Делаем сами умную и автоматизированную теплицу: проекты и что внедрить

Теплица — каркасная конструкция, обычно из металлического профиля, покрытая прозрачным легким и прочным материалом. В теплице поддерживается определенный микроклимат необходимый для выращивания находящихся внутри нее растений. Для получения результата в виде выращенных плодов требуется приложить немало времени и физических усилий, осуществив комплекс агротехнических мероприятий.

Облегчить труд позволит умная теплица, в которой все действия необходимые для выращивания растений выполняются по программе, управляющей специальными устройствами практически без участия человека.

Принцип работы умной теплицы

В представленной ниже схеме работы умной теплицы показан размер участия человека в ее функциональных возможностях. Пользовательский вход ограничивается корректировкой программного обеспечения и непосредственной установкой параметров контроллера. Корректировка может проводиться удаленно через, например, компьютер, подключенный к контроллеру.

Автоматический режим работы обеспечивают датчики и контроллер с электронными схемами управления, которые обеспечивают работу исполнительных механизмов в требуемом режиме.

Возможные трудности со сборкой автоматической теплицы

Проблемы при работе теплицы, связанные с работой систем обеспечения, могут возникнуть по следующим причинам:

• ошибки при расчёте количества форточек, программировании датчиков и пр.;
• перегруз системы, при использовании устройств без учёта их технических параметров;
• поломки в результате игнорирования профилактического обслуживания техники и своевременных сигналов о неисправности;
• нарушение правил техники безопасности об использовании внутри помещения низковольтного напряжения (12–36 В);
• установка теплицы из поликарбоната при температуре ниже +10°C может стать причиной повреждения материала из-за его хрупкости при низких температурах.

Создание умной теплицы особенно актуально там, где невозможен постоянный контроль над условиями содержания растений. Использовать возможности электроники можно во многих процессах, подбирая оптимальные условия выращивания желаемых культур.

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.

Базовые возможности умной теплицы

Автоматизации подлежат следующие виды работ из комплекса обязательных агротехнических мероприятий проводимых с растениями в теплице.

• Регулирование температуры предпочтительной для выращивания растений в данной конкретной теплице. Контроль над поддержанием заданного теплового режима.
• Создание определенных показателей влажности воздуха в теплице. На урожайности некоторых культур этот показатель оказывает существенное влияние.
• Сохранение влажности грунта в заданных пределах. Корневая система растений не должна пересыхать и в то же время переизбыток влаги приводит к заболеванию растений.
• Организация дополнительного освещения в теплице в любое время года обеспечит полноценный рост растений.

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.

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»:

Система орошения

Следующим пунктом в автоматизации теплицы будет система орошения. Увлажнение и полив необходим растениям не меньше чем воздух или освещение. Автоматизировать полив можно с помощью устройств способных контролировать объем, напор и время полива. На сегодняшний день востребована капельная, внутрипочвенная и дождевая система полива.

1. Капельная система осуществляет подачу воды к корням растений, затрачивая минимальное количество воды. Кстати такую систему капельного полива можно сделать своими руками.

Существует еще система микрокапельного полива АкваДуся. Как она работает? Узнайте здесь.

2. Внутрипочвенная система предполагает поступление влаги непосредственно к корням растений, сохраняя структуру почвы и поддерживая оптимальный уровень увлажнения (например с помощью пластиковых бутылок).
3. Дождевая система работает при помощи оросительных насадок оборудованных вверху теплицы. Это самая простая и равномерно увлажняющая конструкция.

Датчики как основа информации для умной теплицы

На блок управления умной теплицей передают изменяющиеся во времени параметры следующие виды датчиков, интегрированные в цифровой формат для передачи сигнала на контроллер:

• датчики температуры воздуха

• датчики влажности воздуха

• датчик температуры почвы

• датчик влажности почвы

• датчик освещенности

Кроме представленных выше датчиков существует много других, которые некоторые сельхозпроизводители используют в своей деятельности: датчики точки росы, датчики химического состава почвы, контроля качества поливной воды и другие.

