Москва 2017 г

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ШКОЛА № 1554

Проектная работа по информатике

«Разработка автоматизированной Smart-

теплицы»

Выполнили:

Рязанцев Кирилл, ученик 9 класса «Б»

Руководители проекта:

Елацков Александр Васильевич, учитель ИКТ

Кармовильцева Лариса Анатольевна, учитель математики

2

Введение

У каждого человека, проживающего в регионах, где холодная погода

занимает немалую часть года, существует потребность в употреблении

овощей и зелени. В зимнее время года, овощи, продаваемые в магазине, не

отличаются хорошими качествами, чаще всего они безвкусны и дороги. Мы

задались вопросом, а что будет, если попробовать выращивать растения у себя

дома?

Чтобы обеспечить рост растений в зимний период в квартире нам в

первую очередь потребуется обеспечить все условия для поддержания

жизнедеятельности растений, а это: свет, вода, тепло, минеральные соли. В

жилом помещении присутствуют все эти условия, так как они также

необходимы человеку, но подойдут ли они нашему растению? Разные

сельскохозяйственные культуры требуют определенных значений

температуры, влажности, а также длины светового дня. Исходя из этих

параметров, мы должны разграничить условия жизни человека и растений. С

этой ролью прекрасно справляются теплицы, способные создать свой

внутренний микроклимат, но в настоящее время у современного человека

очень мало свободного времени, которого не хватит на полное обслуживание

теплицы. Поэтому роль управляющего теплицей передали электронному чипу,

который будет поддерживать и регулировать все условия жизнедеятельности

растений. Так появился термин «Умная теплица».

Мы проанализировали все доступные в данный момент домашние

теплицы, но у них огромное количество недостатков. Одни не поддерживают

отопление, другие не дают должного освещения растению, и чаще всего умные

теплицы направлены на изучение работы микроконтроллеров с

подключенными к ним датчиками, но не на поддержание роста растений. По

полученной входной информации, мы поставили себе задачу: проверить

возможность создания домашней теплицы, способной поддерживать весь цикл

жизни растений от посадки до сбора урожая.

3

Проблема проекта – отсутствие полнофункциональных домашних

теплиц с поддержкой всего периода роста растений.

Цель – создание "умной" теплицы, способной поддерживать все

необходимые растениям условия для максимально большого и качественного

урожая, доступной по цене и не занимающей много места (тип теплицы –

комнатная).

Задачи и этапы:

1. Проанализировать условия роста растений;

2. Проанализировать уже существующие домашние теплицы.

3. На основе выявленных условий, спроектировать подходящие размеры

и материалы умной теплицы;

4. Построить чертежи и модели умной теплицы;

5. Спроектировать системы жизнеобеспечения растений;

6. Создать обобщенный эскиз умной теплицы;

7. Изготовить корпус теплицы из выбранных материалов;

8. Наполнить корпус системами жизнедеятельности;

9. Откалибровать датчики под окружающую среду;

10. Провести апробацию изделия с растениями в течении зимнего

периода;

Анализ условий роста растений

Первым этапом нашей работы стал анализ условий, мы с уроков

биологии знаем, что растения являются автотрофами, то есть получают и

синтезируют все органические вещества из неорганических в процессе

фотосинтеза.

4

Фотосинтез – процесс преобразования веществ очень требователен к

таким параметрам как:

Углекислый газ;

Солнечный свет;

Тепло;

Углекислый газ и тепло в квартире легко добываемы, человек в процессе

дыхания выделяет некоторое количество газа, так же все квартиры снабжены

центральным отоплением. Проблему вызывает малое количество солнечного

света в зимний период.

Проанализировав литературу о комплексах теплиц, мы нашли

следующие информацию: «фиолетовые и синие фитолампы (диапазон 380-490

нм) – так же принимают непосредственное участие в фотосинтезе. Прежде

всего они нужны для образования белка, а также влияют на рост растения.

Растения, которые в природных условиях растут в условиях короткого дня,

при домашнем выращивании зацветают быстрее именно под воздействием

синих/фиолетовых частей спектра», следовательно, проблему недостатка

света можно решить светодиодными лампами фиолетово-синего спектра.

Кроме света, тепла и углекислого газа для растения немаловажную роль

выполняют такие параметры как:

5

Влажность воздуха;

Влажность почвы;

Наличие воды;

Размеры пространства, выделенного под одно растение;

Выявив все параметры поддержания роста растений, мы можем

приступить к проектированию домашней теплицы.

