XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Разработка модели автоматизированной системы орошения для теплицы

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ипатова А.В. 1Саитова А.И. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа №2"

Лялина О.А. 1Яшкин А.В. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа №2"

Работа в формате PDF

476.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Цель работы: Разработка модели автоматизированной системы орошения для теплицы с целью повышения урожайности и снижения труда на полив.

Проблема:

Необходимость оптимизации полива для достижения лучшего роста овощей в условиях теплицы.

Задачи:

1. Исследовать современные технологии полива

2. выбрать необходимое оборудование

3. Изучить среду программирования

4. разработать программное обеспечение

5. Изготовить прибор

6. провести тестирование системы

Целевая аудитория

Садоводы, агрономы, любители цветоводства и овощеводства, а также студенты и специалисты в области агрономии.

Ресурсы

Необходимое оборудование (датчики, насосы, контроллеры), программное обеспечение, временные ресурсы на разработку и тестирование.

Продукт

Модель системы автоматизированной системы орошения теплиц

Актуальность:

Тема проекта по изготовлению модели автоматизированной системы орошения теплиц является крайне актуальной в современном мире.

С каждым годом растет спрос на овощи и фрукты, выращенные в теплицах, так как они являются более экологически чистыми и качественными продуктами, чем те, которые выращиваются на открытом грунте.
Однако, процесс орошения теплиц является трудоемким и требует больших затрат времени и ресурсов. В этом случае, автоматизированная система орошения может значительно упростить и ускорить процесс выращивания растений в теплицах.

Кроме того, современные технологии позволяют создать систему, которая будет контролировать и поддерживать оптимальный уровень влажности и температуры в теплице, что положительно скажется на росте и качестве растений.

Также, автоматизированная система орошения может быть управляема из любой точки мира через интернет, что позволит сэкономить время и силы фермеров.

Сборка модели автоматизированной системы орошения теплиц

Проект представляет собой систему автоматизации для теплицы, созданную на базе Arduino Nano. Она предназначена для контроля микроклимата и автоматизации процессов полива, проветривания, а также отображения параметров среды.

1. Функционал

• Автоматическое включение насоса для полива на основе показаний датчика влажности почвы.

• Автоматическое открытие дверей на сервоприводах при достижении критической температуры.

• Интерактивная настройка пороговых значений температуры, влажности воздуха и влажности почвы через ИК-пульт.

• Отображение текущих параметров на LCD-дисплее.

2. Компоненты

1. Arduino Nano - центральный контроллер.

2. Датчик температуры и влажности DHT11 - мониторинг температуры и влажности воздуха.

3. Датчик влажности почвы HW-080 - измерение влажности почвы.

4. LCD-дисплей 1602A с I2C модулем - вывод текущих параметров.

5. ИК-приемник - управление режимами и настройками с пульта.

6. Два сервопривода SG90 - управление открытием/закрытием дверей.

7. Модуль MOSFET IRF520 - управление насосом.

8. Насос 12 В, 5 Вт - для полива.

9. Источники питания:

   • 5 В для сервоприводов (внешний аккумулятор).

   • 12 В для насоса (внешний аккумулятор).

3. Подключение компонентов

1. Arduino Nano
   Используется как центральный контроллер для управления всеми компонентами. Подключение осуществляется через USB для питания и загрузки программы.

2. Датчик температуры и влажности воздуха DHT11

• Пин сигнала: Подключите к цифровому выводу D3.

• Питание: VCC к 5V на Arduino, GND к GND.

• Резистор на 10 кОм подключается между выводами VCC и сигнала для подтяжки.

3. Датчик влажности почвы HW-080

• Пин сигнала: Подключите к аналоговому выводу A7.

• Питание: VCC к 5V на Arduino, GND к GND.

4. LCD-дисплей 1602A с I2C адаптером

• SDA: Подключите к A4 (SDA на Arduino Nano).

• SCL: Подключите к A5 (SCL на Arduino Nano).

• Питание: VCC к 5V, GND к GND.

5. ИК-приемник для управления пультом

• Пин сигнала: Подключите к цифровому выводу D2.

• Питание: VCC к 5V на Arduino, GND к GND.

