Автоматизированные системы arduino для проветривания и капельного полива в умных теплицах: как устроены, преимущества и недостатки, обзор производителей

Суть теплиц с автоматикой

Для оптимального развития и выращивания овощных культур необходимо внутри помещения создавать свой микроклимат, контролировать температуру и влажность воздуха. Чрезмерное повышение температуры может погубить растения, а при слишком холодном воздухе они будут плохо расти и развиваться.

Следить за всем этим и создавать необходимый режим для растений очень сложно, даже если владелец участка постоянно живет на даче. На помощь приходит автоматическая система ухода за растениями, которая выполнит за вас все заботы по выращиванию овощей. Система вовремя польет грядки, сделает вентиляцию и установит нужную заданную температуру, и даже выполнит подкормку растений.

Выгоды использования умных теплиц

Многие дачники хотят выращивать овощи в теплице, но не могут постоянно находиться на даче, появляются там раз в несколько дней. Решается это проблема просто: надо на участке установить умную теплицу. Умная теплица с установленной автоматикой для теплиц полностью освободит пользователя от необходимости заниматься текущими работами.
Рис. 7 Умная теплица

Для небольших теплиц нет необходимости полностью автоматизировать все процессы. Это будет дорого, да и не рентабельно. Для автоматизации достаточно тех простых систем контроля и исполнения, которые вы можете установить самостоятельно. Зато как приятно, когда на столе у вас будут присутствовать свежие, экологически чистые овощи, выращенные своими руками.

Программная часть

С оборудованием все понятно. Осталось разобраться с программами, которые им управляют и контролируют состояние всей системы. Так как в комплексе есть два высокоинтеллектуальных устройства — ESS8266 и сам Arduino. Соответственно для обоих нужны свои программы. Помещение их в память устройств, в обоих случаях производится через Arduino IDE.

Управление

Ну и в финале, большой скетч управления самой теплицей, который выгружается в Arduino.

Замечания по конструкции

Датчик DN11 желательно заменить на DN22, который хоть и стоит дороже, но более точен и функционирует без проблем свойственных своему младшему тезке. Для питания контуров управления можно использовать компьютерный блок питания, желательно форм-фактора AT.

Компоненты и их описания

Arduino Uno

Arduino взаимодействует через датчики с окружающей средой и обрабатывает поступившую информацию в соответствии с заложенной в неё программой. Подробнее с платой Ардуино Уно можно ознакомиться здесь.

Ардуино Уно

Датчик влажности почвы

Измерение влажности почвы на базе Arduino производится с помощью датчика влажности. Датчик имеет два контакта. Через эти контакты при погружении их в грунт протекает ток. Величина тока зависит от сопротивления грунта. Поскольку вода является хорошим проводником тока, наличие влаги в почве сильно влияет на показатель сопротивления. Это значит, чем больше влажность почвы, тем меньше она оказывает сопротивление току.

Датчик влажности почвы

Этот датчик может выполнять свою работу в цифровом и аналоговом режимах. В нашем проекте используется датчик в цифровом режиме.
На модуле датчика есть потенциометр. С помощью этого потенциометра устанавливается пороговое значение. Также на модуле установлен компаратор. Компаратор сравнивает данные выхода датчика с пороговым значением и после этого даёт нам выходной сигнал через цифровой вывод. Когда значение датчика больше чем пороговое, цифровой выход передаёт 5 вольт (HIGH), земля сухая. В противном случае, когда данные датчика будут меньше чем пороговые, на цифровой вывод передаётся 0 вольт (LOW), земля влажная.

Этим потенциометром необходимо отрегулировать степень сухости почвы, когда как вы считаете нужно начать полив.

Фоторезистор

Фоторезистор (LDR) — это светочувствительное устройство, которое используются для определения интенсивности освещения. Значение сопротивления LDR зависит от освещённости. Чем больше света, тем меньше сопротивление. Совместно с резистором, фоторезистор образует делитель напряжения. Резистор в нашем случае взяли 10кОм.

