Nanoreef automatizzato: da sogno a realtà

Vi presentiamo “Nanoreef automatizzato: da sogno a realtà“, scritto da Thomas Di Maggio, vincitore della sezione “Fai da te” del contest di AcquaPortal.it.

Nanoreef automatizzato: quando è nata la mia idea

La mia passione per gli acquari viene da lontano. Ero poco più di un bambino quando ho convinto i miei a farmi mettere in piedi il primo dolce, con poche pretese ma anche poca preparazione.

Poi ho allestito un marino, in età universitaria, gestito malissimo, affidandomi a un negoziante poco competente. In seguito, di nuovo un dolce con un pochino di competenze in più e, infine, un trasferimento in una città e in una casa nuove ha arrestato la mia attività di acquariofilo.

Alla fine degli studi e prima di trovare il mio primo lavoro vero, avevo fatto un progetto piuttosto completo di un nanoreef con due peculiarità importanti: cubo senza nessuna attrezzatura visibile in vasca e controller PLC per la gestione più possibile automatica di tutto, cambio acqua compreso. Costo del prototipo altissimo, mai realizzato.

Quest’estate al mare mi è ricapitato in mano quel lavoro. Nei sei anni intercorsi ho letto molto e mi sono reso conto che quel progetto era pressoché irrealizzabile. Ma si è riaccesa la fiamma. Un cambio di scenario domestico mi ha dato la forza di riesaminare il tutto e l’evoluzione tecnologica ha semplificato l’ottenimento di target di questo tipo.

Quindi, con rinnovato coraggio, ho ripreso il progetto e l’ho rivoluzionato. E ora sto costruendo il mio “pezzo di mare in salotto”. Vorrei dettagliare le scelte tecniche fatte, raccontare le problematiche incontrate e le soluzioni intraprese, sperando di essere utile a qualcun altro per piccoli o grandi progetti pieni di passione, come il mio.

Il progetto, gli ostacoli e la tecnica

Come sempre per queste imprese il progetto di nanoreef automatizzato è stato portato avanti in modo iterativo. In partenza il desiderio era una vasca cubica, di circa 40 cm di lato, senza alcuna attrezzatura visibile in vasca, da posizionare al centro di una stanza, il tutto gestito in modo più automatizzato possibile.

A quel punto ho fatto la cosa più intelligente di tutto il progetto: ho aperto un thread sul forum di Acquaportal. Lì gli amici esperti mi hanno dato un’infinità di consigli, abbiamo rivisto criticamente il progetto ed ho quindi ridimensionato i requisiti.

Sono in un appartamento dove, come nella stragrande maggioranza dei casi, non è possibile portare carico e scarico dell’acqua in centro ad una stanza senza spendere un sacco di quattrini in lavori edilizi. Quindi, non volendo rinunciare ad una automazione spinta che comprendesse anche il cambio acqua, ho trovato una soluzione alternativa poco penalizzante.

Ho una piccola parete, che separa la cucina dalla zona salotto, la zona giorno un open-space. Ho quindi pensato di allacciarmi alla cucina per avere carico e scarico in zona acquario. Sono riuscito a fare ciò a costo quasi nullo perché ho trovato ed utilizzato un finto battiscopa che nasce per nascondere le tubazioni dei caloriferi. Qui sotto una spiegazione del percorso che avrebbero dovuto fare i tubi: scarico acqua di cambio in rete, quindi tubo pompa da 20 mm, carico acqua verso impianto d’osmosi e scarico concentrato in rete, quindi due tubi da ¼ di pollice. Ecco anche il risultato finale.

Bene, con questo escamotage abbiamo finalmente carichi e scarichi dall’acqua in zona acquario!

Superato questo grande scoglio, ho cominciato a selezionare l’attrezzatura tecnica necessaria per ottenere il massimo da questo sistema. Ho seguito l’iter che ormai è molto chiaro a chi legge un po’ il forum.

• Scelta di cosa si vuole allevare: SPS, LPS e qualche pesce;
• Scelta del metodo di gestione: berlinese classico bare bottom con reattore di calcio ed eventuali integrazioni in futuro;
• Dimensioni della vasca: dopo varie considerazioni con gli amici del forum sono approdato ad un 65x65x55 cm, circa 200 litri (più stabile e più semplice per quanto riguarda la selezione di attrezzatura performante);
• Skimmer: Deltec SC1456 con pompa elettronica (in vista di potenziale gestione automatica);
• Pompa di risalita: Tunze 1073.050 (in vista di potenziale gestione automatica);
• Plafoniera: Ecotech Radion G4 Pro XR30W;
• Pompe di movimento: 2x Ecotech Vortech MP40W QD;
• Carico e scarico: UltraReef 40;
• Reattore di calcio: UltraReef UCS-120 con bombola CO2 ricaricabile 2 kg;
• Riscaldatori: Titanio da 250 W + classico da 150 W;
• Refugium: sì, da circa 30 litri.

