Умная мини-теплица для выращивания рассады IdealPlanet: Smart Greenhouse

XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2021

Умная мини-теплица для выращивания рассады IdealPlanet: Smart Greenhouse

Тяжелков В.Е. 1
1МБОУ СОШ №8, г.Пушкино
Горелова Н.Д. 1
1МБОУ СОШ №8, г. Пушкино
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Цель проекта: создание автоматизированной мини-теплицы с возможностью беспроводного управления системами полива, вентиляции и освещения, предназначенной для выращивания рассады в зимне-весенний период.

Проблема, которую проект решает: для эффективного выращивания рассады необходимо постоянно контролировать и регулировать показатели температуры и влажности окружающей среды, освещённости помещения, а также степень увлажнённости почвы. При выращивании рассады в режиме «на подоконнике» объективный контроль и регулирование вышеперечисленных показателей невозможны. Использование умной теплицы позволяет контролировать и регулировать уровни влажности, температуры и освещённости, что позволяет выращивать рассаду более эффективно.

Актуальность проекта: постепенно системы умного мониторинга и регулирования внедряются в самые различные сферы нашей жизни. Они позволяют существенно экономить время, деньги и усилия, затраченные на контроль и управление каким-то процессом. При выращивании рассады подобная умная система позволит не только точно регулировать основные параметры процесса, но и освободит человека от регулярных рутинных действий (полив, проветривание помещения, включение и выключение дополнительного освещения), что при современном ритме жизни более чем актуально.

Круг потенциальных пользователей / заказчиков: потенциальными пользователями являются владельцы дачных участков, занимающиеся растениеводством.

Показатели назначения:

- наличие умной системы управления поливом (с оповещением о необходимости долива воды в резервуар);

- наличие умной системы управления вентиляцией;

- наличие умной системы управления освещением;

- вывод текущих значений влажности и температуры окружающей среды;

- возможность беспроводного управления вышеперечисленными системами;

- простая в сборке конструкция;

- небольшие габаритные размеры и вес;

- хорошая светопроницаемость материала, из которого изготовлена теплица;

- удобство размещения растений внутри теплицы;

- простота и доступность обслуживания модулей системы;

- работа от розетки 220V.

АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ

В сети Интернет готовых решений, аналогичных предлагаемому, по запросам «умная теплица для рассады» и «автоматическая мини-теплица» не найдено. Ниже приведём сравнение нашего решения с похожими:

Мини- парник для рассады

Ссылка для ознакомления

Мини-парник со светодиодной фито подсветкой

Ссылка для ознакомления

п/п

Название

Эффект парника

Дополнительное освещение

Полив

Вентиляция

Управление через смартфон

1

Мини-парник для рассады

         

2

Мини-парник со светодиодной фито подсветкой

         

3

Ideal Planet: Smart Greenhouse

         

PP – в ручном режиме; АР – в автоматическом режиме.

ПЛАНИРОВАНИЕ РАБОТ

В ходе реализации проекта мы придерживались следующих ключевых этапов работы:

Постановка цели и формулирование задач (ЭР1);

Сбор и анализ информации по теме проекта (ЭР2);

Создание концепта теплицы (ЭР3);

Разработка конструктивного чертежа (ЭР4);

Закупка компонентов (ЭР5);

Программирование компонентов (ЭР6);

Проведение серии испытаний (ЭР7);

Изготовление и сборка теплицы (ЭР8);

Видео и фотосъёмка (ЭР9);

Написание текста проекта (ЭР10);

Создание презентации (ЭР11);

Подготовка к защите проекта (ЭР12);

Встреча по субботам для подведения итога недели (ЭР13).

