XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

СИСТЕМА КЛИМАТ - КОНТРОЛЬ 02

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Князев А.А. 1

---

1МАОУ «Голышмановская средняя общеобразовательная школа № 1»

Кузьминых И.Г. 1

---

1МАОУ «Голышмановская средняя общеобразовательная школа № 4»

Работа в формате PDF

4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Каждый год в нашей стране открываются и начинают свою работу новые предприятия по выращиванию овощей и фруктов в защищенном грунте. Автоматизация систем управления микроклиматом в защищенном грунте позволяет экономить 15-25% тепла при росте урожайности, улучшения условий труда персонала и повышении общей культуры производства.

Датчики климат контроля, используемые в сельском хозяйстве,обеспечивают жизнедеятельность агропродукции, но стоимость систем высока, и остается нереализованной в масштабе страны [1].

Термогигрометр Xiaomi MiaoMiaoCe E-Ink 1500, используемый для климата – контроля, реализуют по цене от 1500 рублей.

Прибор российского производителя МГ-44, стоимостью 35.000 рублей измеряет влажность грунта.

Проблема: высокая стоимость, зарубежные комплектующие и высококвалифицированное обслуживание ограничивает применение систем климат-контроля. На настоящий момент необходимо расширить производство российских систем, сделать их доступными для использования.

Используемые в настоящий момент датчики контроля имеют высокую стоимость, и устанавливать их надо в определенном месте, что ограничивает сферу применения.

Актуальность проекта

Западная Сибирь - это зона экстремального земледелия. Для выращивания овощей и фруктов используют теплицы, которые требуют много ручного труда для поддержания оптимальных условий для выращивания. Автоматическое орошение, системы подкормки растений удобрениями, контроль температуры и влажности почвы, уровень освещенности являются частью современных фермерских хозяйств.

Современное тепличное хозяйство «ТюменьАгро» выпускает 31,5 тысячи тонн овощей в год (фото 1, приложение). Но выращивание продукции требует контроль над климатом в теплицах.

Цель: Собрать бюджетную систему, которая будет определять температуру воздуха, влажность почвы, уровень освещённости и автономно поддерживать все необходимые условия для максимально большого и качественного урожая.

Задачи:

1. Изучить принципы работы датчиков, которые можно использовать в системе «умная теплица», «умный дом».

2. Разработать систему, которая определяет температуру воздуха, влажность почвы, уровень освещённости и автоматически по запрограммированным показателям увлажняет почву, включает/выключает освещение, включает/выключает вентиляцию.

3. Собрать модель многоуровневой теплицы для выращивания рассады и провести анализ эффективности использования системы климат–контроль.

Объект исследования: устройство системы датчиков.

Предмет исследования: работа датчиков, устройства в определенных условиях.

Гипотеза: мы предполагаем, что если подобрать недорогие компоненты при изготовлении системы климат – контроль, то можно в разы удешевить автоматизированную теплицу для выращивания растений.

План исследования

Изучение научно-популярной литературы и сайтов в сети Интернет.

Проектирование модели. Конструирование системы климат – контроль.

Программирование. Тестирование работы датчиков.

Анализ работы устройства.

Методы проекта.

Метод теоретический. Анализ литературы по теме «Умное производство». Метод эмпирический. Проектирование, конструирование модели, программирование устройства. Тестирование модели и анализ работы, эксперимент по корректировке и апробации конструкции модели, программирование. Метод экспериментальный – тестирование работы модели, выращивание рассады.

Основные методы создания – изучение работы, моделирование, конструирование модели, программирование. Сборка и тестирование модели.

Мы создали систему климат контроля. Автоматизированную систему, которой оснащена модель можно будет использовать в теплицах малой и большой площади, в помещении, снизить себестоимость, и получить более дешевую модель системы климат–контроль. А учитывая обстановку на рынках поставки оборудования, это обеспечит развитие системы в стране и позволит сделать свои модели более дешевыми.

