BAC STI2D 2017 - Eco-Aquarium - Académie Orléans-Tours - Lycée Henri-BRISSON
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Académie Orléans-Tours Eco-Aquarium Lycée Henri-Brisson
Académie Orléans-Tours
BAC STI2D 2017
Projet de S.I.N
Eco-Aquarium
Lycée Henri-BRISSON
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Académie Orléans-Tours Eco-Aquarium Lycée Henri-Brisson
Expression du besoin
De nos jours, l’aquariophilie suscite un engouement de plus en plus important. Cependant, la
diversité des espèces impose à l’aquariophile de recréer un milieu aquatique le plus fidèle possible au
milieu d’origine, tant en termes de température, d’éclairage, de qualité de l’eau que de nourriture.
Même si les aquariophiles prennent plaisir à gérer eux-mêmes leurs poissons, leurs absences,
imposent d’avoir recours à un produit permettant d’assurer un fonctionnement automatique respectant
les conditions de vie des poissons.
Le projet de gestion informatisé d’aquarium consistera en un travail de développement d’une
solution logicielle permettant la gestion automatisée d’un aquarium de type « eau douce » installé dans
une résidence. Ce projet sera mené dans le cadre d’une demande croissante de la part des organismes
aquariophiles (associations,) et des particuliers, de pouvoir gérer leurs bacs autrement que manuellement.
Le logiciel pourra être utilisé simultanément par plusieurs catégories de personnes :
– Tout particulier
– Tout professionnel ou toute association
Le développement de l’application doit donc répondre aux exigences des utilisateurs :
– simplicité d’utilisation,
– correspondre aux contraintes définies
Le système technique devra permettre de reconstituer le plus fidèlement possible le milieu aquatique
d’origine des poissons à l’aide d’un aquarium. L’aquariophile doit les élever et les faire vivre dans les
meilleures conditions.
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Présentation du Projet Eco Aquarium
Il s’agit donc de réaliser un programme complet pour assurer le fonctionnement autonome
d’un aquarium permettant de recréer artificiellement les conditions initiales de vie du poisson dans son
environnement naturel.
Le système devra :
• Réguler la température et le pH.
• Commander automatiquement l’ensemble des appareils (le chauffage ,l’éclairage, l’oxygénation, la
distribution de nourriture, de CO2, de soude, la filtration de l’eau.
• Signaler les alarmes de température, de pH.
• Informer avec l’utilisateur via un mini-écran LCD.
• Pouvoir être administré avec une interface web.
Le système sera construit autour d’une ARDUINO UNO sur laquelle seront reliées les différentes
cartes de liaison et capteur ainsi qu’un écran LCD.
L’aquarium sera équipé de :
– 2 capteurs pour la mesure du pH, et la température de l’eau.
– Une barre de relais pilotant 3 prises 230V /50Hz pour la commande des appareils (chauffage,
ventilation, éclairage, filtration, oxygénation, ...).
Le système fonctionnera en régime continu (24 heures / 24) sauf arrêt pour entretien
(changement d’appareil, extension ...) ou maintenance (prévention ou correction d’un défaut). Le pilotage
des différents modules composants le système sera donc assuré en permanence.
Shéma d’ensemble :
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Eco Aquarium
Le système Eco Aquarium devra remplir les missions suivantes :
– Le paramétrage des consignes de température, de pH temps d’éclairage.
– Le pilotage des différents modules en fonction du mode de fonctionnement, des consignes
– La visualisation des états, des données sur mini-écran LCD.
– L’archivage des états, des données et des alarmes dans une base de données.
On distinguera les modules suivants :
– Régulation de la température de l’eau (chauffage, réfrigération) ;
– Contrôle des paramètres de l’eau (pH) ;
– Surveillance et gestion des alarmes (température, pH) ;
– Gestion automatisée (éclairage, oxygénation, distribution de nourriture, distribution de CO2, de soude
filtration de l’eau) ;
– Saisie des consignes et visualisation des états.