L’automazione

Non volevo un acquario marino a gestione classica. Non ho molto tempo e non voglio dedicarne troppo alla gestione della manutenzione routinaria, come i cambi acqua, perdendomi il gusto di godere della vasca. Non voglio sia solo un impegno e avevo anche bisogno di dare questo segnale alla mia famiglia. In più, amo le sfide tecniche e quindi mi sono fatto coraggio e ho deciso di implementare quanta più automazione possibile nella gestione della vasca.

L’idea iniziale era imparare ad usare Arduino e scrivere un codice che lo sfruttasse per l’automazione del sistema. Ho cominciato a farlo e mi sono appassionato. Ho cercato un po’ sul web e ho trovato molti progetti già fatti, ma tutti volti ad uno scopo ben preciso: rabbocco automatico, gestione del reattore di calcio, gestione dei riscaldatori…nulla di univoco e completo.

Poi mi sono imbattuto in un progetto, completamente open source, di un ragazzo brasiliano il quale ha costruito un vero e proprio controller completo, anzi è arrivato al punto di farlo in piccola serie e ne ha venduta qualche unità in giro per il mondo. Questo controller ha il pregio, rispetto agli altri oggetti dello stesso tipo, di avere un’interfaccia web molto ben fatta (da un italiano peraltro).

Ho quindi deciso di trovare uno di quei controller e di modificare il codice secondo le mie esigenze. Mi sono iscritto sul forum del brasiliano e ho contattato TUTTI gli iscritti e quindi presumibilmente possessori di un Ferduino, questo il nome del controller (da Fernando, il nome del brasiliano e Arduino, il cuore del sistema).

Ho trovato un ragazzo che mi ha venduto un controller usato e dopo svariate peripezie mi è arrivato. Non funzionava una mazza! Ho dedicato mesi di nottate a questo progetto e sono riuscito a portarlo ad un funzionamento stabile e completo. Ho studiato il codice del brasiliano, davvero ben fatto, e l’ho modificato per il mio nuovo sistema. Ecco un breve riassunto delle problematiche più grosse che ho incontrato.

• La scheda può essere alimentata da 7 a 12 V. Se si alimenta con 12 V funziona anche la scheda da 16 relays ad essa collegata che il brasiliano ha previsto. Purtroppo però l’Arduino che c’è montato sopra funziona a 5 V quindi c’è un regolatore di tensione che abbatte i 12 V a 5 V. Questo regolatore nel fare quest’operazione genera un’enorme quantità di calore che manda in blocco tutto il controller. Ho montato un dissipatore sotto la scheda ed una ventola sopra la scheda e la cosa sembrava funzionare;
• La scheda da 16 relays non era optoisolata e durante i vari test sotto carico spesso i relays hanno smesso di funzionare. Ho quindi deciso di sostituire quella scheda con 3 schede da 6 relays optoisolati ed alimentati a 5 V. In questo modo ho risolto sia i problemi sui relays sia quello del surriscaldamento. Attenzione però che la corrente erogata dall’alimentatore deve essere di almeno 3 A;
• Ferduino è pensato e scritto per un touch da 3.2 pollici, ho trovato una versione speciale modificata per farlo funzionare con un 7 pollici;
• Ho rivisto completamente tutte le sequenze e la gestione delle utenze controllate da Ferduino adattandole alle mie esigenze e al mio sistema;
• Ho progettato e costruito con mio padre la plafoniera LED per il refugium, usando componenti SMD;
• C’è un’azienda americana che si chiama Atlas Scientific che produce dei micro-circuiti facilmente gestibili con Arduino e delle sonde perfette per l’uso in acquariofilia. La linea EZO è davvero ben fatta. Attenzione però perché sono sensibilissime alle correnti parassite e i circuiti vanno opportunamente isolati. Io per farlo ho acquistato delle opportune carrier board, sempre di Atlas;
• Arduino va in crash quando deve azionare dei relays e si ritrova contemporaneamente in due cicli if diversi, con diversi stati degli stessi relays. È abbastanza ovvio ma se si pensa che il codice sia giusto sembra un malfunzionamento hardware e si rischia di andare fuori di testa.

