Ko računalnik zaliva bolje od nas

Objavljeno: 24.9.2019 | Avtor: Simon Peter Vavpotič | Kategorija: Nasveti | Revija: Oktober 2019

Med zasluženim poletnim oddihom na morju pogosto domače rastline propadejo zaradi pomanjkanja vode. Zakaj se instantni namakalni sistemi dostikrat ne obnesejo? Kako načrtati in izdelati inteligentni namakalni sistem?

Zalivanje rastlin z računalnikom se zdi preprosto, a posledice pomanjkljivosti in napak v vodovodni napeljavi, strojni opremi in programski kodi ter njenih nastavitvah hitro opazimo, ko se vrnemo z dopusta. Čeprav že večina instantnih namakalnih sistemov poskrbi za varno dovajanje vode in se zaradi njihove uporabe s počitnic ne bomo vrnili v »močvirje«, lahko občutljive rastline propadejo zaradi preveč ali premalo zalivanja pa tudi zaradi prehitrega zalivanja ali zalivanja ob neprimernem vremenu, času dneva …

Kako začeti?

V spletnih trgovinah najdemo tako preproste kot zmogljivejše samostojne naprave za namakanje vrta pa tudi podsisteme, ki jih lahko vgradimo v obstoječi inteligentni sistem za upravljanje doma. Preproste naprave temeljijo na mikrokrmilniku s prikazovalnikom in z električnim pretočnim ventilom, ki ga mikrokrmilnik ob želenih urah za nekaj časa odpre in tako prek vodnega razpršilnika namaka rastlinje na vrtu. Nerodno je, če namaka tudi, ko je zemlja že prevlažna za ugodno rast rastlin, ali ob hudi suši in pripeki uporabi premalo vode, pa tudi, če vodo dovaja prehitro.

Pestra ponudba različnih komponent za gradnjo elektronskih namakalnih sistemov.

Boljše rešitve imajo različna tipala in električne ventile z nastavljivim pretokom tekočin ter zmogljiv mikrokrmilnik, ki ga pogosto lahko upravljamo kar s pametnim telefonom prek omrežja WiFi in zato ne potrebuje lastnih zaslona in tipkovnice. Tipala so podobna tistim v vremenskih postajah in zbirajo podatke o temperaturah zraka in zemlje, vlažnosti zraka in zemlje, osončenosti na posameznih delih vrta ali zelenice itn. Tipala in električne ventile lahko tudi dodajamo in jim z nastavitvami v programu mikrokrmilnika določimo funkcije ter tako poleg namakanja uravnavamo tudi dovajanje gnojil in hranil.

V sistem za inteligentno upravljanje doma namakalni sistem dogradimo kot samostojen podsistem ali v obliki dodatnih krmilnih in merilnih modulov, ki jih prek standardnih vmesnikov neposredno povežemo z glavnim krmilnim računalniškim modulom za upravljanje doma. Vendar vseobsežen sistem upravljanja doma še zdaleč ni poceni, saj bomo za vsak modul odšteli v ZDA vsaj okoli 100 USD.

Izdelave namakalnega sistema se lahko lotimo tudi sami, pri čemer nam je v pomoč pestra ponudba že izdelanih mikrokrmilnih, gonilnih in merilnih modulov v svetovnih spletnih trgovinah. Nekatere lahko kupimo tudi v večjih slovenskih trgovinah z elektronskimi komponentami. Večina merilnih in gonilnih modulov je prirejenih za mikrokrmilniške module arduino, z malo znanja in programerskega truda pa jih lahko vgradimo tudi v mikrokrmilniški modul lastne izdelave. Vsekakor lahko sami izdelamo tudi merilne in gonilne module, vendar velja opozoriti na to, da morajo biti prilagojeni za vsakovrstne vremenske razmere, nekateri pa tudi za vstavitev v zemljo. Gonilni moduli morajo biti tudi (a)testirani za primere katastrof, denimo mehanskih poškodb ali puščanja vodovodne napeljave. Zato velja dobro premisliti, preden bi se morebiti lotili njihove samogradnje.

Enostavni namakalni sistem mikrokrmilniško uro.

Kaj (do)kupiti?

