Safe-Plant

Abb. 1: Werbeplakat für die Projektmesse

Autoren: Dennis Weber & Lukas Rellermeier
Betreuer: Prof. Göbel & Prof. Schneider

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Einleitung

In diesem Projekt wird ein vollkommen selbstständig arbeitendes Treibhaus erstellt. Es soll sich mit wenig zusätzlichen Zeitaufwand um Pflanzen kümmern können und den Betreiber über den aktuellen Stand dieser informieren.

Anforderungen

-Temperatur messen

-Luftfeuchtigkeit messen

-Feuchtigkeit des Bodens messen

-Lichtquelle

-Belüftung

-Signal bei nicht selbst lösbaren Problemen

-Daten aufnehmen verarbeiten und anzeigen und entsprechend handeln

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Um die Bodenfeuchtigkeit ermitteln zu können wird ein kapazitiver Feuchtigkeitssensor verwendet. Dieser sollte die Bodenfeuchtigkeit in % ausgeben und zu dem wird ein kapazitiver Feuchtigkeitssensor verwendet um den Füllstand eines Behälters zu ermitteln. Die Genauigkeit bei der Füllstandsermittlung ist nicht hoch priorisiert, da nur erkannt werden soll ob sich noch Wasser in dem Behälter befindet. Im Behälter soll sich eine Pumpe befinden welche bei zu geringer Bodenfeuchte Wasser durch den Schlauch auf die Pflanze laufen lässt. Mit einem Sensor soll die Raumfeuchtigkeit sowie die Temperatur ermittelt werden. Mit der ausgelesenen Temperatur wird eine Klappe durch einen Motor geöffnet und geschlossen, dadurch soll es möglich sein die Temperatur im Gewächshaus zu regulieren. Die Dauer der Pumpzeit und die Bodenfeuchte werden durch Versuche ermittelt.

Abb. 1: Safe-Plant Box Prototyp

Abb.2: Systementwurf "Safe-Plant"

Abb. 3: PAP Safe-Plant

Komponentenspezifikation

Komponente	Beschreibung	Abbildung
I2C Display	Display um die Raumtemperatur, Luftfeuchtigkeit, Bodenfeuchtigkeit und Wasserstand des Gefäßes anzuzeigen.	I2C Display
DHT 22 Sensor	Sensor um Temperatur und Luftfeuchtigkeit des Treibhauses zu messen, um diese zu Not entsprechend anzupassen. Luftfeuchtigkeitsmessbereich : 0 bis 100% mit einer Genauigkeit von ±2%. Temperaturmessbereich -40 bis +80 C mit einer Genauigkeit von ±0.5. Betriebsspannung 3,3 - 5V DC.	DHT 22
Moisture Sensor V1.2	Sensor der die Feuchtigkeit des Bodens Kapazitiv misst, indem er in den Boden gesteckt wird, um zu wissen wann die Pflanze gegossen werden muss. 2 im Safe-Plant verbaut, den einen, um die Bodenfeuchtigkeit zu messen und den anderen, um den Wasserstand auszulesen. Betriebsspannung 3,3 - 5V DC.	Moisture Sensor V1.2
Nema 17 Schrittmotor 45Ncm 1.5A	Schrittmotor zum Halten von ... Der Motor besitzt ein Haltemoment von 45Ncm.	Nema 17 Schrittmotor
DRV8825 Treiber für den Stepper Motor	Treiber für den Schrittmotor, der Treiber besitzt eine einstellbare Strombegrenzung, sowie Überstrom- und Übertemperaturschutz und verschiedene Schrittaufläsungen. Arbeitet zwischen 8,2V und 45V.	DRV8825 Treiber
Wasserpumpe 3-5V 100-200mA	Wasserpumpe um Wasser im Treibhaus zu befördern. Fördermenge 1.2-1.6 Liter/Minute. Betriebsspannung zwischen 3-5V.	Wasserpumpe
LM2596S Step Down Konverter	DC auf DC Step Down Konverter um alle Komponenten mit der richtigen Betriebsspannung nutzen zu können, vereinfacht die Komponentenauswahl.	LM2596S
Relaiskarte 1-Kanal 5V/230V	Das Relais wurde verwendet um die Wasserpumpe zu schalten.	1 Kanal Relaiskarte

