XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
«Умная теплица» на базе конструктора Lego Wedo 2.0
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Сельскохозяйственная промышленность играет важную роль в экономике многих стран, обеспечивая население продуктами питания и сырьём для производства различных товаров. В этой отрасли занято большое количество людей, и она оказывает значительное влияние на окружающую среду.
Сельское хозяйство включает в себя выращивание растений, разведение животных и производство продуктов питания.
В последние годы сельскохозяйственная промышленность сталкивается с рядом проблем, таких как изменение климата, деградация почвы, нехватка воды и распространение вредителей и болезней. Эти проблемы требуют принятия мер по адаптации и устойчивому развитию сельского хозяйства.
Нашей команде стало интересно, какие технические средства могли бы прийти людям на помощь в сельскохозяйственном плане.
Целью проекта является создание демонстрационной модели умной теплицы на базе конструктора Lego Wedo 2.0.
Задачи:
- изучить основную информацию об уличных теплицах, их функциях, местах применения;
- подробно изучить виды теплиц, проанализировать использование;
- создать модель умной теплицы на базе конструктора Lego Wedo 2.0;
- разработать программы для умной теплицы;
- презентовать проект.
При написании теоретической части работы мы пользовались информационными сайтами. При создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [1,2,3].
Глава 1 Основная информация об уличных теплицах
-
-
Назначение. Области применения
-
Уличные теплицы — это конструкции, предназначенные для выращивания растений в открытом грунте. Они могут быть изготовлены из различных материалов, таких как дерево, металл, пластик и стекло. Теплицы могут иметь разные формы и размеры, но обычно они оснащены системой вентиляции, полива и освещения. Используются для выращивания различных культур, таких как овощи, цветы и даже ягоды. Они помогают создать благоприятные условия для роста растений, защищают их от заморозков, ветра и дождя, а также поддерживают оптимальный уровень влажности и температуры.
Если на открытых грядках работы начинаются в лучшем случае с конца апреля, то под защитой плёнки, стекла или поликарбоната первые всходы появляются на две-три недели раньше [4].
Все теплицы, бытовые и промышленные, имеют примерно одинаковые формы. Разница между ними в полезной площади, габаритах и оснащении. Наиболее оптимальными для частного садоводства считаются двускатные теплицы и всевозможные их модификации, например, теплица Митлайдера (Рисунок 1.1.1, Приложение).
Основные конструктивные элементы теплицы — каркас и укрытие. Их делают из разных материалов: несущую раму — из дерева, металла или пластика, укрытие — из стекла, поликарбоната или пленки. Комбинация материалов зависит от вида конструкции, ее размеров и сроков эксплуатации. Для круглогодичных комплексов предпочтителен металлический каркас из алюминия или оцинкованной стали со стеклянным покрытием или из поликарбоната. Основа из пластиковых труб подойдет для легких сезонных и мобильных теплиц, которые застилают в том числе пленкой ПВХ.
Материалы для изготовления теплицы:
Стекло — популярный и эффективный укрывной материал для теплиц. Оно долговечно, доступно и хорошо сохраняет тепло. У стекла высокая светопропускная способность — до 90%. Это значит, что растения внутри получат достаточно солнца для роста и развития. Кроме того, оно хорошо удерживает тепло, благодаря чему создается тот самый тепличный эффект. Остекление теплицы может быть одинарным, двойным или тройным. На дверях или открывающихся окнах в горизонтальной плоскости лучше использовать более прочное закаленное стекло.
В то же время стекло тяжелое и требует прочной рамы, а также специальных креплений на каркасе. При большой площади остекления вес теплицы будет значительным, поэтому лучше всего оборудовать под ней фундамент. В совокупности все это может привести к удорожанию проекта. Кроме того, несмотря на прочность, стекло может разбиться или треснуть (Рисунок 1.1.2, Приложение).
