Automatické zalévání květin

Asi každý má ve svém bytě, domě nebo aspoň pokoji pokojové rostliny. Ne každý, kdo má ve svém bytě rostliny, se o ně stará tak jak by měl.

Motivace

Asi každý má ve svém bytě, domě nebo aspoň pokoji pokojové rostliny. Ne každý, kdo má ve svém bytě rostliny, se o ně stará tak jak by měl. Většina lidí zalévá květiny jednou týdně. Někteří (mezi ně patřím i já) zalévají květiny, když si náhodou vzpomenou nebo když je květina už žlutá. Navíc každá květina vyžaduje jiné množství vody, takže ani pravidelné zalévání jednou týdně není optimální. Oproti tomu robot, zkonstruovaný přímo pro zalévání květin, může pomoci odstranit lidské chyby a dopřát každé rostlině právě to množství vody, jaké potřebuje.

Když uvážíme, že průměrný člověk stráví týdně 3 minuty zaléváním květin, dostaneme se zhruba na 2,5 hodin ročně strávených touto činností. Pokud bude robot dobře seřízen a nastaven na potřeby rostliny, dá se očekávat, že rostlina poroste rychleji a prodlouží se její život.

Na začátku semestru mi rodiče svěřili na vysokoškolskou kolej do opatrovnictví několik rostlin včetně (Hoya Carnosa) Voskovky masité, která roste velmi pomalu a kterou doma rodiče úspěšně pěstují už 25 let. Jelikož jsem musel slíbit, že se rostlině nic nestane, rozhodl jsem se nenechat život voskovky jen v mých rukou a robota na zalévání rostlin vyrobit.

Idea zařízení

Zařízení by mělo být co nejvíce autonomní a mít co nejmenší nároky na údržbu. Mělo by být malých rozměrů, pokud možno s tichým provozem. Jelikož většinou plní rostliny též dekorační funkci, nemělo by toto zařízení svým vzhledem poutat mnoho pozornosti nebo snad hyzdit dojem ze samotné rostliny. Pokud bude zařízení napájeno z baterie, budou kladeny nároky na dlouho životnost na jedno nabití. Pořizovací cena bude také jedním z hlavních faktorů ovlivňujících výsledné řešení.

Zařízení musí obsahovat senzory nutné pro zjištění stavu půdy v květináči, řídící jednotku, která bude vyhodnocovat data ze senzorů, akční členy, které zajistí přísun vody do květináče, a zdroj vody a elektrické energie. Vlhkost půdy v květináči je možné změřit nepřímo pomocí měření konduktivity mezi dvěmi elektrodami umístěnými v půdě. Čím bude půda vlhčí, tím bude konduktivita větší. Akčním členem může být ventil ovládaný servomotorem. V takovém případě je nezbytné, aby na vodu působila vnější síla, která zajisté přesun vody přes ventil. Tím může být gravitace (nádrž s vodou musí být umístěna nad úrovní půdy v květináči) nebo tlak vyvozený na vodní hladinu v nádrži závažím nebo třeba pružinou nebo, pokud by bylo zařízení napojeno přímo na rozvody vody, je možné využít tlaku ve vodovodní potrubí. Použitím čerpadla místo ventilu se soustava zbaví potřeby využívat vnější sílu pro transport vody, jelikož tuto sílu vyvozuje samo čerpadlo. Tento fakt se jistě negativně projeví na příkonu zařízení. Zdrojem elektrické energie může být rozvodná síť, solární článek nebo vlastní baterie. [1]

Zařízení může fungovat buď samostatně pro každou rostlinu nebo mít některé prvky centralizované pro více rostlin najednou. Tím se mohou snížit náklady rozpočtené na jednu rostlinu. Jako centralizovaný prvek lze použít řídící jednotku, zdroj vody a zdroj energie. Senzory vlhkosti půdy a alespoň jeden akční člen musí mít každý květináč vlastní. Jednotlivé květináče musí s centrální jednotkou komunikovat buď pomocí vodiče (nutnost natahovat vedení od každého květináče k centrální jednotce) nebo bezdrátově (Bluetooth nebo rádiový vysílač a přijímač). Pokud je centralizovaný i zdroj vody, je nutné ho s každým květináčem propojit hadicí. Je zřejmé, že i když budou náklady centralizovaného řešení o něco menší, zkomplikuje se celé řešení potřebou rozvést hadičky a vodiče mezi jednotlivými členy. Pokud bude toto řešení použito v prostorách, kde jsou rostliny rozmístěné na různých místech, už se jistě nevyplatí ani cenově. [2] Jelikož optimální vlhkost půdy je jiná pro různé druhy rostlin, je záhodno vybavit zařízení jednoduchým rozhraním pro komunikaci s uživatelem. Uživatel by měl být schopen zadat hodnotu optimální vlhkosti a naopak, zařízení by mělo uživatele informovat o význačných stavech jako jsou například nedostatek vody v nádrží (pokud bude použito řešení s nádrží), nízká hodnota napětí na baterii (pokud bude použita baterii) nebo začátek a konec měřícího cyklu.

Volba Součástí

S ohledem na výše uvedené jsem zvolil následující součásti. Kritériem pro volbu byly hlavně nízká cena, malé rozměry a malý příkon.

