Система поддержания микроклимата в садовой теплице

Актуальность

По данным сайта Правительства и губернатора Московской области (https://mosreg.ru/) на территории Московской области расположено более 11 тысяч садовых некоммерческих товариществ. При этом в регионе насчитывается около 4,5 миллионов дачников, большую часть которых (80 %) составляют жители Москвы. Значительная доля дачников выращивают растения, требующие «бережного ухода». Но зачастую у них нет возможности в рабочие дни поливать посадки и поддерживать необходимые микроклиматические условия в теплицах, что плохо влияет на урожайность культур. Как утверждает семья фермеров Марченко в статье, напечатанной в SBnews: «Задача у теплицы одна – создать оптимальный микроклимат для роста и развития растений». Так как же быть москвичам, которые хотят получать хороший урожай со своих приусадебных участков и при этом продолжать работать в Москве? На взгляд авторов проекта, решением проблемы могут стать системы для поддержания микроклимата без непосредственного участия человека.

Разработанная система учитывает минусы аналогов и отталкивается от потребностей целевой группы потенциальных потребителей.

Цель

Разработать систему для поддержания микроклимата в садовой теплице без вмешательства человека (температурный режим, вентиляция, полив).

Задачи

1. Составить план работы над проектом.
2. Изучить условия выращивания садовых культур в теплицах.
3. Изучить существующие системы, обеспечивающие поддержание микроклимата теплиц, выявить их достоинства и недостатки.
4. Изучить язык программирования для управления контроллером.
5. Составить техническое задание для собираемой системы.
6. Составить алгоритм работы программы управления для собираемой системы.
7. Написать и отладить программу управления устройствами.
8. Создать проект на макетной плате для демонстрации работы. 
9. Протестировать работу устройства, исправить ошибки, если таковые возникнут.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Микроконтроллер Arduino Leonardo и среда разработки Arduino IDE
• Дисплейный модуль с кнопками 1602 LCD Keypad shield
• Датчик влажности и атмосферного давления BME 280
• Датчик температуры DS18B20
• Релейный модуль BTE13-003
• Часы реального времени DS3231

Описание

Для реализации проекта был определён план работы, состоящий из следующих этапов.

1. Подготовительный – изучить необходимую теоретическую информацию по возможностям микроконтроллера Ардуино и языку программирования в учебной литературе и интернете, изучить условия выращивания садовых культур в теплицах московской области.
2. Аналитический – изучить аналоги системы автоматического поддержания микроклимата теплиц на рынке и выявить их достоинства и недостатки.
3. Моделирование – разработать техническое задание для системы автоматического поддержания микроклимата садовой теплицы, написать алгоритм программы управления, разрабатываемой системы.
4. Практический – написать и отладить программу, собрать проект на макетной плате, разработать дизайн макета.

Проведённый анализ рынка предложений систем для автоматического поддержания микроклимата в садовой теплице показал, что предложений, на самом деле, не так много, и они имеют ряд существенных минусов:

• сложность настройки системы для бытового использования (профессиональные и промышленные системы);
• высокая стоимость решений;
• избыточный набор функций (контроль CO₂, увлажнитель, контроль освещённости);
• возраст потенциального пользователя (основная группа дачников, выращивающих «урожай», – это люди старше 50 лет, и не все имеют техническое образование), а значит, наша система должна быть user-friendly (удобной и простой) для целевой аудитории.

С учётом недостатков и критериев был определён набор компонентов (п. 13) для создания автоматической системы контроля микроклимата и выработаны следующие критерии:

• простота настройки и использования;
• низкая себестоимость;
• набор необходимых базовых функций, а именно: обеспечение температурного режима, режима проветривания и полив.

Следующим шагом стало написание полного алгоритма работы системы, представленного в тексте работы, и написание программы по разработанному алгоритму. Программа составлена на языке Arduino через среду разработки Arduino IDE с помощью стандартных библиотек, обеспечивающих работу и взаимодействие микроконтроллера с периферийными модулями.

Реализовано два режима работы устройства: настройка оборудования и эксплуатация системы.

1. В режиме настройки пользователь единожды задаёт необходимые значения даты/времени, порога температуры для обогрева/вентиляции, а также порога влажности и времени полива. По установленным параметрам система должна поддерживать заданные параметры микроклимата в течение некоторого периода времени (происходит калибровка системы).
2. В режиме эксплуатации программа запрашивает значения с датчиков, преобразует полученные данные в нужные единицы измерения, отображая их на дисплее. В любой момент времени на дисплее можно увидеть информацию о текущей дате и времени, температуре воздуха, влажности (в %), атмосферном давлении (мм. Рт. Ст) и установленных пороговых значениях. В случае отклонения одного из параметров происходит автоматическое вкл./откл. соответствующего прибора.

Управление системой было реализовано посредством кнопок, расположенных на модуле управления:

• кнопка SELECT – переключение режима работы и режима настроек;
• кнопки UP и DOWN (вверх/вниз) – пролистывание элементов меню;
• кнопки LEFT и RIGHT (влево/вправо) – изменение значений параметров настроек.

Результаты работы/выводы

Цель, поставленная перед началом работы, достигнута. Задачи выполнены. Система для поддержания микроклимата в теплице собрана и успешно прошла тестирование. Опытный экземпляр, имеющий базовую комплектацию, проработал всё лето в теплице московской области и, со слов пользователя – бабушки, удобен и служит хорошим помощником на приусадебном участке.

Перспективы использования результатов работы

Из-за ухудшения экологической обстановки в мире и сокращения посевных площадей, а также с учётом мировых тенденций развития сити-фермерства и других похожих течений авторы разработали систему так, чтобы её можно было использовать как на приусадебном участке, так и в городских условиях. Это даст людям возможность круглогодично выращивать растения прямо у себя дома, экономя дорогостоящие ресурсы и не завися от погодных условий и человеческого фактора.

Гибкость и модульность системы в перспективе позволит создать различные вариации системы, повышающие урожайность и улучшающие условия для роста растений.

Авторы считают, что нам удалось реализовать задуманное устройство в полной мере. В будущем планируется усовершенствовать систему, добавив возможность дистанционного изменения параметров и мониторинга через телеграм-бот или приложение.

Награды/достижения

1. Работа рекомендована для публикации в сборнике «Научные труды молодых исследователей» программы «Шаг в будущее». – Том 25;
2. Балтийский научно-инженерный конкурс – лауреат премии молодёжного жюри;
3. Всероссийская научно-практическая конференция «Мир науки на полюсе холода» – диплом II степени

Мнение автора

«По нашему мнению, городской образовательный проект «Инженерный класс в московской школе» является важным мероприятиям и позволяет школьникам впервые попробовать разработать, собрать что-то своими руками и защитить свою работу перед коллегией жюри.

Считаем эту деятельность не только интересной, но и полезной, поскольку школьник учится грамотно излагать свои мысли, выступать перед публикой, приводить аргументы в защиту своего проекта.

Нам очень запомнилась и понравилась защита проекта на открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Приборостроение, микроэлектроника, схемотехника». Экспертное жюри внимательно слушали каждого участника и задавали интересные вопросы. Было увлекательно послушать каждого, выступающего со своими устройством, целями и мотивацией»