Умная теплица на базе arduino из подручного материала с регулятором температуры

Автоматизация вездесуща. Различные механизмы создают комфортные температурные условия, помогают при готовке пищи, ухаживают за одеждой, включают и гасят свет, а также поддерживают чистоту помещения. Но использование их не ограничивается бытом человека. Вообще во всем окружении, на улице или производстве, при перевозках чего-либо, в магазинах или сельском хозяйстве — везде работают незримые помощники.

С развитием технологической базы вырастает и уровень автоматизации. Сейчас роботы или механизмы выполняют не просто последовательность заложенных действий. Их устройство теперь позволяет осуществлять своеобразный «выбор», в зависимости от изменившихся внешних условий. Самый простой пример — стиральная машина. Ее внутренняя начинка определяет температуру воды и при необходимости подогревает ее, следит за временем стирки и правильностью текущих циклов выполнения.

Кроме уже описанного, в нашу жизнь вошли «умные» дома, города, кварталы или улицы. Главное отличие их от обычных — присутствие взаимосвязанных между собой систем управления. Каждая из которых контролирует одно устройство из присутствующих в комплексе. Но, работу всех их определяет общая система, отправляя сведения необходимые для функционирования или указывающие команды.

Одной из относительно редко использующихся схем интеллектуального управления можно назвать применение его в сельском хозяйстве, а конкретно для полной автоматизации парников или аппаратуры ухода за растениями. Собственно, как может быть подготовлена и собрана умная теплица на Ардуино своими руками будет рассказано далее. Сделать это вполне по силам и относительно разбирающемуся в электронике человеку.

Общие сведения об управляющих системах

Интеллектуальность современного оборудования обеспечивается микроконтроллерами. Это небольшие и ограниченные по ресурсам полноформатные компьютеры, зачастую размещенные на одной плате или микросхеме. Несмотря на свои маленькие размеры их мощности вполне достаточно для того, чтобы управлять различным оборудованием. Информацию, необходимую для выполнения своих функций, такие микрокомпьютеры получают посредством различных специализированных датчиков. Общее нахождение устройств в единой сети обеспечивается посредством дополнительных присоединяемых к микроконтроллеру модулей.

Выполняя свою программу, интеллектуальные устройства, выдают управляющие импульсы на исполняющие цепи включающие двигатели, насосы, нагреватели или любые другие устройства для управления которыми и создается вся система.

Основой многих из подобных комплексов составляют контроллеры серии Arduino, STM, Ti MSP430, Netduino, Teensy, Particle Photon, ESP8266 или иных распространенных плат такого типа в мире. Кроме того, некоторые специалисты создают свои варианты микро — компьютеров, управляющих оборудованием — на основе устаревших ПК или каких-либо 8 разрядных процессоров, к примеру, Z80.

Оживляем все это с помощью программы

Выращивание культур в условиях защищенного грунта предполагает организацию определенного микроклимата внутри помещения. Иначе парник становится не только мало полезным, но и может нанести непоправимый вред рассаде. Обеспечить растениям необходимые условия можно и своими силами. Но, более удобной и действенной будет автоматизация процессов, влияющих на климат внутри парника. Как можно автоматизировать теплицу при помощи готовых и самодельных устройств – читайте в статье.

Современные устройства по автоматизации теплиц и парников позволяют автономно работать системам полива, отопления и вентилирования. На сегодня, существует несколько способов автоматизации процессов, от которых зависит . Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.

Автоматика в теплицах различается по принципу действия (способу приведения механизмов в действие) на:

1. Электрическую
   . Такая автоматика отличается простотой монтажа, возможностью точной настройки. К недостаткам электрических систем можно отнести их дороговизну, сравнительно с другими типами автоматизированных систем, и зависимость от источника электроэнергии.
2. Гидравлическую
   . Такие технологии надежные и абсолютно безопасные: в их основе лежит принцип расширения жидкостей при перегреве. Недостатки конструкций – медленное реагирование на понижение температуры.
3. Биметаллическую
   . В основе биметаллических устройств лежит способность различных металлов к расширению. Такие системы идеальны для автоматизации системы вентилирования. Минусом биметаллической автоматики является то, что она не способны приводить в действие тяжелое оборудование.

Вышеперечисленные автоматические системы можно установить на любое оборудование, которое нуждается в автономной работе. Выбор автоматизированных конструкций зависит от бюджета садовода, наличия рядом с участком сети электропередач, габаритов теплицы.

Чего бы хотелось

Наибольшее желание любого огородника — получать максимальный урожай при минимальных затратах труда. Одним из вариантов решения этой проблемы становятся теплицы. 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, для минимизации усилий по открыванию и закрыванию форточек.

Если для вас данный функционал слишком большой, то можно собрать автоматический полив в теплице своими руками, тогда вам не придется сильно углубляться в программирование и разработку.

