Творческий проект по технологии "Применение цифровых технологий на даче или "Умная теплица"
Submitted by Валерий Мурзабулатович Ямананев on Fri, 24/01/2014 - 22:45
МБОУ «Лицей №15 им. акад. Ю.Б.Харитона»
Творческий проект
Цифровые технологии на даче
или разработка и изготовление модели
«Умная теплица»
Разработали:
ученик 7А Воронин Андрей
ученик 7А Никишин Андрей
Проверил: учитель технологии Ямананев В. М.
г. Саров
2013 год
Цифровые технологии на даче или разработка и изготовление модели «Умная теплица»
Введение
Описание проблемы:
Существует несколько способов получения альтернативной энергии - ветроэнергетика, солнечная энергетика, энергия приливов и отливов, а также получение биотоплива для техники через выращивание определенных растений. Человечество все активнее внедряет в своей жизни разнообразные технологии. Мы хотим рассказать об очень известном способе получения энергии - выращивание продуктов- овощей в качестве пищи для людей. Электроэнергия нужна людям для питания электропотребителей. А вот то, что овощи являются альтернативным видом энергии именно для людей - мы как-то не задумываемся.
На самом деле, фотосинтез растений – это есть аккумуляция световой и тепловой энергии Солнца и превращение ее в химическую энергию продуктов питания.
Человечество с недавних пор озабочено получением электроэнергии через солнечные батареи, оно борется за каждый процент увеличения КПД этих батарей и как-то опять не задумывается - а на что тратится эта электроэнергия? Например, на освещение и подогрев теплиц для выращивания овощей… А ведь если мы увеличим КПД наших теплиц, получим больше овощей с кв.метра, то мы сэкономим эту самую электроэнергию!
Теплицы появились как продукт современных технологий для получения продуктов питания, как альтернатива грядок под открытым небом. Теплицы позволили людям увеличить вегетационный период для растений путем создания для них комфортных условий, что дало повышенный выход продуктов с кв.метра. Но к трудозатратам по выращиванию - посадка, поливка, сбор, добавились материальные и энергетические затраты – на строительство, обогрев и освещение. Причем, достаточно большие, что делает тепличное хозяйство не очень рентабельным.
Как можно снизить эти затраты?
Только применяя новейшие технологии, вплоть до IT- информационных технологий.
Вот такую цель мы поставили перед собой при разработке нашего проекта «Умная теплица».
Теплицы в России появились при Петре, назывались они оранжереями, и выращивали в них всякие экзотические вещи, в частности- апельсины. Но при этом не считались с затратами, труд крепостных был бесплатным. В советское время тепличное хозяйство выращивало овощи- витамины для советских людей тоже затратно. А вот в 90-х годах рынок себя показал как хищник - выживает сильнейший, и теплицы все тихо ушли в лету.
Но ведь овощи нужны людям. И в подсобном хозяйстве, на дачах, теплицы выжили, но все равно, они были экономически не выгодны с уровнем технологий того времени.
Наша задача - применить в теплице для подсобного хозяйства, для дачи, современные технологии, современные материалы, знания для снижения затрат на производство овощей. А это в целом нам даст еще один способ получения альтернативной энергии.
Проведем анализ тепличного хозяйства, все его плюсы и минусы.
1.С конструкционной точки зрения здесь улучшать почти нечего, на замену стеклу и полиэтилену пришел поликарбонат. Пока это самый лучший по многим показателям (как для людей, так и для растений) материал. Мы его тоже используем в нашей теплице.
2. Основная проблема для дачной теплицы – отсутствие людей в будни. Нарушается основной принцип теплицы - тепловой баланс. Ночью, в холодное время, теплица должна быть закрытой, для сохранения тепла, а днем - жаркое время - открыта, для вентилирования воздуха. Проблема: Открыть- Закрыть.
Решалась просто - не закрывалась вообще. И это лучше, чем не открывалась вообще. Мы пойдем по рациональному пути - будем открывать-закрывать, но не сами, а с помощью автоматики. Сейчас существуют недорогие электромоторы, которые под управлением недорогой автоматики будут работать почти бесплатно. Немного электричества для них выработает недорогая солнечная батарея (СБ) и запасет в себе недорогой, но достаточно емкий аккумулятор.
