Softwareentwicklung einer Applikation zur Steuerung, Automatisierung und Optimierung von Gewächshäusern

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

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

Quellenverzeichnis

Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: SketchUp Modell Gewächshaus

Abbildung 2: Zeitplan

Abbildung 3: Überblick aller Komponenten

Abbildung 4: Überblick des Gewächshausmodells

Abbildung 5: Ansichten Schaltschrank

Abbildung 6: Schaltschrank geöffnet

Abbildung 7: Schaltplan Mikrocontroller

Abbildung 8: Der Arduino Mega 2560

Abbildung 9: Aufbau Schaltrelais

Abbildung 10: Leiterplatte

Abbildung 11: Treibermodul YL-38

Abbildung 12: Polulu A4988 Motortreiber

Abbildung 13: Antriebsauslegung Tür

Abbildung 14: Abbildung Tür

Abbildung 15: Antriebsauslegung Fenster

Abbildung 16: Abbildung Fenster (worst-case)

Abbildung 17: Überblick der Softwarestruktur

Abbildung 18: Grundstellung ermitteln

Abbildung 19: Funktion „Steuerung_Motor“

Abbildung 20: Spannungsteiler Helligkeit

Abbildung 21: Berechnung aktueller Widerstand

Abbildung 22: Berechnung Beleuchtungsstärke

Abbildung 23: Korrekturfaktor Helligkeit

Abbildung 24: Berechnung PH Proben

Abbildung 25: Bubblesort PH-Wert

Abbildung 26: Ausgabe des PH-Wertes

Abbildung 27: Funktion Fenster öffnen

Abbildung 28: Beispiel Funktion Fenster öffnen

Abbildung 29: Hauptprogramm Bedienoberfläche

Abbildung 30: Einstellung Grenzwerte

Abbildung 31: OnCreate Event

Abbildung 32: Konvertierung in Textdatei

Abbildung 33: OnClose Event

Abbildung 34: Funktion für Login Berechtigung

Abbildung 35: Auswertung der seriellen Schnittstelle

Abbildung 36: Datenblatt Arduino Mega 2560

Abbildung 37: Datenblatt Nema 17

Abbildung 38: Leiterplattenansicht links Sensoren

Abbildung 39: Leiterplattenansicht Mitte Arduino

Abbildung 40: Leiterplattenansicht rechts Aktoren

Abbildung 41: Verteilerdose Aktoren

Abbildung 42: Verteilerdose Sensoren

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Aufgabenverteilung

Tabelle 2: Belegung des Arduinos

Tabelle 3: Betriebsarten Polulu A4988

Tabelle 4: Aufteilung Dokumentation

Tabelle 5: Kostenaufstellung

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

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 die Problematik der Projektarbeit sowie Lösungsvorschläge zusammen.

2. Planung des Projekts

2.1 Themenfindung

Im Vorfeld werden verschiedene Projektalternativen für die Bearbeitung einer Technikerarbeit abgewogen. Dabei stehen Projekte für die Schule oder privaten Arbeitgeber zur Auswahl. Die Entscheidung ist auf die Bearbeitung eines privaten Problems gefallen. Das Problem stellt dabei den verwendeten Zeitaufwand für die manuelle Überwachung eines Gewächshauses dar. Daraus entsteht das Projekt „ Softwareentwicklung einer Applikation zur Steuerung, Automatisierung und Optimierung von Gewächshäusern “ für die Technikerarbeit 2018. Da die Autoren unabhängig und selbstständig an eigenen Ideen arbeiten wollen, wurde ein privates einem unternehmensbezogenem Projekt vorgezogen. Nach Abwägung der möglichen privaten Problemstellungen, wird die Entwicklung einer Softwareapplikation zur Automatisierung eines Gewächshauses umgesetzt. Das Thema der Projektarbeit entspricht dadurch den Ansprüchen der Autoren und stellt eine ansprechende Herausforderung dar. Das Projekt umfasst die Entwicklung einer Softwareapplikation, Aufbau einer seriellen Verbindung und zur Steuerung und Automatisierung verschiedenster Komponenten.

2.2 Projektgruppe

Das Technikerprojekt wird von Daniel Wenz und Kevin Anderer durchgeführt. Zur externen Unterstützung bietet Volker Anderer seine Hilfe an.