Мониторинг и настройка

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.

Управление

В соответствии с желаниями, необходимо организовать автоматическое управление отоплением пола (как основы подогрева посадок), открытия форточек, увлажнением почвы. Хороша будет система контроля освещения, которая зажигает его, если на улице темно.

Автоматизация теплицы на основе автоматики Овен

Назначение системы автоматизации теплиц

Системы автоматизации управления теплицами позволяют выполнять следующие функции:

• Оперативный контроль технологических параметров и микроклимата, температуры, давления, влажности и т.д в теплице;
• Архивирование данных по параметрам работы теплицы и представление их в удобном виде;
• Представления информации о протекающих процессах в элементах тепличного комплекса;
• Cбор и накопления данных для анализа, позволяющий определить боем дальнейшей реконструкции тепличного комплекса.
• Два уровня освещение в теплице срабатывает по датчику освещенности.
• Контроль параметров котельной. Вывод параметров (температура, давление, состояние исполнительных механизмов теплицы), а также аварийных ситуаций на экран оператора.

Мониторинг работы систем теплицы

Автоматизация система управления производилась в следующих участках теплицы:

• котельная теплицы;
• производственные участки котельной;
• участок проращивания;
• системы вентиляции и рециркуляции воздуха;
• система распределения Со2 в теплице;
• система орошения в теплице;
• система подготовки удобрений.

Структура рабочего проекта автоматизации теплицы:

• схемы структурные комплекса технических средств теплицы;
• схемы автоматизации теплицы;
• схемы электрические принципиальные;
• схемы подключений и внешних соединений проводок.

Оборудование ОВЕН для систем автоматизации теплицы

• ОВЕН МУ110-6У
• ОВЕН МВ110-8А
• ОВЕН АС5
• Модуль аналогового ввода МВ110-pH
• ОВЕН БП60Б-Д4
• ОВЕН МВ110-16ДН
• Термопреобразователи сопротивления ДТС типа ТСП, ТСМ
• Термопреобразователь сопротивления для измерения температуры воздуха (датчик температуры воздуха)
• ОВЕН МУ110-16Р
• ОВЕН ПЛК304

Преимущества контроллеров ОВЕН ПЛК 304

• Наличие встроенного кард-ридера позволяет расширять энергонезависимую(flash) память контроллера до 2 ГБ
• увеличенное количество последовательных интерфейсов, позволяет подключать к контроллерам большое количество оборудования от разных производителей с поддержкой разных интерфейсов/протоколов связи
• Встроенные часы реального времени.
• Возможность работы по любому нестандартному протоколу по любому из портов, что позволяет подключать устройства с нестандартным протоколом (электро-, газо-, водосчетчики, считыватели штрих – кодов и т.д.)
• Возможность программирования контроллеров в 2-х, наиболее распространенных средах программирования контроллеров: Codesys 3.x и Isagraf 5
• Возможность программирования контроллеров из SCADA-систем с встроенным softlogic пакетом
• Набор готовых программных модулей, предоставляемых бесплатно

Назначение модулей ввода, модулей вывода, модулей ввода/выводаМодули ввода и вывода предназначены для сбора данных со встроенных дискретных и аналоговых входов с передачей их в сеть, измерения сигнала датчика взаимной индуктивности на основе дифференциально-трансформаторного преобразователя, преобразования измеренного значения взаимной индуктивности в значение физической величины, сигналов мостовых тензометрических датчиков, преобразования данных измерений в значение физической величины и передачи результатов измерения. Модули ввода и вывода также имеет функцию сигнализации при отклонении значений измеряемой величины от заданной зоны контроля.

Устройство ввода/вывода может применяться для работы с манометрами, тягомерами, напоромерами, тягонапоромерами, вакуумметрами, мановакууметрами, дифманометрами, ротаметрами и другими приборами с функцией преобразования измеряемого параметра в значение взаимной индуктивности по дифференциально-трансформаторной связи. Прибор может быть использован в составе измерительных систем контроля и управления технологическими процессами на промышленных предприятиях и на объектах ЖКХ. Устройства вода и вывода этой серии могут эффективно применяться для автоматизации управления всем оборудованием современной теплицы.

Где купить

Приобрести оборудование для умных теплиц можно как в специализированном магазине, так и онлайн в Интернет-магазине. Во втором случае, особого внимания заслуживает бюджетный вариант приобретения изделий на сайте Алиэкспресс. Для некоторых товаров есть вариант отгрузки со склада в РФ, их можно получить максимально быстро, для этого при заказе выберите «Доставка из Российской Федерации»:

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.

Реализация в «железе»

Ничего сложного в реализации проекта нет. Достаточно применить плату Arduino, в комплексе с несколькими датчиками (влажности, температуры, освещенности, наполнения бака полива и концевых контактов окон проветривания), а также парой двигателей для вентиляции и смонтировать систему «теплый пол».

