1. Описание модели «Щедрый подоконник»

Модель «Щедрый подоконник» с автоматическим климат-контролем предназначена для выращивания зелени, овощных и ягодных культур небольшого размера в домашних условиях круглый год и состоит из корпуса со съёмной крышкой, блока управления и резервуара для хранения воды. Все элементы модели изготовлены из прозрачного оргстекла толщиной 0,5 см.

Рисунок 8 – Модель «Щедрый подоконник»

Дополнительно предусмотрен съёмный утеплитель–отражатель, который может устанавливаться как внутри, так и снаружи основного корпуса.

Основной корпус имеет форму параллелепипеда размером 600х300х300 мм. На задней поверхности корпуса выполнены отверстия для обеспечения естественной вентиляции и установлены 2-светодиодные ленты RGB для искусственного освещения. На боковой стенке расположены кулер для принудительной вентиляции, датчики температуры, влажности и освещённости. Питание на датчики, светодиодные ленты и кулер осуществляется от блока управления через разъём, расположенный на боковой поверхности лотка. Внутри корпуса по периметру передней поверхности закреплена трубка для осуществления капельного полива растений. Подача воды в систему орошения осуществляется с помощью погружного насоса, который располагается внутри резервуара с водой.

Рисунок 9 – Блок управления и резервуар для воды

Блок управления и резервуар для воды представляет из себя параллелепипед с выдвижными крышками размером 100 х 300 х 100мм. Блок управления отделен от резервуара изолированной двойной перегородкой. На передней панели блока управления установлен дисплей с цифровой индикацией и клавиатурой. На дисплее отражается текущее время и информация о температуре и влажности внутри бокса. Клавиатура служит для ввода параметров в зависимости от выращиваемого растения. Управление автоматическим климат-контролем реализовано с использованием платформы Arduino Uno и дополнительных элементов, которые располагаются внутри блока управления. Питание осуществляется от сети переменного тока напряжением 220В через блок питания +12В. Блок управления и датчики соединяются между собой посредством разъёмов. Монтаж выполнен с помощью кабеля MM Dupont 40 разноцветных жил.

2. Экономический анализ

При разработке модели «Щедрый подоконник» был использован универсальный обучающий комплекс для проектов на основе контроллера Arduino «Датчики и сенсоры».

Таблица 1 - Затраты на комплектующие и вспомогательные материалы

Таблица 2 - Затраты на основные материалы

Стоимость модели «Щедрый подоконник» составила 5543 рубля. В дальнейшем стоимость модели может быть снижена за счет использования одного блока управления для контроля за работой нескольких гроубоксов.

3. Технологический процесс изготовления модели «Щедрый подоконник»

Технологический процесс изготовления модели состоит из пяти этапов:

• проектирование и изготовление корпуса и блока управления;
• выбор и монтаж системы дополнительного освещения;
• выбор и установка датчиков, системы вентиляциии орошения;
• разработка и монтаж системы управления;
• разработка программного обеспечения для реализации автоматического климат-контроля.

3.1. Проектирование и изготовление корпуса и блока управления

Проектирование модели «Щедрый подоконник» выполнялось с учётом места расположения, удобства перемещения, эстетичности и простоты в изготовлении.

На основе предъявляемых требований была выбрана форма гроубокса, блока управления и ёмкости для воды виде параллелепипеда с учетом размеров стандартного подоконника, т.к. его используют для выращивания растений в домашних условиях 98% населения.

В качестве материала было предложено использовать оргстекло толщиной 0,5cм, так как оно отлично пропускает свет, создаёт внутри бокса микроклимат, подходящий для выращивания овощей, выполняет функции теплоизоляции, хорошей обзорности, проникновения большого количества ультрафиолета и эстетического вида. Студентами специальности 15.02.08 «Технология машиностроения» с использованием программы «КОМПАС-3D» версия 16.1 был создан 3D макет модели и разработаны чертежи для изготовления отдельных сборочных единиц. Изготовление сборочных единиц было выполнено на фрезерно-гравировальном станке с ЧПУ по разработанным чертежам и написанной программе.

Блок управления и ёмкость для воды снабжены выдвижными крышками и разделены двойной перегородкой.

1 – Гроубокс; 2 – Резервуар для воды; 3 – Блок управленияРисунок 10 – 3D-макет модели «Щедрый подоконник»

В качестве отражающий поверхности было предложено использовать съёмный фольгированный утеплитель пенофол, так как он имеет хороший коэффициент теплопроводности, благодаря ячейкам с воздухом в пенополиэтилене соответствует всем гигиеническим стандартам. Фольга отражает более 90 % тепловой энергии, и лишь около 5% пропускает, поверхность материала всегда остается холодной.Он имеет длительный срок эксплуатации прост и удобен в монтаже.

3.2 Выбор и монтаж системы дополнительного освещения

Выбор источника дополнительного освещения осуществлялся с учётом того, что каждый цвет спектра имеет своё значение в жизни растений:

• красный способствует росту и важен для фотосинтеза;
• синий нужен для биосинтеза и формирования крепких растений;
• зелёный повышает продуктивность и обладает высокой проникающей способностью, благодаря чему свет достигает листьев даже в загущённых посевах.

