ЛИЦЕЙ «СОЗВЕЗДИЕ» № 131 Г.О. САМАРА
443083, г. Самара, ул. Промышленности,319, тел.: 261-14-40, 261-09-32.
Областной конкурс
«Фестиваль инноваций, изобретений, технологий»
ТЕМА: «Автоматическая теплица»
Выполнила ученица:
Ларина Мария 10А класс
МБОУ лицей «Созвездие» №131
Научный руководитель:
Крылов Александр Олегович
МБОУ лицей «Созвездие» №131 учитель робототехники
г.Самара, 2020
Содержание
Введение………………………………………………………………………………..….3
К чему в теплицах автоматизация?.…………….……………………….…………….....5
История………………………………………….…………………………………………6
Виды умных теплиц и их классификация……………………………….………….……7
Особенности устройства Умной теплицы………….………………………………….…8
Требования растений…………………………………………………………...…………10
О наших приборах…………………………………………………………………………11
Источники литературы…………………………………………………………………….13
Введение
Наибольшее желание любого огородника — получать максимальный урожай при минимальных затратах труда. Одним из вариантов решения этой проблемы становятся теплицы. Это могут быть и большие промышленные сооружения, и небольшое место на подоконнике для выращивания любимого цветка. Но и в таком случае хочется, чтобы в ней самостоятельно грядки поливались, освещались, и обогревались, когда нужно. Ну и конечно, была организована автоматическая система вентиляции. даже за самой крохотной теплицей на подоконнике нужен уход: осуществление полива, поддержание нужной температуры, уровня освещенности.
Конечно, в первую очередь, требуется система управления всем этим высокоинтеллектуальным хозяйством. Кроме того, желательно получение информации о текущем состоянии напрямую или на домашний компьютер, или на смартфон. С этой целью будет использоваться контроллер для теплицы на Arduino.
Такая теплица окажется востребованной теми, кто не хочет тратить много времени на уход за растениями, а также может не иметь для этого возможности в случае длительного отсутствия — командировок, отпуска.
Какие же функции будет выполнять умная теплица?
Во-первых, необходимо оперативно получать всю необходимую информацию о климатических параметрах нашей теплицы: температура и влажность воздуха, температура и увлажненность почвы, освещенность теплицы. То есть осуществлять мониторинг климатических параметров теплицы.
Актуальность:
· возможность свободного роста растения благодаря необходимымавтоматически созданным условиям;
· не требует постоянного контроля человека.
Проблема:
· энергозависимость
· высокая стоимость.
Цель проекта:
· создание автоматической теплицы на базе ArduinoUNO. Сделать ее более доступной.
Задачи проекта:
· разработать схему будущей теплицы;
· выявить необходимые условия для возможности существования растения;
· изучить классификацию теплиц;
· создать макет теплицы;
· создать благоприятные условиядля полноценного роста и развития растения в теплице.
Для выполнения поставленной цели и задач проекта необходимо собрать информацию о теплицах, технических характеристиках, алгоритмах работы теплиц, управляемых человеком.
Предмет исследования: автоматическая мини теплица на базе ArduinoUNO
К чему в теплицах автоматизация?
Давайте рассмотрим подробнее, что же происходит в конструкции, которая «не умная». То есть попросту которой не ведома автоматика для теплиц 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 последней начинает достаточно быстро повышаться – и чем выше по высоте, тем 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. И происходит вот что: более «холодная» подземная часть плохо снабжает более «теплую» верхнюю часть растений, что приводит к элементарному дефициту влаги. Что на самом деле для растений все-таки не есть хорошо. Еще больший стресс растения испытывают в жару в такой теплице. Ведь обычно хозяева идут собственноручно открывать форточки и двери уже тогда, когда температура внутри достигает 40°С. Влажность воздуха при этом резко падает, растения начинают испытывать засуху. И что происходит дальше? Еще хуже – двери и форточки резко открывают, и образовавшийся сквозняк уносит остатки и так не достающей влаги. Просто-таки как в пустыне! Молодые побеги от этого теряют тургор – давление внутри клеток, вянут, а цветы и завязи и вовсе отпадают. Вечером растения, конечно же, начнут приходить в себя. Но в итоге, собирая урожай, вы не сможете не отметить, насколько он меньше и хилее того, что у соседа с частично или полностью автоматической теплицей. То есть задача «умной» теплицы – это максимально поддерживать комфортный климатический режим для растений в теплице: влажность, температуру, насыщенность кислородом и влагой.
