Тема: Разработка автоматизированного проращивателя микрозелени
Исполнитель: Стоцкая Полина Константиновна, студент группы 041об
Руководитель: Скрипко Ольга Валерьевна, профессор, д-р техн. наук.
Содержание:
Введение
1.Технологии
1.1. Неавтоматизированные технологии
1.2. Автоматизированные технологии
2. Разработка устройства
3. Разработка автоматизации
3.1 Устройство управления на базе циклического таймера JZ-801.
3.2 Устройство управления на базе контроллера Arduino Nano V3
Введение
В современном мире все большую популярность приобретает употребление микрозелени - маленьких питательных проростков растений. Они известны своим приятным внешним видом, нежной структурой и огромным содержанием витаминов и полезных веществ, которые благотворно влияют на иммунитет, пищеварение, кровеносную систему человека, кожу, волосы и другие системы организма. Многие люди предпочитают выращивать микрозелень самостоятельно, кто-то даже заводит домашние мини-фермы. Существует несколько способов и технологий выращивания.
Данная статья посвящена разработке собственного устройства для выращивания микрозелени. В рамках статьи будут рассмотрены технологии ее выращивания, а также существующие для этого устройства, подобрана аппаратура для собственного устройства, составлена принципиальная схема подключения элементов.
1. Технологии
Существует несколько способов выращивать микрозелень. К таким способам можно отнести как автоматизированные, предполагающие использование автоматизированных проращивателей, так и неавтоматизированные, которые происходят с использованием неавтоматизированных гроубоксов, теплиц, и совсем простых подручных средств.
1.1. Неавтоматизированные технологии
Метод неавтоматизированного проращивания микрозелени предполагает использование субстрата. Он является простейшим из всех способов, так как такой метод не предполагает использования каких-либо механизмов и устройств. Используемые подручные средства: контейнера, коробки, различные емкости, крышки (для того, чтобы накрыть емкость), пульверизаторы (для орошения).
Т.к. все действия по выращиванию проводятся вручную, это доставляет множество проблем:
- низкая производительность;
- длительная подготовка оборудования (проделывание отверстий в дне), промывка контейнеров после использования перед новой посадкой;
- длительная подготовка семян (вымачивание);
- возможное возникновение плесени, которое может произойти из-за слишком увлажненного субстрата, из-за зараженного контейнера или субстрата, из-за повышенной влажности под крышкой, из-за слишком плотной высадки семян, из-за избытка света;
- возможное загнивание микрозелени из-за того, что семена находятся в воде;
- постоянная необходимость контроля процесса роста и постоянная необходимость орошения вручную.
Все эти проблемы требуют ежедневного ухода за микрозеленью и ежедневной занятости человека, а также риск возникновения плесени слишком высок и может навредить всему урожаю. Эти трудности легко решаются автоматизацией процесса проращивания, которая сводит к минимому участие человека и значительно понижает риск возникновения плесени.
1.2. Автоматизированные технологии
К автоматизированным технологиям можно отнести гидропонику и аэропонику.
Гидропоника - способ выращивания растений без почвы (хотя возможно использование другого субстрата) в специально приготовленных растворах солей или в пористых средах, пропитанных такими растворами. Отличительной чертой гидропоники является то, что корни растений постоянно находятся в воде.
Для проращивания таким методом используются специальные конструкции - проращиватели. Они представляют собой боксы, на крышках которых расположены корзинки, в них помещаются семена. Дно этих контейнеров заполнено водой, которая подается с помощью шланга или труб и насоса, а также сливается или откачивается через специальное отверстие. Как правило, циркуляция воды происходит с определенной периодичностью и длительностью. Для этого используются таймеры. Т.к. в конструкции присутствуют таймер и насосы, это требует постоянного подключения проращивателя к сети. Иногда такие устройства дополняются освещением. Также необходимо следить за поддержанием температуры воздуха. Внешний вид стандартного полузакрытого проращивателя микрозелени методом гидропоники представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 - общий вид конструкции проращивателя для проращивания методом гидропоники
К преимуществам гидропоники можно отнести:
- отсутствие почвы, что означает устранение вредных, патогенных организмов;
- в таких установках можно вырастить гораздо большее количество зелени, в почве же растения не любят скученности;
- рациональное использование воды;
- быстрый рост микрозелени;
- отсутствие вредителей и сорняков;
- усваивание микрогринами всех питательных веществ, ничего не уходит в грунт.
Аэропоника - процесс выращивания растений в воздушной среде без использования почвы, при котором питательные вещества к корням растений доставляются в виде аэрозоля. Аэропоника является способом проращивания без использования субстрата вообще. Как видно из определения, принцип выращивания данным методом - распыление аэрозолем в закрытых и полузакрытых средах воды или раствора с минеральными веществами. Корни постоянно находятся в воздухе.
