Гидропоника с автоматическим управлением на Arduinо (часть 2)

Развитие гидропонных систем для выращивания растений становится всё более автоматизированным. В продолжение этой тематики (ссылка на первую часть) речь пойдёт об оснащении гидропонной установки электронной системой управления на основе компонентов Arduino. Такая модульная система позволит собрать несложную, самодостаточную установку, доступную для повторения. Автор YouTube канала предлагает автоматизацию своей гидропонной системы, а также подробно рассказывает об её устройстве. Также на своём сайте, они дают подробную инструкцию по сборке и оснащению электронными компонентами.

Напомню об основных аспектах выращивания растений методом гидропоники. Такой метод имеет свои преимущества и недостатки. Преимущество в том, что корневая система растения позволяет усваивать питательные вещества для роста непосредственно из жидкости, которая содержит все необходимые компоненты: микро и — макроэлементы для полноценного развития. За счёт этого, растения будут расти быстрее и эффективнее. По сравнению с обычной землей, они не будут подвергаться стрессу и вредителям, а также не будут нуждаться в дополнительном уходе и другим агротехническим мерам которые применяются на открытом грунте.

К тому же такая система обеспечивает постоянный и оптимальный уровень влажности. В условиях гидропоники, корневая система не разрастается, что позволяет направить питательные вещества непосредственно на развитие плодов. В таких искусственных условиях, растения имеют всё необходимое для нормального развития (свет, питание, и так далее). Но, такой метод не лишён недостатков. Это означает, что гидропонная установка требует вложений в её покупку или изготовление. Также за ней надо следить, чистить, менять воду, и добавлять необходимые питательные вещества. Для того чтобы она стала самодостаточной и вы не теряли время на её обслуживание, нужно применить автоматизацию такой системы. О том как самостоятельно собрать автоматику, и таким образом минимизировать время на её обслуживание, пойдёт речь в этом материале.

Для реализации и усовершенствования этого проекта нам понадобятся следующие материалы и инструменты:

Материалы:
— тройник ПВХ d = 110мм. (110PVC);
— заглушка ПВХ d = 110мм. (110PVC-U) х 2шт;
— цветочный горшок (или заглушка ПВХ);
— хомут защелка ПВХ — 110мм х 2шт;
— муфта переходная (двух раструбная) ПВХ — 110мм;
— компрессор для аквариума;
— насос для аквариума;
— минеральный распылитель (камень) для аэрации аквариума;
— обратный клапан **;
— соединитель для трубки (4-6мм);
— поплавковый уровнемер (датчик уровня жидкости) ;
— патрубки (6-8мм*);
— шланг силиконовый (4-6мм) — 1м;
— шланг силиконовый (6-8мм) — 1м;
— керамзит (с мелкими камнями);
— питательный раствор для гидропоники**;
— Set Box XL (конструктор ПВХ);
— крепления LCD2004 (конструктор ПВХ);
— материал для стенок пеноплекс /светоотражатель (у автора — ПВХ, обклеенный фольгой);
— люминесцентные лампы (фитолампы светодиодные**);
— основа для крепления **;
— электрические провода и разъёмы;
— стяжки пластиковые;
— и другие расходники (клей, герметик, саморезы, и.т.д.).

Электроника:
— контроллер Piranha UNO (можно применить и другой);
— Trema Shield;
— символьный дисплей (LCD2004 и LCD конвертор в IIC/I2C)
— encoder FLASH-I2C;
— I2C Hub Trema-модуль/или обычный;
— часы реального времени, RTC;
— поплавковый уровнемер;
— емкостный датчик влажности;
— реле (Trema-модуль v2.0) для коммутации 220В**
— силовой ключ N-канал или P-канал;
— датчик расхода воды 0.3 — 6л./мин. (не обязателен**);
— мембранный насос 6 — 12В (модель 280 или модель 385);
— блок питания 9 — 12В, ток от 1А и выше;
— 3-проводной (шлейф мама для подключения);
— кулер для вентиляции**;
— камера Rasberry Pi**.

Инструменты:
— шуруповёрт/дрель;
— паяльник;
— сверла;
— клеевой пистолет;
— нож монтажный;
— линейка металлическая;
— кусачки, ножовка, и другой инструмент.