История
Идея выращивания растений в экологически контролируемых зонах существует со времен Римской империи. Римский император Тиберий очень любил огурцы и ел каждый день по одной штуке. Римские садоводы разработали собственную систему круглогодичного выращивания огурцов для того, чтобы каждый день получать к столу императора свежие овощи. Огурцы были посажены в грунт, который находился в повозках. Эти повозки ежедневно утром вывозили на солнце, а вечером закатывали в теплое помещение для того, чтобы держать их ночью в тепле.В XIII веке теплицы были построены в Италии для размещения экзотических растений, которые исследователи привозили из тропиков. Оттуда же появилось название Ботанический сад (ботанические сады). «Активные» строения, в которых стало возможно вручную регулировать температуру, появились значительно позже. Первые упоминания относятся к 1450 году. В Корее разработали теплицу, описание которой содержит возможность регулировки температуры и влажности для разных растений и культур. Записи династии Чосон содержат описание мандариновых деревьев, растущих в корейской традиционной конструкции в зимний период с установленной системой отопления.
Предшественники современных теплиц также появилась в Голландии, а затем и в Англии в XVII веке. Такие строения требовали огромных усилий для подготовки конструкции к ночи и для зимнего периода. Возникали серьезные проблемы с предоставлением сбалансированного микроклимата и необходимой температуры. Сегодня в Голландии располагаются крупнейшие теплицы мира, некоторые из них настолько велики, что они способны производить миллионы цветов и овощей каждый год.
Французы называли свои первые "дома для растений" Оранжереями, так как они были построены для защиты апельсиновых деревьев от заморозков. Французскому ботанику Шарлю Л. Бонапарту часто приписывают строительство первой практически современной оранжерее в Лейдене. Эксперименты с дизайном теплиц продолжались в Европе в течение всего XVII века. Оранжерея в Версальском дворце имела огромный по тем временам размер. В длину она составляла 150 метров, при ширине и высоте 13 и 14 метров, соответственно. В Японии первая теплица появилась в 1880 году. Она была построена британским торговцем, занимавшимся экспортом трав.
Многочисленные парники стали появляться повсеместно с 1960, когда полиэтиленовая пленка стала широко доступна. Такие парники изготавливали из алюминиевых и оцинкованных стальных профилей или даже просто из ПВХ труб, поскольку затраты на такое сооружение были невелики. Это привело к тому, что парники стали строиться на небольших фермах и садовых участках. Прочность полиэтиленовой пленки со временем возросла, а в 1970 году в нее была добавлена УФ защита, что резко увеличило срок службы пленки с 1 года до 5 лет.
С 80-х годов прошлого века появились современные конструкции, оснащенные отоплением, дополнительным освещением и системами поддержания необходимого микроклимата. Количество видов покрытия также расширилось. Помимо пленки, в теплицах активно применяют такие материалы, как стекло и сотовый поликарбонат.
Прогресс не стоит на месте, тепличные конструкции постоянно совершенствуются. Внедряются новые материалы и технологии. На сегодняшний день существует огромный выбор теплиц на различный вкус и финансовые возможности. Осталось только сделать этот выбор.
Какие бывают виды умных теплиц и их классификация
Умные теплицы имеют следующую классификацию:
- Автономная теплица. Работает за счет солнечной или тепловой энергии. Медленно реагирует на перепады температуры, при резком перепаде температур растения могут пострадать.
- Энергозависимая модель. Подключаются к электросети, поддержание постоянных параметров более оптимально, можно создать для растений идеальные условия.
Плюсы и минусы
Подобных сооружения имеют очень много достоинств:
- Создание оптимального микроклимата для растений.
- Поддержание постоянной температуры.
- Автоматический полив.
- Экономия времени и сил.
Недостатки Умной теплицы:
- Большая стоимость материалов.
- Вложение сил.
- Для энергозависимых может стать критическим отключение электричества.
Особенности устройства Умной теплицы: оборудование, принцип работы и управления
Автоматическое проветривание:
Система автоматического проветривания предусматривает особую конструкцию форточек. Они могут быть сделаны в различных вариантах.
- Гидравлические.