2.3 Projektmotivation

Durch die Erkenntnis der Gewächshausproblematik und der Begeisterung für die Informations- und Digitaltechnik entstand die Motivation für das Projekt. Das Interesse hierfür entwickelte sich während des Unterrichts in Technischer Informatik und Digitaler Mikrocontrollertechnik. Daraus entstand eine Begeisterung für die objektorientierte und automatisierte Programmierung.

Der Fokus der Arbeit soll sich nicht auf ein rein softwareorientiertes Projekt beziehen. Für die Umsetzung ist eine pragmatische und anwendungsorientierte Durchführung des Projekts notwendig. Weswegen die vorliegende Arbeit eine Kombination aus elektrotechnischer Steuerung und Entwicklung einer Software darstellt.

2.4 Realisierung der Projektarbeit

Die Realisierung des Projekts findet anhand eines selbstgebauten Gewächshausmodells statt. Vom Grundprinzip ist die Steuerung des Modells auf jedes normale Gewächshaus übertragbar. Die Planung des Projekts, der Aufbau der Mechanik und die Entwicklung der Software findet in Waldbronn, Reichenbach statt. Das Einhalten der Budgetvorgabe während der Durchführungsphase ist entscheidend, da lediglich ein begrenztes Einkommen zur Verfügung steht. Aufgrund dessen spielt bei der Auswahl der benötigten Materialien die Kosten eine wichtige Rolle.

Zuständig für praktische Fragen und der Konstruktion des Gewächsmodells ist Volker Anderer. Zudem stellt Herr Anderer eine Vielzahl an Werkzeugen für das Projekt zur Verfügung.

Zusätzlich bietet die Heinrich-Hertz-Schule an, bei Bedarf Werkzeuge auszuleihen. Dadurch kann ein Großteil der Ausgaben reduziert werden. Mit Hilfe dieser Unterstützungen ist die Realisierung des Projektes möglich.

3. Projektbeschreibung

Das Ziel des Projekts ist eine optimierte Steuerung und Regelung von Gewächshäusern zu realisieren. Mit deren Unterstützung kann der Zeitaufwand zum Betreiben des Gewächshauses reduziert werden. Der Benutzer wird dadurch von jeglichen zusätzlichen Arbeiten befreit. Dabei werden verschiedenste Aspekte herausgearbeitet, die für die Inbetriebnahme eines Gewächshauses wichtig sind:

- In Abhängigkeit des aktuellen Tageslichtes, wird eine zusätzliche Beleuchtung eingeschaltet
- Öffnen und Schließen der Tür über einen Berührungssensor oder durch die Softwareapplikation
- Automatisches Öffnen und Schließen beider Fenster beim unter- bzw. Überschreiten bestimmter Grenzwerte
- Regulierung der Feuchtigkeit im Boden
- Sukzessives Überwachen des Wasserfüllstandes im Tank
- Kontinuierliche Überwachung des PH-Wertes des zugeführten Wassers
- Ansteuern eines Lüfters, für zusätzliches Ansaugen von Frischluft bei Regen

3.1 Anforderungen und gewünschte Features

Der Aufbau der Bedieneroberfläche muss für den Benutzer übersichtlich, strukturiert und einfach gestaltet sein. Daher wird viel Wert auf eine anwenderfreundliche Visualisierung gelegt.

Die wichtigsten Informationen werden kompakt und verständlich auf der Hauptseite dargestellt. Realisiert wird dies durch das Auslesen unterschiedlichster Sensoren im Gewächshaus.

Ein Großteil der Bauelemente des Modells wird abnehmbar sein. Dadurch ist es möglich, das Gewächshaus an unterschiedlichen Standorten aufzubauen. Deshalb ist bei der Realisierung des Projekts eine flexible Verbauung notwendig. Daher müssen vorrausschauende Lösungen herausgearbeitet werden. Gleichzeitig ist eine hohe Zuverlässigkeit der einzelnen Bewegungsabläufe der Motoren erforderlich, was Robustheit und Qualität voraussetzt. Fenster und Türen, welche sich automatisch öffnen und schließen lassen, müssen beständig, reibungslos und verlässlich funktionieren.