Комплектацию системы датчиков в зависимости от поставленных задач можно менять, что является новизной для автономных систем. Возможна установка системы отопления или системы уровня регулирования высоты этажа, которую можно будет менять с изменение роста растения.

Основная часть

Современные теплицы

В последние годы стало «модным» жить на земле, активно застраивается частный сектор, но земельные участки небольшие, и для того, чтобы теплица не занимала много полезной площади земельного участка, появилась идея создать теплицу башенного типа на модели маленькой теплицы и автоматизировать процесс полива, вентиляции и освещенности с последующим масштабированием на «большую» теплицу.

Что же из себя могут представлять «умные теплицы»? «Умная теплица», представляет собой полностью автоматизированную систему, способную упростить работу в сельском хозяйстве в огородах и садах. Одной из важных особенностей умных теплиц является возможность монтажа всех составляющих системы абсолютно в любую теплицу, даже ранее построенную [2].

По данным Союза производителей овощей, прирост тепличных площадей в прошлом году составил 154 Га, что соответствует аналогичному показателю за 2020 год.

Температура и влажность в теплице постоянно меняется, и это связано с особенностью производства. А агротехнические нормы предписывают высокую точность стабилизации температуры (+/-1 градус), своевременное её изменение в зависимости от уровня фазы развития растений и времени суток. Все это предъявляет высокие требования к функционированию и техническому совершенствованию автоматизации управления микроклиматом в теплицах (фото 2, приложение). Применение автоматизации при выращивании растений не является чем-то новым [3].

Собственная разработка

Оборудование для сборки устройства: Iskra Neo - платформа для разработки с микроконтроллером ATmega32U4, LCD-дисплей MT-16S2H-I, датчик влажности и температуры Ардуино DHT11, фоторезистор GL5516, емкостной датчик влажности почвы, переключатели, транзистор S9013, резисторы, соединительные провода, беспаечная макетная плата, блок питания, насос мини для воды, светодиодная лента, полиуретановый шланг, вентилятор компьютерный.

Для того чтобы сравнить стоимость готовых устройств в «Умной теплице» и разработанную нами систему целесообразно провести ценовой анализ (таблица 1, приложение). Стоимость устройства -7841 рублей

Самый дешёвый аналог на рынке - Smart standard. В комплект системы входит: блок база, переходник, блок питания 12V, датчик температуры и влажности почвы, датчик температуры и влажности воздуха, блок для подключения датчиков. Стоимость системы 37970 руб.

Так как стоимость нашей системы гораздо ниже, а именно 7841 рублей вместо предлагаемой на рынке 37970 рублей, считаем нашу систему целесообразной для использования в частном секторе и производстве.

Датчик температуры и влажности

Датчик температуры и влажности определяет температуру то 0 до 50 градусов и влажность от 20 до 80 %. Датчик измеряет параметры воздуха. В данном случаем используем датчик для измерения температуры.

Емкостный датчик влажности почты v 2. 0

В отличие от резистивных датчиков влажности YL-28 он не подвержен коррозии. Датчик является аналоговым, напряжение на выходе обратно пропорционально влажности почвы. Датчик идеально подходит для наблюдения изменений влажности почвы, для создания систем автоматического полива растений и для мониторинга целостности грунтового трубопровода.

Когда есть вода, почва будет проводить больше электричества, а это значит, что будет меньше сопротивление. Сухая почва плохо проводит электричество, поэтому, когда воды меньше, почва проводит меньше электричества, а это значит, что сопротивление будет больше.

Сборка «Системы климат – контроль 02»

Мы проанализировали стоимость недостающих компонентов для системы «Климат – контроль 02» в российских интернет-магазинах. Соотнесли цену и качество, сделали заказ. Компоненты доставили в течение двух недель с момента заказа. Для установки использовали макетные платы, которые дают возможность быстро установить или удалить систему датчиков из платы. Собрали систему определяющую температуру и влажность воздуха, считывающую освещенность и влажность почвы. Схему сборки разработали в программе Fritzing (фото 3, приложение).