Odločitev za enostavni ali kompleksni elektronski namakalni sistem je odvisna od več dejavnikov, ki se nanašajo na področja uporabnosti, kakovosti, varnosti, udobja ter cene in stroškov vzdrževanja. Enostavni sistemi so primerni predvsem za zalivanje drevesnih nasadov in zelenic, medtem ko potrebujemo za občutljive okrasne rastline zmogljivejše rešitve s tipali vlažnosti in temperature.

Če že imamo inteligentni sistem za upravljanje doma, se izplača preveriti, ali njegov proizvajalec nemara ponuja tudi module za gradnjo namakalnega sistema, ki jih lahko enostavno povežemo z obstoječo nadzorno enoto. S tem zmanjšamo stroške nabave nove elektronike, obenem pa se nam ni treba učiti uporabe nove upravljavske programske aplikacije, saj so dodatne funkcionalnosti na voljo takoj, ko dodamo ustrezne strojne module. Nekateri proizvajalci omogočajo tudi brezžično krmiljenje električnih ventilov in zajemanje podatkov z merilnikov, kar olajša integracijo namakalnega podsistema z nadzorno enoto.

Kako deluje?

Dober namakalni sistem potrebuje (skoraj) popolno vremensko postajo kot tudi dodana tipala, s katerimi meri vlažnost in temperaturo zemlje posameznih (vrst) rastlin in prilagaja dovajanje vode, gnojil in hranil. Poleg tega zbira splošne vremenske podatke, kot so temperatura, vlažnost zraka in količina padavin pa tudi spremembe zračnega tlaka, na osnovi katerih lahko predvidi padavine in temu primerno spremeniti režim namakanja zunanjih površin.

Glavni računalnik na podlagi referenčnih podatkov o najugodnejših pogojih za rast posameznih vrst rastlin odloča o tem, kdaj, koliko in katere rastline zaliti ter koliko hranili in gnojil jim dovesti. V rastlinjakih lahko pozimi vklopi ogrevanje, če temperatura zdrsne pod kritično raven, poleti pa samodejno odpre okna, da omogoči velik pretok zraka in zmanjša učinek tople grede.

Zelo pomemben del namakalnega sistema, ki se napaja iz vodovodnega omrežja, je tudi glavni zaporni ventil, ki je odprt le, ko namakalni sistem obratuje oziroma dovaja vodo. V primeru izgube električnega napajanja ali okvare mikrokrmilnika, se samodejno zapre. Za večjo varnost je mogoče uporabljati tudi sistem dveh zaporednih zapornih ventilov, pri čemer glavni zaporni ventil omogoča dovajanje vode v hišo ali stanovanje, sekundarni pa dovajanje vode namakalnemu sistemu. Pri namakalnih sistemih, ki črpajo vodo iz vodnih zajetij, jezer, potokov in rek z električnimi vodnimi črpalkami, varnostnih zapornih ventilov ne potrebujemo, saj črpalka ne more delovati brez električnega napajanja.

Pestra izbira električno krmiljenih ventilov.

Sledijo elektromotorni ventili za fino regulacijo dovajanja vode v posamezne namakalne veje, ki vodijo do gredic istovrstnih rastlin ali do posameznih rastlin. S fino regulacijo lahko mikrokrmilnik uravnava hitrost in trajanje namakalne faze. Sistem za uravnavanje dovajanja gnojil in hranil je povezan z rezervoarji, iz katerih ob pomoči električnih črpalk in ventilov dovaja hranila in gnojila posameznim rastlinam. A dovajanje gnojil in hranil omogočajo le najzmogljivejši namakalni sistemi.

Elektromotorno krmiljeni ventili uravnavajo pretok vode s preminjanjem zasuka, zato je stopnja odprtja ali zaprtja ventila odvisna od trajanja vrtenja, pri čemer upoštevamo tudi najdaljši čas vrtenja, v katerem popolnoma odpremo ali zapremo ventil.

