Régulation humidité du sol

14 Mar 2017 Christophe CUDEL

Projet 1ère Année DUT GEii – promotion 2017

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CONTRÔLE HUMIDITÉ DU SOL

photo_projet

 

 

SOMMAIRE

I. Introduction

II. Présentation du sujet

III. Cahier des charges

  1. Bête à cornes
  2. Pieuvre
  3. MindMap
  4. Planification Gantt
  5. Délais
  6. Budget de départ
  7. Liste des achats

IV. Réalisation du projet

  1. Composants:
    1. Microcontrôleur
    2. Capteur d’Humidité
    3. Électrovanne
  2. Test fonctionnement:
    1. Capteur
    2. Électrovanne
  3. Réalisation carte électronique
  4. Programmation
  5. Packaging

V. Conclusion

VI. Perspectives d’évolution

VII. Remerciements

 

Introduction

 

Dans le cadre du projet d’études du DUT Génie Electrique et Informatique Industriel de Mulhouse, nous avons du réaliser un projet lié au domaine de l’électronique et de l’informatique. Ce projet s’est étalé sur la totalité du deuxième semestre et a totalisé un volume horaire encadré de 60 heures. Ce projet qui n’est autre que le contrôle de l’humidité du sol.

Le choix de l’équipe et du projet a été effectué en fonction de nos affinités et de nos préférences. Durant la totalité du projet, deux professeurs nous ont encadré : M. Haultcoeur et M. XU.

 

Présentation du sujet

 

Le but du projet est de réaliser un système autonome de régulation du taux d’humidité du sol sur plusieurs types de sol différents. De plus si le niveau d’humidité passe sous un certain seuil le système devra y remédier.

Notre dispositif devra bien évidemment être mobile et non fixe pour pouvoir changer de point de mesure et il devra résister aux intempéries de façon à pouvoir rester à l’extérieur.

Cahier des charges

 

1.Bête à cornes

 

Afin de connaitre les besoin primaire ou l’exigence principal de notre projet il nous a fallu utiliser le diagramme dit « de la bête à cornes »:

 

Diagramme Bete à corne

 

2. Pieuvre 

 

Maintenant que nous connaissons  le besoin primaire nous pouvons passer au diagramme dit « de la pieuvre » qui permet d’identifier les fonction principales (FP) et contraintes (FC) :

Capture

FP1

Le capteur d’humidité pourra être déplacé par l’utilisateur et être réglé par ses soins

FP2

Notre projet devra pouvoir détecter le taux d’humidité du sol et réagir si il passe sous un certain seuil

FP3

Le système devra pouvoir être disposé en extérieur et devra donc résister aux conditions climatiques et intempéries

FP4

Le capteur devra être implantable  dans tous types de sol

FC1

Le système devra pouvoir enregistrer les données que le capteur va récolter

FC2

Le conteneur qui accueillera le système devra etre esthétique et agréable à l’œil

3. MindMap

Avant de pouvoir passer dans le gros du projet il faut réalise un MindMap qui est le fait de représenté toute les idées et tache autour d’un même sujet et donc le voici :

mind_maps

4. Planification Gantt

Maintenant grâce au MindMap nous pouvons réalisé le Gantt qui est le fait de planifié toute ces taches :

 

gantt_prevision

gantt_2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Délais

 

La limite finale du projet correspond au jalon fixé par nos professeur encadrant qui été avancé le plus possible et si possible finir notre oeuvre avant le jour de la soutenance le jeudi 22 juin 2017.

Donc notre projet devra au plus tard être finie le jour précédent la soutenance, soit le Mercredi 21 Juin 2017.

6. Budget de départ

 

Le budget dont nous disposons est de 150€. Tous les matériaux disponibles à l’IUT et la commande de pièce annexe sont a prendre en compte dans le budget, seul le raspberry et ces accessoires(écran +souris +clavier) ne sont pas pris en comptent car prêtés par l’établissement.

7. Liste des achats

 

Pour notre projet nous n’avons acheté que quelques composants qui nous on permis de réaliser la nappe qui nous permettra par la suite de connecter les ports du raspberry au circuit de la plaque électronique car les autres composants ont été trouvé dans le magasin de L’IUT.