Подключили датчики к микроконтроллеру, написали программы и начали тестировать. Во время тестирования программы использовали светодиоды для наглядности подачи напряжения вместо мембранного насоса и вентиляторов, ёмкостной датчик влажности почвы испытывали сразу (фото 4, 5, приложение). Убедились, что светодиоды загораются, а датчик влажности выдает показания влажности почвы.

Каркас теплицы было решено сделать из алюминиевого профиля, ширину, высоту и глубину теплицы определили из размеров грядок в пластмассовых контейнерах, которые приобрели в FixPrice (фото 6, приложение). Фоторезистор и датчик температуры установили на деревянной балке в центре теплицы. Экран, плату и микроконтроллер установили на лицевой стенке, закрепив их на деревянную пластину (фанера). Светодиодную ленту прикрепили с помощью двухстороннего скотча по периметру верхних балок на первом и втором этажах.

В боковых стенках внешней стороны теплицы установили вентиляторы. Провели установку мембранного насоса, который закрепили снаружи теплицы. От насоса провели систему капельного полива, то есть соединили шланги так, чтобы в каждый корень подходила трубка с форсункой (фото 7, приложение).

Обтянули теплицу прозрачной пленкой. Чтобы система проветривания работала качественно, между вентиляторами и стенкой сделали отверстия, благодаря которым при включении вентиляторов свежий воздух поступает из окружающей среды. Датчик температуры и влажности выдает показатели на экран дисплея [6]. Провели исследование работы системы. Используя фен, нагревали воздух, используя кружку со льдом, охлаждали (фото 8-10, приложение).

Микроконтроллер подает/отключает напряжение на вентиляторы, если значение выше/ниже установленной в программе нормы (фото 11-12, приложение).

Фоторезистор Ардуино и датчик освещенности

Фоторезистор, в отличие от обычного резистора, может менять свое сопротивление в зависимости от уровня окружающего освещения. Это означает, что в электронной схеме будут постоянно меняться параметры, в первую очередь нас интересует напряжение, проходящее через фоторезистор. Фиксируя эти изменения напряжения на аналоговых пинах Ардуино, мы можем менять логику работы схемы, создавая тем самым адаптирующиеся под внешние условия устройства. Прямое изменение сопротивления в зависимости от попадающего на него света позволяет упростить электрическую схему подключения [7].

Мы подключили схему с фоторезистором к Ардуино, убедились, что все сделали правильно. Теперь осталось запрограммировать контроллер. Нам нужно снять текущее значение напряжения с того аналогового пина, к которому подключен датчик. Делается это с помощью функции analogRead (). Затем мы можем выполнять действия, в зависимости от уровня освещенности (фото 13, 14, приложение). Если освещенность ниже порогового значения (70), то включается светодиодная лента. Когда показатель входит в норму, свет отключается.

Логика устройства

На дисплее с помощью кнопок устанавливается пороговые значения показателей: влажности почвы, температуры и освещенности помещения, которые фиксируют датчики.

При критических значениях влажности почвы система подает напряжение на мембранный насос, который включается на 4 секунды и выключается. Процесс зациклен и насос включатся, до тех пор, пока влажность почвы не достигнет нормы.

При критических значениях температуры система подает напряжение на вентиляторы, после понижения температуры до нужных значений вентиляторы отключаются.

При критических значениях освещенности система подает напряжение на светодиодную ленту, которая включается и светит до появления естественного освещения.

Логика двухуровневой теплицы оборудованной

системой климат – контроль:

Двухуровневая теплица — это возможность значительно сэкономить на аренде площадей с сохранением такого же объема полученного урожая. При многоярусном расположении лотков с растениями каждый плод или овощ обеспечен одинаково благоприятными условиями для созревания. Кроме того, такой принцип организации пространства обеспечивает свободный доступ к саженцам. Выбрав для разведения небольшие культуры, можно значительно увеличить количество «этажей».

