XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Системы автоматизации ухода за домашними растениями
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В природе существует около полумиллиона видов различных растений. Многие из них выращиваются в искусственных условиях, на наших подоконниках, в оранжереях. Разведение комнатных цветов — самое распространенное явление в мире. Если рассмотреть это явление в статистическом формате то, практически нет ни одной квартиры или дома в которых бы не выращивалось то, или иное растение. Комнатные растения украшают наши квартиры красивыми цветами или листьями, поглощают углекислый газ, выделяют живительный кислород. Они смягчают сухость воздуха, испаряя влагу, вследствие испарения, температура воздуха около растений ниже, чем в общем в жилом помещении. Помимо этого, цветущие растения, благотворно влияют на психологическое состояние человека. Многие растения испускают фитонциды, которые убивают болезнетворные микроорганизмы, защищая нас от болезней. Но радуют наши взоры только здоровые, цветущие растения, поэтому за ними надо ухаживать — поливать, подкармливать, спасать от болезней и вредителей. Основной уход за растением в нормальном состоянии заключается в обеспечении их определёнными физиологическими потребностями. Прежде всего, это своевременный полив (обеспечение водного баланса растения) и оптимальный световой режим произрастания (обеспечение многих физиологических процессов, протекающих в живом растительном организме). Выдерживать оптимальные режимы этих факторов не всегда просто из-за загруженности человека повседневными делами. Автоматизация системы полива растений и управления световым режимом позволяет сэкономить массу времени по уходу за растениями, обеспечить их всем необходимым в периоды отсутствия человека в жилых помещениях. Необходимо только правильно подобрать способы и принципы действия, которые должны подходить определенным группам растений. Это предполагает размещение растений группами по сходной физиологии и использовать при этом контроллеры, обеспечивающие оптимальный режим. Поскольку актуальность данной проблемы достаточно высока, разработка и создание подобных систем ухода за растениями и легло в основу данной работы.
Цель и задачи работы
Целью данной работы является разработка и создание системы автоматизации ухода за комнатными растениями, способной работать в автономном режиме и обеспечивать растения необходимыми для роста и развития условиями. Цель работы предполагала решение следующих задач:
- знакомство с литературными и интернет – источниками по вопросам ухода за комнатными растениями, их основным физиологическим потребностям, и способам реализации этих потребностей;
- знакомство с литературными и интернет – источниками по вопросам создания необходимых физиологических условий оптимального произрастания растительных организмов, способами автоматизации этих условий и их практического применения;
- разработка концепции автоматизированной системы ухода за растениями;
- практическая реализация разработанной концепции;
- анализ функциональных возможностей изготовленной системы автоматизации ухода за комнатными растениями.
Ведущие принципы выращивания комнатных растений [1 - 3]
Определяющие факторы: свет, вода, тепло и питание способствуют нормальному росту и развитию любых комнатных растений. Создание надлежащего микроклимата является лучшим основанием для культивирования декоративных растительных организмов на подоконнике. Выращивание растений в домашних условиях – достаточно трудоемкий процесс, который требует соблюдения ряда факторов. Обязательным требованием для роста тех или иных растений является поддержание правильного микроклимата. Все это требует немалых усилий и времени. Использование интеллектуального оборудования позволяет в автоматическом режиме производить по заданным параметрам полив и проветривание, настраивать отопление и вентиляцию, обеспечивать оптимальное освещение. Для правильного развития растительного организма требуется соблюдать определенные правила – технологию выращивания конкретного вида растений.
