РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОНИКИ

Автоматическая система выращивания растений

Закончена разработка электроники, в результате которой появилась на свет электронная система, предназначенная для автоматического полива растений при выращивании традиционным способом (или для автоматического гидропонного метода выращивания) и обеспечивает подачу воды (или питательного раствора) к растениям из резервуара, а также обратное откачивание жидкости в резервуар.

 

 

Система позволяет использовать специальные функции выращивания, создающие определенные, специфические условия для выращивания различных растений. Система имеет пять датчиков для измерения влажности, уровня воды и аварийного контроля, настраиваемое освещение растений, различные режимы работы – лужайка, фиалка, гидропоника, классика.

 

Система выращивания растений (далее «устройство») представляет собой пластиковый лоток с углублениями в форме горшков, которые предназначены для посадки растений. В нижней части лотка имеется защищенный от воды отсек, содержащий управляющую плату, насосы-помпы в количестве 2-х штук, элементы питания, излучатель звука, разъем для подключения внешнего блока питания и другие необходимые элементы. На боковой стороне отсека (с лицевой части устройства) находятся светодиоды и кнопки управления.

 

 

Подобные устройства производятся и продаются в достаточно большом ассортименте и часто носят довольно разнообразные названия: «домашний огород», «домашний мини-огород», «умный горшок», «автоматическая система полива комнатных растений», «домашний сад», «домашний мини-сад», «гидропонная установка» и т.п.

 

Устройство оснащается следующими датчиками:

• Датчик 1 - макс. уровень в резервуаре, измерение сопротивления между электродами;

• Датчик 2 - макс. уровень воды в лотке, измерение сопротивления между электродами;

• Датчик 3 - влажность почвы в контрольном горшке, емкостный метод измерения;

• Датчик 4 - влажность почвы на «лужайке», емкостный метод измерения;

• Датчик 5 – попадание воды в помпу, измерение сопротивления между электродами.

 

Датчики 1, 2 и 5 представляют собой два металлических проводника из нержавеющей стали (или из другого металла, не подверженного коррозии) длиной около 10мм, диаметром около 1мм, расположенных на расстоянии 2,5мм друг от друга. Для этой цели можно использовать два контакта штырьковой планки PLS c шагом 2,54мм. Датчики 3 и 4 выполняются в виде изолированных пластин или изолированной фольги из любого металла площадью 10 кв. мм., размером 5х20мм, расположенных на расстоянии 5мм друг от друга.

 

В устройстве используются две помпы для налива и слива жидкости:

• Помпа 1 - полив растений (нагнетание воздуха);

• Помпа 2 - осушение грунта (откачивание воздуха).

 

Функциональное назначение кнопок

 

1. Кнопка включения / выключения устройства;

2. Кнопка набора воды в резервуар. Красный светодиод над ней мигает, если она была кратковременно нажата, и набирается вода. Для набора воды включается помпа 2. Помпа 1 выключена. При срабатывании датчика 1, помпа 2 выключается, красный светодиод гаснет;

3. Кнопка выбора режима нормального выращивания. Мигающий красный светодиод над кнопкой, если включен этот режим. После нажатия этой кнопки, выполняется период 1 длиной 10 часов – «ночное время». В периоде 1 не разрешены звуковые сигналы, выключено освещение. Далее наступает период 2 «дневное время» длительностью 14 часов. В самом начале периода 2 включается освещение. По истечении периода 2 освещение выключается, и начинается повторение цикла с периода 1. Если датчик 3 определяет высыхание грунта, то через 24 часа начинается полив (включается помпа 1, а когда срабатывает датчик 2, то помпа 1 выключается, затем включается помпа 2 на 2 минуты). Полив может быть выполнен только в дневное время. Если срок полива наступил в «ночное время», то полив задерживается до наступления «дневного времени». Если через 120 часов, после последнего полива, датчик 3 не показывает, что грунт высох, то производится принудительный полив;

