Rettelser Note: Der skal laves software diagrammer til system arkitektur - applikationsmodel sekvens diagrammer state machines osv............................... 17 Note: Forsyningsspændinger skal have tolerancer........................ 23 Fatal: der skal indsættes resten af teknologi undersøgelserne.................. 37 Note: Scopebilleder, forklaringer osv................................ 46 Note: tilføjes til literatur liste................................... 52 Note: tilføjes til literatur liste................................... 53 Note: tilføjes til litteratur liste.................................. 53 Fatal: Alle accepttest skal rettes der er ingen af dem der passer................ 61 Note: glossary for RØD LED................................... 64 Note: glossary for GRØN LED.................................. 64 1 af 67
Automatisk Vandingssystem Projektdokumentation Aarhus Universitet Gruppe 6-3. Semester - F15 vejleder: Michael Alrøe dato: 28-05-2015 Lærke Isabella Nørregård Hansen - 201205713 - IKT Kasper Sejer Kristensen - 201370050 - IKT Kalle Rønlev Møller - 20105969 - IKT Jakob Alexander Szalontai Kristensen - 201270250 - IKT Kenn Hedegaard Eskildsen - 201370904 - E Karsten Schou Nielsen - 201370045 - E Thomas Vase - 201370359 - EP
Indhold 1 Kravspecifikation 4 1.1 Aktører.......................................... 4 1.1.1 Bruger....................................... 5 1.1.2 Tekniker...................................... 5 1.2 Use Cases......................................... 6 1.2.1 Use case 1..................................... 7 1.2.2 Use case 2..................................... 8 1.2.3 Use case 3..................................... 9 1.2.4 Use case 4..................................... 10 1.2.5 Use case 5..................................... 11 1.2.6 Use case 6..................................... 12 1.2.7 Use case 7..................................... 13 Use Case 8 - Skift vand............................. 14 Use Case 9 - Alarm............................... 14 Use Case 10 - Ugeplan.............................. 14 Use Case 11 - Udprint log............................ 14 1.3 Ikke Funktionelle Krav.................................. 15 1.4 Interface.......................................... 15 2 System Arkitektur 17 2.1 System diagrammer................................... 17 2.1.1 System Domænemodel.............................. 17 2.1.2 System BDD................................... 18 CentralControl.................................. 18 GUI........................................ 18 FlexPMS..................................... 18 Database..................................... 18 KarControl.................................... 18 Sensor Ø..................................... 18 RSConverter................................... 19 2.1.3 System Allokeringsdiagram........................... 19 2.2 CentralControl diagrammer............................... 20 2.2.1 CentralControl IBD............................... 20 2.2.2 Signalbeskrivelser CentralControl........................ 20 2.3 KarControl diagrammer................................. 21 2.3.1 KarControl BDD................................. 21 KarGruppe.................................... 21 Indløbsventil................................... 21 Afløbsventil.................................... 21 ph-sensor..................................... 21 Vandpumpe.................................... 21 Flowmåler..................................... 21 PSU........................................ 22 2.3.2 KarControl IBD................................. 22 RSIn........................................ 22 RSOut....................................... 22 1 af 67
2.3.3 KarControlForsyning IBD............................ 22 2.3.4 Signalbeskrivelser KarControl.......................... 24 2.4 Sensor Ø diagrammer.................................. 25 2.4.1 Sensor Ø BDD.................................. 25 Doseringsventil.................................. 25 Fieldsensor.................................... 25 2.4.2 Sensor Ø IBD................................... 26 2.4.3 Signalbeskrivelser Sensor Ø........................... 26 2.5 Fieldsensor diagrammer................................. 27 2.5.1 Fieldsensor BDD................................. 27 2.5.2 Signalbeskrivelser Fieldsenser.......................... 27 2.6 Jordfugt sensor diagrammer............................... 28 2.6.1 Jordfugt sensor BDD............................... 28 2.6.2 Jordfugt sensor IBD............................... 28 2.6.3 Signalbeskrivelser Jordfugtighedssensor.................... 29 2.7 ph-sensor diagrammer.................................. 30 2.7.1 ph-sensor BDD.................................. 30 2.7.2 ph-sensor IBD.................................. 30 2.7.3 Signal beskrivelser................................ 31 2.8 Ventilstyring diagrammer................................ 32 2.8.1 Ventilstyring BDD................................ 32 2.8.2 Ventilstyring IBD................................. 32 2.8.3 Signal beskrivelser................................ 33 2.9 Vandpumpestyring diagrammer............................. 34 2.9.1 Vandpumpestyring BDD............................. 34 2.9.2 Vandpumpestyring IBD............................. 34 2.9.3 Signal beskrivelser................................ 35 2.10 Teknologi undersøgelser................................. 36 2.10.1 RS485....................................... 36 2.10.2 Ventiler...................................... 36 2.10.3 Doseringspumpe................................. 37 2.10.4 Flowsensor.................................... 37 2.11 Overordnede Sekvensdiagrammer............................ 38 2.11.1 Overordnet sekvensdiagram for usecase 1 - Aflæse målinger......... 38 2.11.2 Overordnet sekvensdiagram for usecase 2 - Manuel vanding......... 38 2.11.3 Overordnet sekvensdiagram for usecase 3 - Indtast ph-værdi........ 39 2.11.4 Overordnet sekvensdiagram for usecase 4 - Indtast volumen......... 40 2.11.5 Overordnet sekvensdiagram for usecase 5 - Opret kar............. 41 2.11.6 Overordnet sekvensdiagram for usecase 6 - Slet kar.............. 42 2.11.7 Overordnet sekvensdiagram for usecase 7 - Kalibrer ph-probe........ 43 3 Hardware Arkitektur 45 3.1 RSConverter....................................... 46 3.2 Ventilstyring....................................... 47 3.2.1 MOSFET-styringskreds............................. 48 Design af styringskredsløb............................ 48 MOSFET-transistoren.......................... 48 Ground-modstanden........................... 49 Flyback-diode............................... 49 3.3 Doseringspumpe..................................... 50 3.3.1 MOSFET-styringskreds............................. 51 Design af styringskredsløb............................ 51 MOSFET-transistoren.......................... 51 Ground-modstanden........................... 52 Flyback-diode............................... 52 3.4 Design af jordfugt sensoren............................... 52 3.4.1 Kapacitiv måling................................. 52 3.4.2 Resistiv måling.................................. 53 2 af 67
3.4.3 Test og opbygning................................ 56 3.5 Design af ph-proben................................... 58 4 Accepttest 61 4.1 Test setup......................................... 61 4.2 Accepttests........................................ 61 Ordliste 66 3 af 67
Kravspecifikation Revision Ændret af Version Dato Alle 1 23-02-2015 Alle 2 19-04-2015 Tabel 1.1: Revision for Kravspecifikation 1.1 Aktører I dette afsnit beskrives aktører og deres rolle i systemet. I figur 1.1 ses aktørdiagram, som beskriver alle aktører og deres forhold til systemet Figur 1.1: AVS Aktører 4 af 67
