Файл: Умная теплица под управлением микроконтроллера.docx

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности

Направление подготовки 12.04.01 «Приборостроение»

Отделение контроля и диагностики
ОТЧЁТ

Умная теплица под управлением микроконтроллера

по дисциплине «Творческий проект»

Студенты

Группа	ФИО	Подпись	Дата
1Б12	Бондаренко Н. Ю.
1Б12	Паречный К. А.
1Б12	Гуторов М. А.

Руководитель

Должность	ФИО	Ученая степень, звание	Подпись	Дата
Ассистент ОКД	Абакумов Х.	-

Томск – 2023 г.

Содержание

---

Введение

Название проекта: «Умная теплица под управлением микроконтроллера»

Цель проекта – изучить автономность, контроль умной теплицы, также ее комплексные параметры и полный мониторинг за ней. Построить модель умной теплицы на основе изученного материала.

Задачи проекта:

1. 
   Изучить теоретический материал теплиц
   
2. 
   Провести обзор датчиков, взятых за основу в данном проекте.
   
3. 
   Собрать общую схемы всех датчиков, а также макет по подготовленной электрической схеме из подобранных компонентов:
   

• 
  Структурная схема всех датчиков
  

• 
  Подбор компонентов к схеме
  
• 
  Код
  

4. 
   Проверка работоспособности кода и работы всех датчиков вместе.
   

Актуальность проекта

Проживание в Сибири, в зоне рискованного земледелия. Для выращивания овощных культур у нас часто используют теплицы, где тратится много ручного труда для поддержания оптимальных условий для выращивания. Появилась идея автоматизировать этот процесс на модели маленькой теплицы с последующим масштабированием на «большую».

1. Теоретический материал существующих умных теплиц

Теплица – это отапливаемый или автономный парник для круглогодичного и внесезонного выращивания различных культур и рассад.

Умная теплица – это станция с полностью автоматизированными процессами выращивания культур

Отставание России очень большое – обеспеченность теплицами составляет  12 Га/млн.чел. Поэтому планы по увеличению численности тепличных хозяйств выглядят актуально, и вполне правильно. [1]

С каждым годом рост населения растет, и все сильнее увеличивается спрос на овощи и фрукты, а с автономными, умными теплицами получится делать гораздо больше численности культур [1]

По росту населения можно судить что каждый год импортируется большое количество выращиваемых культур из-за нехватки более чем для 23 млн жителей РФ [1]

А также теплицы в северных и холодных частях страны позволят людям содержать культуру вне зависимости от уличной температуры, времени года и различных погодных условий. [1]
К чему теплице автоматизация?
Теплица для выращивания овощей, ягод и различных трав станет еще более функциональной и позволит значительно увеличить урожайность растений, если оснастить ее специальным автоматическими устройствами и механизмами, управляемыми современным программным обеспечением. Автоматизация теплицы поможет поддерживать в ней оптимальный микроклимат, сократить трудозатраты, время и значительно упростить процесс ухода за растениями [2]

---

Освещение растений

Любые растения нуждаются в 12-16-ти часовом освещении в сутки. Как только продолжительность дня становится короче около 10 часов, растения попросту перестают расти. Но и круглосуточно освещать теплицу не нужно. Для растений существует своя норма ночного покоя-6 часов. [3]

Ученые проведя ряд экспериментов решили, что любой растительности нужен только «полезный» свет: красная область спектра (волны длиной 600-700 нанометров), пока идет цветение и завязываются плоды и синий (400-500 нанометров) собственно для вегетативного роста. С помощью красивой подсветки можно освещать тепличные растения только одним «нужным» светом – синим или красным, либо в их комбинации. Электроэнергии они потребляют мало. [3]

Впервые опыты со светодиодами в теплице проводились в Дании. В итоге при использовании 50 тысяч светодиодов было сэкономлено около 40% энергии на огромной площади, а растения стали расти еще более интенсивнее. У цветов появлялось больше бутонов. И при этом в промышленных теплицах уже меньше использовались химикаты для регулировки роста растений. [3]

Фотосинтез растений
Фотосинтез — это процесс, при котором из углекислого газа и воды на свету образуются органические вещества.

Общая формула фотосинтеза выглядит следующим образом:

Вода + Углекислый газ + Свет → Углеводы + Кислород

Выделяющийся при фотосинтезе кислород поступает в атмосферу. В верхних слоях атмосферы из кислорода образуется озон. Озоновый экран защищает поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения, что сделало возможным выход живых организмов на сушу. [4]

Фотосинтез – это основа питания растений. Доказано, что 95% урожая определяют органические вещества, полученные растением в процессе фотосинтеза, и 5% – те минеральные удобрения, которые садовод вносит в почву. [4]

Для повышения продуктивности фотосинтеза необходимы следующие условия:

1. 
   Оптимальный световой режим – интенсивность освещения и длительность светового дня. Практически зависит от густоты посевов, ориентирования их рядов, искусственного освещения в теплицах. Следует также учитывать и разницу в освещении светолюбивых и теневыносливых растений.
   
