Микроконтроллер для управления теплицей

Система управления микроклиматом в теплице

В статье описана аппаратная реализация системы управления микроклиматом в теплице. Данная система является частью реального приусадебного хозяйства. С её помощью процесс выращивания растений стал частично автоматизированным, не требующим постоянного присутствия человека.

Конкретный экземпляр данной системы отрабатывается на каркасностеклянной теплице, длиной 6 метров, шириной 3 метра, высотой 2 метра. В теплице имеется одна дверь и 2 форточки, проведены электричество и водопровод. Нагрев воды происходит в емкости объемом 70 литров. Давление в емкости составляет порядка двух атмосфер. В теплице выращивается около 35 растений.

Система имеет следующий вид:

Рисунок 1. Схема системы управления микроклиматом в теплице

Центральное место в системе занимает плата Arduino Mega (на рис. 1 -1):

Рисунок 2. Arduino Mega

Arduino является полностью открытой платформой, состоящей из платы и среды разработки, в которой реализована переработанная версия языка Processing/Wiring.

Используемая аппаратная платформа построена на микроконтроллере ATmega1280.

В данной системе задействованы 8 цифровых входов/выходов (всего на платформе их 54) и 10 аналоговых (всего их 16). Плата получает питание от внешнего блока питания.

Плата имеет следующие характеристики:

• рабочее напряжение: 5В;
• рекомендуемое входное напряжение: 7-12 В;
• предельное входное напряжение: 6-20 В;
• 54 цифровых портов ввода/вывода;
• 16 аналоговых входов;
• ток потребления на одном выводе: до 40 мА;
• ток потребления вывода 3.3В: 50 мА;
• память Flash Memory: 128 KB, из которых 4KB используются загрузчиком;
• ОЗУ: 8 KB;
• энергонезависимая память: 4 KB;
• тактовая частота: 16 МГц;
• размер: 75x54x15 мм;
• вес: 45 г;

К Arduino Mega подключены необходимые датчики и модули.

Включение/выключение полива зависит от ряда параметров:

• влажность почвы;
• температура воды;
• время суток.

В данной системе задействовано 4 датчика влажности почвы (на рис. 1 — 2).

Для измерения влажности почвы используется самодельный датчик, представляющий собой два гвоздя и резистор. Принцип действия основан на зависимости электрического сопротивления почвы от ее влажности.

Гвозди, введенные в почву на некотором расстоянии друг от друга, выступают в качестве щупов, между которыми проверяется сопротивление. По итоговому аналоговому сигналу можно судить о степени влажности.

Схема датчика представлена на рисунке:

Рисунок 3. Датчик влажности почвы

Для измерения температуры воды используется LM335Z -аналоговый термодатчик (термостабилитрон, на рисунке 1 — 3):

Рисунок 4. Аналоговый термодатчик LM335Z

Используемый датчик имеет следующие характеристики:

• диапазон: -40…+100;
• точность: 1°С;
• зависимость: 10мВ/оС.

Для подключения датчика к плате требуется резистор, сопротивлением 2.2 кОм. Задавая ток через датчик в диапазоне от 0.45 мА до 5 мА (резистором R1), получаем напряжение на датчике, которое в десятках мВ представляет абсолютную температуру в градусах Кельвина.

Схема подключения имеет следующий вид:

Рисунок 5. Схема подключения термодатчика

Для того, чтобы полив включался только в темное время суток, используются 2 датчика света Light Sensor-BH1750 (на рис. 1 — 4):

Рисунок 6. Датчик света Light Sensor-BH1750

Данный датчик служит для измерения освещённости в пределах от 1 до 65535 люкс.