1.1.1 Bruger Aktørnavn type: Beskrivelse: Bruger Primær Bruger er ham, som til dagligt tilgår systemet. Han ved hvor meget gødning og fugtighed planterne skal have, og angiver disse værdier i brugergrænsefladen. Det er brugeren som løbende ændrer værdierne, så systemet hele tiden er opdateret med værdier der passer til planternes vækststadier. 1.1.2 Tekniker Aktørnavn type: Beskrivelse: Tekniker Primær Tekniker er en specielt uddannet person. Han har den nødvendige viden om systemet til at kunne installere systemet fra opstart, opsætte nye vandkar mv. En Bruger kan også være tekniker. 5 af 67
1.2 Use Cases I dette afsnit ses de forskellige Use Cases. På billede 1.2 ses et Use case diagram, som viser en simpel repræsentation af bruger og teknikers interaktion med systemet og en afbildning af de forskellig Use Cases. Figur 1.2: AVS Use case diagram 6 af 67
1.2.1 Use case 1 Når bruger ønsker at aflæse målingerne, skal data aflæses via gui en. Denne use case kan kun gennemføres af en person. Use Case 1 Mål: Initieret af: Aktør: Samtidige forekomster: Prækondition: Postkondition: Aflæs målinger Bruger aflæser ønskede målinger Bruger Bruger 1 (inklusiv denne) Et fungerende system Målinger er aflæst af bruger Hovedscenario: 1. Bruger trykker på det ønskede kar i gui 2. Systemet viser et skærmbillede med oversigt over kar data. 3. Bruger aflæser de ønskede målinger. 7 af 67
1.2.2 Use case 2 I denne use case ønsker bruger at tilføre vand manuelt til planterne. Denne use case kan kun tilgås af en person. For at denne use case kan gennemføres skal der være vand i det kar der ønskes at vande fra samt at dette er tilføjet til systemet. Karet skal være koblet på mindst en sensor ø. Use Case 2 Mål: Initieret af: Manuel vanding At tilføre vand til planterne Bruger Aktør: Bruger Samtidige forekomster: 1 Prækondition: Postkonditions: Der skal være vand i det kar der ønskes at vande fra og der skal være tilkoblet mindst en sonsor ø. GUI en befinder sig i hovedmenuen Der er vand ved planterne Hovedscenario: 1. Bruger trykker på det ønskede kar i gui 2. Systemet viser et skærmbillede hvor der kan vælges manuel vanding 3. Bruger trykker på "Start manuel vanding" 4. Systemet begynder at vande 5. Når der ikke ønskes at vande længere trykker bruger på "Stop manuel vanding" 6. Systemet stopper med at vande 8 af 67
1.2.3 Use case 3 I denne use case ønsker bruger at ændre på ph-værdien i karret. Use Case Mål: Indtast ph-værdi At ændre ph-værdien på blandingen i karret Initieret af: Aktører: Bruger Primær: Bruger Samtidige forekomster: 1 Prækondition: Postkondition: Et kar er oprettet og systemet er funktionelt Systemet er opdateret med ph-værdi Hovedscenarie: 1. Bruger trykker på det ønskede kar i gui 2. Systemet viser et skærmbillede hvor det er muligt at indtaste en ph-værdi 3. Bruger trykker på feltet uden for "ph-værdi"hvor der er en angivet værdi 4. Bruger retter værdien til en ønskede ph-værdi 5. Bruger trykker på "Gem data" 6. Systemet gemmer ph-værdien 9 af 67
1.2.4 Use case 4 I denne use case vil bruger indtaste volumen på karret for at systemet kan vide hvor meget gødning, der skal doseres. Der kan også ændres på volumen i perioder, hvor der bruges lidt vand, for at undgå vandet bliver dårligt. For at use casen kan gennemføres skal teknikeren have oprettet et kar, som er tilkoblet systemet. Use Case 4 Mål: Indtast volumen Indtaste volumen på et vandkar Initieret af: Aktører: Bruger Primær: Bruger Samtidige forekomster: 1 Prækondition: Postkondition: Der er oprettet et kar i systemet og det er tilkoblet Systemet er opdateret med volumen på karret Hovedscenarie: 1. Bruger trykker på det ønskede kar i gui 2. Systemet viser et skærmbillede hvor det er muligt at indtaste en volumen 3. Bruger trykker på feltet uden for "volumen", hvor der er en angivet værdi. 4. Bruger retter værdien til en ønskede volumen i liter 5. Bruger trykker på "Gem data" 6. Systemet gemmer volumen 10 af 67
1.2.5 Use case 5 I denne use case opretter Tekniker et nyt kar. Use Case 5 Mål: Opret kar At oprette et nyt kar i systemet Initieret af: Aktører: Tekniker Primær: Tekniker Samtidige forekomster: 1 Prækondition: Ledig adresse på bussen i domæne 1 Postkondition: Der er oprettet et kar Hovedscenarie: 1. Tekniker trykker på "service"knap i gui 2. Systemet viser service menuen 3. Tekniker trykker på "Opret kar"i service menu 4. Systemet viser en menu hvor det er muligt at indtaste navn og adresse i et nyt kar 5. Tekniker indtaster navn i navnefeltet 6. Tekniker indtaster adresse i adressefeltet 7. Tekniker trykker "Opret kar" 8. Systemet opretter det nye kar og sender Teknikeren til forsiden 9. Det nye kar forekommer nu i hoved menuen 11 af 67
1.2.6 Use case 6 I denne use case sletter Tekniker et kar. Use Case 6 Mål: Slet kar At slette et kar i systemet Initieret af: Aktører: Tekniker Primær: Tekniker Samtidige forekomster: 1 Prækondition: Postkondition: Der er oprettet et kar i systemet Der er slettet et kar Hovedscenarie: 1. Systemet viser en liste over oprettede kar, med en slet knap uden for hvert kar. 2. Tekniker trykker på slet ud for det kar han ønsker at slette 3. Systemet spørger om Teknikeren er sikker i en dialog 4. Tekniker trykker "Ok" 5. Systemet sletter karet 6. Systemet returnerer Tekniker til listen over oprettede kar 12 af 67
1.2.7 Use case 7 I denne use case kalibreres ph-proben, som er tilsluttet et kar. Dette skal gøres en gang hver måned samt ved oprettelse af et kar. Systemet viser selv en advarsel på forsiden med, at proben skal kalibreres, og viser hvilket kar den hører til. Use Case 7 Mål: Kalibrer ph-probe At kalibrere en ph-probe Initieret af: Aktører: Tekniker Primær: Tekniker Samtidige forekomster: 1 Prækondition: Postkondition: Systemet fremviser en advarsel med, at en ph-probe skal kalibreres. En rød LED lyser på styringen tilhørende phproben. Teknikeren er i besiddelse af buffer-væske med en ph-værdi på henholdsvis 4 og 7 ph-proben er kalibreret og en grøn LED lyser på styringen tilhørende ph-proben Hovedscenarie: 1. Tekniker holder trykknappen "Kalibrer"nede i 5 sekunder eller mere på styringen tilhørende ph-proben 2. Rød LED på styringen til ph-proben blinker i et interval på 250ms 3. Tekniker tager probe ud af karet og sætter den i buffer-væske med en ph-værdi på 7 4. Tekniker venter i 5-10 minutter 5. Tekniker trykker på knappen "ph7"på styringen til ph-proben 6. Styringen til ph-proben indlæser værdien fra proben 7. Tekniker sætter proben i buffer-væske med en ph-værdi på 4 8. Tekniker venter i 5-10 minutter 9. Tekniker trykker på knappen "ph4"på styringen til ph-proben 10. Styringen til ph-proben indlæser værdien fra proben 11. Styringen til ph-proben giver besked til systemet om at proben er kalibreret 12. Styringen til ph-proben slukker for rød LED og tænder grøn LED 13. Systemet fjerner advarslen om at proben skal kalibrers 13 af 67
Use Case 8 - Skift vand I denne use case skal bruger/tekniker skifte vand i vandkaret. Dette kan skyldes at der skal tilsættes nyt gødning. Use Case 9 - Alarm Ved brugerdefineret grænseværdier (jordfugtighed og ph-værdi), afgiver systemet en alarm, f.eks. via. e-mail. Use Case 10 - Ugeplan I denne use case får bruger mulighed for at indtaste en ugeplan for styring af dosering af gødning og vand til gromediet i løbet af ugen. Use Case 11 - Udprint log Bruger kan få udprintet en log over de hændelser der er forekommet i systemet, bla. sensordata og dosering af vand. 14 af 67
