Делаем умную теплицу на ардуино своими руками

Работа для робота

Робототехнику в тепличном овощеводстве можно разделить на две категории: роботы для сервисной зоны и роботы для рассадных и овощных отделений, обращает внимание Александр Ачкасов, директор по инновациям НПФ «ФИТО» (проектирование и строительство тепличных комплексов и энергоцентров под ключ). Первая группа, по его словам, решает задачи внутренней логистики и упаковки

Здесь речь идет о взаимодействии робота с тарой и упаковкой, поэтому в большинстве случаев задачи имеют слабовыраженную отраслевую специфику, а решения могут строиться на базе существующих промышленных роботизированных платформ. «Такие решения отработаны и все чаще встречаются на рынке, но процент реализованных проектов с их применением пока еще невелик, т. к. им приходится конкурировать с менее гибкими автоматическими линиями, на стороне которых, как правило, большая производительность и меньшая стоимость», — отмечает Александр Ачкасов.

Вторая группа, продолжает он, решает задачи мониторинга, ухода за растениями и сбора урожая. Здесь уже речь идет о необходимости взаимодействия робота с растениями и, ввиду сложности и специфичности задач, все еще о прототипах, а не готовых продуктах для рынка.

«Таким образом, в тепличном овощеводстве роботы скорее редкость, но общий вектор на роботизацию не обходит отрасль стороной, и из года в год появляется все больше как новых идей, так и представляемых прототипов», — уверен Александр Ачкасов.

Более перспективным и интересным направлением он считает создание роботов для овощных отделений. «Фонд оплаты труда в тепличном овощеводстве, в зависимости от региона, может составлять от 20 до 50 % от общих затрат, — рассказывает специалист НПФ «ФИТО». — При этом практически вся работа с плодовыми и овощными культурами осуществляется вручную и представляет собой выполнение однотипных повторяющихся задач, зачастую требуя при этом высокой степени концентрации».

Например, как рассказал Александр Ачкасов, робот-скаут, используя технологии машинного зрения, может повысить точность и качество контроля за текущим состоянием растений, а также эффективность их биологической защиты. «Мне известны два прототипа робота данного типа, один из них — наш собственный, — отмечает специалист. — В перспективе по результатам обхода такой робот может выдавать объективную информацию о качестве вегетации и плодоношения, наличии и локализации патологий и вредителей».

Робот-резчик может помочь в выполнении одной из самых массовых операций в теплице — удалении листа, продолжает Александр Ачкасов. По его словам, чистая скорость по удалению листа опытным работником в ближайшее время точно останется непревзойденной, но если говорить о производительности в неделю и, например, стоит задача дезинфекции ножа при переходе от растения к растению, то здесь уже робот может превзойти человека

«Мне известен один прототип данного робота, работы над ним ведутся более 10 лет, и, несмотря на успехи в условиях испытательных теплиц, рыночное решение еще не готово», — обращает внимание специалист

Еще один тип робота — робот-сборщик, призванный помочь непосредственно в сборе урожая. «Существует более пяти прототипов подобных роботов, каждый из которых специализируется на своей культуре», — говорит Александр Ачкасов. Он подчеркивает, что, как и в случае с роботом-резчиком, данные роботы уступают в скорости человеку, но ставка делается на возможность круглосуточной работы. «Таким образом, ни один из известных мне разрабатываемых в настоящее время прототипов не предполагает замену один в один текущих ролей людей на тепличном комбинате. Это говорит о том, что роботы в тепличном овощеводстве если и смогут изменить состав и принцип работ, то пока не заменят людей полностью даже на отдельном участке», — заключает специалист НПФ «ФИТО».

Безусловно, оценивать экономическую выгоду без конкретных цифр по стоимости вышеперечисленных решений сложно, убежден Александр Ачкасов. Но в сфере инновационных разработок в целом нельзя просто сравнивать себестоимость и делать выводы, ведь инновации часто выходят за рамки экономии и оптимизации, создавая добавленную стоимость в виде предсказуемости, прозрачности и качества результата, подытоживает специалист.

