Gianluca Belardinelli. La Smart Greenhouse

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1 1 Classe 5 A Candidato Gianluca Belardinelli Argomento scelto dal candidato La Smart Greenhouse

2 2 Abstract Al giorno d oggi parecchie persone partono la mattina per poi tornare la sera a casa, stanchi del lavoro, e quindi non molto motivati di svolgere attività impegnative, come ad esempio mantenere salutare una pianta. Il progetto ha come obiettivo quello di poter mantenere la pianta salutare, con l uso di sistemi appositi all automatizzazione. L unica cosa di cui preoccuparsi sarà quella di immettere l acqua nell apposito contenitore quando sarà finita. L infrastruttura è un prototipo che, con la modifica di diverse componenti nella struttura, può diventare un prodotto funzionante, adatto alla vendita nei negozi. Il progetto è stato sviluppando tenendo in considerazione che molte altre persone hanno sviluppato un idea simile, ma l obiettivo principale è stato quello di imparare a sviluppare un progetto, a partire dall idea, fino alla creazione dell oggetto finale.

3 3 Abstract The objective of this thesis is to show how it s possible, with the help of the automation, to create an ecological sustainable Greenhouse. Nowadays many people start working in the morning, to then come back home later, in the evening, tired, not willing to do demanding tasks, like keeping a plant healthy. The project has the objective to keep the plant healthy, with the help of special components that makes automation affordable to everyone. The only thing to worry about is the water, that will go into the disposal unit. The structure is still a prototype, which, with a few tweaks, will become a working product that could be sold to stores. The thesis has been developed keeping in mind that there are tons of other projects like this, but the principal objective was to learn how develop, from the idea, to the creation of the final product.

4 4 1 INTRODUZIONE PAG. 5 2 LA SMART GREENHOUSE PAG IDEA ALLA BASE... PAG PRODOTTI COLTIVABILI... PAG VANTAGGI E BENEFICI... PAG UDOO. PAG. 8 3 SVILUPPO PAG INFRASTRUTTURA HARDWARE... PAG DHT22. PAG INFRASTRUTTURA SOFTWARE... PAG APPLICATIVO ARDUINO PAG APPLICATIVO JAVA... PAG APPLICATIVO PHP... PAG STRUTTURA FISICA. PAG.16 4 CONCLUSIONE PAG PROBLEMI RISCONTRATI... PAG. 17

5 5 CAPITOLO 1 INTRODUZIONE Come pianta per l esperimento ho deciso di utilizzare il peperoncino, essendo una pianta adatta alla coltura in serra, ma che richiede delle condizioni particolari, come ad esempio una temperatura che si aggiri tra i 18 e 28 / 30, un umidità attorno al 35% e il 60%, il terriccio usato deve avere un ph (una scala di misura dell acidità o della basicità di una soluzione acquosa) attorno ai 4.5 e 6.5 e una esposizione al sole pressoché continua, visto che senza possono crescere a dismisura in altezza, e quindi rischiare di morire non riuscendo più ad immagazzinare la luce solare. Altro particolare importante è che la pianta impiega circa 75/90 giorni, in condizioni normali, a far nascere il frutto, mentre in condizioni ottimali 60. [1] Il progetto in sé gira attorno al funzionamento della serra, che fin dall antichità è stata usata per forzare la crescita di alcune piante, per la precisione dall epoca romana. Esse erano costituite da pavimentazioni riscaldate a vapore, in modo da aumentare la temperatura interna e l umidità, ed erano circondate da lastre di mica (materiale adatto all isolamento termico). Tale uso si perse col tempo, fino ad essere ripreso nel XVI secolo, allo scopo di mantenere in vita piante rare o che richiedono particolari condizioni metereologiche. Si svilupparono soprattutto in Francia, sotto il controllo di re Luigi XIV, e in Italia, già dal 1500, nei Giardini Vaticani e nell Orto Botanico dell Università di Padova Da qua si sono evolute, migliorando sempre più l abilità di conservare il calore, il sistema di irrigazione e controllo dell umidità, i materiali alla costruzione della struttura esterna e su come ottenere la massima esposizione solare. Nel XIX si è visto come questa struttura poteva essere sfruttata a scopo economico, e quindi adatta alla produzione di vegetali fuori dalle stagioni di crescita normali. Con ciò, si sono introdotte anche altri tipi di serre, composte da materiali più economici (plastica, rispetto ai costosi ferro e vetro), per poter permettere alle aziende più grandi di poter