1.3 Ikke Funktionelle Krav Brugervenlighed: Skal være intuitivt og let at opererer for udefrakommende: Der forudsættes en fungerende standard PC med Windows inkl. Explore/Chrome /Firefox som browser Systemet skal kunne tilgås igennem en normal webbrowser: Her menes Explorer / Google Chrome / Firefox Systemet skal kunne tilgås over lokalt netværk samt over www Her forudsættes en fungerende internetopkobling og evt. lokalt netværk Systembetingelser: Systemet skal kunne fungere stabilt i temperaturintervallet (1-45 C) Systemet skal kunne fungere stabilt under en absolut luftfugtighed på op til 50% Systemet skal være let at vedligeholde på daglig basis Systemets reservedele skal være lette at udskifte og skaffe. Ydelse: Systemet skal kunne fylde vandkarret på max. 2 min. Systemet skal kunne tømme vandkarret på max. 2 min. Systemet skal kunne dosere vand til gromediet med min 0,5 / max 2 liter/min. Systemet skal kunne dosere gødning til karret på max. 30 sek. 1.4 Interface Interfacet (gui en) kan tilgås via en webbrowser som med udgangspunkt ligner Figur 1.3 og 1.4. Figur 1.3: AVS Interface - home På Figur 1.3 kan brugeren se en liste over de kar der er oprettet, hvor de forskellige kar kan tilgås hvis brugeren klikker på det ønskede kar. Under service har teknikeren mulighed for at oprette et kar, hvor han indtaster adresse, navn og derefter trykker opret kar. hvorefter karet kommer frem på listen over kar. ydermere er der en delete og edit knap uden for hvert kar så teknikeren har mulighed for at slette et kar eller redigerer navnet. 15 af 67
Når brugeren trykker på et kar tilgår han/hun et interface for karet, som kan ses på Figur 1.4. Figur 1.4: AVS Interface - kar I feltet øverste til venstre er der mulighed for manuel vanding, hvor brugeren trykker på start når han/hun vil starte den manuelle vanding. For at stoppe den manuelle vanding trykke på bruger på stop. I feltet øverst til højre har brugeren mulighed for at indtaste de ønskede data og aflæse de data der kommer fra de forskellige sensor. I det nederste felt kan der ses en liste over Sensor Øerne hvor brugeren kan aflæse de data der kommer fra de forskellige sensor. 16 af 67
System Arkitektur Revision Ændret af Version Dato Alle 0.1 17-03-2015 Tabel 2.1: Revision for System Arkitektur 2.1 System diagrammer 1 2.1.1 System Domænemodel Figur 2.1: Domænemodel af AVS 1 FiXme Note: Der skal laves software diagrammer til system arkitektur - applikationsmodel sekvens diagrammer state machines osv. 17 af 67
2.1.2 System BDD Figur 2.2: Block Definition Diagram af AVS CentralControl CentralControl er systemets centrale computer. Det er gennem dette delsystem, at brugerens interaktion bliver behandlet og formidlet videre til andre delsystemer. CentralControl driver en webserver med dertilhørende web-applikation (GUI), som tillader brugeren at interagere med systemet gennem sin web-browser. Webserveren kommunikerer med et stykke centralt software, FlexPMS. GUI GUI er den brugergrænseflade, som brugeren kan tilgå systemet gennem. FlexPMS FlexPMS (Flexible Plant Management System) softwaren er bindeleddet mellem GUI og de andre delsystemer. FlexPMS afvikles konstant på CentralControl, og håndterer at sende kommandoer til og opsamle data fra KarControl. FlexPMS kommunikerer med de andre delsystemer gennem enhedsdrivers, som er udviklet til og installeret på CentralControl. Database Databasen gemmer alle indstiller lavet af brugeren gennem GUI. KarControl KarControl er en styring, som formidler og håndterer al datakommunikation og kommandoer relateret til ét kar. KarControl formidler kommandoer sendt fra CentralControl videre til hardware koblet på det pågældende kar (f.eks. at åbne og lukke for ventiler), samt formidler måledata fra sensorer tilbage til CentralControl. KarControl ved hvilken ph-værdi karret skal have, samt hvilken koncentration af gødning og jordfugtighed planterne, der er tilkoblet karret, skal have. KarControl sørger selv for, at vedligeholde disse værdier. CentralControl giver KarControl besked, når der foretages ændringer af disse værdier. Sensor Ø Sensor Ø er giver mulighed for at måle (f.eks. jordfugtighed) over et større areal ved, at Sensor Ø erne spredes over området, hvor planterne gror, og har hver især tilsluttet sensorer. Dermed kan man måle jordfugtighed lokalt for området omkring Sensor Ø en og styre vandtilførslen specifikt for planterne, som står i området. 18 af 67
RSConverter RSConverter konverterer mellem RS485 og UART 232. 2.1.3 System Allokeringsdiagram Figur 2.3: Allokeringsdiagram af AVS 19 af 67
2.2 CentralControl diagrammer 2.2.1 CentralControl IBD Figur 2.4: Internal Block Diagram af CentralControl 2.2.2 Signalbeskrivelser CentralControl Signal beskrivelser Navn Definition Område Kommentar KarBus Data485 RS485 bus til kommunikation mellem enheder RS485 bus til kommunikation mellem enheder Data232 RS485 konverteret til UART 232 logisk 0-5V PMSConn Database forbindelse intern SW forbindelse GUIConn Database forbindelse intern SW forbindelse ControlConn Socket forbindelse fra GUI til FlexPMS Differentielt bussystem, følger CMOSstandard logisk 0-5V Internt signal, følger CMOSstandard logisk 0-5V Signal efter konvertering, følger CMOS-standard intern SW forbindelse html Http protokol intern SW forbindelse Tabel 2.2: Signal beskrivelser for CentralControl Til at skrive log Til at hente og skrive indstillinger samt log Til at sende kommandoer fra GUI til FlexPMS Forbindelse til brugerens browser 20 af 67
2.3 KarControl diagrammer 2.3.1 KarControl BDD Figur 2.5: Block Definition Diagram af KarControl KarGruppe KarGruppe er den overordnede betegnelse for et vandkar med tilførende ph-værdi og gødningskoncentration. KarGruppen består af diverse sensorer og aktuatorer, og styrer et vilkårligt antal Sensor Ø er. KarGruppen er styret af en controller, KarControl. Indløbsventil Indløbsventilen åbner og lukker for vandtilføjelsen til karret. Den bruges i forbindelse med, at der skal fyldes vand på karret. Det antages, at indløbsventilen er tilsluttet en vandforsyning, som altid er åben. Afløbsventil Afløbsventilen åbner og lukker for, at vand kan løbe ud af karret. Den bruges i forbindelse med, at karret skal tømmes. ph-sensor ph-sensoren målet ph-værdien af gødningsblandingen i karret. Vandpumpe Vandpumpen pumper vand fra karret ud til Sensor Ø erne. Flowmåler Flowmåleren måler mængden af vand, som tilføres karret gennem Indløbsventilen. 21 af 67
PSU PSU (Power Supply Unit) forsyner de andre blokke med 12V og 5V. 2.3.2 KarControl IBD Figur 2.6: Internal Block Diagram af KarControl RSIn RSConverter konverterer mellem RS485 og UART 232 når der skal kommunikeres med CentralControl. RSOut RSConverter konverterer mellem RS485 og UART 232 når der skal kommunikeres med Sensor Ø er. 2.3.3 KarControlForsyning IBD Der er lavet et separat forsynings IBD som viser forbindelserne fra blokken PSU til resten af blokkene og omverdenen. 22 af 67
Figur 2.7: IBD over forsyningsforbindelser til KarControl 2 2 FiXme Note: Forsyningsspændinger skal have tolerancer 23 af 67
2.3.4 Signalbeskrivelser KarControl Signal beskrivelser Navn Definition Område Kommentar KarBus OeBus Data485 Data232 EnableIndløb EnableAfløb RS485 bus til kommunikation mellem enheder RS485 bus til kommunikation mellem enheder RS485 bus til kommunikation mellem enheder RS485 konverteret til logisk niveau Signal til at lukke vand ind i kar Signal til at lukke vand ud af kar EnableVandpumpeSignal til styring af vandpumpe Puls Takttæller af flow 0-5V ph Analog signal fra ph måler Differentielt bussystem Differentielt bussystem internt signal Signal efter konvertering 0-5V Signal til at styre magnetventil 0-5V Signal til at styre magnetventil 0-5V PWM styret signal fra -420 til 420 mv Analogt signal Indløb vandstyring i kar Til at lukke vand ind i kar Afløb vandstyring i kar Til at lukke vand ud af kar Dossering vandstyring til planter Til at dosere vand til planterne 230V El-nettet som forsyner PSU 12V 5V Forsyning til pumper og ventiler Forsyning til systemets logiske kredsløb 230V 12V 5V Tabel 2.3: Signal beskrivelser for KarControl 24 af 67
2.4 Sensor Ø diagrammer 2.4.1 Sensor Ø BDD Figur 2.8: Block Definition Diagram af Sensor Ø Sensor Ø Control Sensor Ø Control tager imod kommandoer fra KarControl, som instruerer omkring åbning og lukning af Doseringsventil. KarControl anmoder også om, at Sensor Ø Control skal sende måledata fra sensors, som er tilkoblet Sensor Ø en. Doseringsventil Doseringsventilen åbner og lukker for vandtilførslen til planterne i området omkring Sensor Ø en, som Doseringsventilen er tilkoblet. Når KarControl tænder for Vandpumpen kan de enkelte Sensor Ø ers Doseringsventiler være åbne eller lukkede alt efter, om planterne omkring Sensor Ø en har brug for vand. Fieldsensor Fieldsensor er en generalisering af alle slags sensorer, som kan tilsluttes Sensor Ø en. Vilkårligt mange sensorer kan tilkobles en bus, og kommunikere med Sensor Ø Control gennem en standardiseret protokol. Sensor kan kun aflevere målinger når de bliver bedt om at levere dem. 25 af 67
