III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

НАША УМНАЯ ТЕПЛИЦА

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Сазанов Р.С. 1

---

1муниципальное автономное общеобразовательное учреждение " Средняя общеобразовательная школа № 2 с углубленным изучением физики, математики, русского языка и литературы" (Школа № 2)

Зайцева Е.И. 1

---

1Школа № 2

Работа в формате PDF

1.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Мы все любим хорошо и вкусно поесть. Но еда должна быть не только вкусной, но и полезной! То, что сегодня продают в магазинах, редко не содержит различных биодобавок и препаратов. Вам всем приходилось, наверное, пробовать на вкус помидоры из супермаркета, которыми можно «гвозди заколачивать». А если покупать натуральные помидорчики и огурчики, то никаких денег не хватит. Выращивание овощей у себя на участке - это лучший вариант. Вы будете уверены в своих томатах на 100%.

Актуальность: Мы живем на Урале, в зоне рискованного земледелия. Для выращивания овощных культур у нас часто используют теплицы, где тратится много ручного труда для поддержания оптимальных условий для выращивания. Появилась идея автоматизировать этот процесс на модели маленькой теплицы с последующим масштабированием на «большую».

Предмет исследования: теплица

Объект исследования: комфортные условия для роста и развития растений в теплице.

Гипотеза: если приблизить условия содержания растений к «идеальным» для данного вида растений, то можно получить высокий урожай данного вида при наименьших трудовых затратах.

Цель: создание «Умной теплицы» для комфортных условий роста и развития растений, облегчение труда по выращиванию теплолюбивых овощных культур с применением информационных технологий.

Задачи:

1. изучить литературу по данной теме, а именно какие факторы влияют на комфортную жизнь растений в теплице: температура, влажность, освещенность, содержание углекислого газа;

2. найти информацию о платформе Arduino и принципах ее работы;

3. продумать схему для сборки умной теплицы;

4. разработать алгоритм сбора информации с датчиков, контролирующих комфортные условия роста и развития теплолюбивых культур;

5. подобрать комплектующие для реализации проекта;

6. написать алгоритм и код программы автоматизации процессов с помощью программного обеспечения и консультации папы;

7. испытать работу мини теплицы;

8. провести экономические расчеты для большой теплицы на дачном участке.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Давайте рассмотрим подробнее, что же происходит в конструкции теплицы, которой не ведома автоматика и контроль за ее микроклиматом ведется по возможности, хотя и фактически каждый день.

Рано утром, как только первые солнечные лучи попадают в теплицу, температура в теплице начинает быстро повышаться. И, чем выше теплица по высоте, тем это происходит быстрее. Для растений это – хорошо. Вот только есть проблема: перепад температур в это время между почвой и воздухом достигает порой разницы в 30°С! Корни остаются еще холодными, тогда как верхушки растений уже разогрелись. Более «холодная» подземная часть плохо снабжает более «теплую» верхнюю часть растений, что приводит к элементарному дефициту влаги. Для растений это плохо.

В жару растения испытывают еще больший стресс. Обычно хозяева идут собственноручно открывать форточки и двери уже тогда, когда температура внутри достигает 40°С. Двери и форточки резко открывают, и образовавшийся сквозняк уносит остатки и так недостающей влаги. Молодые побеги от этого теряют тургор – давление внутри клеток, вянут, а цветы и завязи и вовсе отпадают. А вот вредители, особенно паутинный клещ, от жары и сухости начинают чувствовать себя как раз хорошо. Только вечером растения начнут приходить в себя. То есть задача «умной» теплицы – это максимально поддерживать комфортный климатический режим для растений в теплице: влажность, температуру, насыщенность кислородом и влагой.

1.2 Освещение

Любые растения нуждаются в 12-16-ти часовом освещении в сутки. Как только продолжительность дня становится короче 10 часов, растения попросту перестают расти. Но и круглосуточно освещать теплицу не нужно. Для растений существует своя норма ночного покоя-6 часов.

Самые светлые головы планеты провели ряд интереснейших экспериментов и дружно решили, что любой растительности нужен только «полезный» свет: красная область спектра (волны длиной 600-700 нанометров), пока идет цветение и завязываются плоды и синий (400-500 нанометров) собственно для вегетативного роста (Приложение 1). С помощью популярной красивой подсветки можно освещать тепличные растения только одним «нужным» светом – синим или красным, либо в их комбинации. Электроэнергии они потребляют мало, именно на них ученые возлагают свои самые большие надежды.