Умная теплица из поликарбоната

Устройство умной теплицы

Почему именно теплица из поликарбоната умная? Все очень просто, этот материал отвечает всем требованиям конструкции.
Он имеет отличные технические показатели, которые помогут сэкономить тепло и правильно распределит солнечные лучи. Влага внутри будет сохраняться дольше.
Что нужно сделать для создания умной теплицы? Как и говорилось выше, умная теплица представляет собой конструкцию с автоматическим поливом, обогревом и проветриванием.

Автоматический полив в теплице

Автоматический полив можно организовать в принципе в любой конструкции теплицы.Для этого понадобиться:

• Трубы.
• Насадки.
• Автоматика.
• Постоянное электроснабжение.

Особенности:

• Стоит учесть, что для того, чтобы можно было организовать автоматический полив нужно иметь постоянный бесперебойный источник водоснабжения. Это может быть колодец или скважина с насосным оборудованием для постоянной подачи воды.
• Трубы проводятся в теплице согласно установленной системе полива. Как правило, они прокладываются вдоль посаженых растений или между грядками.
  Все зависит от того, на сколько растение любит влагу. Также используются многочисленные насадки (капельное орошение, дождевальное, внутрипочвенное).
• Что касается автоматики, то она должна быть качественной. Автоматический полив может включаться от определенного пульта управления, который находится рядом с конструкцией, а может и от датчика, который выставляется на определенную температуру в конструкции или на уровень влажности.

Подключить оборудование можно и самостоятельно. На фото показаны примеры такой теплицы с автоматическим оборудованием.

Самостоятельное автоматизирование теплицы

Автоматическое проветривание

Теплицы в разумном управлении помогают экономить время. Это касается и проветривания теплицы.
Оно необходимо для того, чтобы вовнутрь теплицы поступал свежий воздух, а прогретые воздушные массы вышли наружу.

Этапы работы:

• Осуществляется проветривание теплицы за счет открытия форточек, которые на покрытии должны быть расположены правильно.
  Одной или двух таких форточек будет мало для осуществления качественного проветривания. Конечно, количество зависит от размера теплицы. Все они располагаются вверху каркаса.
• Для автомата проветривания необходимо приобрести датчики, гидравлическое оборудование или другие виды автоматики.
• Как это работает? Внутри конструкции теплицы под самым верхом устанавливается датчик температур, который имеет подключение к оборудованию, установленному на форточке теплицы.
• Датчик программируется на определенную температуру, по достижению которой срабатывает автоматика и при помощи гидравлического цилиндра форточка автоматически открывается.

Для программирования такого датчика есть специальная инструкция. Необходимо ее точно соблюдать.

Автоматическое отопление

Конструкцию теплицы нужно отапливать в том случае, если она используется в холодное время года, например, в конце зимы или ранней весной. Для того, чтобы создать растениям комфортную среду надо использовать отопительное оборудование.
Его на сегодняшний день очень большое количество.Как это работает:

• Есть инфракрасные обогреватели, которые также имеют датчик температур. И как только температурный режим начинает внутри конструкции снижаться, сразу включается автоматика.
  Такой способ является надземным отоплением.
• Есть также и внутрипочвенное отопление, в котором принимают участие специальные пластины. Они также имеют температурные датчики и включаются автоматически.
  Единственное, что нужно учесть, такие пластины устанавливаются внутри грунта под самими растениями.

Можно использовать автоматику на обычных газовых горелках или так называемых буржуйках из металла. Если газовые горелки некоторых видов могут уже в своем наборе иметь автоматику, которая включает и выключает оборудование, то вот самодельные печи требуют приобретения отдельно автоматической системы.
Устанавливать его не сложно. Пульт управления может находиться рядом с теплицей или в подсобном помещении.
Также используется температурный датчик, который программируется на определенный режим.

Как работает теплица?

По своей сути, теплица — это закрытое помещение для выращивания растений с прозрачными стенами и крышей для максимального «улавливания» солнечного света. И принцип её работы очень простой.

