Die folgende Dokumentation entsteht im Rahmen einer schulischen Fortbildung zum staatlichen geprüften Techniker der Fachrichtung Elektrotechnik an der Heinrich-Hertz-Schule in Karlsruhe. Der Schwerpunkt der Ausbildung ist die Automatisierungs- und Energietechnik. Die Durchführung der praktischen Projektarbeit beginnt Ende 2017 mit einem Zeitraum von sechs Monaten.
Das Projekt befasst sich mit der Softwareapplikationsentwicklung, Automatisierung und Optimierung eines Gewächshauses für eine autarke Effizienssteigerung im Lebenszyklus von Nutzpflanzen am Beispiel von Tomaten. Die aufgewendete Zeit für das Betreiben des Gewächshauses ist oftmals enorm. Dabei spielen unterschiedliche Umgebungsfaktoren eine entscheidende Rolle. Die Beeinflussung dieser Faktoren erfolgt häufig manuell und ist mit einem hohen Arbeits- und Zeitaufwand verbunden. Viele Besitzer eines Gewächshauses nehmen diese Mehraufwände in Kauf. Dabei kann der Prozess mittels einer Automatisierung deutlich vereinfacht werden. Familie Anderer ist im Besitz eines Gewächshauses und betreibt dieses schon mehrere Jahre. Bei längerer Abwesenheit, führen externe Faktoren wie zum Beispiel starke Wetterschwankungen häufig zu einem Defizit des Pflanzenwachstums. Deshalb wird ein Projekt zur Erstellung einer Softwareapplikation zur Optimierung eines Gewächshauses durchgeführt. Die vorliegende Projektarbeit verfolgt das Ziel, die Umgebungsfaktoren anhand einer Steuerung und Automatisierung autark zu überwachen. Dadurch wird eine kontinuierlich manuelle Überwachung und Kontrolle überflüssig. Während der Planungsphase werden die wichtigsten Faktoren für ein optimales Pflanzenwachstum recherchiert und ausgewertet. Hierbei werden auf Themenfindung, Projektbeschreibung und Zeitplanung eingegangen. Daraufhin wird eine Übersicht der Einzelteile des Schaltschranks, des Mikrocontrollers und die Funktionen der Software erstellt. Das Fazit fasst
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Planung des Projekts
2.1 Themenfindung
2.2 Projektgruppe
2.3 Projektmotivation
2.4 Realisierung der Projektarbeit
3. Projektbeschreibung
3.1 Anforderungen und gewünschte Features
3.2 Vorgehensweise
3.2.1 Mechanik
3.2.2 Darstellung des Modells mit SketchUp
3.2.3 Überblick der verbauten Elektronik
3.2.4 Überblick der Softwareprogrammierung
4. Zeitplanung
5. Verteilung der Aufgaben
6. Überblick aller Komponenten
7. Überblick des Gewächshausmodells
8. Übersicht der Einzelteile des Schaltschranks
8.1 Aufbau des Schaltschrankes (geschlossen)
8.2 Interner Aufbau des Schaltschrankes
8.3 Schaltplan Mikrocontroller
8.4 Beschreibung der Komponenten im Schaltschrank
8.4.1 Der Arduino Mega 2560
Ein- und Ausgänge des Arduinos
8.4.2 Aufbau des Relais
8.4.3 Die Leiterplatte
Treibermodul YL-38
Polulu A4988
8.5 Beschreibung der Sensoren im Gewächshaus
8.5.1 Bedienung der Tür
8.5.2 Füllstandsmessung des Wassertanks
8.5.3 Messung der Helligkeit mit einem Helligkeitssensor
8.5.4 Messung des PH-Wertes
8.5.5 Messung des Regentropfen-/ Bodenfeuchtigkeitssensors
8.5.6 Messung der Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit mit einem DHT22 Sensor
8.5.7 Messung der Bodentemperatur mit dem DS18B20
8.6 Beschreibung der Aktoren im Gewächshaus
8.6.1 Antriebsauslegung der Tür
8.6.2 Antriebsauslegung Fenster
9. Mikrocontroller und Funktionen der Software
9.1 Überblick der Softwarestruktur
9.2 Mikrocontroller Arduino
9.2.1 Funktion für das Referenzieren der Schrittmotoren
9.2.2 Funktion zur Berechnung der Helligkeit in Lux
9.2.3 Funktion für die Auswertung des PH Sensors
9.2.4 Funktion für das Öffnen und Schließen der Fenster
9.3 Softwareapplikation mit Codegear
9.3.1 Benutzerlogin
9.3.2 Funktion für das Auslesen der seriellen Schnittstelle
10. Reflektion
11. Fazit
12. Aufteilung innerhalb der Dokumentation
13. Aufstellung der Kosten
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit verfolgt das Ziel, die manuelle Überwachung und Pflege eines Gewächshauses durch die Entwicklung einer automatisierten Softwareapplikation und Steuerung signifikant zu reduzieren. Forschungsleitend ist dabei die Frage, wie Umgebungsfaktoren wie Feuchtigkeit, Temperatur, Helligkeit und PH-Wert durch ein autarkes System überwacht und geregelt werden können, um das Pflanzenwachstum zu optimieren.