2. 
   Благоприятный температурный режим (20-25С) при выращивании растений в теплице.
   
3. 
   Достаточная для данной культуры увлажненность почвы, регулирование, которой можно осуществлять орошением (поливом) или осушением.
   
4. 
   Нормальное содержание диоксида углерода в воздухе (особенно в теплицах), так как снижение его содержания тормозит фотосинтез, а повышение угнетает процесс дыхания.
   
5. 
   Достаточное содержание минеральных солей в почве.[4]
   

---

Вегетативный период растений

Растениям нужен свет, воздух, вода, питание, тепло для производства плодов и роста. Без одного из этих жизненно важных факторов, оно перестает расти и вскоре погибает. В помещении свет должен быть определенного спектра и интенсивности; воздух должен быть теплым, в меру сухим, обогащенным углекислым газом; вода должна быть в достатке, но не в избытке, и среда выращивания должна содержать определенное количество питательных веществ для бурного роста. Когда все эти требования выполнены на оптимальном уровне, результатом будет и оптимальный рост.

Для обычных растений вегетативный рост поддерживается 16 часами света и больше. Растение будет продолжать вегетативный рост в течение года или дольше (теоретически бесконечно), пока поддерживается 18-ти и более, часовой фотопериод. Растение реагирует на фотопериод; цветение можно контролировать с помощью цикла «свет-темнота». Это позволяет садоводам, выращивающим в помещении, контролировать вегетативный рост и период цветения. [5]

Капельный полив
Капельный полив - это метод, когда поливная вода малыми дозами подаётся непосредственно под корни растений, с помощью капельниц-дозаторов и используется наиболее эффективно. [6]

Преимуществ у капельного полива очень много, они очевидны и подтверждены многолетней практикой садоводов, это:

- более ранний и обильный урожай;

- предотвращение появления сорняков;

- предупреждение почвенной эрозии;

- предотвращение распространения болезней;

- экономия поливной воды (приблизительно наполовину) благодаря тому, что исключаются её испарение и инфильтрация;

- сокращение использования удобрений;

-невозможность попадания поливной воды на растения, что полностью исключает солнечные ожоги;

-предотвращение образования корки на поверхности почвы, что даёт лучшую вентиляцию корням;

- возможность непрерывного и равномерного полива без вашего присутствия и участия, все 24 часа в сутки, при любом ветре;

- действия по обработке растений и уборке урожая можно осуществлять в любое удобное время, не ориентируясь на полив;

---

- простота и доступность монтажа и ухода;

- увеличивается срок хранения выращиваемых растений; [6]

Гидропоника

Гидропоника - это метод выращивание различных культур без использования почвы. Несмотря на отсутствие грунта, растения получают необходимое количество питательных веществ, поэтому прекрасно себя чувствуют и хорошо развиваются. [7]

Автоматизация создания и поддержания необходимых условий окружающей среды подразумевает управление:

• 
  температурным режимом;
  
• 
  поливом и орошением;
  
• 
  освещением;
  
• 
  подогревом почвы;
  
• 
  подкормкой CO₂.
  

Наш проект мы разработали на микроконтроллере Arduino, но он может-быть с легкостью перенесен на другие известные микроконтроллеры

Что такое Arduino

Arduino– это 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. Таким образом, можно создать бесконечное количество уникальных классных гаджетов, сделанных своими руками и по собственной задумке. [8]

Какие функции должна выполнять умная теплица.

- Проветривание. Для поддержания оптимальной температуры и влажности в теплице, необходимо обеспечить свежий воздух. Система вентиляции и проветривания регулирует количество и частоту проветривания в зависимости от измеряемых параметров. [9]

- Полив. Важный элемент возделывания растений. Насосы и распылители автоматически осуществляют полив в соответствии с заданными параметрами влажности. [9]

- Отопление. Растения необходимо выращивать в определенном диапазоне температур. Умная теплица может осуществлять поддержание тепла внутри теплицы в холодное время года. [9]

- Управление освещенностью. Оптимальный уровень освещения в теплице – ключевой фактор роста растений. Умная теплица регулирует уровень освещенности, используя различные источники света, такие как лампы, светодиодные панели и другие. [9]

---