Проекты

Создание теплицы с автоматическим поливом растений

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Инновации умного города. Умная школа» среди работ учащихся 10–11 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 2010
Предметы: Биология, Информатика
Классы: 11 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Появление «умных» теплиц и оранжерей произвело революцию в сельском хозяйстве, позволив более эффективно выращивать экзотические фрукты в северных широтах. В основе любой «умной» теплицы – датчики, исполнительные механизмы, системы мониторинга и управления, которые в комплексе позволяют оптимизировать многие факторы и условия роста агрокультур. Этот сельскохозяйственный объект включает в себя микроконтроллеры, датчики и приложения «Интернета вещей».

Часто «умные» теплицы работают в синхронизации с другими технологическими решениями, например, технологиями автоматического полива и системами HVAC. Интеллектуальные датчики фиксируют данные о росте растений, орошении, наличии вредителей и освещении и отправляют их на локальный или облачный сервер. Веб-консоль администратора позволяет фермерам настраивать параметры системы и интегрировать её с другими решениями. Мобильное приложение генерирует оповещения и отчёты о производительности теплицы IoT.

По типу «умные» теплицы можно разделить на те, где используются гидропоника (выращивание агрокультур без почвы) и обычное выращивание агрокультур в грунте. Аналитики MarketsandMarkets отмечают, что на рынке преобладают решения грунтового выращивания.

Цели

Создание «умной» теплицы автоматического полива растений.

Задачи

  1. Создание деталей макета, затем сборка разработанной модели.
  2. Выбор электроники, разработка модели её подключения и её установка.
  3. Создание программы и проверка её работоспособности.
  4. Покупка необходимых предметов для растений (горшков, земли, семян или ростков и т.п.).
  5. Сборка готовой модели теплицы.
  6. Посадка семян или ростков, проверка работы всей системы (в частности, электроники).
  7. Отладка проекта при необходимости (например, доработка кода, с помощью которого работает электроника, или внесение изменений в макет).

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Ноутбук с установленным ПО (С++, Arduino IDE)
  • Датчик температуры DHT11
  • Микрокомпьютер Arduino Nano
  • Дисплей LCD1602A с шиной I2C
  • Датчик влажности почвы FC-28
  • Бак для воды

Описание

Этапы работы над проектом

1.    Создание на бумаге модели (чертежа), закупка деталей или создание из подручных средств. Сборка теплицы.

2.    Выбор растения, информация о его характеристиках, чтобы правильно запрограммировать теплицу (нормы света, влажности, например, либо высота его стебля).

3.    Выбор датчиков в соответствии с требованиями проекта: дисплей LCD1602A с шиной I2C (на котором выводятся данные о температуре и влажности почвы), модуль MOSFET IRF520 (предназначен для включения/выключения мощной нагрузки, которая питается напряжением постоянного тока), датчик температуры и влажности воздуха DHT11, датчик влажности почвы FC-28.  Разработка модели подключения электроники и дальнейшая её установка в теплицу.

4.    Написание кода программы для работы теплиц на языке программирования С++. В ней заложен следующий алгоритм: каждые пять минут система проверяет влажность почвы. Если она ниже установленного условия (60%), то открывается клапан подачи воды на 25 секунд. Цикл повторяется до тех пор, пока влажность не станет больше установленного условия. На дисплей выводятся следующие данные: PUMP ON – клапан открыт и течёт вода, PUMP OFF – клапан закрыт и вода не течёт, WL, % – на сколько процентов почва влажная, H – влажность воздуха, T – температура окружающей среды.

5.    Закупка дополнительных элементов для теплицы: горшки, поддоны; земля и камешки; семена или ростки; держатели для растений (при необходимости); удобрения, если это овощи или растения, требующие дополнительных питательных веществ.

6.    Окончательная сборка теплицы и проверка её работы. Исправление ошибок, если они есть.

Результаты работы/выводы

  1. Была создана автоматическая теплица и работающая программа.
  2. Исследованы способы выращивания растений, датчики и электроника, способы их подключения.
  3. Изучены программирование автономной («умной») теплицы в программе Arduino IDE, язык программирования С++.
  4. Исследована возможность эксперимента с датчиками температуры, влажности и удобрениями (питательными веществами).
  5. Проведены эксперименты с условиями для выращивания растений (с влажностью, температурой).
  6. Выведены оптимальные условия для выращивания томата сорта «Вишня красная», то есть для экспериментального растения.

Разработку можно использовать на уроках по дисциплине «Биология» или во внеурочной деятельности (проводя эксперименты с выращиванием растений и усовершенствованием теплицы).

Перспективы использования результатов работы

1)  Возможность выращивания других сортов растений. Например, мяты и базилика, или даже разных сортов капусты.

2)  В настоящий момент «умную» теплицу можно оснастить более новой электроникой. Например, датчиком, который измеряет количество света, или датчиком времени, с помощью которого теплица, несмотря на показание влажности, будет через определённый промежуток времени (например, раз в три дня) поливать растения.

3)  Создать теплицу не на основе грунта, а с использованием инновационных технологий выращивания растений: гидропоники или аэропоники.