- Entwicklung einer grafischen Benutzeroberfläche zur Steuerung und Überwachung.
- Implementierung von Sensorik zur Erfassung klimatischer und bodenspezifischer Daten.
- Automatisierung von Aktorik wie Lüftung, Bewässerung und Beleuchtung.
- Optimierung von Antriebsmechanismen für Fenster und Tür.
Auszug aus dem Buch
8.5.4 Messung des PH-Wertes
Eine weitere Herausforderung ist die Implementierung der PH-Messung in das Projekt. Da dieses nicht selbst entwickelt werden kann, muss ein fertiges System benutzt werden. Das System beinhaltet eine PH-Elektrode mit jeweils einem Silber - Silberchlorid Messdraht und einem Messverstärker mit BNC Anschluss. Bei der PH-Messung wird die Ionenanzahl in wässrigen Lösungen bestimmt, da diese Auskunft über den jeweiligen Laugengehalt der Flüssigkeit geben. Dieser Vorgang ist vergleichbar mit der einer elektrischen Spannungsmessung. Hierbei stellt die Elektrode die sogenannte Spannungsquelle dar. Sobald die Spannungsquelle mit einer Flüssigkeit in Berührung kommt, kann diese bis zu 400 Millivolt liefern. Aufgrund des hohen Innenwiderstandes ist eine Messung mit einem konventioneller Voltmeter nicht möglich, da das Messgerät sofort zusammenbrechen würde, sobald man es anschließt. Deshalb wird hier eine aufwendige Messverstärkerschaltung benötigt, mit der das Spannungssignal zur weiteren Verwendung aufbereitet wird. Infolgedessen wird die gemessene Spannung von 0-400 Millivolt auf einen PH-Wert von 0-14 skaliert. Hierbei ist zu beachten, dass durch Materialtoleranzen und Materialgüte diverse Messfehler entstehen können. Es ist deshalb wichtig, die PH-Messung vor Inbetriebnahme zu kalibrieren. Hierfür können eine Pufferlösung und PH-Messtreifen herangezogen werden. Der PH-Wert im Gewächshaus wird über das zugeführte Wasser bestimmt. Grund dafür ist die Beeinflussung des PH-Wertes über das Wasser. Dabei kann die PH-Messung nicht direkt im Erdreich durchgeführt werden, da die Elektrode sonst austrocknet und zerstört wird.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Vorstellung der Projektmotivation, der Zielsetzung sowie der Rahmenbedingungen für die Automatisierung eines Gewächshauses.
2. Planung des Projekts: Detaillierte Darstellung der Themenfindung, der Projektgruppe und der Realisierungsstrategie für das Technikerprojekt.
3. Projektbeschreibung: Definition der Anforderungen, Features sowie Erläuterung der methodischen Vorgehensweise in den Bereichen Mechanik, Elektronik und Software.
4. Zeitplanung: Visuelle und zeitliche Aufschlüsselung der Projektphasen zur Sicherstellung eines reibungslosen Ablaufs.
5. Verteilung der Aufgaben: Übersicht über die Verantwortlichkeiten der Projektmitglieder in den verschiedenen Entwicklungsphasen.
6. Überblick aller Komponenten: Beschreibung des systemweiten Aufbaus und der Kommunikationswege zwischen Hardware und Software.
