XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Функциональное электронное устройство "Умный огород"

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Егоров И.М. 1

---

1МБОУ СОШ№7

Кунгина И.А. 1Поспелова Н.И. 1

---

1МБОУ СОШ№7

Работа в формате PDF

0.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Инновации в области технологий стремительно меняют наш быт, предлагая новые возможности. Концепция «Умного мира» формирует наше представление о будущем, где ресурсы используются максимально эффективно. Умные устройства, такие как гаджеты и системы автоматизации, уже доступны и могут значительно упростить нашу повседневную жизнь. Система умного огорода - дома позволяет удалённо и в автоматическом режиме решать задачи, требующие непосредственного присутствия владельца. Современные готовые изделия сложны, дороги, требуют подписки на использование, которые управляются с приложения на телефоне.

Функциональное электронное устройство — это аппаратный прибор, управляющий потоком электрической энергии для обработки, передачи, хранения информации или управления системами. Такие устройства преобразуют, усиливают или генерируют сигналы, используя полупроводниковые компоненты (транзисторы, микросхемы). Они делятся на цифровые и аналоговые.

Владение собственной теплицей летом подразумевает необходимость регулярного проветривания и полива, что требует постоянного присутствия. Разработка доступной и автономной системы позволит нам сэкономить личное время и значительно упростит процесс ухода за растениями.

Цель проекта: Создание функциональной электронной системы «Умного огорода», которая будет автоматически открывать, и закрывать двери в теплице в зависимости от температуры в ней, а также поливать растения.

Для реализации цели нужно решить следующие задачи:

• Изучить теоретический материал по данной теме;

• Разработать детальную структурную и электрическую схему устройства;

• Создать программное обеспечение для микроконтроллеров Аrduino и ESP8266;

• Смоделировать виртуальный прототип в программе «КОМПАС - 3Д»;

• Создать реальный прототип и протестировать его на практике;

• Выявить и устранить недостатки, проблемы, возникшие в результате эксплуатации.

Ожидаемый результат

Функциональное электронное устройство «умный огород» работает, как в автоматике, так и управляется с кнопки.

Глава 1 Теоретическая часть.

1. 1. Теоретическое описание - основ проекта в литературе.

Система «умный дом» становится всё более популярной и встречается в большем количестве жилых помещений и дач, поэтому важно разработать устройство, которое интегрируется в эту систему и поможет упростить повседневные дела на огороде и в доме. На сайте продаж на OZON, Wb [5, 6] данные устройства представлены только в отдельных элементах, нет единого взгляда на понятие «умный огород». В связи с эти уточним понятия для проекта.

1.1.1. Для огорода/теплицы.

Теплицы.

• Контроль микроклимата: автоматическое поддержание оптимальной температуры, влажности, освещенности.

• Автоматизация полива: регулирование полива в зависимости от влажности почвы, погоды, времени суток.

• Управление освещением: включение/выключение фитоламп.

• Безопасность: мониторинг (камеры), оповещение о проблемах (например, перепады температуры).

• Управление вентиляцией: открытие/закрытие форточек, включение вентиляторов.

Для дома (связанного с огородом или основного):

• Климат-контроль: управление отоплением, кондиционированием.

• Освещение: автоматическое включение/выключение света, управление яркостью, создание сценариев.

• Безопасность: системы сигнализации, датчики движения, дыма, протечки.

• Управление бытовой техникой: умные розетки, управление стиральными машинами, кофеварками и т.д.

• Управление шторами/жалюзи: автоматизация в зависимости от освещенности или времени суток.

• Энергосбережение: оптимизация потребления электроэнергии.

1.1.2. Типы систем и подходов.

• Готовые комплексные решения: Производители предлагают экосистемы (например, Яндекс, Xiaomi, Google Home, Apple HomeKit), которые объединяют множество устройств от разных производителей.

• DIY (Сделай сам) системы: Использование микроконтроллеров (Arduino, ESP8266/ESP32), датчиков, реле и программирования для создания кастомных решений. Часто используются для специфических задач, таких как управление теплицей.

• Гибридные системы: Сочетание готовых коммерческих устройств с DIY-компонентами.

1.1.3. Ключевые компоненты и технологии:

Центральный Хаб (шлюз): Устройство, которое объединяет все компоненты системы и позволяет им обмениваться данными. Это может быть

• умная колонка (Яндекс.Станция, Google Nest);

• специализированный Хаб (Aqara Hub, SmartThings Hub);

• Raspberry Pi для DIY-систем.

1.1.4. Датчики:

• Температуры и влажности: для теплиц, домов, помещений.

• Освещённости: для управления освещением и шторами.

• Влажности почвы: для автоматического полива.

• Движения: для безопасности и автоматизации освещения.

• Открытия/закрытия (контакты): для дверей, окон, форточек теплицы.

• Дыма, протечки, газа: для безопасности.

1.1.5. Исполнительные устройства.

• Умные розетки: для управления обогревателями, насосами, освещением.

• Умные реле: для прямого управления электроприборами (требует больше навыков).

• Электроприводы: для штор, жалюзи, форточек теплиц.

• Умные лампы: для регулировки освещения.

• Системы автоматического полива: насосы, клапаны, капельные ленты.

• Умные термостаты: для управления системами отопления.

1.1.6. Протоколы связи.

• Wi-Fi: Самый распространенный, но может быть энергозатратным.

• Zigbee / Z-Wave: Беспроводные протоколы с низким энергопотреблением, хорошо подходят для датчиков и исполнительных устройств, требуют хаба.

• Bluetooth / Bluetooth Mesh: Для локальной связи.

• Радиоканалы (433 МГц, 868 МГц): Часто используются в DIY-системах и простых садовых автоматиках.

