Automatisches Bewässerungssystem für Topfpflanzen

Autoren: Marcel Lawniczak, Jonas Koppmeier
Betreuer: Prof. Göbel

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Einleitung

Das Automatische Bewässerungssystem für Topfpflanzen wird als Feuchtigkeitsregelkreis realisiert und sorgt dafür, dass Topfpflanzen nicht mehr auf dem Trockenen sitzen. Das eingebaute Hygrometer erkennt den Feuchtestand des Bodens. Sobald die Feuchtigkeit unter einen definierten Wert absinkt, wird dies von einem Mikrocontroller erkannt und es wird ein Signal an die Wasserpumpe übermittelt. Die Wasserpumpe fördert eine definierte Menge an Wasser aus einem externen Wasserbehälter zur Topfpflanze. Die abgegebene Wassermenge kann manuell in 3 Stufen über Taster eingestellt werden. Größere Pflanzen haben größere Töpfe und benötige i.d.R. größere Wassermengen als kleinere Pflanzen. Über die Taster kann der Regelkreis an jede Topfpflanze angepasst werden. Damit stets die korrekten Mengen an Wasser durch die Wasserpumpe bereitgestellt wird, fließt das Wasser durch einen Durchflusssensor. Ein laufender Vergleich zwischen dem eingestellten Soll-Wert der Wassermenge und dem ermittelten Ist-Wert durch den Durchflusssensor stoppt die Wasserpumpe sobald der Soll-Wert erreicht ist. Da sich das Wasser im Boden langsam verteilt und damit die Feuchtigkeit im Boden nicht schlagartig steigt, wird eine neue Feuchtigkeitsmessung mit einer zeitlichen Verzögerung zum letzten Zeitpunkt der Wasserförderungen durchgeführt.

Anforderungen

• Feuchtigkeitsregelkreis

• Geeignete Topfpflanze

• Stromversorgung über Batterie

• Kapazitiver Feuchtigkeitssensor zur genauen Beobachtung des Feuchtigkeitsgrades

• Arduino UNO R3 Mikrocontroller

• Tasten zur Stufenauswahl der Wasserabgabemenge

• Verschiedenfarbige LEDs zur Erkennung der eingestellten Wasserabgabemenge

• Geschlossener, transparenter Wasserbehälter mit einer Kapazität von 1 Liter

• Schläuche zur Wasserbeförderung mit 9mm-Durchmesser

• Wasserpumpe mit einer maximalen Durchlaufgeschwindigkeit von einem Liter pro Minute

• Durchflusssensor mit einer Genauigkeit auf einem Milliliter genau

• Spritzwassergeschützt

• Funktionsnachweis durch einen 7-Tage-Test mittels Beobachtung und Auswertung der in diesem Zeitraum gesammelten Daten

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Abb. 1: Funktionaler Systementwurf

Abb. 1: Programmablaufplan

Komponentenspezifikation

Die Komponentenspezifikation beinhaltet die Komponenten, welche einen direkten Signalfluss aufweisen. Widerstände und Transistoren zur Signaländerung werden hierbei nicht berücksichtigt und in der späteren Hardwareumsetzung aufgeführt.

Komponente:	Eingänge:	Ausgänge:	ID:	Aufgabe:
Arduino Uno R3	Spannungssignale der Messsensoren	Steuerung der Pumpe und der Wassermengenanzeige	1.1	Messung der Bodenfeuchtigkeit mit genauer Abgabe einer festgelegten Wassermenge
Kapazitiver Feuchtesensor	Spannungssignal vom Arduino Uno R3	Bodenfeuchtigkeitswert als analoges Spannungssignal	1.2	Messung der Bodenfeuchtigkeit in Prozent
6-12V Gleichstrom-Wasserpumpe	Spannungssignal vom Arduino Uno R3	Wasserbeförderung	1.3	Beförderung der benötigten Menge an Wasser an die Topfpflanze
Durchflusssensor	Spannungssignal vom Arduino Uno R3	Digitales Signal des Durchflusses	1.4	Für bestimmte Wassermengen werden Spannungsimpulse zur Umrechnung an den Mikrocontroller abgegeben
RGB LED	Analoges Spannungssignal vom Arduino Uno R3	Lichtausgabe zur Wassermengenerkennung	1.5	Je nach ausgewählter Wassermenge wird ein anderer Farbton des Lichts ausgegeben
Taster	Analoges Spannungssignal vom Arduino Uno R3	Wassermengenauswahl	1.5	Mittels drei Taster kann die gewünschte Wassermenge zur Versorgung der Pflanze ausgewählt werden

Umsetzung (HW/SW)

Kommen wir in diesem Kapitel zunächst zu der Hardware- und Softwareumsetzung des Projekts, wobei wir vorab einen Blick auf die Hardwareausführung werfen werden. In der Abbildung 3 sind die bereits die einzelnen Komponenten der Komponentenspezifikation mit Beschriftung abgebildet. Die Sensoren zur Feuchtigkeits- und Durchflussermittlung wurden dabei einfach über die Spannungsausgänge und der Erdung verbunden (Feuchtigkeitssensor 3,3V / Durchflusssensor 5V). Zur Signalübertragung wurden hierbei für den Durchflusssensor der digitale Eingang 2 und für den kapazitiven Feuchtigkeitssensor der analoge Eingang A5 verwendet.

Abb. 3: Anschlussplan des Bewässerungssystems

Stromversorgung

Da es sich bei der Wasserpumpe um eine 6-12V Gleichstrom-Wasserpumpe handelt, wird diese über eine Externe Stromversorgung durch eine 9V-Batterie betrieben. Da diese jedoch nicht dauerhaft laufen soll, wurde hier noch ein elektronischer Schalter benötigt, welcher durch einen Mosfet IRLIZ 44N realisiert wurde. Dieser wurde bereits in Versuch 1 des Praktikums zu den Grundlagen der Elektrotechnik zur Operationsverstärkung verwendet. Eine andere Möglichkeit der Schaltung, wäre über ein Relais möglich gewesen. Zur Durchführung der Verstärkerschaltung mittels Mosfets werden neben dem Mosfet und der Pumpe noch zwei Widerstände mit den Werten 100 Kiloohm und 10 Ohm, sowie eine Zenerdiode verwendet. Die Widerstände werden benötigt um die richtige Gate-Spannung auf dem Mosfet zur Schaltung zu erzeugen. Die Zener-Diode dient dabei für die Pumpe als Freilaufdiode. Diese sorgt dafür, dass die von den Pumpenspulen induzierten Spannungen wieder abfließen können und die Pumpe damit genauer zu steuern ist.

Abb. 4: Verstärkerschaltung der Pumpe

Projektunterlagen

Projektplan

Abb. 3: Projektplan

Literatur

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