Die Versorgung der Elektronik wird so ausgelegt, dass der Anschluss über einen Computer ausreichend sein wird. Die Elektronik soll in der Lage sein, die verwendeten Aktoren präzise, kraftvoll und zuverlässig anzusteuern. Ferner ist eine geeignete Stromversorgung notwendig. Dadurch ist das System bei einer zukünftigen Erweiterung von einem Computer unabhängig.

Zu dem Aufgabenbereich der Software gehören die Programmierung einer visuellen grafischen Benutzeroberfläche, die Ansteuerung der Aktoren und das Auslesen der Sensoren.

Die Software reagiert bei verändernden Umgebungsfaktoren auf verschiedene Grenzwerte und passt sich diesen an. Dabei spielt der Wechsel von Automatik- auf Handbetrieb eine entscheidende Rolle. Dem Benutzer werden dadurch viele Freiheiten gegeben und ermöglicht die Einstellung persönlicher Präferenzen. Gleichzeitig kann ein Fehlverhalten der Steuerung entgegen gewirkt werden.

Um Zeit und Kosten einzusparen, werden fertige Komponenten gekauft und Dritte mit mechanischen Arbeiten beauftragt.

3.2 Vorgehensweise

Damit eine konstruktive und strukturierte Umsetzung der Ziele gewährleistet wird, ist das Vorhaben in drei Hauptaufgabengebiete unterteilt:

- M e chanik
- Elektronik
- Software

Dabei werden bestimmte Aufgabenbereiche den jeweiligen Kenntnissen und Fähigkeiten der Projektbeteiligten zugeteilt.

3.2.1 Mechanik

Das Grundgerüst des Gewächshausmodells wird Anfang Februar in Auftrag gegeben. Anhand einer exemplarischen Konstruktionszeichnung können alle notwendigen Details herausgelesen und umgesetzt werden. Mit Hilfe der kostenlosen Software „Sketch Up“ kann ein Technologieschema erstellt werden. Der Einbau der einzelnen Komponenten wie zum Beispiel Verteilerdosen, Schaltschrank, Sensoren und Aktoren, wird erst nach Abschluss aller elektronischen Arbeiten erfolgen.

3.2.2 Darstellung des Modells mit SketchUp

Anhand der Abbildung 1, konnen Konstruktion des Modells, Verbauung der Sensoren und Dimensionierung einzelner Komponenten bestimmt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: SketchUp Modell Gewachshaus

Die Abbildung 1 zeigt das Technologieschema des Gewachshausmodells. Dabei stellt die Zeichnung den Aufbau des Modells und die Verlegung einzelner Komponenten dar. Fenster und TOr sind in der Abbildung bewegliche Elemente.

3.2.3 Oberblick der verbauten Elektronik

Das HerzstOck der Steuerung ist der Mikrocontroller ,,Arduino Mega 2560". Ausschlaggebender Grund fOr die Auswahl des Mikrocontrollers ist die bedeutend groBere Anzahl an digitalen Eingangen gegenuber dem Arduino Uno. Das Auslesen der Sensoren und die Steuerung der Aktoren erfolgt dabei Ober den Mikrocontroller. Aile Aktoren und Sensoren sind Ober eine Leiterplatte mit dem Arduino verbunden. Das Schalten des LOfters, der Wasserpumpe und des Lichtes konnen entweder Ober ein Schaltrelais oder einer Pulsweitenmodulation (kurz PWM) realisiert werden. Da die Steuerung verschiedener Geschwindigkeiten keine Relevanz hat, wird der Einbau eines Relais realisiert.

Aktoren

Aktoren sind Antriebselemente, die über elektrische Signale mechanische Bewegungsabläufe durchführen. In dem Modell werden drei Schrittmotoren verbaut, die zuständig für das Öffnen und Schließen beider Fenster und der Tür sind. Dabei handelt es sich bei allen Motoren um die Marke Quimat des Typs Nema 17. Weitere Informationen zur genaueren Antriebsauslegung und Auswahl der gewählten Motoren wird später beschrieben.

Des Weiteren ist eine Wasserpumpe eingebaut, die für die Bewässerung der einzelnen Felder angesteuert wird.

