρόταση συμμετοχής

 

Γυμνάσιο Κορώνειας

Έργο για τον 2ο διαγωνισμό ρομποτικής

Το έργο που πρόκειται να πραγματοποιήσουμε είναι ο πλήρης αυτοματισμός ενός θερμοκηπίου το οποίο θα λειτουργεί όλο το χρόνο. Οι παράγοντες τους οποίους θα πρέπει να ελέγχει είναι:

  1. η θερμοκρασία του αέρα
  2. η υγρασία του αέρα
  3. η υγρασία του εδάφους
  4. η ηλιακή ακτινοβολία Τόσο η θερμοκρασία όσο και η υγρασία θα πρέπει να βρίσκονται μεταξύ κάποιων ορίων για την βέλτιστη ανάπτυξη των φυτών του θερμοκηπίου. Ο έλεγχος της υγρασίας θα γίνει με τη χρήση αισθητήρα υγρασίας αέρα και η ρύθμισή της με ανεμιστήρα ο οποίος θα ανανεώνει τον αέρα στο εσωτερικό του θερμοκηπίου. Η ρύθμιση της θερμοκρασίας κατά τις θερμές ώρες του καλοκαιριού ή και όχι μόνο , θα γίνεται επίσης με τη χρήση του ανεμιστήρα , ενώ για τις κρύες ώρες θα γίνεται με το άναμμα της πηγής θερμότητας που χρησιμοποιεί το κάθε θερμοκήπιο. Στο μοντέλο μας θα χρησιμοποιήσουμε μία ηλεκτρική αντίσταση. Ο έλεγχος της υγρασίας του εδάφους και αν αυτή πέσει κάτω από κάποια καθορισμένη τιμή, θα δίνει εντολή για το άνοιγμα της βάνας της δεξαμενής ποτίσματος. Σε ένα θερμοκήπιο αυτό θα πρέπει να γίνει με ηλεκτροβάνες. Στο μοντέλο μας θα γίνει με ένα σέρβο μοτέρ που θα ανοίγει και θα κλείνει την παροχή του νερού. Για την μέγιστη ανάπτυξη των φυτών κατά τη διάρκεια του χειμώνα όπου η φωτεινότητα είναι περιορισμένη είναι ανάγκη η χρήση τεχνητού φωτισμού για κάποιο διάστημα της νύχτας. Έτσι, ένας αισθητήρας φωτός θα ενεργοποιεί τις λυχνίες για τον τεχνητό φωτισμό και για όση ώρα χρειάζεται κατά τις πρώτες νυχτερινές ώρες ή κατά τη διάρκεια έντονης συννεφιάς. Το ρεύμα για τον ανεμιστήρα και για τις λυχνίες φωτισμού θα γίνεται από ανεξάρτητη πηγή και όχι μέσο του arduino , λόγω τις μεγάλης ισχύος. Οι ηλεκτροβάνες επίσης χρειάζονται μεγάλη ισχύ , αλλά το σέρβο μοτέρ στο μοντέλο μας μπορεί να τροφοδοτηθεί μέσα από το arduino. Έτσι θα χρειαστεί ρελέ δύο θέσεων. Οι τιμές της θερμοκρασίας , της υγρασία του αέρα και του εδάφους θα προβάλλονται σε μία οθόνη lcd. Τα υλικά που θα χρειαστούμε και το (κατά προσέγγιση) κόστος είναι :
  5. Funduino UNO Rev3 (Arduino Uno Compatible) €11.90
  6. breadboard €4
  7. Servo Micro 2.2kg.cm PlasticGears (Waveshare SG90) €3.60
  8. Αντάπτορας για arduino 9V Μπαταρία σε Jack 5.5×2.1 mm €0.90
  9. Adafruit Αισθητήρας φωτός αναλογικός GA1A12S202 €4.90
  10. Jumper Wires 20cm Male to male pack of 10 €1.20
  11. DC Fan 40x40x10mm 5V Slide Bearing EE40100S2 €2.80
  12. Relay Module -2 Channel €3.50
  13. Αισθητήρας Υγρασίας και θερμοκρασίας DHT11 €2.20
  14. Αισθητήρας υγρασίας εδάφους €1.90
  15. Λαμπάκι 9V €0.90
  16. Ηλεκτρική αντίσταση (από παλιά χαλασμένη συσκευή)
  17. Υλικά για την κατασκευή του μοντέλου του θερμοκηπίου (άγνωστο ποσό)

Συνολικό ποσό €37.80

 

 