Ressources matérielles
Ref. Description Acquisition Existant
Arduino Carte entre sortie
microcontrôleur
ATmega328
x
LCD RGB BACKLIGHT 2x16
x
Schild Ethernet Connexion au réseau avec
un prise femelle rj45 x
Bac aquarium Contenance de 40l
x
TAB. électrique Prise de 230v/50Hz
x
Chauffage Résistante immergée de
150 W x
Réfrigération Module de réfrigération
x
Filtration Pompe de 350 l/h +Ouate
filtrante x
Oxygénation Pompe a air de 50 l/h
x
Co2
NaHCo3 Bicarbonate de soude
Eclairage Ruban de LED autocollant
étanche de lux x
Nourriture Distributeur de nourriture
Rena D50N
PH Capteur de PH
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Diagramme d’exigences
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Diagramme de Blocs
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Description des fonctions
Fonction de régulation de la température de l’eau
La régulation de la température (chauffer, refroidir) sera effectuée grâce au capteur de température
d’eau, de la résistance chauffante et du Module de refroidissement.
Les poissons exotiques doivent vivre dans une eau dont la température est fidèle au climat tropical
entre 20°C et 28°C selon la région dans laquelle vivent les poissons.
La mesure de température devra être précise au minimum à 0,5 °C près.
L’oxygénation
L’oxygène fourni par les plantes n’est pas suffisant pour la respiration du poisson : il faut donc
en permanence oxygéner l’eau 7j/7 et 24h/24.
La pompe à air va libérer des bulles d’air à intervalle régulier, ce débit est réglable manuellement selon
la quantité et la taille des poissons.
La filtration de l’eau
L’aquarium étant un milieu restreint et clos, il est indispensable d’assurer un filtrage continu de l’eau afin
d’éliminer toutes les impuretés solides et d’assurer l’oxydation des protides, nitrites et nitrates.
Il faut donc en permanence filtrée l’eau 7j/7 et 24h/24.
Surveillance des alarmes
Le système doit informer l’utilisateur (mail) en cas de problème :
– manque de nourriture ;
– De température de l’eau ;
– De pH de l’eau ;
Fonction de paramétrage
Le système dispose d’une interface web permettant son paramétrage.
L’utilisateur pourra donc saisir :
– le temps d’éclairage
– Le pH de consigne.
– La température de consigne.
– L’utilisateur pourra aussi sélectionner sont adresse mail pour recevoir les alertes.
Fonction de visualisation
La visualisation se fera sur le mini-écran LCD ainsi que sur l‘interface web.
Devra afficher :
– La date et l’heure.
– La température mesurée (en °C).
– Le pH mesuré.
– La date et l’heure des dernières distributions de nourriture
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Fonction intervention
La date ainsi que le type d’intervention (nettoyage, changement de filtre, recharge des solutions pour la
régulation du Ph) son défini par l’aquariophile grâce à un calendrier. A la date venu un mail lui sera
envoyer.
Fonction de distribution de nourriture
On privilégie en aquariophilie plusieurs distributions en petites quantités plutôt qu’une distribution
en grosse quantité. On distribuera donc de la nourriture 2 à 3 fois par jour et 6 jours sur 7, en petites
quantités.
La quantité distribuée lors de chaque distribution ne doit pas être importante afin que les restes ne
viennent pas altérer la qualité de l’eau et doit dépendre de la taille totale de l’ensemble des
poissons occupant l’aquarium (somme de toutes les longueurs des poissons exprimée en cm).