2.4.2 Sensor Ø IBD Figur 2.9: Internal Block Diagram af Sensor Ø 2.4.3 Signalbeskrivelser Sensor Ø Signal beskrivelser Navn Definition Område Kommentar oedata Buskommunikation efter konvertering fra 485 oebus RS485 bus til kommunikation mellem enheder Intern:SW-signal Konverteret signal fra RSconverter til Sensor Ø Controller Binary 1 (OFF) (Voa-Vob<-200 mv) Binary 0 (ON) (Voa-Vob>+200 mv) Differentielt bussystem sensordata I2C bussignal Logisk: 0-5V Kommunikation fra sensorer til Sensor Ø ventilctrl Signal til styring af doserings ventil Logisk: 0-5V Signal til styring af Doseringsventil vand Vandflow fra Karret Vandflow Vandtilførsel til doseringsventil Tabel 2.4: Signal beskrivelser for Sensor Ø 26 af 67
2.5 Fieldsensor diagrammer 2.5.1 Fieldsensor BDD Dette er vores modellibrary af de sensorer der matcher Fieldsensor specifikationerne Figur 2.10: Block Definition Diagram af Fieldsensor 2.5.2 Signalbeskrivelser Fieldsenser Signal beskrivelser Navn Definition Område Kommentar sensordata I2C kommunikation Logisk: 0-5V Kommunikation fra sensorer til Fieldsensor Tabel 2.5: Signal beskrivelser for Fieldsensor 27 af 67
2.6 Jordfugt sensor diagrammer Jordfugt sensoren måler en strøm igennem jorden. Denne strøm vil variere med hensyn til fugtigheden som derfor vil resultere i en spændingsændring på indgangen af analog til digital konverteren. Denne spænding bruges til at udregne fugtigheden i procent 2.6.1 Jordfugt sensor BDD Figur 2.11: Block Definition Diagram af Jordfugt sensor 2.6.2 Jordfugt sensor IBD Figur 2.12: Internal Block Diagram af Jordfugt sensor 28 af 67
2.6.3 Signalbeskrivelser Jordfugtighedssensor Signal beskrivelser Navn Definition Område Kommentar Målespænding Spændingsforskel Differential spænding skab af fugtighed i jorden DataADC ADC-konverteret målespænding Logisk: 0-5V Digitalt konverteret målesignal DataI2C I2C kommunikation Logisk: 0-5V Kommunikation fra Jordfugtighedsmåler til Fieldsensor Tabel 2.6: Signal beskrivelser for Jordfugt sensor 29 af 67
2.7 ph-sensor diagrammer Til ph måling har vi bygget vores egen sensor ved hjælp af en ph-probe. 2.7.1 ph-sensor BDD I forhold til signaler er proben ret nem at have med at gøre da den selv producere en spænding i forhold til den væske der måles på ph værdi. Figur 2.13: Block Definition Diagram af ph-sensor 2.7.2 ph-sensor IBD Igen ses simpliciteten da ph proben bare interagere med kemikalium og herefter producere en spænding. Figur 2.14: Internal Block Diagram af ph-sensor 30 af 67
2.7.3 Signal beskrivelser Signal beskrivelser Navn Definition Område Kommentar phvalue Analogt signal fra phmåler Analog:-420mV- 420mV Den målte Spændingsforskel i proben Gødningsmix Gødningsmix i kar ph-værdi: 6-8 ph-værdi af gødningsmix i karret Tabel 2.7: Signal beskrivelser for ph-sensor 31 af 67
2.8 Ventilstyring diagrammer Da vi bruger ventiler flere steder i systemet er dette en general beskrivelse af dem. 2.8.1 Ventilstyring BDD Her under ses et diagram over den generalle opbygning af ventil styringen denne gør sig gældende for alle ventilerne i systemet Figur 2.15: Block Definition Diagram af Ventilstyring 2.8.2 Ventilstyring IBD Her ses så de interne forbindelser i Ventilstyringen Figur 2.16: Internal Block Diagram af Ventilstyring 32 af 67
2.8.3 Signal beskrivelser Signal beskrivelser Navn Definition Område Kommentar cv Vand On/Off signal til Mosfet kredsløbet Vand der flyder gennem ventilen Tabel 2.8: Signal beskrivelser for Ventilstyring Analog: 0-5V Styringssignal til Ventilstyring Vand der flyder til- /fra karret 33 af 67
2.9 Vandpumpestyring diagrammer Vi bruger en vandpumpe på alle vores kar. 2.9.1 Vandpumpestyring BDD Her under ses et diagram over den generalle opbygning af vandpumpe styringen denne gør sig gældende for alle vandpumper i systemet Figur 2.17: Block Definition Diagram af Vandpumpestyring 2.9.2 Vandpumpestyring IBD Her ses så de interne forbindelser i Vandpumpestyringen Figur 2.18: Internal Block Diagram af Vandpumpestyring 34 af 67
2.9.3 Signal beskrivelser Signal beskrivelser Navn Definition Område Kommentar cv Pwm signal til Mosfet kredsløbet vand Vand der flyder gennem Vandpumpen 0-5V Bestemmer om Vandpumpen roterer 0-17l/min Bestemmer mængden af vand til dosering Tabel 2.9: Signal beskrivelser for Vandpumpestyring 35 af 67
2.10 Teknologi undersøgelser 2.10.1 RS485 Kommunikationen som foregår i systemet imellem brugerinterfacet (Devkit 8000), KarControl (PSoC 4) og de enkelte forgreninger (PSoC 4) skal kunne kommunikere over længere afstande. De allerede kendte busser, SPI og I2C, har begge en maksimal rækkevidde på 1,5m. Vi har derfor været nødsaget til at finde et bedre alternativ. Problemet over længere afstande kan være: Kapacitet i ledningerne Støj fra omkringliggende elektronik For at løse disse problemer, har vi undersøgt RS485-kommunikation. RS485 er en standard som definerer de elektriske karakteristika af sendere og modtagere på en differentiel bus. Ved 2 ledninger kan man opnå half-duplex, og ved 4 ledninger kan man opnå full duplex. Ledningerne i bussen skal være parsnoede. Ved afstande helt op til 1200m, er det muligt at køre med hastigheder på op til 100kbit/s. RS485 er en udbygning af RS422, hvor man har muligheden for at vælge hvorvidt det er input- eller output-driverne som er aktive. Den fysiske konfiguration af bussen skal forbindes som én linje. Dvs. at man kan f.eks. ikke parallel-forbinde 5 enheder direkte til en master, de skal derimod serieforbindes. Bussen termineres i begge ender, med en modstand som svarer til kablernes egen modstand, normalt 120ohm for parsnoede kabler, imellem de 2 bus-forbindelser. Man vil gerne opnå at masteren er centreret i bussen, og at termineringsmodstandene derved er på 2 slaver. Ved at gøre dette, vil afstanden fra masteren til slaverne være så lille som mulig, og derved vil signal-styrken være bedst. RS485 er KUN en elektrisk definition af bussen, og ikke en kommunikationsprotokol. Dette giver mulighed for at skrive sin egen protokol. Standarden anbefaler dog, at man bruger kommunikationsprotokollen TSB-89. 2.10.2 Ventiler Følgende krav er opstillet for indløb- og afløbsventil, samt doseringsventilerne 1. Tolerance for Vandtryk: Skal kunne klare min. 2 bar 2. Forsyningsspænding: Skal kunne benytte 12V DC 3. Tolerance for Temp: Skal kunne operere ved 45 C 4. Flow-regulering: Skal kunne levere min. 0.5 liter/min Det vigtigste krav til indløb- og afløb- og doseringsventilerne er, at de bør være rated til at kunne klare de tryk, der påhviler dem. For indløbsventilen gælder følgende grænseflader: 1. Vandtilførsel udefra 2. Vandkaret: Her bør opmærksomheden primært henledes på vandtrykket udefra. Der tages udgangspunkt i den alm. Vandhane, her i er vandtrykket som standard på omkring 2 bar. Derfor skal den ventil der vælges som min. kunne klare et tryk 2 bar. For afløbsventilen gælder følgende grænseflade: 1. Vandkaret: 2. Afløb: Her bør opmærksomheden henledes på trykket i vandkaret, som her maksimalt kan være på 1 bar, afløbet bidrager ikke med noget tryk og kan ignoreres. For doseringsventilen gælder følgende grænseflade For afløbsventilen gælder følgende grænseflade: 1. Vandtryk i doseringsslange: 2. Udløb: 36 af 67