Но сначала требуется сделать саму теплицу. Для основы была создана такая модель:

Вот ее перенос в реальность:

Мониторинг и настройка

Визуализация информации, а также пункты меню настройки выводятся на LCD1602 дисплей, с конвертором в IIC/I2C UC-146 для подключения его к Arduino.

Для выбора параметров используются 4 клавиши. Все это вместе желательно разместить в общем контрольном ящике.

Кроме визуального, для удаленного контроля будет использоваться модуль WIFI связи ESP8266 LoLin NodeMCU2, с помощью которого информация с использованием UDP протокола будет передаваться на домашний компьютер с настроенным web-сервером и базой данных. Которые впоследствии, можно будет получить на любом устройстве в общей сети — смартфоне, цифровом телевизоре или планшете.

Подключаться модуль к ардуино уно будет через серийный порт (RX/TX). Причем электрический контакт производится напрямую TX(модема)-TX(Arduino) и RX аналогично. Почему это важно — зачастую рекомендуют делать соединение перекрестным RX-TX. В прилагаемой схеме это не нужно.

Полив

Система полива работает на основе физических принципов и насоса, который функционирует определенное время. Периодом и началом которого управляет Ардуино. С утра бак наполняется водой, что ограничивается временем в управляющем скетче и датчиком на прилагаемом чертеже. В течение дня она прогревается воздухом в теплице. Вечером происходит кратковременное включение насоса, который слегка переполнив емкость запускает полив самотеком.

Так он выглядит в реальности (вместе с системой подачи воды на грядки):

Его схема работы:

Ночью бачок стоит пустым, чтобы в случае отключения обогрева и падения температуры воздуха ниже нуля его не сломало замерзшей водой.

Отопление

Подогрев земли сделан предварительной укладкой «теплого» пола под будущие грядки. Включение происходит через специальное реле на 30 А, так как мощности выдаваемой ардуино никогда в жизни бы не хватило для питания такого потребителя.

Кроме него используется обычный бытовой нагнетатель теплого воздуха, который позволяет нагреть внутреннее пространство теплицы. Он также подсоединяется к микроконтроллеру.

Вентиляция

Для обеспечения движения воздуха предусмотрены два поворотных окна, процесс открытия и закрытия которых выполняется двигателями от автомобильных дворников. В свою очередь, подключённых к Arduino.

Освещение

Чтобы обеспечить растения постоянным притоком света, используются китайские светодиодные ленты, которые включаются в зависимости от таймера и уровня освещенности.

На приведенной ниже схеме оно подключается к выводам резерв (освещение).

Управляющая электрическая схема

Ну и конечно самая главная часть — принципиальная схема «мозгов» всей этой конструкции.

Маленькое примечание: мощности для обогревателей (воздуха и почвы) у реле Arduino не хватает. Дополнительно к ним используются в качестве посредников токовые, высокоамперные варианты, подключаемые уже непосредственно к потребителям.

Автоматизируем по-хитрому и домашними средствами

Давайте посмотрим, как можно обеспечить тот же автополив растениям подручными средствами:

Способ №1. Солнечная дистиляцция

Это – очень простой способ автополива, который дает достаточно влаги для растений даже в самые жаркие дни. Суть этого принципа – в солнечной дистилляции – когда вода греется до выделения пара, а этот пар потом конденсируется в воду.

Итак, берем две пластиковые бутылки разного размера, в одну из них наливаем воду, а вторую используем как колпак для нее. Когда вода от солнца будет испаряться, пар осядет на стенках колпака. Такой конденсат хорошо увлажняет грунт, и чем более палит солнце, тем больше влаги получат растения.

Способ №2. Стержень от ручки

Самые простые и бесплатные устройства для капельного полива вы можете сделать из обычных пластиковых бутылок и стержней от старых шариковых авторучек. Стержни промойте бензином от пасты и один конец плотно закройте деревянной палочкой. Швейной иглой проколите отверстие на 3-4 мм от заглушки. В бутылке тоже проколите отверстие – только чуть меньше диаметром, чем у стержня.

И ставьте бутылки так:

• Вариант 1. Отрежьте у бутылки дно, а отверстие для стержня сделайте на уровне плечиков. Горлышко закройте пробкой и поставьте бутылку вверх дном.
• Вариант 2. Сделайте отверстие на расстоянии 20-25 мм от самого дна, пробку снимите, а бутылку поставьте на дно. Отверстие уплотните пластилином.

Вот и все. Налейте воду и смотрите, как она капает из стержня – в норме за 5 минут должно вытечь 10 капель.

