Automatizovaný skleník

Autor:	Pavel Sadloň
Študijný odbor:	Robotika a kybernetika	1. Bc. (2018)

Opis projektu

V dnešnej dobe je trh preplnený zeleninou a ovocím, ktoré sa k nám dovážajú z rôznych štátov Európy, či sveta a s pochybnou kvalitou. Často sú prepravované ešte nedozreté, aby cestou nezhnili, čo sa odráža napríklad na ich zníženom obsahu výživných látok. Mnoho ľudí preto hľadá alternatívu v pestovaní vlastných plodín, no nie každý má však k dispozícii pôdu, na ktorej by mohol pestovať.

Riešením tohto problému je tzv. hydroponické pestovanie, ktoré nevyžaduje pôdu, iba živný roztok a stály prísun kyslíka. Okrem toho, že takýto spôsob pestovania ušetrí priestor, čas, peniaze, či vodu, rastliny rastú rýchlejšie, čím sa na ne v prípade postreku spotrebuje menšie množstvo pesticídov. Navyše je úplne eliminovaná prítomnosť nežiadúcich druhov rastlín - "buriny" a nájdu sa aj tí, čo ocenia, že sa nemusia "hrabať v zemi".

Keďže sme doslova obklopení elektronikou, bola by škoda nevyužiť ju v náš prospech aj pri tomto projekte. K samotnému systému vieme pripojiť akékoľvek vhodné senzory, zozbierať z nich dáta a následne ich vyhodnotiť podľa individuálnych požiadaviek.

Potrebný materiál:

• Pestovanie:
  • Nádoba na živný roztok
  • 3x Kvetináč
  • Veko na prikrytie nádoby, zároveň funguje ako držiak kvetináčov
  • Rastliny, v našom prípade chilli papričky
  • Oporný materiál pre rastliny - keramzit (ílové granule)
  • Vzduchové čerpadlo
• Elektronika:
  • Arduino UNO
  • Senzory DHT22 a MCP9700
  • Displej PCD8544
  • Prepojovacie kábliky
  • Krabička na Arduino
  • 4x Dištančný stĺpik M3x3
  • 4x Skrutka M3x5
  • 9V baterka a zdrojový káblik

Použité zdroje:

• https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Temperature/DHT22.pdf
• https://www.mouser.com/ds/2/268/20001942F-461622.pdf
• https://www.sparkfun.com/datasheets/LCD/Monochrome/Nokia5110.pdf

Analýza

Výber hydroponického systému

Pod pojmom hydroponické pestovanie sa ukrýva viacero typov tohto spôsobu pestovania. Každý z nich je v niečom odlišný a každý má svoje pre a proti.

Rozdelenie hydroponických systémov:

1. Flood and Drain - Substrát je zaplavovaný živným roztokom, ktorý je následne odvádzaný preč. V podstate ide o dve nádoby umiestnené nad sebou, spojené hadicou cez ktorú je prečerpávaný živný roztok z jednej nádoby do druhej, pričom dochádza k okysličovaniu, prečisteniu koreňovej sústavy a odstráneniu nahromadených plynov. V momente keď sa čerpadlo vypne dochádza k automatickému odtoku živného roztoku z hornej nádoby do spodnej a tým k ešte väčšiemu okysličeniu koreňovej zóny.
   
   
2. NFT (Nutrient Film Technique) - Živný roztok je tu privádzaný do pestovateľskej nádoby, kde na povrchu vytvára tenkú, pomaly tečúcu vrstvu. Jednou z hlavných výhod NFT je dokonalé okysličovanie dané tým, že sa živný roztok rovnomerne rozprestrie po celej ploche pestovateľskej nádoby a k reakcii medzi živným roztokom a vzduchom dochádza na celej ploche. Čo sa týka okysličovania je NFT jednou z Top metód, ale má aj nevýhody čo sa týka nedostatočnej fyzickej opory rastlín.
   
   
3. DWC (Deep Water Cultivation) - Ide o nádobu, obvykle 5-10 litrov objemnú ktorej na dno je položený okysličovací kameň (používaný v akváriach) spojený s malým vzduchovým čerpadlom. Nádoba je naplnená živným roztokom a na hladinu umiestnená doska, v ktorej sú otvory na kvetináče s rastinou. Tomuto typu systému skoro nieje čo vytknúť, okrem toho že keď sa pokazí vzduchové čerpadlo, rastliny uhynú za 24 až 30 hodín od vzniku poruchy. Živný roztok sa vymieňa za nový približne raz za 4 týždne.
   
   
4. Aeropónia - Najdokonalejší spôsob ako dostať živiny priamo do rastlín. Živný roztok je pomocou ultrazvukovej membrány premenený na hmlu o veľkosti kvapiek menej ako 5 mikrónov, čo je veľkosť kedy živný roztok prechádza priamo do koreňov poprípade do listov.
   