Делитель напряжения

Подключив выход делителя Uin к аналоговому входу Ардуино, мы сможем считывать напряжения на выходе делителя. Напряжение на выходе будет меняться в зависимости от сопротивления фоторезистора. Минимальное напряжение соответствует темноте, максимальное – максимальной освещённости.

В этом проекте полив начинается в соответствии с пороговым значением напряжения. В утренние часы, когда считается целесообразным начать полив, напряжение на выходе делителя равно 400. Примем это значение как пороговое. Так если напряжения на делителе меньше или равно 400, это означает, что сейчас ночь и насос должен быть выключен.
Меняя пороговое значение можно настроить период работы автополива.

Релейный модуль

Реле представляет собой переключатель с электромеханическим или электрическим приводом.

Релейный модуль

Привод реле приводится в действие небольшим напряжением, например, 5 вольт от микроконтроллера, при этом замыкается или размыкается цепь высокого напряжения.

Схема реле

В этом проекте используется 12 вольтовый водяной насос. Arduino Uno не может управлять напрямую насосом, поскольку максимальное напряжение на выводах Ардуино 5 вольт. Здесь нам приходит на помощь релейный модуль.

Релейный модуль имеет два типа контактов: нормально замкнутые и нормально разомкнутые контакты. Нормально замкнутые без управляющего напряжения замкнуты, при подаче напряжения размыкаются. Соответственно нормально разомкнутые без напряжения разомкнуты, при подаче управляющего напряжения замыкаются. В проекте используются нормально разомкнутые контакты.

Водяной насос

В проекте используем 12-и вольтовый погружной насос с 18-ваттным двигателем. Он может поднимать воду до 1,7 метра.

Водяной насос

Этот насос можно эксплуатировать только тогда, когда он полностью погружен в воду. Это налагает некие обязательства по контролю уровня воды в ёмкости. Если водяной насос будет работать без воды, он просто-напросто сгорит.

Макетная плата

Макетная плата представляет собой соединительную плату, используемую для создания прототипов проектов электроники, без пайки.

Классификация умных теплиц

Любая система, в которой совершаются какие-либо действия, должна иметь для этого внешние источники энергии. По способу пользования такой энергией можно классифицировать умные теплицы по следующим группам:

• автономная — использует природные источники тепловой энергии, например, солнечную;
• зависимая от промышленных источников энергии — питание осуществляется от электрической сети.

Недостатком автономной является инерционность работы автоматики системы, которая из-за несвоевременного срабатывания исполнительных механизмов не гарантирует нормальную жизнедеятельность растениям.

Энергозависимые системы работы умной теплицы могут иметь аварийное отключение, что будет иметь самые плохие последствия для растений.

По конструктивному исполнению и назначению устройств тепличного комплекса можно выделить следующие категории.

• Оранжерея. Это помещение для выращивания экзотических растений, для которых не подходит климат данной местности. Обычно покрывается стеклом и используется для научных целей изучения развития необычных растений.
• Теплица. Это помещения для круглогодичного выращивания овощей, ягодных культур и рассады. Покрывается легким прозрачным материалом типа поликарбоната. Главная цель теплиц — получение высокого урожая овощей и ягод в короткие агротехнические сроки вне зависимости от окружающих погодных условий.
• Парник. Главное назначение парника — выращивание рассады. Обычно это небольшая переносная конструкция, покрытая легко сворачиваемой прозрачной пленкой. Тепло в нем создается природными источниками энергии.

Плюсы и минусы размещения теплиц на участке

Сначала плюсы:

• у вас будет возможность употреблять ранние овощи, выращенные по собственной технологии без нитратов;
• ваши растения будут защищены от непогоды и кислотных дождей, которые нередко выпадают в наше время;
• садовые вредители также будут лишены возможности проникнуть внутрь сооружения.

Рис. 6 Подвязка огурцов А теперь о минусах:

• для нормального роста растений вам необходимо производить полив и подкормки растений, опрыскивать их от болезней и вирусов;
• производить работы, связанные с подвязкой, удалением лишних побегов, и другие действия для регулировки роста растений.

