Творчий проєкт

«Розумна теплиця»

Прізвище,  ім’я автора:  Жамліханов Євген

Керівник: Юричко Віктор Михайлович

Заклад освіти, клас: Комунальний заклад  «Луцька загальноосвітня школа І-ІІІ ступенів № 13 Луцької міської ради», 7- А клас

Для тих, хто ніколи не стикався з вирощування сільськогосподарських культур, догляд за такими рослинами може здаватися легкою та швидкою справою. Можна подумати, що для отримання врожаю достатньо посадити рослину (при цьому тип та якість ґрунту неважливі), поливати з певною частотою (коли є вільний час) – і будеш мати гарний врожай. Насправді ж це нелегка справа, яка займає багато часу та потребує ґрунтовних знань у даній області. На сьогодні існують методи її полегшення, які дозволяють автоматизувати деяку частину людської праці. Не будемо зупинятись на таких моментах, які обов’язково потребують людської праці і які не можна спростити, а також на нюансах суто сільськогосподарської сфери, зрозумілих лише для компетентної в даній області людини, адже це відходить від тематики даної роботи.

Найперше, що приходить на думку якщо хочеться полегшити догляд за рослинами та покращити врожай – теплиця. Це спеціальне приміщення для найефективнішого вирощування сільськогосподарських культур та розсади, що представляє собою споруду захищеного ґрунту зі світлопроникним куполом і направлене на зменшення впливу погодних умов на рослини і збільшення врожаю. Теплиці бувають різних видів, форм, будуються з використанням різних видів матеріалів.

Для полегшення праці використовують автоматизовані розумні теплиці. Щоб мати право називатись «розумною» теплиця повинна відповідати таким основним вимогам:

 Автоматичний полив, при якому рослина отримує необхідну кількість води, не пересихаючи та не перезволожуючись. 

 Автоматична підтримка температурного режиму шляхом обігріву та провітрювання. 

На теперішній час для досягання таких результатів існують різні види обладнання, наприклад датчики температури, вологості, світла, фітолампи та інші.

А тепер розглянемо будову «Розумної теплиці», яку я вибрав для проєктної роботи.

Основні компоненти пристрою

1. Плата з відкритим кодом Arduino NANO
2. Ємнісний датчик вологості ґрунту
3. Датчик температури ВМЕ-280
4. Сенсорна кнопка
5. Модульне реле
6. Клема РСТ-223
7. LCD дисплей 16х2
8. Led стрічка 12 В 1 м.
9. 12 вольтова помпа для води
10.  Пластмасовий контейнер
11.  Акумулятор Samsung 18650
12.  Павербанк 10 А
13.  Послідовний контейнер для акумуляторів

У цьому дослідженні реалізовано систему автоматичного догляду за рослинами, призначеної для підвищення ефективності використання фізичної сили, водних та енергоресурсів при вирощуванні сільськогосподарських культур.

Розроблена система забезпечує контроль над температурою та вологістю повітря. Також установка обладнана постійним освітленням. У якості основи проєкту використовується друкована плата мікроконтролерів Arduino Uno з відкритим кодом.

Для програмування використали платформу Arduino.

Arduino – це платформа на базі мікроконтролерів сімейства Atmega, американської фірми Atmel. Завдяки простоті конструкції і досить легкому навчання написання коду на ній, вона є досить популярною і дуже корисною річчю для початківця програміста або радіоаматора. Однак, її можливості, аж ніяк, не обмежуються застосуванням лише в інтересах навчання. У надрах цієї плати таїться дуже високий потенціал, який втілюється в найрізноманітніші і круті проекти: від звичайних роботів і сигналізації в автомобіль, до повноцінної системи «Розумний будинок», симуляторів голосу і музичних інструментів. Говорячи простою мовою, Ардуіно – це електронна плата, в яку можна увіткнути безліч різних пристроїв і змусити їх працювати разом за допомогою програми, написаної на мові Arduinoв спеціальному середовищі програмування. Найчастіше плата виглядає ось так:

 У плату можна встромляти дроти і підключати безліч різних елементів. Найчастіше, для з'єднання використовується макетна плата для монтажу без пайки. Можна додавати світлодіоди, датчики, кнопки, двигуни, модулі зв'язку, реле і створювати сотні варіантів цікавих проектів розумних пристроїв. Плата Ардуіно – це розумна розетка, яка буде включати і вимикати всі приєднане в залежності від того, як її запрограмували.

