Klimaregelung Gewächshaus

Autoren: Luca Berntzen, Julian Gärtner
Gruppe: 2.7
Betreuer: Prof. Schneider

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Einleitung

Im Rahmen eines Studierendenprojektes wird eine Klimaregelung für ein kleines Gewächshaus entwickelt.
Dies ist Bestandteil des 5. Semesters im Studiengang Mechatronik. Mithilfe eines Arduinos soll automatisch
die voreingestellte Temperatur geregelt werden. Außerdem soll eine Bewässerung für die enthaltenen Pflanzen
installiert werden. Das Ziel des Praktikums ist es, ein Projekt eigenständig zu planen und durchzuführen.
Die Ergebisse werden am Ende des Wintersemesters 2020/2021 auf einer digitalen Messe vorgestellt.

Anforderungen für die Planung

Physischer Aufbau

Das System ist ein teilweise geschlossenes Ökosystem, welches ein wasserundurchlässiges Gehäuse benötigt.
Als Gehäuse wird ein zugekauftes Zimmergewächshaus verwendet. Dieses wird mit entsprechenden Aussparungen für
den Lüfter und die Leitungen versehen. Es hat Öffnungen auf der Oberseite, durch die nach Bedarf
überflüssige Wärme abgeführt werden kann. Zusätzlich dazu kann das System den Boden des Glashauses bewässern.
Damit die Elektronik des Systems von dem feuchten Innenraum des Gewächshauses abgeschirmt ist,
wird diese außen (optional mit eigenem Gehäuse) montiert.

Ästhetik

Der Inhalt des Gehäuses kann vom Anwender als Gewächshaus oder als Terrarium verwendet werden,
weshalb das Gehäuse aus einem durchsichtigen Material besteht.

Elektrotechnik

1. Benutzereingabe:

Damit der Benutzer spezifische Ausgangsgrößen an den Regelkreislauf geben kann,
ist eine taktile Sollwert-Eingabe vorgesehen.

2. Ausgabe:

Die gemessenen Werte der Sensoren und die bereits einegebenen Soll-Werte werden dargestellt.

3. Feuchtigkeitsregelung:

Die Feuchtigkeit des Bodens wird durch einen Feuchtigkeitssensor gemessen.

Zusätzlich dazu hat das System die Möglichkeit, mit einer Flüssigkeitspumpe Wasser hinzuzugeben.

4. Temperaturregelung:

Die Temperatur der Luft wird mithilfe eines Temperatursensors gemessen.

Für eine Abnahme der Temperatur sind Dachöffnungen vorgesehen,
welche durch einen Servo-Motor geöffnet und geschlossen werden können und einen Lüfter,
der die Luft zirkulieren lässt.

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Komponentenspezifikation

DHT11 Feuchtigkeits und - Temperatursensor	https://www.mouser.com/datasheet/2/758/DHT11-Technical-Data-Sheet-Translated-Version-1143054.pdf
UNO R3 Mikrocontroller	https://www.berrybase.de/Pixelpdfdata/Articlepdf/id/1/onumber/A000066
NF-A4x20 FLX Lüfter	https://noctua.at/de/nf-a4x20-flx
Servomotor SG90	http://www.ee.ic.ac.uk/pcheung/teaching/DE1_EE/stores/sg90_datasheet.pdf
LCD Modul	https://www.sparkfun.com/datasheets/LCD/ADM1602K-NSW-FBS-3.3v.pdf

Umsetzung

Realisierung der Hardware

Ein besipielhafter Aufbau der Schaltung. ^[5]

In diesem Unterkapitel werden die tatsächlich verwendeten Bauteile vorgestellt. Bei der Projektdurchführung wurden
geringfügig andere Komponenten verwendet als geplant. Eine Sollwerteingabe mittels Potentiometer und ein
Anzeigeelement wurden aus Zeitgründen nicht realisiert. Außerdem wird zur Temperaturerfassung ein PT100
statt eines DHT11-Sensors eingesetzt. Genaueres wird im Folgenden erläutert.