1.1.7. Программное обеспечение (приложения, облачные сервисы).

• Мобильные приложения: для управления и настройки (Яндекс, Mi

• Home, Tuya Smart, Smart Life, Home Assistant).

• Облачные платформы: для удаленного доступа, хранения данных, интеграции.

• Локальные серверы (Home Assistant, OpenHAB): для более продвинутых DIY-систем, обеспечивают работу без зависимости от облаков.

1. 2. Концепция проекта.

Современные функциональные устройства часто основаны на функциональной микроэлектронике, где физические принципы используются для создания сложных компонентов, выполняющих функции целых узлов

Для теплицы: в зависимости от температуры и влажности в теплице, линейный привод корректирует температуру и влажность путём открытия и закрытия двери. У двери должно быть несколько положений открытия для более точной корректировки.

Для полива: зависимости от показаний датчиков влажности у растений, осуществляется полив с помощью помпы, только тогда, когда средний установленный уровень влаги не соответствует введенным данным.

1. 3. Теоретическое описание программного обеспечения проекта в литературе.

Когда в теплице температура ниже или выше установленной, система открывает или закрывает дверь. Для полива растений система измеряет влажность почвы и в случае если она недостаточная, то включает насос и происходит полив.

Глава 2. Материалы и методы проекта

2.1. Инженерный раздел

В начале работы состоялся выбор среды программирования и программы для создания корпуса проекта.

Таблица № 1. Обоснование выбора среды программирования

Выбор падает на Arduino IDLE, так как он не требует изучения с нуля и подходит к большинству плат. Так же была выбрана программа Компас 3Д, проектирование моделей уже пробовали.

Таблица № 2. Используемые электронные компоненты.

Требования к плате: 13 цифровых выводов (реле 6 шт, дисплей с модулем I2C и 5 датчиков).

Вывод: в результате анализа была выбрана платформа Arduino Nano, так как есть опыт работы, так же она имеет необходимое количество цифровых выводов и имеет малую цену.

2.2. Блок схемы и схемы подключения

Блок схема представлена в виде общей программа и подпрограммы, используемых во время полива и работы модели проекта. Электронные компоненты соединены в виде электрической схемы – дополненной фотографии. Данные представлены в виде рисунков №1 - № 5

Р исунок № 1 Блок - схема полива

Рисунок № 2. Блок схема открытия двери.

Р исунок № 3. Блок схема дисплея

Р исунок № 4. Электрическая схема, соединения компонентов к Arduino Nano/

2.3. Код программы

Н еобходимость описание программы в виде порядка действий, включающие разные комбинированные варианты составления программы в среде Arduino IDE, с подробным описание действий.

Рисунок № 5. Программа в среде Аrduino IDE.

Программная часть состоит из бесплатной программной оболочки (IDE) для написания программ, их компиляции и программирования аппаратуры, что позволяет легко сориентироваться при составлении своего функционального устройства.

Глава 3

3.1. Расчётная часть проекта

Для выполнения проекта необходимы детали в составе, описанные в таблице № 3 с учетом названия, количества и цены за 1 штуку, приобретённые в онлайн магазинах.

Таблица № 3. Состав деталей, необходимых для сборки.

Итого: Себестоимость изделия с ценой потраченных расходного материала (припой, провода, пластик и флюс) равна 1420 рублей с учётом линейного привода и 720 рублей без него.

3.2. Экологическая оценка проекта

Оценив весь технологический процесс изготовления функционального устройства и его эксплуатации, нами не было выявлено ни одного фактора, который мог бы повлечь за собой изменения в окружающей среде и нарушений жизнедеятельности человека. Никаких химических, вредных веществ в процессе изготовления модели проекта выявлено не было.

Заключение.

В итоге, удалось создать полностью функциональную систему «умного огорода». Все поставленные задачи были успешно выполнены, и цель проекта достигнута.

Умный огород — это система автоматизированного садоводства, которая позволяет людям с минимальными навыками выращивания растений получать свежие овощи и зелень на своем участке.

Цифровые технологии в сельском хозяйстве являются основой для перехода к производственной концепции «Умное сельское хозяйство». Данная концепция реализуется посредством широкого применения компьютерной и коммуникационной техники, беспилотных летательных аппаратов, роботизированных машин, программного обеспечения для сбора, систематизации, анализа, хранения и передачи информации, а также методов поддержки принятия управленческих решений. Роботизация - отличная тема для реализации в домашней и промышленной практике в аграрной сфере

В процессе работы над проектом были значительно улучшены навыки в программировании, пайке и 3D-моделировании. В дальнейшем планируем провести полную переработку системы для её усовершенствования. На текущем этапе мои навыки программирования пока недостаточны для реализации всех задуманных функций, но система уже работает и соответствует поставленным целям.

Тестирование выявило некоторые недочёты и подсказало пути для дальнейших улучшений. При этом система демонстрирует высокую эффективность в работе.

Список литературы

1. Цифровые агротехнологии в системе «Умный сад», А. Ю. Измайлов, И. Г. Смирнов, Д. О. Хорт, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», г. Москва, Россия, 2018; 6:33-39, Садоводство и виноградарство, Sadovodstvo i vinogradarstvo / Horticulture and viticulture, стр. 33 – 39

2. «Умный» сад. Что сдерживает роботизацию садоводства. [Электронный ресурс] // URL: https://www.agroinvestor.ru/technologies/article/39230-umnyy-sad-chto-sderzhivaet-robotizatsiyu-sadovodstva/, (дата обращения: 19.01.2026)

ПРИЛОЖЕНИЕ

Э лектроника ФЭУ- Умный огород.

Сборка ФЭУ- Умный огород