Her bør opmærksomheden henledes på trykket i doseringsslangen, dette skabes af doseringspumpen og kan max være på 2 bar, udløbet bidrager ikke med noget tryk og kan ignoreres. Der blev undersøgt flere typer ventiler i forhold til de ovenstående krav, og det blev besluttet at benytte en magnet-ventil til opgaven. Dette blev primært besluttet på baggrund af styringsmetoden af en magnetventil, denne passer til designet at systemet. Den valgte model blev: Hydraelectric Magnetventil, 2 Porte, NC, 12 V dc, 1/2tommer. Datablad for den findes under Datablade. 2.10.3 Doseringspumpe Følgende krav er opstillet for doseringspumpen. 1. Tolerance for Vandtryk: Skal kunne klare min. 2 bar 2. Forsyningsspænding: Skal kunne benytte 12V DC 3. Tolerance for Temp: Skal kunne operere ved 45 C 4. Flow-regulering: Skal kunne levere min. 0.5 liter/min Her bør opmærksomheden primært henledes på vandtrykket der kan opstå i slangen, imellem doseringspumpen og doseringsventilerne, hvis ingen af disse ikke er åbne når pumpen tændes. Dette problem vil praktisk blive løst software-wise, således at det ikke er muligt at tænde for pumpen med mindre at min. Én af de tilkoblede ventiler er åbne. Der blev undersøgt flere typer pumper i forhold til de ovenstående krav, og det blev besluttet at benytte en inline pumpe til opgaven. Dette blev primært besluttet på baggrund af dens performance og forsyning, denne passer til designet at systemet. Den valgte model blev: Biltema inline Pump, 17l/min, DC12V, 3A, Datablad for den findes under Datablade. 2.10.4 Flowsensor Følgende krav er opstillet for flowsensoren 1. Tolerance for Vandtryk: Skal kunne klare min. 2 bar 2. Forsyningsspænding: Skal kunne benytte 12V DC Det vigtigste krav til flowsensoren er, at den bør være rated til at kunne klare det tryk, der påhviler den. For flowsensoren gælder følgende grænseflader: 1. Vandtilførsel udefra 2. Vandkaret: Her bør opmærksomheden primært henledes på vandtrykket udefra. Der tages udgangspunkt i den alm. Vandhane, her i er vandtrykket som standard på omkring 2 bar. Derfor skal den ventil der vælges som min. kunne klare et tryk 2 bar. For afløbsventilen gælder følgende grænseflade: 1. Vandkaret: 2. Afløb: Her bør opmærksomheden primært henledes på vandtrykket udefra. Der tages udgangspunkt i den alm. Vandhane, her i er vandtrykket som standard på omkring 2 bar. Derfor skal den flowsensor der vælges som min. kunne klare et tryk 2 bar. Der blev undersøgt flere typer ventiler i forhold til de ovenstående krav, og det blev besluttet at benytte en YF-S201 Hall Effekt flow sesnor. Dette blev primært besluttet på baggrund af måden hvorpå den afgiver sine målinger, dette passer til designet at resten systemet. Den valgte model blev: Sea, 2 Porte, YF-S201 Hall Effekt flowsensor, 12v DC, 1/2tommer. Datablad for den findes under Datablade. 3 3 FiXme Fatal: der skal indsættes resten af teknologi undersøgelserne 37 af 67
2.11 Overordnede Sekvensdiagrammer Her ses overordnede sekvensdiagrammer for hver usecase, de har til formål at give et overblik over systemets funktionalitet. Her overskueliggøres systemmet og dets interaktion med andre aktører, samt den fysiske verden. Diagrammerne er ment som overordnede guidlines, hvorfor at metodekaldende ikke er specifikke kald men pseudo-metode-kald. 2.11.1 Overordnet sekvensdiagram for usecase 1 - Aflæse målinger På diagrammet ses interaktion mellem System og Bruger for usecase 1 - Aflæse målinger. Systemarkitektur/OverordnedeSekvensdiagrammer/sd_UC1.PNG Figur 2.19: sd - Usecase 1 2.11.2 Overordnet sekvensdiagram for usecase 2 - Manuel vanding På diagrammet ses interaktion mellem System og Bruger for usecase 2 - Manuel vanding. 38 af 67
Systemarkitektur/OverordnedeSekvensdiagrammer/sd_UC2.PNG Figur 2.20: sd - Usecase 2 2.11.3 Overordnet sekvensdiagram for usecase 3 - Indtast ph-værdi På diagrammet ses interaktion mellem System og Bruger for usecase 3 - Indtast ph-værdi. 39 af 67
Systemarkitektur/OverordnedeSekvensdiagrammer/sd_UC3.PNG Figur 2.21: sd - Usecase 3 2.11.4 Overordnet sekvensdiagram for usecase 4 - Indtast volumen på diagrammet ses interaktion mellem System og Bruger for usecase 4 - Indtast volumen. 40 af 67
Systemarkitektur/OverordnedeSekvensdiagrammer/sd_UC4.PNG Figur 2.22: sd - Usecase 4 2.11.5 Overordnet sekvensdiagram for usecase 5 - Opret kar På diagrammet ses interaktion mellem System og Tekniker for usecase 5 - Opret kar. 41 af 67
Systemarkitektur/OverordnedeSekvensdiagrammer/sd_UC5.PNG Figur 2.23: sd - Usecase 5 2.11.6 Overordnet sekvensdiagram for usecase 6 - Slet kar På diagrammet ses interaktion mellem System og Tekniker for usecase 6 - Slet kar. 42 af 67
Systemarkitektur/OverordnedeSekvensdiagrammer/sd_UC6.PNG Figur 2.24: sd - Usecase 6 2.11.7 Overordnet sekvensdiagram for usecase 7 - Kalibrer ph-probe På diagrammet ses interaktion mellem System og Tekniker for usecase 7 - Kalibrer ph-probe. 43 af 67
Systemarkitektur/OverordnedeSekvensdiagrammer/sd_UC7.PNG Figur 2.25: sd - Usecase 7 44 af 67
Hardware Arkitektur Revision Ændret af Version Dato??? 1.0??? KE 1.1 20150331 KE 1.2 20150403 KM 1.3 20150412 Tabel 3.1: Revision for Hardware Arkitektur 45 af 67
3.1 RSConverter RS485-bussen er valgt til at kommunikere på, se hvorfor i teknologiundersøgelsen. Til dette formål er udformet et simpelt kredsløb vha. MAX3082. Det logiske 0-5V UART-signal fra PSoC 4 konverteres til et differentielt signal, som kører ud på bussen, og vice versa. Figur 3.1: RS485 converter 1 1 FiXme Note: Scopebilleder, forklaringer osv. 46 af 67
3.2 Ventilstyring Til styring af indløb til / afløb fra vandkaret anvendes 2 Hydraelectric Magnetventiler med tilhørende MOSFET-styringskredse. En magnetventil virker ved at det interne relæ bliver aktiveret når der påtrykkes en DC-spænding, evt. i form af et PWM-signal, hvor ved gennemstrømningen kan reguleres, når dette sker åbnes der for gennemgang i ventilen. I det interne relæ sidder en spole, og spolens viklinger medfører en ohmsk modstand. Når der påtrykkes en spænding skabes et magnetfelt omkring spolen, dette felt holder ventilen åben. Når ventilen ønskes lukket, afbrydes spændingen. Dette skaber en problematik hvor strømmen igennem spolen ikke kan ændre sig på samme hurtige måde aom spændingen. Da den fysiske forbindelse til spolen er afbrudt vil spolen selv inducere en modsatrettet spænding for at komme af med strømmen. Dette er et problem da så høje spændinger potentielt er skadeligt for tilkoblede komponenter, men som løsning implementeres en flyback diode parallelt med spolen i reverse bias-konfiguration, derved har strømmen en løbebane, og spolen forhindres i at inducere den høje spænding. Den implementerede kontrolkreds ses på figur 3.8 på side 48. I databladet er oplyst at ventilen benytter 12V, afgiver 6W, dette giver et beregnet strømforbrug på 500mA, se beregning herunder: P = 6V A V = 12V I = P V (??) = 500mA Figur 3.2: Beregning af strømforbrug i magnetventil Strømforbruget er realiseret i laboratoriet til: XXXX ma hvilket fint stemmer overens med den beregnede værdi. Derudover er den interne modstand beregnet til: V = 12V I = 500mA R = V I = 24Ω Figur 3.3: Beregning af indre modstand Modstanden er ligeledes målt i laboratoriet til XXX Ω, hvilket der stemmer fint overens med den beregnede værdi. Styringskredsen skal på baggrund af dette designes til at håndtere en strøm på 500mA, og en spænding på 12V. 47 af 67