Kostenübersicht

Komponenten	Anzahl	Preis	Bezugsquelle (stand 02.01.2022):
Arduino Uno	1	11,90€	https://www.funduinoshop.com/epages/78096195.sf/de_DE/?ObjectPath=/Shops/78096195/Products/R12-A-3-2
Nema 17 Stepper Motor	1	7,98€	https://www.omc-stepperonline.com/de/nema-17-42mm-schrittmotor/nema-17-bipolar-45ncm-6374ozin-15a-42x42x39mm-4-wires-w--300mm-pin-connector.html?mfp=145-haltemoment-ncm%5B45%5D
DRV8825 Motortreiber	1	6,99€	https://www.az-delivery.de/products/drv8825-schrittmotor-treiber-modul-mit-kuhlkorper?variant=37100118866
Wasserpumpe 3-5V	1	2,40€	https://www.funduinoshop.com/epages/78096195.sf/de_DE/?ObjectPath=/Shops/78096195/Products/R12-B-7-4
1-Kanal Relais 5V	1	1,40€	https://www.funduinoshop.com/epages/78096195.sf/de_DE/?ObjectPath=/Shops/78096195/Products/R12-A-4-4
LM2596S Step Down Konverter	1	1,40€	https://www.funduinoshop.com/epages/78096195.sf/de_DE/?ObjectPath=/Shops/78096195/Products/R12-C-7-3
Moisture Sensor V 1.2	2	7,99€	https://www.az-delivery.de/products/bodenfeuchte-sensor-modul-v1-2?variant=12461193855072
DHT22 Sensor	1	5,90€	https://www.funduinoshop.com/epages/78096195.sf/de_DE/?ObjectPath=/Shops/78096195/Products/R12-A-6-2
I2C Display	1	3,20€	https://www.funduinoshop.com/epages/78096195.sf/de_DE/?ObjectID=56033504
6mmx9mm PVC Schlauch	0,5m	0,70 €	https://www.hornbach.de/shop/Aquarienschlauch-PVC-6-9-mm-Meterware/10069312/artikel.html
Diverse Anschlusskabel	1	5,49 €	https://www.az-delivery.de/products/3er-set-40-stk-jumper-wire-m2m-f2m-f2f
Quadratstab 20x20x2000mm	2	5,35 €	https://www.hornbach.de/shop/Quadratstab-Konsta-Kiefer-roh-20x20x2000-mm/5485724/artikel.html
Hobbyglas 2x500x1500mm	1	18,75 €	https://www.hornbach.de/shop/Hobbyglas-2x500x1500-mm-glatt-klar/1477823/artikel.html
3V-12V 5A Netzteil regelbar	1	15,46 €	https://www.ebay.de/itm/313518396630?chn=ps&norover=1&mkevt=1&mkrid=707-134425-41852-0&mkcid=2&itemid=313518396630&targetid=1267714667707&device=c&mktype=pla&googleloc=9044152&poi=&campaignid=10203814794&mkgroupid=121648964639&rlsatarget=pla-1267714667707&abcId=1145991&merchantid=7364532&gclid=EAIaIQobChMI2Mjiz8-f9QIVk_lRCh2P7gaOEAQYBiABEgKB5vD_BwE

Umsetzung (HW/SW)

HW

Für das Gehäuse wurden Kanthölzer (20mm x 20mm) als Rahmen verwendet. Diese wurden mit 3D-gedruckten Winkeln an den Ecken verbunden. Um den Rahmen durchsichtig zu gestallten wurden Plexiglasscheiben eingesetzt. Für den Arduino gibt es eine 3D-gedruckte Box, die zusätzlich den Treiber des Motors, den Step-down Converter und ein Relais enthält. Die Box wurde ebenfalls aus PLA gedruckt. Es wurde ein Schrittmotor verwendet um den Deckel mit einem Hebel automatisch anheben zu können, zur Änderung der Temperatur und Luftfeuchtigkeit im inneren des Gewächshauses. Es wurden mehrere Sensoren angebracht, zwei Feuchtigkeitssensoren zur Messung der Bodenfeuchtigkeit und den Anderen zur Wasserstandsmessung des Wasserbehälters. Ein Luftfeuchtigkeits- sowie Temperatursensor. Durch diese Sensoren, lassen sich die wichtigsten Daten zur Automatisierung abgreifen und benutzen. Alle Kunststoffteile wurden aus biologisch abbaubarem PLA gedruckt.