Поликарбонат — полимерный материал, который по своим свойствам приближен к стеклу. Он устойчив к механическим воздействиям, при этом легче стекла и также хорошо удерживает тепло. Для укрыва теплиц, как правило, используют сотовый или ячеистый поликарбонат. По форме это листы разных размеров, состоящие из двух и более параллельных пластин, соединенных между ребрами жесткостями. Благодаря тому, что между каждым слоем в сотах есть воздух, панели хорошо удерживают тепло. Листы поликарбоната бывают разной толщины, минимально — 4 мм. Для теплиц часто используют поликарбонат с УФ-защитой. Она может быть, как с одной стороны, так и с двух. Без нее материал будет больше подвержен разложению под воздействием солнечного света и со временем начнет терять светопропускную способность (Рисунок 1.1.3, Приложение).
Пленка — гибкое или рулонное покрытие, которое раскатывают по каркасу теплицы. Она бывает разной толщины, с армированием или без, с дополнительной УФ-защитой и теплоудерживающими свойствами. С точки зрения затрат пленка — самый экономичный вариант, но и прослужит она меньше. Самый дешевый материал придется обновлять каждый сезон. До трех лет прослужит светостабилизированная пленка плотностью 200 мк. Основные недостатки материала: плохая устойчивость к механическому повреждению, а также скапливание конденсата. Кроме того, дешевая пленка без специальных пропиток способна электризоваться. Это вызывает образование мелких капель на ее поверхности, которые притянут к себе пылевые частицы. Как результат, уже через несколько месяцев светопроницаемость пленки может снизиться на 20% (Рисунок 1.1.4, Приложение) [5].
Теплицы по назначению можно разделить на профессиональные, в которых выращивают свою продукцию агрофирмы, и бытового назначения. В больших промышленных комплексах предусмотрена сильная подсветка, а все несущие конструкции могут выдерживать экстремальную нагрузку от сильных снегопадов, штормов и ливней. Кроме того, в подобных постройках используют новейшие технологии: автополив, регулировку температуры и влажности воздуха.
Теплицы бытового назначения для дачников отличаются небольшими размерами. В одной теплице можно выращивать рассаду томатов, а в другой, точно такой же, цветы.
Теплицы по назначению и технологии выращивания бывают:
-профессиональные. Это крупные промышленные комплексы, как правило, состоящие из нескольких построек разного назначения;
-бытовые. Теплицы, которые используют в частном приусадебном хозяйстве. Большинство из них можно построить самостоятельно либо заказать проект в специализирующейся на теплицах фирме;
-зимние. Такие теплицы функционируют круглый год. Их конструкция и оснащение сложнее. В частности, для постройки используют более прочные и надежные материалы, внутри монтируют систему отопления и увлажнения;
-сезонные. Подходят для выращивания культур в определенный период или в течение всего летнего сезона. Это может быть, как капитальная постройка, так и мобильная. Последние удобны тем, что всю конструкцию можно собрать осенью и отправить на зимнее хранение;
-грунтовые и гидропонные. В грунтовых теплицах используют слой почвы или почвосмеси. В гидропонных растения питают через специальную систему подачи воды и минеральных веществ;
-рассадные. Это особые комплексы по выращиванию рассады для открытого и защищенного грунта. Чаще всего их возводят в крупных промышленных хозяйствах. От обычных теплиц они отличаются технологическим оснащением и конструкцией вентиляционных систем [5].
1.2 Виды уличных теплиц
Теплицы делятся на приспособленные для использования круглый год или только в теплый период. Круглогодичные имеют более сложную конструкцию, обеспечивающую минимальные теплопотери. Они оснащаются системами отопления, вентиляции, освещением, позволяющим увеличивать продолжительность светового дня зимой. Орошение в них сейчас делают чаще всего капельное – оно наиболее экономично. Стены в таких конструкциях изготавливаются из стекла или поликарбоната.