Конструкция проращивателя содержит контейнер, в который помещается сеточка (или корзинки) для размещения на ней семян, бак для воды или раствора с минералами, насос, который будет откачивать эту воду и подавать по трубе или шлангу в распылители, а также таймер для регуляции полива. Система требует постоянного питания от сети. Общий вид такой конструкции приведен на рисунке 2.
Рисунок 2 - общий вид конструкции проращивателя для проращивания методом аэропоники
Аэропоника является явным лидером среди остальных видов проращивания микрозелени. Благодаря отсутствию субстрата, упрощается процедура подготовки к высадке, а также невозможно распространение вредителей и болезней. Насыщенная кислородом среда ускоряет рост и развитие растений, ускоренная вегетация позволяет получать урожай несколько раз в год, стабильно и без привязки к колебаниям климата. Распылители орошают аэропонную систему с периодичностью, необходимой для оптимального роста растений. Ухаживать за зеленью и овощами проще простого. Например, для обновления или пересадки достаточно удалить старое растение и промыть оросительную систему. Высокая урожайность благодаря возможности засеивания с высокой плотностью. Главным плюсом и отличительной чертой является невозможность образования плесени за счет постоянного пролива воды. Вода не застаивается, а сразу же сливается, что спасает от плесени и загнивания. Производительность такой системы составляет 300% от почвенных методов проращивания.
2. Разработка устройства
В ходе работы был создан проращиватель для проращивания методом аэропоники. Конструкция содержит следующие элементы:
- контейнер - корпус проращивателя;
- подставка для корпуса на ножках;
- пластиковая крышка контейнера с вмонтированным в нее органическим стеклом, в котором проделаны отверстия для форсунок;
- форсунки, соединенные прозрачными трубами между собой;
- насос омывателя автомобильного стекла;
- трубка, соединяющая насос с системой форсунок;
- контейнер для воды/питательного раствора, в который вмонтирован насос;
- трубка, вмонтированная в дно контейнера для отвода воды;
- сосуд для приема воды, которая слилась после процесса орошения;
- устройство управления в двух вариантах: на базе контроллера Arduino Nano 3.0 и на базе программируемого циклического таймера JZ-801.
Разработанная конструкция, в отличие от описанных в предыдущем пункте, является полностью закрытой. Распылители закреплены на крышке устройства, осуществляется капельный полив, подобный дождю, который орошает не только корни, но и всю микрозелень сверху вниз. Внешний вид устройства представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 - общий вид конструкции разработанного проращивателя
На данный момент автоматизирована система полива. В дальнейшем планируется разработка системы вентиляции, представленной вентиляторами, закрепленными на боковой стенке контейнера; системы освещения, представленной светодиодами, расположенными по внутреннему периметру стенок контейнера. Для получения данных о температуре, влажности и освещенности внутри конструкции будут установлены соответствующие датчики. Общий вид такой конструкции представлен на рисунке 4.
Рисунок 4 - общий вид конструкции полностью автоматизированного
проращивателя
Пользователю данного устройства не придется выстраивать дополнительную систему освещения в помещении и следить за своевременной вентиляцией. Человеку будет необходимо лишь поместить семена в проращиватель, включить контроллер и периодически менять воду, весь остальной уход за семенами выполнит проращиватель.
3. Разработка автоматизации
Любая автоматизация предполагает использование различных электронных компонентов, а также программируемых контроллеров, которые управляют исполнительными механизмами для осуществления контроля и управления различными процессами и системами. Для осуществления управления электроникой в данной работе используются контроллер Arduino Nano V3 и программируемый циклический таймер JZ-801. Сначала рассмотрим систему на базе циклического таймера.
3.1 Устройство управления на базе циклического таймера JZ-801.
Программируемый циклический таймер JZ-801 - реле времени, используемое как программируемый таймер для периодического включения вентиляции, отопления, освещения, микро-насосов, и других устройств с питанием, как от постоянного, так и переменного напряжения.
Технические характеристики устройства:
- диапазон питающего напряжения 6-30В;
- управление нагрузкой до 10А (желательно не более 5А) при постоянном напряжении до 30В и переменном до 220В;
- рабочая температура: от -40С до 85С;
- потребляемый ток: 20мА, при замкнутом состоянии реле: 60мА;
- тонкая настройка времени замкнутого и разомкнутого состояния реле;
- временной интервал: 0.1сек. - 999 мин.;
- возможность циклического повторения включения/выключения реле;
- количество повторений цикла: 1-999 и режим бесконечного повтора;
- возможность запуска таймера внешним сигналом через вход Trigger;
- напряжение внешнего управляющего сигнала 3-24В.
Модуль реле времени собран в бескорпусном виде, габариты платы 63 мм на 37 мм. В левой части модуля установлен трехразрядный семисегментный дисплей, на котором отображается режим работы и время, под ним расположен микроконтроллер. На другой стороне платы установлено одно реле.