• 

  Motorhalterung des Nema 17 Schrittmotors

• 

  Gehäuse der Schalteinheit des Projekts

SW

Die verwendete Software um den Programmcode zu schreiben war die Arduino IDE in der Version 1.8.16 . Mit der Integration verschiedener Bibliotheken war es möglich die Sensoren, das Display und die Motoren anzusteuern. Der Programmcode mit Kommentaren ist in dem Abschnitt Programmierung zu finden, dort sind die verwendeten Bibliotheken ebenso zusehen.

Komponententest

Die einzelnen Komponenten wurden getestet in dem kleine Testprogramme verwendet wurden und die Komponenten provisorisch verkabelt wurden.

Testprogramme sind unter folgenden Links zu finden: Stepper Motor, Kapazitiver Feuchtigkeitssensor, DHT22 Sensor.

Programmierung

Programmcode

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//                                           //
//  SAFE-PLANT                               //
//  Lukas Rellermeier & Dennis Weber         //
//  MTR 2.2                                  //
//  Bachelor-Studiengang Mechatronik (MTR)   //
//  Hochschule Hamm-Lippstadt                //
//  Betreuer: Marc Ebmeyer                   //
//                                           //
///////////////////////////////////////////////

// Einfügen der einzelnen Bibliotheken die notwendig sind
#include <DHT.h> //DHT22 Bibliothek
#include <Wire.h> // Wire Bibliothek
#include <LiquidCrystal_I2C.h> // LiquidCrystal Display Bibliothek
#include <AccelStepper.h> // AccelStepper Bibliothek für den Stepper Motor

// Definieren der Anschlusspinne und Sensoren die verwendet werden
#define DHTPIN 2 //DHT22 wird an PIN 2 angeschlossen    
#define DHTTYPE DHT22 // Es handelt sich um den DHT22 Sensor
#define Steuer_PIN 3 // Pin für Relais-Steuerung
#define dirPin 4 // Pin für den Steppemotor für die Richtung
#define stepPin 5 // Pin für den Steppemotor
#define motorInterfaceType 1 // Auswahl des Motors der verwendet wird

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); // Display definieren
AccelStepper stepper = AccelStepper(motorInterfaceType, stepPin, dirPin); // Motor definieren
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); // Sensor mit "dht" ansprechbar machen

// Initialisieren der einzelnen Werte
int bodenfeuchte = 0;
int bodenfeuchteProzent = 0;
int wasserstand = 0;
int wasserstandProzent= 0;
const int LuftWert = 455; // Kalibrierungswert für die Feuchtigkeitssensoren
const int WasserWert = 159; // Kalibrierungswert für die Feuchtigkeitssensoren

void setup() {
  Serial.begin(9600); //Serielle Verbindung starten
  lcd.init();
  lcd.backlight();
  dht.begin(); //DHT22 Sensor starten
  pinMode(Steuer_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(Steuer_PIN,HIGH);
  stepper.setMaxSpeed(1000);
  stepper.setCurrentPosition(0);
}

void loop()
{
  
  delay(5000);//5 Sekunden bis zur Messung warten
  
  bodenfeuchte = analogRead(A1);
  Serial.println(bodenfeuchte);
  wasserstand = analogRead(A0);
  Serial.println(wasserstand);
  
  wasserstandProzent = map (wasserstand, WasserWert, LuftWert, 100, 0);
  bodenfeuchteProzent = map(bodenfeuchte, WasserWert, LuftWert, 100, 0);
  
  Serial.print(bodenfeuchteProzent);
  Serial.println("%");
  Serial.println("Wasserstand:");
  Serial.print(wasserstandProzent);
  
  
  float Luftfeuchtigkeit = dht.readHumidity(); //die Luftfeuchtigkeit auslesen und unter „Luftfeutchtigkeit“ speichern
  float Temperatur = dht.readTemperature();//die Temperatur auslesen und unter „Temperatur“ speichern
  Serial.print("Luftfeuchte: "); //Im seriellen Monitor den Text und 
  Serial.print(Luftfeuchtigkeit); //die Dazugehörigen Werte anzeigen
  Serial.println(" %");
  Serial.print("Temperatur: ");
  Serial.print(Temperatur);
  Serial.println(" Grad Celsius");