3.2.1 MOSFET-styringskreds Til styringslkredsen er valgt at benytte en N-channel IRLZ44Z-MOSFET transistor i commonsource-konfiguration. Denne type transistor er logic-level kompatibel, og har spænding/strømgrænseværdier der opfylder ovenstående krav. Logic-level kompatible betyder at V GS(th) < 5V og derved kan MOSFET en, alene drives fra en MCU, her en PSoC. V GS(th) er den threshold-spænding hvor transistoren går on. Det ses af grafen på figur 3.11, at MOSFET en ved en V GS = 5V, (ved T J = 25) tillader en strøm på 100A, dette er mere end rigeligt til opgaven. Figur 3.4: Datablad: Gate to Source voltage, fra databladets (Fig. 3, s.3) Ydermere kan det være interessant at se på hvor varm transistoren bliver under operation. Herved kan det udledes om der behøves ekstern køling eks. i form af en heat-sink. Følgende værdier hentet fra databladet: Drain to Source modstand: Strøm der trækkes af af relæet: Junction-to-Ambient modstand: Max junction temp: Ambient temp: R DS = 11mω I = 500mA R θja = 62C/W T emp jun = 175C T emp amb = 25C Figur 3.5: Værdier hentet fra datablad Til beregningen benyttes formlen for afsat effekt: P afsat = R DS I 2 = 2.75mW Figur 3.6: Afsat effekt i MOSFET Her ses det at under operation af ventilen afgiver transistoren 2,75 mw i varme. Ydermere noteres det, at den maksimale effekt der kan afsættes uden at der behøves heat-sink er beregnet til 447.561mW. T emp max = (T emp jun T emp amb ) R θja = 447.561mW Figur 3.7: Max Temperatur uden heat-sink Da der kun afsættes 2,75mW ved operation, er der ingen grund til at implementerer en heat-sink. Design af styringskredsløb På figur 3.8, ses MOSFET-styringskredsløb, PSoC ens 0 og 1 er her simuleret ved en frekvensgenerator med tilpas lav frekvens. Figur 3.8: Styringskredsløb til magnetventil MOSFET-transistoren Transistoren implementeres i common-source-konfiguration, for at et positivt signal på GATE åbner transistoren, og da den er en logic level model, stammer signalet direkte fra PSoCen. 48 af 67
Ground-modstanden Der implementeres en modstand R 1 fra Gate til GND for at transistoren forbliver lukket (Gate trækkes til GND) hvis indgangssignalet til Gate afbrydes, dermed undgås det at GATE-signalet flyver og transistoren potentielt kan stå og switche on/off hvis GATE afbrydes. R 1 implementeres med en 10kΩs modstand, og virker som en standard pull down resistor. Flyback-diode Derudover implementere der, som førnævnt en flyback diode, for at give strømmen en løbebane når relæet afbrydes. På denne måde indgås den høje V peak som spolen eller ville inducere, når der lukkes af for strømmen ændres monumentalt. Typen af diode, vælges ud fra følgende parametre: Hvilken strøm vil løbe i dioden Hvilken Peak-spænding vil være over dioden Diode-strøm Strømmen der vil løbe i dioden er givet fra databladet til 3A, derved skal den valgte diode kunne klare at lede max 3A, dette sker i forhold til spolens tidskonstant, τ, hvor efter strømmen vil falde i løbet af 5τ. Peak-spænding Peak-spændingen fra spolen beregnes på følgende måde: MANGLER!!!!! På baggrund af disse 2 værdier, vælges 1N4007, denne diode er, ifølge databladet i stand til at klare 1kVp, og 30A. Dette er tilstrækkeligt i denne situation. 49 af 67
3.3 Doseringspumpe Til styring af dosering fra karret, anvendes en 12V inline pumpe med tilhørende MOSFETstyringskreds. Doseringspumpen virker ved at der påtrykkes en DC-middelspænding i form af et PWM-signal, herved kan styrken reguleres ved at justere dutycycle på PWM-signalet. Den implementerede styringskreds ses på figur 3.15 på side 51, her forklares kredsløbet yderligere. I databladet er opgivet at pumpen benytter 12V, og trækker 3A, dette giver en beregnet afsat effekt på 36W, se beregning herunder: I = 3A V = 12V P = I V = 36W Figur 3.9: Beregning af effekt i doseringspumpen Den reelle afsatte effekt er realiseret i laboratoriet til: XXXX W, hvilket fint stemmer overens med den beregnede værdi. Derudover er den interne modstand beregnet til: V = 12V I = 3A R = V I = 4Ω Figur 3.10: Beregning af indre modstand Modstanden er ligeledes målt i laboratoriet til XXX Ω, hvilket der stemmer fint overens med den beregnede værdi. Styringskredsen skal på baggrund af disse data designes til at håndtere en strøm på 3A, og en spænding på 12V. 50 af 67
3.3.1 MOSFET-styringskreds Til kontrolkredsen er valgt at benytte en N-channel IRLZ44Z-MOSFET transistor i commonsource-konfiguration. Denne type transistor er logic-level kompatibel, og har spænding/strømgrænseværdier der opfylder kravene ovenfor. Logic-level kompatible betyder at V GS(th) < 5V og derved kan MOSFET en, alene drives fra en MCU, her en PSoC. V GS(th) er den threshold-spænding hvor transistoren går on. Det ses af grafen på figur 3.11 at MOSFET en ved en V GS = 5V, (ved T J = 25) tillader en strøm på 100A, dette er mere end rigeligt til opgaven. Figur 3.11: Datablad: Gate to Source voltage, fra databladets (Fig. 3, s.3) Ydermere kan det være interessant at se på hvor varm transistoren bliver under operation. Herved kan det udledes om der behøves ekstern køling eks. i form af en heat-sink. Følgende værdier hentet fra databladet: Drain to Source modstand: Strøm der trækkes af af relæet: Junction-to-Ambient modstand: Max junction temp: Ambient temp: R DS = 11mω I = 3A R θja = 62C/W T emp jun = 175C T emp amb = 25C Figur 3.12: Værdier hentet fra datablad Til beregningen benyttes formlen for afsat effekt: P afsat = R DS I 2 = 99mW Figur 3.13: Afsat effekt i MOSFET Her ses det at under operation af pumpen afgiver transistoren 99 mw i varme. Ydermere noteres det, at den maksimale effekt der kan afsættes uden at der behøves heat-sink er 447.561mW. T emp max = (T emp jun T emp amb ) R θja = 447.561mW Figur 3.14: Max Temperatur uden heat-sink Da der kun afsættes 99mW ved operation, er der ingen grund til at implementerer en heat-sink. Design af styringskredsløb På figur 3.15, ses MOSFET-styringskredsløb, PSoC ens 0 og 1 er her simuleret ved en frekvensgenerator med tilpas lav frekvens. Figur 3.15: Styringskredsløb til doseringspumpe MOSFET-transistoren Transistoren implementeres i common-source-konfiguration, for at et positivt signal på GATE til åbner transistoren, og da den er en logic level model, stammer signalet direkte fra PSoC en. 51 af 67
Ground-modstanden Der implementeres en modstand R 1 fra Gate til GND for at transistoren forbliver lukket (Gate trækkes til GND) hvis indgangssignalet til Gate afbrydes, dermed undgås det at GATE-signalet flyver og transistoren potentielt kan stå og switche on/off hvis GATE afbrydes. R 1 implementeres med en 10kΩs modstand, og virker som en standard pull down resistor. Flyback-diode Derudover implementere der, som førnævnt en flyback diode, for at give strømmen en løbebane når relæet afbrydes. På denne måde indgås den høje V p eak som spolen eller ville inducere, når der lukkes af for strømmen ændres monumentalt. Typen af diode, vælges ud fra følgende parametre: Hvilken strøm vil løbe i dioden Hvilken Peak-spænding vil være over dioden Diode-strøm Strømmen der vil løbe i dioden er givet fra databladet til 3A, derved skal den valgte diode kunne klare at lede max 3A, dette sker i forhold til spolens tidskonstant, τ, hvor efter strømmen vil falde i løbet af 5τ. Peak-spænding Peak-spændingen fra spolen beregnes på følgende måde: MANGLER!!!!! På baggrund af disse 2 værdier, vælges 1N4007, denne diode er, ifølge databladet i stand til at klare 1kVp, og 30A. Dette er tilstrækkeligt i denne situation. 3.4 Design af jordfugt sensoren Selve jordfugt sensoren skal måle jordfugten i jorden således systemet kan vide hvornår en plante skal have vand. Da vi ønsker at sensoren skal kommunikere over I2C igennem vores egen protokol, ønsker vi samtidig at levere en speciallavet jordfugt sensor med til systemet. Dette kræver at vi selv designer den. 3.4.1 Kapacitiv måling Den første ide til at måle jordfugten gik ud på at måle den kapacitivt. Efter nogle hurtige søgninger på Google blev der hurtigt fundet frem til følgende dokument 2. 3 I pdf filen beskriver to japanske studerende hvordan de med en kapasitet er i stand til at måle den relative luftfugtig. Dette virker ved at når luftfugtigheden ændre sig kan man via to elektrisk ledende plader måle forskellen i luften ved at koble dem som en pladekondensator med luften som dielektrikum. ɛr ændre sig således med luftfugtigheden. Tanken var nu at det samme måtte gøre sig gældende for jorden og komponenten i figur 3.16 blev lavet: 2 http://www.transeem.org/upload/files/teem/04-13-0038%28182-186%29.pdf 3 FiXme Note: tilføjes til literatur liste 52 af 67