Ma vediamo nel dettaglio cosa posso fare con il controller:

• controllare sia da web che da touch tutti i parametri di funzionamento come temperatura acqua, temperatura plafoniera refugium, temperatura aria, PH vasca, PH reattore di calcio, ORP vasca, salinità vasca, livelli con valori istantanei e grafici nel tempo;
• controllare riscaldatori e ventole di raffreddamento ed avere grafici del loro funzionamento;
• controllare portata pompa di risalita;
• controllare accensione e spegnimento di praticamente tutte le utenze;
• gestire rabbocco automatico;
• gestire cambio automatico dell’acqua direttamente dalla rete idrica;
• gestire erogazione CO2 nel reattore di calcio;
• gestire pompa che alimenta il refugium;
• gestire ogni singolo canale della plafoniera led del refugium (blu, deep blu, red, white, UV e luna), simulando fulmini, temporali e nubi oltre ovviamente a fase lunare, alba e tramonto;
• gestire un alimentatore automatico con calendario settimanale;
• gestire fino a 6 dosometriche con calendario settimanale;

Ecco qualche foto delle schermate del touch e qualche screenshot del portale web.

Organizzazione dello spazio, progettazione e costruzione del supporto

Per valutare gli ingombri e l’organizzazione degli spazi, ma soprattutto per capire come costruire il mobile di sostegno ho disegnato tutto quanto su un programma molto semplice, gratuito nelle sue funzioni base ed estremamente popolare: Google Sketchup. Anche su questo punto, sono stati fondamentali gli scambi di opinioni sul forum.

Dopo molte riflessioni e diversi tentativi di design sono giunto alla soluzione per me ottimale. Ho usato profili di alluminio a sezione quadrata o rettangolare, quelli con le cave a coda di rondine da 8 mm. Per sostenere la vasca principale ho usato 4 “zampe” da 45×90 mm e tutta la struttura da 45×45 mm. La parte di mobile di servizio, quindi non strutturale, l’ho progettata e costruita con profili da 30×30 mm.

Mi sono rivolto ad un noto fornitore di questo tipo di supporti del milanese. Prodotto buono, servizio buono, tempistiche buone. Unica grossa pecca le giunzioni che danno per fissare fra loro i profili: non danno quelle che si possono aggiungere a due profili già assemblati fra loro, ma dei quadri di metallo da infilare prima di serrare la struttura. Questo complica infinitamente il montaggio e vanifica i vantaggi di questo tipo di strutture. Non è possibile inoltre aggiungere pezzi a struttura assemblata, cosa estremamente comoda con gli appositi piedini. Se fate questa scelta quindi richiedete i piedini filettati appositi o comprateli online.

Nella foto di sinistra il tipo di giunzione proposta dal fornitore (bullone e quadro di metallo), a destra quella che secondo me è più comoda ed adeguata.

Ecco la disposizione dello spazio. Nella parte centrale, larga esattamente come la vasca meno 5 mm per parte, che sarà lo spessore dei pannelli di rivestimento, ci sono la vasca sopra e la sump sotto. Nella parte a L, leggermente più bassa (850 mm contro i 1000 mm della parte centrale) troviamo i due quadri elettrici (uno con elettronica e bassa tensione e uno con tutte le prese da 220V di cui la maggior parte pilotate dai relè di Ferduino), la vasca dove viene preparate l’acqua per il cambio automatico, l’impianto ad osmosi inversa, la bombola di co2, la vasca con l’acqua d’osmosi per i rabbocchi. A breve installerò anche dei contenitori per le dosometriche e le pompe stesse.

Si può notare che fra progetto e sviluppo reale qualche modifica è stata fatta, soprattutto per i quadri elettrici.

In un pezzo di struttura disegnata ad hoc fra vasca e sump c’è il refugium, di dimensioni 400×250 mm, alto 300 mm, montato su un cassetto costruito con guide a cuscinetti ad alto carico. In questo modo per fare manutenzione al refugium basta “aprire il cassetto” e si ha completa accesibilità alla vaschetta. Anche il refugium ha uno scarico UltraReef e una piccola pompa di movimento al suo interno. Ho scelto di adottare un refugium essenzialmente per consumare inquinanti in modo naturale e stabilizzare il PH.

Infine c’è un vano molto stretto dietro la vasca che nasconde il carico e lo scarico UltreReef con i loro tubi, i controller delle pompe Vortech e il sostegno per la plafoniera.

La vasca non risulta fruibile proprio da tutti e 4 i lati completamente, ma quasi. Diciamo un bel risultato rispetto alle mie aspettative.