Ведущие принципы выращивания растений:
- полив. Посадочный материал необходимо регулярно поливать. Если растение вовремя не получит воду, оно может погибнуть. При этом важно учитывать температуру воды и систему полива, например, при традиционной методике рекомендуется поливать с небольшого расстояния под корень;
- температурный режим. Многие комнатные растения относятся к группе теплолюбивых. Однако повышение температуры выше нормы может отрицательно сказаться на их росте. Необходимо поддерживать оптимальный температурный режим и сделать все возможное, чтобы уберечь растения от излишней жары;
- совместимость. Каждому растению нужен индивидуальный уход. Одни предпочитает сухой грунт, другим требуется больше воды. Поэтому рекомендуется производить рассадку посадочного материала в различных биокомплексах;
- питание растений. Важную роль в питании играет не только вода, но и питательность самой почвы. Необходимо чтобы она содержала достаточное количество микроэлементов. Каждое растение проявляет свою исключительную требовательность к основным элементам почвенного питания;
- свет. Является главным источником энергии для протекания фотосинтеза. Существуют растения, которым достаточно и малой освещенности, другие же более требовательны к свету. Необходимо контролировать количество света и использовать при его недостатке осветительные приборы.
Преимущества использования автоматических систем [2 - 3]
Автоматизировать можно практически все основные факторы выращивания комнатных растений. Преимущества использования автоматических систем обеспечения микроклимата неоспоримы, но для полной автоматизации процесса выращивания необходимо это делать в закрытой системе, например в условиях домашней теплицы или гроубокса. При выращивании растений на подоконнике достаточно сложно организовать автоматизированный режим создания полного микроклимата. В этом случае, наиболее оптимальным вариантом является автоматизация режимов дополнительной подсветки и полива. Особенно актуальным вопрос дополнительной подсветки становится в зимний период, когда световой период достаточно короткий. Особенно это важно, если окна, на которых размещены растения, выходят на северную сторону либо они расположены на нижнем этаже дома. Искусственную подсветку растениям обязательно надо включать по утрам и вечерам. Для этого используют специальные фитолампы или другие источники света. Из регулярности включения осветительных приборов уже видна очевидность применения автоматизированного режима. Ещё более актуальным, становится автоматический режим при длительном отсутствии жильцов, например во время поездок. Аналогичная ситуация возникает с поливом растений. Многие просто забывают делать это вовремя. Сам процесс полива тоже требует определённого времени. Поэтому, именно эти факторы стали основополагающими с точки зрения автоматизации, в нашей работе.
Влияние светового спектра на рост и развитие растений [4 - 9]
Солнечный свет или освещение, которое мы можем получить при использовании специальных светодиодных панелей или ламп, никогда не был однородной субстанцией. Подобное слияние волн называют спектром света, а его составляющие, соответственно – спектральными частями. На растения свет способен воздействовать как прямо, так и косвенно при помощи всех частей спектра, которые могут быть не только видимыми, но и невидимыми. Любые части света, которые дает солнце, обладают своей определенной волной. При этом используются специальные единицы измерения. К основным частям спектра, измеряемым в нанометрах, относятся:
- 380 нм. и ниже – ультрафиолетовая часть спектра;
- 380-430 нм. – фиолетовая часть спектра;
- 430-490 нм. – синяя часть спектра;
- 490-570 нм. – зеленая часть спектра;
- 570-600 нм. – желтая часть спектра;
- 600-780 нм. – красная часть спектра;
- 780 нм. и выше – инфракрасная часть спектра.
