Контроллер для теплицы своими руками

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 04.10.2024

Пример использования современных средств автоматизации в теплице, как сделать умную теплицу на ардуино

Теплицы - это сооружения, предназначенные для выращивания натуральных овощей в более короткий промежуток времени, чем в открытом грунте. Использование теплиц распространено как у частных владельцев, так и в сельском хозяйстве в целом.

Раньше автоматизация работы теплицы была дорогостоящей, а порой и не окупаемой процедурой, но на данный момент решение этой проблемы не столь дорого и вполне окупается, а в дальнейшем, к тому же, приносит еще большую выгоду.

Многие факторы, нужные для эффективного выращивания овощных культур, требуют применения современной автоматики, например:

1) Автоматическое поддержание оптимальной температуры воздуха;

2) Автоматический полив;

3) Автоматическое включение освещения;

4) Автоматический подогрев почвы.

Теплицы претерпели значительные изменения за последние десять лет, особенно с внедрением автоматизации. Современные теплицы способны управлять и оптимизировать факторы окружающей среды, влияющие на урожай, такие как орошение, влажность, температура, вентиляция, воздействие света и другие, обеспечивая оптимальные условия выращивания и эффективное использование энергии.

Интеллектуальные теплицы от полуавтоматических до полностью автоматизированных - отличный выбор для производителей, которые хотят свободно приходить и уходить, когда им заблагорассудится, и заботиться о своих культурах. В умной теплице можно контролировать микроклимат и соответствующим образом корректировать ключевые факторы, влияющие на урожайность.

Автоматическое поддержание оптимальной температуры воздуха

При выращивании помидоров и огурцов, как наиболее распространённых культур выращиваемых в теплицах желательно чтобы температура воздуха была от +18 до +25 °С днем и не ниже +16 °С ночью. Температура почвы от +10 °С и выше.

Понижение температуры осуществляется с помощью актуаторов, которые открывают форточки теплицы для проветривания при повышении температуры воздуха. Для этих целей можно также использовать шаговые двигатели, по сигналу открывающие форточки на нужный угол.

Актуаторы желательно использовать не только с датчиком температуры, но и с датчиком ветра, чтобы не навредить растениям. В роли датчика температуры воздуха можно использовать простой и не дорогой цифровой датчик DS18B20.

Полив растений

Автоматический полив осуществляется с помощью датчиков влажности, которые ограничивают полив, но также совместно с ними лучше использовать датчик расхода воды, так как простые, недорогие датчики почвы очень быстро окисляются и выходят из строя. Для малых фермерских хозяйств можно использовать самодельные датчики влажности на базе таймера NE555.

Современной данную микросхему не назовёшь, зато она зарекомендовала себя как надёжное электронное средство, применяемое во многих областях. Электроды должны быть выполнены из графита, который не окисляется. Выход 3 микросхемы подключён к светодиоду, который сигнализирует о выходе влажности за пределы. Данный выход можно так-же подключить к системе управления и по сигналу от него отключать или включать полив.

Датчик влажности почвы на микросхеме NE555

Важно знать необходимый расход воды в день (который будет зависеть от площади теплицы, потребности выращиваемых растений в воде, плотности их посадки и т.д.), тогда достаточно проводить управление поливом с помощью датчиков расхода воды по времени, а датчики влажности использовать в качестве аварийных сигнализаторов перелива.

Управление освещением

Автоматическое освещение проще всего реализуется с помощью простого фоторезистора. При уменьшении света его сопротивление повышается и таким образом формируется управляющий сигнал на включение светильников в теплице.

Подогрев почвы

Автоматический подогрев почвы осуществляется точно также как и воздуха, но вместо актуаторов для регулирования температуры используются нагревательные ТЭНы или греющий кабель.

Автоматизация - важнейшая основа для максимального контроля и мониторинга всех основных и ключевых процессов современных тепличных садоводческих проектов. Автоматизация позволяет управлять процессами и отслеживать их из любой точки мира 24 часа в сутки, семь дней в неделю. Таким образом, автоматизация теплиц является ответом на растущий спрос на полный контроль процессов в реальном времени.

Устройства управления системой автоматизации

Отдельно стоит сказать об устройствах, которые принимают информацию от датчиков, анализируют и выдают управляющие сигналы на актуаторы, нагревательные ТЭНы, клапана подачи воды и т.д. В интернете можно встретить очень много статей посвящённых такой платформе как Arduino на базе которой предлагается создавать автоматизацию небольших теплиц.

Arduino - аппаратно-программное средство с предварительно прошитым в него загрузчиком, который позволяет загружать свою программу в микроконтроллер без использования отдельных аппаратных программаторов. Микроконтроллер на плате программируется при помощи языка Arduino, основаном на языке Wiring (Си подобный).

Все результаты работы оборудования в автоматизированной теплице при необходимости можно визуально отследить на компьютере. В еб-интерфейс может давать возможность не только следить за показаниями датчиков температуры, влажности и освещения, но и управлять этими самыми показаниями. Также может быть реализована возможность следить за теплицей через веб-камеру .

Система управления теплицей контролируется центральной платой Arduino , работает следующим образом: полученные данные об окружающей среде датчик температуры воздуха влажности или освещения предается центральному контроллеру ( Arduino ) которое сравнивает текущие значения с заданными. Если какое-либо из значений не соответствует то исполнительный механизм приводится в действие для восстановления оптимального состояния. Далее Arduino отправляет данные на удаленный сервер для мониторинга через интернет.

Пример использования Arduino для автоматизации теплицы

Пример схемы автоматизации теплицы на Arduino

Посредством специального программируемого блока осуществляется контроль таких параметров как:

отопление внутреннего пространства теплицы;

периодичность и продолжительность полива;

запуск и отключение принудительной вентиляции;

Контроль температуры воздуха определяется по двум пороговым пределам: верхний предел и нижний предел. Когда верхний предел превышен открываются форточки, вентилятор приводится в действие для охлаждения парниковый среды для притеснения можно использовать шторки и когда температура падает ниже нижнего предела, вентилятор отключается, включается нагреватель что бы нагреть воздух до заданного уровня.

Контроль влажности определяется порогом, установленным пользователем. когда влажность в теплице падает ниже заданного порога, система автоматического полива включается, а затем выключается, когда оптимальное состояние восстанавливается.

