Projet IMA3 P1, 2016/2017, TD1

Projet IMA3-SC 2016/2017 : Pot de fleur connecté

Lien du projet GIT

Cahier des charges

• Mesure du taux d'humidité de la terre
• Mesure de la température
• Mesure de la luminosité
• Affichage des données (humidité, température et lumière) sur une interface Web
• Régulation automatique de l'arrosage lorsque l'humidité du sol est inférieure à la limite fixée par l'utilisateur
• Affichage d'alertes lorsque les conditions de températures/luminosité ne correspondent plus à ce que l'utilisateur à fixé
• Garder un historique horodaté des alertes et de l'arrosage
• Avertir l'utilisateur lorsque le niveau d'eau est faible

Description du système

Le pot de fleur connecté est un système permettant de faciliter le soin d'une plante.
Il régule automatiquement l’arrosage afin de garder un taux d'humidité propice au développement de la plante et avertit l'utilisateur en cas de réserve d'eau insuffisante.
Il permet également de prévenir l'utilisateur lorsque les conditions de lumière/température ne correspondent plus à ce qu'il avait fixé sur l'interface web.

Le matériel

• 1 hygromètre (certains incluent une sonde de température)
• 1 photorésistance
• 1 sonde de température
• 1 capteur de niveau d'eau
• 1 Rapsberry Pi
• 1 Nanoboard

Séance 1

Partie électronique

FPGA

Nous avons consacré cette première séance à la découverte du FPGA.

N’en ayant encore jamais utilisé, nous avons commencé par réaliser le tutoriel proposé, celui-ci nous à permis de nous familiariser aussi bien avec la Nanoboard qu’avec la programmation graphique d’Altium qui est assez semblable à celle de logiciel libre Logisim.

Nous avons constaté qu’il est possible de d’utiliser des interfaces d’Entrée/Sortie afin d’interagir avec notre FPGA, mais aussi qu’il nous est possible d’avoir accès à des instruments virtuels directement sous Altium nous permettant de régler des Entrées/Sorties virtuelles ou encore d’adapter la fréquence de l’horloge du FPGA suivant nos besoins.

Pour notre projet nous disposons de 3 capteurs, humidité, température et niveau d’eau. Ces capteurs sont analogiques, il nous faut donc créer un ADC (Analog to Digital Converter ou Convertisseur Analogique Numérique).

Après discussion avec nos professeurs encadrant nous choisissons de nous orienter vers une conversion analogique numérique basée sur une PWM (Pulse Width Modulation ou Modulation des Largeurs d’ Impulsions). Cette technique permet de changer périodiquement le rapport cyclique d’un signal carré, nous avons utilisé un compteur sur 8bits pour réaliser cette fonction. Nous avons appris à utiliser l’analyseur logique afin de visualiser les signaux numériques.

Cette technique consiste à utiliser un Amplificateur OPérationnel (AOP) en mode comparateur afin de comparer la tension d’un signal en dents de scie avec la tension du capteur.

Quand la tension du signal triangulaire est supérieure à la tension du capteur alors l’AOP envoie un signal.

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  AOP en mode comparateur

Prototype Arduino

On a commencé par faire l'inventaire des différents capteurs et matériels présents dans notre boîte.

• Une pompe accompagnée de son shield permettant le contrôle du moteur par PWM avec un Arduino
• Un capteur d'humidité couplé avec un capteur de température
• Une sonde "chirp" qui émet du son lorsque l'humidité du sol descend en dessous d'un relevé initial "dry point"
• Un phototransistor qui réagit au changement d'intensité lumineuse
• Un microcontrôleur Arduino et une breadboard

Sonde chirp

Cette sonde, bien que fonctionnelle, n'est pas réellement adaptée à notre projet. Il s'agit d'un produit fini et non réellement d'un simple capteur. Nous avons trouvé inutile de perdre du temps à modifier un produit existant sans avoir la certitude d'aboutir à des résultats probants.

Capteur d'humidité / température

Grâce aux librairies fournies par Adafruit, ce capteur est assez simple à prendre en main. Des fonctions comme readTemperature() ou readHumidity() permettent d'accéder à la valeur de ces grandeurs. Seulement, ce capteur est plutôt destiné à un fonctionnement à l'air libre. Or, il va nous falloir la température de l'air mais également l'humidité du sol. De plus, le protocole de communication utilisé (I2C) est bien plus complexe à comprendre qu'une liaison série.

Finalement, nous avons pris la décision de ne travailler qu'avec des capteurs analogiques. En effet, pour le prototype Arduino ce choix n'est pas impactant mais pour la partie FPGA ce choix est préférable. Nous avons demandé une sonde de température (LM35) et nous avons commandé un kit comprenant un détecteur de niveau d'eau ainsi qu'un détecteur d'humidité à planter (lien).

Partie informatique

La distribution d'eau est une fonction essentielle de notre projet. Tout naturellement, on s'est penché en priorité sur le fonctionnement de la pompe. Pour connecter notre pompe, nous nous sommes référé à un schéma du driver TB6612FNG.

