CC BY
1Процессы и машины агроинженерных систем
УДК 62-523
Код ВАК 05.20.01 (новый код - 4.3.1)
РАЗРАБОТКА МОДУЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ГИДРОПОНИКИ БАРАБАННОГО ТИПА НА БАЗЕ
ARDUINO
А.А. Садов1*, С.И. Бобков2 1ФГБОУ ВО Уральский ГАУ, Екатеринбург, Россия
2Костнанайский инженерно-экономический университет им. М. Дулатова, г. Костанай, Казахстан. *E-mail: artemsadov@ya.ru
Аннотация. Одной из новейших технологий по экологичному выращиванию растений является технология с применением гидропоники. Она позволяет выращивать различные растение без почвы с использованием нейтрального субстрата с применением питательного раствора, в котором в необходимой концентрации имеются все необходимые элементы для развития и здорового роста растений.
Применение барабанной (роторной) гидропоники даёт возможность получить экономию посадочного места: растения располагаются не на плоскости, как в вертикальной гидропонике, а вокруг источника света, что позволит экономить на освещении.
Для автоматизации процесса выращивания растений барабанным методом необходим контроль следующих показателей: влажность субстрата, температура циркулирующего воздуха, уровень освещенности помещения, уровень жидкости в резервуаре, рН раствора и колличество растворённых твёрдых солей (TDS), всвязи с этим требуется разработка модуля управления исполнительными устройствами барабанной гидропоники. Для управления модулем используется програмный код написанный объектно-ориентированным языком программирования Python.
Ключевые слова: барабанная гидропоника, ротор, модуль управления, программа, Python, автоматизация.
DEVELOPMENT OF A DRUM-TYPE HYDROPONICS CONTROL MODULE BASED ON
ARDUINO A.A. Sadov1*, S.I. Bobkov2 1 Ural State Agrarian University, Yekaterinburg, Russia
2Kostanay Engineering and Economic University nam. M. Dulatov, Kostanai, Kazakhstan.
*E-mail: artemsadov@ya.ru
Abstract. One of the newest technologies for sustainable plant growing is hydroponic technology. It allows you to grow a variety of plants without soil using a neutral substrate using a nutrient solution that contains all the necessary elements for the development and healthy growth of plants in the required concentration.
The use of drum (rotary) hydroponics makes it possible to save a seat: the plants are not located on a plane, as in vertical hydroponics, but around a light source, which will save on lighting.
To automate the process of growing plants by the drum method, it is necessary to control the following indicators: substrate humidity, circulating air temperature, room illumination level, liquid level in the reservoir, pH of the solution and the amount of dissolved solid salts (TDS), therefore, it is necessary to develop a control module for drum hydroponics actuators. To control the module, the program code written in the object-oriented programming language Python is used.
Keywords: drum hydroponics, rotor, control module, program, Python, automation.
Постановка проблемы (Introduction)
Увеличение численности населения Земли, рост количества людей, проживающих в городах, а также рост самих городов ведет к увеличению потребления пищи, усложнению ее распределения и увеличению расстояния между производителем и потребителем. Также существует проблема чистой, пригодной для питья и полива растений воды. В связи с этим встаёт вопрос об максимально возможной экономии площади при возделывании культур, рациональном использовании водных, минеральных, органических и тепловых ресурсов, и получений при этом достаточного количества сельскохозяйственной продукции.
Для решения данных проблем необходимо внедрение современных полностью автоматизированных энергосберегающих гидропонных систем.
Для решения данного вопроса предлагается усовершенствованный автоматизированный метод гидропоники, который основан на вращении растений вокруг источника света. При этом питательный раствор растения получают из резервуара, в который периодически окунается пористая среда. Применение технологии роторной гидропоники даёт возможность получить экономию посадочного места: растения располагаются не на плоскости, как в вертикальной или горизонтальной гидропонике, а вокруг источника света, что позволит экономить электроэнергию на освещении.
Для своего развития растение нуждается в макро-, микроэлементах, освещении, соблюдении определенной температуры, влажности и состава окружающего воздуха, в поддержании других факторах окружающей среды. Постоянное наблюдение и поддержание их человеком требует больших затрат человеческого ресурса. Автоматизация процесса выращивания растении в помещении позволит сократить эти затраты и многократно увеличить объёмы производ
Для автоматизации процесса требуется разработка модуля управления исполнительными устройствами барабанной гидропоники. Для управления модулем используется програмный код написанный объектно-ориентированным языком программирования Python. 20
Цель и методы исследования (Methods)
Применение модулей arduino обосновано его удобной платформой, а также возможностью быстрой разработки электронных устройств, помимо этого данная платформа пользуется высокой популярностью во всем мире благодаря удобству и простоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду. Данные аспекты позволяют легко интегрировать разработонный модуль управления барабанной гидропоники в производство и применение.
