XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Умная мини-теплица для выращивания рассады IdealPlanet: Smart Greenhouse

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Тяжелков В.Е. 1

---

1МБОУ СОШ №8, г.Пушкино

Горелова Н.Д. 1

---

1МБОУ СОШ №8, г. Пушкино

Работа в формате PDF

1.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

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

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

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.

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.