Условие освещения управляется двумя заданными точками: верхний предел и нижний предел. Верхний предел определяет, когда свет активируется в то время как нижний предел определяет, когда она выключена. Эта стратегия в основном используется для увеличения дневного света или компенсировать недостаточное естественное освещение в соответствии с желанием пользователя.

Универсальный контроллер для умной теплицы, да или вообще для чего угодно! Системы полива, гроубоксы, гидропоника, инкубаторы:

Несмотря на простоту программирования и подключения, а также невысокую стоимость, по моему мнению, реализация подобных проектов на Arduino бывает затруднительна.

В качестве ведущего управляющего устройства может быть также использован микрокомпьютер Raspberry Pi 2 , сочетающий в себе преимущества Arduino и персонального компьютера, т. к. способен запускать отдельную операционную систему и имеет порты ввода/вывода для подключения ведомых устройств и получения сигналов от датчиков.

Умная интернет-теплица - Проект IOT (Интернет вещей):

Пример автоматизированной теплицы для Raspberry Pi 3 и Arduino Uno

Цель заключалась в создании теплицы, в которой такие параметры, как температура и влажность почвы, а также солнечный свет для растений, будут автоматически контролироваться и поддерживаться как можно более постоянными.

Температура внутри теплицы управляется инфракрасной лампой, которая нагревает воздух, серводвигателем, открывающим окно, и вентилятором от ПК, который позволяет воздуху дуть извне. Влажность почвы контролируется специальным датчиком - если она опускается ниже запрограммированного порога, насос подает воду к растениям.

Все оборудование управляется через сайт, что позволяет удаленно контролировать работу теплицы и настраивать все параметры по сети.

Датчики позволяют измерять температуру внутри и снаружи теплицы, а также влажность почвы и интенсивность освещения.

Данные, считанные с внутреннего датчика температуры, используются для управления моторизованным окном теплицы и вентилятором, которые активируются, когда температура внутри теплицы поднимается выше установленного уровня.

Когда температура падает до заданного уровня, вентилятор останавливается, а окно закрывается. Когда температура слишком низкая, система включает лампу, которая нагревает воздух.

Датчик влажности контролирует влажность почвы в теплице. В том случае, если влажность почтвы слишком мала, система активирует насос, который подает воду для полива растений.

Модуль Arduino подключается к Raspberry PI версии 3 через USB-кабель. Это соединение позволяет считывать параметры датчиков, подключенных к Arduino, и управлять отключенными системами, подключенными к этой плате.

Все эти данные хранятся в базе MySQL на Raspberry Pi. Связь между Raspberry Pi 3 и платой Arduino Uno реализована как ведущий / ведомый (где ведущим является RPi).

Сценарий, написанный на Python, который работает на Raspberry Pi, отвечает за обмен данными, запись и чтение данных из базы данных MySQL и отправку новых настроек в Arduino Uno.

На этой блок-схеме показано, как все устройства, используемые в проекте, подключены к отдельным модулям:

Созданный сайт состоит из трех страниц. Первая страница - это домашняя страница, на которой пользователь может просматривать состояние отдельных компонентов системы и параметры, измеряемые датчиками. На второй странице можно отдавать команды системе и изменять рабочие параметры.

На этой странице пользователь может изменить режим работы системы или просто выключить ее. Также здесь можно изменить настройки всех параметров - температуры, влажности почвы и т. д. Введенные значения каждый раз проверяются на правильность, чтобы неправильно введенные элементы не сохранялись в базе данных.

Последняя страница содержит информацию об авторах проекта.

База данных MySQL состоит из трех таблиц. В первой таблице записываются данные, собранные с датчиков в системе. Вторая таблица содержит параметры каждого выполненного измерения, а третья позволяет управлять теплицей и считывать ее текущее состояние.

Использование ПЛК в умной теплице

Для автоматизации теплицы проще всего купить уже готовое устройство в виде программируемого реле или программируемого логического контроллера. Из отечественных производителей подобной продукции наиболее известны фирмы ОВЕН, Сегнетикс и др. Альтернативой для тех, кто научился программировать Arduino может стать ПЛК Controllino.

ПЛК Controllino: MINI (слева), MAXI (по середине) и MEGA(справа)

Единственным минусом данного ПЛК являются релейные выходы с током до 6 А. Но если в теплице используется электрооборудование с меньшим потреблением тока, то данный ПЛК подходит как нельзя лучше.

На сегодняшний день он выпускается в 3 вариантах: MINI, MEGA, MAXI. Важным плюсом является также возможность подключения к Интернету через интерфейс Ethernet для дистанционного мониторинга и управления. Данный интерфейс доступен в версиях MEGA и MAXI.

Курс по программированию контроллеров:

Умная теплица своими руками:

Таким образом, создание автоматизированной теплицы на сегодняшний день является простой и относительно недорогой задачей для малых фермерских хозяйств.

Специалист в сфере интернета вещей разрабатывает ПО для умных устройств — гаджетов, оснащённых аппаратной платформой. Медицина, промышленность, беспилотные автомобили, умные дома и города, — спрос на специалистов растёт с каждым годом.

В данном проекте мы создадим умную теплицу, которая способна управлять освещением, проветриванием и автополивом, имеет на борту часы реального времени и GSM/GPRS Shield для удалённого управления всей системой, а так же для мониторинга текущего состояния.

Видео:

Логика:

Данное устройство позволит вам организовать полностью автоматический режим работы вашей теплицы или гроу-бокса (на случай, если вы выращиваете овощи/фрукты зимой в домашних условиях). Система позволяет управлять сразу 3 важными параметрами: освещение, температура, орошение.

Логика довольна проста:

Датчик освещённости фиксирует количество света, попадающего на растение и при понижении его ниже критической отметки - включает дополнительное освещение;
Датчики влажности и температуры фиксируют влажность и температуру как воздуха, так и земли, благодаря чему вовремя происходит проветривание или закрытие теплицы, дабы урожай не вымерз и не сгорел;
Наличие модуля часов реального времени позволит задать точное время дня (или ночи), когда насос будет подавать воду к растению. При этом длительность полива тоже можно задать!
И дополнением к данной системе станет наш GSM/GPRS Shield, благодаря которому вы сможете как следить за состоянием вашего зелёного друга, так и вовремя задать требуемый режим или выполнить команду просто отправив смс на устройство;

Следуя инструкциям нашего урока в скором времени вы сможете обзавестить своей собственной "умной теплицей", которая будет радовать вас круглый год!