Может быть и фабричным, и изготовленным самостоятельно. Состоит из двух емкостей, соединенных шлангом и заполненных жидкостью, но не полностью. Емкости располагают внутри и снаружи теплицы.При нагревании жидкость расширяется и перетекает в другой сосуд. Поршень двигается, и форточка открывается.Такое же действие происходит и при понижении температуры.
- Электрические.
Необходимо подсоединение к электрической цепи. Сигнал датчика температуры приводит в действие створки форточек.Петли форточки должны быть сверху, чтобы она закрывалась под воздействием своей тяжести.
- Биметаллические.
Изготавливаются из двух разных видов металла, при нагревании расширяются и створку форточки выталкивает из рамы.
Наиболее удачный вариант расположения форточек — наверху, по всему периметру.Так как теплый воздух поднимается, он будет выходить в форточки, а входящий более холодный воздух, равномерно смешиваясь с теплым, не будет резко воздействовать на растения.
Автономный полив
Автономный полив достигается путем капельного орошения растений. Вода поставляется к корням каждого растения небольшими партиями.Система делается из резиновых или пластиковых трубок с капельницами.Медленная подача воды обеспечивает необходимый прогрев и постоянно влажную почву.Для автономного полива также можно применять принцип гидравлики.
При повышении температуры жидкость вытесняется из емкости, и начинается полив. Емкость с водой нужно ставить на возвышенное место, чтобы не было перелива и окрашивать в темный цвет для лучшего нагрева.Весь полив происходит автоматически, необходимо только повернуть кран.
Требования растений
Основные условия, необходимые для роста и развития растений— тепло, свет, воздух, вода, питание. Все эти факторы одинаково необходимы и выполняют определенные функции в жизни растений.
Жизненный цикл роста и развития делится на определенные этапы — фазы. Условия внешней среды сильно влияют на рост и развитие растений.
Тепло
Тепло необходимо растениям во все периоды их роста и развития. Требования к теплу у различных культур неодинаковы и зависят от происхождения, вида, биологии, фазы развития и возраста растения.
Семена теплолюбивых культур прорастают при температуре выше 10°С.
Семена холодостойких культур прорастают при температуре ниже 10°С.
Молодым растениям, приспосабливающимся к условиям внешней среды и к самостоятельному корневому питанию, необходима температура как днем, так и ночью ниже, чем семенам при прорастании.
Свет
Основной источник света — солнце. Только на свету растения создают из воды и углекислого газа воздухосложные органические соединения. Продолжительность освещения сильно влияет на рост и развитие растений. Требования к условиям освещения у растений не одинаковы. Для южных растений длина светового дня должна быть менее 12 часов (это растения короткого дня); для северных — более 12 часов (это растения длинного дня).
Искусственно укорачивая или удлиняя световой день, можно повысить урожай и значительно улучшить его качество. В естественных условиях в открытом грунте этого достигают ранневесенними и позднелетними посевами.
Вода
Влажность не только почвы, но и воздуха необходима растению на протяжении всей его жизни.При достаточном запасе влаги в почве рост, развитие и плодообразование протекают нормально; недостаток влаги резко снижает урожай и качество продукции.
Воздух
Из воздуха растения получают необходимый им углекислый газ, который является единственным источником углеродного питания. Содержание углекислого газа в воздухе ничтожно и составляет 0,03%. Обогащение воздуха углекислым газом идет в основном благодаря выделению его из почвы. Большую роль в образовании и выделении почвой углекислого газа играют органические и минеральные удобрения, вносимые в почву. Повышение содержания углекислого газа в воздухе положительно сказывается на всех процессах в растениях, особенно ускоряет плодоношение.
Питание растений
Для нормального роста и развития растениям требуются различные элементы питания. Кислород, углерод, водород растения получают из воздуха и воды; азот, фосфор, калий, серу, магний, кальций, железо — из почвенного раствора. Эти элементы потребляются растениями в больших количествах и называются макроэлементами. Бор, марганец, медь, молибден, цинк, кремний, кобальт, натрий, которые также необходимы растениям, но в небольших количествах, называются микроэлементами.
О наших приборах
Мы использовали: расходомер, насос, датчик влажности почвы
fc-37, датчик температуры, жидкокристаллический дисплей, датчик света.
1. Расходомер
Описание: Датчик расхода воды 0.3 - 6л. / мин.
