Старт в науке
Научный журнал для школьников ISSN 2542-0186
О журнале Выпуски Правила Олимпиады Учительская Поиск Личный портфель

УМНАЯ ТЕПЛИЦА

Дмитриев И.А. 1
1 МАОУ СОШ № 63, 5 «М» класс
Дмитриев А.Н. (, ООО «Айком»)
1. http://arduino.cc
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Arduino
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/ESP8266
4. http://amperka.ru
5. http://orehi-zerna.ru/oves-posadka-i-uhod

Данная статья является реферативным изложением основной работы. Полный текст научной работы, приложения, иллюстрации и иные дополнительные материалы доступны на сайте VI Международного конкурса научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» по ссылке: https://school-science.ru/6/22/38455.

Каждое лето проводя каникулы у бабушки с дедушкой, я наблюдаю как они целыми днями ухаживают за своими тремя большими теплицами. Они хотят каждый год получать хороший урожай помидоров, огурцов и баклажанов. Также дедушка каждый год садит арбузы, дыни, виноград, которые в нашем климате очень сложно выращивать. Я подумал, что с помощью современных средств можно облегчить им работу по выращиванию качественного урожая.

Гипотеза: Я предлагаю, что система мониторинга и автоматизации теплицы повлияет на всхожесть урожая, а также облегчит труд по ухаживанию за посадками.

Исходя из выше сказанного, я поставил цель – создать макет «умной теплицы».

В моей работе объектом исследования будет система мониторинга и автоматизации теплицы, а предмет исследования посаженные семена овса.

Задачи:

– изучить датчики для мониторинга параметров;

– изучить исполнительные механизмы;

– изучить платформу для автоматизации;

– разработать электрическую схему подключения датчиков и исполнительных механизмов;

– изучить программную среду разработки для выбранной платформы;

– написать программное обеспечение для дистанционного мониторинга основных параметров теплицы на мобильном приложении;

– провести сравнительный опыт выращивания семян овса в умной теплице и обычном парнике;

– сделать выводы.

Теоретическая часть. Платформа для создания проекта

Изучая информацию в интернете, я понял, что в данный момент самая доступная и популярная платформа для разработки умных устройств и систем мониторинга является Arduino (рис. 1). Arduino – это электронный конструктор и удобная платформа быстрой разработки электронных устройств для новичков и профессионалов. Платформа пользуется огромной популярностью во всем мире благодаря удобству и простоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду. Данная платформа была создана изначально для студентов для быстрого создания небольших проектов во время обучения в университете. Arduino-совместимые платы спроектированы таким образом, чтобы их можно было при необходимости расширять, добавляя в устройство новые компоненты. Эти платы расширений подключаются к Arduino посредством установленных на них штыревых разъёмов.

Язык программирования Arduino является стандартным C++ с некоторыми особенностями, облегчающими новичкам написание первой работающей программы.Программы, написанные программистом Arduino, называются скетчи.

Данная платформа производится многими компаниями по всему миру, что делает ее доступной для любого пользователя. Я приобрел данную платформу и все компоненты у китайского производителя на торговой площадке Aliexpress.

Часто эту платформу используют в кружках робототехники как в России, так и повсеместно.

Датчики

Для платформы Arduinoразработано очень много различных датчиков. Я использовал в своем проекте датчики (рис. 2):

– DHT22 – 2 шт.

– DS18B20 – 2 шт.

– Фоторезистор 1шт.

– FS-28 – 1 шт.

Датчик DHT22 является универсальным датчиком температуры и влажности с диапазоном измерения по температуре -40 °С … +80 °С, погрешность ±0.5 °С, диапазон измерения влажности: 0 … 100 %, погрешность ±2 %, выходной сигнал: цифровой.

Датчик DS18B20 является влагозащищенным датчиком температуры с диапазоном измерений от –55 °C до +125 °C и точностью 0.5 °C. Каждый DS18B20 имеет уникальный 64-битный последовательный код, который позволяет, общаться смножеством датчиков DS18B20 установленных на одной шине.

Фоторезистор измеряет уровень освещенности. Диапазон чувствительности: чувствительные элементы фиксируют длины волн в диапазоне от 400 нм (фиолетовый) до 600 нм (оранжевый).

Датчик влажности почвы FS-28 позволяет получить конкретный уровень влажности по шкале от 0 (очень влажно) до 1023 (сухо). Погружается полностью в почву.

Исполнительные устройства

Для платформы Arduinoразработано очень много различных исполнительных устройств. Я использовал в своем проекте следующие исполнительные устройства (рис. 3):

– реле 10A – 1 шт.;

– электромагнитный клапан для воды – 1 шт.;

Реле предназначено для замыкания или размыкания электрической цепи. Данным реле можно управлять нагрузкой до силы тока в 10 Ампер.

Электромагнитный клапан позволяет подавать и перекрывать подачу воды для полива в теплицу из емкости. Работает от напряжения 12 В.