 

Réalisation du projet

 

1. Composants

 

Avant de pouvoir débuter notre projet il nous a fallu commencer par faire quelque recherche sur les composants mis a notre disposition par L’IUT :

1. Microcontrôleur

raspberry pi 3 b

  Caractéristiques technique:

  • 1 Go de RAM
  • 4 ports USB
  • 40 broches GPIO
  • Port HDMI complet
  • port Ethernet
  • Prise audio combinée de 3,5 mm et vidéo composite
  • Interface caméra (CSI)
  • Interface d’affichage (DSI)
  • Emplacement de la carte Micro SD (maintenant push-pull plutôt que push-push)
  • VideoCore IV noyau graphique 3D

2. Capteur d’Humidité

capteur-d-humidité-du-sol-analogique-et-numérique

 

En ce qui concerne les capteurs nous étions au préalable munis d’un capteur (conductivité électrique). Cela dit, en faisant des recherches plus approfondie j’ai découvert que certain autre type de capteur comportaient  des atouts non négligeable pour avoir un dispositif de mesure avec une sensibilité  élevé. J’ai donc décidé de faire un tableau de comparaison pour avoir une idée du capteur qu’il faudrait utiliser dans notre cas.

tableau comparatif capteur

 

Grace a ce tableau on remarque que la méthode TDR (réflectométrie temporelle) ,qui mesure l’humidité volumique du sol ,permet une mesure très précise de l’ordre de la picoseconde (10^-12) se qui est largement suffisant dans notre cas.. Malgré la disponibilité  et le prix un peu plus élevé, pour des mesures aussi précises et rapide autant payer un peu plus cher.

3. Électrovanne

 

distributeur TOR

 

Pour l’électrovanne j’ai décidé de faire pareil que pour le capteur pour vérifier que le type de notre électrovanne(TOR: tout ou rien)  a été la plus adaptée  :

 

tableau comparatif distributeur

D’après ce tableau on remarque que le Distributeur a commande proportionnel est celui qui serait le plus adapté. Prenons un exemple, si après une mesure on remarque que le taux d’humidité est inférieur a notre seuil défini grâce a ce distributeur nous pourrions réguler le flux d’eau qui arriverais afin  d’optimiser le taux d’humidité contenu dans le sol. Cependant avec notre électrovanne nous devons améliorer le temps d’ouverture de l’électrovanne.

 

2. Test fonctionnement

 

Maintenant que nous connaissons les caractéristiques de nos composants nous allons pouvoir passer a la deuxième partie qui est le test de chaque composants afin de connaitre leur fonctionnement :

1. Capteur

 

  • Avant de faire des test dans des pots de terre j’ai commencé par voir les valeurs que me sort mon capteur dans de l’eau et dans l’air :

test eautest air

 

 

On observe sur l’image de gauche (Test dans l’eau)  qu’avec une valeur de 3.3V en entrée, la valeur mesuré est de 1.26V ce qui prouve que plus l’humidité est importante plus la tension mesurée et faible.

On observe sur l’image de droite (Test dans l’air) qu’avec la même  tension que dans le premier cas, si la valeur mesuré est la même que celle de l’entrée,  l’humidité est plus importante en fonction de la résistance entre les 2 borne.

 

 

 

  • Maintenant que je connais un peu mieux le capteur et son fonctionnement je suis passé au test sur plusieurs types de terre fournie par notre professeur encadrant (M.XU) :

type de terre

sur cette image on peut voir trois type de terre différent:

  • Sable       (pots en haut au centre)
  • Mélange (pots en bas a gauche)
  • Argile     (pots en bas a droite)

Premier test:

20170315_113519

On remarque que sous une tension de 3.3V , la valeur mesuré en sortie vaut 3.15V  ce qui signifie que le sable est une terre de base trés peu humide.Plus l’humidité est grande plus la tension mesuré et faible.

Deuxième test :

mélange

 

 

 

 

 

 

On observe que toujours sous une tension de 3.3V , la valeur que nous affiche le voltmètre est 0.66V, ce qui signifie que le mélange est 2 fois plus humide que la mesure faite précédemment dans l’eau.

Troisième test :

20170315_145500

Pour finir on remarque que sur de l’argile, la tension mesuré en sortie 0.8V et un plus basse que celle réalisé dans l’eau(1.26V) .

En résumé, chaque type de terre avait ses propre caractéristique et donc pour un même volume d’eau chacune de ces terre aura  ça propre manière  de l’absorber.  De ce fait, lors de la programmation du dispositif il y aura plusieurs facteurs a prendre en compte pour pouvoir optimiser l’irrigation des terres et donc le taux d’humidité.