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ РЕСУРСЫ

№ п/п

Название

Кол-во (шт)

Цена (руб)

Стоимость (руб)

1

Arduino Mega 2560 REV3 Arduino совместимый контроллер с USB кабелем

1

997

997

2

Контроллер NodeMCU Lua V3 совместимый на ESP8266

1

380

380

3

EC3010H12B, Вентилятор 12В, 30х30х10мм , 9000 об/мин

1

650

650

4

Сервопривод SG90 микро, пластиковые шестерни

2

207

414

5

Micro WaterPump (365), миниатюрный водяной насос для Arduino проектов,12В

1

550

550

6

Датчик температуры и влажности DHT11 на плате

1

174

174

7

Датчик влажности почвы на LM393

1

88

88

8

Датчик уровня воды WaterSensor

1

47

47

9

Лента светодиодная Uniel для растений 7.5 Вт, 2 м, фиолетовый свет

1

1010

1010

10

Фоторезистор 5528

1

8

8

11

ЖК дисплей 1602 I2C, голубая подсветка

1

228

228

12

Блок питания 175-240 В 75 Вт IP20

1

818

818

13

Монтажный провод папа-папа 20см 40шт.

1

141

141

14

Монтажный провод папа-мама 30см 40шт.

1

154

154

15

Шильд GSM/GPRSSIM900 для Arduino

1

2140

2140

16

Сим-карта

1

100

100

17

Конденсатор ECAP (К50-35), 1000мкФ, 10В

2

9

18

18

Конденсатор ECAP (К50-35), 1000мкФ, 25В

2

10

20

19

Блок питания 5V, 2A

1

470

470

20

Изготовление модели из оргстекла на производстве

1

1950

1950

ИТОГО:

10504

Материальные средства для реализации проекта получены от председателя СНТ «Грибово» (Московская область, Пушкинский район). После успешных испытаний члены товарищества планируют закупить около 10 образцов в разных комплектациях. Ниже приведена сравнительная таблица возможных вариантов поставки с учётом того, что конструктивные чертежи легко изменяются в соответствии с запросом заказчика по габаритным размерам теплицы. Предусмотрено изготовление изделия любых размеров.

№ п/п

Комплектация

Стоимость стандартного образца

Стоимость образца площадью

1

Smart Greenhouse

7267руб.

 

2

Smart Greenhouse+WiFi

7647 руб.

 

3

Smart Greenhouse+WiFi+SMS

10357 руб.

 

Целевыми заказчиками умной теплицы для выращивания рассады в зимне-весенний период в первую очередь являются дачники, а потому основным способом привлечения материальных средств в проект считаем рекламу изделия в СНТ и на тематических ресурсах в сети Интернет.

ОПИСАНИЕ ХОДА РАБОТ

- Создание концепта теплицы:

Весь «мозг» умной теплицы располагается на самом дне конструкции. Эта зона отделена от основной зоны вторым дном. Здесь располагаются все платы (Arduino Mega, модуль GSM, модуль WiFi), насос и резервуар для жидкости с вмонтированным в него датчиком уровня воды. В углах второго дна сделаны небольшие вырезки для удобного выведения проводов от датчиков в основную зону теплицы.

В основной зоне находятся все датчики, посредством которых осуществляется мониторинг состояния окружающей среды и почвы: датчик температуры и влажности (DHT11), фоторезистор (5528), датчик влажности почвы (LM393). На противоположных стенках предусмотрены две форточки, которые автоматически открываются и закрываются с помощью сервоприводов (SG90). Под крышей располагается вентилятор, который включается одновременно с открытием форточек и выключается одновременно с их закрытием. Около одной из стенок располагается LCD дисплей (LCD 1602 I2C) для вывода текущих показаний температуры и влажности окружающей среды. Под крышей проходят небольшие консоли для монтажа к ним светодиодной ленты.

- Разработка конструктивного чертежа;

Конструктивные показатели назначения учтены при проектировании и создании чертежей. Используемый материал: оргстекло (светопроницаемость ). Габаритные размеры: 30 х 32 х 38 (см). Съёмная крыша для удобства размещения растений внутри теплицы. Легко сборная конструкция, не требующая крепёжных элементов. Съёмная передняя стенка для простоты и доступности обслуживания модулей системы, находящихся на втором дне.

Чертежи выполнены в программе CorelDraw. По ссылке вариант в формате .pdf: ссылка на чертежи .

- Закупка компонентов, сборка схемы, программирование;

Питание силовой части (вентилятор, светодиодная лента, насос) осуществляется от блока питания 12V, подключённого к 220V. Питание датчиков осуществляется от Arduino Mega, подключённой к сети через адаптер 5V. Модуль GSM SIM900 подключён к адаптеру 5V, 2,4A. Модуль WiFi питается от адаптера 5V через microUSB.