Анализ уже существующих теплиц.

Мы проанализировали все доступные на данный момент виды

домашних теплиц и разделили их на несколько видов.

1. Гидропонические и Аэропонические теплицы используют для

выращивания растений водно-воздушную или воздушную среду, питание

растения получают из богатого питательными веществами раствора,

окружающего корни или попадающего на них с помощью распылителей.

Теплицы данного вида обеспечивают растения всем необходимым, однако

на данный момент они стоят дорого.

2. Обычные теплицы – дешевые аппараты, способные поддерживать

относительное постоянство микроклимата, однако у низ нет никаких СЖО.

3. Гроубоксы - маленькие теплицы, изолирующие внутреннее

пространство вместе с растениями от внешней среды.

Вне зависимости от цены их функциональность нисколько не отличается.

Гроубоксы способны поддерживать микроклимат, придерживаясь таких

параметров, как температура, освещение, вентиляция, однако они

неспособны заботиться о своевременном поливе растений, так необходимом

гигрофитам, количестве СО2 в воздухе, а также уровне минерализации

почвы.

На основе выявленных недостатков мы пришли к выводу, что нет ни

одной доступной по цене теплицы, удовлетворяющей всем нашим

6

требованиям. В отличии от подавляющего большинства теплиц, не

способных поддерживать все необходимые растениям условия, такие как

качество освещения, температура, кол-во CO2 (углекислого газа) в воздухе, а

также уровень влажности воды и воздуха, минерализации почвы, наша smart-

теплица должна справляться с этой задачей прекрасно.

Проектирование корпуса и выбор материалов.

В этапе анализа требований растений мы упомянули такое условие, как

размеры пространства, выделенного на 1 растение. Если мы посмотрим на

любой пакет с семенами, то увидим, что этот параметр индивидуален для

каждого растения. В проектировании теплицы мы будем отталкиваться от

среднего расстояния между растениями. Например, согласно схеме посадки

овощных культур, для посадки редиса нужно расстояние в 2 см, а для

пекинской капусты – 25 см.

Для размеров теплицы мы должны учитывать то, что она будет

находиться в жилом помещении, т.е. она не должна занимать много места.

Также для создания теплицы нам нужен был прозрачный, крепкий материал,

который позволит изолировать пространство теплицы от внешней среды. Для

теплиц чаще всего используют поликарбонат, акрил или пленку.

Проанализировав материалы, мы пришли к выводу, что требуемым нами

параметрам соответствует лишь акрил.

В качестве каркаса для теплицы мы могли использовать различные

материалы, особенно доступные из них – сталь и алюминий, но сталь более

прочная и менее активная.

Далее мы приступили к созданию чертежей нашей умной теплицы.

Построение чертежей

Чертежи сначала были начерчены на бумаге, а затем их перенесли в

электронную среду при помощи программы (?)

7

8

Проектирование систем жизнедеятельности растений

Проблему с размером мы решили, спроектировав корпус теплицы, для

остальных параметров условий нам необходимо вводить дополнительные

системы, такие как: система отопления, освещения, полива, проветривания.

Системы проветривания и отопления осуществляют функцию

регулировки температуры микроклимата внутри теплицы. Система полива

контролирует влажность почвы и воздуха. Система освещения регулирует

световой день растений. Тем самым мы обеспечили все потребности растений.

Система жизнеобеспечения

Вентиляция

Освещение

Полив

Отопление

Системы проветривания и

отопления осуществляют

функцию регулировки

температуры микроклимата

внутри теплицы.

Система

освещения

регулирует

световой

день

Система полива

контролирует влажность

почвы и воздуха.

9

Изготовление корпуса теплицы из выбранных материалов

Автоматизация

В качестве электронного чипа, управляющего теплицей, был выбран

ATmega328 на основе Arduino Uno, самой универсальной и доступной платы

автоматизации процессов. Для того чтобы подключить все датчики и

необходимые элементы систем к плате, нам потребовалось использовать

расширитель контактов Arduino Sensor Shield.

10

Теперь перейдем к рассмотрению каждой системы в отдельности:

Система полива состоит из датчика уровня воды, мембранного мотора,

12В реле, датчика влажности почвы и механических элементов, таких как

полипропиленовые трубы, 9 мм патрубков и 5л бутылки для воды

Для освещения мы использовали лампы фиолетово-синего спектра PPG

T8i 600 Agro 8w IP20 фирмы JazzWay, а также фоторезистор.