Нам понадобится:

1x Piranha ULTRA;
1х GSM/GPRS Shield;
1х Trema Shield;
1х Trema-модуль Зуммер;
1х Trema-модуль Pull switch UP/DOWN;
1х Trema-модуль I2C-FLASH датчик температуры и влажности;
1х Датчик температуры DS18B20;
1x Trema-модуль Емкостной датчик влажности почвы;
1x Trema-модуль Датчик освещенности;
1х Trema-модуль Часы реального времени DS3231;
4х Trema-модуль Кнопка;
2х Flash-модуль Электромеханическое I2c-реле;
1х I2C-Hub;
1х I2C-LCD-дисплей;
1х Мембранный насос;
1х Светодиодная или УФ-лента;
1х Линейный привод;
1х провод красный;
1х провод чёрный;
1х Источник питания (12В);
1х Силиконовый шланг;

Для реализации проекта необходимо установить следующие библиотеки:

Библиотека iardiuno_RTC;
Библиотека iardiuno_GSM;
Библиотека iarduino_I2C_Relay;
Библиотека iarduino_I2C_SHT;
Библиотека DallasTemperature;
Библиотека LiquidCrystal_I2C;
Библиотека EEPROM (входит в пакет Arduino IDE);

О том, как устанавливать библиотеки, Вы можете ознакомиться на странице Wiki - Установка библиотек в Arduino IDE.

Подключение:

Для удобства подключения мы воспользуемся Trema Shield для Arduino.

Для начала подключим GSM/GPRS Shield к Piranha ULTRA:

Стоит добавить, что в том, случае, если вы не будете использовать в проекте GSM/GPRS Shield, для нормальной работы устройства будет достаточно и версии Arduino/Piranha UNO.

Подключим Trema Shield к GSM/GPRS Shield:

Подключим к Trema Shield 4 Trema-кнопки:

Кнопка "НАЗАД"	Trema Shield
S	D5
V	VCC
G	GND

Кнопка "ВПЕРЁД"	Trema Shield
S	D6
V	VCC
G	GND

Кнопка "ПРИНЯТЬ/ВОЙТИ"	Trema Shield
S	D9
V	VCC
G	GND

Кнопка "ОТМЕНИТЬ/ВЫЙТИ"	Trema Shield
S	D10
V	VCC
G	GND

Подключим к Trema Shield Trema Зуммер:

Зуммер	Trema Shield
S	D4
V	VCC
G	GND

Подключим к Trema Shield Trema Датчик температуры:

Датчик температуры DS18B20	Модуль PULL SWITCH UP/DOWN	Trema Shield
Жёлтый провод	2	D2
Красный провод	V	VCC
Синий провод	G	GND

Подключим к Trema Shield емкостной Trema Датчик влажности почвы:

Датчик влажности почвы	Trema Shield
S	A0
V	VCC
G	GND

Подключим к Trema Shield Trema Датчик освещённости:

Датчик освещённости	Trema Shield
S	A1
V	VCC
G	GND

Подключим к Trema Shield Trema I2C Hub:

I2C Hub	Trema Shield
SCL	SCL
SDA	SDA
Vcc	Vcc
GND	Gnd

Подключим к Trema I2C Hub через I2C Trema Часы реального времени:

Часы реального времени	I2C Hub
SCL	SCL
SDA	SDA
Vcc	Vcc
GND	Gnd

Подключим к Trema I2C Hub через I2C Trema Датчик температуры и влажности I2C-Flash:

По умолчанию все модули FLASH-I2C имеют установленный адрес 0х09.

— Перед подключением 1 модуля к шине I2C настоятельно рекомендуется изменить адрес модуля.

— При подключении 2 и более FLASH-I2C модулей к шине необходимо в обязательном порядке предварительно изменить адрес каждого модуля, после чего уже подключать их к шине.

Более подробно о том, как это сделать, а так же о многом другом, что касается работы FLASH-I2C модулей, вы можете прочесть в этой статье.

Датчик температуры и влажности	I2C Hub
SCL	SCL
SDA	SDA
Vcc	Vcc
GND	Gnd

Подключим к Trema I2C Hub через I2C ЖК Дисплей:

ЖК Дисплей	I2C Hub
SCL	SCL
SDA	SDA
Vcc	Vcc
GND	Gnd

Подключим к Trema I2C Hub через I2C Flash электромеханическое реле:

По умолчанию все модули FLASH-I2C имеют установленный адрес 0х09.

— Перед подключением 1 модуля к шине I2C настоятельно рекомендуется изменить адрес модуля.

Электромеханическое реле	I2C Hub
SCL	SCL
SDA	SDA
Vcc	Vcc
GND	Gnd

Подключим второе I2C Flash электромеханическое реле к первому:

По умолчанию все модули FLASH-I2C имеют установленный адрес 0х09.

— Перед подключением 1 модуля к шине I2C настоятельно рекомендуется изменить адрес модуля.

Электромеханическое реле	Электромеханическое реле
SCL	SCL
SDA	SDA
Vcc	Vcc
GND	Gnd

Подключим к первому реле мембранный насос:

Подключим к первому реле светодиодную ленту:

Подключим ко второму реле линейный толкатель:

Скетч проекта:

Алгоритм работы всех систем:

Всю логику работы теплицы можно разбить на несколько частей:

Рассмотрим работу каждой части более подробно.

Информационное табло.

После подачи питания на устройство, происходит:

настройка сенсоров и датчиков;
устанавливаются режимы работы всех систем, взятые либо из постоянной памяти (должны были быть записаны в массив CurrentResumeOrBorderSettingValue при предыдущем запуске), либо из массива с настройками по умолчанию ( DefaultResumeOrBorderSettingValue );
опрос всех датчиков и вывод их значений на ЖК-дисплей. Обратите внимание, что на дисплее поочерёдно отображаются 2 страницы, а время смены страниц задано переменной CHANGE_DEFAULT_SCREEN_TIME :
- 1 страница отображает показатели температуры и влажности земли и воздуха;
- 2 страница отображает время, значение освещённости и состояние установленных режимов работы каждой из систем (освещение, проветривание, полив);
Освещение.