С приходом весны солнечные лучи всё больше освещают наши участки и, соответственно, теплицы. Земля в теплицах прогревается значительно быстрее, чем открытый грунт и воздух. От тёплой земли в результате теплообмена нагревается и воздух в теплице. Он не может «пробить» стены и крышу теплицы и уйти наружу, поэтому накапливается в помещении, создавая тот самый парниковый эффект. А мы имеем возможность высаживать в теплицу теплолюбивые растения раньше на месяц-полтора, чем в открытый грунт.

Но это еще не все. Правильная эксплуатация теплицы имеет целый ряд преимуществ. Это, как минимум:

• защита растений от весенних и осенних заморозков, от любых скачков температуры;
• создание оптимального микроклимата для развития растений;
• в холодных регионах — выращивание теплолюбивых растений;
• продление срока получения урожая;
• защита растений и плодов от дождей, града, сильного ветра;
• если предусмотреть систему обогрева и дополнительного освещения, то в теплице можно выращивать растения даже зимой.

Основные конструкции автоматической вентиляции

Любые устройства, предназначением которых является проветривание теплицы, подразделяют на следующие виды:

• автономные (механизмы, которые не зависят от электричества);
• автоматические (зависимые от электропитания).

В основном, все автоматизированные системы питаются энергией от электричества, но источником может стать и солнечная батарея. Главным элементом подобного механизма является электротепловое реле с определенными параметрами. За счет него приводится в действие система включения вентиляции — застойный теплый воздух выдувается наружу, а в помещение поступает свежий.

Тепличная вентиляция

Положительные стороны автоматических систем, зависящих от электропитания:

• мощный механизм предназначен для использования в конструкциях любых габаритов;
• благодаря установленным датчикам воздух поступает в теплицу только в нужный момент;
• высокотехнологичное оборудование компактно, не занимает лишнего пространства.

Отрицательные стороны, зависимых от электроэнергии систем:

1. Любые сбои работы электрической сети могут стать причиной потери большого количества растений. Избежать таких неприятностей поможет установка вспомогательного источника питания на случай аварийной ситуации.
2. Поломка некоторых деталей системы чаще всего предполагает замену цельного блока.
3. Постоянное использование электричества несет за собой большие финансовые вложения.

Использование электрических систем вентиляции не рентабельно для большинства дачников

Кроме того, существуют и более простые вентиляционные системы автономного типа, для работы которых не требуется электричество. Форточки в этом случае открываются под воздействием пневматического привода, гидравлического цилиндра или биметаллических пластин.

Использование автономных систем вентиляции особенно актуально среди садоводов, которые не могут постоянно посещать свой дачный участок. При этом устройство будет постоянно регулировать оптимальный микроклимат, который требуется растениям.

Проветривание теплицы на гидроцилиндре

Автоматический полив

Автоматическая система полива теплицы — это следующая полезная и необходимая функция в теплице. При этом следует учитывать такие критерии:

• разновидность системы;
• уровень мощности насоса;
• какой вид датчиков используется в системе;
• приобретение необходимых сопутствующих деталей;
• насколько сложной является сборка системы автоматического полива своими руками.

Капельницы в парник делятся на регулируемые и нерегулируемые. Принцип работы регулируемых позволяет снизить объем расходуемой воды.

Автономные поливы бывают следующих видов:

• дождевание;
• капельный;
• внутрипочвенное орошение.

При выборе полива необходимо учитывать квадратуру обработки, мощность насоса и способ его сборки.
Дождевание уместно сравнить с принципом работы душа. Вода подается в трубки под небольшим давлением и с помощью специальных насадок осуществляет орошение растений.

При капельном поливе вода просачивается в трубки, уложенные по периметру размещения грядок. Далее вода, находясь под давлением, выходит через специальные оросители и попадает на грядки или в почву напрямую наполняя корни растений влагой.

Внутрипочвенный способ используется для орошения многолетних растений с помощью емкостей или трубок с отверстиями. Такие трубки закапываются под землю в непосредственной близости к корневой системе растения.

Тут есть где разгуляться: можно использовать капельницы с внешними насадками, кнопочные, ленточные со встроенными капельницами в трубку. При этом принцип работы купленной системы и сделанной в ручную один и тот же.