Druga možnost je uporaba ventila z merilnikom kontnega zasuka, pri katerem lahko vselej preverimo nastavljen pretok. Vendar v tem primeru ni dovolj zgolj 1-bitno krmiljenje motorja, ampak moramo prebrati tudi digitalno vrednost kota odprtja ventila. Pri digitalno krmiljenih ventilih (z lastno gonilno elektroniko) namesto omenjenega podamo kar kotni zasuk odprtja ventila, zato se nam z merjenjem tega ni treba ukvarjati, je pa res, da mora mikrokrmiklnik namakalnega sistema vseeno prebrati kodo napake, prek katere digitalni gonilnik ventila sporoči, ali je uspešno izvedel ukaz.

Samogradnja

Navadno se v lastni režiji lotimo načrtovanja in izdelave nekoliko kompleksnejšega namakalnega sistema, saj je na trgu bele tehnike dovolj cenenih mikrokrmilniško upravljanih električnih ventilov z nastavljivimi časi vklopa in izklopa. Dodano vrednost doma izdelanega namakalnega sistema predstavljajo predvsem številna tipala in več električnih ventilov, s katerimi lahko natančno doziramo količino vode posameznim rastlinam.

Mikrokrmilni modul

Na spletu objavljeni projekti namakalnih sistemov kot krmilne računalnike najpogosteje uporabljajo priljubljene splošnonamenske mikrokrmilniške module arduino, za katere lahko v spletnih trgovinah z elektronskimi komponentami dokupimo številne merilne in gonilne module z različnimi tipali in pogoni različnih elektromotorjev. Projekti večinoma združujejo merjenje fizikalnih količin, kot so temperature in vlaga zemlje ter zraka, in skladno doziranje vode ob pomoči električnega ventila, kar je za vzdrževanje ene rastline ali gredice istovrstnih rastlin navadno dovolj, za raznovrstne rastline pa bi morali dodati tipala in električne ventile ter dopolniti in na novo povezati programsko kodo.

Kako delujejo električni ventili?

Električni zaporni ventili v pralnem, sušilnem ali pomivalnem stroju so navadno magnetni in delujejo tako, da pretok vode odprejo ob pomoči električnega magneta. Ventil je popolnoma odprt, dokler magnetu dovajamo električno napajanje, nakar se ob pomoči vzmetnega mehanizma popolnoma zapre, zato zagotavlja visoko stopnjo varnosti tudi v primeru nepredvidenega izpada električnega napajanja.

V elektronskih namakalnih sistemih uporabljamo tudi kroglične ventile z elektromotornim pogonom, ki se zaprejo ali odprejo v nekaj sekundah. Njihovi prednosti sta majhna poraba električne energije in natančna regulacija pretoka vode. Ker pa moramo tak ventil električno krmiliti tako pri odpiranju kot pri zapiranju, je nujno zagotoviti zanesljivo rezervno napajanje, rezen če zaporedno vežemo tudi elektromagnetni zaporni ventil, ki v primeru izpada električnega napajanja samodejno zapre iztok vode.

Mikrokrmilniški modul za avtomatizacijo doma.

Tipala

O tipalih za temperaturo, vlago, zračni tlak in merjenje količine padavin bi lahko veliko napisali, a raje povejmo, da je dobra osnova za gradnjo pametnega namakalnega sistema doma izdelana vremenska postaja (Moj digitalni vremenar, Monitor julij-avgust 2018), ki ji dodamo tipala za merjenje temperature in vlage zemlje posameznih rastlin ter gonilno elektroniko za električne ventile. Pri tem lahko nova tipala dodamo na obstoječa standardna zaporedna vodila uporabljenega mikrokrmilnika (I2C, SPI …). Prek istih vodil lahko priključimo tudi gonilne module za upravljanje ventilov. Paziti moramo predvsem na pravilno izvedbo priklopa, saj lahko že ena napačna povezava onemogoči delovanje celotnega vodila. Pomembna je tudi zaščita pred negativnimi impulzi in prenapetostmi, ki lahko poškodujejo mikrokrmilnik.

Druga možnost je uporaba brezžičnih povezav in tehnologije interneta stvari (IoT, angl. Internet of things). Čeprav to zahteva vgradnjo namenskega mikrokrmilnika v vsako tipalo in električno krmiljen ventil, ne potrebujemo krmilnih kablov, hkrati pa gonilniki in tipala niso žično povezani s krmilnim modulom, okvara enega izmed njih zato ne more ogroziti delovanja drugih. Kljub temu moramo razpeljati dovod vode in električno napajanje. Pogosto ni najbolje, če se odločimo za žično krmiljenje električnih ventilov z razvodom napajanja iz električne razdelilne omarice namakalnega sistema, odčitavanje vrednosti tipali pa je lahko brezžično in tako ne potrebujemo občutljivih žičnih podatkovnih povezav.