После нажатия на любую клавишу, кроме ESC , на дисплей выводится меню. И первым разделом на экране будет "Настройка работы системы освещения". При нажатии на кнопку ОК вы перейдёте во внутреннее меню данной настройки. Что она в себя включает:
- Настройка режима работы системы освещения. Варианты значений: Выкл/Вкл/Авто
  - Выкл - выключить питание реле, отвечающее за подачу напряжения на освещение;
  - Вкл - включить питание реле, отвечающее за подачу напряжения на освещение;
  - Авто - перевести работу системы в автоматический режим, где освещение будет включаться или выключаться самостоятельно по условию. Про само условие и его настройку будет сказано далее.
  - Условие работы системы освещения в автоматическом режиме, где заданное число будет являться нижней границей, при переходе которой сверху вниз на реле будет подано питание и освещение будет включено.
  - Дополнительно, в условие добавлен порог HUMIDITY_GAP , который исключит переключения питания реле на границе освещённости.
  Проветривание
  
  Вторым пунктом основного меню после "Настройка работы системы освещения" идёт "Настройка работы системы проветривания". При нажатии на кнопку ОК вы переходите во внутреннее меню настройки, включающее:
  - Настройка режима работы системы проветривания. Варианты значений: Выкл/Открыть/Закрыть/Авто
    - Выкл - выключить питание реле, отвечающее за подачу напряжения на линейный толкатель;
    - Открыть - включить питание реле, отвечающее за подачу напряжения на линейный толкатель для открытия окна;
    - Закрыть - включить питание реле, отвечающее за подачу напряжения на линейный толкатель для закрытия окна;
    - Авто - перевести работу системы в автоматический режим, где проветривание будет включаться или выключаться самостоятельно по условию.
    - Условие закрытия окна в автоматическом режиме при переходе установленного значения сверху вниз.
    - Если установлено значение, превышающее значение установленной максимальной температуры, то значение будет автоматически снижено до значения (Максимальная температура - 1);
    - Условие открытия окна в автоматическом режиме при превышении установленного значения.
    - Если установлено значение меньше, чем значение установленной минимальной температуры, то значение будет автоматически увеличено до значения (Минимальная температура + 1);
    Полив.
    
    Следующим пунктом меню будет "Настройка работы системы полива". При нажатии кнопки ОК на дисплей будет выведено внутреннее меню, состоящее из следующих пунктов:
    - Настройка режима работы системы полива. Варианты значений: Выкл/Вкл/Авто
      - Выкл - выключить питание реле, отвечающее за подачу напряжения на насос;
      - Вкл - включить питание реле, отвечающее за подачу напряжения на насос;
      - Авто - перевести работу системы в автоматический режим, где полив будет включаться по условию.
      - Параметр, отвечающий за время дня (конкретный час), когда полив будет включен автоматически.
      - Параметр, отвечающий за продолжительность работы насоса.
      Дополнительные настройки:
      
      Последним в списке меню идёт раздел "Дополнительные настройки". Раздел включает в себя:
      - Настройки часов реального времени. Включает в себя 6 подразделов, с помощью которых можно выставить все необходимые значения:
        
        Часы. Интервал значений: от 0 до 23
        
        Минуты. Интервал значений: от 0 до 59
        
        Секунды. Интервал значений: от 0 до 59
        
        День недели. Интервал значений: от 0 до 6
        
        День месяца. Интервал значений: от 1 до 31
        
        Месяц. Интервал значений: от 1 до 12
        
        Год. Интервал значений: от 0 до 99
        
        Выкл - выключить зуммер;
        
        Вкл - включить зуммер;
        
        Авто - перевести работу системы в автоматический режим, где звуковое оповещение будет включаться или выключаться по следующему условию:
        
        Если хотя бы 1 из вышеперечисленных систем (освещение, проветривание, полив) установлена НЕ в автоматический режим работы, то после перевода работы зуммера в автоматический режим будет производиться отслеживание всех необходимых значений датчиков и при превышении или критическом понижении значений относительно установленных границ зуммер будет издавать прерывистый звук (время включения и выключения зуммера задано в ZUMMER_WORKING_TIME и ZUMMER_NOT_WORKING_TIME ) до тех пор, пока параметр не вернётся в допустимый диапазон значений;
        
        Если хотя бы 1 из вышеперечисленных систем (освещение, проветривание, полив) установлена в ручном режиме на включение, то зуммер так же будет издавать прерывистый звук, сигнализирующий о том, что система включена в ручном режиме;
        
        Для того, чтобы зуммер не издавал звуков ни в одной из вышеперечисленных ситуаций, достаточно перевести его в режим "Выкл";
        
        Работа с GSM/GPRS Shield:
        
        Приятным дополнением ко всей системе "умной" теплицы будет использование GSM/GPRS Shield для её удалённого мониторинга и управления.
        
        В скетче есть возможность с помощью флага GSM_USING_FLAG включить или полностью выключить поддержку работы данной платы расширения, тем самым сократив количество используемой памяти:
        
        Далее мы рассмотрим те возможности, которые предоставляет эта плата расширения в данном проекте.
        
        Всего в проекте есть 10 команд, помощью которых можно управлять всей системой или получать от неё данные. Вот эти команды (при отправке кавычки не указываются!):
        
        Умная теплица и ее особенности
        
        Автоматизация рутинных процессов позволяет экономить время на их выполнении и сосредоточить свое внимание на пасынковании, пересаживании и другом.
        
        Преимущества умных теплиц
        
        К главным преимуществам относятся:
        
        поддержание необходимой температуры внутри помещения путем контроля над своевременностью обогрева и проветривания;
        
        своевременность капельного полива;
        
        восстановление (мульчирование) почвы под заданную культуру.
        
        Виды умных теплиц
        
        В зависимости от типа энергоснабжения достаточно условно теплицы подразделяются на автономные и энергозависимые.
        
        Как следует из названия, автономные сооружения не зависят от подачи электроэнергии. Функционирование происходит благодаря использованию тепловой или солнечной энергии. К недостаткам следует отнести требования к оборудованию.
        
        Для работы второго типа теплиц требуется электроэнергия. К ее достоинствам относят более низкую стоимость по отношению к автономным сооружениям. Тем не менее, можно выделить два ее недостатка. Первый – плата за электроэнергию, которая может быть высокой. Второй – зависимость от электроснабжения.
        
        Умная теплица своими руками: пошаговая инструкция
        
        Для начала определяются с выбором площадки для строительства, при этом учитывают инсоляцию, ландшафт, расположение грунтовых вод и розу ветров.
        
