Система умного автополива комнатных растений

Актуальность

Своевременный полив растений всегда был актуальным у цветоводов или обычных домовладельцев, в обязанности которых в том числе входил уход и присмотр за растениями. В наш бурный и быстрый век, когда всё вокруг быстро меняется, очень легко забыть полить растение. Отпуск, выходные, другие важные дела могут привести к гибели растений. Для таких целей неплохо было бы иметь автоматизированную систему полива, которая могла бы помочь с такой обязанностью и напоминать полить цветы, а ещё лучше сама бы полила их.

Мы бы выделили следующую целевую аудиторию системы.

• Все обладатели комнатных растений;
• Люди, которые могут забыть полить свои цветы;
• Люди, которые не знают, когда нужно поливать цветы (причём в разное время года этот график будет разным);
• Люди, которые, уезжая в отпуск, беспокоятся о сохранности своих цветов (неважно, летом или зимой);
• Люди, которые любят наблюдать за «настроением» цветов.

Цель

Разработать систему удалённого мониторинга поливом комнатных растений методами организации программного обеспечения передачи команд через TelegramBot на сотовые сервисы MQTT выделенного домашнего сервера и интегрирования её в систему умного дома HomeAssistant.

Задачи

1. Разработать требования к проектируемой системе с учётом недостатков существующих систем автополива комнатных растений. Устройство должно иметь возможность учитывать индивидуальность каждого растения: длительность полива, запуск автополива по достижении минимально допустимого порога влажности, индивидуальное измерение влажности, удалённый мониторинг за состоянием горшка, возможность удалённого запуска полива растения, интеграцию в HomeAssistant, предоставлять возможность управлять настройками для каждого растения.
2. Выполнить проектирование и изготовить электронные схемы устройства.
3. Выполнить компьютерное моделирование и изготовить корпус для устройства автополива.
4. Написать программы для микроконтроллеров Atmega32u4 и ESP8266, обеспечивающих решение поставленных задач.
5. Обеспечить мониторинг за системой и подачей команд через Telegram Bot.
6. Интегрировать полученное решение в HomeAssistant (система управления умным домом).
7. Запустить и настроить используемые сетевые сервисы на выделенном домашнем сервере.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Микроконтроллер Atmega32u4, Wi-Fi модуль ESP-01

Прошивка для них писалась в среде программирования Arduino IDE на С++.

Использовались модули:

• ESP8266Wifi – для соединения с WiFi сетями
• WiFi.connect – подключиться к Wifi
• PubSubClient – для работы с MQTT
• Mqtt.connect – подключиться к MQTT-серверу
• Subscribe – считывать данные с MQTT-топика
• Publish – для отправки данных в MQTT-топик
• + самописные модули для вычисления и преобразования данных из одной величины в другую

• Главная управляющая программа и телеграм-бот писались в PyCharm на Python.

Использовались модули:

• threading – для создания потока, который контролирует работу каждого цветка
• telegram – Telegram-бот
• paho.mqtt – работа с MQTT-сервером
• datetime – работа со временем (чтобы избежать ночных включений системы)

Описание

Схемотехническую часть проекта разрабатывали в EasyEda. В этой же программе авторы проекта произвели трассировку платы и на 3D-рендеринге увидели прототип своей будущей платы. Изготовление плат заказывали на JLCPCB.

Разработали коробку для насосов в программе Fusion360 и распечатали на 3D-принтере.

Затем запаяли все элементы на плату, вставили её и насосы в коробку. Поставили на подоконник, подключили шланги, датчики влажностей, поставили ёмкость с водой. Система предусматривает верхний и нижний полив.

Нежёсткое крепление насосов и датчиков влажностей позволяет с лёгкостью заменить сломанный компонент, а подписи на них однозначно идентифицировать. Для минимизации шлангов в главной ёмкости был использован разветвитель.

Результаты работы/выводы

1. Создано полноценное устройство, которое индивидуально по своему изготовлению и программе работы и позволяет следить за поливом в зависимости от выбранного режима и настроек для каждого растения.
2. Пройден полный цикл разработки системы умного автополива комнатных растений: прототипирование, схемотехническое моделирование, разводка платы, распайки элементов, программирование, конструирование и изготовление корпусных элементов.

3. Написаны программы для микроконтроллеров ATmega32u4 и ESP8266, отвечающие за включение и выключение насосов, определение влажности и пересылку данных в сеть.
4. Написана управляющая программа для TelegramBot, которая позволяет следить за состоянием растений, производить их полив по мере необходимости (с учётом настройки пользователем необходимого уровня влажности и длительности полива).
5. Система апробирована в домашних условиях и показала себя с наилучшей стороны. Теперь можно совершенно спокойно оставлять цветы на время отпуска, не забыв установить расширенный объём для ёмкости с водой.

Перспективы использования результатов работы

В процессе представления работы в конкурсной программе «Научно-техническое творчество молодёжи» Московского международного салона изобретений и инновационных технологий «Архимед-2022» достигнуто соглашение с инвестором о финансовом обеспечении изготовления опытной партии системы автополива с последующей апробацией её эффективности у ряда потребителей и определением коммерческих перспектив внедрения проекта в практику.

Награды/достижения

1. Региональная научно-практическая конференция «Творчество юных», 2021 – победитель;
2. XXV Московский международный салон изобретений и инновационных технологий «Салон Архимед», 2022 – серебряный медалист

Мнение автора

«О своей работе: получился отличный продукт, который использую у себя в квартире, и который заботится обо всех имеющихся цветах на подоконниках. Главное – не забывать добавлять воды в ёмкость. В планах также усовершенствовать программное обеспечение системы, во время работы выявлена потребность в расширении функционала, и систему можно сделать более универсальной.

Городской образовательный проект «Инженерный класс в московской школе» позволяет школьникам продемонстрировать свои умения и наработки. Также есть возможность познакомиться с творчеством учеников из других школ, посмотреть, чем сейчас они живут, какие у них насущные проблемы, которые они выразили через свои проекты.

Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» – замечательная площадка для выступлений, для демонстрации своих разработок. Большое количество секций позволит каждому выбрать своё направление и поучаствовать в нём.

А как было бы замечательно записывать выступающих, чтобы можно было всем посмотреть и заочно поучаствовать в конференции. Мне кажется, это полезно для тех, кто не может решиться или стесняется представить свои работы, а также это полезно тем, кто думает, что конференция – это слишком сложно»