Низкие показатели ультрафиолета и высокие показатели инфракрасных лучей, также оказывают очень большое влияние на произрастающие растения. По этой причине широко используют лампы для выращивания растений, в которых спектр освещения идентичен солнечному свету. Влияние каждого участка спектра света на жизнедеятельность растений, различно. Спектральная составляющая фиолетовой и синей области тормозят рост стеблей, листовых черешков и пластинок, формируют компактные растения и более толстые листья, позволяющие лучше поглощать и использовать свет в целом. Эти лучи стимулируют образование белков, органосинтез растений, переход к цветению короткодневных растений, замедляют развитие растений длиннодневных. Сине-фиолетовая часть спектра почти полностью поглощается хлорофиллом, что создаёт условия для максимальной интенсивности фотосинтеза. Зелёная составляющая спектра практически проходит через листовые пластинки, не поглощаясь ими. Последние под их действием становятся очень тонкими, а осевые органы растений вытягиваются. Уровень фотосинтеза – самый низкий, как и общий уровень развития растения. Красная и оранжевая составляющие спектра, представляют собой основной вид энергии для фотосинтеза. Наиболее важной является область 625-680 нм., способствующая интенсивному росту листьев и осевых органов растений. Этот спектр очень полно поглощается хлорофиллом и увеличивает образование углеводов при фотосинтезе. Зона красно-оранжевого спектра имеет решающее значение для всех физиологических процессов в растениях. Точно зная действие каждого участка солнечного спектра на произрастание растительного организма, учёные создают растениеводческие лампы с оптимизированным светом. В приложении (Лист I, рис.1) графически показана величина спектрального поглощения хлорофиллом растений в зависимости от длинны волны спектра. Очевидным является значительное влияние красно-оранжевой части спектра. Длинные ультрафиолетовые лучи (315-380 нм.) необходимы для обмена веществ и роста растений. Они задерживают вытягивание стеблей, повышают содержание витамина C и других. Средний ультрафиолет (280-315 нм.) действуют наподобие пониженных температур, способствуя процессу закаливания растений и повышая их холодостойкость. На хлорофилл ультрафиолетовые лучи практически не действуют, но у растений, перемещённых из темноты на свет (этиолированных), он интенсивно образуется.
Параметры ламп, применяемых для домашнего использования
в осветительных системах [4, 7]
Люминесцентные лампы можно практически разделить на два типа: обычные бытовые (дневного света), лампы специального назначения для растениеводства. Преимущества обычных ламп: невысокая стоимость, малая температура колбы (40-45 °С), широкий ассортимент. Недостатки: малый (по сравнению с натриевыми и галогеновыми лампами) световой выход, большие габариты, не соответствующий спектр (малая доля красного спектра) (Приложение лист I, рис. 2). Бесспорный лидер среди люминесцентных фитоламп – OSRAM FLUORA 77 цветности. Весьма точно переданы максимумы в синей и красной областях спектра. Внешнее свечение лампы имеет насыщенно розовый оттенок (Приложение лист II, рис. 3). В лампах 965 цветности как «Osram», так и «Philips» красный-жёлтый спектр представлен достаточно полно (Приложение лист II, рис. 4). Имея пик в зелёной области и цветовую температуру 6500К, лампы приближаются к естественному дневному свету. О чём, в свою очередь, говорит коэффициент цветопередачи 98 у «Philips» и 90 у «Osram». «Philips Reflex Super /80 New Generation» 840 цветности. Это лампы с внутренним отражателем. На данный момент компания выпускает стандартные лампы «Reflex NG» только 830 и 840 цветности. Лампы той же цветности можно встретить у «Osram и GE», но без отражателей. Спектры их свечения идентичны. Как видно из рисунка приложения (Лист II, рис. 5), точно передан синий, близок – красный и максимален зелёный, что придаёт свечению холодно белый оттенок. Однако эти лампы хороши не только своими спектральными характеристиками. Основное их достоинство — это мощный световой выход – на 170% превышающий простые люминесцентные лампы 840 цветности. Это стало возможным, благодаря специальному полупрозрачному внутреннему рефлектору. Лампы «ДНаТ». В этой лампе основная доля излучения лежит в жёлто-зелёной части спектра (от 550-585 нм) (Приложение лист III, рис. 6). Но она, хотя и не даёт пользы, но и вреда растениям особого не приносит, т.