Беспроводные интерфейсы

На платформе Arduinoесть несколько беспроводных интерфейсов в виде отдельных подключаемых плат. Основным и часто используемым является модуль Wi-Fi связи (рис. 4). Он представлен в виде небольшой платы и позволяет подключить Arduinoк домашней сети Wi-Fi или подключиться с телефона к Arduinoплате.

В своем проекте я использовал модель модуля ESP8266.

Программное обеспечение

Платформа Arduinoпрограммируется с помощью своей фирменной бесплатной среды разработки ArduinoIDE. Язык программирования не сложный, что позволяет быстро написать любой проект. Программы созданные в этой среде называют скейтчи. Я использовал последнюю версию программы 1.8.2 с официального сайта. Программа подключается и загружает скейтчи в Arduinoс помощью USB кабеля.

Экспериментальная часть

Для достижения поставленной цели я изготовил макет теплицы (рис. 5) и разработал систему мониторинга основных показателей окружающей среды и автоматизировал полив.

Изготовление макета теплицы

Каркас теплицы мною был изготовлен (рис. 6) из алюминиевого уголка, скрепленного заклепками. Стены и крыша были сделаны из акрилового прозрачного пластика. В работе использовались:

– ножовка по металлу;

– напильник;

– заклёпочник;

Размер теплицы:

– длина 30 см;

– высота 27 см (с крышей);

– ширина 20 см.

Схема мониторинга и автоматизации

Я разработал схему мониторинга и автоматизации на основе датчиков температуры и влажности (рис. 7). Мною был установлен датчик температуры и влажности за пределами теплицы для определения температуры окружающей среды, также я установил датчики внутри теплицы для определения значений температуры в почве и воздуха. В почве также был установлен датчик влажности. Я установил в теплице датчик освещенности, чтобы моя система могла определить пасмурно на улице или солнечно. Датчик температуры воды установлен в емкости для полива.

Все показания с датчиков через беспроводную сеть Wi-Fi передаются на мобильный телефон (рис. 8). Таким образом я могу оперативно контролировать какая среда у меня в теплице, чтобы принять решение о проветривании теплицы.

Программное обеспечение позволяетс телефона включить как вручную полив растений, так и автоматически при достижении низкого значения уровня влажности.

Программная часть

Программа (рис. 9) была написана в среде разработке ArduinoIDE. В программе подключены следующие библиотеки:

– DHT.h

– OneWire.h

– DallasTemperature.h

– RemoteXY.h

Эксперимент. Посадка овса

Для проведения эксперимента я купил в магазине для садоводов семена овса.

Методика эксперимента:

1. Замочить семена

2. Высадить в грунт

3. Оценить всхожесть семян в разных условиях.

Ход эксперимента.

3 апреля я замочил семена для последующей лучшей всхожести на сутки (рис. 10).

5 апреля, отобрав 14 семян, я высадил их в грунт: в теплицу 7 семян и 7 семян высадил в простой мини парник (рис. 11). В теплице был включен автополив на разработанной мною программе. Также при высоких температурах внутри теплицы я производил проветривание теплицы. В парнике полив осуществлялся вручную.

Результат эксперимента.

10 апреля я оценил всхожесть семян в двух средах. В теплице взошли 5 семян из 7. В парнике взошли всего 4 семени (рис 12). То есть всхожесть семян в теплице составила 71 %, а в парнике 57 %.

Выводы:

– всхожесть семян в «умной теплице» выше, чем в обычном парнике;

– трудозатраты в «умной теплице» ниже, чем ухаживать за семенами самостоятельно.

Заключение

В заключении хочу отметить, тема моей работы очень интересна, при ее исследовании я смог научиться:

– подключать датчики и исполнительные механизмы;

– программировать платформу Arduino;

– анализировать результаты работы программы;

– работать строительным инструментом и паяльником;

В работе я добился следующих результатов:

– система мониторинга и автоматизации теплицы позволит добиться лучших урожаев меньшими трудозатратами;

– «Умную теплицу» можно модернизировать и повышать функционал в дальнейшем.

Приложения

dnirtiev1.tif

Рис. 1. Arduino mega 2560

dnirtiev2.tif dnirtiev3.tif dnirtiev4.tif

DHT22 Датчик влажност ипочвы DS18B20

dnirtiev5.tif

Фоторезистор

Рис. 2. Датчики

dnirtiev6.tif dnirtiev7.tif

Реле Электромагнитный кран

Рис. 3. Исполнительные механизмы

dnirtiev8.tif

Рис. 4. Интерфейс Wi-Fi

dnirtiev9.tif

Рис. 5. Макет теплицы

dnirtiev10.tif dnirtiev11.tif

Рис. 6. Изготовление теплицы

dnirtiev12.tif

Рис. 7. Схема «умной теплицы»

dnirtiev13.tif

Рис. 8. Программанамобильномтелефоне#


Библиографическая ссылка

Дмитриев И.А. УМНАЯ ТЕПЛИЦА // Старт в науке. – 2019. – № 1-4. – С. 557-561;
URL: http://science-start.ru/ru/article/view?id=1421 (дата обращения: 14.08.2020).