Создание автоматической системы полива растений на загородном участке

Актуальность

Актуальность работы обусловлена необходимостью ухода за растениями на загородном участке, когда физическое присутствие человека невозможно достаточно длительное время. При более детальном рассмотрении данной проблематики можно выявить следующие основные аргументы в пользу создания такой системы.

1. Обеспечение регулярного полива растений на загородных участках составляет трудоёмкую задачу для пожилых людей.
2. Удалённость садовых участков от места постоянного проживания также вызывает трудности с регулярным поливом.
3. Существующие системы автоматического полива решают задачу ухода за растениями частично.
4. Реализация проекта позволит не только обеспечить эффективный уход за растениями, но и расширить функциональность системы до удалённой метеостанции.

Реализация проекта в промышленном исполнении позволит конкурировать на рынке автоматизированных систем полива.

Цель

Разработать автономную систему полива, обеспечивающую контроль состояния окружающей среды с возможностью передачи данных удалённому пользователю и выполняющую функции метеостанции.

Задачи

1. Подготовить функциональную схему для системы полива.
2. Подготовить спецификацию комплектующих системы.
3. Разработать программное обеспечение.
4. Собрать и проверить действующий макет системы.
5. Провести технико-экономическое сравнение с аналогичными решениями.
6. Разработать план по дальнейшему развитию системы.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

В ходе проекта была разработана спецификация для закупки оборудования для реализации требуемого функционала.

• Arduino UNO R3 CH340G – 1 шт. (контроллер Arduino MEGA328P 16 МГц с модулем UART CH340G)
• DS1302 – 1 шт. (модуль часов DS1302 в режиме реального времени с батарейным отсеком CR2032)
• Songle relay module 5V – 1 шт. (релейный модуль с оптроном под штыри)
• ESP8266 (ESP-01S) – 1 шт. (контроллер ESP8266 ESP01S)
• YF-S201 G1/2 – 1 шт. (датчик потока воды с подключением 1/2")
• Capacitive Soil Moisture Sensor v2.0 – 1 шт. (ёмкостный датчик влажности почвы V2.0)
• DHT11 – 1 шт. (датчик температуры и влажности воздуха)
• MH-RD – 1 шт. (датчик обнаружения дождя и снега c адаптером на 5 В)
• Макетная плата MB102 3,3 В/5 В 163*53мм – 1 шт. (макетная плата для быстрого монтажа компонентов прототипирования)
• Соединительные проводники 40х10см MM, 40x10см MF, 40х20см MM, 40x20см MF, 40х30см MM, 40x30см MF – 30 шт. (соединительные проводники для коммутации на макетной плате)
• Блок питания 3.3/5 В – 1 шт. (блок питания 3,3 или 5 В с подключением к источнику 7-12 В)
• Конвертер уровней с потенциометром на 5В – 1 шт. (адаптер для подключения датчика дождя к Arduino с конвертером уровня)
• ESP01 8PIN Adapter 3.3/5V – 1 шт. (адаптер 8PIN-F с конвертером уровня 3,3/5В для подключения модуля ESP8266(ESP01S) к Arduino)
• USB-UART конвертер для прошивки ESP-01 (CH340G) – 1 шт. (модуль последовательного интерфейса UART на базе чипа CH340G с колодкой 8 PIN для ESP01S с интерфейсом USB type A)
• Блок питания ~220В/=9В – 2 шт. (источник питания для подключения блока питания макетной платы)
• Микрокомпьютер Raspberry BI B3+ – 1 шт. (микрокомпьютер для реализации функции удалённого управления и мониторинга. Центр сбора и предоставления данных)
• Блок питания ~220В/=5В 2.5А microUSB – 1 шт. (источник питания для подключения Raspberry BI B3+)
• Беспроводной роутер Asus RT-N53 – 1 шт. (сетевой TCP/IP маршрутизатор c поддержкой беспроводной WiFi связи стандарта 802.11 B/G/N)
• Соединительный патч-корд Ethernet 2м – 1 шт. (кабель стандарта Ethernet для подключения Raspberry BI B3+ к маршрутизатору)
• Помпа подъёмная HOMEFISH AP-1000 (600 л/ч) – 1 шт. (насос для демонстрации работы системы)
• Шланг прозрачный BOUTTE, d9мм 5 м, ПВХ – 1 шт. (шланг для забора и перекачки воды)
• Адаптер на кран быстрого соединения Geolia, 3/4 и 1/2 дюйма – 2 шт. (подключение шланга для полива к датчику потока воды)

Описание

В ходе проекта была разработана, протестирована и подготовлена к запуску система автоматического полива растений (далее – Система). Система позволяет в автоматическом режиме принимать решение о необходимости полива растений на основе данных с датчиков, а также осуществлять и контролировать процесс полива растений из независимого источника водоснабжения (дренажного колодца).

