Bewässerung | Stromspielplatz

Beim Layouten meiner Leiterplatte für die Sensoreinheit wurde mir bewusst welchen Vorteil Aufsteckplatinen, so genannte “Breakout Boards”, haben. Sie sind nicht nur praktisch zum Entwickeln, sie haben auch den Vorteil das man sich über wiederkehrende Elemente (z.B. Pull-Up Widerstände) nicht den Kopf zerbrechen muss. Darüber hinaus machen sie das Layouten einfacher da sie praktisch zwei zusätzliche Lagen darstellen. Damit ist die Platine am Ende nicht nur schlanker, sondern hat auch eine kleinere Grundfläche.

Eine wichtige Anforderung beim Design war die Größe. Die Größe ist nicht nur ihrer selbst wegen ein Thema, sie bestimmt auch den Preis für das Fertigen des Breakout Boards. Neben den Pull-Up Widerständen für CH_PD, GPIO_0, GPIO_2 und RESET sowie den obligatorischen Tastern zu GND an RESET und GPIO_0 (PROG) habe ich auch eine Steckleiste zum Aufstecken für meinen XCSOURCE FT232RL USB<->TTL eingeplant. Die Spannungsversorgung über den USB zu TTL Konverter kann über einen Jumper optional aktiviert oder deaktiviert werden. Außerdem habe ich Lötjumper für die Verbindung von CTS->REST und DTR->GPIO_0 eingeplant. Ich habe das zwar noch nicht versucht aber bei einigen erübrigt sich dadurch das manuelle Betätigen der Taster da der FTDI232 über die Pins den ESP in den Programmiermodus versetzt. Zu guter letzt habe ich auch einen Lötjumper für die Verbindung GPIO_16 zu RESET geplant sowie einen Kondensator zur Spannungsstabilisierung. Andere Boards wie das Huzzah verwenden hier einen Spannungswandler aber ich habe mit dem Elko gute Erfahrungen gemacht.

Meine Follower auf Twitter wissen dass ich mehrere Anläufe benötigt habe (besonderen Dank hier nochmal an @ccxx72, @i_grr, @bdcatalin und @tzapulica für die Hilfe) und dass Fritzing mich einiges an Nerven gekostet hat aber das Resultat könnt ihr auf meiner Github Seite downloaden: https://github.com/Stromspielplatz/misc/tree/master/ESP8266%20ESP-12%20Breakout

ESP8266-ESP12 Breakout Board Circuit Diagram

Der einfachste Weg für die Steuerung der Bewässerung wäre sicher die Bodenfeuchtigkeit als Schwellwert zu verwenden und damit die Wasserzufuhr zu starten. Ich denke aber nicht dass das ein guter Ansatz ist da die Bodenfeuchtigkeitsmessung wohl eher ein Anhaltspunkt als ein wirklicher Messwert ist. Außerdem möchte ich sowieso einen Regler implementieren um eine einigermassen konstante Wasserzufuhr zu erreichen. Der meist-eingesetzte Regler und damit auch der bekannteste ist wohl der PI-Regler. Dieser hat für hier aber den Nachteil dass er nur eine Eingangsgröße zu einer Ausgangsgröße verarbeiten kann. Natürlich könnte man jetzt mit ein paar Tricks (Störgrößenaufschaltung oder Kaskadierung) weitere Messgrößen in den Regler bekommen aber das werde ich hier nicht machen. Ich werde statt dessen einen Fuzzy Regler verwenden.

Der Fuzzy Regler ist ein Multi-Input-Multi-Output (MIMO) Regler, der mit unscharfen Größen arbeitet. Das klingt sehr innovativ, tatsächlich ist die Geschichte der Fuzzy Regelung aber schon eine ziemlich alte und begann 1965. In der 1990ern erfuhr sie einen richtigen Hype und verschwand dann ein bißchen in der Versenkung. Meiner Meinung nach findet sie viel zu wenig Beachtung da man mit ihr der Problematik der meisten Regelkreise (kein exaktes Modell, empirisches Wissen über den Algorithmus) am besten begegnen kann.

Da wir unseren Webserver schon im Einsatz haben werde ich den Fuzzy Regler in PHP implementieren und verwende dazu eine Klasse von Wojtek Jarzecki. In weiterer Folge wird später der uC für die Ansteuerung der Pumpen das PHP Script aufrufen und bekommt einen Änderungsanforderung(-10% … +10%) für die Sollwerte der Wasserpumpen (0-100%) zurück. Der uC wird damit jeweils den aktuellen Sollwert für jede Pumpe anpassen und diesen in ein PWM Signal übersetzen.

Für die Parametrierung der Regelung ermittle ich erstmal den Wert für nasse Erde (bei mir ca. 400) und trockene Erde (bei mir ca. 800). Durch googlen finde ich heraus dass die Luftfeuchte bei uns in der Steiermark etwa zwischen 50% und 90% und die durchschnittliche Temperatur in den Sommermonaten zwischen 8°C und 36°C liegt. Mit diesen Werten definiere ich meine Input Membership Funtions wie folgt:

Der Code für mein Script sieht so aus:

<!doctype html>
<!--?php
    require_once ('./fuzzy-logic-class.php');
    
    /*----------------Aktuelle Messwerte aus Datenbank anfragen----*/
    // <span class="hiddenSpellError" pre="" data-mce-bogus="1"-->MariaDB Server
    $servername = "IP-SERVER";
    $username = "USER";
    $password = "PASSWORD";
    $dbname = "templogg";

    // Create connection
    $conn = new mysqli($servername, $username, $password, $dbname);
    // Check connection
    if ($conn->connect_error) {
    	die("Connection failed: " . $conn->connect_error);
    }