        Не ставьте теплицу туда, где есть тень Схема наиболее благоприятного расположения теплицы относительно сторон света
        
        Вторым моментом является выбор материала с учетом предназначения теплицы. Например, толщина сотового поликарбоната в 8 мм будет достаточна для покрытия теплицы, предназначенной для эксплуатации с весны до осени. Если же планируется выращивать культуры и зимой толщину покрытия рекомендуется увеличить до 16 мм при условии надежной герметизации.
        
        Помочь сохранить тепло может теплоизолирующий фундамент.
        
        1 этап. Автоматический обогрев почвы и воздуха
        
        Предусмотрено два технических варианта обогрева теплицы:
        
        В первый с использованием электроэнергии входят подключение теплового пола, конвекторов и инфракрасных обогревателей.
        
        Второй основан на подключении водяного отопления с обязательным контролем работы котла вручную.
        
        Обогрев воздуха
        
        В целях обогрева воздуха предпочтительнее остановить свой выбор на электрообогревателях. Рекомендуется закреплять их к каркасу вместе с электросхемами и датчиками, срабатывающими при понижении температуры.
        
        Обогрев почвы
        
        Обогрев грунта можно производить тремя способами:
        
        натуральным – за счет солнечного света;
        
        биологическим – благодаря энергии, выделяющейся при гниении биоматериалов; недостатком является невозможность контроля температуры;
        
        техническим, включающим обогрев почвы посредством:
        
        подачи теплой воды по проложенным под землей трубам, подсоединенным к котлу;
        
        2 этап. Автоматическое проветривание
        
        Иногда оказывается достаточным установки термопривода внутри теплицы или за ее пределами.
        
        Форточки рекомендуется устанавливать на максимально возможной высоте.
        
        В ряде случаев производится монтаж системы вентиляции, запускающей вентиляторы при изменении температуры воздуха.
        
        3 этап. Автоматизация полива
        
        Капельное орошение реализуется путем установки системы, представляющей совокупность резиновых и пластиковых трубок, а также капельниц. При такой системе полива вода в ходе подачи будет разогреваться, что важно для корневой системы.
        
        Ключевым элементом комплекса является гидроавтомат. Резервуаром служит бак, подача воды осуществляется самотеком.
        
        Освещение
        
        Рекомендуемая продолжительность светового дня в теплице должна составлять 12-16 часов в сутки. Режим работы источников искусственного освещения рекомендуется соотносить с темным и светлым временем суток.
        
        Для автоматизации процесса используют датчики освещенности и таймеры.
        
        Для обеспечения искусственного освещения чаще используют лампы:
        
        накаливания – их недостатком является инфракрасное излучение, способное при близком расположении нанести вред растениям;
        
        натриевые – их спектр схож со спектром солнечного света, однако ограничивает их применение малый срок эксплуатации;
        
        светодиодные – отличаются высоким уровнем безопасности, а спектр близок к естественному освещению;
        
        люминесцентные – характеризуются экономичностью, высоким КПД и продолжительным временем эксплуатации.
        
        В зависимости от целей можно использовать также источники инфракрасного или ультрафиолетового диапазонов.
        
        Обзоры готовых проектов умных теплиц + цены и фото
        
        Примеры наиболее распространенных моделей готовых проектов представлены в таблице ниже:
        
        Схематичное изображение контроллера .
        
        На рис1 указаны назначения разъемов контроллера.
        
        Технические характеристики контроллера
        
        Процессор STM 32 F 407 VET 6, тактовая частота 168мГц, память flash 512 kBytes , RAM 192 kBytes .
        
        Память хранения переменных 128 kBytes .
        
        Аналоговые входа (0-3,3 v ) - 2 шт.
        
        Аналого – цифровые входа (0-3,3 v ) – 5 шт.
        
        Цифровые входа (0-5 v ) – 4 шт.
        
        Порт I2C – 1 шт.
        
        Модуль WiFi ESP8266 – 1 шт.
        
        Модуль GPRS SIM800C – 1 шт.
        
        Гнездо СИМ карты – 1 шт.
        
        Расширитель портов MCP 23 S 17 (16 выходов) – 3 шт.
        
        Порт RS485 – 1шт.
        
        Радио модуль LoRa (868мгц) SX 1276 или RFM 95 – 1шт.
        
        Радио модуль nRF 24 L 01 SMD Mini или nRF 24 L 01 SMD PA (с усилителем) – 1 шт.
        
        Дисплей 4 дюйма OTM8009A_800X480 – 1 шт.
        
        Внешний сторожевой таймер – 1 шт.
        
        SD карта 4-16 мб. – 1 шт.
        
        USB порт – 1 шт.
        
        Звуковой модуль (пищалка) – 1 шт.
        
        Встроенный модуль часов (батарея автономного питания часов CR 1220).
        
        Питание 12 вольт 3 ампера.
        
        Защита от статического электричества входов и цепей питания.
        
        Размеры контроллера 140мм х 80мм.
        
        Для лучшего восприятия и навигации по конструкции контроллера, основные компоненты отмечены стрелками и пронумерованы.
        
        Ниже будет описано назначение каждого модуля.
        
        1) Микроконтроллер STM 32 F 407 VET 6. Это главный компонент, в который записана программа управления теплицей. В других вариантах исполнения контроллеров могут быть установлены микроконтроллеры с другими характеристиками, но функция остается прежней – управлять всеми процессами контроля и управления.
        
        Необходимо иметь ввиду, что питание микроконтроллера составляет 3,3 вольта.
        
        Поэтому все входные сигналы, подаваемые на микроконтроллер не должны превышать 3,3 вольта.
        
        2) Кнопка сброса в исходное состояние. Иногда при тестировании необходимо, что бы программа начинала работу контроллера с самого начала. В постоянной работе использование кнопки не требуется.
        
        3) Разъем подключения питания. Как правило, применяется питание 5 или 12 вольт. Величину питания нужно уточнять в конкретной версии контроллера. Мощность источника должна обеспечивать не менее 2 - 2.5 ампера для нормальной работы.
        
        В текущем варианте контроллера и последующих применено схемное решение, позволяющие питать контроллер напряжением от 5 до 18 вольт.
        
        5) Разъем USB предназначен для подключения контроллера к персональному компьютеру.
        