Впервые опыты со светодиодами в теплице проводились в Дании. В итоге при использовании 50 тысяч светодиодов было сэкономлено около 40% энергии на огромной площади, а растения стали расти еще более интенсивнее. У цветов появлялось больше бутонов. И при этом в промышленных теплицах уже меньше использовались химикаты для регулировки роста растений.[1]

Фотосинтез — это процесс, при котором из углекислого газа и воды на свету образуются органические вещества. Общая формула фотосинтеза выглядит следующим образом:

Вода + Углекислый газ + Свет → Углеводы + Кислород

Выделяющийся при фотосинтезе кислород поступает в атмосферу. В верхних слоях атмосферы из кислорода образуется озон. Озоновый экран защищает поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения, что сделало возможным выход живых организмов на сушу.

Фотосинтез – это основа питания растений. Научно доказано, что 95% урожая определяют органические вещества, полученные растением в процессе фотосинтеза, и 5% – те минеральные удобрения, которые садовод вносит в почву.

Современные дачники основное внимание уделяют почвенному питанию растений, забывая о его воздушном питании. Неизвестно, какой урожай могли бы получить садоводы, если бы они внимательно относились к процессу фотосинтеза[3].

Свет, участвующий в процессе фотосинтеза, попадает в хлоропласты – внутриклеточные полуавтономные органеллы, содержащие зеленый пигмент. Под действием солнечного света хлоропласты вытягивают воду из почвы, разделяя ее на водород и кислород. Световая энергия собирается в специальные отсеки хлоропластов, называемые тилакоиды, а затем делит молекулу воды на кислород и водород.

Часть кислорода вырабатывается в атмосферу, а часть идет на дыхание растения. После чего углекислый газ в пиреноидах (белковых гранулах, окруженных крахмалом) смешивается с водородом и образует молекулы сахара. В результате этой реакции также выделяется кислород.

Соединяя сахар, с добываемыми из почвы азотом, серой и фосфором, зеленые растения производят крахмал, жиры, белки, витамины и другие сложные соединения, необходимые для их жизни.

Хотя в абсолютном большинстве случаев фотосинтез протекает под воздействием солнечного света, в нем также может участвовать и искусственное освещение. Растение поглощает свет при помощи зеленого вещества, которое называется хлорофилл. Хлорофилл содержится в хлоропластах, которые находятся в стеблях или плодах. Особенно большое их количество в листьях, потому что из-за своей очень плоской структуры листок может притянуть много света, соответственно, получить намного больше энергии для процесса фотосинтеза.

После поглощения хлорофилл находится в возбужденном состоянии и передает энергию другим молекулам организма растения, особенно, тем, которые непосредственно участвуют в фотосинтезе. Второй этап процесса фотосинтеза проходит уже без обязательного участия света и состоит в получении химической связи с участием углекислого газа, получаемого из воздуха и воды. На данной стадии синтезируются разные очень полезные для жизнедеятельности вещества, такие как крахмал и глюкоза.

Эти органические вещества используют сами растения для питания разных его частей, а также для поддержания нормальной жизнедеятельности.

Фотосинтез может происходить как под действием искусственного света, так и солнечного. Как правило, на природе растения интенсивно «работают» в весенне-летний период, когда необходимого солнечного света много. Осенью света меньше, день укорачивается, листья сначала желтеют, а потом опадают. Но стоит появиться весеннему теплому солнцу, как зеленая листва вновь появляется и зеленые «фабрики» снова возобновят свою работу, чтобы давать кислород, такой необходимый для жизни, а также множество других питательных веществ.[2]

Для повышения продуктивности фотосинтеза необходимы следующие условия:

1. Оптимальный световой режим – интенсивность освещения и длительность светового дня. Практически зависит от густоты посевов, ориентирования их рядов, искусственного освещения в теплицах. Следует также учитывать и разницу в освещении светолюбивых и теневыносливых растений.

2. Благоприятный температурный режим (20-25С) при выращивании растений в теплице.

3. Достаточная для данной культуры увлажненность почвы, регулирование, которой можно осуществлять орошением (поливом) или осушением.

4. Нормальное содержание диоксида углерода в воздухе (особенно в теплицах), так как снижение его содержания тормозит фотосинтез, а повышение угнетает процесс дыхания.