Das verbaute LED-Band (Farbe Rot) dient sowohl der Beleuchtung bei Dunkelheit als auch zur Simulation eines Wärmelichtes.

Weiterhin ist ein Lüfter verbaut, der beim Unter- bzw. Überschreiten verschiedener Grenzwerte die Pflanzen zusätzlich mit Frischluft versorgt.

Sensoren

Bei der Auswahl der Sensoren ist es wichtig zu wissen, welche Messwerte für das Optimale Wachstum von Tomatenpflanzen ausschlaggebend sind. Sensoren für die Umgebungswerte Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Helligkeit, Bodentemperatur, Bodenfeuchtigkeit und PH-Wert werden in das Projekt integriert. Sowohl ein Regensensor als auch der Ultraschallsensor werden verbaut. Der Ultraschallsensor misst dabei den Füllstand des Wassertanks. Für das Auswerten der Bodenfeuchtigkeit und des Regensensors werden zusätzlich Treiber benötigt, die sich auf der verbauten Leiterplatte befinden. Zusätzlich wird dem Benutzer der Zugang zum Gewächshaus über einen Berührungssensor ermöglicht. Beide Fenster sowie die Tür werden jeweils mit einem Endschalter ausgestattet. Dabei kann gewährleistet werden, dass bei einem Neustart des Programmes sowohl Fenster als auch Tür geschlossen werden. Hinzukommend wird sichergestellt, dass der maximale Bewegungsradius nicht überschreiten wird. Somit wird gewährleistet, dass eine Beschädigung der Mechanik ausgeschlossen ist.

3.2.4 Überblick der Softwareprogrammierung

Zur Visualisierung wird eine Softwareapplikation unter Verwendung des Compilers „Codegear“ entwickelt. Die Visualisierung wird mit der Visual C Library (VCL) und der Programmiersprache C++ realisiert. Um eine größere Benutzerfreundlichkeit zu gewährleisten, muss bei der Erstellung der Softwareapplikation auf übersichtliche und einfache Darstellungen Wert gelegt werden.

Da Codegear standardmäßig keine Bibliothek zur seriellen Verbindung zur Verfügung stellt, muss im Vorfeld eine geeignete Lösung gefunden werden. Eine passende Alternative ist die Verwendung der kostenlosen Bibliothek von TComPort. Mit Hilfe dieser Software kann eine serielle Verbindung mit dem Mikrocontroller hergestellt werden.

Die integrierte Entwicklungsumgebung (kurz IDE für Integrated Development Environment) des Arduinos wird ebenfalls mit C++ realisiert. Für das Erstellen des Technologieschemas und der Grundstruktur des Gewächshausmodells wird eine kostenlose Software von Google namens SketchUp verwendet. Damit können exakte Zeichnungen des Modells in 3D erstellt und verwendet werden.

Bevor alles miteinander verdrahtet werden kann, muss die Zeichnung eines Schaltplans erstellt werden. Um dies zu realisieren, wird ein geeignetes Programm gesucht. Dabei werden spezielle Bauelemente wie zum Beispiel der Mikrocontroller oder die einzelnen Sensoren als Darstellung benötigt. Das im Unterricht verwendete Programm „EPlan Education“ kann nicht benutzt werden, da diese die geforderten Bauelemente nicht besitzt. Dabei erfüllen die Funktionen der Software „Fritzing“ alle Anforderungen im vollen Umfang.

Für die Erstellung des Zeitplanes wird Microsofts kostenlose Software Project 2010 benutzt. Aufgrund von bereits gesammelten Erfahrungen im Unterricht Projekt Dokumentation (kurz PD), ist die Verwendung dieses Programmes am sinnvollsten.

4. Zeitplanung

Folgender Zeitplan konnte dabei im Vorfeld erstellt werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Zeitplan

Anhand des Zeitplanes kann die Verteilung der einzelnen Aufgaben nachvollzogen werden. Dabei wird darauf geachtet, dass sich der Einsatz der Ressourcen immer im Gleichgewicht befindet. Dadurch wird ein reibungsloser und strukturierter Arbeitsablauf gewährleistet. Daraus ergibt sich eine klare Verteilung der Aufgaben.

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