Как вы заметили, автополив и контроль за влажностью организовать и правда непроблематично, а вот с проветриванием придется повозиться. Самый надежный и простой вариант – купить автооткрыватели для форточек. Но, при желании, вы можете сделать такие и сами. Для этого посмотрите на нашем сайте статьи на такую тематику: как сделать гидроцилиндр или термопривод. Но суть всех этих конструкций одна: масло или другая какая жидкость в них расширяется от повышения температуры и выталкивает поршень. Он, в свою очередь, оказывает давление на следующий элемент конструкции и форточка медленно начинает открываться. Любопытный момент: когда в «умной» теплице едва начинают подниматься фрамуги, соседи счастливого обладателя тоже начинают бежать к своим теплицам делать проветривание. Вот такой себе датчик для окружающих.

Конечно, ни одна автоматическая теплица не будет делать на все 100% за вас вашу работу, но все-таки максимально освободиться от рутины и «танцев с бубном», как любят говорить сегодня русские мастера, – это приятно. И это дополнительное время на новые эксперименты!

{SOURCE}

голос

Рейтинг статьи

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.

Мониторинг

Скетч, который необходимо выгрузить в ESP8266 LoLin NodeMCU, для обеспечения его связи с Arduino и WiFi роутером.

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.

Советуем прочитать: переходите по ссылке, если хотите узнать как подключить датчик влажности почвы к Arduino.

Температура воздуха

Если в теплице будет расти помидоры и огурцы, то параметры окружающей среды для этих культур схожи. Помидоры хорошо себя чувствуют при температуре воздуха от +18 до +25°С днем и не ниже +16°С ночью. Температура почвы от +10°С и выше. Для цветения и плодоношения температуру можно немного увеличить, чтобы плоды созревали быстрее и были больше. В ночное время вещества из листьев уходят к плодам. Если температуру увеличить то плод будет активнее наливаться. Если температура в нижних пределах, то это способствует росту побегов и корней – для продолжительного плодоношения.

Для поддержания нужной температуры в теплице надо учесть сезонные колебания температуры в той местности, где находится теплица. Если это южная часть России, то можно сосредоточится на автоматическом понижении температуры, а если северная часть России то придется позаботится еще и о нагревателях.

Итак начну о способах понижения температуры в теплице. Самое простой способ понизить температуру в теплице это создать проветривание. Для проветривания используются “актуаторы”, которые открывают форточки при повышении температуры.

Существуют автономные “масляные проветриватели” – суть их работы простая, при повышении температуры воздуха гидравлическое масло расширяется и толкает шток, тем самым форточка открывается. При понижении температуры закрывается без какой либо автоматики. Но есть и проблемы с ними, первая проблема – если температура воздуха повышена и внезапно пролетает циклон с повышением ветра, форточка может просто не успеть закрыться и ее может оторвать сильными потоками ветра. Ну и вторая проблема – это протекание цилиндров, но это можно вовремя заметить.

Актуаторы для теплиц

Я все же решил сделать проветривание более интеллектуальным. В магазинах продаются линейные актуаторы, которыми можно открывать и закрыть форточки по заданным условиям. Т.к. автоматика всегда работает, то проветриваени можно подключить к общей системе, т.к. актуатор стоит не дороже гидроцилиндра а возможностей намного больше. В сочетании с датчиком ветра , датчик атмосферного давления и датчик температуры можно расширить возможности своей теплицы. К примеру датчик атмосферного давления может следить за перепадами давления, ведь давно уже известно при быстром падении атмосферного давления с больше вероятность может пройти сильный ветер, а уже датчик скорости ветра точно покажет что надо бы закрыть все форточки.

Преимущества использования автоматизированных теплиц и парников

Для некоторых садоводов покупка автоматизированного парника кажется неоправданной тратой денег, однако практика показала, что вложения окупаются в течение первого сезона использования теплицы с автоматикой. Доказано, что применение автоматики в тепличном хозяйстве помогает значительно облегчить работу на дачном участке и сократить расход ресурсов. Использование автоматики в парниках позволяет:

• Уменьшить расход воды и электроэнергии;
• Оптимально дозировать удобрения;
• Получать урожай несколько раз в течение года;
• Увеличить урожайность овощных и ягодных культур.

К недостаткам этого оборудования часто относят его высокую цену, однако экономия на воде, электроэнергии и трудозатратах поможет быстро окупить изделие. К тому же, широкий выбор готовых автоматизированных парников позволяет выбрать модель, точно соответствующую задачам и потребностям садовода.

Важно помнить, что вырастить хороший урожай поможет также соблюдение правил агротехники. Необходимо отобрать качественный, жизнеспособный посадочный материал и обеспечить правильный систематический уход за растением – регулярное удаление лишних соцветий, своевременный сбор урожая, защиту посадок от вредителей. В таком случае садоводство может стать не только любимым хобби, но и бизнесом, приносящим стабильный доход.