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
Рис. 1. Arduino mega 2560
DHT22 Датчик влажност ипочвы DS18B20
Фоторезистор
Рис. 2. Датчики
Реле Электромагнитный кран
Рис. 3. Исполнительные механизмы
Рис. 4. Интерфейс Wi-Fi
Рис. 5. Макет теплицы
Рис. 6. Изготовление теплицы
Рис. 7. Схема «умной теплицы»
Рис. 8. Программанамобильномтелефоне#
Библиографическая ссылка
Дмитриев И.А. УМНАЯ ТЕПЛИЦА // Старт в науке. – 2019. – № 1-4. ;URL: https://science-start.ru/ru/article/view?id=1421 (дата обращения: 19.04.2024).