Рост сельскохозяйственных культур - это соблюдение нескольких условий: обеспечения корневой системы питательными веществами, качественного и достаточного освещения, а также необходимый микроклимат. Система Климат – контроль автоматически подает воду с растворенными в ней питательными веществами к каждому корню.

На каждом этаже теплицы расположены вентиляторы и освещение, что позволяет получить равномерные всходы и равномерный рост посевов.

Собрали конструкцию, протестировали работу датчиков, установили пороговые значения, отредактировали программу и посадили первый урожай в теплице. Также «Систему Климат-контроль 02» можно использовать в помещении, она проста и понятна в использовании, имеет низкую стоимость и позволяет обеспечить как жизнедеятельность и рост рассады, так и комфорт людей.

Мы программировали работу на платформе Arduino, использовали библиотеки LiquidCrystal_I2C.h (дисплей), DHT.h (датчик влажности). Библиотеки находятся в свободном доступе в сети интернет и необходимы для корректной работы датчиков. Программа работы (фото 15, приложение).

Система климат контроль была разработана, собрана и исследована в лаборатории «Робототехника» в МАОУ «Голышмановская СОШ № 4» и в домашней лаборатории, в ходе разработки проекта использованы ресурсы лаборатории и собственные средства.

Использование результатов

Конструкцию мы собрали для выращивания рассады, в ней прекрасно взошли и выросли до третьего листа семена тыквы, кабачка и огурца. Эксперимент показал, что в мини теплице созданы более благоприятные условия, чем дома на подоконнике и тем более в открытом грунте. Рассада была более крупной в диаметре, стебли ровные, всхожесть происходила равномерно.

Также «Систему климат – контроль 02» можно использовать в помещении, она проста и понятна в использовании, имеет низкую стоимость и позволяет обеспечить как жизнедеятельность и рост растений, так и комфорт людей.

Разработанная система отвечает за климат–контроль теплицы или помещения, имеет относительно малую стоимость, что делает её конкурентной на рынке.

Работа системы. На дисплее устанавливаются пороговые значения параметров, необходимых для выращивания растений: влажности почвы, температуры воздуха, освещенности. Это позволяет регулировать систему под определенные условия. Если влажность снижается до порогового уровня, то включается насос и производится полив, до достижения нужного уровня влажности. Если температура системы повышается, то включаются вентиляторы, и выключаются до достижения температуры. Если снижается уровень освещенности, то включается светодиодная лампа. Пороговые параметры мы регулируем кнопками и после выключения системы они сохраняются. Если надо изменить пороговые значения, мы регулируем их кнопками, вводим на дисплей. То есть не надо изменять значения в программе. В данном случае пороговые значения влажности почвы - 60%, температуры воздуха – 27 градусов, освещенности – 70%, они являются оптимальными для растений.

При использовании устройства «Система климат – контроль 02», нужно обратить внимание на следующие моменты:

Пользователь. Устройство просто в использовании, поэтому им могут управлять люди, не имеющие специальных навыков.

Технологии. Беспроводная, проводная или комбинированная система.

Исполнитель. Организацией и поддержкой системы будет заниматься сам человек.

Автономность. Система работает автономно.

Ядро, управляющее системой. Устройство будет подавать команды, принимать и анализировать полученные данные.

Размещение ядра комплекса. Оно должно находиться на горизонтальной поверхности в помещении.

Расходы. Финансовые и энергетические затраты. Стоимость оборудования - 9820 рублей.

Разработку можно будет использовать в теплицах, помещениях, в доме, зданиях.

Самый дешёвый на рынке аналог Smart standard, стоит около 39000 рублей [2]. В это устройство нельзя внести изменения, усовершенствовать или упростить. Собрав нашу систему, мы экономим деньги, выбираем нужные нам датчики. Если собирать систему с большим количеством датчиков, то возникает сложность в синхронизации и объединении работы датчиков, но если использовать три или четыре датчика, то можно добиться корректной работы устройства.

