Greenhouse control system design

Kacper Napierski

Greenhouse control system design

Abstract

Coraz większa populacja i zmniejszające się tereny uprawne wymusza efektywniejsze metody uprawy roślin. Zaradzić temu mogą układu hydroponiczne, które dzięki rozwojowi techniki są w stanie osiągać znacznie większe oraz bardziej jednorodne plony. Jest to możliwe dzięki zaawansowanym systemom opartym na dokładnych urządzeniach pomiarowych, sterowaniu w zamkniętej pętli oraz mikrokontrolerom umożliwiającym szybką i zdalną analizę oraz archiwizację danych. Jeden układ hydroponiczny może być łatwo skalowalny, co zmniejsza koszty, a znacznie podnosi wydajność systemów. Wiele rodzajów konstrukcji może być rozbudowywanych wertykalnie, co obniża wymagania powierzchniowe względem standardowych upraw.
W ramach pracy zaprojektowano pełny system hydroponiczny. Pierwszym etapem było modelowanie dwupiętrowego układu przepływowego, który jest miejscem wzrostu sadzonek oraz odpowiednich podpór podtrzymujących przepływ cieczy. Następnym krokiem był dobór sterownika oraz jego sposobu komunikacji ze wszystkimi podsystemami elektronicznymi. W ich skład wchodzą czujniki, pompy, przekaźniki, pompki perystaltyczne, kamienie napowietrzające oraz wyświetlacz LCD. Ostatnim etapem było tworzenie algorytmów sterujących w języku Python 3 oraz konfiguracja środowiska monitorująco - nadzorczego.

Increasing population and diminishing farmlands force developing more effective plant cultivation methods. The answers are hydroponics systems, which are able to result in bigger and more homogenous crops thanks to technological progress. It is possible with advanced technology based on precise measuring devices, feedback control systems and fast-data-processing microcontrollers. Advantage to using hydroponics systems is scalability, which contributes to reducing costs while increasing system effectiveness. Many variants can be expanded vertically. It decreases land requirement in comparison to standard plant cultivation methods.

Full hydroponic system was designed within scope of this study. The first stage was modeling of two-level flow structure being the place of growing plants and it’s flow-keeping supports. Then the controller with it’s communication method with all electrical subsystems was selected. Those subsystems contain sensors, submerged pumps, relays, peristaltic pumps, air-stones and LCD screen. At the end control algorithm was created using Python 3 code. Furthermore configured was opensource, supervisory control software similar to the ones used in the commercial industry, but suited for microcontroller solutions.

Author (1)

Kacper Napierski inż.

Cite as

Full text

download paper

downloaded 187 times

Publication version: Submitted Version
License: open in new tab

Keywords

Details

Category:

Artistic work results

Type:

Artistic work results

Publication year:

2022

Bibliography: test

Powstały element stanowi podporę dla czujników (patrz rys. 3.18) wysuniętych przez górne otwory. W połączeniu ze zbiornikiem pomiarowym stanowią środowisko do pomiarów parametrów wody dostarczanej przez rurę z czujnikiem przepływowym (patrz rys. 3.19).
Rys. 3.18. Uproszczony model czujnika (render wykonany w środowisku Autodesk Inventor Pro 2022) open in new tab
Rys. 3.19. Model miernika przepływu (render wykonany w środowisku Autodesk Inventor Pro 2022) open in new tab
Mając wszystkie elementy, należy złożyć je w jeden gotowy system (patrz rys. 3.20) oraz open in new tab
Rys. 3.25. Silnik napędzający pompę (render wykonany w środowisku Autodesk Inventor Pro 2022) open in new tab
Używając strony producenta mikrokontrolera [23] należy pobrać instalator lub program open in new tab
Raspberry Pi Imager (patrz rys. 4.1) przygotowujący gotową partycję boot odpowiadającą za uruchamianie systemu.
Rys. 4.1 Raspberry Pi Imager Zalecana do tego projektu jest pełna wersja systemu OS (ang. Operating System) (sugerowana przez producenta sprzętu). Podczas testu w pierwszej kolejności zainstalowany był system Raspberry PI OS Lite, ale powstały problemy z instalacją programów oraz łączeniem z siecią. Pełna wersja, pomimo większego obciążenia procesora spowodowanego GUI (ang. Graphical User Interface), pozwala na bezproblemową instalację oprogramowania monitorującego. Mając wgrany system na karcie pamięci należy stworzyć dwa pliki w partycji boot: "ssh" (bez rozszerzenia) oraz "wpa_supplicant.conf". W pliku "wpa_supplicant.conf" należy wprowadzić dane (patrz rys. 4.2).
Posłużą one do konfiguracji połączenia z siecią Wi-Fi. Ten krok jest szczególnie ważny dla użytkowników wersji Lite, ponieważ wersja pełna umożliwia łatwą i intuicyjną konfigurację sieci. Rys. 4.2. Plik wpa_supplicant.conf
Konfiguracja platformy Rozpoczęcie konfiguracji oprogramowania Mycodo należy rozpocząć od instalacji przy pomocy komendy w terminalu (patrz rys. 4.4). open in new tab
Proces ten zajmuje od 30 do 60 minut. W przypadku poprawnego zakończenia instalacji, będzie możliwość stworzenia administratora (patrz rys. 4.5). W tym celu można użyć innego urządzenia podłączonego do tej samej sieci poprzez wpisanie w wyszukiwarce "https://IP_Raspberry_Pi/". Rys. 4.6. Tworzenie administratora
Następnie trzeba dodać urządzenia wejścia i wyjścia z listy do systemu (patrz. 4.6). W przypadku, gdy nie ma konkretnego modelu warto wybrać najbardziej podobny z tym samym sposobem komunikacji. open in new tab
Każde z wejść można dodatkowo dostosować przy pomocy ustawień (patrz 4.7). open in new tab
Rys. 4.8. Kalibracja czujnika w środowisku Mycodo roztwór zwiększający pH, a pompa 1 zmniejsza w przypadku za dużej wartości wskaźnika. Gdy wartości mieszczą się w bezpiecznych ramach regulowany jest poziom elektroprzewodnictwa cieczy w zakresach od 1000 do 1300 μS (ang."Micro Salinity" -mikro zasolenie). Wartość podnoszona jest przy pomocy pomp 3 i 4, które jednocześnie są roztworami odżywczymi. Zmniejszenie tego parametru wymaga dolewania wody do zbiornika. Na koniec następuje ponowna regulacja pH do zakresu zalecanego. Sterowania pH są oddzielone, ponieważ zapewni to czas substancji na rozejście się po
Rys. 4.10. Deklaracja urządzeń do funkcji open in new tab
Wikipedia -Układ regulacji (automatyka) https://pl.wikipedia.org/wiki/Uk%C5%82ad_regulacji_(automatyka), odtworzono 20.01.2021
YoungWonks -Raspberry Pi 4 pinout https://www.youngwonks.com/blog/Raspberry-Pi-4-Pinout, odtworzono 2.11.2021 open in new tab
Margolis M., Jepson B., Weldin N. R., "Komunikacja za pomocą I2C i SPI" w Arduino Przepisy na rozpoczęcie, rozszerzenie i udoskonalenie projektów, wyd. 3, Gliwice: Helion, 2021, s. 457-486 (tłumaczenie)
Electronoobs, PROTOCOLS: UART-I2C-SPI-Serial communications #001, 11.08.2019 [dostęp 7.11.2021].
Dostępne w YouTube: https://youtu.be/IyGwvGzrqp8 open in new tab
Howtomechatronics -How I2C Communication Works? Arduino and I2C Tutorial https://howtomechatronics.com/tutorials/arduino/how-i2c-communication-works-and-how-to-use- it-with-arduino/, odtworzono 7.11.2021 open in new tab