Схема подключения устройства

Особенности подключения установки: авторы проекта объясняют что, установка расходомера необязательна. Его функция — это сбор статистики о количестве расхода воды. Подключение к Trema Shield-у, осуществляется за счёт припаивание 3-проводного шлейфа «мама», в замене стандартного штекера.
Подключение освещения осуществляется через нормально замкнутые контакты реле. Это сделано для сокращения времени подачи питания на реле. Авторы объясняют этот тем, что большую часть времени в течение суток, освещение предполагается быть включённым. Авторы дают дополнительную рекомендацию, поставить керамический конденсатор параллельно насосу, для уменьшения помех и стабильности в работе устройства.
Конструктивная часть создания такой гидропонной установки, подробно изложена в предыдущей статье. Здесь же, автор проекта акцентирует внимание на электронную начинку, а также на замечания и пропуски в изготовление этой системы.

Далее автор подробно рассказывает как он и его команда, развивают их проект по сборке и усовершенствованию конструкции гидропонной установки. Автор говорит о результатах которые они получили собирая автоматизированную систему, а также об ошибках совершенных при опытах.

У них остался открытым вопрос с керамзитом, то есть субстратом для выращивания растений методом гидропоники. Вначале семена у них проваливались через него. И многие советовали использовать туалетную бумагу либо положить на субстрат вату. Но, им не хотелось загрязнять раствор поэтому они пошли другим путем. Автор дает подробное разъяснение на этот счёт.

Мы взяли более мелкий керамзит диаметром 3-5 мм, также у нас были камешки мелкие, примерно такого же размера. Мы все смешали и уже туда посадили наши семена. Как оказалось, скорее всего, это было правильное решение. Поскольку семена уже не проваливались и рост корневой системы это не замедлило, поэтому остановились на таком варианте.


Автор говорит что после выхода их первого видеоролика — многие их критиковали, из-за использования люминесцентных ламп, для освещения растений. Они объясняют этот вопрос тем, что лучше было бы взять лампу с выраженным спектром. Но мы, как всегда, хотели показать, что можно из имеющихся материалов, сделать проект — адаптировать его под себя. Поэтому и поставили такие лампы. Решили посмотреть что с этим получится. Как выяснилось, получилось очень даже неплохо, просто люминесцентная лампа содержит все тот же спектр освещения — в меньшем количестве.

Далее автор рассказывает об изменениях проведенных ими в собранной установке.
Как вы помните, мы установили поплавковый уровнемер, а также емкостный датчик влажности почвы в качестве измерения уровня жидкости. Посмотрев уровни при котором срабатывает емкостный датчик, а также поплавковый уровнемер, мы пришли к выводу, что мы будем регулировать уровень воды — по ёмкостному датчику.

Тем временем поплавковый уровнемер, выступит в качестве такой защиты, от переполнения резервуара. То есть, когда уровень поднимется до датчика — это значит что произошла какая-то неисправность и необходимо отключить насос. Но для реализации этой идеи, автору пришлось отпустить горшок с растениями пониже, в ПВХ трубе.



Поэтому, мы вытащили уплотнительное резиновое кольцо вкрутили винты, и уже на них поставили горшок. Как вы видите на фотографиях, получилось довольно герметичное соединение.

Автор объясняет что изначально они этого не сделали. Он также советует тем кто, будет повторять эту конструкцию — чтобы к горшку приделать какие-то верёвочки (захват*), чтобы можно было его удобно вытащить в случае необходимости. Таким образом горшок получается на пару сантиметров погруженным в воду. А у ёмкостного датчика ещё остаётся немножко запаса, по измерению уровня жидкости в гидропонной системе.

Всё оборудование авторы проекта закрепили на основании из ДСП, при этом впоследствии, они отказались от жесткого крепления воздушного компрессора.


Поскольку в таком случае, резиновые ножки хуже справляются с гашением вибраций, поэтому он просто стоит на подставке.


Теперь об электронике. В качестве контроллера они выбрали Piranha UNO (можно использовать и другой контроллер). Далее автор объясняет: Это разработанные нами аналог Arduino Uno. Для удобства подключения модуля использовали Trema Shield.



Разумеется нам также понадобятся модуль реального времени, силовой ключ для управления насосом и реле для управления освещением.



Также они использовали i2C Hub для Arduino, для удобства подключения модулей i2C.