7. Überblick des Gewächshausmodells: Präsentation des fertigen, physischen Modells inklusive der mechanischen und elektronischen Integration.
8. Übersicht der Einzelteile des Schaltschranks: Umfassende technische Spezifikation des Schaltschrank-Aufbaus, der verwendeten Bauteile, Sensoren und Aktoren.
9. Mikrocontroller und Funktionen der Software: Erklärung der Softwarestruktur, der Implementierung von Steuerungs- und Berechnungsalgorithmen sowie der Anbindung an die Benutzeroberfläche.
10. Reflektion: Kritische Auseinandersetzung mit aufgetretenen Problemen während der Projektarbeit und Analyse potenzieller Verbesserungsmöglichkeiten.
11. Fazit: Zusammenfassende Bewertung der Zielerreichung und der gewonnenen Erfahrungen für das zukünftige Berufsleben.
12. Aufteilung innerhalb der Dokumentation: Tabellarische Zuordnung der Dokumentationsabschnitte zu den jeweiligen Verantwortlichen.
13. Aufstellung der Kosten: Detaillierte Kostenkalkulation und Gegenüberstellung des realisierten Budgets mit dem gesetzten Limit.
Schlüsselwörter
Automatisierung, Gewächshaus, Mikrocontroller, Arduino Mega 2560, Sensorik, Aktorik, PH-Messung, Softwareentwicklung, C++, Benutzeroberfläche, Schrittmotoren, Klimatisierung, Zeitplanung, Projektmanagement, Elektrotechnik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in diesem Projekt grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer automatisierten Steuerungssoftware und der entsprechenden Hardware-Infrastruktur, um die Pflege eines Gewächshauses zu optimieren und den manuellen Arbeitsaufwand zu reduzieren.
Welche zentralen Themenfelder deckt die Arbeit ab?
Die Arbeit verbindet Aspekte der elektrotechnischen Steuerung mit der Softwareentwicklung, insbesondere im Bereich der Mikrocontrollertechnik, der Sensorik, der Aktorik sowie der Gestaltung einer grafischen Benutzeroberfläche.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Ziel ist es, ein autarkes System zu schaffen, das die Umgebungsfaktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit und Lichtverhältnisse in einem Gewächshaus überwacht und entsprechende Gegenmaßnahmen (Lüftung, Bewässerung) automatisiert einleitet.
Welche wissenschaftliche Methode wurde für die Arbeit verwendet?
Es wurde eine praxisorientierte, ingenieurwissenschaftliche Methode gewählt, die eine sorgfältige Planung, rechnerische Antriebsauslegung, iterative Softwareentwicklung sowie systematische Funktionstests umfasst.
Welche Kernthemen werden im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die mechanische Konstruktion, die Auswahl und Verdrahtung elektronischer Komponenten (Arduino, Sensoren, Aktoren), die Programmierung der Steuerungslogik und die Entwicklung einer Anwendungssoftware zur Kommunikation zwischen Mensch und Maschine.
Welche Keywords charakterisieren dieses Projekt am besten?
Die Arbeit lässt sich am besten durch Begriffe wie Automatisierung, Gewächshaus, Arduino Mega 2560, Sensorik, Aktorik, PH-Messung und Software-Visualisierung charakterisieren.
Wie wird das Problem der mechanischen Grundstellung gelöst?
Zur Vermeidung von mechanischen Beschädigungen beim Neustart wurde ein Endschalter-System implementiert. Die Schrittmotoren fahren beim Startvorgang in eine definierte „Home“-Position, um die absolute Positionierung sicherzustellen.
Warum wurde für die Kommunikation zwischen Arduino und PC eine externe Bibliothek gewählt?
Da der standardmäßige Compiler keine integrierte Bibliothek für die serielle Verbindung bereitstellte, wurde die kostenlose Bibliothek „TComPort“ implementiert, um den Datenaustausch zwischen Mikrocontroller und Benutzeroberfläche zuverlässig zu realisieren.
- Citation du texte
- Master of Science Robin Anderer (Auteur), Kevin Anderer (Auteur), Daniel Wenz (Auteur), 2017, Softwareentwicklung einer Applikation zur Steuerung, Automatisierung und Optimierung von Gewächshäusern, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/503637