Летние теплицы в отоплении нуждаются только в северных районах, где ночью температура воздуха может значительно опускаться. В умеренном климате им достаточно естественного солнечного нагрева. Благодаря тому, что внутренний объем теплицы задерживает тепло, за ночь она остывает незначительно. В них также используется для стен стекло или поликарбонат. В самых простых и дешевых теплицах каркас обтягивается толстой полиэтиленовой пленкой.
Не все культуры можно выращивать совместно, т.к. им требуется разные режимы влажности и тепла. Иногда, чтобы не строить несколько теплиц, делают одну с несколькими отделениями, разделенными перегородками [6].
Виды теплиц по форме:
Форму теплиц определяет кровля или профиль поперечного сечения. По ним принято выделять несколько основных видов конструкций: одно- и двускатные, при этом двускатные могут быть с неравными скатами, а также с плоскими, цилиндрическими и гиперболическими.
Двускатная теплица – это классическая теплица с четырьмя прямыми стенами и крышей с равными скатами. Конструкция подходит для выращивания разных культур, в том числе тех, которые растут ввысь.
У двухскатных крыш есть несколько разновидностей. Например, «голландская» теплица, у которой боковые стены чуть наклонены внутрь. Такая конструкция дает чуть больше площади по земле, при этом сохраняется достаточная высота (Рисунок 1.2.1, Приложение).
Односкатная теплица – её особенность в том, что кровля имеет уклон только в одну сторону. Чаще всего она обращена на юг. Северная стена при этом может быть глухой или отсутствовать вовсе. Последнее актуально для теплиц-пристроек к дому или любому другому сооружению. Теплица с односкатной крышей считается универсальным вариантом, в которой даже в зимнее время можно поддерживать хорошую тепловую изоляцию и освещенность. Размеры односкатных теплиц варьируются от вместительных до небольших и компактных построек, чем-то напоминающих прозрачный садовый шкаф. По способу эксплуатации это может быть сезонная теплица или круглогодичная. В последнем случае под постройку в грунте вырывают котлован с ориентацией с востока на юг. В нем возводят каркас односкатной теплицы, а готовую конструкцию после присыпают землей для стока воды (Рисунок 1.2.2, Приложение).
В основе арочной теплицы может быть, как металлический каркас, так и пластиковый. На таких теплицах особенно удобно использовать для укрытия пленку, но стационарным постройкам также подойдет поликарбонат. С точки зрения эксплуатации арочные теплицы не уступают своим аналогам. Особый наклон кровли и стен обеспечивает равномерную передачу света и уменьшает внутреннюю конденсацию.
Основные достоинства арочной теплицы: внушительный внутренний объем, что удобно при выращивании высоких и вьющихся растений, а также устойчивость к снегу и дождям. Благодаря пологой форме осадки хорошо стекают с кровли. К недостаткам можно отнести трудности с вентиляцией. Обустроить окна под кровлей в таких конструкциях сложнее, поэтому чаще всего вентпроемы делают в двери или на противоположной стене (Рисунок 1.2.3, Приложение).
Теплица-капелька – это разновидность арочной теплицы, которая по форме напоминает каплю или свод собора. Подобные конструкции, как правило, довольно вместительные, а благодаря особому строению кровли в ней комфортно находиться в полный рост. Еще одно достоинство каплевидных теплиц — хорошее отведение воды и снега. Подобные сооружение особенно подходят для регионов с частыми и затяжными дождями и снегопадами [5].
1.3 Анализ использования теплиц в разных условиях
Изучив всё вышеперечисленное, мы пришли к выводу, что самая лучшая теплица для всех регионов, является теплица под названием «Дачная двушка» (Рисунок 1.3.1, Приложение). Она устойчива к различным погодным условиям, проста в монтаже и имеет арочную конструкцию, обеспечивающую достаточную прочность и удобство в использовании. Использование поликарбоната в качестве основного материала покрытия способствует отличной светопропускной способности и теплоизоляции.
Главным достоинством и преимуществом этой конструкции является ее компактность. Теплица хорошо впишется на небольшой дачный участок, но при этом ее функции останутся прежними. Ширина конструкции составляет 2 м – достаточно удобный вариант для узкого пространства.