Все эти действия требуют времени, но, чтобы вырастить хороший урожай, иначе нельзя. А если сделаете «умную теплицу», то большинство забот отпадет. Достаточно 1-2 раза в неделю затратить немного времени для подвязки и удаления лишних побегов. Вы будете приезжать на дачу только для контроля процесса выращивания и сбора урожая.

Автоматика для теплицы на микроконтроллере

Автоматизация теплицы возможна благодаря точным датчикам, считывающим температуру, уровень влажности и освещения внутри и снаружи теплицы, таймерам, которые передают сведения на специальный контроллер. После чего система управления, на основе встроенных в программу алгоритмов, оценивает показания с датчиков и принимает решения на включение или выключение исполнительных устройств теплицы.

Именно программный регулятор приводит в действие насос системы орошения, вентилятор и доводчик форточки, осветительные и отопительные приборы. На сегодня, существует множество контроллеров, главная задача которых – регулирование микроклимата в теплице. Цена на контроллер зависит от количества аналоговых входов и памяти устройства. Наиболее доступным является контроллер Атмега на платформе Ардуино.

Программа автоматики для теплицы на микроконтроллере ориентирована, в первую очередь, на такие процессы как:

1. Установка заданной температуры и влажности воздуха.
2. Включение, выключение осветительных приборов в зависимости от времени суток и года.
3. Управление системой аэрации (открытие и закрытие форточек, запуск вентиляторов при перегреве воздуха в теплице).
4. Управление системой полива в зависимости от этапов развития растений.

Подобная автоматика позволяет добиться максимальных результатов при выращивании даже самых прихотливых культур, но отличается высокой стоимостью, поэтому может быть рентабельной только на больших и промышленных сельскохозяйственных объектах.

Программирование мк Arduino для автоматизации процессов. Пример

Как и в прошлом пункте, для программирования важно разбить задачу на отдельные подпункты и выполнять последовательно. Программирование Ардуино происходит благодаря командам в интерфейсе АТ и АТ+, с помощью заготовленных библиотек

Соответственно, все сценарии прописываются в специальной среде на языке С++ и, прежде чем что-либо делать, посвятите время изучению его семантики. Помимо выполнения простых функций, система способна и на запоминание сценариев в флеш-память, что нам и необходимо в данном примере.

Не забывайте, что информация с каждого датчика поступает в реальном времени и в качестве переменных, однако вы можете ограничить время отклика, так как тратить ресурсы и замерять каждый параметр постоянно нет необходимости. Соответственно, выставите для каждого датчика время включения и отключения или установите время отклика на определённый промежуток.

Пошаговая инструкция создания умной теплицы

Наделить «интеллектом» можно практически каждую теплицу, которая отвечает стандартам выращивания овощей, фруктов и цветов в искусственных условиях. Для этого необходимо:

1. Приобрести готовый комплект автоматики или подобрать оборудование, которые соответствуют созданию необходимого микроклимата и площади помещения.
2. Оптимально разместить датчики и исполнительные устройства.
3. Соединить все элементы с контроллером.
4. Установить необходимое программное обеспечение.
5. Предусмотреть дистанционное управление.
6. Организовать автономное питание.

Один из вариантов создания умной теплицы представлен в видео:

Рекомендации для начинающих садоводов

• При расположении теплицы учитывается назначение, схема ветровой активности и географическая широта участка.
• Фрамуги для проветривания располагаются как можно выше.
• В темное время суток сохранение температуры обеспечивается аккумуляторами тепла (бочка с нагретой за день водой).
• Никакая автоматика не обеспечит урожайность без кропотливого ухода за почвой.

Умная теплица из поликарбоната

Устройство умной теплицы

Почему именно теплица из поликарбоната умная? Все очень просто, этот материал отвечает всем требованиям конструкции.
Он имеет отличные технические показатели, которые помогут сэкономить тепло и правильно распределит солнечные лучи. Влага внутри будет сохраняться дольше.
Что нужно сделать для создания умной теплицы? Как и говорилось выше, умная теплица представляет собой конструкцию с автоматическим поливом, обогревом и проветриванием.

