In alcuni miei articoli ho parlato della realizzazione di un impianto di micro irrigazione tramite una centralina autocostruita. Questa centralina aveva il compito di pilotare una elettrovalvola bistabile utilizzando una coppia di relè.

Nel tempo ho modificato questo prototipo per renderlo più efficiente e facile da gestire, e soprattutto perché la vecchia centralina aveva dei consumi di corrente elevati e quindi non efficiente con alimentazione a batteria.

Il circuito di questo articolo è attualmente installato nel mio giardino e in quello di alcuni miei amici.

La decisione di realizzare una nuova centralina nasce per via di alcune esigenze:
la prima è quella dovuta alla scarsità di piogge di questi ultimi anni e di conseguenza la crescente esigenza di irrigare in modo sostenibile utilizzando sistemi ad ala gocciolante o linee autocostruite con micro gocciolatori.
La seconda è dovuta alla mia passione per il fai da te e per la convinzione che i circuiti autocostruiti, benché inizialmente siano più costosi, possano essere una valida alternativa al modello usa e getta e dell’obsolescenza programmata, infatti conoscendo schema elettrico e codice del progetto possiamo, in caso di rottura di qualche componente, ripararlo o riadattarlo per ulteriori esigenze.

Questa mia nuova centralina permette di utilizzare sia elettrovalvole bistabili sia valvole motorizzate.

Le elettrovalvole bistabili sono consigliate per impianti alimentati a batteria in quanto, tramite un breve impulso elettrico di qualche millisecondo, è possibile aprire o chiudere il passaggio dell’acqua.
L’uso di una elettrovalvola nel nostro impianto di irrigazione comporta, il più delle volte, l’impiego di un filtro che privi l’acqua delle impurità che potrebbero comprometterne il funzionamento dell’elettrovalvola; le impurità dell’acqua, col tempo, possono ostruire il piccolo canale che porta l’acqua nella camera del solenoide.

Quando l’acqua possiede una torbidità elevata e non possiamo permetterci un sistema filtrante di qualità possiamo optare per una valvola motorizzata (Escludendo però il sistema di irrigazione a gocciolatori ma a irrigazione diretta).
La valvola motorizzata assorbe più corrente perché il tempo necessario per aprirla o chiuderla è maggiore rispetto all’elettrovalvola (circa3-5 secondi).

Caratteristiche nuova centralina di micro irrigazione

• Basso assorbimento di corrente in standby (circa 0.3uA)
• Open Source e Open Hardware
• Calendario con RTC
• Memorizzazione dati su SD
• Interfaccia seriale
• Programmazione tempi di irrigazione tramite jumper
• Programmazione intervalli di irrigazione tramite jumper
• Led di stato

Schema elettrico a blocchi

Lo schema elettrico è stato suddiviso in blocchi. Analizzeremo ognuno di essi con immagini separate per capirne meglio il funzionamento.

La figura seguente riguarda il sistema di alimentazione del circuito. Il connettore JP1 è collegato alla batteria (da 9 a 12v dc) e permette di alimentare l’elettrovalvola tramite un filtro a larga banda (FILT) e il resto del circuito tramite regolatore a 3.3v (MIC2940A-3.3WT).

Il regolatore che ho scelto è un convertitore DC/DC LDO della Microchip. La scelta è ricaduta su questo componente perché assorbe una corrente molto bassa.
Il componete di nome sky2 è un diodo transil bidirezionale da 15v che permette di smorzare le extratensioni generate della commutazione del solenoide dell’elettrovalvola.
Se non adeguatamente filtrate, le extratensioni possono resettare il microcontrollore rendendo il circuito instabile ed inutilizzabile.

Il partitore di tensione costituito dalle resistenze R12 e R13 serve per monitorare la carica della batteria e di conseguenza arrestare i cicli di irrigazione quando la tensione della batteria non assicura la commutazione dell’elettrovalvola.

