Bewässerungssytem für Balkonpflanzen: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 18. Januar 2024, 05:38 Uhr

Autoren: Oliver Aust, Jürgen Heimann
Betreuer: Prof. Schneider

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Einleitung

Das Projekt "Bewässerungssystem für Balkonplanzen" entsteht im Rahmen des Praktikums "Fachpraktikum Elektrotechnik" im Studiengang Mechatronik (MTR).

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines automatischen Bewässerungssystems, welches sowohl den Füllstand des Wasserbehälters als auch die Bodenfeuchtigkeit und den individuellen Wasserbedarf diverser Balkonplanzen berücksichtigt.

Das Projekt wurde mit Hilfe des V-Modells (siehe Abb.1) in verschiedene Etappen eingeteilt. Anhand dessen wurde ein Projektverlaufsplan mit den zu erreichenenden Meilensteinen erstellt erstellt.

Anforderungen

Um dieses Projekt zu realisieren müssen folgende Anforderungen erfüllt werden

Nr.	Beschreibung	Bereich	Datum	Status
1	Das Gehäuse (Arduino, Display, Kabelführung) muss wetterfest (IP65) sein	Mechanik/Hardware	25.10.2023	i.O.
2	Das Gehäuse muss Platz für ein Kabelführungssystem,den Arduino Uno R3 und dem Display aufweisen	Hardware	27.10.2023	Offen
3	Das Gehäuse muss mit einem 9V Akku betrieben werden können	Hardware	31.10.2023	i.O.
4	Der Füllstandssensor soll den Wasserfüllstand des Wasserbehälters in Echtzeit messen	Hardware	31.10.2023	i.O.
5	Die Halterung für den Ultraschallsensor (HC-SR04) muss Spritzwasserfest (IP44) sein	Hardware	04.11.2023	i.O.
6	Die Pumpe muss Wasser vom Kanister in den Blumentopf befördern	Hardware	04.11.2023	i.O.
7	Der HC-SR04 muss den Wasserstand des Kanisters vor und während des Gießvorganges in Echtzeit messen	Sensorik	04.11.2023	i.O.
8	Der Bodenfeuchtesensor soll den Feuchtigkeitsgrad der Erde im Blumentopf alle 5min messen	Sensorik	07.11.2023	i.O.
9	Die Pumpe soll in Abhängigkeit der Bodenfeuchte und der Bewässerungsmenge, dem individuellen Bedarf der Planze, Wasser aus dem Behälter pumpen.	Hardware	07.11.2023	i.O.
10	Die Programmierung des Regelkreises muss mit Matlab/Simulink erfolgen	Software	14.11.2023	teilweise i.O.
11	Das Programm muss flexibel auf die indivduellen Bedrüfnisse der jeweiligen Pflanze einstellbar sein	Software	04.12.2023	i.O.
12	Die Messdaten müssen auf dem Display angezeigt werden	Software/Hardware	04.12.2023	i.O.
13	Es muss eine Excell Tabelle mit dem Wasserbedarf verschiedener Pflanzen erstellt werden	Software/Dokumentation	04.12.2023	i.O.
14	Die Excelltabelle muss als Stellgröße in Matlab/Simulink fungieren	Software	04.12.2023	Offen
15	Das Display muss Bewässerungsstand und bei zu geringem Füllstand "Wassertank auffüllen" anzeigen.	Software/Hardware	04.12.2023	i.O.
16	Die Pumpe muss in Abhängikeit des Regelkreises aus Bodenfeuchte & Wasserstand geschaltet werden	Software/Hardware	16.12.2023	i.O.
17	Es muss eine Dokumentation anhand des V-Modells in SVN erstellt werden	Dokumentation	16.12.2023	i.O.
18	Es muss ein Plakate für die Messe erstellt werden	Dokumentation	16.12.2023	i.O.
19	Es muss ein Video als Ergebnispräsentation erstellt werden	Dokumentation	16.12.2023	Offen

Tabelle 1: Auflistung der Anforderungen

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Zur näheren Erläuterung wird der Systementwurf in Komponenten unterteilt:

Blumentopf und Pflanze: Der Bereich in dem der Bodenfeuchtesensor verbaut wird.

Gehäuse: Das Gehäuse dient als Halterung für den Arduino und zur Halterung des LCD-Displays, ebenfalls wird das Kabelführungssystem dorthin verlaufen.

Wasserführungssystem: Konstruktion für Schlauch und Pumpe mit Wasserführungssystem vom Behälter zum Blumentopf.

Bodenfeuchtesensor: Misst den Feuchtigkeitsbedarf der Pflanze.

Wasserstandssensor: Misst den Wasserstand in Echtzeit.