Автоматический полив в теплице

Автоматический полив можно организовать в принципе в любой конструкции теплицы.Для этого понадобиться:

• Трубы.
• Насадки.
• Автоматика.
• Постоянное электроснабжение.

Особенности:

• Стоит учесть, что для того, чтобы можно было организовать автоматический полив нужно иметь постоянный бесперебойный источник водоснабжения. Это может быть колодец или скважина с насосным оборудованием для постоянной подачи воды.
• Трубы проводятся в теплице согласно установленной системе полива. Как правило, они прокладываются вдоль посаженых растений или между грядками.
  Все зависит от того, на сколько растение любит влагу. Также используются многочисленные насадки (капельное орошение, дождевальное, внутрипочвенное).
• Что касается автоматики, то она должна быть качественной. Автоматический полив может включаться от определенного пульта управления, который находится рядом с конструкцией, а может и от датчика, который выставляется на определенную температуру в конструкции или на уровень влажности.

Подключить оборудование можно и самостоятельно. На фото показаны примеры такой теплицы с автоматическим оборудованием.

Самостоятельное автоматизирование теплицы

Автоматическое проветривание

Теплицы в разумном управлении помогают экономить время. Это касается и проветривания теплицы.
Оно необходимо для того, чтобы вовнутрь теплицы поступал свежий воздух, а прогретые воздушные массы вышли наружу.

Этапы работы:

• Осуществляется проветривание теплицы за счет открытия форточек, которые на покрытии должны быть расположены правильно.
  Одной или двух таких форточек будет мало для осуществления качественного проветривания. Конечно, количество зависит от размера теплицы. Все они располагаются вверху каркаса.
• Для автомата проветривания необходимо приобрести датчики, гидравлическое оборудование или другие виды автоматики.
• Как это работает? Внутри конструкции теплицы под самым верхом устанавливается датчик температур, который имеет подключение к оборудованию, установленному на форточке теплицы.
• Датчик программируется на определенную температуру, по достижению которой срабатывает автоматика и при помощи гидравлического цилиндра форточка автоматически открывается.

Для программирования такого датчика есть специальная инструкция. Необходимо ее точно соблюдать.

Автоматическое отопление

Конструкцию теплицы нужно отапливать в том случае, если она используется в холодное время года, например, в конце зимы или ранней весной. Для того, чтобы создать растениям комфортную среду надо использовать отопительное оборудование.
Его на сегодняшний день очень большое количество.Как это работает:

• Есть инфракрасные обогреватели, которые также имеют датчик температур. И как только температурный режим начинает внутри конструкции снижаться, сразу включается автоматика.
  Такой способ является надземным отоплением.
• Есть также и внутрипочвенное отопление, в котором принимают участие специальные пластины. Они также имеют температурные датчики и включаются автоматически.
  Единственное, что нужно учесть, такие пластины устанавливаются внутри грунта под самими растениями.

Можно использовать автоматику на обычных газовых горелках или так называемых буржуйках из металла. Если газовые горелки некоторых видов могут уже в своем наборе иметь автоматику, которая включает и выключает оборудование, то вот самодельные печи требуют приобретения отдельно автоматической системы.
Устанавливать его не сложно. Пульт управления может находиться рядом с теплицей или в подсобном помещении.
Также используется температурный датчик, который программируется на определенный режим.