Для управления нашей системы использовали энкодер (encoder), а для вывода информации — символьный дисплей на четыре строки. Это один из самых доступных вариантов под наши задачи.


Всю электронику мы поместили в ПВХ корпус.




Также к насосу подключаем расходомер. Он позволяет отслеживать общее количество израсходованной воды, поэтому вы можете обойтись без него, на работу системы он не влияет.





Также на воздушный компрессор, авторы установили обратный клапан, изначально они этого не сделали, но потом поняли свою ошибку. Из-за того, что компрессор находится ниже уровня емкости при отключении питания, в него поступает вода, соответственно необходимо установить его либо выше уровня емкости с жидкостью, либо сделать петлю, которая будет подниматься выше этого уровня. В таком случае при отключении питания, его затопления не произойдёт, но и эта петля не помогла. В связи с тем, что авторы постоянно что-то меняли и модернизировали они на всякий случай, всё-таки поставили обратный клапан подачи воды, в систему гидропоники.

Далее автор объясняет: Мы хотим сравнить результаты выращивания растений в нашей системе, с растениями которые вырастут в обычном грунте. Поэтому рядом, на такой же высоте, мы располагаем горшки, куда засыпаем обычную землю и туда уже сажаем семена гороха и салата. Ну, и в нашу систему, соответственно тоже.


В горшок сажаем по два пророщенных зёрнышка гороха. Также, засыпаем примерно одинаковое количество по площади, семян салата.


Помещаем горшок с керамзитом на место и подключаем электронику, освещение, аэратор, блок питания и блок питания таймлапса (таймлапс это видео, сделанное из серии картинок которые снимаются интервалами, за определенное время*). Готовим раствор по инструкции на упаковке — и всё готово!


Далее автор предлагает пройтись по меню устройства и посмотреть какие функции предусмотрены в управление системой.

При включении, попадаем в меню посадки. Выбираем общее количество дней для роста. Это тот период указан на упаковке с семенами. Мы для эксперимента выбрали число поменьше, так как выращивать огромные кусты салата изначально не планировали. Также выбираем текущий день — по умолчанию первый. Но, если вы используете систему для уже выросших семян, то указывается другой.

Далее следует время освещения растений. Это то время, которое автоматически будет включаться и выключаться. Освещение авторы проекта рекомендуют — около 16 ч. в сутки. Они установили таймер с 7 до 11 вечера. При этом, не стоит пренебрегать временем выключения освещения. Растениям нужно некоторое время без освещения.

Следующий экран — это заполнение емкости питательным раствором. Поворачивая ручку энкодера (служит для преобразования угла поворота в электрический сигнал*) можно включать и выключать насос, добиваясь необходимого уровня жидкости. То есть, первый раз вы ждете пока жидкость заполняет резервуар до нужного уровня, а далее поддержание этого уровня, происходит автоматически. По мере заполнения емкости водой, растёт и шкала индикатора.



На этом этапе уже всё работает. Далее автор предлагает посмотреть остальные пункты меню устройства. При нажатии кнопки энкодером, попадаем в главное меню, при этом свет выключается. В посадке мы уже были, давайте зайдем в пункт слива воды.

Пока мы находимся здесь насос не будет включаться, и мы можем выполнять работы по смене воды. Мы меняли воду примерно раз в полторы, две недели, при этом никакого цветения не происходило. После нажатия кнопки готово, снова попадаем в экран залива жидкости и заполняем установку. Таким же образом, как показали ранее — нажимаем кнопку готово и работа гидропонной системы возобновляется.

Последний пункт: Меню настройки. Тут можно настроить время и дату, а также мощность для освещения растений. Данная информация нужна для того, чтобы в конце рассчитать расход электроэнергии на выращивание растений.


Вот так выглядит главный экран: в первой строчке — дата и время, далее суммарный расход воды и потребление электричества. Ниже — количество оставшихся дней, и шкала индикатора, заполняющийся по мере роста. По истечению дней роста растений, запись сменяется на «готово». Сбросить статистику по расходу воды и электричества возможно при установке числа дней, в меню посадки — равным нулю.


Подсветка экрана работает в дневное время постоянно. А в ночное время — можно настроить, будет она включена или нет. В любом случае, она включается при активности пользователя, и в случае выключения, отключится через определенное время. Так же, раз в сутки, статистика и настройки сохраняются в энергонезависимой памяти. Поэтому, даже в случае отключения электричества, все настройки и статистика сохраняться.