Основная проблема СБ - маленький кпд, особенно в пасмурное время. И в солнечное время, тем более. Вроде свет есть - а заряжается аккумулятор плохо, - солнце не стоит на месте, в отличие от батареи. А мы применим недорогое устройство для слежения и поворота СБ - треккер. Он поднимет КПД нашей СБ без каких-то особых, научных исследований. И с помощью недорого контроллера экономично зарядит емкие литий - ионные аккумуляторы.
Также недорогой микроконтроллер на базе Arduino(МКА) при достижении требуемой температуры даст команду шаговым двигателям открыть или закрыть фрамуги. В случае очень высокой температуры (невозможности понизить температуру проветриванием) , МКА даст команду на включение вентилятора, который будет засасывать горячий воздух под коньком теплицы и прогонять его через специальный термоаккумулятор ТА( утепленная емкость, заполненная 2-х5-и литровыми пластиковыми бутылками, объемом до 1м3). А прохладный воздух из ТА будет поступать в теплицу для понижения температуры воздуха в ней.
В экстренном случае МКА даст команду на опускание светоотражающего экрана-пленки (материал Mylar разработан НАСА). Причем этот экран будет работать и в ночное время как устройство, отражающее до 90% тепла внутрь теплицы при ночных понижениях температуры. ТА по команде МКА тоже подогреет растения ночью теплом, рекупирированным в дневное время. Подогретой водой до 30 градусов, ТА может дать
дать от 40 до 100 Мдж тепла, что позволит растениям не замерзнуть и даже продолжить вегетацию в ночное время.
3. Световой режим. Здесь проблема в том, что для роста растений нужен определенный режим освещения, а весной дни еще короткие. Саженцы тоже пока не большие, но без света их рост будет замедлен. Есть исследования, которые говорят о определенном режиме, досветке растений, причем определенного спектра видимого света, достаточно освещать их красным светом и немного синим (в соотношении примерно 4:1, 70-80% красного света и 30-20 - синего). Таким образом, не тратится энергия на бесполезное освещение в других диапазонах спектра. А как известно, затраты на освещение при выращивании в теплицах и парниках, при подготовке рассады весьма значительны. И также выяснено, что импульсный свет определенной частоты ничем не хуже постоянно горящего. С помощью МКА мы будем включать наши светодиоды ранним утром до рассвета и после заката на определенное время- до установленного светового порога в пульсирующем режиме, что опять же снизит затраты на электроэнергию.
4. Вода, т.е. полив. Важная составляющая в жизни растений. Для полива нужна теплая, обогащенная кислородом вода, поданная в нужное время, в нужном количестве. Система капельного полива уже существует, она доказала свою практичность, поэтому мы ее внедряем в нашу теплицу. А поливом будет руководить наш МКА. По датчику влажности и в вечернее время МКА даст команду насосу на полив растений. До этого момента МКА приготовит эту воду путем перекачки воды в определенные напорные емкости и прокачает через них воздух с помощью компрессора. Влажность воздуха - тоже необходимый показатель среды в теплицы. Огурцы требуют повышенную влажность, что достигается с помощью туманообразователей : ультразвуковое распыление или фонтанный тип распыления.
5. Питание растений. Эта задача тоже уже решена. Совместно с капельным поливом растения подаются нужные порции растворенных удобрений, так называемая ферригация.
5а. Питание растений углекислым газом. Это основная еда растений. Использовать можно 2 способа - открывать на определенные промежутки времени вентиль от баллона с углекислым газом. Способ дорогой, но автоматизируемый с помощью МКА. Второй способ более доступный и рациональный - имеем емкость с водой, навозом и травой. Смесь бродит с выделением углекислого газа. В нужное время периодически включать компрессор для прокачки через емкость воздуха, брожение усиливается, углекислый газ выделяется .