5. Достаточное содержание минеральных солей в почве.[4]

1.4 Вегетативный период растений

Секрет успешного выращивания состоит в том, чтобы понять, как растения растут и приносят плоды! Независимо от условий выращивания, в помещении или на улице, им нужны одинаковые требования для роста. Растениям нужен свет, воздух, вода, питание, субстрат, тепло для производства плодов и роста. Без одного из этих жизненно важных факторов, оно перестает расти и вскоре погибает. В помещении свет должен быть определенного спектра и интенсивности; воздух должен быть теплым, в меру сухим, обогащенным углекислым газом; вода должна быть в достатке, но не в избытке, и среда выращивания должна содержать определенное количество питательных веществ для бурного роста. Когда все эти требования выполнены на оптимальном уровне, результатом будет и оптимальный рост.

Растение должно развить здоровую и густую корневую систему для лучшего усвоения питательных веществ, и надземную структуру для лучшего получения доступного света.

Для обычных растений вегетативный рост поддерживается 16 часами света и больше. Растение будет продолжать вегетативный рост в течение года или дольше (теоретически бесконечно), пока поддерживается 18-ти и более, часовой фотопериод. Растение реагирует на фотопериод; цветение можно контролировать с помощью цикла «свет-темнота». Это позволяет садоводам, выращивающим в помещении, контролировать вегетативный рост и период цветения.[4]

Капельный полив - это метод, когда поливная вода малыми дозами подаётся непосредственно под корни растений, с помощью капельниц-дозаторов и используется наиболее эффективно.

Преимуществ у капельного полива очень много, они очевидны и подтверждены многолетней практикой садоводов большинства стран мира, это:

- более ранний и обильный урожай;

- предотвращение появления сорняков;

- предупреждение почвенной эрозии;

- предотвращение распространения болезней;

- экономия поливной воды (приблизительно наполовину) благодаря тому, что исключаются её испарение и инфильтрация;

- сокращение использования удобрений;

-невозможность попадания поливной воды на растения, что полностью исключает солнечные ожоги;

-предотвращение образования корки на поверхности почвы, что даёт лучшую вентиляцию корням;

- возможность непрерывного и равномерного полива без вашего присутствия и участия, все 24 часа в сутки, при любом ветре;

- действия по обработке растений и уборке урожая можно осуществлять в любое удобное время, не ориентируясь на полив;

- простота и доступность монтажа и ухода;

-нет необходимости перекладывать шланг, рискуя покалечить или сломать растения, разводя по дорожкам грязь (один раз уложил и забыл);

- эффективное использование трудозатрат;

- значительное увеличение интервалов между рыхлением и прополкой;

- увеличивается срок хранения выращиваемых растений;

- сокращение износа трубопроводов;

- значительная экономия денежных средств.[6]

1. Что такое Arduino

Arduino– это небольшая плата, с собственным процессором и памятью. На плате также есть пара десятков контактов, к которым можно подключать всевозможные компоненты: лампочки, датчики, моторы, чайники, роутеры, магнитные дверные замки и вообще всё, что работает от электричества (Приложение2).

В процессор Arduino можно загрузить программу, которая будет управлять всеми этими устройствами по заданному алгоритму. Таким образом, можно создать бесконечное количество уникальных классных гаджетов, сделанных своими руками и по собственной задумке. Для того, чтобы понять идею, взгляните на иллюстрацию в приложении 2. Она не отражает и миллионной доли всех возможностей, но всё же даёт первичное представление.[7]

Принципиальная схема составлена в бесплатной программе Fritzing 0.9.328.(Приложение 3). Программа легка в освоении, в своей библиотеке содержит много датчиков. Перед началом программирования необходимо нарисовать блок схему работы программы. Для этого я использую бесплатную программу Diagram Designer 1.28 (Приложение 4 ).

Код программы пишется в официальной среде разработки Arduino IDE 1.6.9.(Приложение 5).

Среда разработки Arduino состоит из встроенного текстового редактора программного кода, области сообщений, окна вывода текста (консоли), панели инструментов с кнопками часто используемых команд и нескольких меню. Для загрузки программ и связи среда разработки подключается к аппаратной части Arduino.