2. Électrovanne

 

Pour l’électrovanne les tests ont été beaucoup plus simple a réaliser car j’ai juste mesuré la tension minimal a laquelle l’électrovanne s’ouvrait après réalisation du montage et test en augmentant la tension on trouve que sous une tension minimal de environ 6V l’électrovanne s’ouvrait.

Après la réalisations de ce montage j’ ai cherché un moyen de raccorder  l’électrovanne a une arrivé d’eau  et donc voici le prototype réalisé grâce au matériel a notre disposition:

raccordement electrovanne

On peut voir qu’on a raccordé l’entré de l’électrovanne avec un embout (de robinet) sur le tuyau d’arriver d’eau et grâce a un collier de serrage on a pu ouvrir l’arriver d’eau sans qu’il y ait des fuites.

3. Réalisation carte électronique

 

Pour la réalisation de mon circuit imprimé j’ai eu droit a l’aide de collègue extérieur a mon projet, ce qui m’a permis d’avancer plus vite et donc de pouvoir aboutir a quelque chose de concret, voici le résultat :

kicad

On peut voir sur ce graphique le schéma réalisé grâce au logiciel KiCad, ce schéma se compose de plusieurs partie différente :

  • Partie Capteur(rouge) : Cette partie se compose du connecteur pour le capteur qui va permettre de mesuré l’humidité du sol.
  • Partie Raspberry(vert) : cette partie se compose de tous ce qui est traitement des donné donc du MCP3008 qui est un convertisseur analogique numérique et des connecteur pour les ports GPIO du raspberry.
  • Partie Relay(orange) : Cette partie se compose de tous les composant qui permette le bon fonctionnement du relay.
  • Partie LM317(noir) : Cette partie se compose de tous les composant qui permette le bon fonctionnement du LM317 qui est un régulateur de tension.
  • Partie Externe(jaune) : Cette partie se compose d’un connecteur pour une batterie externe(en bas) de 5V est d’un connecteur(en haut) pour l’électrovanne.

Après avoir réalisé le montage ci-dessus je suis passer au routage du circuit toujours grâce a KiCad puis après un long processus en commençant par couper une plaque au dimension voulue puis en  passant par plusieurs différent machine(ex: insoleuse, laveuse):

19458017_674873999384229_73346049_n

 

 

 

 

19402425_674874009384228_1114615964_o

 

 

 

 

 

Donc pour le processus on commence par couper une plaque de cuivre au dimensions voulue puis on imprime les piste du circuit routé  ensuite on commence par placé tout ceci dans une insoleuse (première photo) celle-ci permet de marquer  sur notre plaque les piste du circuit ensuite on passe notre plaque dans un révélateur qui permet de faire apparaître celle-ci on continue ensuite par passer notre plaque dans une laveuse(seconde photo) celle-ci est composé de plusieurs solution chimique qui vont permettre d’enlever le surplus de cuivre et pour finir on passe a l’étamage des pistes.

Ensuite après y avoir souder chaque composant a son emplacement voici le résultat

19359254_674046116133684_846436720_o

 

4. Programmation

 

Lors de la programmation la tache fut assez rude car il a fallu prendre en compte beaucoup de paramètres liés au type de terre et d’autres lié au composant électronique utilisé lors de la création du circuit imprimé. Voici un prototype du programme qui n’a malheureusement pas pu être testé a cause d’un manque de temps et d’effectif :

#!/usr/bin/env python
import time
import os
import RPi.GPIO as GPIO
import time
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setwarnings(False)

def readadc(adcnum, clockpin, mosipin, misopin, cspin):

if ((adcnum > 1) or (adcnum < 0))
return -1
GPIO.output(cspin, True)
GPIO.output(clockpin, False)
GPIO.output(cspin, False)
commandout = adcnum
commandout |= 0x18
commandout <<= 3

for i in range(5):
if (commandout & 0x80):
GPIO.output(mosipin, True)

else:
GPIO.output(mosipin, False)
commandout <<= 1
GPIO.output(clockpin, True)
GPIO.output(clockpin, False)
adcout = 0

for i in range(12):