I pannelli di chiusura sono di Forex bianco, tagliati su misura da un amico di amici. La cosa interessante penso sia il sistema con cui i pannelli si attaccano alla struttura del supporto. Ho agganciato dei magneti al neodimio all’interno delle cave dei profili del supporto. Poi ho incollato delle piattine larghe esattamente quanto le cave sui pannelli. Ora appena avvicino i pannelli alla struttura loro si attaccano nella posizione corretta e stanno belli adesi al supporto! In questo modo il mobile non ha maniglie e i pannelli sono esattamente a filo del perimetro della vasca, cosa che trovo molto elegante. La praticità poi di rimuovere tutti i pannelli per fare manutenzione è insuperabile.

La sump, le vasche di servizio e le logiche per il cambio automatico

La sump è 500×500 mm. C’è un vano di scarico con una calza che svolge la funzione di filtro meccanico e la pompa che manda acqua al refugium e al reattore di calcio. L’acqua tracima da questo vano in quello tecnico vero e proprio. Qui c’è un livello costante di circa 22 cm e vi sono il riscaldatore in titanio, lo skimmer, il reattore di calcio e la pompa che durante il cambio acqua scarica in rete idrica l’acqua da buttare. In questo vano è ancora disponibile un po’ di spazio nel caso servisse per un eventuale letto fluido. Ci sono anche la sonda di temperatura, quella del PH, quella dell’ORP e quella di conducibilità. Da qui l’acqua tracima nel vano di carico dove c’è la pompa di mandata e un riscaldatore di backup regolato a una temperatura più bassa di quella di regime. In sump ci sono 3 sensori di livello: uno di minimo nel vano tecnico, uno di massimo sopra il vano tecnico e quello di carico e infine quello di normale funzionamento nel vano di carico. Quando quest’ultimo segnala livello basso vuol dire che è evaporata acqua e quindi ne viene pompata dalla vasca piena di acqua d’osmosi in modo che la salinità venga mantenuta costante. Ecco qualche foto. i livelli non sono veritieri perché ho ancora le pompe spente, ma il test ha dato esito ok.

La vasca di cambio ha due sensori di livello, uno di minimo e uno di massimo. Al suo interno poi ci sono una pompa di movimento, un riscaldatore e una pompetta a 12 v che la collega alla sump.

Qualche giorno prima del cambio si inserisce il sale pesato per ottenere la giusta salinità nel volume d’acqua fino al livello massimo e si schiaccia un pulsante sul touch. A quel punto viene pompata acqua fino al livello massimo della vasca di cambio, si accendono il riscaldatore e la pompa di movimento.

Il giorno e l’ora del cambio sono fissati dall’applicazione o dal touch. Può essere un appuntamento ricorrente (per esempio tutte le domeniche alle 6). In quello specifico momento parte la routine di cambio. Si spengono skimmer, pompa di risalita e pompa del refugium. Viene pompata in rete idrica direttamente dalla sump la quantità di acqua da scaricare che corrisponde a quella contenuta fra il minimo e il massimo della vasca di cambio. Quando scatta il livello minimo della sump si spegne la pompa che scarica in rete. Si accende la pompa che sposta l’acqua dalla vasca di cambio alla sump, finchè non scatta il livello minimo del cambio. A quel punto il livello in sump è tornato normale e ripartono tutte le utenze. Pronti per il prossimo cambio.

Nanoreef automatizzato: riflessioni e commenti

Sono consapevole di essermi imbarcato in un’impresa complicata e di certo dispendiosa, anche se le spese più grosse devo dire che le ho sostenute per avere attrezzatura tecnica di buon livello (se non il top) e non per topic specifici relativi alle particolarità del mio progetto, come l’automazione (fatto salvo per i circuiti e le sonde Atlas Scientific). Penso di aver allestito un sistema che ha tutti i requisiti fondamentali per dare vita ad un bel reef, completo ed equilibrato. Spero anche che il tutto risulti stabile e robusto nel tempo.

Ho sempre cercato di informarmi e di fare le cose consapevolmente, senza improvvisazioni, nella speranza di ottenere risultati brillanti. Ho compreso che la virtù più grande di un acquariofilo è la pazienza ma ammetto che ora non vedo l’ora di vedere questo miscuglio di idraulica, fisica, chimica, elettronica, elettrotecnica, meccanica prendere vita.
Ci tengo a ringraziare mia moglie, sempre disposta a sopportarmi, mio padre, sempre disponibile a supportarmi, e la mia bambina, che semplicemente vuole un pesce viola.