Проект «Разработка автоматизированной многофункциональной системы для улучшения эффективности тепличного производства»

Проект

«Разработка автоматизированной многофункциональной системы для улучшения эффективности тепличного производства»

Проект выполнили:

Серова Татьяна Владимировна,

Иванов Александр Владимирович,

Кузьмин Даниил Николаевич

ученики МБОУ «Средняя школа №1»

города Велижа

Руководитель проекта:

Авсеенок Константин Анатольевич,

учитель информатики.

В 2016 году наша школа переехала в новое здание, на территории которой была построена стационарная школьная теплица, но из-за нехватки времени для постоянного контроля и ухода за ней, к нам поступила просьба о создании устройства, решающего эту проблему.

Перед нами явно возникла практическая проблема: для получения хорошего урожая в теплице требуется постоянно контролировать и создавать благоприятные условия развития, но это невозможно, в связи с тем, что не обеспечивается оптимальный тепловой режим, влажность, освещенность.

Актуальность же этой проблемы трудно переоценить, с ней столкнулись миллионы дачников и жителей села.

Начиная работать над проектом, мы исследовали рынок устройств и методы решений данной проблемы в Интернете, в журналах и книгах. И выяснили, что устройства, выпускаемые промышленностью функциональны и надежны, но обладают высокой ценой и сложны в обслуживании. Поэтому решили создать бюджетное многофункциональное автоматическое устройство.

Исходя из вышеприведённого анализа наших исследований, нами была сформулирована следующая гипотеза: можно ли создать бюджетное многофункциональное устройство для создания комфортных условий в теплице своими руками при минимальных затратах ресурсов.

Для того чтобы подтвердить данную гипотезу, мы должны решить две проблемы:

Научная проблема: разработать на имеющейся элементарной базе и доступными программными средствами автоматическое многофункциональное устройство для комфортных условий развития растений.

 Исследовательская проблема: обеспечить оптимальные условия для развития растений в теплице, с помощью бюджетного автоматического многофункционального устройства.

Проанализировав проблемы, которые встали перед нами, мы поставили следующую цель: создание рабочей модели автоматического многофункционального устройства для комфортных условий развития растений в школьной теплице, облегчающей обслуживание культурных растений с применением инновационных технологий.

Для того чтобы реализовать поставленную нами цель, мы поставили перед собой основные задачи:

1. изучить источники по данной теме и разработать требования к теплице;
2. разработать схему устройства, согласно его требованиям;
3. собрать рабочую модель устройства;
4. создать алгоритм сбора информации с датчиков и написать код программы автоматизации процессов с помощью программного обеспечения;
5. отладить работу многофункционального устройства и провести корректировку параметров
6. провести экономический анализ затраченных ресурсов для созданного устройства;
7.  провести пробную эксплуатацию устройства в школьной теплице;

Приступая к работе над проектом, мы провели анализ проблем и решений, влияющих на комфортную жизнь культурных растений в теплице.

Исходными условиями выбрали условия школьной теплицы: наличие корпуса теплицы и возможности подключения к сети переменного тока в 220 вольт, а также наличие безопасного места для размещения установки и возможность использования как водопроводной воды, так и накопительной.

Итак, мы сформулировали пять проблем и методов их решения:

1. Основная проблема для школьной теплицы – отсутствие свободного времени школьников и учителей. Решение этой проблемы - автоматизация большинства рутинных процессов.
2.  Решением проблемы теплового режима будет автоматическое поддержание оптимальной температуры воздуха – автоматика теплицы должна поддерживать необходимый диапазон температур, рекомендованный для данного конкретного культурного растения, произрастающего в данный момент и должна осуществляться возможность регулировки, выбора данного диапазона температур программным и ручным способом.
3.  Со световым режимом мы решили, что автоматическое управление освещением – должно обеспечить оптимальный режим для разных фаз развития растений и не зависеть от постоянного присутствия человека, здесь также должна осуществляться возможность регулировки и выбора нужного диапазона освещенности программным и ручным способом.
4. Вода - важная составляющая в жизни растений. В нашем проекте мы будем использовать такой метод полива как капельный, так как он используется наиболее эффективно и экономично. Все преимущества и недостатки вы можете найти, перейдя по ссылке. По команде датчика влажности пойдет команда насосу на полив растений. То есть автоматика теплицы определяет объём полива и его частоту зависимости от фазы развития растения и заданной программы.
5. Питание растений. Эта задача тоже уже решена. Совместно с капельным поливом растений будут подаваться нужные порции удобрений, растворенных в емкости с водой.