Gewächshaus:

Als Grundlage für das Projekt wird ein Zimmergewächshaus eingesetzt. Es besitzt vier Fenster und die transparente
Oberseite kann abgenommen werden. Das Gewächshaus wird zugekauft und nachträglich mit Aussparungen für den Lüfter,
den Wasserschlauch und die elektrischen Leitungen versehen.

Gehäuse:
Die Arduinos und das Breadboard werden in einem Gehäuse untergebracht, welches im 3D-Drucker angefertigt worden ist.
Ebenfalls enthalten ist ein Behälter, welcher die Pumpe beinhaltet und als Wassertank dient. Verschlossen wird das Bauteil
mit einer weißen Klappe, welche ebenfalls im 3D-Drucker angefertigt wurde. Als Material wurde PETG eingesetzt.

Mikrocontroller:
Gesteuert wird das System durch einen Funduino. Außerdem wird ein zweiter, baugleicher Mikrocontroller der Firma
AZ-Delivery eingesetzt.

Servomotor:
Als Fensterheber fungiert ein SG90 Servomotor. Dieser ist mithilfe eines Kupferdrahtes mit einem Fenster verbunden.
Über ein High-Signal, welches zwischen 1 und 2 ms anliegt, wird die Position des Motors gesteuert. Dadurch muss das
Programm eine hohe Abtastrate besitzen. Mehrere Toolboxen und PWM-Signale und eine hohe Abtastrate überlasteten den
Arduino jedoch. Aus diesem Grund wurde die Fenstersteuerung auf einen zweiten Arduino ausgelagert. Der Arduino 1 übergibt
dem Arduino 2 ein digitales Signal, welches anschließend als PWM-Signal den Servomotor ansteuert.

Temperatursensor:
Für die Temperaturerfassung war ursprünglich ein DHT11-Sensor vorgesehen. Dieser sorgte allerdings für Probleme, da das
Programm inklusive Toolboxen den Arduino überlastete. Aus diesem Grund wird ein PT100-Widerstand eingesetzt. Das Messignal
wird mithilfe eines Moving-Average-Filters geglättet und anschließend in eine Temperatur umgerechnet.

Lüfter:
Der Lüfter hat die Maße 120x120x20mm und wird mit vier M4-Schrauben an einer der Seitenwände angebracht. Da er mit bis zu
12V betrieben werden kann, wird ein Netzteil zur externen Spannungsversorgung eingesetzt. Die Lüfterspannung wird vom
Arduino über einen Transistor gesteuert. Sie beträgt maximal 7 Volt, was für die geringe Regelstrecke ausreichend ist.

Feuchtigkeitssensor:
Die Bodenfeuchtigkeit der zu bewässernden Pflanze wird mithilfe eines Kapazitiven Sensors gemessen. Es handelt sich um
ein Hygrometer Modul V1.2 der Firma AZ-Delivery. Dieser wird mit einer Spannung von 5V betrieben und liefert ein analoges
Ausgangssignal.

Wasserpumpe:
Bei der Wasserpumpe handelt es sich um eine 9V Tauchpumpe. Diese wird ebenfalls über das Netzteil mit Spannung versorgt.
Die Spannung wird über ein Relais mit Schließerkontakt geschaltet.

Realisierung der Software

Regelung der Feuchtigkeit
Der Feuchtigkeitsregelkreis wird mithilfe eines unstetigen Reglers realisiert. Da die Regelstrecke verältnismäßig träge ist
und keine besonders hohe Genauigkeit erfordert, ist diese Reglerform ausreichend. Überschreitet das Messignal des kapazitiven
Sensors einen voreingestellten Wert, wird die Pumpe über das Relais angesteuert. Dadurch wird für mehrere Sekunden Wasser aus
dem Tank in den Pflanzentopf gepumpt. Der Sensor erfasst die veränderte Bodenfeuchtigkeit und der Vorgang wird gestoppt, sobald
die vordefinierte Grenze wieder unterschritten wird.