Он имеет следующие характеристики:

• напряжение питания: 3-5В;

• разрешение: 16 бит;

• габариты: 19х14х3 мм;

Подключение датчика производится следующим образом:

Рисунок 7. Подключение датчика света Light Sensor-BH1750

Когда полученные с датчиков показания удовлетворяют определенным условиям (она различаются для каждого вида растений), включается полив. Для регулирования полива используется электромагнитный клапан. Он подключается к плате с помощью реле (на рис. 1 — 5). А именно используется релейный модуль для Arduino проектов Relay Module 2 DFR0017. Он использует высококачественное реле Omron G5LA. Состояние выхода реле отображается с помощью светодиода. Этот модуль управляется с помощью цифрового порта ввода-вывода. Время переключения контакта составляет 10 мс. Как и датчики для измерения температуры и влажности почвы, релейный модуль подключается в управляющей электронике через три провода:

Рисунок 8. Назначение контактов разъема релейного модуля

Рисунок 9. DHT11 Temperature Humidity Sensor

Помимо полива данная система контролирует и температуру воздуха в теплице.

Для одновременного измерения температуры и влажности воздуха используется датчик DHT11 Temperature Humidity Sensor (нарис. 1 — 6).

Он подключаются к управляющей электронике через три провода: питание (Vсс), земля GND) и сигнальный.

На плате кроме датчика расположен микроконтроллер, в памяти которого записаны калибровочные поправки для датчиков. Сигнал с устройства передается по шине в цифровом виде. Это позволяет передавать данные на расстояние до 20 м.

Данный датчик имеет следующие характеристики:

• напряжение питания: 5 В;
• диапазон температур: 0-50 ° С, погрешность ±2 ° С;
• влажность: 20-90%, погрешность ±5%.

Для регулировки температуры воздуха в теплице используется два режима: пассивное и активное проветривания. Пассивное проветривание представляет собой открытие/закрытие форточек, а активное -включение/выключение вентилятора.

Открытие форточек производится с помощью двух (по одному на форточку) сервоприводов Futaba Т306 MG995 (на рисунке 1 — 7):

Рисунок 10. Сервопривод Futaba Т306 MG995

Используемые сервопривод имеет следующие характеристики:

• скорость работы: 0.17 с / 60 градусов (4,8 В без нагрузки);
• момент: 13 кг-см при 4,8 В;
• момент: 15 кг-см при 6 В;
• рабочее напряжение: 4,8 — 7.2 В;
• длина провода: 300 мм;
• размеры: 40мм х 19мм х 43 мм;
• вес: 55 г.

Подключение вентилятора производится таким же способом, как и подключение клапана (через релейный модуль).

Полученные с датчиков данные записываются на карту памяти SD (на рисунке 1 — 8). В дальнейшем они обрабатываются, анализируются и на их основе строятся графики различных показаний. Для этого используется модуль SD-карт DFRobot:

Рисунок 11. Модуль SD-карт

Подключение вентилятора производится таким же способом, как и подключение клапана (через релейный модуль).

Полученные с датчиков данные записываются на карту памяти SD (на рисунке 1 — 8). В дальнейшем они обрабатываются, анализируются и на их основе строятся графики различных показаний. Для этого используется модуль SD-карт DFRobot:

Он содержит разъем для стандартных карт памяти SD, что позволяет добавить накопитель для записи и считывания данных в любой проект. Он имеет следующие характеристики:

• разъем для стандартных SD карт и через переходник MicroSD карт;
• содержит фиксатор карты памяти;
• поддерживает чтение и запись;
• может использоваться с другими микроконтроллерами;
• напряжение питания: 5 В;
• размер: 36 x 30 x 5 мм;
• вес: 7 гр.

Список использованных источников

Источник статьи: http://meandr.org/archives/25973

Делаем умную теплицу на Ардуино своими руками

Автоматизация вездесуща. Различные механизмы создают комфортные температурные условия, помогают при готовке пищи, ухаживают за одеждой, включают и гасят свет, а также поддерживают чистоту помещения. Но использование их не ограничивается бытом человека. Вообще во всем окружении, на улице или производстве, при перевозках чего-либо, в магазинах или сельском хозяйстве — везде работают незримые помощники.