  // Löschen des Displays
  lcd.setCursor(0,0); 
  lcd.print ("                    ");
  lcd.setCursor (0,1);
  lcd.print ("                    ");
  
  // Ausgeben der Luftfeuchtigkeit und der Raumtemperatur
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print ("Luftf.:");
  lcd.print (Luftfeuchtigkeit);
  lcd.print (" %");
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print ("Temp.:");
  lcd.print (Temperatur);
  lcd.print (" C");
  
  delay (5000); // 5 Sekunden bis zur Löschung des Displays warten

  // Löschen des Displays
  lcd.setCursor(0,0);
  lcd.print ("                    ");
  lcd.setCursor (0,1);
  lcd.print ("                    ");

  // Ausgeben der Bodenfeuchtigkeit und den Wasserstand
  lcd.setCursor (0,0);
  lcd.print ("Bodenfeuchte:");
  lcd.print (bodenfeuchteProzent);
  lcd.print ("%");
  lcd.setCursor (0,1);
  lcd.print ("Wasserstand:");
  lcd.print (wasserstandProzent);
  lcd.print ("%");
  

  // Gießen der Pflanze bei passendem Wasserstand und Bodenfeuchtigkeit

 if (millis() % 1000 > 500) 
 {
  if ( (wasserstandProzent >= 45) & (bodenfeuchteProzent <= 90))
  {
    digitalWrite ( Steuer_PIN,LOW);
    delay(250);
    digitalWrite(Steuer_PIN,HIGH);
  } 
  else
  {
    digitalWrite (Steuer_PIN,HIGH);
  }
 }

 // Ausgabe von einer Meldung das der Wasserstand zu gering ist

 if (wasserstandProzent < 45)
 {
  lcd.setCursor(0,0); 
  lcd.print ("                    ");
  lcd.setCursor (0,1);
  lcd.print ("                    ");
  lcd.setCursor (0,0);
  lcd.print ("Wasserstand!!!");
 }

// Öffnen der oberen Klappe falls die Temperatur im inneren einen Wert von 30°C erreicht hat
if (Temperatur > 30)
{
  
  while(stepper.currentPosition() != -90)
  {
    stepper.setSpeed(-50);
    stepper.runSpeed();
  }
  delay(1000);

}

// Schließen der oberen Klapppe falls die Temperatur im inneren einen Wert von unter 30 °C erreicht hat

if (Temperatur < 30)
{


  while(stepper.currentPosition() != 0) 
  {
    stepper.setSpeed(50);
    stepper.runSpeed();
  }
  delay(1000);

}


 
}

Ergebnis

Das Projekt konnte größtenteils wie gewünscht beendet werden. Das Gewächshaus kann automatisiert die Temperatur im Inneren, sowie die Luftfeuchtigkeit auf dem Display anzeigen, ebenso die Bodenfeuchtigkeit, der Erde. So kann es bei abweichenden Sollwerten (z.B. zu trockene Erde) entsprechend handeln und diese wieder anpassen. Man kann auf dem unten eingefügten Video auf Youtube alle Funktionen erkennen und mithilfe des Arduino-Codes und dem Verdrahtungsplan das Projekt nachvollziehen und nachbauen.

Zusammenfassung

Lessons Learned

Aufgrund von schlechter Verfügbarkeit konnten nicht alle von uns gewünschten Komponenten verbaut werden. Durch die Planung mit dem Projektplan, konnten wir die Termine pünktlich einhalten, dieser hat sich als Hilfreiches Werkzeug erwiesen. Wir konnten den Umgang mit dem Arduino in Verbindung mit externen Komponenten vertiefen und unsere Programmierfähigkeiten weiter ausbauen. Durch den vorhandenen 3D-Drucker konnte man Erfahrungen mit SolidWorks sammeln und die Qualtiät von Konstruierten Teilen verbessern.

Projektunterlagen

Projektplan

Projektplan Safe-Plant

YouTube Video

[1]

Literatur

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