Удобным применением такой теплицы является высадка оставшейся рассады, которая не поместилась в основные, большие конструкции. Различные постройки на участке и неровный ландшафт местности не всегда дает возможность установить широкую теплицу и в этом случае на помощь снова проходит теплица двушка.
У этой модели теплицы существует ряд основных преимуществ, которые выделяют ее на фоне своих аналогов:
-простота конструкции, теплица имеет 2 форточки и 2 двери;
-легкость установки и удобная инструкция по сборке;
-прочный каркас постройки;
-профиль оцинкованный, прочный и долговечный;
-практичная конструкция с шириной в 2 метра;
-в комплекте имеются усилители дуг.
В такой конструкции можно расположить 2 полноценные грядки шириной в 70 см, а проход между ними будет составлять 60 см. Высота теплице позволяет людям передвигаться в ней не сгибаясь, ведь стены имеют высоту в 2,2 метра. Конструкция идеально подходит для выращивания огурцов и помидор, а также для растений с высоким стеблем или лианного типа.
Теплица имеет прочную конструкцию. Такой прочности изготовители добились благодаря дугам из оцинкованной стали. Этот материал идеально подходит для изготовления теплиц, так как он не подвергается деформации и коррозии. Внешняя часть выполнена из поликарбоната, который в свою очередь, также отличается своей прочностью и надежностью.
Такую теплицу можно устанавливать в любом регионе нашей страны и использовать ее в любое время года. Сооружение способно выдержать до 110 см слоя снега и нагрузки в 240 кг/м. Проливные дожди и серьезные снегопады этой теплице не страшны. Но не стоит забывать о том, что конструкция крыши не обеспечит скатывание снега с нее, нужно периодически счищать его с теплицы. В противном случае, накапливаясь, снег может стать причиной перекоса конструкции.
Сборка конструкции не составляет большого труда. Монтаж производится с помощью обыкновенных болтов и гаек. Для дополнительной прочности вы можете установить фундамент под теплицу. Сборка производится единожды. Дополнительные работы в преддверии холодов не требуются.
Теплица двушка — идеальный выбор для небольшого участка. Преимущества такого сооружения и его лояльная цена — это лучшие аргументы в пользу покупки для каждого [7].
Глава 2 Созданиемодели на базе конструктора Lego Wedo 2.0
2.1 Планирование
Мы изучили конструкцию уличных теплиц, узнали для чего они используются и где применяются и запланировали сделать свою умную теплицу, у которой будут следующие задачи:
- Движение верхней части;
- Улучшение, путём добавления дополнительной автоматизации.
- Схожесть с конструкцией в реальной жизни.
Перед началом конструирования модели, мы также поставили задачу нарисовать эскиз будущего проекта (Рисунок 2.1.1, Приложение), затем построить модель и написать программу для движения верхней части.
2.2 Конструкция модели и её функционал
Проект создан на базе конструктора Lego Wedo 2.0. Включает в себя один смартхаб (Рисунок 2.2.1, Приложение), в основе находится один мотор (Рисунок 2.2.2, Приложение), от которого передаётся движение червячной передаче, которая отвечает за поднятие и опускание крыши теплицы (Рисунок 2.2.3, Приложение). Теплица состоит из двух ярусов, внизу расположены продукты питания и установлены системы автополива (Рисунок 2.2.4, Приложение). Данная система работает от собственного бака водозапаса, с использованием фильтра (Рисунок 2.2.5, Приложение). Модернизация нашей теплицы также состоит в том, что в ней имеется робот, который собирает урожай в специальную корзину, расположенную сзади него (Рисунок 2.2.6, Приложение).