6 6 continuare la produzione di un ortaggio, anche se si trova fuori stagione o deve essere protetto da eventuali condizioni metereologiche avverse. [2] La serra, per poter funzionare, è gestita da un controllore principale (in questo caso lo Udoo, che andrò a trattare nel capitolo successivo), che ha il compito di gestire i vari sensori che la compongono. I primi accenni storici riguardo i controllori automatici li possiamo trovare nel Regolatore Centrifugo, creato da James Watt nel 1788, e che permetteva di aprire e chiudere una valvola in Figura 1 un tempo determinato, definito dalla rotazione delle due masse a cui era collegato alla base. La storia inerente ai sistemi di controllo è soprattutto costituita da documentazioni e ricerche, che spiegano come l automatizzazione possa essere applicata in certi campi (es. aereonautico, guerra, informatico, economico e chimico). Alla base dell automazione ci sono degli ingressi e delle uscite, che possono costituire un sistema SISO (acronimo di Single Input Single Output) o un MIMO (acronimo di Multi Input Multi Output). In questo caso, il progetto è un MIMO, essendo costituito da diversi dispositivi di input che, dopo essere stati elaborati dal controllore centrale, vanno a svolgere diverse azioni definite all interno del programma. [3]

7 7 CAPITOLO 2 LA SMART GREENHOUSE A seguire sono riportate le principali idee del progetto, le quali hanno portato allo sviluppo di esso. 2.1 IDEA ALLA BASE L'idea per il progetto è nata in seguito alla necessità di dover crescere piante, di piccole dimensioni, in un ambiente ristretto, senza dover controllare continuamente lo stato di crescita di essa. Le componenti utilizzate per raggiungere tale obiettivo sono state soprattutto riciclate da vecchi progetti, con l'eccezione della pompa per l'acqua e il sensore per controllare l'umidità del terriccio della pianta. Il cuore del progetto è però lo Udoo, dev board piena di risorse, grazie ai suoi due processori integrati (un Atmel SAM3X8E, lo stesso usato dall'arduino Due, e un Freescale i.mx 6, processore usato da parecchi dispositivi moderni, come ad esempio navigatori satellitari, tablet e COSE), che permettono di svolgere le applicazioni più differenti, grazie al bus seriale UART integrato tra i due. Esempi applicativi possono essere una base meteo, una macchina radiocomandata con interfaccia video, una stampanate 3d, oppure un sistema d'allarme personalizzabile. 2.2 PRODOTTI COLTIVABILI Le possibilità sono parecchie, grazie alla grandezza della struttura, che si aggira ad 1m di altezza, e 60cm x 60cm di base. Il progetto interessa soprattutto le piante da orto, come ad esempio pomodori, zucchine, insalata, e non per quelle ingombranti, come ad esempio zucche, alberi da frutto vari o cocomeri, a causa della dimensione ristretta della base, e alla debolezza della struttura (essendo un prototipo realizzato con un budget limitato, non si è potuto prendere del legno di ottima qualità, piuttosto sono state prese delle tavole di compensato, poi assemblate con l'aiuto di un compagno di

