Automazione delle serre con il gateway IoT Edge

Automazione delle serre con il gateway IoT Edge: cablaggio, logica e cosa può effettivamente andare storto

Questo articolo illustra come abbiamo implementato Greenhouse Automation con il gateway IoT Edge.

Quando si lavora sull'automazione delle serre, il problema si presenta solitamente nello stesso punto.

I sensori sono già installati. I ventilatori e le pompe sono in funzione. Ma nessuno ha collegato tra loro i due sistemi. CO₂, temperatura, umidità: ognuno ha il proprio display. Il ventilatore di scarico ha il proprio controller. Lo stesso vale per la pompa. Alla fine qualcuno deve occuparsi manualmente del coordinamento, tenendo d’occhio gli avvisi sul telefono.

Avevo una serra per pomodori come questa: sensori collegati, ma i ventilatori erano ancora azionati manualmente. Da allora, abbiamo semplicemente iniziato a implementare la logica di controllo direttamente sul gateway locale. È più semplice e continua a funzionare anche quando Internet non funziona.

Come si effettua il cablaggio

Il gateway IoT Edge EG8200 dispone di due porte RS485, entrambe in modalità Modbus RTU. La maggior parte dei sensori agricoli utilizza già il protocollo Modbus RTU, quindi possono essere collegati direttamente al bus.

Di solito li suddividiamo in base al tipo di sensore: i sensori climatici su un bus, quelli di CO₂ e di luce sull’altro. In questo modo gli spazi di indirizzamento rimangono separati e in seguito è più facile isolare i guasti.

Alcuni sensori Modbus vengono forniti con gli indirizzi predefiniti tutti impostati su 1. È consigliabile impostare gli indirizzi un dispositivo alla volta prima di collegarli al bus condiviso. Inoltre, alcuni dispositivi non mantengono correttamente le impostazioni degli indirizzi in caso di interruzione di corrente: è bene verificarlo prima dell’installazione.

Sul lato di uscita, due relè DO. Questi azionano la bobina di un contattore intermedio; il contattore gestisce il carico del motore. Se i dispositivi sono più di due, utilizzare moduli di espansione a relè RS485 sullo stesso bus.

Porte DI per interruttori di livello dell'acqua e sensori delle porte. Utili per i sistemi di interblocco: se le prese d'aria laterali sono aperte, la pompa di raffreddamento del cuscinetto rimane spenta.

Anche il licenziamento colpisce le persone

Avevo un impianto in cui i valori di temperatura continuavano a scomparire in modo casuale. Il cablaggio sembrava a posto; anche la configurazione sembrava corretta. Alla fine ho individuato un lungo tratto di cavo all’estremità del bus privo di resistenza di terminazione. Ho inserito una resistenza da 120 Ω a entrambe le estremità e il problema è stato risolto.

Questo tipo di problema non si manifesta a livello di software. Bisogna risalire al livello fisico.

Vale anche la pena verificare se eventuali moduli relè o controllori delle pompe presenti sullo stesso bus stiano generando interferenze: in un sito, ad esempio, il relè della pompa causava errori di lettura intermittenti sui sensori vicini, finché non abbiamo aumentato la distanza tra i componenti e aggiunto dei nuclei di ferrite.

Logica di controllo

L'EG8200 esegue Node-RED direttamente sul dispositivo. Basta creare i flussi nel browser, distribuirli e il gioco è fatto. Se occorre modificare il setpoint in loco, basta aprire un browser, modificare il valore e ridistribuire.

Interroghiamo i sensori ogni 30 secondi circa. Quando la temperatura supera la soglia, DO1 attiva il contattore del ventilatore di scarico. L'umidità diminuisce e un comando di scrittura Modbus indica al controller della pompa di funzionare a potenza parziale. È prevista un'isteresi integrata in modo che il ventilatore non continui ad accendersi e spegnersi: deve scendere di un paio di gradi al di sotto della soglia di attivazione prima di spegnersi nuovamente.