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  Shield de la pompe

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  Schéma du driver

Programme du contrôle des moteurs

int STBY = 2;
int PWMA = 6; 
int AIN1 = 4;
int AIN2 = 5;

On commence par définir le numéro des pins à utiliser en veillant à prendre un pin compatible PWM pour contrôler la vitesse du moteur

void setup(){

 pinMode(STBY, OUTPUT);
 pinMode(PWMA, OUTPUT);
 pinMode(AIN1, OUTPUT);
 pinMode(AIN2, OUTPUT);

}

On initialise les pin en mode sortie

void loop(){

 move(255);
 delay(5000);
 stop();
 delay(2000);

}

La fonction loop se répète à l'infini. Ici, elle a simplement pour but de faire aspirer la pompe au maximum pendant 5s puis de s’arrêter 2s. C'est durant ce test que nous avons constaté que les valeurs en dessous de 255 ne permettaient pas une vitesse suffisante pour aspirer de l'eau. On fonctionnera donc en tout ou rien.

void move(int speed){

 digitalWrite(STBY, HIGH);
 boolean inPin1 = LOW;
 boolean inPin2 = HIGH;

 digitalWrite(AIN1, inPin1);
 digitalWrite(AIN2, inPin2);
 analogWrite(PWMA, speed);

}

Cette fonction met en marche le moteur et lui applique la consigne de vitesse. Le pin PWN sortira alternativement du 0 et du 5V afin d'obtenir une valeur moyenne correspondant à la consigne émise.

void stop(){

 digitalWrite(STBY, LOW); 

}

Les premiers tests sur la pompe sont concluants. Toutefois, même à une vitesse maximale, le débit est assez faible (goutte à goutte).

En seconde partie de matinée, nous avons commencé à réfléchir à l'interface web et plus précisément à son apparence. Nous avons décidé d'inclure des barres de progression afin de rendre plus graphique l'affichage de la température et de l'humidité. Pour le niveau d'eau, un pictogramme est suffisant pour signaler un manque d'eau ou non dans le réservoir. De même, à coté de la barre figurera sans doute un pictogramme indiquant le respect ou non des conditions de température.

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  Croquis de l'interface web

Séance 2

Partie électronique

FPGA

Durant cette seconde séance nous avons réaliser un générateur de signal en dent de scie à partir du signal carré de base en ajoutant un filtre passe bas afin de filtrer la composante alternative et garder seulement la composante continue. (prochainement : Description dimensionnement R & C )

Nous avons ensuite utilisé un AOP en mode comparateur afin d'échantillonné le signal d'un capteur IR.

Le convertisseur CAN est opérationnel !

Objectif séance 3 : Réunion avec l’ensemble des membres du groupe pour un état des lieux notamment sur la conception globale du projet, à savoir, le regroupement de la partie Elec et Info.

Prototype Arduino

En première partie de matinée, on a finalisé les essaies des capteurs, à savoir celui de température (LM35) et celui d'humidité (VMA303). Les deux capteurs étant analogique, il nous à fallu trouver une correspondance entre la valeur numérique (entre 0 et 1023) et la grandeur physique. On sait pour le LM35 que 10mV = 1°C et que 5V = 5000mv ≡ 1023, par conséquent on obtient : $temperature = val\_num\_mesuree * (5.0 / 1023.0 * 100.0)$. Pour le VMA303, on souhaite un pourcentage d'humidité, on a donc la formule suivante : $humidite = (100 / 1023) * val\_num\_mesuree$. On a ensuite écrit un programme Arduino permettant d'afficher ces deux grandeurs sur le moniteur série de l'IDE Arduino.

void setup() {
 Serial.begin(9600);
}

void loop() {
 
 int valeur_num_temp = analogRead(A0);
 int valeur_num_hum = analogRead(A1);
 
 float temperature = valeur_num_temp * (5.0 / 1023.0 * 100.0);
 int humidite = valeur_num_hum * (100 / 1023);
 
 Serial.print("Température : ");
 Serial.println(temperature);
 Serial.print("Humidité : ");
 Serial.println(humidite);
 delay(150);

}

Les résultats nous ont permis de vérifier la précision du LM35 (+/-0.5°C) et de déterminer un ordre de grandeur des valeurs du capteur d'humidité. Contrairement à notre premier capteur (numérique), celui-ci est prévu uniquement pour les sols (valeur de 0 à l'air).

En seconde partie de matinée, on a cherché des solutions techniques pour mesurer le niveau d'eau dans un réservoir. En premier lieu, on a pensé à un système composé d'un capteur ultrason. Il a l'avantage d'être simple à mettre en place et de retourner un niveau précis en théorie. La mesure est calculée par une fonction Arduino permettant de mesurer une largeur d'impulsion émise par le HC-SR04 qui est proportionnelle à la distance. Cependant, nous n'avons pas réussi à trouver le moyen électronique de reproduire ce procédé. C'est pourquoi après réflexion entre tous les membres du groupe, on a pris la décision de n'utiliser que des capteurs analogiques afin de ne pas complexifier davantage la partie FPGA. On s'est remis à la recherche de dispositifs et on s'est aperçu qu'ils ne permettaient que de détecter des paliers. On a donc opté pour trois niveaux de contrôle : niveau bas / moyen / haut. La plupart étaient basés sur le même procédé : du courant injecté dans l'eau avec des conducteurs disposés dans l'eau à chaque palier. Le faible courant qui passe permet de commander des transistors qui laisseront ou non passer un courant plus important qui représentera l'immersion ou non du câble dans l'eau.

Schéma du capteur de niveau

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  Pistes du PCB

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  Composants du PCB

Test du capteur de température et d'humidité Réalisation d'un PCB qui nous permettra de détecter le niveau d'eau dans le réservoir Réflexion sur le design de la page web de supervision

Partie informatique

• Test du capteur de température et d'humidité
• Réalisation d'un PCB qui nous permettra de détecter le niveau d'eau dans le réservoir
• Réflexion sur le design de la page web de supervision

Séance 3

Partie informatique

• Interface web terminée
• Communication série / websockets (Afficher sur l'interface web une valeur venant du port série)