 Вся робота над моїм проєктом розбивається на наступні етапи:

  1.  Придумую ідею і проєктую.

    Складаю електричне схему. Тут мені стала в нагоді макетна плата, яка спрощує монтаж елементів. Тут мені знадобилися навички роботи з електронними приладами і вміння користуватися мультиметром.

  2.  Підключаю плату Arduino до комп'ютера через USB.

    Пишу програму і записую її в плату буквально натисканням однієї кнопки на екрані в спеціальному середовищі програмування Arduino.

    Від'єдную від комп'ютера. Тепер пристрій буде працювати автономно – при включенні харчування воно буде управлятися тією програмою, яку я в нього записав.

3. Програма і середовище програмування виглядають ось так:

Я використв у своєму проекті Arduino Uno.

Arduino Uno – це пристрій на основі мікроконтролера ATmega328 (datasheet). У його склад входить все необхідне для зручної роботи з мікро контролером: 14 цифрових входів / виходів (з них 6 можуть використовуватися в якості ШІМ-виходів), 6 аналогових входів, кварцовий резонатор на 16 МГц, роз'єм USB, роз'єм живлення, роз'єм для внутрисхемного програмування (ICSP) і кнопка скидання. Для початку роботи з уcтройством досить просто подати живлення від AC / DC-адаптера або батарейки, або підключити його до комп'ютера за допомогою USB-кабелю.

Також були використані датчики:

1 . Ємнісний датчик вологості грунту

Найбільша проблема резистивних датчиків вологості грунту – малий термін експлуатації, обумовлений схильністю корозії контактів вимірювача. Ємнісні датчики вільні від цього недоліку, а корозійностійке покриття електродів робить їх практично вічними. Ще це позитивно впливає на стабільність показань та точність вимірювання датчика. Так само на стабільність показань позитивно впливає наявність на платі датчика стабілізатора напруги живлення, що дає можливість живити датчик напругою від 3,3 до 5,5В. У комплекті йде кабель підключення, що дозволяє дуже просто і швидко підключити датчик до контролера або плати розширення.

Область застосування:

•        Садові рослини
•        Інтелектуальне сільське господарство
•        Виявлення вологи

Призначення виводів:

•        GND – Загальний
•        VCC – Напруга живлення
•        AOUT – Аналоговий вихід

Характеристики:

•        Метод вимірювання вологості: ємнісний
•        Тип виходу: аналоговий
•        Напруга живлення: від 3,3 до 5,5В
•        Вихідна напруга: від 0В до 3,0В
•        Розмір: 99x16 мм
•         

2. Датчик температури BME280 5В I2C

Модуль датчика BME280 (температура, вологість, тиск) – нове покоління датчиків тиску, що дозволяють вимірювати не тільки значення атмосферного тиску, а й температуру і вологість. Датчик характеризується високою точністю вимірювання, високою швидкодією інтерфейсу та надмалим споживанням. Для підключення використав I2C.

Характеристики:

•                     Інтерфейси підключення: I2C
•                     Максимальна швидкодія інтерфейсу: I2C до 3.4МГц
•                     Межі вимірювання температури: від -40 до 85 градусів
•                     Точність вимірювання температури: від 0.5 до 1 градуса
•                     Межі вимірювання вологості: від 0 до 100%
•                     Точність вимірювання вологості: 3%
•                     Межі вимірювання тиску: від 300 до 1100 гПа
•                     Точність вимірювання тиску: 1гПа
•                     Напруга живлення: від 1.8 до 5 В
•                     Струм в режимі вимірювання тиску: 714 мкА
•                     Струм в режимі вимірювання вологості: 340 мкА
•                     Споживаний струм в режимі вимірювання температури: 350 мкА
•                     Струм в режимі сну: від 0.1 мкА до 0.5 мкА
•                     Розміри модуля: 15 х 12 х 3 мм

3. Для поливу використав мініатюрний водяний насос (водяна помпа). Напруга живлення 3-12В. Цей насос може бути використаний в системах поливу домашніх рослин, рибництві, моделюванні, перекачуванні масляних рідин, водяному охолодженні і т. д.

Висота водяного стовпа може досягати 1.5 метра при 12 вольтах.