С развитием технологической базы вырастает и уровень автоматизации. Сейчас роботы или механизмы выполняют не просто последовательность заложенных действий. Их устройство теперь позволяет осуществлять своеобразный «выбор», в зависимости от изменившихся внешних условий. Самый простой пример — стиральная машина. Ее внутренняя начинка определяет температуру воды и при необходимости подогревает ее, следит за временем стирки и правильностью текущих циклов выполнения.

Кроме уже описанного, в нашу жизнь вошли «умные» дома, города, кварталы или улицы. Главное отличие их от обычных — присутствие взаимосвязанных между собой систем управления. Каждая из которых контролирует одно устройство из присутствующих в комплексе. Но, работу всех их определяет общая система, отправляя сведения необходимые для функционирования или указывающие команды.

Одной из относительно редко использующихся схем интеллектуального управления можно назвать применение его в сельском хозяйстве, а конкретно для полной автоматизации парников или аппаратуры ухода за растениями. Собственно, подготовить и собрать умную теплицу на Ардуино своими руками вполне по силам и относительно разбирающемуся в электронике человеку. О чем и будет рассказано далее.

Общие сведения об управляющих системах

Интеллектуальность современного оборудования обеспечивается микроконтроллерами. Это небольшие и ограниченные по ресурсам полноформатные компьютеры, зачастую размещенные на одной плате или микросхеме. Несмотря на свои маленькие размеры их мощности вполне достаточно для того, чтобы управлять различным оборудованием. Информацию, необходимую для выполнения своих функций, такие микрокомпьютеры получают посредством различных специализированных датчиков. Общее нахождение устройств в единой сети обеспечивается посредством дополнительных присоединяемых к микроконтроллеру модулей.

Выполняя свою программу, интеллектуальные устройства, выдают управляющие импульсы на исполняющие цепи включающие двигатели, насосы, нагреватели или любые другие устройства для управления которыми и создается вся система.

Основой многих из подобных комплексов составляют контроллеры серии Arduino, STM, Ti MSP430, Netduino, Teensy, Particle Photon, ESP8266 или иных распространенных плат такого типа в мире. Кроме того, некоторые специалисты создают свои варианты микро — компьютеров, управляющих оборудованием — на основе устаревших ПК или каких-либо 8 разрядных процессоров, к примеру, Z80.

Чего бы хотелось

Наибольшее желание любого огородника — получать максимальный урожай при минимальных затратах труда. Одним из вариантов решения этой проблемы становятся теплицы. Но и в таком случае хочется, чтобы в ней самостоятельно грядки поливались, освещались, и обогревались, когда нужно. Ну и конечно, была организована автоматическая система вентиляции, для минимизации усилий по открыванию и закрыванию форточек.

Мониторинг и настройка

Конечно, в первую очередь, требуется система управления всем этим высокоинтеллектуальным хозяйством. Кроме того, желательно получение информации о текущем состоянии напрямую или на домашний компьютер, или на смартфон. С этой целью будет использоваться контроллер для теплицы на Arduino.

Управление

В соответствии с желаниями, необходимо организовать автоматическое управление отоплением пола (как основы подогрева посадок), открытия форточек, увлажнением почвы. Хороша будет система контроля освещения, которая зажигает его, если на улице темно.

Реализация в «железе»

Ничего сложного в реализации проекта нет. Достаточно применить плату Arduino, в комплексе с несколькими датчиками (влажности, температуры, освещенности, наполнения бака полива и концевых контактов окон проветривания), а также парой двигателей для вентиляции и смонтировать систему «теплый пол».

Но сначала требуется сделать саму теплицу. Для основы была создана такая модель:

Вот ее перенос в реальность:

Мониторинг и настройка

Визуализация информации, а также пункты меню настройки выводятся на LCD1602 дисплей, с конвертором в IIC/I2C UC-146 для подключения его к Arduino.