Рекомендуем к прочтению: как для системы полива сделать датчик влажности почвы своими руками.

Аккумулирование тепла

Первое ради чего устанавливают теплицы – это тепло. Поддерживая оптимальную температуру почвы и воздуха можно добиться урожайности в холодную или чересчур жаркую пору года.

Обогреть сооружение можно используя
электрические обогреватели.
Как вариант можно оборудовать ее теплоизоляционным материалом для лучшего аккумулирования тепла (воздушно – пузырчатая пленка, двойное стекло, тепловые экраны, дерево).

Утепляя теплицу, не стоит забывать, что тепло может «ускользать» через треснутое стекло или вентиляционные проемы и форточки.

Утепляя парник, рентабельно используется солнечная энергия, за счет которой можно добиться дополнительного утепления и обогрева.

Аккумулировать теплоэнергию возможно при помощи труб установленных под крышей теплицы, работающих на вентиляторах обратного направления.

Контроллер

Контроллер обрабатывает информацию и дает команды для действий исполнительных механизмов. Это программируемое электронное устройство, которое по заданному алгоритму обеспечивает выполнение всех агротехнических задач по уходу за растениями.

Помимо самой электронной схемы и комплекта датчиков в комплект поставки входят программы управления и визуализации.

В качестве примера приведем функциональные возможности одного из видов контроллера российского производства:

• управление по программе, рассчитанной на действие в течение суток, где исходными данными являются значения температуры и влажности;
• позиция термопривода открытия форточек регулируется алгоритмом поиска ее самого эффективного положения для решения поставленной задачи;
• находит оптимальные варианты охлаждения во время действия критически высоких летних температур;
• выполняет режим микропроветривания с поддержанием оптимальной влажности;
• организует автополив в теплице с набором в бак воды и управлением подачи к растениям совместно с подачей питательного раствора;
• участвует в подготовке питательного раствора, контролируя его состав;
• управляет по показаниям датчиков системой отопления;
• выполняет расчет солнечной энергии полученной растениями в определенный промежуток времени;
• производит контроль влажности одновременно в нескольких зонах;
• оперирует данными о температуре в нескольких заданных точках теплицы.

Такой набор функций качественно улучшает условия выращивания растений в теплице.

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.

Обзор рынка промышленных производителей умных теплиц

Рынок умных теплиц становится все более устойчивым. Этому способствует развитие следующих технологий:

• применение технологии дополнительного освещения на основе светодиодов (LED — технология);
• кроме проводной, используется для подключения беспроводная связь;
• совершенствование конструкций ирригационных систем;
• улучшение технических характеристик насосов и клапанов;
• увеличение количества факторов, сообщающих о возникновении внештатной ситуации в процессе ее мониторинга;
• применение передовых достижений в сфере IT — технологий.

Рейтинговые производители умных теплиц предлагают свою продукцию в зависимости от размеров тепличного комплекса, технические решения выбираются в соответствии с типом выращиваемых агрокультур.

В промышленном масштабе умные теплицы используются в северных широтах. Экзотические для районов севера овощи и фрукты, выращенные в умных теплицах, будут намного дешевле завезенных из южных областей.

Интеллектуальный сегмент сельского хозяйства в виде умных теплиц будет развиваться высокими темпами благодаря отечественным производителям. Внимание, которое оказывается правительством цифровой экономике, будет этому способствовать.

Передовыми в развитии технологий сельского хозяйства в контролируемой среде являются Нидерланды и некоторые другие европейские страны. Развивается ускоренными темпами внедрение умных теплиц в Индии, Японии, Китае.

Доминирующие позиции на рынке умных теплиц занимают компании Rough Brothers (США), Heliospectra (Швеция), GreenTech Agro (Нидерланды) и другие.

Умные теплицы своими руками

Простому дачнику инвестировать в готовую автоматизированную теплицу слишком накладно. Однако использовать ее преимущества можно изготовив ее самостоятельно.

