Hardware: sensori ed attuatori

L’hardware è tutto ciò che può essere toccato.

L’hardware è l’insieme delle componenti fisiche, non modificabili (alimentatori, elementi circuitali fissi, unità di memoria, ecc..), di un sistema di elaborazione dati.
L’elemento principale del nostro sistema hardware è Arduino MKR1000.
Arduino MKR1000 è un microcontrollore dotato di scheda wi-fi che ci permette di mettere in comunicazione i sensori che acquisiscono i dati con il database.
Nel nostro progetto i valori di umidità, luminosità e temperatura per essere utilizzati devono attraversare varie fasi:
in primis vengono letti dall’esterno tramite dei sensori; ognuno dei quali va a rilevare rispettivamente lo stato che lo interessa.
Dopodiché le misure rilevate sono inviate ad Arduino, che tramite la connessione wi-fi è in grado di mandarle al database creato da noi.
Queste misurazioni sono monitorate tramite una Webapp con un interfaccia grafica semplice, che consente all’utente di capire facilmente le condizioni della pianta e, se necessario, modificare tali condizioni tramite i pulsanti presenti nel sito.

Nel nostro progetto vengono usati i sensori.
Un sensore è un dispositivo che misura una grandezza fisica ed in grado di trasformarla in un segnale misurabile,come ad esempio un numero.

Quindi il sensore è un elemento che produce un’uscita dipendente da una variabile fisica da cui è interessato, secondo una legge fissata.

I sensori si distinguono in due categorie principali; gli attivi i quali convertono direttamente l’energia in ingresso in energia in uscita, senza dover essere alimentati dall’esterno. Es: celle fotovoltaiche.
I passivi, invece, necessitano di un alimentazione esterna (eccitazione). Es: sensori che sfruttano le capacità resistive dei materiali.

PARAMETRI FONDAMENTALI DI UN SENSORE
  • Caratteristica ingresso/uscita: E’ costituita dalla relazione matematica esistente tra la grandezza d’uscita e quella d’ ingresso. La caratteristica  si dice lineare quando si ha una variazione della grandezza d’uscita direttamente proporzionale a quella d’ingresso.
  • Accuratezza: l’accuratezza di un sensore è il massimo scostamento tra la misura fornita e il valore reale del misurando. Per avere un elevata accuratezza, bisogna calibrare il sensore. La mancanza di accuratezza è dovuta all’usura e porta  errori sistematici (avvengono in modo continuo ad ogni misurazione).
  • Precisione: a parità di ingressi e nelle stesse condizioni di lavoro  il sensore con più precisione legge più valori in uscita.
  • Range:  il range nel quale è garantito il corretto funzionamento del dispositivo. Es: sensore di temperatura da 0  a 150 (°).
  • Sensibilità: la minima variazione in entrata che da luogo ad una variazione apprezzabile.
  • Taratura (calibrazione): l’operazione di taratura di un sensore corrisponde con la misurazione della grandezza in uscita per valori noti della grandezza di ingresso al sensore stesso

 

I sensori utilizzati nel progetto sono i seguenti:

Sensore di umidità (resistivo). I sensori di umidità sono dei particolari trasduttori in grado di rilevare la variazione dell’ umidità. I dispositivi resistivi si basano sulla variazione dell’impedenza elettrica del terreno. Sono costituiti da una pellicola di plastica su cui sono applicate delle lamine di metallo nobile. A seconda dell’umidità, dunque, la plastica si dilata, in modo da rendere possibile il riconoscimento della variazione attraverso i diversi valori assunti dalla resistenza contenuta nell’insieme delle lamine d’oro. In uscita fornisce un segnale in tensione proporzionale al’umidità relativa. Il sensore di umidità utilizzato è compatibile con la scheda Arduino.

Sensore di luminosità (fotoresistore). I fotoresistori sono dispositivi a semiconduttore in cui la radiazione assorbita provoca una variazione della conducibilità dell’elemento. Sono costituiti da un sottile strato di materiale semiconduttore posto su un supporto isolante con due materiali metallici.  Il fenomeno della foto-conduzione è caratterizzato dalla creazione di coppie elettrone-lacuna che, rendendo disponibili più portatori di  carica, aumentando la conducibilità del materiale. Un sensore con un elevata sensibilità deve essere in grado di catturare un elevato numero di fotoni. Nello specifico hanno una resistenza inversamente proporzionale alla quantità di luce che le colpisce. Questo sensore fornisce in uscita dei volt che vengono convertiti da Arduino in Lux, che è l’unità di misura dell’illuminamento.