L’éclairage
La flore de l’aquarium doit bénéficier d’une durée d’éclairage comprise entre 9 et 12 heures par jour car
c’est sous l’action de la lumière que s’effectue le phénomène de photosynthèse. Grâce à l’énergie solaire,
les plantes fabriquent de la chlorophylle à partir de l’eau et du CO2. Elles absorbent ainsi du CO2 et
rejettent de l’O2, nécessaire à la survie des hommes et des animaux. Les plantes respirent aussi, mais
leur absorption d’O2 et leur rejet de CO2 est négligeable devant le phénomène réalisé par la
photosynthèse. Ainsi, dans le cas d’un :
– Éclairage trop long → envahissement de l’aquarium par les algues vertes.
– Éclairage trop court → dépérissement des plantes, envahissement par des algues brunes.
Afin de ne pas stresser les poissons et afin d’imiter au mieux l’éclairage naturel (lever et coucher de
soleil), on fera un allumage et une extinction progressifs de l’éclairage
Fonction de contrôle du pH de l’eau
Une mauvaise valeur du pH provoquerait la mort des poissons. Une régulation du pH est donc essentielle, la
valeur du pH dépend de la région d’origine des poissons et donc de la teneur en pH de leur eau d’origine.
Pour la plupart des poissons, on doit toujours avoir un pH tel que : 6,5 < pH < 8. La mesure du pH se fera
à 0,1 près. Les mesures seront archivées dans la base de données.
En fonction du pH mesuré :
– Si pH < pHconsigne, le système devra libérer du bicarbonate de soude
– Si pH > pHconsigne, le système devra libérer du CO2
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Diagramme de cas d'utilisation
L’aquariophile agit sur le système en paramétrant son fonctionnement ce qui inclue :
- La régulation de la température de l’eau ;
- La régulation du PH ;
- Le réglage du temps d’éclairage ;
- La programmation des interventions ;
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-fonction régulation de la température
-réalisation du module de refroidissement
-réalisation de la maquette
-coffret électrique
-filtration
-oxygénation
La “ fonction de régulation de température ” permet de relever des mesures et d’assurer la régulation
de la température de l’eau dans l’aquarium en fonction d’une consigne réglable à partir l’application
web. Le mini écran LCD permettra de visualiser les valeurs courantes de la mesure de la température de
l’eau avec son unité
La régulation de la température se met en œuvre lorsque l’utilisateur saisie dans l’IHM la température
désirée.
La fonction « Régulation Température » assure la gestion du mode de fonctionnement suivant :
- Régulation de la température de l’eau de l’aquarium
- Respect de la consigne (valeur désirée en degrés Celsius) enregistrée par l’utilisateur en se
connectant dans l’application (IHM)avec un navigateur web.
- Mesure en continu de la température de l’eau.
- Affiche de la température dans l’IHM et sur l’écran LCD.
- Met en marche la « fonction de refroidissement » avec arrêt du chauffage lors d’une demande de
baisse de température et inversement.
- Affiche l’état (marche/arrêt) de la résistance chauffante et de la « fonction refroidissement »
s’affichent dans l’IHM mais aussi par le biais de témoins lumineux identifiés (présent sur la carte de
relais).
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Présentation du matériel utilisé
Capteur température eau DS18B20 pour Acquérir une mesure de la Température de l'eau :
Alimentation : 3 Vcc à 5,5 Vcc
Plage de mesure : -55°C à +125°C
Précision : ±0.5°C (-10°C à +85°C)
Compatible Grove
Résistance à l'eau
Poids : 49 g
Dimensions :
- longueur du câble : 2 m
- capteur : ø 6 x 30 mm
Résistance chauffante 150 w
Puissance : 150w.
Aquarium de 300l maximum.
Tension : 220 v.
Préréglage de température de 19° C à 35°C par curseur.