Главное сразу решить для себя такие вопросы:

• какой бюджет для изготовления данного устройства;
• готовы ли вы самостоятельно оборудовать и настраивать эту систему.

Автоматический обогрев

В холодное время года, во время заморозков помещение теплицы должно обогреваться. Простейшее устройство автоматизированного обогрева включает в себя три основных функциональных узла:

Система автоматического обогрева теплицы.

• термодатчик;
• блок управления (термостат);
• электронагреватель.

Нагревательные элементы дополнительно могут снабжаться вентиляторами для более быстрого распространения горячего воздуха. Универсальные блоки управления поддержания оптимального микроклимата в помещениях обеспечивают регулирование температур и управление обогревательными исполнительными устройствами. Термодатчики могут устанавливаться как внутри теплицы, так и снаружи, контролируя изменение температуры окружающей среды.

Автоматизируем по последнему слову техники

Что же нам сегодня предлагает последнее слово техники?

Автоматический полив

Так, одна из самых недорогих систем капельного полива – знаменитая Аквадуся. Это бочка на 200 литров, в которую подведена вода через арматуру сливного бочка. Хватает такого объема жидкости примерно на 4-5 поливов – идеально для тех, кто теплицу видит раз в неделю, приезжая на дачу. Не менее популярна в России система капельного полива с израильскими капельницами – они якобы и прочнее, и более устойчивы к напору.

Открываем форточки термоприводом

Неспроста опытные огородники уверены, что жара – куда большее зло для тепличных растений, чем холод. А потому автоматизация теплиц в плане проветривания необходима даже тогда, когда вы имеете возможность и желание проверять внутреннюю температуру теплицы хоть каждый день.

А вот при понижении температуры масло, охлаждаясь, сжимается, и форточка закрывается под собственной тяжестью. А отрегулировать после заправки масла ваш термопривод можно так:

1. Откройте кран и проследите, чтобы бутылка стояла вертикально вверх – чтобы воздух в систему не попал.
2. Дождитесь нужной температуры в теплице и перекройте кран.
3. Форточки оставьте закрытыми – чтобы система не завоздушилась.

Как видите, ничего сложного!

Автоконтроль влажности – почему это так важно?

На самом деле переизбыток влажности даже для тепличных растений не к добру – от этого они могут начать болеть. Существует свой порог этого значения, придерживаться которого вам помогут различные автоматические устройства.

Современный рынок предлагает самые разные модели подобной техники, которые способны задавать и верхний, и нижний пороги относительной влажности в закрытом грунте. По сути, большинство из них просто подает влагу в грунт – при сухости воздуха увеличивает подачи, а при достижении верхнего порога и вовсе ее прекращает. Запомните, теоретически норма для тепличных растений – это 65-70%.

Можно связать с системами автополива и датчик влажности почвы – как только она насытится, подача воды будет автоматически прекращена. А устанавливают этот датчик прямо в землю, рядом с растениями и их корневой системой.

Как сделать умную теплицу своими руками

Сделать умную теплицу своими руками несложно, если знать основные особенности ее обустройства. Основное отличие умной теплицы от обычной в том, что все процессы, происходящие в конструкции закрытого грунта, являются автоматизированными, и практически не требуют вмешательства человека.

Автоматика поможет не только поддерживать оптимальный температурно-влажностный режим, но и вовремя проводить проветривание, включать обогрев или подсветку. С помощью таких систем овощи, фрукты и зелень можно выращивать круглогодично с минимальными трудозатратами.

Как сделать такую конструкцию своими руками вы узнаете из видео.

Для чего нужна

Успешное выращивание растений практически полностью обеспечивается благоприятным микроклиматом внутри помещения. На рисунке 1 приведены основные условия обеспечения благоприятного микроклимата: уровень освещения, влажности и вентиляции. Добиться правильной температуры и влажности помогут автоматические системы вентиляции.