Βίντεο που παρουσιάζει το project: https://www.youtube.com/watch?v=NkPY0ZJWuIY

 

Ο κώδικας είναι διαθέσιμος στην διεύθυνση https://github.com/gogosbill/lagkadikia/blob/master/CODE.ino

 

 

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ

Το θερμοκήπιο εκτελεί πολλές λειτουργίες ταυτόχρονα ώστε να ρυθμίζονται 3 συνθήκες σε αυτό. Αυτές είναι η θερμοκρασία, η υγρασία του χώματος (αυτόματο πότισμα) και η υγρασία της ατμόσφαιρας. Κάθε μία από αυτές εκτελείται από την μονάδα arduino και είναι εμφανής στον κώδικα. Σε αυτό το κεφάλαιο εξηγείται το πώς λειτουργεί το κάθε σύστημα ξεχωριστά.

Αίσθηση Θερμοκρασίας

Ο αισθητήρας που χρησιμοποιείται για την μέτρηση της θερμοκρασίας είναι ο DHT11. Η τιμή που επιστρέφει η αισθητήρας για την θερμοκρασία αποθηκεύεται στην μεταβλητή “temp”(float) ως βαθμοί °C (η οποία όπως και όλες οι άλλες ανανεώνεται κάθε 5 δευτερόλεπτα)

Έπειτα η τιμή της θερμοκρασίας συγκρίνεται με τον αριθμό 22. Εάν αυτή είναι μεγαλύτερη ή ίση αυτού, δεν συμβαίνει τίποτα. Εάν αυτή είναι μικρότερη του 22, τότε ενεργοποιείται το σύστημα θέρμανσης.

Θέρμανση

Χρησιμοποιώντας το ένα κανάλι μιας μονάδας relay δύο καναλιών, έχει φτιαχτεί ένα απλό κύκλωμα στο οποίο το ηλεκτρικό ρεύμα που τροφοδοτείται από μία μπαταρία τάσης 9V περνάει από ένα σύρμα υψηλής αντίστασής (σύρμα από πιστολάκι μαλλιών) και μετατρέπει το ηλεκτρικό ρεύμα σε θερμότητα. Αυτό συμβαίνει όταν η θερμοκρασία του θερμοκηπίου είναι χαμηλότερη από 22 °C, όπως αναφέρθηκε και στην προηγούμενη παράγραφο, οπότε το σύστημα διατηρείται σε μια ισορροπημένη θερμοκρασία.

Αίσθηση Υγρασίας Ατμόσφαιρας

          Ο αισθητήρας που χρησιμοποιείται για την μέτρηση της υγρασίας της ατμόσφαιρας είναι και πάλι ο DHT11. Η τιμή που επιστρέφει η αισθητήρας για την υγρασία αποθηκεύεται στην μεταβλητή “hum”(float) ως ποσοστό.

Έπειτα η τιμή της θερμοκρασίας συγκρίνεται με τον αριθμό 80. Εάν αυτή είναι μικρότερη ή ίση αυτού, δεν συμβαίνει τίποτα. Εάν αυτή είναι μεγαλύτερη του 80, τότε ενεργοποιείται το σύστημα αφύγρανσης (ανεμιστήρας).

Αφύγρανση

Σε αυτό το σύστημα χρησιμοποιείται το άλλο κανάλι της μονάδας relay. Το κύκλωμα είναι ίδιο με αυτό τις θέρμανσης, απλώς αντί για θερμαινόμενο σύρμα, το ηλεκτρικό ρεύμα τάσης και πάλι 9V περνά από ένα ανεμιστηράκι, το οποίο είναι προσανατολισμένο έτσι ώστε να βγάζει αέρα από το θερμοκήπιο.

Αίσθηση Υγρασίας Χώματος

Ο αισθητήρας που χρησιμοποιείται για την μέτρηση της υγρασίας του χώματος είναι ο Soil Moisture Sensor. Η τιμή που επιστρέφει η αισθητήρας για την υγρασία αποθηκεύεται στην μεταβλητή “ sensorValue”(int).

Έπειτα η τιμή της υγρασίας χώματος συγκρίνεται με τον αριθμό 400. Εάν αυτή είναι μικρότερη ή ίση αυτού, δεν συμβαίνει τίποτα. Εάν αυτή είναι μεγαλύτερη του 400, τότε ενεργοποιείται το σύστημα ποτίσματος.