Gay W., Raspberry Pi: Hardware Reference, Berkeley: Apress, 2014 open in new tab
Horowitz P., Hill W., "The Art of Electronics",wyd. 3, New York: Cambridge University Press, 2015
Pratt C., "Encyklopedia elementów elektronicznych", Tom 1, Gliwice: Helion, 2021
Pratt C., "Encyklopedia elementów elektronicznych", Tom 2, Gliwice: Helion, 2021
Benton Jones J.,Jr. , "Complete Guide for Growing Plants Hydroponically", Boca Raton: CRC Press, 2014 open in new tab
Al Tawaha A. R. M., Al-Karaki G., Al Tawaha A. R. M., Sirajuddin S. N., Makhadmeh I., Wahab P. E. M., Alsultan W., Massadeh A., "Effect of water flow rate on quality and quantity of lettuce (Lactuca sativa L.) in nutrient film technique (NFT) under hydroponics conditions", Sofia: Bulgarian Journal of Agricultural Science, 2018
Grigas A., Kemzūraité A., Steponavičius D., Steponavičiené A., Domeika R., "Impact of Slope of Growing Trays on Productivity of Wheat green Fodder by a Nutrient Film Technique System", Kaunas: Institute of Agricultural Engineering and Safety,2020 open in new tab
Valdez J., Becker J. , "Understanding the I2C Bus", Texas Instruments, 2015, https://www.ti.com/lit/an/slva704/slva704.pdf?ts=1637568236827&ref_url=https%253A%252F%2 52Fwww.google.com%252F [dostęp 22.11.2021]
Houde F., "Why, When, and How to use I2C Buffers", Texas Instruments, 2018 https://www.ti.com/lit/an/scpa054/scpa054.pdf?ts=1637580618116&ref_url=https%253A%252F %252Fwww.google.com.ua%252F [dostęp 22.11.2021]
Alldatasheet.com "G3MB-202P Datasheet" ,OMRON Electronics LLC, https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/333500/OMRON/G3MB-202P.html [dostęp 24.11.2021]
Botland -Moduł przekaźników Iduino 2 kanały z optoizolacją -styki 10A/250VAC -cewka 5V https://botland.com.pl/moduly-przekaznikow/14266-modul-przekaznikow-iduino-2-kanaly-z- optoizolacja-styki-10a250vac-cewka-5v- 5903351242332.html?gclid=CjwKCAiAv_KMBhAzEiwAs- rX1DkpK3LmLWnQcxFW7a8ZNh1JP5RkvLB0yIqEUFfn9PLCiE_mYAeqzRoC- KUQAvD_BwE&sskey=074f1ea4f5ed47709b6816bdcb47cded [dostęp 24.11.2021]
Pickeringtest -Calculating MTBF Figures for Switching Systems https://www.pickeringtest.com/kb/hardware-topics/relay-reliability/calculating-mtbf-figures-for-a- switching-system [dostęp 24.11.2021] open in new tab
Kosmowski K, Materiały pomocnicze do zajęć z przedmiotu Niezawodność i Diagnostyka, Wydział Elektrotechniki i Automatyki, Politechnika Gdańska, 2020
Jaskulski A., "Autodesk Inventor Professional 2021 PL/ 2021+ / Fusion 360. Metodyka projektowania" . Gliwice, Helion, 2020
Ultimaker -Ultimaker Cura https://ultimaker.com/software/ultimaker-cura, [dostęp 3.12.2021]
Jaskulski A., "Autodesk Inventor 2020 PL/2020+. Podstawy Metodyki Projektowania", Warszawa, PWN, 2019
L. Morgana "Hydroponic Lettuce Production: A Comprehensive, Practical and Scientific Guide to Commercial Hydroponic Lettuce Production", Casper Publications Pty Ltd, Melbourne,1999
Wikipedia -Hydroponics https://en.wikipedia.org/wiki/Hydroponics [dostęp 10.12.2021]
Fresh Water System -What are Hydroponic Systems and How do They Work https://www.freshwatersystems.com/blogs/blog/what-are-hydroponic-systems [dostęp 10.12.2021] open in new tab
Kolano 90° oraz trójnik………………………………....………………………………………………. 12 połączeń układu magistrali SPI dla dwóch urządzeń podrzędnych……………………... 25 3.10.Poglądowy schemat sektora centralnego układu sterowania…………………………………….. 27 open in new tab
Ultimaker Cura -cięcie modelu………………………………………………………………………. open in new tab
WYKAZ TABEL 3.1. Podsumowanie cech protokołów komunikacyjnych………………………………………………… 26 3.2. Parametry modułów przekaźnikowych……………………………………………………………….. 29 3.3. Parametry wydruku drukarki 3D……………………………………………………………………… open in new tab
DODATEK C: Pliki modeli 3D (płyta CD)
Załączona plyta CD zawiera pliki modeli 3D w formatach ipt. I iam.. Stworzone przy pomocy oprogramowania CAD Autodesk Inventor PRO w wersjach 2018 i 2022. Wewnątrz folderu o nazwie "Modele" są pliki: • Rura.ipt