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Le coffret électrique :
Le coffret est composé de 3 prise 220v 12A
Aliment par secteur de 220v 12A avec du câble multibrin de 1.5mm²
Les prise sont relier avec du câble monobrin monobrin est de section 1.5 mm2
Le coffret est piloté par la platine de relais
La platine de relais :
La platine est composée de 8 relais
Pour la fonction régulation de température seul 2 relais sont utilisé
L’alimentation se faire avec courant continue 5v 20mA
La commande se fait par un mis à la masse
Le circuit de puissance quant à lui est alimenté par une phase secteur 12A 220v AC
Le relais est peut supporter jusqu’à 12A 250v AC sur le circuit de puissance
Et 5v 50mA sur le circuit de commende
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Carte de liaison Grove
De connecter très facilement des composants à sa carte Arduino sans soudure et sans faux contacts.
Carte de Ethernet :
Fonction L’oxygénation :
Bulleur de 4Watt
220v AC 50Hz
Débit :50l/h
Réglage de débit d’air par intermédiaire d’une vis
A définir par l’aquariophile selon la taille des poissons et leur
nombre.
Tourne en continue 24h/24 7j/7
Fonction filtration de l’eau :
Pompe avec filtre intégré (le filtre de ouate se place dans la
boite en plastique (ici ouvert))
Pompe de 350l/h
220v 50Hz 6.5W
Le débit peut être règle grâce a la molette situer derrière.
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Tourne en continue 24h/24 7j/7
Fonction visualisation :
Visualisation sur l’application web(voir interface web)
Visualisation LCD
LCD de 16x2
Grove - LCD RGB Backlight
Communique avec l’Arduino en I2C
Via carte de liaison Grove
Il y a d’afficher la température ainsi que l’adresse IP de
l’arduino
Module de refroidissement :
Il est réalisé par l’assemblage des éléments suivants :
- Une pompe à eau assure la circulation de l’eau de l’aquarium dans le dissipateur
thermique.
- Un dissipateur thermique constitué :
Une cuve à eau avec une entrée pour l’eau chaude et une sortie pour l’eau froidie.
Un collecteur de chaleur plongé dans l’eau de la cuve
- Un radiateur associé à un ventilateur fixé sur la face « chaude » des modules pelletier pour
les refroidir.
- Deux modules à effet Peltier joint au collecteur avec de la patte thermique :
Courant maximum : 6A à 12V
Gamme de tension suggérée : 12V à 15.5V
Différentiel de température maximum (Tmax @ Qc = 0) : 66 ° C
Puissance de refroidissement maximale (Qcmax) @ 15.3v : 50W
127 éléments Peltier
Joint de silicone
Dimensions : 40mm x 40mm x 3.5mm
Efficacité du dispositif :
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Test statique (sans circulation d’eau dans la cuve) :
- Constatation d’une baisse de 1.5° pour une cuve de 0.25l en 1 minute.
Calcul en se basant sur le test statique :
- Capacité de la cuve : 0.25ml
- Capacité de l’aquarium : 40
- Débit de la pompe : 300l/heure
Il faudra donc en Théorie 20h pour baisser la température de l’aquarium de 40 l de 1,5°C.
Diagramme de Blocs Internes Fonction refroidissement
Branchements :
- Le serveur web assure l’affichage ainsi que le paramétrage par Interface Web il sera
connecter en réseaux avec un câble Ethernet.
- L’écran LCD est connecté avec le bus I2C Arduino, afin de pouvoir afficher l’IHM.
- Le capteur de température de l’eau est branché sur le shild groove relié à l’Arduino par un
bus 1-wire.
- Les entrées de la platine de relais sont connectées aux sorties de l’Arduino.
- Les sorties de la platine de relais sont reliées au coffret électrique qui alimentent le
chauffage, le module refroidissement.
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Diagramme de Séquence – Régulation de température.
Ve ion 1.0 16 ession 2017
REFOUX LéoAcadémie Orléans-Tours Eco-Aquarium Lycée Henri-Brisson
Programmation de l’Arduino :
Les variables :
o Variable capteur température [sensors.getTempCByIndex(0)]
o Variable pour consigne [variabletemp]
o Variable relais relais_temp_froid[]
o Adresse IP de l’Arduino [Ethernet.localIP()]
o Affichage LCD [colorR,colorG,colorB]
Les différentes fonctions :
La fonction SETUP() est exécutée en premier et 1 seule fois, au démarrage du
programme .