6. Два сервопривода SG90 для управления дверьми

1. Серво 1 (левый):

   • Пин сигнала к аналоговому выводу A2.

2. Серво 2 (правый):

   • Пин сигнала к аналоговому выводу A3.

3. Оба серво подключаются к внешнему источнику питания 5V с общей землёй (GND соединяется с GND Arduino).

7. Насос 12V 5W для полива

MOSFET модуль управления насосом:

• • Пин управления (Gate) к цифровому выводу D7.

  • Питание насоса:

    • Положительный вывод к внешнему источнику питания 12V.

    • Отрицательный вывод через MOSFET к GND внешнего источника.

  • MOSFET модуль и Arduino должны иметь общую землю.

8. Источник питания для Arduino и других компонентов

• Arduino Nano питается через USB.

• Остальные компоненты получают питание от Arduino (5V) или от внешнего источника.

4. Программные особенности

• Используемые библиотеки:

• #include <IRremote.h>

• #include <Servo.h>

• #include <iarduino_DHT.h>

• #include <Wire.h>

• #include <LiquidCrystal_I2C.h>

• Логика работы:

  • Периодическое обновление данных каждые 5 секунд.

  • Управление устройствами (насос, сервоприводы) на основе показаний датчиков.

  • Интерактивное изменение пороговых значений через ИК-пульт.

  • Режим отображения текущих параметров и режим настройки порогов.

Анализ существующих автоматизированных систем орошения: основные минусы и плюсы

Системы полива для теплиц – это профессиональный набор устройств, которые облегчают уход за растениями в связи с тем, что не приходится поливать урожай вручную, например, с лейки. Рассмотрим основные системы: 

Плюсы:

1. Экономия воды.

Автоматизированные системы орошения позволяют точно дозировать количество воды, необходимое для полива растений. Это помогает избежать перерасхода воды и способствует её рациональному использованию.

2. Повышение урожайности.

Благодаря точному распределению воды, автоматизированные системы обеспечивают оптимальное увлажнение почвы, что способствует здоровому росту растений и повышению урожайности.

3. Снижение трудозатрат.

Системы автоматического орошения освобождают фермеров и садоводов от необходимости вручную поливать растения. Это снижает трудозатраты и позволяет сосредоточиться на других аспектах ухода за растениями.

4. Улучшение качества полива.

Автоматические системы могут обеспечивать более равномерное распределение воды по полю или саду, что улучшает качество полива и способствует более эффективному усвоению влаги растениями.

Минусы:

1. Высокая стоимость установки.

Внедрение автоматизированных систем требует значительных инвестиций в оборудование, программное обеспечение и инфраструктуру.

2. Сложность настройки и обслуживания.

Для эффективной работы системы требуется тщательная настройка параметров полива, а также регулярное обслуживание и обновление программного обеспечения.

3. Технические проблемы.

Как и любое сложное оборудование, автоматизированные оросительные системы подвержены техническим сбоям и неисправностям.

4. Влияние на окружающую среду.

Неправильное использование систем может привести к чрезмерному использованию водных ресурсов и загрязнению окружающей среды.

Код для ардуино «Орошение теплицы»

#include <IRremote.h> // Библиотека для работы с ИК-пультом

#include <Servo.h> // Библиотека для управления сервоприводами

#include <iarduino_DHT.h> // Библиотека для работы с датчиком температуры и влажности

#include <Wire.h> // Библиотека для работы с I2C-интерфейсом

#include <LiquidCrystal_I2C.h> // Библиотека для управления LCD-дисплеем через I2C

// --- Настройка пинов и объектов ---

#define DHTPIN 3 // Пин, к которому подключен датчик DHT11

#define MOISTURE_SENSOR_PIN A7 // Аналоговый пин для датчика влажности почвы

#define MOSFET_PIN 7 // Пин для управления насосом через MOSFET

iarduino_DHT dht(DHTPIN); // Создаем объект для работы с DHT11

Servo servo1; // Первый сервопривод

Servo servo2; // Второй сервопривод

// --- Настройка пинов ИК-приемника ---

const int recv_pin = 2; // Пин, к которому подключен ИК-приемник

// --- Инициализация дисплея и ИК-приемника ---

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); // Настраиваем дисплей (адрес 0x27 или 0x3F)