Lo schema seguente riguarda invece il circuito RTC:

questo circuito ha il compito sia di gestire la data e l’ora, ma anche di generare un segnale di allarme (programmato via software), collegato ad un pin di interrupr del microcontrollore, questo sistema mi permette di risvegliare il microcontrollore dallo stato di ibernazione, necessario per garantire bassi assorbimenti del circuito.

Il cuore della centralina è basato sul microcontrollore ATMEGA328P-PU:

al micro è collegato lo slot SD (la comunicazione avviene usando la SPI). Osserviamo anche il connettore connettore ISP, e il connettore UART per la comunicazione seriale.
L’elettrovalvola viene pilotata tramite un ponte ad H realizzato con dei transistors; lo schema è il seguente:

l’ultimo blocco dello schema elettrico riguarda la selezione del tempo di irrigazione e dell’intervallo di tempo tra una irrigazione e la successiva:

Il segnale TMR_TIME e TMR_DATE sono collegati a due ingressi analogici del microcontrollore.

Di seguito il circuito elettrico della centralina di micro irrigazione:

Descrizione dello schema elettrico

Il microcontrollore ha il compito di gestire tutte le periferiche collegate alle sue line GPIO. La caratteristica principale di una centralina di questo tipo è il bassissimo assorbimento di corrente; supponendo di alimentare il circuito con una batteria (tipicamente una 9v o nel mio caso 8 batterie stilo alcaline tipo AA) dobbiamo garantire la durata di funzionamento per diversi mesi (naturalmente questo dato dipende dalla capacità della batteria).

Per garantire un basso assorbimento il microcontrollore andrà messo in modalità basso consumo quando non esegue nessuna operazione. Una volta entrato in questa modalità il micro potrà essere risvegliato tramite watchdog oppure tramite interrupt esterno. Nel mio progetto il risveglio è gestito da un interrupt esterno, generato dall’RTC, perché in questo modo posso gestire tempi di standby molto più prolungati rispetto al watchdog.

L’interrupt è generato dalla funzione alarm del modulo rtc MCP7940N. In pratica sul piedino 7 (sqw/MFP) viene generato un cambio di stato logico ogni volta che l’orario dell’ RTC corrisponde all’orario settato sul registro interno ALARM.

Il pilotaggio dell’elettrovalvola avviene utilizzando un ponte ad H costruito con dei transistors discreti. Lo schema permette di essere comandato tramite le uscite digitali del microcontrollore. I diodi schottky posti al centro del ponte H garantiscono l’eliminazione delle sovratensioni generate dalla commutazione del solenoide.

La selezione della durata dell’irrigazione e dell’intervallo tra una irrigazione e la successiva avviene utilizzando dei semplici jumper. I jumper sono posizionati in un partitore di tensione. L’uscita del partitore di tensione è collegata ad un ingresso analogico del microcontrollore. A seconda della posizione del jumper otterremo sull’ingresso analogico tensioni differenti. Dato che il partitore assorbe una cerca corrente, ho utilizzato dei transistor per alimentare il partitore solo quando voglio leggere la posizione dei jumper. I due transistors vengono pilotati da due uscite digitali del microcontrollore.

Assemblaggio e test della centralina

Ho dapprima realizzato il progetto utilizzando una basetta millefori, questo perché prima di realizzare il pcb volevo assicurarmi che tutto funzionasse come da progetto. Dopo qualche giorno di test ed aver avuto la certezza che lo schema non presentasse anomalie ho deciso di produrre il pcb.

Dopo aver montato i componenti sul pcb ho sistemato il circuito in una cassetta ermetica per impianti elettrici. Nella cassetta ho inserito anche la batteria. L’unico foro praticato è quello per fare uscire i due fili del solenoide dell’elettrovalvola.

Ho tenuto in osservazione il funzionamento della centralina per circa 2 mesi e mezzo e non ho avuto nessun problema. La posizione del circuito era abbastanza critica perchè rimaneva molto tempo esposta al sole. questa è stata una scelta voluta perché avevo bisogno di sotto porre il circuito a condizioni termiche estreme (giorni con temperature anche superiori ai 40°c). L’unico cosa che ho osservato è una deriva dell’orario dell’RTC, probabilmente perchè non ho eseguito la calibrazione.