Для выбора параметров используются 4 клавиши. Все это вместе желательно разместить в общем контрольном ящике.

Кроме визуального, для удаленного контроля будет использоваться модуль WIFI связи ESP8266 LoLin NodeMCU2, с помощью которого информация с использованием UDP протокола будет передаваться на домашний компьютер с настроенным web-сервером и базой данных. Которые впоследствии, можно будет получить на любом устройстве в общей сети — смартфоне, цифровом телевизоре или планшете.

Подключаться модуль к ардуино уно будет через серийный порт (RX/TX). Причем электрический контакт производится напрямую TX(модема)-TX(Arduino) и RX аналогично. Почему это важно — зачастую рекомендуют делать соединение перекрестным RX-TX. В прилагаемой схеме это не нужно.

Полив

Система полива работает на основе физических принципов и насоса, который функционирует определенное время. Периодом и началом которого управляет Ардуино. С утра бак наполняется водой, что ограничивается временем в управляющем скетче и датчиком на прилагаемом чертеже. В течение дня она прогревается воздухом в теплице. Вечером происходит кратковременное включение насоса, который слегка переполнив емкость запускает полив самотеком.

Так он выглядит в реальности (вместе с системой подачи воды на грядки):

Его схема работы:

Ночью бачок стоит пустым, чтобы в случае отключения обогрева и падения температуры воздуха ниже нуля его не сломало замерзшей водой.

Отопление

Подогрев земли сделан предварительной укладкой «теплого» пола под будущие грядки. Включение происходит через специальное реле на 30 А, так как мощности выдаваемой ардуино никогда в жизни бы не хватило для питания такого потребителя.

Кроме него используется обычный бытовой нагнетатель теплого воздуха, который позволяет нагреть внутреннее пространство теплицы. Он также подсоединяется к микроконтроллеру.

Вентиляция

Для обеспечения движения воздуха предусмотрены два поворотных окна, процесс открытия и закрытия которых выполняется двигателями от автомобильных дворников. В свою очередь, подключённых к Arduino.

Освещение

Чтобы обеспечить растения постоянным притоком света, используются китайские светодиодные ленты, которые включаются в зависимости от таймера и уровня освещенности.

На приведенной ниже схеме оно подключается к выводам резерв (освещение).

Управляющая электрическая схема

Ну и конечно самая главная часть — принципиальная схема «мозгов» всей этой конструкции.

Маленькое примечание: мощности для обогревателей (воздуха и почвы) у реле Arduino не хватает. Дополнительно к ним используются в качестве посредников токовые, высокоамперные варианты, подключаемые уже непосредственно к потребителям.

Программная часть

С оборудованием все понятно. Осталось разобраться с программами, которые им управляют и контролируют состояние всей системы. Так как в комплексе есть два высокоинтеллектуальных устройства — ESS8266 и сам Arduino. Соответственно для обоих нужны свои программы. Помещение их в память устройств, в обоих случаях производится через Arduino IDE.

Мониторинг

Скетч, который необходимо выгрузить в ESP8266 LoLin NodeMCU, для обеспечения его связи с Arduino и WIFI роутером.

Управление

Ну и в финале, большой скетч управления самой теплицей, который выгружается в Arduino.

Замечания по конструкции

Датчик DN11 желательно заменить на DN22, который хоть и стоит дороже, но более точен и функционирует без проблем свойственных своему младшему тезке. Для питания контуров управления можно использовать компьютерный блок питания, желательно форм-фактора AT.

Заключение

Как видно из всего выше сказанного создать у себя на участке умную теплицу не так уж и сложно. Какие-то элементы можно убрать, что-то можно добавить, но после проделанной работы важно одно — вы получите у себя на участке функциональную теплицу, которая будет вас радовать урожаем и сама за собой следить, вам останется только провести посадку и ждать урожая.

Видео по теме

Источник статьи: http://vashumnyidom.ru/komfort/uxod/umnaya-teplica-na-arduino-svoimi-rukami.html