Figur 3.16: Opbygning af den kapacitive føler Til den hjemmebyggede pladekondensator blev der også opbygget en oscillator som varierede sin udgangsfrekvens afhængig af kondensatorens kapacitet. Dette kredsløb blev bygget med en LM555. Da pladekondensatoren var en kopi fra det før omtalte pdf dokument kom det ikke som en overraskelse at oscillatoren ændrede sin frekvens med næsten 50% når pladekondensatoren blev holdt over dampen fra en kop kogende vand. Hvad der dog ikke var taget højde for var kapaciteten i tilledningerne, som ændrede sig hver gang pladekondensatoren blev flyttet. Det viste sig også at når pladekondensatoren blev trykket ned i jord stoppede oscillatoren med at oscillere. Det var hellere ikke muligt at måle kapaciteten med et LCR-meter og ideen blev derfor opgivet. 3.4.2 Resistiv måling Næste step var at finde en ny metode til at måle fugtigheden i jorden og denne opstod ved besøg på denne side 4. 5 På siden bliver det beskrevet hvordan man kan måle fugtigheden i jorden rent resistivt. Desværre bliver der ikke givet nogle værdier på jordens ledeevne i forhold til fugtigheden og var derfor op til en selv at finde den. Ved en størrer søgning blev der fundet frem til oversigten i figur 3.17 6,7 HardwareArkitektur/Sensore/Jordfugt_billeder/soil_conductivi Figur 3.17: Oversigt over ledeevnen for nogle forskelige grudstoffer. Det ses her at Fx. Sandsten varierer fra en ledeevne på 0.5 til 0.003 Siemens/m. Dette er et meget stort spekter og det vil derfor være umuligt at sige noget om ledeevnen i vores jord uden at have målt den. For at kunne gøre dette krævede det at der blev lavet et jordspyd der kunne bruges til at lave målingen med. I figur 3.17 ses jordspyddet sænket ned i vand fra vandhanen, for at måle vandets ledeevne. Da jordspyddet er isoleret delvist med krympeflex, således at der er et fast areal på begge spyd der er i kontakt med vand vil det være muligt at beregne ledeevnen for vandet. Dette blev dog ikke gjort før eksperimentet blev foretaget med jord. 4 http://gardenbot.org/howto/soilmoisture/ 5 FiXme Note: tilføjes til literatur liste 6 Kilde: http://zonge.com/rock-properties-lab/ore-minerals-physical-properties/ 7 FiXme Note: tilføjes til litteratur liste 53 af 67
Automatisk Vandingssystem Figur 3.18: Multimeteret måler strømmen igennem jordspyddet ved en spænding på 5V (2.92mA Figur 3.19: Elektrolyse ved 5V På figur 3.19 ses at der desværre også forekommer elektrolyse ved denne målemetode. Der ses at katoden tiltrækker hydrogen atomer som sætter sig som luftbobler på kobberet. Ved en spænding på 30V var elektrolysen så kraftigt at kobberlaget på anoden ville være væk efter få minutter. Derfor konstanters det også at ved implementering af denne type måling må der kun gå strøm i jordspyddet i det øjeblik målingen bliver foretaget, for at undgå unødvendig slid. Den mest interessante opdagelse blev gjort ved målingen af jorden. Her var teorien at ledeevnen ville stige lineært med fugtigheden. Det viste sig at være forkert og det lignede i stedet et fjerdegrads stigene polynomium, da måleresultaterne blev tegnet ind i Graph. Forinden havde det været et stort problem at finde ud af hvilken skala der skulle bruges til at måle fugtigheden, da der findes mange definitioner af den. Der blev fundet frem til at fugtigheden i tørvægt var den mest brugbare for geoteknikere og der var derfor den skala der blev valgt. Skalaen siger at hvis der er 100 gram ovntørret jord og 40 gram vand indeholder jorden 40% fugtighed. I formlen står m for masse. µ= mwet mdry mdry I figur 3.20 og 3.21 ses hvordan målingerne af jordfugtigheden blev foretaget. 54 af 67
Automatisk Vandingssystem Figur 3.20: Vejning af 100 gram af ovntørret jord. Vægten er nulstillet med tomt målebægre Figur 3.21: Her ses blandingsforholdet hvor strømmen i jordspyddet igen er faldende I figur 3.21 blev der lavet 7 målinger ved forskellig fugtighed. Ved en fugtighed på 25.6% begyndte strømmen i jordspyddet at falde igen. Dette bliver et problem i det samlede system da systemet ikke kan vide om den måler i en overvandet plante. figur 3.22. Viser regression af målepunkterne. 55 af 67
Figur 3.22: Målinger indtegnet i Graph. Den yderste måling til højre (25,6.2) er det før omtalte "knæk punkt"hvor vi ikke længere ved om vi måler rigtigt. punktet er ikke medtaget i regressionen. I figur 3.22 aflæsete vi regressionen af graften til at være: f(x) = 8.64 10 5 x 3.77 Funktionen er udtrykket for strømmen i jordspyddet ved en given fugtighed. Dette kan med fordel omskrives til modstand ved brug af ohms lov. Den påtrykte spænding fra spændingsgeneratoren var 5V 5V f(x) = 8.6388 10 5 x 3.78 10 3 A Denne funktion kan bruges i en mikroprocessor med en analog til digital konverter, således strømmen kan omregnes til jordfugtigheden i procent.på figur 3.23 ses grafen over funktionen. HardwareArkitektur/Sensore/Jordfugt_billeder/jordspyd_modsta Figur 3.23: Plot over modstanden i jordspyddet ved en given fugtighed.grafen er et udsnit fra 10% til 22% for at gøre den mere overskuelig 3.4.3 Test og opbygning Næste punkt var at finde en metode til at måle modstanden i spyddet. Dette kunne gøres ved at koble jordspyddet som en spændingsdeler med en MOSFET transistor til at lede strømmen når der måles. På figur 3.24 ses diagrammet over forklaringen. HardwareArkitektur/Sensore/Jordfugt_billeder/jordspyd.JPG Figur 3.24: Diagram over jordspyddet 56 af 67
Der opstilles følgende funktion for kredsløbet: V out R1 Rspyd = V out V cc Ved at isolere x ud fra funktionen på figur 3.23 kan vi få et udtryk for fugtigheden hvis vi kender modstanden. 113.47 fugt = Rspyd 0.26472 Disse to formler blev brugt i PSoC creator til at programmere en CY8C4245AXI-483 med en differentiel koblet analog til digital konverter. På figur 3.25 ses topdesignet i PSoC creator. Figur 3.25: Topdesign i PSoC creator I PSoC creator laves der en funktion der udlæser værdien fra ADC en og omregner den til fugtighed. På et fumleboard opbygges der et kredsløb med et 4.7k potientometer og en 100ohms modstand koblet serielt. I fugur 3.26 ses debugging af første opbygning af funktionen. HardwareArkitektur/Sensore/Jordfugt_billeder/debug100ohm.jpg Figur 3.26: Debugging i PSoC creator ved Rspyd=100Ω Aflæser vi 100Ω på figur 3.23 kan vi se at en fugtighed på 33 stemmer fint overens med det forventede og funktion antages efter flere ligende resultater at virke. Efterfølgende er funktionen lavet om således den også kommunikerer med sensor ø en. Den færdige kode fildes i bilagende. Efterfølgende blev der tegnet et diagram i DesignSpark og der blev i samme program tegnet et printlayout. Dette ses på figur 3.27 og 3.27. HardwareArkitektur/Sensore/Jordfugt_billeder/Print_2.jpg Figur 3.27: Printplade set fra bunden HardwareArkitektur/Sensore/Jordfugt_billeder/Print_1.jpg Figur 3.28: Printplade set fra overfladen Det ses på printet at der er blevet lavet nogle modifikationer. Dette skyldes at der var glemt nogle pull op modstande, samt at DesignSpark havde valgt at ligge stel sammen med forsyningen. Diagrammet blev derfor tegnet om til følgende i figur 3.29 57 af 67
Figur 3.29: Diagram over jordfugtmåleren Det ses på diagrammet i figur 3.29 at der er trukket stik ud til at programmere PSoC en. Ved at forbinde disse til vores Pioneer kit kan vi programmere PSoC en igennem en PSoC 5 og på den måde undgå at skulle købe en programmeringsenhed. 3.5 Design af ph-proben Kravet til ph-proben er at den skal virke omgående når der hældes gødning i vandet. Dette vil sige at den skal omgående kunne fortælle systemet når der er den korrekte ph-værdi, når der doseres gødning. Efter nogle søgninger på Google blev der fundet frem til at en glasprobe var det meste effektive, men samtidig og så det billigste. 58 af 67