6. Охрана и сигнализация. Мы живем в России, где все возможно. Сейчас уровень охранной техники высок, многое придумано, но достаточно дорого. На базе МКА можно организовать SMS-оповещение несанкционированного доступа в охраняемый периметр, также можно сделать фото и видеозапись нарушителя, предупредить его об нарушении закона на частную собственность.
Методы и инструменты реализации:
Все предложенные способы автоматизации осуществимы при наличии следующих устройств: микроконтроллеров на основе Arduino и датчиков - освещенности, влажности и температуры, реального времени, углекислого газа, уровня; сервоприводов, шаговых двигателей, водяных насосов, воздушных компрессоров; солнечной батареи с контроллером; литий - ионных аккумуляторов; вентиляторов.
Решение: Были приобретены требуемые устройства через Интернет- торговлю в Китае. Это самый бюджетный вариант изготовления действующей модели «Умной теплицы». Изготовлена модель теплицы в масштабе 1:100, собраны теплоаккумулятор с вентилятором от компьютера, 2 емкости под воду, все соединено трубками и насосы подключены к контроллеру. Спаяны в цепь 15 светодиодов 11-красных и 4 синих для организация досветки, установлен термодатчик и соединен в цепь с МКА.
Микроконтроллеры на основе Arduino были запрограммированы на нужную последовательность действий всех устройств и опробованы в работе. Система требует настройки до определенных параметров. Для внедрения в настоящую теплицу вся автоматика подходит полностью, будет необходимо все усилить более мощными моторами и вентилятором, что тоже легко и экономично выполнимо.
А где же цифровые технологии?
Что такое Arduino
Arduino — это небольшая плата с собственным процессором и памятью. На плате также есть пара десятков контактов, к которым можно подключать всевозможные компоненты: лампочки, датчики, моторы, чайники, роутеры, магнитные дверные замки и вообще всё, что работает от электричества.
В процессор Arduino можно загрузить программу, которая будет управлять всеми этими устройствами по заданному алгоритму. Программы для Arduino пишутся на обычном C++, дополненным простыми и понятными функциями для управления вводом/выводом на контактах. Если вы уже знаете C++ - Arduino станет дверью в новый мир, где программы не ограничены рамками компьютера, а взаимодействуют с окружающим миром и влияют на него. Для удобства работы с Arduino существует бесплатная официальная среда программирования «Arduino IDE», работающая под Windows, Mac OS и Linux.
С помощью неё загрузка новой программы в Arduino становится делом одного клика. Полноценные устройства можно собирать, используя специальную макетную доску, перемычки и провода абсолютно без пайки. Конструирование ещё не было таким быстрым и простым.
Вот пример- листинг одной программы из библиотеки.
К Arduino подключён аналоговый датчик уровня освещённости, пироэлектрический цифровой датчик движения тёплых объектов и светодиодная лампа
digitalWrite(LED_LAMP_PIN, lightningRequired ? HIGH : LOW);
}
И программировать для Arduino оказалось достаточно легко и интересно.
Выводы:
Данная работа участвовала в конкурсе РОСТ, получила диплом второй степени, что говорит об актуальности данной проблемы
Значение нашего проекта: для себя лично мы попробуем внедрить «УТ» на своих участках у родителей, и в частности - в школьной теплице. Там есть 220 вольт, поэтому там еще проще все организовать. А целом, приходиться рассчитывать на автономность работы, что усложняет проект.
Результатом внедрения нашей «Умной теплицы» будет сокращение трудозатрат по выращиванию овощей, высвобождение личного времени нас и наших родителей, получение большего урожая как следствие более правильных технологий по выращиванию в закрытом грунте.
Стоимость приобретенного оборудования для нашей модели «УТ» - около 4 тысяч рублей, причем все компоненты переходят на настоящую теплицу почти без изменений, сюда нужно только прибавить стоимость более мощных насосов, вентиляторов и шаговых двигателей.
Таким образом, в работе показана возможность организации получения альтернативной энергии в виде продуктов питания более экономичным и производительным способом по сравнению с существующей технологией.
Существует проблема под названием «парниковый эффект», когда образующийся углекислый газ в процессе производственной деятельности человека губительно сказывается на климате. Наша теплица как раз и будет решать эту проблему самым энергичным способом-поглощением СО2.