Устройство программируется через USB без использования программаторов объектно-ориентированным языком программирования Python.
Результаты (Results)
В результате большого количества применяемых устройств имеется смысл разделить устройства, считывающие информацию об окружающей среде на группы, по типу среды, в которой они выполняют считывание данных. Нами было проведено разделение на модули контроля показателей раствора -субстрата и окружающей среды .
В модуль контролироля показателей раствора-субстрата входят: датчик температуры раствора, измерения рН раствора, уровня воды, уровня влажности субстрата, сенсор растворённых твёрдых солей (TDS метр).
В модуль окружающей среды входит: датчик влажности и температуры, фоторезистора - с которого будет приходить информация об уровне освещённости в данный момент.
Но только считывания информации будет недостаточно для задуманной автоматизации процесса выращивания. Необходимо также управление различными устройствами, обеспечивающими растениям благоприятный микроклимат: аэратор, для создания необходимого уровня влажности, системы вентиляции, отвечающие за движение воздуха в гидропонной установке, управление источником света и самим ротором. Всем этим, управляет микроконтроллер ArduinoMega. Для доступа к данным и состоянию установки пользователя, программно-аппаратный модуль будет передавать всю информацию на облачный ресурс с помощью Wi-Fi модуля.
Принципиальная схема гидропоники (Рисунок 2) разработана на платформе контролера MEGA328P-AU (P1, имеет разветвленную схему питания, в которую входят следующие основные компоненты: гнезда DC1, микросхемы LM7805EE (U3), драйвер шагового двигателя А4988 (U1), так же разъёмы для подключения датчиков температуры воды (U8), уровень PH воды (U5), температура и влажность окружающей среды (U4), мотора Name 17(U2), сглаживающего фильтра (С1) на 16 вольт 470 микрофарад и подключение информационного дисплея LCD 1602A (JP1). U10 и U8 запасные порты для подключения датчиков (рисунки 1-3).
Схема работает от 12 вольт, подается через разъем DC1, поступает на стабилизатор питание LM7805, где преобразует питание в 5 вольт для питания датчиков, дисплея, шагового драйвера, информационного дисплея и контролера. Так же поступает для питания шагового драйвера U1.
Установлена защита от перезагрузки и перегрева в блоке питания.
Рисунок 1- Плата управления экспериментальных образцов контролирующих элементов
гидропоники.
Рисунок 2 - Принципиальная схема электрической цепи системы роторной гидропоники
Рисунок 3 - Расположение элементов управления роторной гидропоникой на макете. Установленные контролирующие устройства (датчики) в роторной гидропонике позволяют гибко регулировать микроклимат и режим выращивания растений (рисунок 3). Базовая часть кода выглядит следующим образом:
#include "LCD_1602_RUS.h", LCD_1602_RUS lcd(0x27, 16, 2), #include "DHT.h", #define DHTPIN 12, #define DHTTYPE DHT11, DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE), bool stat_lcd = 0, #include "DFRobot_PH.h, #include <EEPROM.h>, #define PH_PIN A2, float voltage,phValue,temperature = 25, DFRobot_PH ph,
#include <OneWire.h>, #include <DallasTemperature.h>, OneWire oneWire(15); // вход датчиков 18b20, DallasTemperature ds(&oneWire), DeviceAddress sensor1 = {0x28, 0xA8, 0x3E, 0xF9, 0x05, 0x0, 0x0, 0x12}, void setup(, ph.begin(), dht.begin(), lcd.init, lcd.backlight(), //датчик температуры воды, ds.requestTemperatures(); // считываем температуру с датчиков, //датчик температуры, float h = dht.readHumidity(); // считываем влажность, float t = dht.readTemperature(); // считываем температуру, // в градусах Цельсия, // проверяем полученные значения, if (isnan(h) || isnan(t)) {lcd.println("чтения датчика"); return;}static unsigned long timepoint = millis(); if(millis()-timepoint>1000U){//time interval: 1s timepoint = millis(); //temperature = readTemperature(); // read your temperature sensor to execute temperature compensation voltage = analogRead(PH_PIN)/2048.0*5000; // read the voltage phValue = ph.readPH(voltage,temperature); // convert voltage to pH with temperature compensation if ( stat_lcd == 0 ) {lcd.clear (); cd.setCursor(0, 0); ^^^("Влажность: %"); lcd.setCursor(10, 0); lcd.print(h); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Тем-ра: C"); lcd.setCursor(10, 1); lcd.print(t); stat_lcd = 1; delay(10000); } else {lcd.clear (); lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("PH : "); lcd.setCursor(10, 0); lcd.print(phValue,2); lcd.setCursor(0, 1); ^^п^СТем. воды: "); lcd.setCursor(10, 1); lcd.print(ds.getTempC(sensor1)); // отправляем температуру stat_lcd = 0; delay(10000); } ph.calibration(voltage,temperature); #include <Stepper.h> const int stepsPerRevolution = 3000; // change this to fit the number of steps per revolution // for your motor // initialize the stepper library on pins 8 through 11: Stepper myStepper(stepsPerRevolution, 4, 3); int stepCount = 0; // number of steps the motor has taken void setup() {// nothing to do inside the setup} void loop() {// read the sensor value: int sensorReading = analogRead(A0); // map it to a range from 0 to 100: int motorSpeed = map(sensorReading, 0, 1023, 0, 100); // set the motor speed: if (motorSpeed > 0) {myStepper.setSpeed(motorSpeed); // step 1/100 of a revolution: myStepper.step(stepsPerRevolution / 100);}. [7]
Данный программный код написан на языке Python который позволяет обрабатывать основные параметры, получаемые с контролирующих и управляющих устройств.