LCD-Display: Auf dem Display werden Messdaten und letzter Zeitpunkt der Bewässerung angezeigt.

Arduino: An den Arduino Mikrocontroller sind die genannten elektrischen Komponenten angebunden. Der Mikrocontroller führt den Algorithmus aus, er verarbeitet Messdaten und regelt entsprechend.

Spannungsquelle: Als Spannungsquelle für den Arduino mit Platine wird eine 9V-Block-Batterie eingesetzt.

Komponentenspezifikation

Tabelle 2: Komponentenliste
ID	Komponente	Beschreibung	Bild
1	Arduino UNO	ATMega328 Prozessor Versorgungsspannung: 7V-12V Betriebsspannung: 5V Pin-Belegung: 14 digitale Ein-/Ausgänge und 6 analoge Eingänge	mini
2	1602-LCD Display	Betriebsspannung: 5V	mini
3	Bodenfeuchtigkeitssensor	Sensor Kapazitiv Ausgangsspannung: Analog Versorgungsspannung: 5V Maße: 22 x 97 x 9 mm Leitungslänge: 190mm	mini
4	HC-SR04	Sensor: Ultraschall Stromaufnahme: 15mA Versorgungsspannung: 5V Maße: 45 x 20 x 15 mm Messbereich: 2cm bis 400cm Genauigkeit: +/-3mm Arbeitsfrequenz: 40kHz	mini
5	JZK DC 12V Wasserpumpe	Versorgunsspannung: 12V Durchflussrate: 600-800l/h	mini

Umsetzung (HW/SW)

3. Architektur

1.Verdrahtungspläne

In Abb. 7. finden sie den mit der Komponentenübersicht. In Abb. 8. den Schaltplan. Beide Abbildungen wurden mit Fritzek erstellt. Die 5 VDC Anschlüsse und GND wurden über ein Breadboard geschaltet. Die Signalleitungen, sehen sind im folgenden noch mal aufgelistet:

Ultraschallsensor HC-SR04: Echo --> 6 / Trig --> 7

Bodenfeuchtesensor Capacitive Soil Moisture Sensor v1.2: Aout --> A0

Relaise SRD-05VDC-SL-C: IN --> 8

Display 1602A mit LCM1602iic: SDA --> A5 / SCL --> A4

2. Solidworks konstruktionen für die additive Fertigung.

In Abbildung 9 ist das Gehäuse für den Arduino mit Verschraubungsvorrichtung. In Abbildung 10 ist der Deckel des Gehäuses zusehen, mit der Verschraubungsvorrichtung für das Display.

In Abbildung 11 ist die Ultraschallsensorhalterung, welche an den Wassertank befestigt wird.

Komponententest

Bodenfeuchtesensor misst Feuchtigkeitswert des Bodens in Prozent in Echtzeit. Siehe Abb.12.
Ultraschallsensor misst die Entfernung in cm. in Echtzeit.
Die Wasserpumpe funktioniert.
Das Relaise schaltet.
Der Arduino und die Pumpe laufen mit jewils einen 9V Akku.
Das Display zeigt die Messwerte der Sensoren in Echtzeit an, den Status des Bewässerungsvorganges in M,W oder B und falls der Füllstand des Wassertankes zu gering ist kommt die Aufforderung "Wassertank befüllen"

Umsetzung Software

Die Komponententest konnten mit Matlab/Simulink erstellt werden. Ebenfalls konnte die grobe Funktionalität der Bewässerung, also das Zusammenspiel zwischen Ultraschallsensor, Bodenfeuchtesensor und der Pumpe, realisiert werden. Allerdings konnte die Einbindung des Displays über die I2C Schnittstelle nicht realisiert werden. Weshalb ich das System mit der Arduino IDE finalisiert habe. Im folgenden wird der Programm Code, Bewaesserung.ino, wassertank.h und pflanzentopf.h aufgezeigt. Bitte beachten, das vor jedem inlcude und define ein "#" anstatt die Zahl gehört.