Работа для робота

Робототехнику в тепличном овощеводстве можно разделить на две категории: роботы для сервисной зоны и роботы для рассадных и овощных отделений, обращает внимание Александр Ачкасов, директор по инновациям НПФ «ФИТО» (проектирование и строительство тепличных комплексов и энергоцентров под ключ). Первая группа, по его словам, решает задачи внутренней логистики и упаковки Здесь речь идет о взаимодействии робота с тарой и упаковкой, поэтому в большинстве случаев задачи имеют слабовыраженную отраслевую специфику, а решения могут строиться на базе существующих промышленных роботизированных платформ

«Такие решения отработаны и все чаще встречаются на рынке, но процент реализованных проектов с их применением пока еще невелик, т. к. им приходится конкурировать с менее гибкими автоматическими линиями, на стороне которых, как правило, большая производительность и меньшая стоимость», — отмечает Александр Ачкасов.

Вторая группа, продолжает он, решает задачи мониторинга, ухода за растениями и сбора урожая. Здесь уже речь идет о необходимости взаимодействия робота с растениями и, ввиду сложности и специфичности задач, все еще о прототипах, а не готовых продуктах для рынка.

«Таким образом, в тепличном овощеводстве роботы скорее редкость, но общий вектор на роботизацию не обходит отрасль стороной, и из года в год появляется все больше как новых идей, так и представляемых прототипов», — уверен Александр Ачкасов.

Более перспективным и интересным направлением он считает создание роботов для овощных отделений. «Фонд оплаты труда в тепличном овощеводстве, в зависимости от региона, может составлять от 20 до 50 % от общих затрат, — рассказывает специалист НПФ «ФИТО». — При этом практически вся работа с плодовыми и овощными культурами осуществляется вручную и представляет собой выполнение однотипных повторяющихся задач, зачастую требуя при этом высокой степени концентрации».

Например, как рассказал Александр Ачкасов, робот-скаут, используя технологии машинного зрения, может повысить точность и качество контроля за текущим состоянием растений, а также эффективность их биологической защиты. «Мне известны два прототипа робота данного типа, один из них — наш собственный, — отмечает специалист. — В перспективе по результатам обхода такой робот может выдавать объективную информацию о качестве вегетации и плодоношения, наличии и локализации патологий и вредителей».

Робот-резчик может помочь в выполнении одной из самых массовых операций в теплице — удалении листа, продолжает Александр Ачкасов. По его словам, чистая скорость по удалению листа опытным работником в ближайшее время точно останется непревзойденной, но если говорить о производительности в неделю и, например, стоит задача дезинфекции ножа при переходе от растения к растению, то здесь уже робот может превзойти человека

«Мне известен один прототип данного робота, работы над ним ведутся более 10 лет, и, несмотря на успехи в условиях испытательных теплиц, рыночное решение еще не готово», — обращает внимание специалист

Еще один тип робота — робот-сборщик, призванный помочь непосредственно в сборе урожая. «Существует более пяти прототипов подобных роботов, каждый из которых специализируется на своей культуре», — говорит Александр Ачкасов. Он подчеркивает, что, как и в случае с роботом-резчиком, данные роботы уступают в скорости человеку, но ставка делается на возможность круглосуточной работы. «Таким образом, ни один из известных мне разрабатываемых в настоящее время прототипов не предполагает замену один в один текущих ролей людей на тепличном комбинате. Это говорит о том, что роботы в тепличном овощеводстве если и смогут изменить состав и принцип работ, то пока не заменят людей полностью даже на отдельном участке», — заключает специалист НПФ «ФИТО».

Безусловно, оценивать экономическую выгоду без конкретных цифр по стоимости вышеперечисленных решений сложно, убежден Александр Ачкасов. Но в сфере инновационных разработок в целом нельзя просто сравнивать себестоимость и делать выводы, ведь инновации часто выходят за рамки экономии и оптимизации, создавая добавленную стоимость в виде предсказуемости, прозрачности и качества результата, подытоживает специалист.

Умная теплица своими руками: пошаговая инструкция

Для начала определяются с выбором площадки для строительства, при этом учитывают инсоляцию, ландшафт, расположение грунтовых вод и розу ветров.