Рекомендуем ознакомиться как делается умная теплица на Ардуино своими руками, позволит сэкономить и настроить систему так, как нужно именно вам.

Особенности конструкции и расположения на участке

Для эффективной работы систем автоматики следует выполнить следующие рекомендации.

• Выбрать такое место на участке, где согласно географии местности, через прозрачную пленку будет проникать максимальный поток солнечного света. Это снизит нагрузку на дополнительное светодиодное освещение и уменьшит расходы на содержание теплицы.
• Каркас теплицы спроектировать так, чтобы форточки находились в верхней части теплицы. Холодный воздух, попадая через форточку в теплицу, будет медленно опускаться вниз, а теплый также постепенно подниматься вверх. Такое расположение форточек исключает образование сквозняков, вредных для развития растений. Герметичное покрытие пленкой и плотное закрывание дверей устранит влияние внешних погодных условий на микроклимат теплицы.
• Если участок располагается в местности с повышенной ветровой обстановкой, то следует выполнить защиту в направлении доминирующего направления ветра, например, закрыть теплицу живой изгородью.

• Для круглогодичного использования теплицы оборудовать ее отопительными приборами, которые будут автоматически включаться/выключаться с помощью специально настроенных датчиков температуры.

Автоматическое проветривание своими руками

Циркуляция воздуха в теплице обеспечивается открытием форточек или дверей, которые обустроены работающими автоматически системами открывания. Такие устройства можно сделать самостоятельно, доработав уже имеющиеся подобные конструкции или изготовить из подходящих для этого подручных материалов.

Классический пример использования для автоматического открывания форточек теплицы — доработка газового амортизатора автомобиля. Гидравлическое масло, выступающее в качестве рабочего тела, вместо воздуха под действием повышенной температуры расширяется и приводит в движение форточку. При понижении температуры с помощью возвратной пружины форточка закрывается.

Подобным образом можно приспособить для проветривания теплиц газлифт от офисного стула, ручные автомобильные насосы и другое техническое оборудование. Из подручных средств, например, пластиковых бутылок или металлической емкости, заполняющей резиновый шарик воздухом с повышением температуры можно изготовить временные конструкции, обеспечивающие автоматическое проветривание теплиц.

Автоматический полив своими руками

Стандартная система автоматического полива своими руками включает в себя следующие составляющие.

• Необходим источник воды. Это может быть резервуар в виде бочки, в которую периодически заливают воду из скважины, водопровода или с помощью насоса из дачного пруда. В бочке температура воды с течением времени приближается к температуре окружающей среды, что важно для процесса жизнедеятельности растений.

• Наличие фильтра. Без него трубопровод быстро засоряется. Особенно критично его отсутствие для систем капельного полива.
• Электромагнитные клапана. Их конструкция позволяет контролировать подачу сигналов начала и конца процесса полива.
• Таймер. Его настройки передают сигналы на открытие/закрытие электромагнитных клапанов.
• Система из стальных, пластиковых (можно резиновых при капельном орошении) или металлопластиковых трубопроводов. Обеспечивает доставку воды, например, при капельном орошении к капиллярным трубкам.

При наличии в системе датчиков температуры и влажности почвы возможно автоматическое включение/выключение автоматического полива по их показаниям.

Рекомендуем также прочитать про готовые системы автоматического полива для теплиц.

Автоматизированное отопление своими руками

С помощью систем отопления можно будет поддерживать температуру в теплице при любой погоде и в любое время года.

Систему обогрева теплицы можно оборудовать следующим образом:

• пропустить внутри пола нагревательный кабель;
• использовать для обогрева нагревательные приборы (масляный радиатор, инфракрасный излучатель и другие подобные установки);
• полы можно подогревать с помощью водяных теплых труб.

Самый удобный вариант автоматизации отопления основан на использовании внутри пола нагревательного кабеля. Концы кабеля после его укладки подсоединяются к регулировочному устройству. Важно, что данная система отопления прогревает непосредственно почву и тем самым имеет преимущество перед нагревательными приборами, оказывающими влияние на прогрев воздуха.