Нами не продумана пока до конца технология по восстановлению плодородия земли в теплицах по принципу органического земледелия, вермикультуры и ЭМ - эффективных микроорганизмов. Но главное то, что это тоже можно автоматизировать. Ведь на стыке различных наук и технологий можно добиться улучшения работы сельскохозяйственного конвейера по производству овощей. Создание замкнутого, экологического производства, без применения внешних энергоносителей, с более полным использованием энергии солнца. Это будем продолжением нашей работы.
Литература:
1. Н. Курдюмов http://kurdyumov.ru/knigi/teplica/teplica00.php
2. К.Тимошенко. Теплица из поликарбоната с тепловым аккумулятором и автоматическим проветриванием своими руками. http://sad.delaysam.ru/teplicy/teplicy1.html
4. К.Тимошенко. Теплица из поликарбоната с теплоаккумулятором своими руками. Описание и эксплуатация. http://newforum.delaysam.ru/topic.php?forum=1&topic=61
Решалась просто - не закрывалась вообще. И это лучше, чем не открывалась вообще. Мы пойдем по рациональному пути - будем открывать-закрывать, но не сами, а с помощью автоматики. Сейчас существуют недорогие электромоторы, которые под управлением недорогой автоматики будут работать почти бесплатно. Немного электричества для них выработает недорогая солнечная батарея (СБ) и запасет в себе недорогой, но достаточно емкий аккумулятор.
Также недорогой микроконтроллер на базе Arduino(МКА) при достижении требуемой температуры даст команду шаговым двигателям открыть или закрыть фрамуги. В случае очень высокой температуры (невозможности понизить температуру проветриванием) , МКА даст команду на включение вентилятора, который будет засасывать горячий воздух под коньком теплицы и прогонять его через специальный термоаккумулятор ТА( утепленная емкость, заполненная 2-х5-и литровыми пластиковыми бутылками, объемом до 1м3). А прохладный воздух из ТА будет поступать в теплицу для понижения температуры воздуха в ней.
3. Световой режим. Здесь проблема в том, что для роста растений нужен определенный режим освещения, а весной дни еще короткие. Саженцы тоже пока не большие, но без света их рост будет замедлен. Есть исследования, которые говорят о определенном режиме, досветке растений, причем определенного спектра видимого света, достаточно освещать их красным светом и немного синим (в соотношении примерно 4:1, 70-80% красного света и 30-20 - синего). Таким образом, не тратится энергия на бесполезное освещение в других диапазонах спектра. А как известно, затраты на освещение при выращивании в теплицах и парниках, при подготовке рассады весьма значительны. И также выяснено, что импульсный свет определенной частоты ничем не хуже постоянно горящего. С помощью МКА мы будем включать наши светодиоды ранним утром до рассвета и после заката на определенное время- до установленного светового порога в пульсирующем режиме, что опять же снизит затраты на электроэнергию.
время МКА даст команду насосу на полив растений. До этого момента МКА приготовит эту воду путем перекачки воды в определенные напорные емкости и прокачает через них воздух с помощью компрессора. Влажность воздуха - тоже необходимый показатель среды в теплицы. Огурцы требуют повышенную влажность, что достигается с помощью туманообразователей : ультразвуковое распыление или фонтанный тип распыления.
Все предложенные способы автоматизации осуществимы при наличии следующих устройств: микроконтроллеров на основе Arduino и датчиков - освещенности, влажности и температуры, реального времени, углекислого газа, уровня; сервоприводов, шаговых двигателей, водяных насосов, воздушных компрессоров; солнечной батареи с контроллером; литий - ионных аккумуляторов; вентиляторов.
Что такое Arduino
#define MOTION_SENSOR_PIN 2
#define LED_LAMP_PIN 5
Стоимость приобретенного оборудования для нашей модели «УТ» - около 4 тысяч рублей, причем все компоненты переходят на настоящую теплицу почти без изменений, сюда нужно только прибавить стоимость более мощных насосов, вентиляторов и шаговых двигателей.