Regelung der Temperatur
Die Temperatur im Inneren des Gewächshauses wird mithilfe eines PT100-Widerstandes erfasst. Das Messsignal wird anschließend
gefiltert und in eine Isttemperatur umgerechnet. Diese wird mit einem Sollwert verglichen, welcher im Programm als Konstante
angegeben wird. Es wird eine Differenz gebildet, welche durch einen P-Regler verstärkt wird. Dieses verstärkte Signal wird
weiter verarbeitet und an einen Ausgang angelegt. Damit wird ein Transistor geschaltet, welcher wiederum den Lüfter steuert.
Der Transistor wird über das Netzteil mit 9V Spannung versorgt.
Zusätzlich wird das Signal des P-Reglers weiterverarbeitet
und an einen weiteren Ausgang angelegt. Damit wird der Sollwinkel des Servomotors übergeben werden. Das Signal wird an einen
Eingang des zweiten Arduinos angelegt. Der zweite Arduino besitzt eine hohe Abtastrate positioniert den Servomotor mithilfe
eines PWM-Signals.

Zusammenfassung

Lessons Learned

Während der Projektdurchführung traten einige Schwierigkeiten auf, welche bei einer erneuten Durchführung verbessert werden könnten. Bei dem zweiten Arduino handelt es sich um einen Nachbau der Firma AZ-Delivery. Dieser hatte jedoch ein Treiberproblem und konnte vom Computer nicht erkannt werden. Aus diesem Grund wurde das Servoprogramm als ino-Datei angefertigt und über den Arduino 1 auf den Arduino 2 übertragen. In Zukunft sollten Mikrocontroller des gleichen Herstellers eingesetzt werden. In Ruhelage weist der Servoantrieb ein leichtes zittern auf. Dies könnte auf ein schwankendes Eingangssignal zurückzuführen sein. Die Temperaturerfassung wird mithilfe eines PT100-Widerstandes durchgeführt. Diesen könnte man zwecks verbesserter Genauigkeit durch einen besseren Sensor, beispielsweise einen DHT22 ersetzen. Durch eine verbesserte Messung könnte die Isttemperatur genauer geregelt werden. Hardwareseitig könnte die Position des Servoantriebes verändert werden. Dieser wurde zu Beginn in der Wanne des Gewächshauses eingeklebt. Mittels Kupferdraht ist er mit einem der Fenster verbunden. Wird die Oberseite des Gewächshauses abgenommen, muss zuerst der Draht des Fensterhebers gelöst werden. Besser wäre es, den Servomotor direkt unter dem Fenster anzubringen. Dadurch würde das Lösen des Drahtes entfallen und der Deckel könnte schneller abgenommen werden. Außerdem könnte die Verbindungstechnik der Arduinos und des Breadboards verbessert werden. Anfangs wurde ein verdrillter 0,75 qmm Schaltdraht verwendet. Dieser ist jedoch etwas zu groß, daher wurden die Breadboardkabel des Arduinos sowie ein 0,34qmm Schaltdraht eingesetzt. Der Schaltdraht sitzt jedoch etwas zu locker an den Kontaktstellen. Dies beeinflusst die Robustheit und Zuverlässigkeit der Schaltung. Die Breadboardkabel bauen hoch auf, was die Übersicht etwas erschwert. Eine sinnvolle Verbesserung wäre es, starre Leitungen des Querschnitts 0,5qmm zu verwenden.

Fazit

Zusammengefasst kann man sagen, dass sich das Elektrotechnik-Fachpraktikum als Erfolg herausgestellt hat. Die Klimaregelung des Gewächshauses funktioniert wie geplant. Die Regelung ermöglicht das automatische Bewässern der Pflanze, außerdem wird überschüssige Wärme effektiv mithilfe eines Fensterhebers und eines Lüfters abgeleitet. Das Praktikum bewirkt einen großen Lerneffekt. Bei einer erneuten Durchführung des Projektes könnten viele Verbesserungen vorgenommen werden. Besonders die Wichtigkeit der Verbindungstechnik ist hier hervorzuheben. Diese ist maßgebend für die Zuverlässigkeit des Systems. Außerdem stellte sich erneut heraus, dass Planung einer der wichtigsten Aspekte eines Projekts ist.

YouTube Video

https://youtu.be/at6P5vDHq3Y

Literatur