Phytosense:
An Interactive Facade
Year:
2014

Institution:
IaaC (Institute for Advanced Architecture of Catalonia)

Location:
IaaC (Institute for Advanced Architecture of Catalonia)
Fabrica Moritz, Barcelona
Maker Fair Rome 2014

Partners:
Pablo Marcet
Dimitrios Aidonis
Alejandro Martinez del Campo
Carmen Aguilar y Wedge


Το σύστημα πρόσοψης PhytoSense είναι μια διαδραστική πράσινη πρόσοψη που χρησιμοποιεί το swept frequency capacitive ώστε να «παίζει» με το φως ανάλογα με την αφή. Μια σειρά από φυτά επιλέγονται από την υφή τους και επιτρέπουν στο χρήστη να αλληλεπιδράσει και να είναι σε επαφή μαζί τους, εξασθενώντας το φως στα φυτά που αγγίζονται. Αλλά πώς λειτουργεί; Πώς μπορεί να αισθανθεί το φυτό όταν το αγγίζει;

Το κύκλωμα αντιλαμβάνεται τις μεταβολές της τάσης και της χωρητικότητας από το ρεύμα που διέρχεται από έναν χωρητικό αισθητήρα σάρωσης συχνότητας (SFCS) προσαρτημένος σε έναν αγωγό (πλάκα χαλκού) που θάφτηκε σε ένα διηλεκτρικό (φυτευτή και φυτό). Με το κύκλωμα σε αυτή την κατάσταση, το ρεύμα τρέχει ελεύθερα μέσα από αυτό μέχρι να βρει έδαφος και δεν αισθάνεται κάτι. Ωστόσο, όταν ένας δεύτερος αγωγός (ανθρώπινο χέρι) πλησιάζει ή αγγίζει το φυτό, γίνεται ένας πυκνωτής ανάμεσα στην πλάκα χαλκού και το χέρι, με το φυτό να λειτουργεί ως το διηλεκτρικό του αδρανές υλικό. Η εισαγωγή του πυκνωτή στο κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος αλλάζει τη συχνότητα της τάσης και του ρεύματος αφού περάσει από τον πυκνωτή, μια αλλαγή στη συχνότητα που μετράται από το SFCS.

Το SFCS μπορεί επίσης να μετρήσει τη μεταβολή της χωρητικότητας του συστήματος. Αυτή η αλλαγή δημιουργείται από τον τρόπο που αγγίζεται η μονάδα. Οι κυριότερες μεταβλητές που την αλλάζουν είναι η απόσταση από το χέρι στην πλάκα χαλκού και το εύρος επιφάνειας που αγγίζει το φυτό (δεύτερη αγώγιμη περιοχή). Μία μείωση στην απόσταση των αγωγών και μια αύξηση στην περιοχή αλλάζουν τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των αγωγών. Αυτό αυξάνει το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ τους, παραμορφώνοντας περαιτέρω τη συχνότητα. Ο πυκνωτής επηρεάζεται επίσης από την "μη αγώγιμη" χωρητικότητα του διηλεκτρικού, γεγονός που κάνει ορισμένες μονάδες να λειτουργούν καλύτερα ή χειρότερα ανάλογα με παράγοντες όπως η περιεκτικότητα σε υγρασία του εδάφους η ποσότητα ιστού στην μεμβράνη του φυτού και η αγωγιμότητα του χρήστη.

Τόσο η αλλαγή της συχνότητας όσο και η αύξηση της χωρητικότητας που ανιχνεύεται από το SFCS επιτρέπει στο φυτό να "αισθάνεται" πως αγγίζεται και να αντιδρά ανάλογα με κάποιο τρόπο. Αυτή η τιμή (σε αυθαίρετες μονάδες) είναι αυτή που ελέγχει τον τρόπο και το σημείο στο οποίο κατευθύνεται το φως.

Το σύστημα είναι ευάλωτο από την άποψη της μεταβαλλόμενης αίσθησης που οφείλεται σε διάφορους παράγοντες όπως ο θόρυβος συχνότητας, η εφαρμοζόμενη τάση και η αντίσταση μεταξύ άλλων. Αρκετές δοκιμές που χρησιμοποιούν διαφορετικές διαμορφώσεις αισθητήρων διεξήχθησαν πριν πάρουν μια σταθερή ανάγνωση. Οι πρώτες δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποίησαν ένα απλό σύστημα με αντίσταση 100 KOhm και διάφορα φρούτα. Ο πειραματισμός fruitDuino έγινε με φυτά, αλλά απέδωσε πολύ διαφορετικές τιμές από είδος σε είδος. Οι περαιτέρω δοκιμές και η μετάβαση σε ένα νέο κύκλωμα SFCS έδωσαν πιο σταθερά και αξιόπιστα αποτελέσματα, επιτρέποντάς μας να εφαρμόσουμε την τεχνολογία σε ένα σύστημα πρόσοψης. Το SFCS συνδέθηκε με ένα μόνο φυτό σε ένα πείραμα καθώς και με πολλά φυτά ταυτόχρονα μέχρι να δημιουργηθεί η τελική έκδοση. Ο αισθητήρας SFCS λειτουργεί με τη μέτρηση της μεταβολής της τιμής στην χωρητικότητα. Η ηλεκτρική ροή διατρέχει τον αισθητήρα SFCS στη μονάδα μέτρησης της μεταβολής της χωρητικότητας. Το κύκλωμα είναι στη συνέχεια συνδεδεμένο σε ψηφιακές και αναλογικές ακίδες στο Arduino, το οποίο στη συνέχεια ελέγχει τα διευθυνσιοδοτούμενα LED στην πρόσοψη. Η παλέτα χωρίζεται σε τέσσερα τεταρτημόρια, επειδή το Arduino Mega υποστηρίζει χρονοδιακόπτες τεσσάρων 16 bit, ιδανικό για τον έλεγχο των διευθύνσεων LED.