In definitiva sono molto contento di questo lavoro perchè ho ottenuto bassi assorbimenti, un costo contenuto del progetto e una grande flessibilità nella programmazione delle irrigazioni.

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Nell’articolo sulla centralina elettronica per impianto di microirrigazione che utilizzava una elettrovalvola bistabile, ho impiegato un relè a uno scambio, per fornire l’alimentazione al solenoide, e un relè a due scambi, per invertire le polarità per chiudere o aprire l’elettrovalvola.
La soluzione mi sembrava ottimale ma pensando meglio al problema sono riuscito ad avere lo stesso risultato utilizzando due relè a uno scambio.
Lo schema seguente mostra come collegarli al solenoide dell’elettrovalvola.

In condizioni normali, con i relè diseccitati sui capi del solenoide abbiamo lo stesso potenziale e quindi esso risulta disalimentato.

Per attivare il solenoide, in modo da aprire la valvola, basta porre l’uscita del Netduino pin6 al livello alto e il pin7 a livello basso:

Il relè attivato dal pin6 del Netduino mette a massa un terminale del solenoide.
Per chiudere l’elettrovalvola è necessario alimentare il solenoide con polarità invertite. Questo è possibile ponendo a livello logico alto l’uscita al pin7 e a livello logico basso il pin6:

Nel caso ponessimo alte le uscite al pin6 e pin7 otterremo sempre un potenziale identico sui terminali del solenoide:

La soluzione impiegata nel primo modello della centralina è comunque valida ma credo che quest’ultimo schema sia più rapido sia nei cablaggi sia nel reperimento dei relè.

Ho aggiornato lo schema elettrico della centralina con la nuova soluzione:

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Mi è sempre piaciuta l’idea di un orto/giardino automatizzato, magari con Netduino, capace di sfruttare l’irrigazione in modo coscienzioso e senza sprechi d’acqua.
Penso sia uno di quei progetti molto ricercati per la sua evidente utilità pratica, e anche perché la coltivazione e la cura di piante è un istinto innato che ci avvicina alla natura e ci fa sentire bene!

Abito in un piccolo paese dove ogni famiglia possiede un piccolo orto per la coltivazione di verdure e frutti. La tecnica di irrigazione principale è quella a solco (scorrimento), decisamente svantaggiosa e poco efficace per l’eccessivo spreco d’acqua.
Fortunatamente oggi ci sono molte tecnologie efficienti che permettono l’impiego di sistemi programmabili per la gestione delle attività di irrigazione.

Anche io ho voluto sviluppare il mio sistema a microcontrollore per gestire le fasi di irrigazione di un piccolo orto.
Per la realizzazione di questo sistema bisogna avere un minimo di esperienza nella coltivazione di piante ed essere consapevoli che ci dovremmo sporcare le mani!!

La tecnica di irrigazione migliore per questo progetto si basa sulla microirrigazione a goccia. E’ necessario quindi procurarci tutto il materiale per l’impianto. Le mie informazioni progettuali sono da considerare di carattere generale, dato che il sistema è influenzato da vari parametri come, la tipologia del terreno (inclinazione, consistenza, composizione, esposizione agli agenti atmosferici) il tipo e la quantità di piantine da coltivare.La figura seguente rappresenta un tipico impianto a goccia automatizzato:

La cisterna contiene l’acqua necessaria ad irrigare le piante, le sue dimensioni variano a seconda della dimensione dell’orto, un valore sufficiente per una autonomia di 2-3 settimane potrebbe essere di 1000 litri.
Subito dopo troviamo il filtro, questo elemento è essenziale per un impianto di microirrigazione in quanto blocca le impurità dell’acqua che col tempo potrebbero otturare i gocciolatori.
L’elettrovalvola è un rubinetto elettronico che permette, tramite la centralina elettronica, di gestire tutte le fasi d’irrigazione. La centralina riceve input dai sensori di umidità, temperatura e luminosità, in questo modo possiamo sviluppare algoritmi che gestiscono l’irrigazione in funzione dei parametri ambientali.