IRrecv irrecv(recv_pin); // Создаем объект для работы с ИК-пультом

// --- Параметры системы ---

int mode = 0; // 0 - режим отображения, 1 - режим настройки

int currentSetting = 1; // Текущий параметр настройки

int maxTemperature = 25; // Максимальная температура для закрытия дверей

int maxHumidity = 80; // Максимальная влажность воздуха

int maxSoilMoisture = 500; // Порог влажности почвы для включения насоса

// --- Переменные для хранения данных с датчиков ---

int temperature = 0; // Текущая температура

int humidity = 0; // Текущая влажность воздуха

int soilMoisture = 0; // Текущая влажность почвы

// --- Таймер для периодического чтения данных ---

unsigned long previousMillis = 0; // Время последнего обновления

const long interval = 5000; // Интервал обновления данных (5 секунд)

// --- Настройка начальных параметров ---

void setup() {

servo1.attach(A2); // Подключаем первый сервопривод

servo2.attach(A3); // Подключаем второй сервопривод

pinMode(MOISTURE_SENSOR_PIN, INPUT); // Настройка пина датчика влажности почвы

pinMode(MOSFET_PIN, OUTPUT); // Настройка пина управления насосос

lcd.init(); // Инициализация LCD-дисплея

lcd.backlight(); // Включение подсветки

lcd.clear(); // Очистка экрана

Serial.begin(9600); // Запуск последовательной передачи данных

dht.read(); // Инициализация датчика DHT11

irrecv.enableIRIn(); // Запуск ИК-приемника}

// --- Основной цикл программы ---

void loop() {

// Проверка времени для обновления данных

unsigned long currentMillis = millis();

if (currentMillis - previousMillis >= interval) {

previousMillis = currentMillis;

// Чтение данных с датчиков

dht.read(); // Обновление температуры и влажности

temperature = dht.tem;

humidity = dht.hum;

soilMoisture = analogRead(MOISTURE_SENSOR_PIN); // Чтение влажности почвы

soilMoisture = map(soilMoisture, 0, 1023, 1023, 0); // Инверсия значения

// Управление насосом

if (soilMoisture < maxSoilMoisture) {

digitalWrite(MOSFET_PIN, HIGH); // Включаем насос

} else {digitalWrite(MOSFET_PIN, LOW); // Выключаем насос }

// Обновление дисплея в режиме отображения

if (mode == 0) { displayValues(); }

// Управление сервоприводами в зависимости от температуры

if (temperature > maxTemperature - 5 && temperature <= maxTemperature) {

smoothMove(servo1, servo1.read(), 90); // Открытие дверей

smoothMove(servo2, servo2.read(), 90);

} else {smoothMove(servo1, servo1.read(), 0); // Закрытие дверей

smoothMove(servo2, servo2.read(), 0);}}

// Обработка сигналов с ИК-пульта

if (irrecv.decode()) { long code = irrecv.decodedIRData.decodedRawData; // Чтение кода кнопки

// Обработка кнопок и режимов...

irrecv.resume();}}

// --- Функция отображения текущих значений на LCD ---

void displayValues() {

lcd.clear(); // Очищаем экран перед выводом новых данных

// Первая строка: температура

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Temp: ");

lcd.print(temperature); // Отображение температуры

lcd.print("C");

// Вторая строка: влажность воздуха и почвы

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("VV:"); // Влажность воздуха

lcd.print(humidity);

lcd.print("%");

lcd.setCursor(8, 1);

lcd.print("VP:"); // Влажность почвы

lcd.print(soilMoisture);}

// --- Функция отображения параметров настройки ---

void displaySettings() {

lcd.clear();