Заключение

Сельское хозяйство России развиваться из года в год. Большая часть сельскохозяйственной продукции выращивается в теплицах. Государство оказывает поддержку тепличному комплексу, поддерживая фермеров малого бизнеса. Продукция тепличного хозяйства пользуется большим спросом, особенно в момент импортзамещения, что способствует созданию и развитию больших и малых тепличных хозяйств.

Цены растут на все продукты питания, но особенно на овощные и плодовые культуры и если есть возможность сделать используемое оборудование дешевле, то это, снизит рост цен.

Мы собрали систему, отвечающую за измерение температуры, влажности грунта и освещенности, способную автоматически поддерживать благоприятные условия для растений в замкнутой среде. Разработав проект «Система климат – контроль 02», мы подтвердили гипотезу, что если использовать недорогие компоненты при изготовлении системы климат – контроль, то можно в разы удешевить автоматизированную теплицу.

При работе над проектом я научился подключать к контроллеру датчики, собранные на макетной плате, программировать устройство и измерять температуру, влажность почвы, освещенность в помещении. Проверку работы системы проводил у систем отопления, газовой плиты, увеличивал влажность в доме, учитывал технику безопасности.

Система измеряет температуру воздуха, влажность почвы, уровень освещенности, выводит показатели на экран. При высоких/низких показателях температуры воздуха включается/выключается система вентиляции, которая состоит из двух вентиляторов и двух форточек на первом и втором уровне (этаже). При низких/высоких показателях влажности почвы система включает/выключает капельный полив, который состоит из мембранного насоса и гибких трубок. При высоких/низких показателях уровня освещенности система выключает/включает светодиодные лампы (фото 16, 17, приложение).

Программу можно регулировать для каждого растения. То есть для каждой сельскохозяйственной культуры можно задать идеальные параметры.

Устройство проводит мониторинг состояния окружающей среды и выводит показания на экран.

Потенциальные потребители устройства – агрокомплексы, малые сельские хозяйства и собственники загородных домов, квартир, теплиц.

Список использованных источников и литературы:

Электронные ресурсы:

Особенности развития тепличного хозяйства в России: бизнес-план, оборудование тепличного комплекса. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа:

https://1teplica.com/stroitelstvo/teplichnoe-hozyaystvo-biznes-plan-investitsii-rentabelnost.

Портал о мобильных устройствах и технологиях. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://4pda.ru/forum/index.php?showtopic=807727&st=100.

Технологии современного тепличного производства. / [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://agroru.com/news/tehnologii-sovremennogo-teplichnogo-proizvodstva-111932.htm

Петин, В. А. Arduino и Raspberry Pi впроектах Internet of Things. / В. А. Петин. - Москва, 2018. - 220с.

Бокселл, Дж. Изучаем Arduino. 65 проектов своими руками. / ДЖ. Бокселл - СПб. Питер, Москва, 2017. — 400 с.

Бачинин, А., Панкратов, В. Основы программирования микроконтроллеров/ А. Бачинин, В.Панкратов В. ООО Амперка, 2018. – 184с.

7. Макаров, С. Л. От схемотехники к интернету вещей. /С. Л.Макаров - Москва, 2018. - 203 с.

Приложение

Фото 1. ООО «ТК ТюменьАгро». Фото 2. Современная теплица.

Таблица 1. Стоимость деталей.

Фото 3. Схема системы

Фото 4. Измерение влажности, температуры воздуха.

Фото 5. Измерение освещённости.

Фото 6. Каркас двухуровневой теплицы.

Фото 7. Каркас с вентиляторами.

Фото 8. Работа датчика температуры и влажности (нагрев).

Фото 9. Охлаждение.

Фото 10. Работа вентилятора.

Фото 11. Показатели влажности, температуры.

Фото 12. Показатели освещенности.

Фото 13. Освещение системы. Фото. 14. Работа фоторезистора.

Фото 15. Программа для автономной работы.

Фото 16.Система измеряет параметры.

Фото 17.Система климат контроль 02.