8 8 classe). 2.3 VANTAGGI E BENEFICI Uno dei vantaggi di questo sistema è sicuramente quello che non sarà necessario curare la pianta continuamente, e che sarà semplicemente richiesto di riempire il secchio con l'acqua una volta alla settimana (ciò può variare in base alla grandezza di esso, e al bisogno d'acqua della pianta che, in questo caso, non ne richiede molta). Il beneficio sarà sicuramente quello di poter gustare dei prodotti coltivati dirattemente a casa, la cui provenienza è sicura e la freschezza è assicurata. 2.4 UDOO Il progetto si basa su una piattaforma hardware chiamata Udoo, che racchiude al suo interno un processore Freescale i.mx 6 ARM 1GHz e un microcontrollore Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3, lo stesso usato dall Arduino Due. La mia scelta di usare questa scheda deriva dal fatto che i due processori possono comunicare direttamente tra di loro, avendo una connessione seriale OTG integrata, oltre al fatto che, integrando al suo interno un Arduino Due, posso avere a disposizione oltre 76 GPIO, le quali verranno utilizzate dai vari sensori per catturare i dati che verranno poi rielaborati all interno del chip Atmel, e in seguito visualizzati a schermo da un software in PHP appositamente creato allo scopo. Come sistema operativo ho deciso di optare per quello creato dagli stessi sviluppatori della scheda, ovvero lo Udoobuntu. Oltre ad essere basato su Figura 2 lubuntu, che è una distro di Ubuntu alleggerita, grazie alla interfaccia desktop LXDE

9 9 e alle applicazioni ottimizzate, viene distribuita integrando al suo interno parecchi software utili allo sviluppo, come ad esempio l IDE per Arduino già modificato per programmare il chip Atmel direttamente dall i.mx 6, le librerie seriali per poter creare applicazioni che usino entrambi i processori, parecchi IDE adibiti allo sviluppo per diversi linguaggi di programmazione, accelerazione grafica grazie ai driver appositi del processore i.mx 6 e 1GB di Ram, per poter eseguire più processi contemporaneamente. [4] Figura 3

10 10 CAPITOLO 3 SVILUPPO In questo capitolo illustrerò come è avvenuto lo sviluppo del progetto, dalla struttura esterna, fino allo sviluppo dei software dedicati al controllo del sistema. 3.1 INFRASTRUTTURA HARDWARE L intero progetto si basa sulla piattaforma UDOO, come era stato precedentemente detto, e ad esso sono collegati diversi sensori, ognuno dei quali svolge un compito ben preciso (dal controllo della temperatura, all azionarsi della pompa per l irrigazione). La lista dei sensori è la seguente: DHT22 (sensore per la temperatura e l umidità); 4 Channel 5V Relay Module (adibito al controllo della pompa per l acqua e la lampada); Soil Moisture Detection Control Module (per controllare il livello di umidità del terriccio); Lampada CFL Basso Consumo 125w AGRO (per la crescita della pianta); Riflettore Stuco Martellato (per poter diffondere la luce all interno della serra); Submersible Water Pump (per l irrigazione della pianta) Sensore DHT22 Il DHT22 è un sensore low-cost, che permette di ricavare la temperatura e l umidità dell ambiente circostante. È composto da due sensori diversi, ovvero un sensore di umidità capacitivo (o capacitive humidity sensor) e un sensore thermistor (non esiste una parola esatta italiana, ma si riferisce ad una resistenza che diminuisce col calore), che trasmettono sullo stesso pin (il Data pin) un segnale digitale. È molto semplice da utilizzare, grazie alla grande varietà di librerie disponibili su internet, ma richiede una precisione nella lettura dei dati piuttosto precisa.

11 11 La calibrazione è effettuata in fabbrica, e i dati vengono memorizzati all interno di una memoria minuscola all interno di esso. Il sensore va alimentato a 5V, ma può funzionare anche a 3.3V. [5] Figura INFRASTRUTTURA SOFTWARE La struttura software è piuttosto elaborata, visto che l'idea del progetto è quella di permettere a colui che sta coltivando la pianta, di poter controllare il suo stato anche mentre è via di casa. Per questo si è deciso di implementare un'interfaccia web scritta in PHP, che si appoggia su un server MySQL, contenente i dati della pianta, spediti dallo Udoo al server su cui si appoggia il sito. Lo Udoo richiede una connessione alla rete continua, visto che una delle componenti software (in questo caso il programma scritto in Java, descritto nei capitoli seguenti), spedisce i dati al server esterno non appena viene letto un nuovo dato; in caso di assenza di connessione, esso continua a scrivere i dati ricevuti nel file, e non appena si collega ad internet, li spedisce subito.