4. Кнопка выбора режима гидропонного выращивания. Мигающий красный светодиод над кнопкой, если включен этот режим. После нажатия этой кнопки, выполняется период 1 длиной 10 часов, в самом начале которого начинается полив (включается помпа 1, а когда срабатывает датчик 2, то помпа 1 выключается, затем включается помпа 2 на 2 минуты). В периоде 1 не разрешены звуковые сигналы, выключено освещение. Далее наступает период 2 - «дневное время» длительностью 14 часов. В самом начале периода 2 включается освещение и выполняется полив. По истечении периода 2 освещение выключается, и начинается повторение цикла периода 1. В каждом из 2-х периодов контролируется состояние датчика 3. В случае высыхания датчика незамедлительно производится внеочередной полив, который в любом случае не отменяет очередной полив, который должен последовать в положенное время. Принудительный полив осуществляется 3 раза за период 2;

5. Кнопка выбора режима "лужайка". Мигающий красный светодиод над кнопкой, если включен этот режим. После нажатия этой кнопки, выполняется период 1 длиной 10 часов – «ночное время». В периоде 1 не разрешены звуковые сигналы, выключено освещение. Далее наступает период 2 «дневное время» длительностью 14 часов. В самом начале периода 2 включается освещение. По истечении периода 2 освещение выключается, и начинается повторение цикла с периода 1. Если датчик 4 определяет высыхание грунта, то сразу начинается полив (включается помпа 1, а когда срабатывает датчик 2, то помпа 1 выключается, затем включается помпа 2 на 2 минуты). Полив может быть выполнен в дневное или ночное время. Если через 48 часов, после последнего полива, датчик 4 не показывает, что грунт высох, то производится принудительный полив;

6. Кнопка выбора режима "фиалка". Мигающий красный светодиод над кнопкой, если включен этот режим. После нажатия этой кнопки, выполняется период 1 длиной 10 часов – «ночное время». В периоде 1 не разрешены звуковые сигналы, выключено освещение. Далее наступает период 2 «дневное время» длительностью 14 часов. В самом начале периода 2 включается освещение. По истечении периода 2 освещение выключается, и начинается повторение цикла с периода 1. После нажатия этой кнопки, в самом начале периода 1, сразу выполняется полив, для чего включается помпа 1. При изменении показания датчика 4 (началось увеличение влажности почвы на «лужайке»), помпа сразу выключается. Устройство переходит в режим ожидания увеличения показаний влажности с датчика 4 до максимума, запоминает максимум, и ждет уменьшения показаний датчика 4 на 30% - при достижении этого значения, снова включается помпа 1 и т.д. Этот режим предназначен для постоянного затопления ячеек водой. Полив может быть выполнен в дневное или ночное время. Если через 6 часов, после последнего полива, датчик 4 не показывает, что грунт высох на положенное значение, то производится принудительный полив. В режиме «фиалка» не должна работать кнопка принудительного полива;

7. Кнопка «Полив». Выполняется внеочередной, принудительный полив (включается помпа 1, а когда срабатывает датчик 2, то помпа 1 выключается, затем включается помпа 2 на 2 минуты). Возможность нажать кнопку «полив» должна быть в любое время. В период 1 и период 2;

8. Кнопка «Лампа». Короткое нажатие принудительно включает и выключает освещение. Вторая функция этой кнопки – задание длительности освещения. Для установки длительности освещения следует нажать и удерживать кнопку 8, коротко нажать кнопку от 1 до 7 для задания времени освещения от 0 до 18 часов соответственно, а затем отпустить кнопку 8. По умолчанию, при старте нового режима или рестарте выбранного режима, а также после пропадания питания, устанавливается 15-ти часовой период освещения.

 

 

Принципиальная схема устройства для выращивания растений

 

 

При разработке электроники для этого устройства был выбран микроконтроллер ATxmega32A4U-AU. Стабилизация напряжения при питании от внешнего источника выполнена на микросхеме импульсного преобразователя LM2575S-3.3. За стабилизацию напряжения при питании от батарей отвечает экономичный импульсный преобразователь, собранный на микросхеме NCP1400ASN33. В устройстве используются ключи IRLML6346.