Программа, написанная в среде Arduino, называется скетч. Скетч пишется в текстовом редакторе, имеющем инструменты вырезки/вставки, поиска/замены текста. Во время сохранения и экспорта проекта в области сообщений появляются пояснения, также могут отображаться возникшие ошибки. Окно вывода текста(консоль) показывает сообщения Arduino, включающие полные отчеты об ошибках и другую информацию. Кнопки панели инструментов позволяют проверить и записать программу, создать, открыть и сохранить скетч. Описание загрузки приведено ниже.

Язык программирования устройств Ардуино основан на C/C++. Он прост в освоении, и на данный момент Arduino — это, пожалуй, самый удобный способ программирования устройств на микроконтроллерах.

Простейшая Arduino-программа состоит из двух функций:

setup(): функция вызывается однократно при старте микроконтроллера.

loop(): функция вызывается после setup () в бесконечном цикле все время работы микроконтроллера.

В интернете очень много примеров для реализации работы конкретных датчиков. Наша задача собрать все это воедино, доработать алгоритмы работы, чтоб устраивало нашим потребностям.

1. Практическая часть

Технические характеристики материалов, которые мы использовали в проекте мини теплицы, приведены в приложении 6 .

Опишем этапы сборки проекта.

1. Сначала создаем модель теплицы на бумаге. Продумываем, какие параметры будем замерять, согласно комфортным условиям для роста и развития растений. Рисуем схему (Приложение 7)

2. На макетной плате собираем опытный образец, в дальнейшем все провода были спаяны или использованы соответствующие разъемы.(Приложение 8)

3. Разрабатываем механизм реализации полива. Для этого нам понадобились - датчик влажности почвы, реле включения насоса.

4. Подключаем дисплей для индикации показания датчиков, который позволяет проверять, корректно ли работает алгоритм работы датчиков.

5. Проектируем и монтируем контроль освещения: фоторезистор, фотолампа, реле для включения лампы.

6. Для контроля влажности и температуры воздуха внутри теплицы устанавливаем соответствующий датчик.

7. Монтируем вентилятор с заслонкой для микропроветривания и сервопривод для открывания заслонки. Для сквозного проветривания подключаем к работе сервопривод для открывания форточки теплицы.

8. Монтируем инфракрасный порт с пультом для дистанционного управления. Схема включения датчиков показана в Приложении 9. В данном проекте реализовано 3 режима функционирования системы:

• Базовый режим - управление устройствами происходит в соответствии с показаниями датчиков.

• Демонстрационный режим - управление устройствами происходит с пульта (используется для проверки работоспособности, как подготовка перед взлетом самолета проверяют все системы на земле)

• Режим настроек - изменение границ регулирования. Данный режим нужен для автономного использования системы, изменение режимов работы без подключения к компьютеру и без перепрограммирования. Настройки хранятся в энергонезависимой памяти Arduino (такие как границы контроля влажности/температуры). Это особо актуально, если мы захотим выращивать разные типы растений в одной теплице. Одним требуется больше тепла, другим больше воды.

1. Устанавливаем поплавковый датчик в бочке, который осуществляет защиту для насоса. Работа насоса без воды быстро выведет его из строя. Так как вода, в данном случае является еще и смазкой для движущихся частей и охладителем для трущихся.

2. В случае опрокидывания емкости с водой или не герметичности системы подачи воды устанавливаем датчик протечки, который сможет защитить электронику от короткого замыкания.

3. Установим пьезоэлемент со звуковым сопровождением, который будет сигнализировать о низком уровне воды в бочке и о протечке воды в теплице.

4. Прописываем алгоритм (Приложение 10) и код программы (Приложение 11).

5. Собираем нашу «умную теплицу» (Приложение 12). Фотографии и комментарии процесса сборки теплицы приведены в Приложении 13

14. Производим экономический расчет нашего проекта. С ним можно ознакомиться в Приложении 14. И делаем экономические расчеты для использования данного проекта на большой теплице. Эти расчеты представлены в Приложении 15.

После подачи питания происходит базовая настройка системы в соответствии с сохраненными в памяти настройками (макс/мин влажность почвы для включения/выключения насоса, макс/мин температура/влажность воздуха для проветривания и т.п.). Затем происходит опрос инфракрасного датчика не поступил ли сигнал на переход в режим ДЕМО или режим настроек, если нет, запускается базовый режим работы по функционированию устройств в зависимости от показаний датчиков. Считываются показания, сравниваются с границами регулирования и, если требуется, включаются соответствующие устройства.