12 12 Un immagine che mostra le relazioni tra i diversi sistemi può essere trovata sottostante: Figura 5 Tutto il codice relativo al progetto è disponibile su Github, nella repository dedicata, contenente il codice relativo all Arduino, Java e Php. [6] APPLICATIVO ARDUINO Il codice è stato sviluppato basandosi sugli esempi forniti dalla piattaforma Udoo ufficiale, che mostravano degli esempi su come poter eseguire la comunicazione seriale tra le diverse piattaforme. In questo caso, l'applicativo Java è stato sviluppato interamente da me, visto che il pacchetto spedito tramite seriale era strutturato in modo che la temperatura e l'umidità potessero essere riconosciute dal software in PHP più facilmente. Insieme alla comunicazione seriale, al suo interno sono presenti i diversi controlli che permettono di far accendere e spegnere le diverse periferiche al suo interno, quali la ventola per rimuovere l'umidità dalla serra, la lampada per farla crescere e la pompa dell'acqua per l'irrigazione. Grazie all'elevata potenza di calcolo del chip Atmel SAM3X8E, è possibile creare più Thread all'interno del codice, che permettono di eseguire più istruzioni contemporaneamente. Questa funzione è stata applicata all'interno del codice per poter controllare separatamente il livello d'umidità del terriccio e quindi irrigare la pianta.

13 APPLICATIVO JAVA L'applicazione Java si basa su due librerie, Java Secure Channel e Java Simple Serial Connector, che permettono di leggere i dati spediti dall'arduino alla seriale, e di caricare I file sul server esterno, attraverso il protocollo SFTP. [7] Il programma è sprovvisto di GUI, visto che il programma non dovrà mai interagire con l'utente, ma semplicemente leggere e scrivere i dati. L'unica interazione che potrà avere l'utente con questo programma saranno i valori della lettura del sensore, scritti nella porta seriale micro-usb dello Udoo. Una porzione di codice importante è la seguente: Figura 6 Come si può vedere dal codice, nella prima parte (ovvero della funzione serialevent), il programma, dopo aver controllato che la porta definita nel costruttore esiste, e che siano presenti dei dati (il minimo per poter azionare il codice per catturare tutto il traffico trasmesso in seguito), tutta la trasmissione viene letta, e nella console seriale vengono stampati i valori letti (tutto ciò per poter facilitare il debug effettuato nel corso dello sviluppo); essi, in seguito, vengono scritti in un file contenente la data e l ora della lettura (chiamato Log.txt ) e poi spediti nel server remoto, per poter essere inseriti nel database dalla pagina in PHP.

14 APPLICATIVO PHP Il sito web si basa sul framework Bootstrap, che permette di creare pagine web con un'interfaccia pulita, chiara e interattiva. L'interfaccia è stata creata attraverso il sito che permette di creare siti web in stile Lego, ovvero prendendo le diverse componenti e posizionandole nella pagina. Figura 7 Come è stato precedentemente detto, la pagina è stata scritta in PHP, per poter interagire con dei file all'interno del server, e con il database MySQL. Un esempio di interazione col server è il seguente: come si vede da figura 8, viene presa l'ultima lettura della temperatura dal database e viene visualizzata nel sito, per poter controllare sempre la temperatura, Figura 8 indipendentemente dalla pagina in cui ci si trova. Inoltre, per ovviare al fatto che la serra può essere usata per coltivare altri tipi di piante, è stata aggiunta una pagina di configurazione che, attraverso la scrittura di un

15 15 file letto in seguito dall'applicazione in PHP, permette di settare i diversi parametri che la serra deve rispettare. (Tale lato del progetto è ancora in fase di sviluppo, e probabilmente sarà scartata, a causa dei diversi problemi riscontrati durante lo sviluppo di essa). Come elemento grafico utile, è stata aggiunta una pagina per creare dei grafici con delle statistiche riguardo l'umidità e la temperatura media giornaliera. Figura 9 Come ultima funzione, per potere caricare i file sul database, è stata aggiunta una pagina che, alla lettura del file di Log spedito dallo Udoo al server, carica sul database tutto il file, e controlla se il record è già presente e, in quel caso, non aggiunge niente.