 

Выполняемые устройством функции

 

Кнопки выбора режимов работы 3, 4, 5 и 6 не должны срабатывать от короткого нажатия. Выбор нового режима или рестарт уже выбранного режима должны происходить только при удержании одной из этих кнопок нажатой в течение 2 секунд, после чего должен быть звуковой сигнал и зажигание светодиода, соответствующего кнопке выбранного режима.

 

Начало цикла поливов и освещения при задании новой программы должно программироваться пользователем за 1 час до сна. Нажатие кнопки того режима, который уже выбран или выбор другого режима, приведет к рестарту цикла поливов, цикла освещения, отсчета ночного и дневного времени. Повторное нажатие на кнопку уже выбранного режима следует выполнять за 1 час до сна при необходимости скорректировать «ночное время», которое будет продолжаться 10 часов после нажатия на кнопку.

 

Выбранный режим записывается в энергонезависимую память, и при следующем включении питания будет автоматически установлен ранее выбранный режим, но произойдет сброс циклов полива и освещения, отсчета ночного и дневного времени.

 

Тест запускается одновременным нажатием кнопок 1 и 2. Включаются все светодиоды на 2 секунды, пауза 1 секунда, затем - помпа 1 на 2 секунды, пауза 1 секунда, затем - помпа 2 на 2 секунды, пауза 1 секунда, затем - реле освещения на 3 секунды. Затем идет оценка состояния всех 5-ти датчиков. Светодиоды, с 3-го по 8-ой, показывают замкнутое состояние датчиков N1, 2 и 5.

 

Для датчиков N3 и 4 показывается относительное значение измеренной емкости методом число импульсного кодирования по следующему алгоритму: пауза, число вспышек (соответственно значению емкости датчика), пауза и т.д.

 

Пример аварийной индикации: светодиод №5 горит. Это означает, что вода все еще присутствует в шланге.

 

Индикация должна быть в реальном времени и не отключаться пока пользователь еще раз не нажмет кнопки 1 и 2. Т.е. пользователь может отчистить контакт, удалить из шланга воду и в реальном времени наблюдать за тем как гаснут светодиоды соответствующие проблеме. Тест окончен. Тест можно активировать 24ч в сутки, в любой программе или состоянии системы.

 

Сигнализация о необходимости замены воды в резервуаре происходит путем подачи 2-х звуковых сигналов (длительность звука 0,2 сек. с периодичностью 0,5 сек.) и включения соответствующего отдельного светодиода. Замена воды должна происходить через две недели (14 дней). После замены воды пользователь нажимает кнопку долить воды на 2 секунды и система опять отсчитывает 14 дней. Если этот сигнал раздражает своей навязчивостью, можно нажать кнопку N2 на две секунды, а воду долить позднее.

 

Сигнализация критического уровня заряда батарей происходит путем подачи 3-х звуковых сигналов (длительность звука 0,3 сек. с периодичностью 0,7 сек.) и включения соответствующего отдельного светодиода.

 

Сигнализация критически малого уровня жидкости происходит путем подачи 5-ти звуковых сигналов (длительность звука 0,4 сек. с периодичностью 1 сек.) и включения соответствующего отдельного светодиода.

 

Предусмотрено автоматическое включение помпы 1 на 15 секунд при срабатывании датчика 5, установленного в трубке. При этом выдается звуковой сигнал (однотональный звук в течение 1 сек.), а затем продолжается выполнение прерванной программы полива или набора воды в резервуар. Если снова, повторно, срабатывает датчик 5, то вновь происходит включение помпы 1 на 15 секунд и программа полива прерывается, до следующего наступления времени полива.

 

Звуковые сигналы могут подаваться в течение 1-го часа после времени старта (рестарта) программы, затем следует пауза 9 часов, в течение которой звуковые сигналы не подаются. В остальные 14 часов (оставшиеся от 24-х часового цикла) звуковые сигналы вновь могут подаваться.

 

Все повторяющиеся звуковые сигналы такие, например, как «малый уровень воды», «низкий заряд батареи», «сменить воду», повторяются каждые 2 часа в разрешенный дневной период №2.

 

Проект N48. Разработка электроники для автоматической системы выращивания растений выполнена Александром Петровичем Протопоповым, г. Москва, сайт автора: https://razrabotka.pro.