   

Pre riešenie nášho projektu som vybral systém DWC z dôvodu jeho jednoduchosti.

Elektronika

Na to, aby som mal prehľad o tom, v akom stave je hydroponický systém, je potrebné ho osadiť rôznymi senzormi a mikrokontrolérom, ktorý vie získané údaje spracovať. Údaje, ktoré sú dôležité je teplota vody, teplota prostredia a vlhkosť prostredia. Výška hladiny vody nie je v tomto prípade dôležitá, preože živný roztok sa mení raz za 4 týždne, čo je krátka doba na to, aby sa výška hladiny významne znížila.

Aby riešenie projektu bolo rýchle, lacné, jednoduché, zvolil som ako mikrokontrolér platformu Arduino UNO s 8-bitovým procesorom ATMega 328. Ako senzory som vybral senzor teploty a vlhkosti DHT22 a senzor teploty MCP9700 z dôvodu ich optimálneho pomeru cena/použiteľnosť. Získané dáta nám budú na nič, keď ich z Arduina nevieme prečítať. Na to slúži displej PCD8544.

Popis riešenia

Systém na pestovanie

Nádoba

Vybral som vhodnú nádobu na živný roztok. Vzhľadom na to, že nemala veko a mal som doma akrylovú dosku, rozhodol som sa, že veko spravím z nej. V programe AutoCAD som navrhol otvory pre kvetináče a hadicu vzduchového čerpadla. Následne som ich dal vyrezať na laserovom vyrezávači.

Keďže korene potrebujú mať pre svoj zdravý rast tmu a nesmie sa k nim dostať svetlo, musel som zatemniť nádobu aj veko čiernou fóliou.

Kvetináče

Aby rastliny mohli rásť v živnom roztoku je potrebné, aby ich korene mohli prerásť cez kvetináč do roztoku. Keďže doma som mal nemal kvetináče určené na hydropóniu, ale mal som klasické, upravil som ich navŕtaním dier a vystrihnutím časti dna.

Následne som do kvetináčov vložil rastliny a zasypal ich keramzitom, ktorý funguje ako ich opora.

Vzduchové čerpadlo

Keďže korene rastlín potrebujú nepretržitý prísun kyslíka, je potrebné vymyslieť systém, vďaka ktorému ho vo vode bude dostatok. Na to slúži vzduchové čerpadlo, ktorého hadica je ukončená vzduchovým kameňom, cez ktorý vháňa vzduch do živného roztoku.

Elektronika

Zber a spracovanie dát

Vzhľadom na povahu výstupu (analógový/digitálny) som pripojil senzory a displej k Arduinu podľa schémy. Keďže senzorom MCP9700 meriame teplotu vody, je nutné zaizolovať samotný senzor aj kabeláž. To som dosiahol pomocou tavnej pištole.

Krabička na Arduino

Aby Arduino a displej boli na hydroponickom systéme niekde uložené, navrhol som krabičku v programe Siemens NX a dal ju vytlačiť na 3D tlačiarni. Krabička funguje ako ochranný obal na Arduino a zároveň ako držiak na displej.

Algoritmus a program

Algoritmus získava údaje zo senzorov a zobrazuje na displeji. Kód bol napísaný v jazyku C a skompilovaný v Arduino IDE 1.8.5.

Získavanie dát zo senzorov a zapisovanie do premenných.

 hum = dht.readHumidity(); // Read air humidity
 temp = dht.readTemperature(); // Read air temperature

 /* Read water temperature 
  * we need to get the real value by mathematic operations based on datasheet */
 tempw = ((float)analogRead(MCPPIN) * 5 / 1024.0) - 0.5; 
 tempw = tempw / 0.01;

Vypísanie získanej hodnoty vzdušnej vlhkosti na displej. Rovnaký spôsob používame aj pri ostatných údajov s tým, že vypisujeme hodnotu príslušnej premennej.

 //Set cursor position on display and print on display
 lcd.setCursor(0, 0); 
 lcd.print("Hum: ");
 lcd.print(hum);
 lcd.print("%");

Link na github https://github.com/salopadlon/Hydroponics

Výsledok

Počas inštalácie elektroniky som zistil, že prepojovacie kábliky majú príliš vysoké piny na to, aby sa dala krabička zavrieť vrchnou časťou. Bohužiaľ, už som nemal čas dať tlačiť novú krabičku.

Čo sa ale týka funkčnosti, všetko funguje tak ako má a s výsledkom som vcelku spokojný.

Do budúcnosti plánujem dáta ukladať do databázy a zobrazovať ich na web stránke alebo na smartphone aplikácii.