Программный код для Arduino Mega (разрешение .ino): ссылка на код.

Программный код для Node MCU ESP8266 (2 файла, архив .rar): ссылка на код.

ПРОГРАММА ИСПЫТАНИЙ

Программа состоит из шести серий испытаний.

Объект испытаний: система автоматизированного управления теплицей.

Цель испытаний: определить контрольные показатели для корректной работы системы полива, вентиляции, освещения и оповещения; проверить работу всей системы автоматизированного управления в целом и каждого модуля в частности.

Серия испытаний №1: «Проверка системы оповещения о низком уровне воды в резервуаре».

Объект испытаний: система оповещения о низком уровне воды в резервуаре.

Цель испытаний: определить показатель уровня воды, при котором требуется оповещение о необходимости долива жидкости в резервуар; проверить работу системы оповещения.

Средства испытаний: датчик воды (Water Sensor), насос мембранный (365 12В), модуль GSM Sim900, сим-карта, Arduino Mega 2560, трубки силиконовые, ёмкость для жидкости.

Последовательность проведённых экспериментов:

Определительные испытания

Заведём в ёмкость трубки от насоса и вмонтируем туда датчик. Нальём жидкость по уровню чуть выше нижнего уровня забора воды. Снимем полученный контрольный показатель уровня воды через монитор порта Arduino Mega и присвоим его переменной state.water_level_down_th.

Проверочные испытания

Смонтируем систему оповещения с использованием модуля GSM Sim900: настроим отправку смс на заданный телефонный номер. Нальём воду в резервуар, включим насос. После достижения водой уровня невозможности забора, проверим пришло ли смс-оповещение о необходимости долива жидкости.

Результаты испытаний: проверочные испытания показали надёжность и корректность работы системы оповещения о низком уровне воды в резервуаре.

Серия испытаний №2: «Проверка умной системы управления поливом».

Объект испытаний: система управления поливом.

Цель испытаний: определить показатели влажности почвы, при которых требуется включение и отключение полива; проверить работу системы управления поливом.

Средства испытаний: сухая почва, датчик влажности почвы (LM393), насос мембранный (365 12В), Arduino Mega 2560, трубки силиконовые, ёмкость с водой, фикус.

Последовательность проведённых экспериментов:

Определительные испытания

Вставим датчик влажности почвы в сухую землю. Через монитор порта Arduino Mega снимем первые 50 показаний и найдём их среднее значение. Полученный показатель присвоим переменной state. soil_hum_up_th. Обильно увлажним землю в горшке, вставим датчик влажности, снова снимем первые 50 показаний через монитор порта и найдём их среднее значение. Полученный показатель присвоим переменной state. soil_hum_down_th.

Проверочные испытания

Смонтируем умную систему полива и протестируем её работу на фикусе, дополнительно включив систему оповещения о низком уровне воды в резервуаре. Продолжительность испытаний: 1 неделя с периодической проверкой влажности почвы.

Результаты испытаний: проверочные испытания показали надёжность и корректность работы системы управления поливом.

Серия испытаний №3: «Проверка умной системы управления вентиляцией».

Объект испытаний: система управления вентиляцией.

Цель испытаний: проверить работу системы управления вентиляцией в соответствии с текущими показателями влажности и температуры.

Средства испытаний: сервоприводы SG90, вентилятор EC4020H12SA, датчик температуры и влажности DHT11, Arduino Mega 2560, фен, ручной опрыскиватель.

Последовательность проведённых экспериментов:

Проверочные испытания

Смонтируем умную систему управления вентиляцией. Контрольным значениям верхней и нижней границы влажности и температуры присвоим оптимальные значения (static.hum_up_th = 65; static.hum_down_th = 50; static.temp_up_th = 35; static.temp_down_th = 25). Включим фен в режиме горячего воздуха и будем издалека дуть на датчик до момента срабатывания сервоприводов и включения вентилятора. Затем переключим фен в режим холодного воздуха и будем дуть на датчик до повторного срабатывания системы. Проведём по такой же схеме эксперимент с ручным опрыскивателем для тестирования работы системы в зависимости от показателей влажности.