Мы уже говорили, что в качестве защиты от переполнения емкости, мы использовали поплавковый уровнемер. Однако, в случае если и он откажет, мы предусмотрели ещё одну защиту. Насос выключается после определенного времени работы. То есть если насос работает, уровень не увеличивается. Для того, чтобы насос не начал заливать всё вокруг, через какое-то время, он просто выключается. Подача воды возобновиться после того, как пользователь совершил какие-либо действия в меню.

Также авторы проекта предусмотрели защиту от отключения питания. Она заключается в том, что модуль RTC ведёт учёт времени. Таким образом при отключении электричества, он не сбивается. За счёт энергонезависимой памяти, статистика и все настройки сохраняются в 00:00 часов. Это означает что при последующем запуске устройства, будут установлены настройки предыдущего дня. Это касается и настроек статистики.

Скетч и особенности его загрузки

На своём сайте (ссылку вы найдете в конце статьи) авторы разработки дают четкие указания по работе с программой. Перед загрузкой программы, автор указывает на то, что нужно рас комментировать строку с установкой времени в RTC — модуль:

watch.settime(i[0],i[1],i[2],i[3],i[4],i[5]);
Далее после загрузки, нужно закомментировать эту строку, и заново загрузить прошивку. Это делается для правильной установки времени в RTC — модуль. Иначе, отчёт времени начнётся заново, после отключения электропитания и дальнейшего его возобновления. Автор пишет, что операция выполняется только один раз. Независимо от того будете ли вы менять скетч и перезагружать код программы.

Ссылку на скетч вы найдёте в конце статьи.

Пока что нашей установке явно не хватает стенок. Очень много света расходуется впустую. Поэтому мы взяли имеющиеся у нас материалы, в данном случае пеноплекс. Как вы видите на фотографиях, мастер наносит клей (для пенопласта*) на заранее срезанную заготовку и на неё устанавливает основу из ДСП, на которой уже закреплена гидропонная система.


Для изготовления короба, мастер режет пеноплекс монтажным ножом (автор проекта не указал размеров заготовок**). Далее, обклеивает стенки, алюминиевой фольгой. Это делается для того, чтобы свет отражался внутри бокса, и давал больше света растениям. Внутри стало заметно ярче, и теперь свет расходуется более экономично.


Теперь наносится клей на основу установки и последовательно собираются стенки конструкции. Как видно на фото, для притока воздуха в нижней части короба, делается дополнительное отверстие, которая будет обеспечивать вентиляцию. Также в одной из вертикальных стенок конструкции, мастер устанавливает удлинитель с розетками на 220 вольт, для питания электронных компонентов гидропонной системы.





Наверху, авторы проекта установили кулер, чтобы отвезти лишнее тепло выделяемой лампой. Размеры вентиляционных отверстий авторы не указывают, поэтому вы можете сделать их по вашему усмотрению.

Также авторы напоминают, что внутри установлена камера с Raspberry Pi. Их самодельный таймлапс и ссылочку на него, конечно же есть в описании, на странице проекта. Вот в таком состоянии оставляем установку, на долгие 30 дней эксперимента.




Автор объясняет, что если вы используете специальные лампы (фитолампы) то выращивание ваших растений будет эффективнее, чем у них.

Напоминаем про основную особенность нашей конструкции. Это возможность легкого масштабирования. Вы можете увеличить количество ПВХ труб, просто вставив их одна в другую. Тем самым можно увеличить количество выращиваемых растений, до необходимого вам.

Теперь, авторы проекта переходят к части подведения итогов: У нас есть очень много выводов, которыми мы хотим с вами поделиться. Выводы про результаты нашего эксперимента.
Судя по таймлапсу, наши водные растения отставали в росте. Это связано с тем, что они находились в небольшом углублении и были окружены стенкой от ПВХ трубы. Но, дальше они подросли и стали получать уже больше света, и вскоре догнали, а потом и обогнали растения которые, находились земле.