// Bewaesserung.ino

include "pflanzentopf.h"
include "wassertank.h"

include <LiquidCrystal.h>

// Zustände

define STATE_WARTEN 1
define STATE_BODENFEUCHTE_MESSEN 2
define STATE_PFLANZE_BEWAESSERN 3
define STATE_WASSERTANK_LEER 4

byte state = STATE_WARTEN;

// Variablen Wartezeit int LETZTE_ZEITMESSUNG = 0; const int WARTEZEIT_ZEITMESSUNG = 2000; // in ms

// LCD Display LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);

void zeigeMesswerte(String status) {

 double bodenfeuchte = messeBodenfeuchte();
 double fuellstandTank = messeFuellstandTank();
 lcd.clear();
 lcd.setCursor(0, 0);
 lcd.print(String(bodenfeuchte, 2) + " %" + " " + status);
 lcd.setCursor(0, 1);
 lcd.print(String(fuellstandTank, 2) + " cm" + " " + status);

}

void zeigeWassertankLeer() {

 lcd.clear();
 lcd.setCursor(0, 0);
 lcd.print("Wassertank");
 lcd.setCursor(0, 1);
 lcd.print("leer");

}

void setup() {

 Serial.begin(9600);
 Serial.print("Starte Bewässerungssystem");

 initBodenfeuchteSensor();
 initUltraschallSensor();
 initPumpe();
 
 lcd.begin(16, 2);
 lcd.clear();
 
 lcd.setCursor(0, 0);
 lcd.print("Starte");
 lcd.setCursor(0, 1);
 lcd.print("Bewaesserung");

 delay(2000);

 lcd.clear();

}

void loop() {

 switch(state) {
   case STATE_WARTEN: {
     // WENN ZEIT ABGELAUFEN IST -> BODENFEUCHTE MESSEN
     if (millis() - LETZTE_ZEITMESSUNG > WARTEZEIT_ZEITMESSUNG) {
       LETZTE_ZEITMESSUNG = millis();
       state = STATE_BODENFEUCHTE_MESSEN;
       Serial.println("STATE <STATE_BODENFEUCHTE_MESSEN>");
     }
   } break;
   case STATE_BODENFEUCHTE_MESSEN: {

     // WENN BODENFEUCHTE ZU GERING -> PFLANZE BEWÄSSERN
     // WENN BODENFEUCHTE AUSREICHEND -> ERNEUT WARTEN
     if (istBodenfeucheZuGering() == true){
       state = STATE_PFLANZE_BEWAESSERN;
       starteBewaesserung();
       Serial.println("STATE <STATE_PFLANZE_BEWAESSERN>");
     } else {
       LETZTE_ZEITMESSUNG = millis();
       state = STATE_WARTEN;
       Serial.println("STATE <STATE_WARTEN>");
     }
   } break;
   case STATE_PFLANZE_BEWAESSERN: {

     // WENN FÜLLSTAND DES WASSERTANK ZU GERING -> WARTEN AUF AUFFÜLLEN
     if (istFuellstandTankZuGering() == true) {
       stoppeBewaesserung();
       state = STATE_WASSERTANK_LEER;
       Serial.println("STATE <STATE_WASSERTANK_LEER>");
     }

     // WENN PFLANZE AUSREICHEND GEGOSSEN -> ERNEUT WARTEN
     if (istPflanzeAusreichendGegossen() == true) {
       stoppeBewaesserung();
       LETZTE_ZEITMESSUNG = millis();
       state = STATE_WARTEN;
       Serial.println("STATE <STATE_WARTEN>");
     }
   } break;
   case STATE_WASSERTANK_LEER: {
     // WENN FÜLLSTAND DES WASSERTANK NICHT MEHR ZU GERING -> ERNEUT WARTEN
     if (istFuellstandTankZuGering() == false) {
       LETZTE_ZEITMESSUNG = millis();
       state = STATE_WARTEN;
       Serial.println("STATE <STATE_WARTEN>");
     }
   } break;
 }

switch(state) {

   case STATE_WARTEN: {
     zeigeMesswerte("W");
   } break;
   case STATE_BODENFEUCHTE_MESSEN: {
     zeigeMesswerte("M");
   } break;
   case STATE_PFLANZE_BEWAESSERN: {
     zeigeMesswerte("B");
   } break;
   case STATE_WASSERTANK_LEER: {
     zeigeWassertankLeer();
   } break;

}

Ergebnis

Zusammenfassung

Lessons Learned

Projektplanung
Zeitmanagement
Agiles Projektmanagement
Problemlösungskompetenz
Anforderungen formulieren
Komponenten Auswahl
Umgang mit Mikrocontrollern, Sensoren, Motoren/Pumpen und Relaise
Verdrahtungspläne zeichnen
Solidworks CAD Zeichnungen
Löten, Crimpen, Abisolieren und Verkabeln
Anwendung von Simulink und Arduino IDE
Dokumentation
Plakatdesign mit Canva
Videopräsentation
Messestand gestalten

Projektunterlagen

Projektplan

Legende:

Grün: Jürgen Heimann

Pink: Oliver Aust

Grau: Heimann/Aust

Rot: Projektphase

Projektdurchführung

YouTube Video

https://youtu.be/pWbTuslWwPA

Weblinks

Literatur