Программирование реле осуществляется с помощью четырех кнопок. В данной работе используется для включения и выключения полива и работает в режиме 3.2: контакты NC -- COM разомкнуты, а NO -- COM замкнуты, при подаче питания на модуль реле, начинается отсчет времени, установленный в параметре «OP», после окончания отсчета реле переключится начинается отсчет времени, установленный в параметре «CL». Всё это повторяется указанное в параметре «LOP» количество раз, если указана бесконечность (--), то реле будет повторять эти действия бесконечно.
Также данная система имеет желтую кнопку (SB5), включающую полив в ручном режиме, и красный переключатель (SA3), подающий питание. Питание устройства происходит от сети. Схема подключения представлена на рисунке 5.
Рисунок 5 - схема подключения элементов в системе управления поливом на основе реле JZ-801
3.2 Устройство управления на базе контроллера Arduino Nano V3
Устройство управления на базе микроконтроллера включает в себя микроконтроллер Arduino Nano V3, модуль реле, DC-DC преобразователь, два индикатора ТМ 1637, переключатель (SA1) между ручным и автоматическим режимами работы, желтую кнопку включения полива в ручном режиме (SB4), красный переключатель (SA2) подачи питания, зеленую резервную кнопку (SB1), красную кнопку установки длительности полива (SB2), синюю кнопку установки периода полива (SB3). Принципиальная схема подключения элементов приведена на рисунке 6.
Рисунок 6 - принципиальная схема подключения элементов в системе управления поливом на основе контроллера
Платформа Arduino Nano -- открытая и компактная платформа семейства Arduino, построенная на микроконтроллере ATmega328 (Arduino Nano 3.0) или ATmega168 (Arduino Nano 2.x). Контроллер Разработан специально для встраиваемых систем управления технологическими процессами, периферийными, коммуникационными, бытовыми приборами, и другими устройствами с целью минимизации числа микросхем, энергопотребления и стоимости электроники. В данной работе используется Arduino на микроконтроллере ATmega328.
Характеристики Arduino на микроконтроллере ATmega328:
- рабочее напряжение - 5В;
- напряжение питания (рекомендуемое) - 7-12В;
- напряжение питания (предельное) - 6-20В;
- цифровые входы/выходы - 14 (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ);
- аналоговые входы - 8;
- ШИМ (PWM) пины - 6;
- постоянный ток через вход/выход - 40 мА;
- максимальный выходной ток вывода 3.3V - 50 мА;
- Flash-память - 32 Кб из которых 2 Кб используются загрузчиком;
- SRAM - 2 Кб;
- EEPROM - 1 Кб;
- тактовая частота - 16 МГц;
- встроенный светодиод - 13;
- длина - 45.0 мм;
- ширина - 18.0 мм;
- вес - 7 г.
Распиновка Arduino Nano 3.0 представлена на рисунке 7.
Рисунок 7 - распиновка Arduino Nano 3.0
Контроллер в автоматическом режиме работы подает сигнал на насос для подачи воды в форсунки, а также выводит на два индикатора значения времени.
TM1637 -- это модуль, который представляет собой небольшую плату с четырёхразрядным семисегментным LED-дисплеем на основе I2C-драйвера. На одном индикаторе выводится период полива и его длительность, на втором - обратный отсчет времени до следующего полива. Кнопки позволяют задать эти значения.
Красная кнопка при одинарном нажатии увеличивает длительность полива на одну секунду, при двойном - на пять секунд, а при тройном - уменьшает на 5 секунд. Синяя кнопка при одинарном нажатии увеличивает период полива на одну минуту, двойным - на десять минут, тройным - уменьшает на десять минут.
DC-DC преобразователь напряжения LM2596 с вольтметром. Понижающий преобразователь со стабилизацией напряжения. Необходим для понижения напряжения с блока питания и подачей пониженного на Ардуино. Настройка выходного напряжения осуществляется с помощью переменных резисторов. Имеет встроенный дисплей, отображающий значение выходного напряжения.
Модуль реле используется для управления двигателем насоса. Модули реле для управления большим входным током позволяют создавать напряжение электронного устройства с силовой электроникой, например, чайником, телевизором, компьютером, освещением, для управления одной нагрузкой, находящейся под переменным напряжением 220В. Применение реле дает гальваническую развязку между цепями управления и нагрузки. На модуле реле имеется встроенный транзистор, что позволяет подключать его напрямую к микроконтроллеру.
Последний используемый элемент - насос. При выборе насоса рассматривались два варианта - насос стеклоомывателя автомобиля, который был бы вмонтирован в корпус сосуда, содержащего воду/питательное вещество, или же погружной аквариумный насос. Выбор пал на автомобильный насос, так как аквариумные в среднем дороже по цене и сложнее встраиваются в емкость с водой для полива.
Подключение каждого из перечисленных элементов можно увидеть на принципиальной схеме, представленной выше.
Алгоритм программы для микроконтроллера составлен на языке Дракон.
Проращиватель успешно функционирует и выполняет все поставленные задачи.