Výpočetní jednotka

Jako řídící jednotku volím vývojovou desku Arduino, model Nano. Tato deska disponuje USB-Mini konektorem, pomocí něhož lze desku programovat i po připájení na plošný spoj, což je užitečná vlastnost zvláště při výrobě prvního prototypu. Deska má v uspaném stavu velice malý příkon a je cenově dostupná. [3]

Senzor vlhkosti půdy

Jako senzor vlhkosti půdy byl vybrán model YL-69, který obsahuje 2 elektrody s hrotem pro umístění do květináče a vlastní elektroniku. Elektronika YL_69 se skládá z operačního zesilovače zapojeného jako komparátor, který porovnává napětí na výstupu z elektrod s napětím z napěťového děliče, který lze uživatelsky ovládat potenciometrem. Výstupní pin senzoru nabývá hodnoty logická „1“, pokud je napětí na elektrodách menší než napětí na děliči, tedy pokud je vlhkost půdy menší než nastavená mezní vlhkost pomocí potenciometru. [1][4]

Ponorné čerpadlo

Jako akční člen volím ponorné, nízkonapěťové čerpadlo firmy EclipseRa. Nejen že je jeho použití jednodušší a univerzálnější než řešení pomocí ventilu, ale je navíc i znatelně levnější než nejlevnější servomotory. Navíc je možné toto čerpadlo provozovat i když napětí na bateriích klesne až na 3V, což už je napětí, na kterém není schopno fungovat Arduino Nano. [3][5]

Senzor výšky hladiny

Senzor výšky hladiny zkonstruuji vlastní, tak že odizolované konce dvou vodičů připevním na tělo čerpadla. Potom budu pomocí Arduina měřit nepřímo odpor mezi těmito konci vodičů. Pokud bude odpor nekonečný, znamená to, že se senzor nachází v nevodivým prostředí, tedy ne ve vodě.

Napájení

Pro napájení celého zařízení volím 4 AA dobíjecí baterie (1,25V každá, celkem tedy napětí 5V). Díky tomu nebudu závislý na elektrické zásuvce ani denní době, jak by se stalo při použití solárního panelu. Kvůli tomuto rozhodnutí vznikají ovšem požadavky na co nejoptimálnější nakládání s energii. Pokud by bylo zapotřebí dobíjet baterii stejně často jako zalévat květiny, postrádalo by toto zařízení smysl. [6]

Praktická část

Měření a regulaci vlhkosti není nutné provádět spojitě ani kontinuálně. Pro zvládnutí tohoto problému bude jistě stačit dvoupolohový regulátor. Díky relativně nízké rychlosti vysoušení půdy není nutné měřit vlhkost častěji jak jednou za hodinu. Pokud v době mezi měřeními bude zařízení v režimu spánku, lze ušetřit podstatnou část elektrické energie.

Pro vstupní rozhraní použiji potenciometr (YL-69) a tlačítko. Tří LED diody (červená, zelená a modrá) budou představovat rozhraní výstupní. [1] [7]

Popis funkce zařízení

Zařízení bude přibližně hodinu v režimu spánku (Arduino v režimu nejhlubšího spánku neměří čas přesně). Aby uživatel viděl, že je vše v pořádku (nedošlo k poruše, baterie je stále nabitá) rozsvítí se jednou za 8 sekund na krátký čas zelená dioda. Po uplynutí příslušného časového intervalu Arduino ověří pomocí senzoru hladiny přítomnost dostatečného množství vody v nádrži. Pokud zjistí, že množství vody není dostatečné, začne v časových intervalech dvou sekund blikat červená dioda. Pokud si uživatel tohoto všimne a doplní vodu do nádrže, stačí zmáčknout tlačítko a Arduino znovu ověří množství vody v nádrži. Pokud měření množství vody v nádrži dopadne úspěšně, provede 5 měření vlhkosti zeminy (odečte 10 hodnot z výstupu YL-38 s rozestupem 500ms, větším počtem měření se eliminuje případná chyba. V průběhu měření svítí červená a zelená dioda). Pokud bude alespoň jedna hodnota „0“, Arduino opět usne na další hodinu. Pokud budou všechna měření „1“, znamená to, že vlhkost zeminy klesla pod stanovenou hodnotu. V takovém případě Arduino zapíná čerpadlo na 2 sekundy, poté opět usne. Pokud v průběhu spánku uživatel zmáčkne tlačítko, spustí se kalibrační mód. Rozsvítí se modrá dioda a jedna další. Zelená, pokud je aktuální vlhkost zeminy větší než nastavená mezní vlhkost, a červená, pokud je tato vlhkost menší. Nyní může uživatel otáčet potenciometrem a tím měnit mezní vlhkost. Červená a zelená dioda se budou adekvátně rozsvěcovat a zhasínat. Pokud bude kalibrace prováděna v době, kdy uživatel uzná, že je právě čas doplnit vodu do květináče, lze velice snadno aktuální vlhkost v květináči nastavit jako vlhkost mezní.

Schéma zapojení

Schéma zapojení, Vytvořeno v programu easyeda

Zařízení je realizováno na univerzálním pájivém poli. Arduino je napájeno přes pin Vin ze čtyř AA baterií. Při zmáčknutí tlačítka S1 Arduino detekuje signál na pinu D3, který je spojen přes 10k odpor se zemí, aby na něm nevzniklo nedefinované napětí. Senzor hladiny a senzor vlhkosti půdy mají vlastní spotřebu energie, proto je spínám NPN tranzistory jen když je potřeba měřit vlhkost půdy. Ponorné čerpadlo potřebuje větší proud (250 mA), než je schopno poskytnout Arduino (20 mA), proto jej taktéž spouštím pomocí NPN tranzistoru. LED diody jsou v sérii zapojeny s 4k7 rezistory, díky tomu jimi protéká proud přibližně 1 mA, což je v toleranci těchto diod.

autor: pavel