Il tubo di mandata principale permette di alimentare i vari rami dell’impianto, ogni ramo (ala gocciolante) è sezionabile tramite un minirubinetto, questo permette di effettuare operazioni di manutenzione anche durante l’irrigazione.
L’ala gocciolante è composta da un tubo, solitamente da 16mm, dove sono collocati i gocciolatori. Ogni gocciolatore irriga una singola pianta.

La realizzazione dell’impianto dipende dalla dimensione del terreno a disposizione e dal numero e tipo di piante da coltivare. Secondo la mia esperienza vi posso dire che per il fabbisogno di una famiglia di 5-6 persone potete coltivare i seguenti prodotti

• 20 piante Pomodoro
• 10 piante Melanzane
• 10 piante Peperoni
• 20 piante Fagiolini
• 10 piante Cetrioli
• 5 piante Zucchine
• 20 piante Lattuga

naturalmente ognuno può aumentare o diminuire queste quantità a seconda delle preferenze e dei gusti personali.
Per quanto riguarda la distanza tra gocciolatori possiamo dimensionare in questo modo

• 40-50 cm per Pomodori, Melanzane, Peperoni, Fagiolini e Cetrioli
• 60-70 cm per le Zucchine
• 15-20 cm per le Lattughe

Mentre la distanza tra un ala gocciolante e la successiva può variare da 40-50 cm a  80-100cm a seconda dello spazio a disposizione, e della comodità che vogliamo avere per passare tra i filari.

Dopo l’assemblaggio dell’impianto è necessario verificare che tutti i gocciolatori funzionino a dovere e che non ci siano perdite d’acqua dai raccordi di connessione.

La parte che ora bisogna studiare, riguarda la centralina elettronica. Certamente sul mercato esistono vari modelli con prezzi anche di poche decine di euro, che potrebbero farci abbandonare l’idea dell’autocostruzione, ma il nostro scopo è quello di sperimentare e imparare nuovi concetti per poi applicarli in altri ambiti o per accrescere il nostro bagaglio culturale.

Apro una piccola parentesi sull’elettrovalvola: a parte le varie dimensioni e capacità idriche, esistono modelli a 24Vac e a 9Vcc. Volendo creare un impianto autonomo è meglio utilizzare il modello a 9Vcc in modo da eliminare qualsiasi trasformatore. Il costo delle elettrovalvole in continua è purtroppo superiore a quelle in ca (circa 30€).

Il circuito elettronico deve acquisire come input i dati dai sensori e pilotare l’elettrovalvola per un tempo che può essere fisso o variabile a seconda del software che andremmo a sviluppare.
Come microcontrollore possiamo optare per diverse soluzioni come Netduino piuttosto che Arduino o Picmicro. Certamente un fattore importante è il costo, che si aggira intono ai 30€ per Netduino/Arduino mentre per i Picmicro siamo intorno ai 3-8€.
In una prima fase possiamo usare Netduino per creare un prototipo, per poi eseguire un porting del progetto su Picmicro in modo da abbattere i costi di realizzazione della centralina.

I sensori del mio prototipo sono tre, un sensore di temperatura analogico tipo MCP9700a, un sensore di luminosità basato su fotoresistenza e un sensore di umidità realizzato con due puntali da inserire nel terreno.
Il Netduino acquisisce tramite gli ingressi analogici questi segnali e in base al suo software gestisce un piccolo relè che va a pilotare l’elettrovalvola.
Nella figura seguente è rappresentato lo schema a blocchi:

Credo che le informazioni di questo articolo siano sufficienti per iniziare a costruire il proprio orto automatizzato. Certamente le nozioni per la realizzazione dell’impianto di microirrigazione sono da approfondire ma con un po di manualità si può apprendere da soli come impostare e realizzare il proprio sistema idrico.
Per quanto riguarda la parte della realizzazione della centralina elettronica vi rimando al prossimo articolo.

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