Projekti brez arduina in drugih standardnih razvojnih plošč

Samogradnja mikrokrminiškega vezja za izkušenega elektrotehnika ali računalničarja, ki se ne boji načrtovanja in izdelave tiskanih vezij, spajkalnika in razvoja osnovnih programskih vmesnikov, ni zapletena, a upoštevati mora tudi dodaten čas, ki ga bo za to porabil, če za izbrana digitalna tipala (še) ni na voljo standardnih programskih knjižnic in gonilnikov.

Kljub temu imamo pri takem projektu več možnosti za izbiro kakovostnejših merilnih modulov in čipov, ki so lahko zmogljivejši od tistih za arduino. Uporabimo lahko tudi katerega od številnih gotovih mikroračunalnikov, kot sta Raspberry Pi in Banana Pi, ki sta hkrati tudi procesno zmogljivejša od enostavnih mikrokrmilnikov. Obenem so za priklop nekaterih tipal nanju že na voljo tudi ustrezni gonilniki in programske knjižnice. Čeprav je res, da mikroračunalniki porabijo več energije in se krati tudi bolj segrevajo, omogočajo namestitev operacijskega sistema in enostavno upravljanje prek spletnih aplikacij in ethernetnih omrežij, med katerimi je tudi WiFi.

Električni gonilniki

Pri samogradnji namakalnega sistema se odločamo med različnimi analognimi, digitalnimi in digitalno-analognimi gonilniki, ki jih povežemo z mikrokrmilnikom. Enostavni električno krmiljeni ventili, ki ne vsebujejo krmilne elektronike, zahtevajo uporabo gonilnikov z analognimi izhodi, medtem ko električne ventile z vgrajenimi digitalnimi gonilniki upravljamo prek digitalnih vodil ali brezžičnih povezav, odvisno od izvedbe.

Podrobnosti izvedb gonilnikov lahko poiščete na spletu, vseeno pa omenimo, da lahko enostavne zaporne ventile in motorje električnih vodnih črpalk krmilimo tudi s sorazmerno enostavnimi relejskimi vmesniki, ki galvansko ločujejo mikrokrmilnik in močnostno elektroniko.

Programska logika

Pogosto želimo namakati rastline samo ob določenih urah dneva, denimo zjutraj in zvečer. K sreči imajo skoraj vsi mikrokrmilniki vgrajen tudi funkcijski modul za merjenje realnega časa, iz katerega lahko aplikacija za namakanje vselej prebere aktualna uro in datum. Pogosto lahko nastavljamo tudi alarme, od katerih lahko v aplikaciji sproži različne operacije, denimo večerno ali jutranje zalivanje, pri čemer prilagaja intenzivnost namakanja realnim potrebam rastlin oziroma vlažnosti zemlje.

Vodna napeljava

Pri sestavljanju vodne napeljave namakalnega sistema moramo biti še posebej pozorni na morebitno rahlo puščanje spojev dovodnih cevi, ki pri ročnem zalivanju vrta ni pomembno, pri dolgotrajnem priklopu na vodovodno omrežje pa lahko tako izgubimo veliko vode ali celo povzroči poplavo. Namakalni sistem, ki je stalno priključen na vodovodno omrežje, mora imeti, podobno kot gospodinjski aparati, elektromagnetni zaporni ventil, ki preprečuje iztekanje vode tudi ob popolni izgubi električnega napajanja. Hkrati mora biti vstopni del ventila vodotesno priključen na vodovodno omrežje, tako kot gospodinjski aparati. Vodotesnost izhodnih spojev načelno ni tako zelo pomembna, kljub temu pa je dobro, da so vsi spoji napeljave razpršilnikov vode vodotesni. Še bolj moramo paziti pri sistemih za dovajanje hranil in gnojil, saj lahko že manjše puščanje teh snovi povzroči katastrofo.