к. хлорофилл просто-напросто отражает этот свет. КПД лампы для растений очень низкий. Большая мощность лампы (и её нагрев), не позволяет её использование в малых помещениях. Лампы «Delux EQS-04 38W 6400К» (с температурой свечения 6400 кельвинов) предназначены для освещения производственного рабочего помещения, и такая лампа очень хорошо передаёт цвета предметов, поскольку имеет широкий спектр. Но она мало эффективна для растений по сравнению со специальными фитолампами, имеющими два максимума излучения в красном и синем секторе. Более красный спектр имеют «Osram HQI-T 250/D» и «Philips», но и они не совсем подходят для выращивания растений и могут применятся как дополнительное освещение, если не учитывать их высокую стоимость (Приложение лист III, рис. 7). Преимущества этих ламп: малые габариты, высокая экономичность и эффективность. Недостатки: несоответствие оптимальному спектру, большая стоимость и температура колбы (220-240 °С). Исходя из выше сказанного, наиболее оптимальным вариантом для освещения являются лампы «OSRAM FLUORA 77». Для увеличения светового потока (для некоторых видов светолюбивых растений) можно применить – светодиодные лампы широкого спектра (с целью экономии электроэнергии и уменьшения нагрузки на таймер), цветовая температура около 6500 К – естественный дневной цвет. Все лампы имеют отдельные выключатели, позволяющие обеспечивать комбинации режимов освещённости. Для автоматизации процесса управления светом, лампы включены через схему таймера, позволяющего включать и выключать свет по настроенному режиму. Фотографии, применённых для подсветки ламп, приведены в приложении (Лист III, рис. 8). Для управления световым режимом применён таймер серии ТРЭ (Приложение лист IV, рис. 9). Таймер обеспечивает режим включения и отключения выбранных источников света по программе, записанной в память. Встроенный источник питания, позволяет сохранять программу при отключении электроэнергии. Режим программирования обеспечивает работу источников света по заданному времени.
Система автополива [10 - 12]
Система автополива, по своему устройству, кажется очень простой. Подключаем насос, протягиваем трубки или шланги и вода льётся. Только никто не знает сколько ей литься и когда, лишку её нальётся или недостаточно. Такая система, в целом, похожа на простой ручной полив, а на самом деле на фоне систем автоматического полива, ручной полив проигрывает по всем параметрам если он организован правильно. Главные особенности систем автоматического полива это (Приложение лист IV, рис. 10):
- точные характеристики каждого поливочного устройства (расход воды, количество осадков, радиус полива);
- удобное расположение всех элементов системы (скрытая подводка трубок полива);
- равномерность распределения осадков;
- полная автоматизация процесса полива.
За системой автополива не нужно следить, корректировать и не нужно её включать. Она сама выключится и включится, в зависимости от заданного времени и дня недели. Системе полива нужен стабильный напор и расход воды, поэтому напор создается насосом, который берет воду из накопительной емкости, которая в свою очередь, наполняется из водопровода. Контроллер следит за планом полива. В контроллере настроена программа, по которой дождеватели поочередно открываясь, производят полив территории. При наличии датчиков влажности (Приложение лист V, рис. 11), при её определённом значении, система автоматически отключается. В более простых системах, особенно в домашних условиях, система отключается таймером после вылива определённой порции воды (Приложение лист V - VI, рис. 12 - 13). Основными частями системы автополива являются:
- дождеватели - непосредственно поливающие устройства;
- насос. Создает давление и обеспечивает нужную расчетную производительность;
- блок управления автополивом (контроллер). В контроллере настраивается график включения и настраивается длительность полива.
Конструкция системы автоматизации для домашнего подоконника
Вся система собрана на раме из алюминиевого уголка. Если предполагается разборка системы и использование её под различный размер окон, можно осуществить сборку винтовыми соединениями. При стационарном использовании, крепёж можно осуществить саморезами или заклёпками. Конструкция рамы некритична. Самое главное необходимо создать опорные площадки для ламп и опорную систему для крепления центрального блока управления с системой автополива. Нами выбран вариант, представленный в приложении (Лист VI, рис. 14).
Центральный блок управления
Центральный блок управления объединяет в своём составе два микропроцессорных устройства, которые обеспечивают процесс автоматизации. Первым является – циклический таймер, управляющий органами подсветки. Таймер позволяет программировать время включения/отключения подсветки по необходимому циклу. Введённые данные сохраняются в памяти устройства, поддерживаемой независимым аккумулятором, поэтому, при отключении электроэнергии сохраняются. Переключатели освещения обеспечивают включение источников подсветки независимо друг от друга. Вторым устройством является, микроконтроллер автополива. Его питание осуществляется отдельным блоком питания. Контроллер представляет собой устройство с энергонезависимой памятью, в которой программируется режим работы подачи воды в определённое время по дням недели, а также время подачи воды в систему полива. Принцип работы контроллера схож с принципом работы таймера. Рисунки, показывающие размещение основных элементов центрального блока управления, общая электрическая блок – схема центрального блока, приведены в приложении (Лист VII, рис. 15 – 17).