В ходе реализации нашего проекта мини умной теплицы, у нас возникли проблемы следующего характера:

1.Когда калибровали положение сервопривода поднятия форточки, сгорела сама плата Ардуино.

Предположительно произошло короткое замыкание или же чрезмерная нагрузка на встроенный преобразователь питания. Для исключения возникновения подобной ситуации добавили предохранители и внешний преобразователь питания.

Во избежание повторения данной ситуации было установлено 2 предохранителя на линию 5В и на линию 12В, так же подключил внешний преобразователь питания из 12В в 5В (старая автомобильная зарядка для машины), чтоб разгрузить внутренний преобразователь Ардуино.

2. Автономное сохранение настроек внутри платформы для изменения режимов содержания разных видов растений.

3. Недолговечность датчика уровня влажности почвы из-за коррозии.

Система оказывается намного точнее простого тактильного ощущения. Если человек будет считать землю полностью сухой, датчик покажет до 900 единиц влажности грунта (при оценке в десятеричной системе), сразу после полива это значение падает до 200-300 единиц. После этого датчик позволит контролировать изменение содержания влажности в грунте.[7]

1. Перспектива развития проекта

Для дальнейшего развития проекта ставлю перед собой следующие задачи:

1. Установить датчик контроля углекислого газа и продумать способы увеличения концентрации этого газа;

2. Для использования теплицы в периоды ранней весны и поздней осени, а так же холодного летнего периода продумать принудительный обогрев;

3. Предусмотреть использование увлажнителя воздуха в случае засушливого лета;

4. Проработать дневной и ночной режим температуры и содержания CO_2;

5. Опробовать систему на большой теплице этим летом на своем дачном участке и сравнить урожай с соседями, у которых нет «умной теплицы»;

6. Смонтировать систему так, чтобы можно было управлять ей с пульта дистанционного управления на большие расстояния. И рассмотреть возможность использования Wi-Fi/3G модуль и приложения на Android для смартфона.

Жизнь растения, его рост и развитие, урожайность зависят от определенных внешних условий среды. Основные из них - тепло, свет, вода, воздух, питательные вещества. Они необходимы растению в комплексе, и ни один из них не может заменить другой.

И если овощевод умеет правильно регулировать и создавать условия для нормального обитания растения, то старания его будут вознаграждены урожаем высококачественных овощей.Результатом внедрения нашей «Умной теплицы» будет сокращение трудозатрат по выращиванию овощей, высвобождение личного времени нас и наших родителей, получение большего урожая как следствие более правильных технологий по выращиванию в закрытом грунте.

Первый опыт работы в качестве проектировщика, сборщика установки, программиста мною получен. И я думаю, что наш проект мини «Умной теплицы» будет реализован дальше, потому что уже сейчас на этапе выращивания рассады моя бабушка уже является заказчиком такой небольшой теплички.

Считаю, что поставленные перед собой задачи я выполнил, цели достиг.

1. Пособие по биологии для абитуриентов/ Р.Г. Заяц, И.В. Рачковская, В.М. Стамбровская. – 4-е изд. – Минск: Вышэйшая школа, 1998. – 510 с.

2. http://vasha-teplitsa.ru/obustroistvo/umnaya-teplica.html

3. http://xn--80aa2bkafhg.xn--p1ai/article.php?nid=349088;

4. http://сезоны-года.рф/фотосинтез%20растений.html

5. https://dzagi.club/artcles/_/growers/zhiznennyj-cikl/vegatativnyj-period-rastenij

6. http://strgid.ru/preimushchestva-kapelnogo-poliva-i-ego-sostavlyayushchie

7. http://amperka.ru/

8. http://prosadguru.ru/dom/svoimi-rukami/841-datchik-vlazhnosti-pochvy-princip-raboty-i-sborka.html

9. http://coolcode.ru/arduino_list/

10. http://eltechbook.ru/pravila_jelektrobezopasnosti.html

Приложение 1

Освещение

Приложение 2

Платформа Arduino и различные датчики

Приложение 3

Главное окно Fritzing

Приложение 4

Главное окно Diagram Designer

Приложение 5

Главное окно среды разработки Arduino IDE

Приложение 6

Технические характеристики материалов, использованных в проекте

Приложение 6

Соединительные провода 3 типов

Приложение 6

Приложение 6

Приложение 6

Приложение 6

Приложение 6

Приложение 6

Приложение 6