Κατασκευασμένο σε μια ανακυκλωμένη παλέτα, το PhytoSense αποτελείται από 12 γλάστρες στερεωμένες στο πίσω μέρος της παλέτας, επιτρέποντας στα φυτά να αναπτυχθούν μέσα από τα εκτεθειμένα κενά. Ένα χάλκινο πιάτο στρώνει το εσωτερικό κάθε φυτευτή και συνδέεται με ένα SFCS. Τέσσερις αισθητήρες SFCS ελέγχουν ανεξάρτητα τα τέσσερα τέταρτα της παλέτας. Ανάλογα με το τετραγωνίδιο που αγγίζεται, διευθυνσιοδοτούμενες λάμπες LED σταδιακά εξασθενούν από πράσινο σε κόκκινο. Η απουσία αφής επιστρέφει τις λάμπες LED στο προηγούμενο χρώμα τους. Το σύνολο του πρωτοτύπου ελέγχεται από ένα 16-bit Arduino Mega, το οποίο διαβάζει τις τιμές των αισθητήρων σε πραγματικό χρόνο. Το PhytoSense χρησιμοποιεί μια ποικιλία τοπικών φυτών και η ικανότητά του να μετρά χωρητικότητα διαφέρει ανάλογα με διάφορους παράγοντες, όπως το μήκος των φύλλων, η κατακράτηση νερού και η υγρασία του εδάφους. Οι πολλές και διαφορετικές παράμετροι μας οδήγησαν στην απλοποίηση της αλληλεπίδρασης.



The PhytoSense façade system is an interactive green facade that uses swept frequency capacitive sensing to play with light depending on touch. An array of plants selected by their texture lets the user interact and be in “touch” with them by fading light to the plants being touched. But how does it work? How can the plant “feel” when it is being touched?

Τhe circuit senses changes in voltage and capacitance from current being run through a swept frequency capacitive sensor (SFCS) attached to a conductor (copper plate) buried in a dielectric (planter and plant). With the circuit on this state, current runs freely through it until it finds ground and nothing is sensed. Yet, when a second conductor (human hand) approaches or touches the plant, a capacitor is made between the copper plate and the hand, with the plant acting as its dielectric inert material. Introducing the capacitor to the AC circuit changes the frequency of the voltage and current after it goes through the capacitor, a change in frequency that is measured by the SFCS.

The SFCS can also measure the change in capacitance of the system. This change is created by the way the plant is touched. The main variables that change it are the distance from the hand to the copper plate and the amount of area touching the plant (second conductive area). A decrease in the distance of the conductors and an increase in the area change the potential difference between the conductors. This increases the electrical field in between them, distorting the frequency further. The capacitor is also affected by the “non-conductive” capacity of the dielectric, this makes some plants perform better or worse depending on factors such as the moisture content of the soil the amount of tissue on the plant membrane, and the conductivity of the user.

Both the change in frequency and the increase of capacitance sensed by the SFCS allows for the plant to “feel” how it is being touched and react in a certain way depending on it. This value (in arbitrary units) is the one which controls how and where the light is being directed.

The system is delicate in terms of the sensed value changing due to several factors as frequency noise, voltage applied, and resistance among others. Several tests using different sensor configurations where conducted before getting a stable reading. The first tests conducted used a simple system with a 100 KOhm resistor and various fruits. The fruitDuino experimentation was done on plants but yielded very different values from species to species. Further testing and switching to a new SFCS circuit gave more stable and reliable results, allowing us to implement the technology into a facade system. The SFCS was connected to a single plant in one experiment as well several plants together until the final version was created. The SFCS sensor works by measuring the change in value in capacitance. Electrical flow runs through the SFCS sensor to the plant measuring the change in capacitance. The circuit is then plugged to digital and analog pins on the Arduino which then controls the addressable LEDs on the facade. The pallet is divided into four quadrants because the Arduino Mega supports four-16 bit timers, ideal for controlling the addressable LEDs.

Built on a reused pallet, PhytoSense is comprised of 12 planters fastened to the back of the pallet, allowing plants to grow through the exposed gaps. A copper plate lines the inside of each planter and is attached to an SFCS. Four SFCS sensors control the four quarters of the pallet independently. Depending on which quadrant is touched, addressable LEDs gradually fade from green to red. The absence of touch returns the LEDs to their previous color. The whole prototype is controlled by one 16-bit Arduino Mega, which reads the sensor values in real time. PhytoSense uses a variety of local plants and their ability to measure capacitance differs depending on various factors, such as leaf length, water retention, and soil moisture. The many and different values led us to simplify the interaction.