Per conoscere i rapporti fra Lux, intensità luminosa basta cliccare su questo link: https://it.wikipedia.org/wiki/Lux

Sensore di temperatura (circuito integrato). I sensori di temperatura a circuito integrato sono dei componenti al cui interno sono presenti dei complessi circuiti con vari resistori e transistori. In commercio ci sono diversi tipologie di sensori a circuito; noi utilizziamo un DS18B20; questi tipi di dispositivi sono composti da 3 piedini la cui uscita è una tensione che verrà convertita per ottenere la misurazione in gradi centigradi. L’alimentazione operativa è di 5V e grazie alla corrente di lavoro ridotta il fenomeno di auto riscaldamento può essere mantenuto inferiore a 0,1°C.

ATTUATORI

In ingegneria  gli attuatori sono capaci di trasformare un segnale di input (tipicamente elettrico) in movimento,  esempi di attuatori sono i motori elettrici, pistoni idraulici, relè, ecc…

Più in generale, l’attuatore può essere definito come un trasduttore in grado di trasformare un segnale da un dominio fisico (tipicamente di tipo elettrico) in una grandezza equivalente appartenente a un altro dominio (per es., meccanico, idraulico, termico ecc.). A seconda del tipo di grandezza fisica in cui viene trasdotto il segnale di comando, si possono catalogare gli attuatori in diversi tipi, di cui i più comuni sono quello meccanico, idraulico, elettrico e termico.

Gli attuatori utilizzati nel nostro progetto sono relè e un elettropompa.

I relè presenti sono 3; due vengono utilizzati per alimentare  le lampade (luminosità e temperatura), il terzo è utilizzato per alimentare l’elettropompa.

Un relè è un interruttore elettrico che grazie ad un impulso elettrico chiude oppure apre un circuito: questo dispositivo funziona grazie alle variazioni di corrente che influiscono sul meccanismo di un altro circuito. Il relè non interrompe quindi il flusso di corrente, ma lo devia. Il relè è formato da tre parti: la bobina, l’ancora e il contatto elettrico.

Al interno dei relè, il ruolo degli interruttori lo svolgono i contatti, che saranno fissi e mobili; questi saranno azionati grazie alla bobina che genererà un campo elettromagnetico che sposterà l’ancora. Quando la bobina sarà a riposo, il contatto mobile resta fermo; viceversa quando la bobina sarà attivata il contatto mobile si collegherà al fisso.

 

Il relè è utilizzato per alimentare un dispositivo che  necessità di un voltaggio molto più alto di quello fornito, in questo caso , da Arduino.

 

L’elettro-pompa 

Una pompa è una macchina idraulica che sfrutta organi meccanici in movimento (rotatorio o rettilineo alternativo) per sollevare o comunque per spostare o raccogliere materiale fluido.

Una pompa opera in ambiente chiuso, tra un condotto di aspirazione e uno di mandata.

Si intende normalmente per pompa il dispositivo usato per spostare liquidi.

Caratteristiche principali di una pompa idraulica

  • Portata (Q) : il volume di fluido spostato nell’unità di tempo, espresso normalmente in m3/s;
  • Velocità di pompaggio : velocità con cui viene spostata la sostanza in funzione del tempo
  • Prevalenza (H) :ovvero il dislivello massimo di sollevamento, espressa normalmente in metri.

Le pompe si differenziano oltre che in funzione della prevalenza, della portata e delle caratteristiche del liquido da pompare, anche in base alla forza motrice applicata (es. pompe elettriche, pompe a motore a scoppio).

In parole semplici, l’elettro-pompa è una comune pompa azionata da un impulso elettrico, che nel nostro caso  è fornito dal relè.

Tutti questi elementi hardware sono inseriti in una struttura di metallo dove al centro è posizionata la pianta.

La pianta viene quindi monitorata da Arduino tramite i sensori, questi dati dopo essere stati rielaborati sono inviati al database. Questa operazione avviene ogni 3 secondi, per essere certi che le condizioni della pianta siano sempre sotto controllo.

Per attivare gli attuatori,invece, è necessario utilizzare la WebApp o l’applicazione Telegram. Tramite l’attivazione o la disattivazione dei pulsanti o l’invio di unmessaggio gli attuatori ricevono l’impulso utile per operare.

Schema circuitale

Dallo schema circuitale si può tracciare il percorso dei segnali, che inizialmente, vanno dai sensori agli operazionali (buffer) che si interfacciano con gli Arduino.

Sono presenti due Arduino MKR1000, questo perchè un solo Arduino non era in grado di sincronizzarsi e poter gestire nel modo giusto anche l’applicazione Telegram. Per questo motivo abbiamo riservato un MKR1000 a Telegram, questo a differenza dell’altro quando riceve un comando non va a fare funzionare gli attuatori ma si limita a scrivere sul database. Sarà l’altro Arduino, il quale ogni tre secondi effettua il controllo, ad accorgersi che è cambiato un valore e quindi darà l’imput agli attuatori.