GPIO.output(clockpin, True)
GPIO.output(clockpin, False)
adcout <<= 1

if (GPIO.input(misopin)):
adcout |= 0x1
GPIO.output(cspin, True)
adcout /= 2
return adcout
SPICLK = 19
SPIMISO = 13
SPIMOSI = 6
SPICS = 5
SPIRELAY = 2
GPIO.setup(SPIMOSI, GPIO.OUT)
GPIO.setup(SPIMISO, GPIO.IN)
GPIO.setup(SPICLK, GPIO.OUT)
GPIO.setup(SPICS, GPIO.OUT)
GPIO.setup(SPIRELAY,GPIO.OUT)

While true :

adcnum = 0
read_adc0 = readadc(adcnum, SPICLK, SPIMOSI, SPIMISO, SPICS)
volts0 = read_adc0 * ( 3300.0 / 1024.0)
print « \tvaleur brute 1 : %s » % read_adc0
print « \ttension 1 : %s volts\n\n » % volts0
if volts0 <= 1.5
GPIO.output(2,GPIO.HIGH) #sortie 2 à 1L

elsif volts0 >1.5
GPIO.output(2,GPIO.LOW) #sortie 2 à 0L

time.sleep(1)

Normalement pour l’instant ce programme sert a mesure l’humidité du sol sur un seul type de terre(sol humide) mais comme dit précédemment je n’ai pas eu le temps de le tester.

Pour une meilleur compréhension du programme, du début  jusqu’à la boucle « while » ce sont les configuration du MCP3008 puis ensuite il y a notre code.

 

5. Packaging

 

Enfin nous voici a la partie final qui permet de voir si tous les effort fournie tous au long de ce projet on aboutie a un dispositif qui répondra ou non au cahier des charge et au CDCF(cahier des charge fonctionnel)  défini au début du projet, grâce au machine disponible a l’IUT lab voici le résultat des découpe faite a la machine laser qui ma permis de découpé mais plaque :

vue eclaté

Ensuite après avoir assemblé toute ces pièces et les composant voici le résultat :

19401099_674801139391515_802661941_o

On observe dans cette boite 2 partie différente :

19402573_674801059391523_856599959_o

  • Partie électrovanne : Cette partie se compose uniquement de l’électrovanne d’un tuyau d’arrivé d’eau(gauche) et un tuyau pour l’irrigation du sol(droite).

19401135_674801069391522_1830698318_o

  • Partie électronique : Cette partie se compose du circuit électronique réalisé, du raspberry et du capteur qui se situe a l’extérieur.

Pour finir après avoir ferme la boite voici le résultat final:

photo_projet

Conclusion

 

Pour conclure, ce projet ma  permis de découvrir de nouvelles choses comme: la gestion d’un projet, le travail en équipe, la démarche à suivre pour arriver au bout d’un projet, certaines nouvelles méthodes. De plus, cela ma permis d’approfondir mes connaissances dans différent domaine. Enfin pour finir au cour de ceux projet j’ai eu a surmonté d’innombrable échec (surtout dans la réalisation de la carte électronique a cause de composant introuvable dans le magasin ce qui ma obligé a changer ma carte et lors de l’impression le noir n’été pas assez puissant ce qui a rendu mais piste fragile …) et problème surtout dû au membre de mon groupe qui on tous décidé de quitté le DUT GEII pour continuer ailleurs ce qui ma valu de travailler pour 4.

 

 Perspectives d’évolution

 

Si notre dispositif devait être commercialisé a la fin des heure qui lui ont été consacré alors, on peut dire sans trop de doute  que notre dispositif peut nettement s’améliorer en tout point tant en terme d’esthétique que de logistique ou encore de fonctionnement ou de précision des mesures. Notre projet peut encore grandement s’améliorer sur certain point comme par exemple en changeant le capteur (conductivité thermique) par un TDR pour nettement augmenter la précision ou encore pour l’électrovanne la changer par une a commande proportionnel qui permettrais de régulé le flux d’eau et donc de mieux doser l’eau qui sert a irriguer ou encore lors de la création du packaging utilisé des matériaux résistant au intempérie, etc… . Tout cela pour dire que notre projet a encore une grosse marge de progression avant de pouvoir être commercialisé sur le monde du marché.

 

Remerciements

 

L’IUT de Mulhouse ainsi que l’IUT LAB pour le budget et l’apport de matériels.

Nos professeurs encadrants Mr Haulcoeur et Mr Xu.

Projet_IUTLab_avec_IUT_de_Mulhousetéléchargement