Ici elle sert à :
-Récupère mon adresse IP défini par le DHCP
-déclarer les sorties de l’Arduino
-récupérer l’adresse du capteur de température
-prend en compte les caractéristiques de mon LCD
La fonction LOOP() s'exécute sans fin en boucle aussi longtemps que l'Arduino
est sous tension c’est généralement la fonction avec le code Principal.
Ici elle sert à :
-demande la température au capteur (température)
-affiche sur l’écran LCD l’adresse IP de l’Arduino ainsi que la température
avec le paramétrage défini
-l’Arduino écoute sur le port si un client est en ligne
-Si connecte on appelle la fonction qui décode et on récupère le retour ensuit
teste la requête http, si elle est valide et correspond a nos attente on envoie
une l’entête OK au client comme quoi on la bien reçue.
-régulation de la température
-opération Logique qui détermine si l’on doit alimenter ou non les prises de
chauffage et refroidissement
La fonction de DECODAGE décode les requêtes http et appelé dans la fonction
loop
Ici elle permet de :
-teste la Requête pour savoir si elle est valide et correspond à nos attentes
(exemple si la variable envoyer en méthode POST ou GET)
-puis pour finir elle remplace l'ancienne consigne de température par la
nouvelle consigne.
CODE en ANNEXE 1
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Interface Web :
Les différentes pages :
Page d’identification :
-Cette page permet d’entre l’adresse IP de la carte avec un formulaire afin l’envoyer a la page de
connexion.
Page de connexion:
-permet la connexion à l’Arduino
- elle sert a paramétrage de la consigne température et visualiser la température.
Code source :
Voir annexe 2.
18Académie Orléans-Tours Eco-Aquarium Lycée Henri-Brisson
Vue de la maquette (réaliser par Léo Trefoux)
Evolutions Possibles :
Création d’une fonction « volume d’eau aquarium » afin faire varier l’alimentation des modules peltier.
Cette fonction permettrait de garder les mêmes performances de refroidissement quel que soit le volume d’eau.
Amélioration de l’aspect visuel est ergonomique de l’interface web.
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ANNEXE 1
Code source du programme Arduino
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21Académie Orléans-Tours Eco-Aquarium Lycée Henri-Brisson
22Académie Orléans-Tours Eco-Aquarium Lycée Henri-Brisson
ANNEXE 2
Page d’identification :
Page de visualisation de la température et paramétrage de la consigne :
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Glossaire
Alarme : Une alarme est un signal avertissant d'un danger. À ce titre, l'alarme est une information
émise afin de provoquer une réaction. L'alarme nécessite une connaissance préalable du danger. En
effet, il n'y a pas d'alarme tant que le danger n'est pas connu.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Alarme
Signal déclenché lorsqu’un des seuils à respecter est dépassé.
Aquariophile : Un aquariophile est une personne qui élève en aquarium, ou en bassin de jardin
d'agrément, des animaux ou plantes aquatiques, pratiquant par définition l'aquariophilie. Les animaux
peuvent être vertébrés ou invertébrés, et les milieux d'eaux peuvent être de diverses natures : avec ou
sans sel, acides ou basiques, doux ou durs, continentales ou marines, tropicales ou tempérées.
[http://www.aquaportail.com/definition-3668-aquariophile.html]
Aquariophilie : L’aquariophilie est le loisir qui consiste à s'occuper d'animaux et de plantes aquatiques
dans un aquarium ou un étang en mettant en valeur l'aspect esthétique d'un milieu aquatique.
[https://fr.wikipedia.org/wiki/Aquariophilie]
Base de données : Outil permettant de stocker et de retrouver l'intégralité de données
brutes ou d'informations en rapport avec un thème ou une activité.