16 STRUTTURA FISICA La struttura esterna è stata realizzata comprando delle assi di legno al Brico, e senza l aiuto di un falegname esperto, per il semplice motivo che questo è un prototipo, quindi l'eventuale individuazione di errori può essere fatta senza doversi preoccupare di dover andare a ricostruire l'intera struttura. Il modello sotto riportato è il prototipo della struttura. Per la struttura esterna, si sono volute prendere delle lastre di compensato abbastanza rigido e grandi, per poter ovviare al fatto che le misure sono state fatte date dagli stessi rivenditori della lampada, adibita alla crescita della pianta. Per poter sorreggere la struttura, sono state prese 2 assi di legno da 2 metri, poi divise a metà, in assi da 1 metro l una. Per poter mantenere la rigidità e la stabilità di essa sono state aggiunte delle ulteriori assi di legno, da 1 metro ciascuna, poi divise a metà, applicate a metà della struttura. La base è costituita da una lastra di legno laminato, rinforzato alla base con un ulteriore asse di legno da 1 metro, successivamente divisa in tanti segmenti diversi, per poter dare stabilità a dove la pianta andrà sistemata e per rialzare il piano, in caso di perdite varie da parte della pompa dell acqua o di agenti esterni. Figura 10

17 17 CAPITOLO 4 CONCLUSIONE Lo sviluppo della tesina è stato di grande aiuto per imparare a gestire le diverse attività da svolgere per poter portare al conseguimento un progetto anche all infuori dell ambito scolastico. 4.1 PROBLEMI RISCONTRATI I problemi più grandi che sono stati riscontrati erano soprattutto relativi alla parte fisica del progetto. La struttura è stata costruita con un budget piuttosto limitato, quindi non si è potuto ricorrere alla costruzione della struttura, adibita al contenimento della pianta, da parte di un falegname. In seguito alla riflessione relativa a come poter creare la struttura, un mio compagno di classe, che ringrazio di cuore per il suo grande aiuto, ha proposto di aiutarmi nello sviluppo di essa, così si è deciso di comprare delle assi di legno al Brico, dove è stato possibile acquistare tutte le parti necessarie alla sua creazione. Durante lo sviluppo, mentre le diverse componenti venivano testate singolarmente, una tra le parti più importanti del progetto (ovvero la scheda contenente i diversi Relay, necessari alla gestione delle prese di corrente a cui sono collegate la lampada, la pompa per l acqua e la ventola) è stata bruciata a causa di un errore di polarità inversa (ovvero quando l uscita positiva della presa viene collegata a quella negativa e viceversa), causando il malfunzionamento di essa. L unica componente bruciata poteva essere sostituita, ma avrebbe richiesto tempo e capacità di saldatura che il sottoscritto non aveva, quindi si è semplicemente optato per la sostituzione di essa, con una nuova. L ultimo problema è stato relativo al lato software del progetto, riscontrato durante lo sviluppo del codice PHP e Java, a causa della scelta delle librerie sbagliate per il progetto (come primo prototipo di lettore del canale seriale si è usata una libreria PHP che permetteva di svolgere tale azione, ma, in seguito a diversi test, si è scoperto che poteva solamente mandare stringhe di testo tramite la seriale in modo ottimale, ma non

18 18 leggerla) e di alcuni problemi di compatibilità con le componenti (la scheda con i Relay andava scritta al contrario, ovvero al posto di scrivere 1, per impostare lo stato acceso del pin corrispondente, andava scritto 0, ovvero lo stato basso, visto che il Relay doveva essere chiuso, e non aperto, per poter condurre elettricità alla presa).

19 19 BIBLIOGRAFIA [1] Peperoncino Piccante [2] Evoluzione della serra per l orticoltura [3] Controllo automatico [4] UDOO [5] DHT22 Datasheet [6] Repository codice della tesina [7] Java Simple Serial Connection