// Вывод текущего параметра

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Setting: ");

lcd.print(currentSetting); // Номер текущей настройки

// Вторая строка: параметр и его значение

lcd.setCursor(0, 1);

if (currentSetting == 1) {lcd.print("Soil Moist: ");

lcd.print(maxSoilMoisture); // Порог влажности почвы

} else if (currentSetting == 2) { lcd.print("Temp: ");

lcd.print(maxTemperature); // Максимальная температура

} else if (currentSetting == 3) { lcd.print("Humidity: ");

lcd.print(maxHumidity); // Максимальная влажность воздуха

}

}

// --- Функция уменьшения значения текущего параметра ---

void decreaseValue() {

if (currentSetting == 1) {

maxSoilMoisture -= 10; // Уменьшаем порог влажности почвы

} else if (currentSetting == 2) {

maxTemperature--; // Уменьшаем максимальную температуру

} else if (currentSetting == 3) {

maxHumidity--; // Уменьшаем максимальную влажность воздуха

}

}

// --- Функция увеличения значения текущего параметра ---

void increaseValue() {

if (currentSetting == 1) {

maxSoilMoisture += 10; // Увеличиваем порог влажности почвы

} else if (currentSetting == 2) {

maxTemperature++; // Увеличиваем максимальную температуру

} else if (currentSetting == 3) {

maxHumidity++; // Увеличиваем максимальную влажность воздуха

}

}

// --- Функция переключения на следующий параметр настройки ---

void nextSetting() {

currentSetting++;

if (currentSetting > 3) {

currentSetting = 1; // Возвращаемся к первому параметру, если достигнут конец списка

}

}

// --- Функция переключения на предыдущий параметр настройки ---

void previousSetting() {

currentSetting--;

if (currentSetting < 1) {

currentSetting = 3; // Возвращаемся к последнему параметру, если достигнут начало списка

}

}

// --- Функция плавного перемещения сервопривода ---

void smoothMove(Servo &servo, int startAngle, int endAngle) {

int steps = 50; // Количество шагов для плавного движения

int delayTime = 20; // Задержка между шагами в миллисекундах

for (int i = 0; i <= steps; i++) {

int angle = startAngle + (endAngle - startAngle) * i / steps; // Вычисляем текущий угол

servo.write(angle); // Устанавливаем угол сервопривода

delay(delayTime); // Пауза между шагами

}

}

Сборка модели теплицы

Д ля сборки нам понадобится мини теплица, на теплице вырезаем форточки и крепим к ним сервоприводы – для открывания форточек для проветривания.

В самой верхней точке теплицы крепим датчик влажности воздуха, форсунки соединённые между собой шлангом (рис.1)., шланг соединяем с одним из выводов насоса, а другой вывод насоса соединяем с обратным клапаном (рис.2).

Соединяем всю систему вместе (рис.3). Проводим опытные испытания.

Источники информации:

1. Arduino Official Website - https://www.arduino.cc/

2. Официальный сайт Arduino с документацией, библиотеками, форумами и примерами проектов 0- https://arduino.ru/Reference

3. Сообщество DIY-проектов, где можно найти множество пошаговых руководств по созданию проектов на Arduino - https://nnov.profi.ru/repetitor/prog/yazyki-programmirovaniya/arduino/?seamless=1&tabName=ORDER&utm_campaign=59741767.spx_vr_profi_search_russia_services_medium_AOV&utm_term=28132160708.10374058047.0&utm_content=premium_---autotargeting_none&utm_source=yandex_cpc&utm_medium=cpc&yclid=7509918065186045951

4. Изучение Arduino на ChipEnable Подробные учебные материалы, примеры и схемы на русском - https://all-arduino.ru/arduino-dlya-nachinayushhih/

5. Школа авто полива- проектирование https://polivtec.ru/blog/kak-proektirovat-sistemu-avtomaticheskogo-poliva?ysclid=m56knr7t4965746890

6. VK Arduino Community- Сообщество Arduino во ВКонтакте с обсуждениями и проектами.

7. Мой Домашний Arduino - Ресурс для домашних проектов на Arduino с пошаговыми инструкциями.

8. YouTube каналы: AlexGyver: Пошаговые инструкции и проекты Arduino. KrazyKit: Простые и интересные проекты с Arduino.

9. Электроника для начинающих (ЭФН)

10. Обучение Arduino и основам электроники с простыми примерами.

11. Системы автополива - https://www.kp.ru/expert/sad-i-ogorod/luchshie-sistemy-avtopoliva/?ysclid=m56ktzb77e404302865