Funziona interamente in locale. Anche se la connessione Internet si interrompe, la serra continua a funzionare. Quando la connessione viene ripristinata, i dati memorizzati nel buffer vengono caricati nuovamente in modo normale.

Per i siti che dispongono già di un sistema SCADA, di solito optiamo per MQTT. Lo abbiamo utilizzato con Mosquitto, HiveMQ e AWS IoT senza particolari difficoltà, anche se, se il broker esistente prevede regole personalizzate di autenticazione o relative agli argomenti, è proprio lì che si concentra il tempo necessario per la configurazione.

Non è la logica in sé a richiedere tempo. Il cablaggio, la messa in servizio dei dispositivi e gran parte del tempo dedicato alla messa in servizio finiscono per essere impiegati nel tracciare i cavi e nel verificare quale interruttore alimenti quale ventilatore: è lì che si consumano effettivamente le ore.

Automatico e manuale

Il sistema automatico funziona in modo autonomo. Tuttavia, i cambiamenti di coltura, la manutenzione e le condizioni di coltivazione impreviste fanno sì che la logica preimpostata non sia sempre adeguata.

La modalità manuale viene attivata dalla dashboard locale di Node-RED o tramite un comando MQTT. La logica automatica viene sospesa; l'operatore ha il controllo diretto. La dashboard funziona su qualsiasi browser della rete locale; non è necessaria alcuna app.

Nei siti con una connessione inaffidabile, il fatto di non dover passare attraverso un portale cloud per modificare un setpoint è più importante di quanto si possa pensare.

Messa in servizio

In una configurazione standard, una persona può renderlo operativo in poche ore. La maggior parte del lavoro consiste nel cablaggio.

Imposta l'EG8200 in modalità AP per la messa in servizio: il dispositivo trasmette la propria rete locale; non è necessario collegarsi al Wi-Fi dell'azienda agricola. Basta connettersi e aprire direttamente Node-RED.

Siti con più aree: talvolta le aree vicine condividono un unico dispositivo, se la copertura Wi-Fi è sufficiente. Le strutture separate dispongono solitamente di un proprio EG8200, ciascuno dei quali comunica tramite 4G. Alcuni siti preferiscono invece posare cavi tra gli edifici, a seconda di ciò che è già presente.

Quando ha senso

Serre commerciali per ortaggi e pomodori, sistemi idroponici, vivai per piantine, celle frigorifere. Ovunque sia necessario che il sistema di controllo continui a funzionare indipendentemente dalla connessione a Internet.

Dove si iniziano a incontrare i limiti: siti di grandi dimensioni con numerose zone controllate in modo indipendente. Due bus RS485 e due uscite a relè sono sufficienti per la maggior parte delle configurazioni di medie dimensioni. Oltre a ciò, sono necessarie più unità o hardware diverso.

Alcune domande che spesso vengono poste

Sensori di produttori diversi: funzioneranno sullo stesso bus?

Di solito sì, purché supportino il protocollo Modbus RTU. L’aspetto da tenere d’occhio è la velocità di trasmissione: la maggior parte ha come impostazione predefinita 9600 8N1, ma non tutte. Se un sensore non risponde e il cablaggio sembra corretto, questa è la prima cosa da verificare.

Funzionamento offline: come funziona in realtà?

Tutta la logica viene eseguita localmente. Internet serve solo per il caricamento dei dati e l'accesso remoto. Vale la pena effettuare un test prima di lasciare un sito: scollegare l'antenna e assicurarsi che tutto funzioni come previsto.

Le uscite a relè possono azionare direttamente i motori?

Non direttamente. Il relè aziona la bobina di un contattore; il contattore, a sua volta, controlla il motore. Se i carichi sono più di due, è necessario aggiungere moduli di espansione relè RS485.

La maggior parte dei problemi che si presentano in questi progetti riguarda in definitiva aspetti legati al livello fisico: terminazione, conflitti di indirizzi, posizionamento dei sensori. Una volta risolti questi aspetti, il resto procede piuttosto rapidamente.

Specifiche e scheda tecnica dell'EG8200: pagina del prodotto. Domande: modulo di contatto.