Также стоит сказать о всхожести семян. В разные контейнеры мы посадили по два зёрнышка гороха (пророщенных). Но, в земле взошёл только один. Хотя, оба они были одинаково сильными. А в гидропонике взошли все. С салатом произошло примерно то же самое. Напомним, что на одинаковую площадь мы сеяли примерно равное количество, и на гидропонике взошло гораздо больше семян. Пришлось некоторые из них убирать, для того чтобы оставить место для роста остальным. В земле взошло несколько растений и делать этого не пришлось.


Далее автор объясняет. Понимаем, что по этим данным, нельзя делать вывод о всхожести семян, но мы попробуем сделать некоторые предположения. Лучшая всхожесть в гидропонике, во-первых, может быть объяснено тем, что через семена проходит большее количество влажного воздуха который нагнетается компрессором. Благодаря этому семена не пересыхают и не загнивают, от большого количества влаги. Это чем-то напоминает условия, при которых прорастают семена завернутые во влажную марлю.


Во-вторых, из-за постоянного потока воздуха, происходит охлаждение субстрата — вода испаряется. На это тратится энергия, соответственно субстрат охлаждается. Температура у нас в офисе, примерно 26 — 27 градусов С. Оптимальная температура прорастания растений, в частности салата, примерно 18 — 23 градуса С. Соответственно, вот в таких условиях он мог не только взойти лучше, но и впоследствии, расти лучше. Тем более, у нас ещё сверху греют лампы. Даже несмотря на то, что мы установили кулер, это всё равно могло быть недостаточно.


Растение выращенные на гидропонике, получились с более мягкими и нежными листьями, в отличие от тех которые растут в грунте. Но, за этим ещё понаблюдаем и эксперименты мы не останавливаем. Про результаты этих увлекательных опытов авторы обещают рассказывать и делиться с нами на своём видео канале в YouTube.

Далее автор продолжает рассказ о результатах проекта. Необходимо отметить то, что растения, которые растут в грунте они поливали обычной водой, без удобрений. Потому что грунт, и так насыщен питательными веществами и дополнительно их не вносили.
Очень интересный факт который заметили авторы проекта на таймлапсе. Речь идёт о резких рывках в росте растений замеченных в снятом ими видео. Они вырезали период времени с 23:00 вечера до 7:00 утра, когда освещение не было. За этот период времени растения довольно значительно росли при этом видно, что они не просто тянулись к свету, а именно увеличивались в размере. Как они позже выяснили из литературы, некоторые растения действительно растут ночью даже быстрее чем днем. Это еще раз подтверждает тот факт, что растениям необходим ночной отдых, так же как и практически всем живым организмам.

Ниже, автор рассказывает про статистику, по расходу питательной жидкости и электричества. Давайте посмотрим сколько им стоило вырастить растения до текущего состояния.

На момент съемки видео автора проекта, расход питательного раствора составил 4,6 л. Для приготовления такого объема питательного раствора, им понадобилось 15,3 мл концентрата (для гидропоники*), стоимость которого составила примерно 14,5 руб. Расход электричества составил примерно 26 кВт, при мощности ламп 30 ватт каждая, при тарифе 5,47 руб. за киловатт, стоимость электричества составила 142 руб. Стоит понимать, что с развитием растений, его масса увеличивается гораздо быстрее чем на этапе всходов, а значит использование электроэнергии по мере роста можно считать более и более эффективным. Однако, возрастает расход питательной жидкости, из-за большей площади испарения воды.

На этом авторы не останавливаются они, продолжают изучать выращивание растений на гидропонике. В дальнейшем они собираются изменить конструкцию и обещают собрать установку, которая работает без аэратора. А так же провести эксперимент, и попробовать установить в неё солемер и ph-метр, который уже совсем скоро появится у них, тоже собственной разработки.

Благодаря данным с этих датчиков, можно будет понимать параметры раствора и автоматически их регулировать. Эту установку авторы хотят собрать на базе их нового контроллера Piranha, который позволит управлять ею и следить за всеми характеристиками через интернет.

Видео обзор автора самоделки можете посмотреть тут:

Желаю вам креативности и полезных самоделок. С уважением, FLOMASTER.

Ссылки на этот проект и сайт автора Вы можете найти ниже:
Скетч и сайт
Библиотеки
iarduino_I2C_Encoder
LiquidCrystal_I2C
iarduino_RTC
Таймлапс
таймлапс

*- поправка, от себя.
**- опция (на ваш выбор).
Источник (Source)

Источник: usamodelkina.ru