5. Необхідними елементами для управління електричним колом були реле. В нашому випадку це модуль реле, керований DTMF сигналами. При підключенні до модулю мобільного телефону дозволяє управляти чотирма навантаженнями з будь-якої точки світу, де є мобільний зв'язок. Дуже зручно дистанційно включати або вимикати освітлення, полив, холодильник, кондиціонер і т.д.

6. Сенсорний датчик для Arduino

Крихітний (14х11x2мм) модуль цифрового сенсорного датчика призначений для активації пристроїв за допомогою торкання. За допомогою модуля можна замінити звичайні тактові кнопки. Також модуль можна використовувати для управління світильниками, лампами, контролю рівня води в будь-якій ємності (пластикова бочка або акваріум) тощо. Сенсорний датчик може реагувати як на простий дотик, так і на дотик через скло або пластик (товщиною до 3 мм.

Плата датчика спроектована з урахуванням мікросхеми TTP223. Мікросхема TTP223 має 6 висновків та виконана у корпусі «SOT23-6». Спрацьовує модуль за зміни його ємності. При натисканні на майданчик сенсорної кнопки змінюється струм витоку. Після чого мікросхема визначає його та сигналізує про натискання на кнопку. Якщо сенсор не використовувався протягом 12 секунд, модуль переходить в режим «енергозбереження». Відстань спрацьовування датчика становить 3 мм.

Модуль можна підключити до платформи Arduino або інших мікроконтролерів. Плата модуля має 3 висновки:

GND: "земля"

I/O: цифровий сигнал

VCC: напруга живлення

На платі модуля розташовані 2 перемички:

A: високий логічний рівень висновку

A (замкнуто): низький логічний рівень на виводі

B: спрацьовує як кнопка

B (замкнена): спрацьовує як тригер

Модуль сенсорної кнопки можна використовувати як тригер (кнопка фіксації). Регулюється чутливість датчика за допомогою додаткової ємності (від 1 до 50 пФ), яку можна встановити за допомогою паяння.

Подається живлення від зовнішнього джерела живлення, плати Arduino або іншого мікроконтролерного пристрою. Діапазон напруги живлення модуля становить від 2 до 5,5 Ст.

7. Для освітлення теплиці використав світлодіодний дюралайт SMD5050 плоский дюралайт 60 LED на 1 м.

Зовнішний вигляд

Внутрішній монтаж

У цьому дослідженні реалізовано систему автоматичного догляду за рослинами, призначеної для підвищення ефективності використання фізичної сили, водних та енергоресурсів при вирощуванні сільськогосподарських культур.

Розроблена система забезпечує контроль над температурою та вологістю повітря. Також установка обладнана постійним освітленням. У якості основи проєкту використовується друкована плата мікроконтролерів Arduino Uno з відкритим кодом.

До основної плати підключені пристрої вводу, а саме: датчики температури та вологості ґрунту. До даної плати підключені пристрої виводу, а саме: LCD дисплей та одна пара двох модульне реле. Одне з них призначене для підключення моторчика, що відповідає за полив води, а друге відповідає за освітленням. Ще одне реле відповідає за провітрювання в теплиці.

Під час зниження вологості ґрунту до певного фіксованого рівня, автоматично вмикається полив води.

У даній установці передбачено контроль над освітленням, рівень якого задається наступним чином: задається час автоматичного увімкнення та вимкнення освітлення. Аналогічним способом передбачене провітрювання приміщення теплиці: задається час автоматичного увімкнення та вимкнення реле вентилятора, призначеного за провітрювання.

Дана розробка є першим пристроєм, який має великі перспективи як для практичного застосування в такому вигляді, так і для удосконалення в майбутньому.

У даному проєкті було розглянуто методи автоматизації вирощування сільськогосподарських культур, а також охарактеризовано основні чинники, що впливають на ріст і розвиток рослин.

Аналіз існуючих рішень дозволив виявити схожі та відмінні риси таких систем, а також визначити основні компоненти, з яких вони переважно складаються. Частину пристроїв складають різноманітні датчики, які контролюють мікроклімат теплиці. Найпоширеніші з них – датчик температури, вологості, освітлення. Мозок системи – контролер, що управляє поливом, вентиляцією, температурним режимом на основі отриманих з датчиків даних.