Для контроля состояния Системы и процесса полива в Систему были добавлены независимые программно-аппаратные компоненты, позволяющие производить удалённый мониторинг Системы, а также получать в реальном времени данные о состоянии почвы, погодных условиях и о состоянии полива. С помощью этих данных имеется возможность принудительного включения/отключение полива.

Работа выполнялась поэтапно, в соответствии со следующим планом.

1. Разработка технических требований и ограничений, предъявляемых к Системе.
2. Разработка функциональной схемы Системы.
3. Разработка спецификации компонентов Системы для организации их закупки.
4. Разработка алгоритма работы для управляющего устройства (модуль автоматизированного полива).
5. Разработка программного обеспечения для управляющего устройства.
6. Разработка алгоритмов хранения и предоставления данных с датчиков и информации о состоянии полива.
7. Реализация протокола передачи данных между управляющим устройством и устройством дистанционного управления.
8. Разработка визуального графического интерфейса пользователя устройства дистанционного управления для контроля за состоянием Системой и управления принудительным поливом.
9. Проведение сборки, отладки и тестирования Системы в соответствии с предъявленными требованиями к Системе.
10. Проведение технико-экономического сравнения разработанной Системы с аналогичными решениями, представленными на отечественном рынке.

В заключение были проведены контрольные испытания Системы и сделаны выводы по результату её разработки.

Результаты работы/выводы

Созданная система автоматического полива растений полностью выполняет поставленные перед ней задачи по автоматизированному поливу на загородном участке, а также позволяет расширить её функционал до полноценной удалённой метеостанции. Дальнейшее развитие Системы позволит конкурировать на рынке готовых систем автоматического полива.

Перспективы использования результатов работы

Созданная Система может быть использована в текущем исполнении для выполнения функции автоматизированного полива для собственного загородного участка. Для использования Системы широким кругом потребителей необходимо её развитие и доработка до промышленного исполнения. Для этого требуется провести доработку по следующим направлениям.

1. Перенос устройства управления (далее – УУ) с макетной платы на печатную с учётом монтажа на DIN-рейку в распределительном щите монтажного шкафа.
2. Увеличение производительности УУ за счёт переноса на платформу ESP32/STM32 или на платформы других производителей.
3. Доработка функционала независимого полива для нескольких зон.
4. Включение в систему возможности управления клапанами подачи воды для каждой точки полива.
5. Расширение функционала метеорологической станции за счёт подключения новых внешних датчиков.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

XXXI Открытая московская инженерная конференция школьников «Потенциал», секция «Технологии умного дома» – диплом I степени;
Ежегодная внутривузовская студенческая научно-техническая конференция «Дни студенческой науки 2022» НИУ МГСУ, секция «Интеллектуальные системы и автоматика в строительстве» – диплом III степени;
Городской конкурс научно-технического творчества молодёжи «Новые технологии – 2022» – победитель;
Городской конкурс проектов «Ресурсосбережение: инновации и таланты – 2022» –победитель;
Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату», секция «Метод» – призёр;
Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни», секция «Электроника и приборостроение» – призёр;
Открытая научно-практическая конференция «Дети – творцы 21 века», секция «Техника и технологии», ГБОУ «Школа на Яузе» – победитель

Мнение автора

«Моя работа помогла мне приобрести навыки проектирования сложных информационных систем, изучить принципы создания роботизированных устройств и сервисов. При работе над проектом я получил опыт в составлении сложных алгоритмов с их последующей реализацией на языке программирования. Во время работы я столкнулся со множеством технических задач, в процессе решения которых получил более глубокое понимание принципов работы электронных устройств и их состава. Созданная система будет дальше развиваться и, возможно, сможет получить промышленное исполнение для дальнейшего выхода на отечественный рынок электронных помощников в сельском хозяйстве и земледелии.

Городской проект «Инженерный класс в московской школе» — это привлечение учащихся московских школ в мир инженерных идей.

Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» была для меня очень интересным и увлекательным мероприятием. Конференция является отличным способом получить дополнительные знания и обрести новые навыки, которые пригодятся мне в дальнейшей научной и технической деятельности»