        7) Разъем для подключения устройств, работающих по протоколу I 2 C . Как правило, к данному разъему подключается датчик света, но могут быть подключены и другие устройства, работающие по данному протоколу. Основное ограничение – длина провода подключения не должна быть длиннее 20-30 см. Иначе контроллер будет зависать.
        
        Дополнительные модули подключаются параллельно датчику света.
        
        Рис3. Датчик света BH 1750
        
        8) Разъемы для подключения различных датчиков. Это могут быть датчики температуры, влажности, датчики других типов, концевики. В данном контроллере применяются три типа входов для входных сигналов микроконтроллера:
        
        Некоторые датчики работают в диапазоне 0-5 вольт, в связи с эти применяются специальные согласователи уровней сигналов в диапазоне от 5 до 3 вольт. Дополнительно применение диапазона 0-5 вольт повышает помехозащищенность длинных линий. Это особенно актуально при использовании датчиков, установленных на значительном удалении от контроллера. Данные согласователи установлены на части входов контроллера. Их количество зависит от варианта исполнения контроллера.
        
        б) Аналоговый. Предназначен для измерения напряжения в диапазоне 0-3,3 вольта.
        
        К данным входам подключаются датчики, на выходе которых формируются аналоговые сигналы. Это могут быть датчики влажности, СО2, pH и другие. Теоретически они могут работать и как цифровые (в диапазоне 0-3,3 вольта). На эти входа установлена защита от статического электричества.
        
        в) Комбинированные аналого-цифровые. Диапазон входного сигнала 0-3 вольта. Изначально они позиционируются как аналоговые, но при замыкании перемычки возле разъема, к входу микроконтроллера подключается резистор 5,1ком, подключенный одним выводом к шине питания 3,3 вольта. Такое подключение дает возможность управлять датчиками с цифровыми входами. На эти входа так же установлена защита от статического электричества.
        
        Количество таких комбинированных входов зависит от варианта исполнения контроллера.
        
        На рис4. показаны варианты датчиков.
        
        Датчики DS 1820, DHT22 , Емкостной датчик влажности почвы.
        
        9) Разъемы для подключения блоков из 16 реле. Микроконтроллер имеет большое количество входов, но часто даже этого количества недостаточно.
        
        В этом случае применяют различные расширители портов. В наших контроллерах применяются два типа расширителей MCP 23 S 17 и MCP 23017 .
        
        Эти расширители практически идентичные, отличаются только способом связи с микроконтроллером по протоколу SPI или I 2 C .
        
        Данные расширители в нашем случае могут работать только на прием или выдачу цифровых сигналов. Использование управления через эти входа с помощью различных протоколов типа 1 Ware не предусмотрено. Диапазон входных сигналов 0-5 вольт. Это позволяет подключать блоки реле и другие устройства без согласователей уровней.
        
        На рис5 представлен блок на 16 реле, но могут подключаться блоки и с меньшим количеством, но это не рационально в использовании возможностей контроллера.
        
        На блоке реле установлен разъем из 20 выводов.
        
        Рис5а. Разъем блока реле на 16.
        
        Подключение к контроллеру производится плоским шлейфовым кабелем. В составе разъема 16 управляющих сигналов, 2 общих провода и 2 провода питания (в исходном состоянии провода питания отключены). Питание модуля реле желательно подключать отдельными проводами и от отдельного источника питания. Это позволит исключить влияние помех при переключении реле на контроллер. Но может быть подано питание 5 вольт по 2 проводам плоского шлейфового кабеля от контроллера. Для этого необходимо запаять специальную перемычку на самом контроллере, расположенную возле выводов 1,2 разъема (на обратной стороне разъема).
        
        На рис 6 показан вариант подключения блока реле.
        
        На разных вариантах исполнения контроллеров может быть установлено различное количество разъемов расширителя портов.
        
        Какие расширители портов ( MCP 23 S 17 или MCP 23017) применены в конкретном изделии необходимо уточнить в инструкции на контроллер.
        
        11) Разъемы аналоговых и цифровых портов. Применение описано ранее в пункте 8.
        
        13) Телефонный модем ( SIM 800 C ) так же предназначен для дистанционного управления контроллером посредством СМС,
        
        14) Разъем подключения внешней антенны модуля SIM 800 C .
        
        15) Батарея резервного питания встроенных часов.
        
        16) Разъемы подключения внешних антенн модуля LoRa .
        
        17) Звуковой модуль (пищалка).
        
        Обратная сторона контроллера.
        
        1) Гнездо СИМ карты телефонного модема SIM 800 C
        
        2) Разъем подключения радио модуля nRF 24 L 01 SMD Mini . Модуль предназначен для связи с внешними устройствами по радиоканалу.
        
        3) Разъем подключения радио модуля nRF 24 L 01 SMD PA . Модуль предназначен для связи с внешними устройствами по радиоканалу.
        
        4) Разъем для подключения модулей LoRa . Модуль предназначен для связи с внешними устройствами по радиоканалу.
        
        Типы применяемых модулей SX 1276 и RFM 95
        
        Рис10. SX1276 Рис11. RFM 95
        
        5) Расширители портов MCP 23 S 17 (или MCP 23017)
        
        6) Перемычки переключения режима портов аналоговый/цифровой.
        
        7) Разъем подключения 4 дюймового дисплея.
        
        На всех контроллерах установлен сторожевой таймер. В случае непредвиденного зависания контроллера таймер выполнит полную перезагрузку системы.
        
        Рис 12. Модуль в сборе.
        
        На момент написания этой статьи разработаны контроллеры разных модификаций.
        
        12.JPG" />
        
        Для себя я сформулировал следующие тезисы для реализации в проекте:
        
        • Теплица двухсекционная (т.е. с перегородкой внутри). Помидоры и огурцы — в разных зонах. Надо обеспечить правильные условия (полив, проветривание) для каждой их двух зон.
        • Полив тёплой водой. Могут быть разные взгляды на выращивание овощей, разные авторы дают разные советы. Но все, как один, словно сговорились: поливать надо тёплой водой, а не холодной из магистрали. У меня нет на огороде накопительной ёмкости. У меня нет желания её организовывать а потом бороться с органикой внутри и на стенках. У меня нет желания строить вышку для напора, её наполнять а потом периодически чистить или искать засоры в капельных шлангах. А вот официальная (со счётчиком) магистраль с холодной водой и хорошим давлением у меня есть. Автоматизации это поддаётся очень легко: хоть клапаны, хоть шаровые вентили с приводом. И у меня есть возможность позволить себе проточное подогревание на время полива.
        • Максимальная автономность. Минимальное вмешательство человека. Способность восстанавливать правильную работу после случайных сбоев и просадок электричества/воды/и т.д.
        • Без часов реального времени не обойтись. Мне нужно время, мне нужны даты и мне нужны восходы/закаты.
        • Мне нужно следить за температурой в теплице. Снаружи теплицы мне температура не особо интересна, она никак не влияет на алгоритмы выращивания в теплице.
        • Проветривание каждой из двух зон.
        • В случае сильной жары даже при открытых форточках, в зоне огурцов я буду применять дождевание: периодическое опрыскивание водяной взвесью холодной воды. Это, вкупе со сквозняком от двух открытых форточек, будет эффективно снижать жару.
        • Заодно можно бы поливать грядки возле дома и вокруг теплицы.
        