Πότισμα

Το Servo Micro SG90 είναι δεμένο με μια τεντωμένη πετονιά με ένα καλαμάκι. Η αρχική του θέση είναι 40°, οπότε το σημείο στο οποίο είναι δεμένη η πετονιά στο servo είναι αρκετά μακριά ώστε το καλαμάκι να σπάει και να μην επιτρέπει στο νερό να κυλίσει. Όταν το σύστημα ποτίσματος ενεργοποιείται (sensorValue > 400), το servo περιστρέφεται έως την θέση 0°. Μένει σε αυτήν την θέση για 10 δευτερόλεπτα για επιτρέψει σε αρκετό νερό να κυλίσει και μετά επαναφέρεται στην θέση 40°.

 

ΤΑ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ  ΓΕΩΔΑΙΤΙΚΗΣ ΔΟΜΗΣ

Είναι γνωστό πως το γεωδαιτικό σχήμα είναι όμορφο, η πραγματική του ομορφιά έγκειται στη δύναμή του. Τα τριγωνικά σχήματα που σχηματίζουν το θερμοκήπιο δημιουργούν ένα γεωμετρικό σχέδιο αντοχής που δεν αναπαράγεται σε απλό ορθογώνιο σχήμα. Το σχέδιο του θερμοκηπίου, παρέχει σκιά το καλοκαίρι και αποτρέπει την υπερθέρμανση.

Το γεωδαιτικό θερμοκήπιο είναι απίστευτα φιλικό προς τον άνεμο καθώς ο άνεμος ρέει απλώς γύρω του κάνοντας το ιδανικό για τα πιο ισχυρά ρεύματα αέρα – με τη μορφή καταστροφικών ανεμοστρόβιλων και τυφώνων. Σε αντίθεση ένα συμβατικό ορθογώνιο θερμοκήπιο έχει πολύ μεγαλύτερη επιφάνεια την οποία πιέζει ο άνεμος και προκαλεί σοβαρές ζημιές. Η δομή του γεω-θόλου είναι η καλύτερη επιλογή για την οργάνωση του τέλειου συστήματος για τη διατήρηση του μικροκλίματος: τα ημισφαιρικά τοιχώματα διευκολύνουν την κυκλοφορία του ρεύματος αέρα.
Ακόμα το στρογγυλό σχήμα χειρίζεται επίσης το χιόνι αβίαστα επειδή επιτρέπει το χιόνι να πέφτει φυσικά, οπότε σπάνια, αν ποτέ,  υπάρχει υπερβολική χιονόπτωση το θερμοκήπιο πιέζεται προς τα κάτω χωρίς να προκαλούνται βλάβες . Η γεωδαιτική δομή είναι εξαιρετικά ισχυρή, καθώς είναι κατασκευασμένη από τρίγωνα: το πιο άκαμπτο σχήμα. Η αδιαμφισβήτητη σταθερότητα του σφαιρικού σκελετού σε κραδασμούς και σεισμούς μας επιτρέπει να προτείνουμε αυτόν τον τύπο κατασκευής για τις πιο επιρρεπείς σε σεισμούς περιοχές

Η καμπύλη επιφάνεια του, επιτρέπει την ομοιόμορφη είσοδο ηλιακής θερμότητας καθ’ όλη τη διάρκεια της ημέρας. Ένα ορθογώνιο θερμοκήπιο έχει μεγάλη επίπεδη περιοχή κεκλιμένη νότια, επιτρέποντας την είσοδο μεγαλύτερης ποσότητας ηλιακού φωτός στα μέσα της ημέρας, ενώ νωρίς το πρωί και αργά το απόγευμα η είσοδος φωτός είναι αμελητέα. Η απώλεια θερμότητας από οποιαδήποτε κατασκευή είναι ανάλογη με την επιφάνεια της κατασκευής. Ένα σφαιρικό σχήμα έχει το ελάχιστο εμβαδόν επιφανείας για το συνολικό εμβαδόν του δαπέδου. Ο αναπτυσσόμενος θόλος είναι πολύ πιο αποτελεσματικός στη διατήρηση της θερμότητας σε μια κρύα χειμωνιάτικη νύχτα απλά έχοντας 40% λιγότερη επιφάνεια από μια ορθογώνια δομή μέσω της οποίας μπορεί να διαφύγει η θερμότητα.

 

ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΕΣ

Αλέξανδρος Λαπουρίδης

Αιμίλιος Γκουγκλέρης

Εμμανουήλ Πετρίδης

Μαριγκλέν Τανούσι

Παναγιώτα Αδελφοπούλου

Γεωργία Ζήρνα

Μαρνιάννα Γουρτζελίδου

 

Υπεύθυνος καθηγητής: Βασίλειος Γκόγκος