    // Aktuelle Daten
    $sql = "SELECT `temp`,`humidity`,`soil` FROM `tbllogging` ORDER BY dt desc LIMIT 1;";
    $actual = $conn->query($sql);
    if ($actual->num_rows > 0) {
	// output data of each row
	while($row = $actual->fetch_assoc()) {
		$acttemp = number_format($row["temp"],0);
		$acthum = number_format($row["humidity"],0);
		$actsoil = number_format($row["soil"],0);
	}
    } else {
	echo "0 results";
    }

    /*----------------Fuzzy Parametrierung----*/
    $x = new Fuzzy_Logic();
    $x->clearMembers();
    /* ---------- set input members ---------*/
    $x->setInputNames(array('TEMP','HUMIDITY', 'SOIL'));
    $x->addMember($x->getInputName(0),'COLD',  0,  8, 25   ,LINFINITY);
    $x->addMember($x->getInputName(0),'WARM', 20, 35, 100  ,RINFINITY);
    $x->addMember($x->getInputName(1),'LOW', 0  ,40 ,60    ,LINFINITY);
    $x->addMember($x->getInputName(1),'HIGH',50 ,70 ,100   ,RINFINITY);
    $x->addMember($x->getInputName(2),'WET', 0,   400 ,650  ,LINFINITY);
    $x->addMember($x->getInputName(2),'DRY',550, 800 ,1025 ,RINFINITY);

    /* ---------- set output members ---------*/
    $x->setOutputNames(array('OUT'));
    $x->addMember($x->getOutputName(0),'LOWER',-10, -5 ,0 ,LINFINITY);
    $x->addMember($x->getOutputName(0),'RAISE',0, 5 ,10 ,RINFINITY);

    /* ---------- set rule table ------------ */
    $x->clearRules();
    $x->addRule('IF TEMP.WARM OR SOIL.DRY OR HUMIDITY.LOW THEN OUT.RAISE');
    $x->addRule('IF TEMP.COLD OR SOIL.WET OR HUMIDITY.HIGH THEN OUT.LOWER');


    /*---------- Fuzzy mit Werten aus Datenbank versorgen und rechnen ----*/
    $x->SetRealInput('TEMP',	$acttemp);
    $x->SetRealInput('HUMIDITY' ,$acthum);
    $x->SetRealInput('SOIL' ,	$actsoil);
    $fuzzy_arr = $x->calcFuzzy();
    $Fuzzy = $fuzzy_arr['OUT'];
    echo $Fuzzy;
?>

<!doctype html>

<!--?php

require_once ('./fuzzy-logic-class.php');

/*----------------Aktuelle Messwerte aus Datenbank anfragen----*/

// <span class="hiddenSpellError" pre="" data-mce-bogus="1"-->MariaDB Server

$servername = "IP-SERVER";

$username = "USER";

$password = "PASSWORD";

$dbname = "templogg";

// Create connection

$conn = new mysqli($servername, $username, $password, $dbname);

// Check connection

if ($conn->connect_error) {

die("Connection failed: " . $conn->connect_error);

}

// Aktuelle Daten

$sql = "SELECT `temp`,`humidity`,`soil` FROM `tbllogging` ORDER BY dt desc LIMIT 1;";

$actual = $conn->query($sql);

if ($actual->num_rows > 0) {

// output data of each row

while($row = $actual->fetch_assoc()) {

$acttemp = number_format($row["temp"],0);

$acthum = number_format($row["humidity"],0);

$actsoil = number_format($row["soil"],0);

}

} else {

echo "0 results";

}

/*----------------Fuzzy Parametrierung----*/

$x = new Fuzzy_Logic();

$x->clearMembers();

/* ---------- set input members ---------*/

$x->setInputNames(array('TEMP','HUMIDITY', 'SOIL'));

$x->addMember($x->getInputName(0),'COLD', 0, 8, 25 ,LINFINITY);

$x->addMember($x->getInputName(0),'WARM', 20, 35, 100 ,RINFINITY);

$x->addMember($x->getInputName(1),'LOW', 0 ,40 ,60 ,LINFINITY);

$x->addMember($x->getInputName(1),'HIGH',50 ,70 ,100 ,RINFINITY);

$x->addMember($x->getInputName(2),'WET', 0, 400 ,650 ,LINFINITY);

$x->addMember($x->getInputName(2),'DRY',550, 800 ,1025 ,RINFINITY);

/* ---------- set output members ---------*/

$x->setOutputNames(array('OUT'));

$x->addMember($x->getOutputName(0),'LOWER',-10, -5 ,0 ,LINFINITY);

$x->addMember($x->getOutputName(0),'RAISE',0, 5 ,10 ,RINFINITY);

/* ---------- set rule table ------------ */

$x->clearRules();

$x->addRule('IF TEMP.WARM OR SOIL.DRY OR HUMIDITY.LOW THEN OUT.RAISE');

$x->addRule('IF TEMP.COLD OR SOIL.WET OR HUMIDITY.HIGH THEN OUT.LOWER');

/*---------- Fuzzy mit Werten aus Datenbank versorgen und rechnen ----*/

$x->SetRealInput('TEMP', $acttemp);

$x->SetRealInput('HUMIDITY' ,$acthum);

$x->SetRealInput('SOIL' , $actsoil);

$fuzzy_arr = $x->calcFuzzy();

$Fuzzy = $fuzzy_arr['OUT'];

echo $Fuzzy;

Schlagwort: Bewässerung

Bewässerung 8 – Solarbetriebener Bewässerungssensor

Bewässerung Teil 7 – ESP8266 Breakout Board

Bewässerung – Teil 6: Fuzzy Regelung

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