Автоматизация позволяет создать оптимальные условия для управления микроклиматом в теплице. 

Для выполнения поставленной задачи, нами была выбрана платформа Arduino (подробную информацию можно посмотреть, перейдя по ссылке). Используя эту плату, детали и узлы, список которых вы можете просмотреть, перейдя по ссылке, мы создали автоматическое устройство. Эта установка снимает показания температуры, освещённости и влажности. Для этого мы использовали соответственно датчик температуры (терморезистор на 10Ком), датчик освещённости (фоторезистор) и датчик влажности почвы (FC-28). С этих датчиков снимает показания микроконтроллер ATmega328, который в свою очередь и лежит в основе нашей конструкции, и управляет четырьмя электромеханическими реле, которые замыкаю цепь на четыре канала. Первый канал отвечает за обогрев теплицы, второй за вентиляцию, третий за освещение и четвёртый за полив. По показаниям датчика температуры будет включаться или инфракрасный обогреватель, или тандемная вентиляция. Для режима полива используется программная задержка , которая регулируется и позволяет получить растениям необходимое кол-во влаги. Режим освещения включается при недостаточной освещённости ускорения роста растений, оптимально использовать ультрафиолетовые лампы. Также показания датчика температуры и освещённости выводятся на жидкокристаллический дисплей.

Кроме того, в нашем устройстве реализуется несколько систем защиты. Первая из них защита от короткого замыкания на каналах управления и защита самого блока питания. Вторая же это автоматическое отключение насоса при критически низком уровне воды. Данная система защиты основывается на нормально-замкнутом герконе который при падении уровня жидкости отключает насос.

В процессе своего развития растение требует разное условия для микроклимата теплицы и для этого у нас предусмотрено три режима работы системы с разными значениями освещённости, влажности и температуры (ростки, развитие и созревание) И название этих режимов также отображается на дисплеи.

По мимо этого может случится ситуация при которой автоматика перестанет работать или человеку нужно будет принудительно включить канал, для этого у нас предусмотрено ручное управление всеми каналами

Стоит отметить, что все оросительные и осветительные приборы работают с переменным током напряжением 220в, но работа с этим напряжением опасна и не разрешена для детей. Поэтому мы решили разработать устройство, которое будет коммутировать потребителей с рабочим постоянным напряжением 12в.

В результате у нас была разработана схема устройства, представленная ниже:

Рисунок 1. Схема автоматического многофункционального устройства "КИСА-3".

В процессе работы над нашим проектом у нас была четкая дифференциация (разделение ролей). Это позволило уйти от излишнего дублирования, грамотно организовать наше время и повысить производительность труда.

Татьяна работала с материалом по растениеводству, формулировала требования к автоматическому устройству и его параметрам работы.

Александр был нашим электронщиком, разработка и монтаж устройства в большей степени его заслуга.

«Мозгами» устройства занимался Даниил, то что устройство работает в соответствии с заявленными требованиями его заслуга.

Подводя итог работы, следует сказать, что нам удалось достичь выполнения цели работы и решить задачи, поставленные перед нами. Мы создали многофункциональное автоматическое устройство, успешно следящее за заявленными параметрами и регулирующее микроклимат теплицы.

В ходе наших исследований мы поняли, что создание такого бюджетного автоматического многофункционального устройства просто необходимы, так как все аналоги очень дорогие или недостаточно функциональны. Наше устройство обошлось нам в 2300 рублей, так как часть узлов и деталей мы использовали из «кладовки» школы (полный экономический расход можно посмотреть, перейдя по ссылке). Промышленные устройства с похожим функционалом стоят от 15 тысяч рублей. То есть мы смогли создать бюджетное устройство с достаточным количеством функций, а значит, подтвердили гипотезу.

Наше устройство успешно прошло двухнедельную проверку в школьной теплице. Что указывает на решение всех сформулированных проблем.

Создавая устройство, мы познакомились с основами конструирования и создания электронных устройств, а также с основами программирования микроконтроллеров.

Нам удалось обеспечить оптимальные условия для развития растений в экспериментальной теплице.

Наблюдая за нашей проектной деятельностью, нашим устройством заинтересовались 6 заказчиков.

Уже работая над проектом нас заинтересовал вопросы автономности нашего устройства, его мобильности и влияния на окружающую среду. Уже сейчас ведется работа над переводом нашего устройства на альтернативные источники энергии (энергия солнца и ветра).