Če o svojem vodoinštalacijskem znanju nismo prepričani, lahko namesto električnega ventila uporabimo majhno električno črpalko, ki črpa deževnico iz soda, v katerega se steka voda s strehe hiša. Podobno lahko izdelamo namakalni sistem za domače rastline tudi, če kot vodni rezervoar uporabimo plastično posodo (s kapaciteto od 10 ali 20 litrov), kot črpalko za vodo pa potopno črpalko, na primer za namizno fontano. Tako bo tlak v namakalnih ceveh majhen, hkrati pa ne bo nevarnosti izliva vode, če bo rezervoar nižje od cvetličnih lončkov …

Več nevarnosti je pri samogradnjah, katerih pravilnost delovanja v različnih razmerah moramo v celoti sami preveriti in zanj tudi sami v celoti prevzeti odgovornost …

Proženje namakanja in količino vode za posamezno namakalno fazo vežemo tudi na meritve tipal, ob pomoči katerih ugotovimo, ali je namakanje sploh potrebno in kakšno količino vode rastline potrebujejo.

Varnost delovanja in preizkus

Aplikacija za upravljanje namakalnega sistema mora biti zanesljiva in odporna na odpovedi strojne opreme, saj se nikakor ne sme zgoditi, da bi zaradi njenega napačnega delovanja, denimo ob odpovedi enega tipala ali več, ali pomanjkljivosti v programski kodi, dovod vode ostal neprestano odprt. Pri preverjanju njenega delovanja je dobro izrisati podrobno odločitveno drevo in natančno preveriti vsa mogoča krmiljenja električnih ventilov.

Sledi praktični preizkus zanesljivosti in varnosti delovanja, pri katerem med delovanjem mikrokrmilnika namerno odklapljamo posamezna tipala (in električne ventile) in s tem posnemamo delovanje višje sile. Programska koda za čakanje odgovorov posameznih tipal ne sme uporabljati neskončnih zank oziroma mora mikrokrmilnik njihovo izvajanje prekiniti po izteku najdaljšega mogočega časa, kar zagotovimo tako, da v glavno programsko zanko vgradimo funkcionalnost psa čuvaja, ki jo omogočajo vsi sodobni mikrokrmilniki. Programska koda zanke mora tako ob vsaki ponovitvi ponastaviti podatkovni bit psa čuvaja, v nasprotnem strojna logika mikrokrmilnika po vnaprej določenem času (npr. najdaljšem mogočem času namakanja) ponovno zažene mikrokrmilnik. Obenem mora biti krmilna logika namakalnega modula izdelana tako, da so vsi električni ventili med (ponovnim) zagonom mikrokrmilnika oziroma med njegovim nedelovanjem zaprti. Odpre jih lahko izključno naša programska koda.

Aplikacija za upravljanje doma s pametnimi telefonom prek mikrokrmilniškega modula.

Se izplača?

Čudovit vrt pred hišo, sveža zelenjava in sadje z njega gotovo prispevajo k boljšemu počutju, vendar je dober namakalni sistem samo pika na i, nikakor pa ne more nadomestiti vsega ročnega dela, ki ga moramo opraviti za pravilno rast in razvoj rastlin. Elektronski namakalni sistem se izplača kupiti navdušenemu vrtnarju, samogradnja pa je primerna za računalniške navdušence, ki se ne bojijo vodovodnih instalacij, želijo preizkusiti svoja znanja računalništva, elektronike in elektromehanike in uživajo v zelenem domu. Vsekakor pa se gradnje namakalnega sistema, ki je ravno pravšnji izziv za poletne počitnice, lotevate izključno na lastno odgovornost …

Nadaljnje branje

Ena izmed specializiranih svetovnih spletnih trgovin z deli za gradnjo sistema za pametno upravljanje doma, vključno z deli za namakalni sistem

www.smarthome.com

Navodila za samogradnjo samodejnega namakalnega sistema

www.instructables.com/id/Automatic-Irrigation-System-for-Indoor-Gardening-U

Primeri samogradenj mikrokrmilniških modulov in vremenske postaje

sites.google.com/site/pcusbprojects

Naroči se na redna tedenska ali mesečna obvestila o novih prispevkih na naši spletni strani!
Prijava

ph

Komentirajo lahko le prijavljeni uporabniki