Программирование микроконтроллеров
1.Таймер подсветки
Таймер подключается к стандартной сетевой розетке. Кнопка «ON/AUTO/OFF» переключает режимы работы цифрового таймера:
- «MANUAL ON» - Таймер не включен. Электрический ток подается на нагрузку постоянно независимо от запрограммированного времени;
- «AUTO» - Таймер включен. Электрический ток подается на нагрузку в соответствии с запрограммированным временем;
- «MANUAL OFF» - Таймер выключен и электрический ток не подается на нагрузку.
Удерживая кнопку «Clock» нажатой, выбираем текущий день недели нажимая на кнопку «Day». Отпускаем кнопку «Clock» - день недели установлен. Удерживая кнопку «Clock» нажатой, выбираем текущий час, нажимая на кнопку «Hour». Удерживая кнопку «Clock» нажатой, выбираем текущее количество минут. В таймере присутствует 8 временных интервалов. Запрограммированное время сохраняется при переключении таймера в положение «Оп» или «Off». Нажимаем на кнопку «Timer», чтобы запрограммировать первый временной интервал. На дисплее слева внизу появится цифра «1». Нажимая на кнопку «Day», выбираем день недели или комбинацию дней недели, когда таймер должен включаться. Слово «ON», которое появляется на дисплее (слева) обозначает, что идет установка параметров времени включения таймера. Выбираем комбинацию дней недели «МО, TU, WE, TH, FR, SA, SU». Устанавливаем желаемое время включения таймера с помощью кнопок «Hour» и «Min», затем нажимаем кнопку «Timer», время включения установлено. После этого таймер переходит в режим программирования времени выключения и на дисплее слева появятся символы «1» и «OFF». Повторяем программирование аналогично времени включения (устанавливаем день недели, часы и минуты, когда цифровой таймер должен выключаться). Если необходимы какие-либо дополнительные интервалы включения/выключения, продолжаем программирование во втором интервале, аналогично первому. После того, как запрограммированы один или несколько временных интервалов нажмаем «Clock». Теперь таймер готов к работе. Если необходимо отменить какой-либо временной интервал, то нажимаем кнопку «Timer» до тех пор, пока не найдём требуемый интервал, и затем нажимаем кнопку «S/1». Этот временной интервал обнулится и больше работать не будет. Нажимая одновременно кнопки «Clock» и «ON/AUTO/OFF» можно переключить таймер с зимнего времени на летнее и наоборот. При этом в правой части дисплея появится надпись «Summer» (Лето). Нажав одновременно кнопки «Clock» и «Timer» можно включить/выключить режимы 24-часового или 12-часового исчисления времени.
2.Таймер автополива
Таймер автополива содержит следующие кнопки управления:
- включение питания;
- кнопка программирования;
- две кнопки курсора перемещения «+» и «-»;
- кнопка тестирования системы.
Кнопкой «set» выбирается функция программирования время – день – время работы насоса. Кнопками курсора производится установка значения функции.
Испытание системы
Изготовленная система, прошла испытания в течение весеннего и летнего сезона. Весной использовалась для проращивания рассады огородных растений. Летом применялась при обслуживании декоративных цветущих растений. В результате испытаний доказана надёжность и высокая эффективность изготовленной системы. В частности, достигалась, экономия времени ухода за растениями, удобство ухода за растениями в периоды длительного отсутствия. Особенно очевиден результат использования подобных устройств в период проращивания рассады. Рассада, выращенная с использованием системы, обладала более крепкими и развитыми побегами, по сравнению с обычным проращиванием. При высадке в грунт проходит более быстрый период адаптации, рост растений, что в конечном итоге сказалось на урожайности. В настоящее время, система продолжает использоваться при выращивании комнатных растений.
