Sistema de rega controlado por microcontroladores

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GitHub source: https://github.com/lfbatista/Irrigation-EmbSys

A solução consiste na comunicação entre, pelo menos, dois
microcontroladores Arduino para despoletar um sistema de rega.
O sistema de rega é alimentado por uma electroválvula a 24 volts que por
sua vez é accionada por um relé. O relé é comandado por uma placa
Arduino e com uma voltagem de 5 volts.
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Sistema de rega controlado por microcontroladores

  1. 1. Sistema de rega controlado por microcontroladores ligados em rede Autores Luis Filipe Batista ESTG do Instituto Politécnico da Guarda batistaluisfilipe@gmail.com Paulo Miguel Fernandes ESTG do Instituto Politécnico da Guarda pmsfernandes@gmail.com Guarda, 23 de julho de 2015
  2. 2. Resumo O presente relatório descreve em detalhe a solução desenvolvida para a unidade curricular de Sistemas Embebidos do Mestrado de Computação Móvel do Instituto Politécnico da Guarda. A solução desenvolvida consiste na comunicação entre, pelo menos, dois microcontroladores Arduino para despoletar um sistema de rega. O sistema de rega é alimentado por uma electroválvula a 24 volts que por sua vez é accionada por um relé. O relé é comandado por uma placa Arduino e com uma voltagem de 5 volts. Figura 1: Nó do sistema de rega juntamente com a sua board de interface A comunicação entre a base station e o(s) nó(s) é feita através do protocolo de comunicação de baixo consumo, ZigBee. O sistema de rega é acionado de xx em xx horas. Diariamente, o nó entra em contacto com a base station a uma hora pré-agendada. Após despertar, cada nó faz o envio da sua identificação para a base station.
  3. 3. Ao ser recebida a identificação do nó na base station e efectuado o HAND– SHAKE, é feito o envio:  da hora currente para fazer a sincronização entre o nó e a base station;  o currente dia da semana;  do agendamento para acionar o sistema de rega;  da porta série para ativação do sistema de rega;  da duração de tempo do funcionamento dos aspersores Após o envio dos dados para o nó, a base station mantém-se à escuta para receber e enviar informação de outros nós. Este nó só voltará a contactar a base station no dia seguinte. Entretanto, aguarda até à hora agendada, para accionar o sistema de rega após o que aguarda, novamente, mas desta vez pela hora de entrar em contacto com a base station. O processo descrito volta a repetir-se. Figura 2: Arquitetura da solução
  4. 4. 1 – Introdução O principal objetivo deste projeto passa por reutilizar um sistema de rega existente e funcional e, com isso, adicionar novas funcionalidades. Neste caso, a implementação de um sistema de rega automatizado e programado por uma base station e controlado por um nó (controlador do sistema de rega). Com esta abordagem, a principal vantagem, está na adição de uma base central (base station), capaz de fazer a programação do sistema de rega remotamente e capaz de armazenar e agregar dados relativos a cada nó. Assim, dados como a duração do tempo de irrigação poderão ser geridos para optimizar gastos do consumo de água e eletricidade.
  5. 5. 2 – Descrição da solução Equipamento utilizado  2 Arduino Duemilanove  2 XBee da MaxStream  2 Shields XBee  4 jumpers  Eletroválvula Hunter PGV-101G  Programador Hunfer EC  Schrack PCB Relay SNR  Interface para ativação do sistema de rega Figura 3: Diagrama de blocos da solução
  6. 6. Figura 4: Circuito impresso da interface de ativação do sistema de rega Funcionamento da eletroválvula O sistema de rega é alimentado por uma electroválvula a 24 VCA da Hunter, modelo PGV 100. Esta válvula contém um solenóide com as seguintes características:  350 mA de irupção, 190 mA de manutenção, 60 HZ;  370 mA de irupção, 210 mA de manutenção, 50 HZ. A alimentação da válvula é feita através de um transformador:  Entrada do Transformador : 230 VAC, 50Hz;  Saída do Transformador: 24 VAC, 0.625A. Figura 5: Electroválvula Hunter PGR100
  7. 7. Fluxo detalhado do programa Nó 1. O nó está em hibernação 2. O nó desperta à hora agendada, conforme programado, estabelece a comunicação com a BS e envia o seu ID 3. Aguarda pela resposta da BS. Em caso de timeout/erro, repete o processo 2 4. Efectua-se o HAND-SHAKE entre equipamentos 5. Recebe a informação da BS (hora currente, hora para acionar o sistema de rega, pino para acionar e duração do tempo de rega dos aspersores) 6. Faz a sinconização da hora com a BS 7. Hiberna 8. Volta a despertar à hora agendada para acionar o pino do atuador 9. Volta a hibernar Base Station 1. Está 24h à escuta dos nós 2. Recebe informação de um dos nós. 3. Verifica a sua identidade. Faz um HAND-SHAKE. 4. Recebe a confirmação do HAND-SHAKE. 5. Envia dados para sincronização do relógio do nó, da hora do actuador, porta e duração do actuador. 6. Mantém-se à escuta.
  8. 8. Estrutura dos dados transmitidos Tendo em conta a estrutura de dados 2A0700A2400P10D0012S1200  O primeiro dígito corresponde ao dia da semana: O 2 corresponde ao agendamento para 2ª feira.  O primeiro A corresponde ao 1º alarme para o nó despertar, seguido dos dois próximos dígitos para as horas e os últimos dois para os minutos: O nó vai despertar às 07h00.  O segundo A corresponde ao 2º alarme para o nó despertar, seguido dos dois próximos digitos para as horas e os últimos dois para os minutos: O nó vai despertar às 24h para comunicar com a base station.  O P corresponde à porta série a accionar no controlador: A porta série 10 é accionada para despolertar os aspersores do jardim, por exemplo.  O D corresponde à duração, que os aspersores vão estar activos, 20 minutos:  O S corresponde à hora de referência para sinconizar o nó com a base station: 12h00 é a hora currente, e que deve ser igual no nó.
  9. 9. 3 – Conclusão e trabalho futuro Conclusão A solução descrita neste relatório descreve uma das várias abordagens possíveis e existentes para desenvolver um controlador automático para um sistema de rega doméstico/industrial. Apesar da solução apresentada não ser novidade para resolver o problema em questão (rega de terrenos/campos), é sim uma novidade na adição de uma base central (base station) capaz de agregar informação dos nós envolventes. Desta forma, ser capaz de analisar e disponibilizar essa informação ao utilizador final/consumidor, torna possível ter um controlo mais rigoroso dos os recursos a usar (neste caso, eletricidade e água). Assim sendo, o consumidor tem a capacidade de reduzir consumos, e, por consequência, reduzir despesas de água/eletricidade.
  10. 10. Trabalho futuro Como trabalho futuro, pretende-se adicionar novas funcionalidades e atuadores à solução, como por exemplo, a adição de mecanismos automáticos para ligar/desligar um sistema de iluminação em função da luz solar. Intenciona-se, também, optimizar e tornar mais eficientes os algorítmos de receção e envio de dados entre os nós e a base station, para que desta forma, seja possível evitar um maior número de comportamentos imprevistos, como falhas/erros de comunicação. Por último, integrar a presente solução com a solução desenvolvida para a unidade curricular de Redes de Sensores. A solução desenvolvida para Redes de Sensores consiste numa malha de nós sensores que comunicam em camadas e que recolhem dados de uma colheita agrícula como valores de humidade e temperatura. Desta forma, o relacionamento dos dois projetos consistiria em fazer despoletar o sistema de rega em função dos valores da humidade e tempertatura recolhidos.

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