2.3 Программа
Наша программа создана в среде Lego Wedo 2.0 (Рисунок 2.3.1, Приложение). Структура программы циклическая, имеет одно условие, согласно датчику расстояния. Работает по нажатию кнопок 1,2,3. Алгоритм программы следующий:
-
Ожидание работы датчика
-
Движение по часовой стрелке с мощностью мотора 2 в течении 6 секунд
-
Движение против часовой стрелки с мощностью мотора 2 в течении 6 секунд
-
Остановка
В нашей программе есть блок Цикл, который можно настроить на любое количество повторов. Он необходим для того, чтобы программа повторялась, когда срабатывает датчик расстояния. Сколько раз будет повторяться цикл, столько раз будет опускаться или подниматься крыша у теплицы.
2.4 Презентация проекта
Презентацию проекта (Рисунок 2.4.1, Приложение) мы провели в Школе интеллектуального развития «Мистер Брейни». У нашей умной теплицы открывается крыша, когда датчик расстояния видит тучу (Рисунок 2.4.2, Приложение). Это сделано для того, чтобы мы не расходовали воду из собственного бака. Затем, если датчик видит облако (Рисунок 2.4.3, Приложение), крыша закрывается, и вода для полива расходуется из бака водозапаса.
Заключение
В ходе проектной работы мы подробно изучили основную информацию об уличных теплицах, их видах, назначениях. Мы узнали, что теплицы являются важным элементом в сельском хозяйстве и садоводстве. Они позволяют выращивать растения в контролируемых условиях, защищают их от неблагоприятных погодных условий и обеспечивают оптимальные условия для роста и развития. Теплицы могут быть разных типов и размеров, и выбор конкретной модели зависит от потребностей и возможностей владельца.
Мы создали модель уличной теплицы на базе конструкторского набора Lego Wedo 2.0. Программа позволяет открывать и закрывать крышу, а также прерывать её по нажатию кнопки.
Далее, мы презентовали свой проект в Школе интеллектуального развития «Мистер Брейни», он вызвал большой интерес.
Из этого следует, что проект «Умная теплица» можно использовать на уроках робототехники, например, для изучения программного кода в среде Lego Wedo 2.0 и работы червячной передачи, а также можно использовать на внеурочных занятиях.
Списоклитературыиинтернетисточники
-
Курс «Робототехнический Центр», курс «Соревновательная робототехника», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни», - Режим доступа - https://mrbrainy.ru/;
-
Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3 / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. 2-е изд., перераб. и доп – М.: Издательство «Перо», 2016. – 300 с.
-
Йошохито Йocoгава, Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. О.В.Обручева]. – Москва, Издательство «Э», 2017. - 232 с.;
-
https://www.maxidom.ru/blog/poleznye-sovety/plyusy-i-minusy-teplichnogo-vyrashchivaniya-ovoshchnykh-i-yagodnykh-kultur/Теплицы: виды, из чего делают, конструкция (krovelson.ru)
-
https://realty.rbc.ru/news/660d36c19a79473aaa9336e8?from=copy
-
https://krovelson.ru/blog/obshchie/kakimi-byvayut-teplitsy-i-kak-pravilno-ustanovit/
-
https://dzen.ru/a/XiLXGv4okQCxR-9g
П риложение
Рисунок 1.1.1 Теплица Митлайдера Рисунок 1.1.2 Теплица из стекла
Р исунок 1.1.3 Теплица из поликарбоната Рисунок 1.1.4 Теплица из плёнки
Рисунок 1.2.1 Двускатная теплица Рисунок 1.2.2 Односкатная теплица
Рисунок 1.2.3 Арочная теплица Рисунок 1.2.4 Теплица-капелька
Рисунок 1.3.1 Дачная теплица двушка Рисунок 2.1.1 Эскиз проекта
Рисунок 2.2.1 Смартхаб Рисунок 2.2.2 Мотор Рисунок 2.2.3 Червячная передача
Рисунок 2.2.4 Система полива Рисунок 2.2.5 Бак водозапаса
Рисунок 2.2.6 Робот-сборщик урожая
Рисунок 2.3.1 Программа
Р исунок 2.4.1 Презентация проекта
Рисунок 2.4.2 Туча Рисунок 2.4.3 Облако