Contient toutes les données concernant le système (données poissons, seuils, consignes...).
Bicarbonate de Soude : Bicarbonate de soude. Augmente le pH de l'eau. NaHCO3
Chauffage : Résistance chauffante servant à chauffer l'eau lorsqu'elle est trop froide.
Consigne : La valeur de consigne est la valeur de la grandeur physique, fixée par la partie commande
qu'un automatisme visera à atteindre.
[https://fr.wikipedia.org/wiki/Valeur_de_consigne]
Co2 : Le CO2 est le nutriment le plus important pour les plantes. Sans CO2, une plante ne peut pas
faire sa photosynthèse, qui est la première étape d'une longue série de processus qui mènent à la
croissance.
DS18B20 : Capteur numérique de température (eau).
Bus I²C Conçu par Philips pour les applications de domotique et d’électronique domestique, il permet
de relier facilement un microprocesseur et différents circuits, notamment ceux d’un téléviseur
moderne : récepteur de la télécommande, réglages des amplificateurs basses fréquences, tuner,
horloge, gestion de la prise péritel, etc.
Ce bus porte parfois le nom de TWI (Two Wire Interface) chez certains constructeurs.
1-wire :
Le bus 1-wire est un bus conçu par Dallas Semiconductor qui permet de connecter (en série, parallèle
ou en étoile) des composants avec seulement deux fils (un fil de données et un fil de masse). De nature
similaire à I²C, il présente cependant des vitesses de transmission et un coût inférieur. Il est
généralement utilisé en domotique pour des thermomètres ou autres instruments de mesure
météorologiques. Il est également très utilisé dans les circuits de gestion de l'énergie dans les batteries
d'équipements électroniques et les chaînes d'onduleurs.
Éclairage : la lumière joue un rôle primordial sur l'activité photosynthétique des plantes et le
métabolisme des poissons.
25Académie Orléans-Tours Eco-Aquarium Lycée Henri-Brisson
Ecosystème : En écologie, un écosystème est l'ensemble formé par une association ou communauté
d'êtres vivants (ou biocénose) et son environnement biologique, géologique, édaphique, hydrologique,
climatique, etc. (le biotope). Les éléments constituant un écosystème développent un réseau d'échange
d'énergie et de matière permettant le maintien et le développement de la vie.
https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89cosyst%C3%A8me
.
Filtration : Système permettant de retenir les matières en suspension (déjections des poissons,
particules de nourriture non consommées, débris végétaux, etc...) contenues dans l'eau.
Horodatage : Mécanisme qui consiste à associer une date et une heure à un événement, une
information ou une donnée informatique.
IHM : Interface homme machine.
Intervention : Action sur le système.
Journalisation : Sauvegarde des événements sortant de l'ordinaire.
Mesure : En mathématiques, une mesure positive (ou simplement mesure quand il n'y a pas de risque
de confusion) est une fonction qui associe une grandeur numérique à certains sous-ensembles d'un
ensemble donné. Il s'agit d'un important concept en analyse et en théorie des probabilités.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Mesure_(mathématiques)
Oxygénation : Propension des molécules d’oxygène contenues dans l’air à se dissoudre dans l’eau lors
d’un brassage, permettant ainsi d’en augmenter la concentration, ceci jusqu’à saturation.
+
pH : Le potentiel hydrogène (ou pH) est une mesure de l'activité chimique des ions hydrogènes H
(appelés aussi couramment protons) en solution. Notamment, en solution aqueuse, ces ions sont
présents sous la forme de l'ion oxonium (également, et improprement, appelé ion hydronium).
Rena D50N : Distributeur de nourriture.
Seuil : La valeur de seuil est la valeur critique de la grandeur physique.
SEN0161 : Capteur de pH.
UML : Langage de modélisation graphique.
Réfrigération : l’eau circule dans un circuit ou est plonge un dissipateur thermique qui de refroidir l’eau a
son passage.
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