В противном случае, микроклимат будет нарушен и это приведет к отрицательным последствиям:

1. Температура внутри будет гораздо выше, чем снаружи, создавая благоприятные условия для развития болезнетворных микроорганизмов;
2. Повысится и температура грунта, что тоже нежелательно, так как семена некоторых растений не прорастают при повышенных температурах;
3. Негерметичность конструкции или неправильно проведенный расчет вентиляции приведет к продуванию строения, и из него будет постоянно уходить теплый воздух;

Рисунок 1. Соблюдение благоприятного микроклимата

Поскольку микроклимат помещения постоянно меняется под воздействием освещения, погодных условий и других внешних факторов, уследить за его стабильностью практически невозможно. Именно поэтому и были придуманы автоматические системы вентиляции, полива и проветривания.

Особенности построения

Чтобы построить умную теплицу своими руками, нужно учесть некоторые особенности конструкции.

Рекомендуем ознакомиться с практическими советами по обустройству автоматики своими руками (рисунок 2):

1. Правильно подобрать место для строительства, чтобы максимально использовать солнечную энергию. Оптимальным считается размещение с юга на север, чтобы все растения в течение дня равномерно прогревались и освещались солнцем. Также следует обустроить защиту от ветра, к примеру, высадив в метре от здания живую изгородь.
2. Спроектировать каркас так, чтобы форточки и окна находились в верхней части конструкции. Холодный воздух, проникая внутрь, опускается вниз, поэтому и форточки нужно располагать как можно выше для защиты растений от сквозняков. Для этой же цели нужно сделать прочные двери без щелей, которые не будут пропускать холодный воздух внутрь.
3. Установить надежную автоматику для полива и проветривания. Для автоматического открывания форточек достаточно установить гидроцилиндры, которые приводятся в действие при нагревании жидкости, находящейся внутри цилиндра и толкают шток, открывающий окно. При снижении температуры действие происходит в обратном порядке. Для автоматического внесения влаги рекомендуют устанавливать систему капельного полива с датчиком.

Если помещение будет использоваться зимой, в ней устанавливают обогревательные приборы и аккумуляторы с датчиками, которые будут автоматически включать обогрев при определенном температурном режиме окружающей среды.

Польза

Польза автоматики очевидна: любые растения в таких конструкциях можно выращивать круглогодично с минимальным участием человека.

Рисунок 2. Пошаговая инструкция для строительства теплицы своими руками

Существует мнение, что обустройство умной теплицы влечет серьезные финансовые расходы, но эта точка зрения правдива лишь отчасти. Для автоматизации необходимо купить датчики и систему капельного полива, а монтаж можно провести и своими руками.

Нацелены на инновации

Тепличное овощеводство всегда было одним из самых продвинутых секторов сельского хозяйства, и цифровые технологии там применяются достаточно давно, особенно в вопросах микроклимата, развивает тему Виктор Семенов, председатель Наблюдательного совета ГК «Белая Дача» (крупнейший в России производитель салатов и овощей закрытого грунта).

По его словам, новейшие разработки позволяют не просто вводить данные и обеспечивать полив, подачу удобрений, влажностный и воздушный режимы с помощью электроники. «Так, сегодня есть попытки поставить датчики на растение, чтобы оно само в режиме онлайн задавало нужные ему параметры: больше/меньше тепла, количество воды, конкретную влажность воздуха», — делится Виктор Семенов.

Он обращает внимание, что в широком смысле под роботами понимается что-то механическое — посадить, срезать растение. Здесь элементы роботизации применяются в выращивании салатов в горшочках на проточной гидропонике

Например, ГК «Белая Дача» в конце 1990-х одна из первых применила эти технологии у себя, однако, одна из первых и отказалась от них. «Нас не удовлетворило качество выращиваемых растений, потому что при применении проточной гидропоники в средней полосе при искусственном освещении, которого зимой недостаточно, растения получаются очень слабые и не только не подлежат дополнительной переработке (помыть, порезать салат), но и просто не доживают до магазина», — поясняет Виктор Семенов.