Не ставьте теплицу туда, где есть теньСхема наиболее благоприятного расположения теплицы относительно сторон света

Вторым моментом является выбор материала с учетом предназначения теплицы. Например, толщина сотового поликарбоната в 8 мм будет достаточна для покрытия теплицы, предназначенной для эксплуатации с весны до осени. Если же планируется выращивать культуры и зимой толщину покрытия рекомендуется увеличить до 16 мм при условии надежной герметизации.

Помочь сохранить тепло может теплоизолирующий фундамент.

Чтобы вложить в конструкцию «интеллект» потребуется осуществить монтаж систем автоматической вентиляции, автополива и обогрева почвы и воздуха.

1 этап. Автоматический обогрев почвы и воздуха

Предусмотрено два технических варианта обогрева теплицы:

В первый с использованием электроэнергии входят подключение теплового пола, конвекторов и инфракрасных обогревателей.

Второй основан на подключении водяного отопления с обязательным контролем работы котла вручную.

Обогрев воздуха

В целях обогрева воздуха предпочтительнее остановить свой выбор на электрообогревателях. Рекомендуется закреплять их к каркасу вместе с электросхемами и датчиками, срабатывающими при понижении температуры.

Обогрев почвы

Обогрев грунта можно производить тремя способами:

натуральным – за счет солнечного света;

биологическим – благодаря энергии, выделяющейся при гниении биоматериалов; недостатком является невозможность контроля температуры;

техническим, включающим обогрев почвы посредством:

подачи теплой воды по проложенным под землей трубам, подсоединенным к котлу;

монтажа системы «теплый пол», подключенной к электросети.

2 этап. Автоматическое проветривание

Иногда оказывается достаточным установки термопривода внутри теплицы или за ее пределами.

Форточки рекомендуется устанавливать на максимально возможной высоте.

В ряде случаев производится монтаж системы вентиляции, запускающей вентиляторы при изменении температуры воздуха.

3 этап. Автоматизация полива

Капельное орошение реализуется путем установки системы, представляющей совокупность резиновых и пластиковых трубок, а также капельниц

При такой системе полива вода в ходе подачи будет разогреваться, что важно для корневой системы

Ключевым элементом комплекса является гидроавтомат. Резервуаром служит бак, подача воды осуществляется самотеком.

Освещение

Рекомендуемая продолжительность светового дня в теплице должна составлять 12-16 часов в сутки. Режим работы источников искусственного освещения рекомендуется соотносить с темным и светлым временем суток.

Для автоматизации процесса используют датчики освещенности и таймеры.

Для обеспечения искусственного освещения чаще используют лампы:

накаливания – их недостатком является инфракрасное излучение, способное при близком расположении нанести вред растениям;

натриевые – их спектр схож со спектром солнечного света, однако ограничивает их применение малый срок эксплуатации;

светодиодные – отличаются высоким уровнем безопасности, а спектр близок к естественному освещению;

люминесцентные – характеризуются экономичностью, высоким КПД и продолжительным временем эксплуатации.

В зависимости от целей можно использовать также источники инфракрасного или ультрафиолетового диапазонов.

В итоге

Тепличная автоматизация – это уже давно не какой-то, оторванный от реальности эксперимент. Для хороших урожаем автоматизация просто необходима. До сих пор некоторые ассоциируют сельское хозяйство с чем-то архаичным. Это уже давно не так.

Не стоит думать, что автоматика в теплицах это про промышленные или фермерские. Отнюдь. В малых (садовых) формах тоже применяются технологии. К примеру всякие автофорточки или капельный полив.

Когда речь заходит о современных технологиях в агропромышленности, кажется, что магия существует, и для людей на самом деле уже нет ничего невозможного.

В следующих материалах читайте об феномене агритектура, аквапонике и многом другом. А сосем недавно была опубликована статья по гидропонике, что тоже относится к технологиям для теплиц. 0

Похожие записи:

Как выставить зажигание с помощью стробоскопа? Сигнализация действия защиты и автоматики Подключение потолочного светильника со светодиодами Маркировка smd компонентов: кодовые обозначения Как сделать веб-приложение для вашего собственного bluetooth low energy девайса? Как подключить усилитель в машине