Установка и обустройство автоматики дополнительных светильников своими руками

Получить хороший урожай помогут не только качественный грунт и своевременный полив, но и оптимальная освещенность. При эксплуатации теплицы в зимний период дневного света из-за короткого дня явно не хватает.

В качестве дополнительного освещения по своим характеристикам самыми конкурентоспособными являются светодиодные лампы. Они отличаются малым энергопотреблением и выдают большую часть солнечного спектра. Существуют белые светодиоды, способные выдавать весь спектр солнечного света и способствовать выращиванию растений полностью на искусственном освещении.

Для подводки электропитания к силовому шкафу надо пробросить воздушную проводку от сети высокого напряжения. Эту работу лучше поручить профессиональным электрикам, которые имеют право допуска к таким работам. Дальнейшая прокладка провода в земле выполняется своими руками.

Важно: провод предварительно поместить в защитный гофрированный шланг.

Обязательно устанавливается предохранительное устройство для защиты от перепадов напряжения. Выбор его основан на рекомендациях производителя светодиодных ламп. После установки устройства выполняется разводка проводов согласно места расположения светильников.

Для создания оптимальной освещенности создается автоматическая система, которая ко всему прочему позволит сэкономить электроэнергию. Специальные датчики будут контролировать освещенность и автоматически включать или выключать подсветку.

Сохранение полезных качеств почвы

В умной теплице применяется мульчирование почвенной среды. Такой агротехнический прием сокращает время на поддержание плодоносных качеств почвы. Достаточно один раз покрыть ее поверхность мульчей (природные органические материалы) и на долгое время сохраняется содержание влаги в почве, исчезают сорные травы. Зимой и осенью дополнительное укрытие нетканым агроматериалом обеспечивает теплом почву и воздух. Влага сохраняется внутри после испарения на внутренней стороне укрывного материала и стекает обратно в грунт.

В летнее время укрывной материал убирается — на его место равномерно рассыпаются опилки или солома наоборот сохраняющие почву от излишков тепла.

Оснастить умной технологией теплицу на даче своими руками не простая задача. Потребуется определенный опыт и знания, без инвестиций также не обойтись. Однако все не такие уж большие финансовые затраты окупятся хорошим урожаем и свободным временем для отдыха и занятий другими не менее важными делами.

Преимущества автоматизации теплиц

Защита от перепадов температуры и экстремальных температур

Поддержание и контроль диапазона температур в тепличной среде имеет решающее значение. Колебания температуры могут повредить или убить растения в течении нескольких часов. Системы дистанционного мониторинга защищают ценные растения от экстремальных температурных колебаний.

Контроль инвентаря и другого оборудования

Кроме поддержания оптимальной температуры необходимо обеспечить сохранность инвентаря и эффективную работу систем кондиционирования, поддержания влажности и т.д.

Чем раньше фермер обнаруживает падение температуры или отказ оборудования, тем больше вероятность сохранить имущество и растения. Системы удаленного мониторинга отправляют обновления в режиме реального времени, поэтому сотрудники предприятия могут оперативно реагировать на угрозы.

Мониторинг ситуации

Если какое-либо условие выходит за пределы предварительно установленного диапазона, то устройства или система немедленно предупреждают ответственных сотрудников по телефону, через электронную почту или SMS. Уведомления о нештатных ситуациях обычно оповещают фермеров о:

• Понижении температуры;
• Плохой вентиляции;
• Высоком уровне углекислого газа;
• Изменении влажности;
• Отказе оборудования;
• Утечке воды.

Профилактика заболеваний в период вегетации

Во время вегетационного периода системы в умных теплицах могут контролировать различные условия окружающей среды. Для этого используются как проводные, так и беспроводные датчики. Поддержание заданных параметров температуры, уровня влажности, освещения, циркуляции воздуха имеют решающее значение для предотвращения появления плесени, болезней и максимизации урожайности растений.