Выводы
В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:
- в ходе работы изучен значительный объём литературных и интернет – источников по вопросам ухода за комнатными растениями, их основным физиологическим потребностям, и способам реализации этих потребностей;
- исходя из физиологических потребностей растений, и способам их реализации изучены литературные и интернет – источники по вопросам создания необходимых физиологических условий оптимального произрастания растительных организмов, способами автоматизации этих условий и их практического применения;
- разработана концепции автоматизированной системы ухода за растениями и осуществлена практическая реализация разработанной концепции;
- проведён анализ функциональных возможностей изготовленной системы автоматизации ухода за комнатными растениями.
Список литературы и интернет - источников
1. https://anrotech.ru/blog/kak-sozdat-idealnye-usloviya-dlya-vyrashchivaniya-rastenij/ - Как создать идеальные условия для выращивания растений.
2. https://diy.obi.ru/articles/virashivanie-domashnih-cvetov-bez-hlopot-21138/ - Выращивание домашних цветов без хлопот.
3. http://flowerlib.ru/books/item/f00/s00/z0000032/st004.shtml - Требования комнатных растений к условиям жизни.
4. http://www.promgidroponica.ru/index.php?q=node/323 - Свет для растений.
5. http://www.floralworld.ru/care/light.html - Влияние света на растения.
6. http://grow.kalarupa.com/2012/useful-radiation/ - Сравнение полезной доли излучения ламп.
7. http://grow.kalarupa.com/2011/light-need/ - Сколько и какого цвета нужно растениям.
8. http://grow.kalarupa.com/2010/role-ranges/ - Роль участков спектра в жизни растений.
9. А.А. Тихомиров, И.Г. Золотухин, Г.М. Лисовский, Ф.Я. Сидько. Специфика реакций растений разных видов на спектральный состав ФАР при искусственном освещении. Физиология растений. 1987.
10. https://polivtec.ru/blog/chto-takoe-avtopoliv-pervoe-znakomstvo - Система автоматического полива.
11. https://www.avtopoliv-rainbird.ru/avtopoliv-svoimi-rukami/ - Система автоматического полива собственными силами.
12. https://smart-poliv.ru/avtopoliv-description/ - Устройство системы автоматического полива.
П риложение
Рис. 1. Влияние участков светового спектра на жизнедеятельность растений.
Спектр поглощения хлорофилла (по горизонтали – длина волны в нанометрах).
Рис. 2. Спектр света «Энергосберегающих ламп» и обычных люминесцентных ламп.
Рис. 3. Спектр света ламп «OSRAM FLUORA».
Рис. 4. Сравнительный график спектра ламп «OSRAM» и «PHILIPS».
Рис. 5. Спектрламп «Philips Reflex Super», «New Generation».
Рис. 6. Спектр дуговой натриевой лампы («ДНаТ», «ДНаЗ»)
Металлогалогеновая лампа «Osram HQI-T 250/D».
Металлогалогеновая лампа «Philips».
Рис. 7. Металлогалогеновые лампы, аналоги «ДНаТ».
Светодиодная фитолампа
Лампа полного спектра
Рис. 8. Лампы, применённые для подсветки.
Рис. 9. Циклический программируемый таймер серии ТРЭ.
Рис. 10. Схема автополива растений.
Рис. 11. Вариант изготовления системы автополива с датчиками контроля влажности почвы (в основном применяется для изолированных систем и теплиц).
Рис. 12. Вариант схемы с программируемым автополивом (в основном применяется для открытых систем).
Р ис. 13. Система автополива, выбранная для использования в системе ухода за комнатными растениями.
Рис. 14. Конструкция системы автоматизации выращивания растений.
Рис. 15. Центральный блок управления.
Рис. 16. Электрическая блок – схема центрального блока управления.
Рис. 17. Фотографии центрального блока управления.
Рис. 18. Тестирование системы.