Результаты испытаний: проверочные испытания показали надёжность и корректность работы системы управления вентиляцией.

Серия испытаний №4: «Проверка умной системы управления освещением».

Объект испытаний: система управления освещением.

Цель испытаний: определить показатели уровня освещения, при которых требуется включение и отключение дополнительного освещения; проверить работу системы освещения.

Средства испытаний: фоторезистор (5528), светодиодная лента (Uniel SMD), Arduino Mega 2560, фикус.

Последовательность проведённых экспериментов:

Определительные испытания

Выберем солнечный день и поставим систему с фоторезистором днём на подоконник. Через монитор порта Arduino Mega снимем первые 50 показаний и найдём их среднее значение. Полученный показатель присвоим переменной state.photo_down_th. В тот же день снова снимем первые 50 показаний фоторезистора через монитор порта в период начала сумерек и найдём их среднее значение. Полученный показатель присвоим переменной state.photo_up_th.

Проверочные испытания

Смонтируем умную систему освещения и протестируем её работу на фикусе. Продолжительность испытаний: 1 неделя с периодической проверкой работы светодиодной ленты в ночное время.

Результаты испытаний: проверочные испытания показали надёжность и корректность работы системы управления освещением.

Серия испытаний №5: «Проверка работы LCD-дисплея теплицы».

Объект испытаний: LCD-дисплей теплицы.

Цель испытаний: проверить корректность работы дисплея.

Средства испытаний: LCD дисплей (LCD 1602 I2C), Arduino Mega 2560, датчик влажности и температуры, модуль Wi-Fi (NodeMCU ESP8266), фен, ручной опрыскиватель.

Последовательность проведённых экспериментов:

Проверочные испытания

Будем изменять показатели влажности и температуры окружающей среды (с помощью фена и ручного опрыскивателя). Изменения должны сразу отображаться на LCD дисплее. Затем настроим подключение модуля Wi-Fi к Интернету. На экране должен появится IP для доступа к управлению теплицей.

Результаты испытаний: проверочные испытания показали корректность работы LCD-дисплея.

Серия испытаний №6: «Проверка системы беспроводного управления работой теплицы через модуль Wi-Fi».

Объект испытаний: система беспроводного управления работой теплицы через модуль Wi-Fi.

Цель испытаний: проверить управление всеми системами (полива, вентиляции, освещения) автоматизированной теплицы через модуль Wi-Fi.

Средства испытаний: модуль Wi-Fi (NodeMCU ESP8266), Arduino Mega 2560, система полива, система вентиляции, система освещения.

Последовательность проведённых экспериментов:

Проверочные испытания

Настроим подключение модуля Wi-Fi к Интернету. Подключим через ту же точку доступа смартфон и введём в адресной строке браузера IP адрес, выведенный на экране LCD-дисплея теплицы. Последовательно нажимая все кнопки на странице управления, проверим корректность отклика всех систем теплицы. Работа каждого модуля проверяется в режимах: «Включено», «Выключено», «Автоматический режим».

Результаты испытаний: проверочные испытания показали надёжность и корректность работы системы беспроводного управления автоматизированной теплицей.

РЕЗУЛЬТАТ ПРОЕКТА

 

Страница управления системами теплицы

(screenshot экрана смартфона)

Видеоролик с демонстрацией работы систем теплицы: смотреть.

ПЛАНЫ ПО ДАЛЬНЕЙШЕМУ РАЗВИТИЮ ПРОЕКТА

Добавить систему контроля и регулирования уровня CO2;

Сделать возможным управление теплицей через глобальную сеть;

Написать приложение для мониторинга всех показателей и управления всеми системами теплицы;

Масштабировать решение на полноразмерные дачные теплицы;

Разработать умную тележку-помощника для работы в частных и промышленных теплицах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Биняковский А. А., Петин В. А. Практическая энциклопедия Arduino. – М.: ДМК Пресс, 2017. – 152 с.

Петин В. А. 77 проектов для Arduino. – М.: ДМК Пресс, 2019. – 356 с.

Хуанг Б., Ранберг Д. Arduino для изобретателей. Обучение электронике на 10 занимательных проектах. – СПб.: БХВ-Петербург, 2019. – 288 с.

Просмотров работы: 66