Именно поэтому было решено перейти на другие технологии, где есть возможность получать больше натурального света. Сейчас ГК «Белая Дача» построила комплекс по выращиванию салата в грунте, так как грунт был и остается более естественной средой, чем проточная гидропоника. «Мы создали у себя роботизированную систему посева и срезки. Конечно, роботы делают все по заданной программе. Тем не менее, в будущем, особенно в микроклимате, не агроном будет устанавливать режимы и питание растения, а сами растения через робототехнику смогут определять, что им необходимо», — уверен Виктор Семенов.

Специалист замечает, что в сельском хозяйстве квалифицированных работников найти непросто. Поэтому у робототехники есть своя перспектива, хотя для развития этого направления требуется значительно больший капитал. «Пока для нас роботы не дают экономического эффекта, но “производственный” эффект ощутим. Похожие технологии есть в Голландии и Испании. Но в том сочетании технологий, которое мы создали в Кисловодске, они нигде в мире не встречаются», — доволен Виктор Семенов.

В ГК «Белая Дача» соединили опыт многих стран и накрыли тепличный комплекс японской пленкой F-clean, которая полностью пропускает ультрафиолет

«Это принципиально важно, т. к

ультрафиолет не позволяет растениям быстро расти, при этом дает им силу, цвет, вкус, аромат, благодаря чему они дольше живут. А для нас каждый день-два дополнительной жизни салата на полке экономически очень важен», — подчеркивает Виктор Семенов.

Также большую роль на производстве играет автоматизация зон полива, отмечает Андрей Гришкин из компании «РусАгроКомплекс». По его словам, автоматическая система полива и дозации разработана для автоматизированного управления ежедневной подачей питания и полива растений. С помощью устройства российского производства можно организовать отдельную подачу питательных веществ на определенные участки теплицы с контролем полива по времени и по количеству расхода раствора. «Используя программу управления, можно оптимизировать полив в течение суток. Интенсивность полива можно автоматически корректировать, исходя из внешних параметров: солнечной радиации, влажности, температуры воздуха в теплице, веса, дренажа, влажности субстрата», — объясняет специалист.

Компьютерная программа управления климатом и дозировкой питательных веществ обеспечивает максимально необходимые пропорции смешивания растворов для растений, продолжает Андрей Гришкин. Параметры питательного раствора поддерживаются на заданном уровне с помощью высококачественных измерительных приборов. «С помощью программы можно задавать необходимые параметры управления поливом, климатом и отопительной системой, в том числе подачей CO2 и всеми другими инженерно-технологическими системами», — поясняет он.

Аккумулирование тепла

Первое ради чего устанавливают теплицы – это тепло. Поддерживая оптимальную температуру почвы и воздуха можно добиться урожайности в холодную или чересчур жаркую пору года.

Обогреть сооружение можно используя электрические обогреватели.

Как вариант можно оборудовать ее теплоизоляционным материалом для лучшего аккумулирования тепла (воздушно – пузырчатая пленка, двойное стекло, тепловые экраны, дерево).

Утепляя теплицу, не стоит забывать, что тепло может «ускользать» через треснутое стекло или вентиляционные проемы и форточки.

Утепляя парник, рентабельно используется солнечная энергия, за счет которой можно добиться дополнительного утепления и обогрева.

Аккумулировать теплоэнергию возможно при помощи труб установленных под крышей теплицы, работающих на вентиляторах обратного направления.

Дальнейшие усовершенствования

Минимальный уровень автоматизации, который не требует наличия электроэнергии, мы уже сделали. Можно ли чем-нибудь дополнить “умные” теплицы или парники?

Можно, но без электричества тут уже не обойтись. В холодных регионах, или в круглогодичном варианте тепличного хозяйства необходимо добавить автоматический подогреватель. Это может быть даже бытовой масляный электрообогреватель с регулятором. Температуру подбираем встроенным регулятором, летом в жару его вовсе отключаем. При необходимости таких обогревателей можно поставить несколько. Но, учитывая стоимость электроэнергии, стоит внимательно посчитать экономическую эффективность.

К емкости с водой можно добавить систему наполнения. Ведь в текущем варианте она требует относительно регулярного пополнения запасов воды. Если использовать электронасос и поплавковый включатель, можно забыть и про эту необходимость.