Система вентиляции представлена 2-мя вентиляторами, реле 12В,

датчиком температуры и влажности воздуха DHT11.

Система отопления состоит из водонепроницаемого датчика

температуры, реле 220В, кабеля теплого пола “Национальный комфорт” и

теплоизоляционного материала.

11

Затем начался процесс подключения систем ЖО к нашему творению.

Первой из них была система освещения. Мы подключили 3 лампы

последовательной цепью к крыше теплицы и замкнули ключи на каждой из

них. Затем настала очередь системы отопления: изогнув кабель 9раз, скрепив

его при помощи стяжек из алюминия мы поместили конструкцию на дно

теплицы, засыпали песком, выровняли и накрыли листом пластика, приклеив

его к стенкам фольгированным скотчем.

Затем наш коллектив принялся за подключение систем полива.

Просверлив отверстие в одной из торцевых стенок вблизи дна, мы продели

через него патрубок. Один конец прикрепили к распределителю, а второй - к

насосу. Насос в свою очередь соединили при помощи такого же патрубка с

емкостью для воды.

Далее мы принялись за подключение системы вентиляции растений. Для

этого посередине торцевых сторон вырезали отверстия для циркуляции

воздуха и прикрепили к ним 2 вентилятора, направленных в одну

сторону. Затем подключили все системы к плате Arduino UNO и начали

программирование, в процессе которого мы создали сначала настраиваемый

скелет, а затем начали подбирать наиболее подходящие значения для

переменных (показателей температуры, влажности и т.д.)

Калибровка датчиков

Калибровка датчиков проводилась под кабинет информатик, где в

последующем будет располагаться теплица. Кабинет имеет 2 внешние стены,

3 окна и полное отсутствие сквозняка при открытых окнах.

12

В ходе настройки мы получили следующие данные для кабинета без

включенных систем жизнеобеспечения:

Температура почвы – 18 градусов;

Температура воздуха – при воздушном отоплении здания 26 градусов,

без отопления 14 градусов;

Влажность воздуха – 34%;

Освещенность – в течении дня изменяется от 550 до 1030 отношение

изменения напряжения на единицу мощности падающего излучения;

Влажность почвы – зависит от степени полива, датчик откалиброван на

30% мощность, чтобы избежать перелива жидкости;

Закончив код программы и калибровку датчиков, мы перешли к

апробации продукта, код программы расположен в приложении к проекту.

Апробация

Для апробации мы выбрали культуру салата «Руколла» как

быстрорастущую, её вегетационный период составляет 35 суток.

13

Изначально мы выставили параметры:

Температура почвы – 26 градусов;

Температура воздуха – 26 градусов;

Влажность воздуха – 33%;

Рост растения был очень замедленными на вторую неделю роста

появились первые основные листы, в следствии чего было решено изменить

параметры. Температура воздуха и почвы была снижена до 24 градусов, после

чего за 3 дня растения дали 3,4,5 листы.

Данные с датчиков мы получаем на компьютер в терминал через

Bluetooth модуль.

14

Подведение итогов

Создание теплицы из материалов с использованием Arduino прошло

успешно. С экономической точки зрения стоимость проекта составила 9209.

Среди них:

1) Материалы для корпуса 4017 рублей

2) Набор Arduino 1216 рублей

3) набор датчиков и вспомогательных систем. 3976 рублей.

Следовательно, цель выполнена. Экземпляр нашей теплицы имеет

преимущество в соотношении цена/возможности. В дальнейшем планируется

создать приложение для компьютера и смартфона по управлению теплицей

через интернет.

15

Перечень источников

1) Выращивание растений при искусственном освещении Автор: Б. С.

Мошков Издательство: Колос Год: 1966

2) Азбука электроники. Изучаем Arduino Автор: Юрий Ревич Из серии:

Электроника для всех

3) Самоучитель Java (3-е издание) Автор: Ильдар Хабибуллин Из серии:

Самоучитель (BHV)/ БХВ-Петербург 2008

4) Java 7. Библиотека профессионала. Том 1. Основы. Кей Хорстманн,

Гари Корнелл/ Core Java: Volume I — Fundamentals Серия: Библиотека

профессионала.

5) Алгоритмы и структуры данных. Учебное пособие - Мясникова Н.