Наилучшим решением для освещения рассады в домашних условиях является комбинация из светодиодов красного и синего спектральных диапазонов.
Для освещения в разрабатываемой модели «Щедрый подоконник» используется светодиодная лента RGB в которой используются светодиоды LED-R-SMD3528 (красный), LED-G-SMD3528 (зеленый) и LED-B-SMD3528 (синий), припаянные по три штуки рядом повторяющимися триадами по всей длине ленты: три светодиода соединены последовательно, а модули, состоящие из этих трех диодов, соединяются параллельно. Все это содержится в одной ленте.

Изменение цвета свечения ленты достигается групповым изменением интенсивности свечения светодиодов каждого цвета. Светодиоды серии SMD3528 имеют размер 3,5×2,8мм2 и излучают световой поток от 0,6 до 2,2 люменов, в зависимости от цвета свечения.
В модели «Щедрый подоконник»светодиодная лента RGB крепится внутри гроубокса на задней поверхности в два ряда с помощью клейкой полосы, находящейся на противоположной стороне от светодиодов. Управления включением светодиодов осуществляется в зависимости от срабатывания фоторезистора и заданных параметров освещённости необходимой для роста растений. Все параметры вносятся в память контроллера, который располагается в блоке управления.

Рисунок 11 – Светодиодная лента RGB

3.3 Выбор и установка датчиков, системы вентиляции и орошения

Свежий воздух - необходимый элемент в выращивании растений, который важен, как свет, вода, тепло и удобрения. Циркуляция воздуха способна предотвратить появление плесени и паразитов. Полезно обдувать растения вентиляторами с раннего возраста, это укрепляет стволы, делает растения более крепкими и здоровыми

Растение способно поглотить весь углекислый газ,скопившийся вокруг всего за несколько минут.

В случае недостаточного воздухообмена, вокруг растения образуется зона мёртвого воздуха. Поэтому необходимо постоянно перемещать воздух.

В разрабатываемой модели используется естественная и искусственная вентиляция.

Выбор системы вентиляции осуществлялся с учетом требований, выработанных компанией Dzagigrow:

• если объём гроубокса < 2м³, то весь объём воздуха в ней должен обновляться 2 раза в минуту;
• если объём > 2м³, то воздух можно обновлять 1 раз в 6 минут.

0,054м³< 2м³,следовательно весь объём воздуха должен обновляться дважды в минуту, т.е. воздушный поток вентилятора> 0,52м³/мин.

В технических характеристиках вентилятора указывается воздушный поток в кубических футах в минуту, т.е. CFM.

1CFM= 28,3 литра/мин = 0,0283 м³/мин.

Для такого воздухообмена подойдёт компьютерный кулер, который устанавливается в верхнюю часть боковой стенки для равномерной циркуляции и выдува тёплого воздуха.

Включение кулера осуществляется от блока управления. Режим работы задается программным способом.

Рисунок 12 – Система вентиляции, орошения и фотодатчик

3.3.2 Выбор и установка датчиков температуры, влажности и освещённости

Рисунок 13 – Плата модуля КY015

Выбор датчиков температуры, влажности и освещённости осуществлялся с учётом элементной базы универсального обучающего комплекса для проектов на основе контроллера Arduino: «Датчики и сенсоры».
Контроль температуры и влажности реализуется с использованием платы Temperaturean dhumi ditysenso rmoduleКY015, которая содержит: датчик температуры и относительной влажности DHT11 в синем корпусе, светодиод индикации питания и вилку соединителя. Внутри DHT11 небольшая плата с компонентами: ёмкостным датчиком влажности, терморезистором, имеющим отрицательную характеристику и микро-контроллером.

Таблица 3 - Характеристики датчика DHT11

В качестве датчика освещённости в модели «Щедрый подоконник» используется Photoresistor module KY-018. Датчик освещённости позволяет электронному прибору определить уровень яркости света в контролируемой точке. Модуль дает возможность закрепить фоторезистор в конструкции прибора. Имеющийся соединитель позволяет быстро менять датчик при необходимости.

Рисунок 14 – Плата модуля КY018

Чем ярче освещен фоторезистор, тем ниже его сопротивление. Сопротивление фоторезистора при изменении освещённости меняется в широких пределах от единиц кОм и до сотен кОм или МОм. Контакты и схема модуля KY-018 позволяют использовать только фоторезистор или фоторезистор в составе делителя напряжения. Питание модуля подают на контакт +5 В. С увеличением освещённости на выходе модуля фоторезистора напряжение будет падать, при ярком свете напряжение выхода будет около половины напряжения питания. Величина напряжения на выходе зависит от типа фоторезистора. В темноте напряжение выхода будет близко к напряжению контакта +5 В. Датчик освещённости, температуры и относительной влажности крепится внутри гроубокса на боковой поверхности и подключается к микроконтроллеру через блок реального времени.

Вы должны быть авторизованы для комментирования этой публикации