Общие сведения: Датчик расхода воды YF-S401 — позволяет измерять скорость потока воды.
Характеристики:
Рабочее напряжение: 5 - 18 В
Потребляемый ток: до 15 мА (при Vcc = 5 В)
Измеряемый диапазон расхода воды: 0,3 - 6 л/мин
Погрешность измерений: ±3%
Рабочее давление: до 0,8 Mpa = 8 бар = 7,9 ст. атм.
Рабочая температура: 0 - 80 °C
Температура жидкости: до 120 °C
Влажность воздуха: 35 - 90 %
Размер патрубка: ∅7 мм (внешний), ∅3,8 мм (внутренний), L=12мм
Габариты: 58x35x27 мм
Вес: 37 г
2. Жидкокристаллический дисплей
Описание: Цветной графический TFT-экран 128×160 / 1,8”
Общие сведения: Цветной графический дисплей 1.8 TFT 128x160 — предназначен для вывода текстов и графики. На обратной стороне дисплея есть слот для SD карты, на которой можно хранить графические данные.
Характеристики:
Контроллер: ST7735S
Диагональ: 1,8 дюйма
Напряжение питания: 3,3... 5 В
Напряжение LED подсветки: 3,3 В
Напряжение сигналов: 3,3 В
Разрешение: 128x160 (RGB)
Интерфейс: SPI
Размер экрана: 32×37 мм
Размер модуля: 35×58 мм
3. Насос.
Описание: Мембранный насос 6 - 12В
Общие сведения:
Мембранный насос R385 — предназначен для перекачивания различных жидкостей. Жидкости всасываются в центральный патрубок и выходят через крайний. Характеристики:
Рабочее напряжение: 6... 12 В.
Потребляемый ток: 200... 800 мА.
Диаметр патрубков: 9 мм.
Производительность: 1... 2 л/мин.
Габариты: 90х40х35 мм.
Вес: 92 г.
4. Датчик температуры.
Описание: DHT11 цифровой датчик температуры и влажности
Общие сведения:
Датчик температуры и влажности DHT11 — позволяет получать показания температуры и влажности по одной линии данных. Модуль будет полезен в проектах климат-контроля для теплиц или помещений.
Характеристики:
Питание: 3,3-5,5В;
Потребляемый ток:
В режиме ожидания: до 0,1 мА.
В режиме измерений: до 2,5 мА.
Измерение температуры:
Допустимый диапазон: 0°C... 50°C.
Максимальная погрешность: ±2°C.
Разрешение шкалы: 1°C.
Измерение относительной влажности:
Допустимый диапазон: 20... 90 %
Максимальная погрешность: ±5% при t=25°C
Разрешение шкалы: 1%
Минимальное время между считываниями показаний: 2 сек
5. Датчик влажности почвы.
Общие сведения:
Аналоговый датчик влажности почвы — подходит для систем автоматического полива растений.
Характеристики:
Напряжение питания Vcc: 5 В или 3,3 В
Напряжение на выходе датчика: 0... 4,5 В
Максимальный потребляемый ток: < 4,5 мА, при Vcc = 5 В и датчик погружён в грунтовую воду.
Потребляемый ток: I=Us/1000, где Us - напряжение на выходе Signal (S) датчика
Глубина погружения в почву: 45 мм
Рабочая температура: 4... 85 °С
Габариты: 65х22х7 мм (с учётом колодки выводов)
Вес: 1 г
6. Датчик освещенности.
Общие сведения:
Trema-модуль Датчик освещённости — позволит вам контролировать уровень освещенности.
С помощью данного датчика освещенности можно управлять освещением, автоматически включать свет, когда наступает ночь и многоедругое.
Характеристики:
Габариты 31 x 31 мм;
Источники литературы
1. Умная теплица на Ардуино, собираем с нуля (playarduino.ru)
2. Умная теплица на Ардуино своими руками: подробное описание (vashumnyidom.ru)
3. История возникновения теплиц (glass-house.ru)
4. "Умная теплица" - обзор производителей, автоматика на Arduino, преимущества автоматизации открытия форточек, приспособления для автономного полива, чертежи и инструкции как сделать своими руками (teplicaexpert.com)
5. Условия, необходимые для роста и развития растений. » Огородник (ogoroniks.ru)