Рисунок 4 - Действие работы управляющей аппаратуры при выращивании микрозелени.
Обсуждение и выводы (Discussion and Conclusion)
Предложенная принципиальная схема автоматизации процесса выращивания растений барабанным методом производить контроль следующих показателей: влажность субстрата, температура циркулирующего воздуха, уровень освещенности помещения, уровень жидкости в резервуаре, рН раствора и колличество растворённых твёрдых солей (TDS), всвязи с этим требуется разработка модуля 23
управления исполнительными устройствами барабанной гидропоники. Для управления модулем исполнительных устройств таких как шаговые двигатели ротора, аэратор, для создания необходимого уровня влажности, системы вентиляции, отвечающие за движение воздуха в гидропонной установке, управление источником используется програмный код написанный объектно-ориентированным языком программирования Python.
Библиографический список
1. Садов, А. А. Проект роторной гидропонной установки с автоматизированным процессом выращивания культур / А. А. Садов, К. М. Потетня, А. И. Носков // Научно-технический вестник: Технические системы в АПК. - 2020. - № 3(3). - С. 39-45.
2. Руткин Н.М., Лагуткина Л.Ю., Лагуткин О.Ю., Урбанизированное агропроизводство (сити-фермерство) как перспективное направление развития мирового агропроизводства и способ повышения продовольственной безопасности городов// Вестник Астраханского государственного технического университета. 2019.
3. Карпухин Михаил Юрьевич Автоматизированные гидропонные системы для сити-фермерства // АОН. 2022. №1. URL: https://cyberleninka.m/artide/n/avtomatizirovannye-gidroponnye-sistemy-dlya-siti-fermerstva (дата обращения: 01.12.2021).
4. А.В. Ковригин, А.П. Хохлова, Н.А. Маслова Изучение эффективности эксплуатации автоматизированной аквапонной установки в зависимости от режимов ее работы // Вестник КрасГАУ. 2015. №11. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/izuchenie-effektivnosti-ekspluatatsii-avtomatizirovannoy-akvaponnoy-ustanovki-v-zavisimosti-ot-rezhimov-ee-raboty (дата обращения: 01.12.2021).
References
1. Sadov, A. A. The project of a rotary hydroponic installation with an automated process of growing crops / A. A. Sadov, K. M. Potetnya, A. I. Noskov // Scientific and technical bulletin: Technical systems in the agro-industrial complex. - 2020. - No. 3(3). - S. 39-45.
2. Rutkin N.M., Lagutkina L.Yu., Lagutkin O.Yu., Urbanized agricultural production (city-farming) as a promising direction for the development of world agricultural production and a way to improve the food security of cities// Bulletin of the Astrakhan State Technical University. 2019.
3. Karpukhin Mikhail Yuryevich Automated hydroponic systems for city farming // AON. 2022. №1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/avtomatizirovannye-gidroponnye-sistemy-dlya-siti-fermerstva (Date of access: 12/01/2021).
4. A.V. Kovrigin, A.P. Khokhlova, N.A. Maslova The study of the efficiency of operation of an automated aquaponic installation depending on the modes of its operation. Vestnik KrasGAU. 2015. No. 11. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/izuchenie-effektivnosti-ekspluatatsii-avtomatizirovannoy-akvaponnoy-ustanovki-v-zavisimosti-ot-rezhimov-ee-raboty (date of access: 01.12.2021).
