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.