        Из условий становится понятно, что актуаторов мне надо два. Дороговато, но что поделать — альтернатив я не нашёл. А проветривать только одну секцию теплицы бессмысленно.
        Мне нужна была версия 12V 200mm.
        
        Выбор именно этого лота обусловлен тем, что на момент заказа это была самая низкая цена. Порадовало, что вместе с актуаторами в комплекте идут крепёжные кронштейны, штифты и даже шплинты для фиксации штифтов; очень приятно. Продавец понравился, отправил довольно быстро, претензий нет.
        
        На момент первого выдвижения штока мне показалось, что смазки маловато, шток был почти сухой. Литола мне не жалко, обильно смазал и вдвинул-выдвинул пару раз.
        
        Рассмотрим актуатор чуть подробнее и измерим его габариты.
        
        В исходном состоянии межосевое расстояние составило ~318мм
        
        При полностью выдвинутом штоке получим ~510мм
        
        С учётом поправок и неточностей, 200мм хода мы получили. Отлично.
        
        Диаметр отверстия под штифт составляет 6 мм
        
        Диаметр штока:
        
        Измеренные характеристики:
        При питании напряжением 12V потребляемый ток при движении ненагруженного штока составил около 700mA.
        Нагрузил шток мышечными усилиями, получил что-то около 1,2А.
        Продавец говорит, что при механической нагрузке возможны значения до 3А.
        Время полного выдвижения штока — 28 секунд.
        Продавец говорит, что штатным будет время до 40 секунд.
        Продавец заявляет класс защиты IP54. Это означает, что актуаторы пылезащищённые (при этом некоторое количество пыли может проникать внутрь, однако это не нарушает работу устройства), и что актуаторы брызгозащищённые (т.е. капли и брызги в любом направлении не помешают работе устройства). Вполне похоже на правду. Нас для автоматизации теплицы такой класс защиты вполне устроит.
        
        Актуатор имеет два контакта для подключения. Направление движения штока (выдвигание/задвигание) осуществляется изменением полярности. С подачей напряжения начинается движение штока. Внутри актуатора стоят два концевых микропереключателя, так что в крайних положениях штока двигатель останавливается даже при подведённом питании. Алгоритм управления очевиден: для движения штока подаём напряжение нужной полярности на время, чуть превышающее время движения штока, для быстрой остановки замыкаем оба контакта двигателя. Всё управление сводится к паре переключающих реле:
        
        Можно, конечно, сделать мост из четырёх переключающих транзистора и включить мотор в диагональ, но это будет несколько дороже и сложнее, хотя и надёжнее. Меня же способ на двух реле вполне под данные условия устраивает. С учётом того, что у нас актуаторов будет два, релюшек нам потребуется четыре. Ну, а если учитывать, что у нас будет ещё несколько шаровых кранов, то и модуля на 8 реле будет маловато. В моём проекте трудятся три шаровых крана (полив огурцов, полив помидоров, полив грядок возле дома) и два актуатора (форточка огурцов и форточка помидоров). Итого десять реле.
        
        О конструкционном внедрении приводов в конкретной теплице.
        
        Балка опирается на стеновые прогоны и крепится к ним уголками.
        Комплектные кронштейны актуаторов крепятся к балке и к раме форточки. Штифты чуть сдобрил литолом.
        
        В этой части обзора вполне уместным будет показать видео, на котором обозреваемый актуатор закрывает форточку теплицы.
        Согласно алгоритму, это происходит на закате. Прошу прощения за не очень яркое видео.
        
        Пожалуй, об актуаторах в рамках данного обзора я рассказал всё. Тот, кто спешит, и кому дальше не интересно, может закрывать вкладку.
        
        Но было бы нечестным с моей стороны дальше не рассказать об автоматизации теплицы.
        
        Итог длительного погружения в увлекательный мир агро-информации у меня вылился в следующий алгоритм, реализованный в контроллере теплицы:
        
        Полив огурцов.
        
        • Производится тёплой водой.
        
        • Начинается с закатом.
        
        • Продолжительность полива:
        — до 20 мая — в течение 8 минут ( по расчёту 3 л/м 2 );
        — с 20 мая по 10 июня — в течение 10 минут ( по расчёту 5 л/м 2 );
        — с 10 июня по 15 сентября — в течение 16 минут ( по расчёту 9 л/м 2 );
        — после 15 сентября — в течение 8 минут ( по расчёту 3 л/м 2 ).
        
        • Интервал полива огурцов – один раз в 2 дня.
        
        Полив помидоров.
        
        • Производится тёплой водой и при открытой форточке.
        
        • Начинается в 17 часов
        • Продолжительность полива – 20 минут (по расчёту 5л на растение).
        
        • Интервал полива помидоров:
        — до 30 мая – один раз в 7 дней;
        — с 30 мая по 15 июля – один раз в 4 дня;
        — с 15 июля по 15 августа – один раз в 3 дня;
        — после 15 августа – один раз в 9 дней.
        
        Для тех, кто сразу не заметил разницы.
        
        Огурцы поливаются различным объёмом (выраженным во времени полива), в зависимости от фазы развития растения при фиксированной периодичности полива.
        
        У помидоров же фиксирована обильность полива при различной периодичности полива, в зависимости от фазы развития.
        
        Полив грядок возле дома и вокруг теплицы.
        
        • Производится тёплой водой один раз в 4 дня.
        
        • Начинается в 21-30
        
        • Продолжительность полива – 30 минут.
        