Figur 3.30: Tegning af en glasprobe. kilde: Wikipedia ph værdi er en måde at angive hvor mange hydrogen-ioner der er i væsken. Definitionen af en syre er at den modtager hydrogen-ionerne og definitionen af en base er at den afgiver hydrogen-ioner. Vand kan både optræde som en syre og en base, dette skyldes at vand vil modtage hydrogenionerne når der hældes en base i, men det vil afgive hydrogen-ioner når der hældes en syre i. På figur 3.31 ses at har vi 10 14 mol/l af H+ ioner har vi en ph-værdi på 14. Figur 3.31: Graf over ph-værdi. kilde: Wikipedia Måden glasproben virker på at at den internt er fyldt op med saltsyre HCL. I figur 3.30 punkt 3 er koncentrationen 1 10 7 mol/l. I punkt 6 er koncentrationen 0.1 mol/l. På denne måde bliver der genereret en spænding når der er et overskud eller underskud af H+ ioner på ydersiden af punkt 1. H+ ionerne vil tiltrække CL- ionerne som ses i punkt 4. Punkt 2 og 5 er elektroderne som vi måler spændingen over. I figur 3.32 ses outputtet fra proben i forhold til ph-værdien i den væske den er i. 59 af 67
Figur 3.32: Outputtet fra ph-proben For at få en præcis måling af væsken kræver det at der laves en kaliberering af ph-proben en gang hver måned, da proben vil drifte med tiden. Det ses også på figur 3.32 at en ny probe vil give en højrer spænding en en ældre. Dette betyder at den skal kalibreres en gang i mellem. Til kalibrering af proben skal der bruges noget buffervæske. En buffervæske er en væske med en præcis ph-værdi således at proben kan indstilles efter det. Måden vi vil gøre det på er ved at have en buffer med ph-værdi 7. Når systemet startes op skal proben kalibreres og der vil være en rød LED på karet der lyser. For at kalibrere proben sættes proben ned i buffervæsken og efter ca 30 sekunder trykkes der på en knap som sidder på karet og karet indlæser herved værdien til kalibrering. På figur 3.33 ses at buffervæsken varierer sin ph-værdi ved temperaturforskelle. Dette vil også være gældende for andre væsker, dette er ikke noget vi tager højde for i vores målinger, men det burde blive implementeret i et salgsklart system. HardwareArkitektur/Sensore/pH_probe_billeder/buffervaeske. Figur 3.33: Temperaturens indflydelse på ph-værdien i buffervæsken 60 af 67
Accepttest Revision Ændret af Version Dato Alle 1 23-02-2015 Tabel 4.1: Revision for Accepttest 4.1 Test setup Til at teste følgende skal der bruges et setup med en PC der er i stand til at forbinde til den indlejrede Linux platform. Fieldsensorer tilsluttes til den indlejrede Linux platform via de PSoC moduler der styre dem. Aktuatorerne skal ligeledes tilsluttes gennem deres respektive moduler. 1 4.2 Accepttests Accepttest Use Case 1 Aflæs målinger Test Forventet resultat Resultat Godkendt Kommentar Bruger tilgår gui ved at indtaste management url i sin webbrowser Bruger trykker på et oprettet kar i guien Bruger aflæser ph-værdien under kar data ved målt værdi Bruger aflæser vandniveau under kar data ved målt værdi Bruger aflæser jordfugtighed under kar data ved målt værdi Systemet viser gui Systemet viser et skærmbillede med oversigt over karet En værdi mellem 0-14 aflæses ved målt værdi En værdi med enheden liter aflæses ved målt værdi En værdi med enheden % aflæses ved målt data Tabel 4.2: Acceptest for Use Case 1 Aflæs målinger 1 FiXme Fatal: Alle accepttest skal rettes der er ingen af dem der passer 61 af 67
Accepttest Use Case 2 Manuel vanding Test Forventet resultat Resultat Godkendt Kommentar Bruger tilgår gui ved at indtaste management url i sin webbrowser Bruger trykker på et oprettet kar i guien Bruger trykker på manuel vanding Bruger trykker på stop manuel vanding Systemet viser gui Systemet viser et skærmbillede med oversigt over karet hvor man kan tilgå manuel vanding Systemet begynder at vande Systemet stopper med at vande Tabel 4.3: Acceptest for Use Case 2 Manuel vanding Accepttest Use Case 3 Indtast ph-værdi Test Forventet resultat Resultat Godkendt Kommentar Bruger tilgår gui ved at indtaste management url i sin webbrowser Bruger trykker på et oprettet kar i guien Bruger trykker på feltet uden for "ph-værdi", retter værdien til en ph-værdi på 7.5 og trykke "Gem data" Systemet viser gui Systemet viser et skærmbillede med oversigt over karet hvor man kan tilgå indtastning af ph-værdien Systemet opdaterer phværdien til 7.5 Tabel 4.4: Acceptest for Use Case 3 Indtast ph-værdi Accepttest Use Case 3 Indtast volumen Test Forventet resultat Resultat Godkendt Kommentar Bruger tilgår gui ved at indtaste management url i sin webbrowser Bruger trykker på et oprettet kar i guien Bruger trykker på feltet uden for "volumen", retter værdien til en volume på 5 liter og trykke "Gem data" Systemet viser gui Systemet viser et skærmbillede med oversigt over karet hvor man kan tilgå indtastning af volumen Systemet opdaterer volumen til 5 liter Tabel 4.5: Acceptest for Use Case 3 Indtast volumen 62 af 67
Accepttest Use Case 5 Opret kar Test Forventet resultat Resultat Godkendt Kommentar Teknikker tilgår webinterface ved at indtaste management url i sin webbrowser Teknikker trykker på "servise-knappen i gui Teknikker trykke på knappen "Opret kar" Tekniker indtaster navn og adresse i felterne og trykke "Opret kar" Systemet viser gui Systemet viser service menuen Systemet viser en menu hvor det er muligt at indtaste navn og adresse Systemmet opretter et ny kar der nu forekommer i hoved menuen Tabel 4.6: Acceptest for Use Case 5 Opret kar Accepttest Use Case 6 Karstyring Test Forventet resultat Resultat Godkendt Kommentar Teknikker tilgår webinterface ved at indtaste management url i sin webbrowser Teknikker trykker på på slet knappen ud for et oprettet kar i gui en Teknikker trykker ok Systemet viser gui Systemmet spørger om teknikeren er sikker i en dialog Systemet sletter karet og returnerer Teknikeren til listen over oprettede kar Tabel 4.7: Acceptest for Use Case 6 Karstyring 63 af 67
Accepttest Use Case 7 Kalibrer ph-probe Test Forventet resultat Resultat Godkendt Kommentar Tekniker holder trykknappen kalibrer nede i minimum 5 sekunder Teknikeren tager proben ud af karet og sætter den i bugger-væske med en phværdi på 7, venter i 5-10 minutter hvorefter teknikeren trykker på knappen "ph7", på styringen til ph-proben. Teknikker sætter nu proben i buffer-væske med en phværdi på 4, venter i 5-10 minutter hvorefter teknikeren trykker på knappen "ph4", på styringen til ph-proben. en rød LED 2 blinker Styringen til ph-proben indlæser værdien fra proben Styringen til ph-proben indlæser værdien fra proben, giver besked til systemmet om at proben er kalibreret, slukker for den røde LED og tænder for den grønne LED 3, hvor systemmet fjerner advarslen om at proben skal kalibrers Tabel 4.8: Acceptest for Use Case 7 Kalibrer ph-probe 64 af 67
65 af 67 Automatisk Vandingssystem
Ordliste CentralControl er systemets centrale computer. Database gemmer brugerens indstillinger samt log. Doseringsventil åbner og lukker for tilførslen af Gødningsmix til en bestemt Sensor Ø. Fieldsensor er en samlet generisk beskrivelse af måleinstrumenter, der kan tilsluttes en Sensor Ø. FlexPMS (Flexible Plant Management System) er den software, som binder brugergrænsefladen med den fysiske verdens. Flowmåler måler mængden af væske som løber gennem denne. Gromedie er det stof floran er plantet i, dette kan fx være muld. Gui er den grafiske brugergrænseflade. Gødningsmix er en blanding af vand og gødning med en bestemt ph-værdi. Kar er en beholder, der kan indeholde Gødningsmix. KarController styrer tilgangen af vand, gødning og ph-væske samt de sensor ø er der er tilkoblet denne. KarGruppe er et Kar med tilhørende KarController og Sensor Ø er. Management url adressen hvorpå guiinterfacet befinder sig. PC computer med Windows 7+ styresystem, samt Google Chrome som browser. Plante består af flora og gromedie. RSConverter et elektronisk print, som kan konvertere mellem UART 232 og RS485. Sensor Ø består af en Sensor Ø Control, en række Fieldsensorer, som måler fra et begrænset området, og en Doseringsventil. Sensor Ø Controller er controlleren i en Sensor Ø, som opsamler data fra sensorerne og kan styre Doseringsventilen. Ventilstyring en ventil, der kan åbnes og lukkes vha. et 5V-signal. Ventilen er tilsluttet 12V. 66 af 67