        • Открывание форточек производится при +18°C в течение светового дня.
        • Закрывание форточек производится при +17°C.
        • Форточки в любом случае будут закрыты с закатом.
        • Форточка секции помидоров открывается на время полива помидоров для снижения риска фитофтороза.
        
        • Для понижения температуры в секции огурцов с целью предотвращения стерилизации пыльцы и подгорания листьев, предусмотрено мелкодисперсное дождевание холодной проточной водой при открытых форточках.
        • Дождевание производится в течение всего светового дня при превышении температуры в теплице +35°C
        • Дождевание осуществляется короткими двухсекундными импульсами с минутным интервалом. Сравнительно малое время разбрызгивания каждой порции выбрано с целью предотвращения сильного залития грядок под дождевателем и возможности испарения значительной доли распылённой порции.
        
        В общем, я не планировал реализовывать это на данной стадии автоматизации теплицы. Эта функция у меня получилась сама собой, рикошетом.
        Но раз уж это всё равно уже получилось в алгоритме, почему бы и не реализовать.
        
        • Досветка фитолампами привязана к наступлению заката. Алгоритм позволяет установить фиксированное опережение или отставание включения ламп относительно точки заката. В моём случае включение досветки опережает закат на 2 часа.
        • Продолжительность досветки в моём случае — 4 часа; впрочем, любая переменная легко настраивается.
        
        Немного об аппаратной части проекта.
        
        Вот блок-схема, иллюстрирующая пространственное разделение блоков:
        
        Алгоритм ардуины описан выше.
        Электрическая принципиальная схема довольно очевидна и скучна, но, раз уж начал рассказывать, приведу и её:
        
        Небольшая зарисовка об этапах постройки системы.
        
        О первичном блоке рассказывать особо и нечего, там всё понятно.
        Вот промежуточный этап постройки первичного блока:
        
        Фильтр подключён гибкой подводкой, поскольку его периодически надо будет обслуживать. Всё остальное сварено из полипропиленовых водопроводных труб.
        Как видно по фото, внутри шкафа уже установлен белый пластмассовый электрощиток, там уже смонтированы автоматы и установлено твердотельное реле. Обратите внимание, от реле мы видим только переднюю часть, без подложки. Всё дело в том, что задняя часть с радиатором находится за плоскостью пластмассового щитка. Я вынес радиатор, чтобы он грел не щиток, а пространство внутри металлического шкафа. Щиток отодвинут от дна металлического ящика на шпильках.
        Если посмотреть от фильтра вдоль дна ящика вниз, то картинка будет вот такая:
        
        Видны рёбра радиатора и полипропиленовая труба, закрытая на предыдущей картинке корпусом пластмассового электрощитка. Чуть позже в него установится и блок питания.
        
        Готовый первичный блок, уже установленный на своё место под навес и введённый в эксплуатацию, выглядит так:
        
        Обратите внимание на цвет фильтра. Он был белоснежный при покупке. Система пока отработала чуть больше месяца. Это к разговору о целесообразности фильтрования воды даже для садового полива.
        
        Так смотрится готовая система в интерьере теплицы:
        
        Чуть позже. Рассада успела подрасти:
        
        Так или иначе, конструкция предоставляет широкий простор для творческой фантазии.
        
        Главное, ради чего всё это писáлось. Я искренне надеюсь, что моя статья предоставит достаточное количество идей и информационной помощи тем, кому эта сфера интересна, кто тоже увлекается дачной автоматизацией. А, возможно, кому-то послужит недостающим импульсом для начала собственного творчества и реализации собственных идей.
        
        PS: Никто ничего для обзора не предоставлял и не спонсировал. Всё, что описано в конструкции, покупалось в разное время за свои собственные деньги или было найдено в собственных закромах.
        
        Добавление спустя год эксплуатации.
        Проект пережил зиму, весну и половину нового лета.
        Пришла пора подвести некоторые итоги и сделать выводы.
        
        2. В этом году я увеличил количество форточек до четырёх. Потому что той пары штук (это то, что выше в обзоре) оказалось мало. Не было достаточного движения воздуха. У томатов, таки, к осени вылез фитофтороз. :( Они любят сквозняк. Поставил ещё две. Соответственно, закупил ещё два актуатора. Теперь и в секции огурцов, и в секции помидоров по две управляемые форточки по разные стороны конька теплицы.
        Алгоритм движения приводов модифицировал так, что вторая пара приводов начинает двигаться только после остановки первой пары. Всё дело в том, что все четыре привода одновременно потребляют очень большой стартовый ток, особенно на открывание, когда форточки надо тащить вверх. Разнёс это по времени, секунд на 30.
        
        Если не хватит и четырёх форточек, в следующем году приспособлю принудительное движение воздуха у поверхности земли вентиляторами.
        
        3. Два добавочных актуатора не потребовали увеличения числа реле в конструкции. Поскольку шаровыми приводами теперь управляют L293D. Спасибо Юрию, я и сам знал, да он ещё и подтолкнул в эту сторону. Освободившиеся от кранов реле и пошли на управление актуаторами.
        
        5. Актуаторы. Они не пережили зиму. Китайская IP54. Скажу точнее. Не пережили зиму концевики внутри актуаторов. Всё остальное: моторы, редукторы, механика — вполне. Но замена концевиков — это полностью разбор всего актуатора, поэтому, попутно по ходу работы, я и смазки набил в редуктор погуще, и герметиком стыки пролил пощедрее. Так что в нашей климатической полосе надо это учитывать. Подключил актуаторы через GX12-3, теперь буду уносить их на зиму, благо крепёж простой — достать шплинты, вынуть штифты. Да, концевики в актуаторах специфичные, кому это интересно, наши ПМ22 не подойдут по габаритам, хотя и похожи внешне, но там всё очень точно. Подходящие нашлись только на Тао и Yoycart; ни на Али, ни на Ebay в тот момент таких не находилось.
        
        6. Запустил в эксплуатацию погодный модуль. Ураганы и дожди этого года не дадут соврать — метеомодуль для теплицы очень нужен. Без него эксплуатация совсем не та. Построй я его в том году, может, и актуаторы бы зиму пережили.
        
        Читайте также:
        
        
        Ремонт стальных дисков своими руками
        
        Циния из фоамирана своими руками
        
        Как сделать экстракт миндаля
        
        Как сделать чтоб не болела голова от плохой погоды
        
        Как сделать шаблон для дверных откосов