Умная камера для выращивания растений: 13 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

Я придумал новую идею - умную камеру для выращивания растений. Рост растений в космосе вызвал большой научный интерес. В контексте пилотируемых космических полетов их можно употреблять в пищу и / или создавать освежающую атмосферу. используйте подушки для растений, чтобы выращивать еду на Международной космической станции.

Так что мне пришла в голову идея пойти дальше.

Проблемы выращивания еды в космосе:

Сила тяжести:

Это главное препятствие для выращивания пищи в космосе, оно влияет на рост растений несколькими способами: 1 вы не можете поливать растения должным образом, потому что там нет силы тяжести, поэтому воду нельзя получить с помощью разбрызгивателей воды и других традиционных методов, которые используются на Земле..

2 Вода не может доходить до корней растений из-за отсутствия силы тяжести.

3 На рост корней также влияет сила тяжести. (корни растений идут вниз, а растения растут вверх) Таким образом, корни растений никогда не растут в правильном направлении.

Радиация:

1. В космосе много радиации, поэтому она вредна для растений.

2. Излучение солнечного ветра также влияет на растения.

3. Большое количество ультрафиолетовых лучей также вредно для растений.

Температура:

1. В космосе много перепадов температуры (температура может подниматься до ста градусов и опускаться до минус ста градусов).

2. температура увеличивает испарение воды, поэтому растения не могут выжить в космосе.

Мониторинг:

1. Наблюдать за растениями в космосе очень сложно, потому что человек постоянно следит за многими факторами, такими как температура, вода и радиация.

2. Разным предприятиям требуются разные потребности в ресурсах. При наличии разных заводов мониторинг становится более трудным.

Так что я пришел к мысли, что пытаюсь устранить все эти препятствия. Это камера для выращивания продуктов питания в космосе по очень низкой цене. Она содержит все ресурсы и встроенные технологии, позволяющие преодолеть многие трудности. Так что давайте смотреть !!!

На что способна эта камера:

1. Устранить эффект гравитации.

2. Обеспечение корней растений надлежащей водой. (Управляемый - вручную, автоматически)

3. Обеспечение растений искусственным освещением для фотосинтеза.

4. Свести к минимуму воздействие радиации.

5. Измерение окружающей среды, такой как температура почвы, влажность, температура окружающей среды, влажность, радиация, давление, и отображение данных в реальном времени на компьютере.

Шаг 1: Требуемый компонент:

1. ESP32 (основная плата обработки, вы также можете использовать другие платы).

2. DHT11 или DHT-22. (DH22 обеспечивает лучшую точность)

3. DS18b20 (водонепроницаемая металлическая версия).

4. Датчик влажности почвы.

5. Водяной насос. (12 Вольт).

6. Лист пластиковый.

Вентилятор постоянного тока 7,12 вольт.

8. Датчики газа.

9. ULN2003.

10. Серводвигатель.

11. Стеклянный лист.

12. Электростатический лист.

13. Реле на 12 вольт.

14. БМП 180.

15. 7805 Регулятор напряжения.

Конденсатор 16,100 мкФ, 10 мкФ.

17. Автомобильный потолочный светильник (LED или CFL). (Цвет определяется дополнительно).

18. Источник питания SMPS (12 вольт - 1 А, если вы управляете насосом от отдельного источника питания, иначе - питание до 2 ампер).

Шаг 2: Требования к программному обеспечению:

1. Arduino IDE.

2. LABView

3. Установка ESP32 в Arduino IDE.

4. Библиотеки ESP32. (Многие библиотеки отличаются от библиотек Arduino).

Шаг 3: Сделайте контейнер и систему полива:

Сделайте пластиковый контейнер любого размера в зависимости от требований или доступного места. Материал, используемый для контейнера, - пластик, поэтому его нельзя утилизировать с водой (он также может быть сделан из металла, но это увеличивает стоимость, а также вес, потому что есть предел веса ракеты)

Проблема: в космосе нет гравитации. Капли воды остаются свободными в космосе (как показано на рисунке N. A. S. A.) И никогда не достигают дна почвы, поэтому полив обычными методами в космосе невозможен.

Также мелкие частицы образуют почву, плавающую в воздухе.

Решение: я вставляю маленькие водопроводные трубы в почву (в ней есть маленькие отверстия) по центру, и трубы присоединяются к насосу. Когда насос включается, вода выходит из небольших отверстий трубы ко дну почвы, чтобы она легко доходила до корней растений.

Небольшой вентилятор прикреплен к верхней части камеры (воздух течет вверх и вниз), чтобы обеспечить давление на мелкие частицы и избежать их всплытия за пределы камеры.

Теперь поместите почву в контейнер.

Шаг 4: Датчики почвы:

я вставляю два датчика в почву. Во-первых, датчик температуры (DS18b20 Waterproof). Которые определяют температуру почвы.

Зачем нужно знать температуру и влажность почвы?

Тепло - катализатор многих биологических процессов. Когда температура почвы низкая (а биологические процессы замедляются), некоторые питательные вещества становятся недоступными или менее доступными для растений. Это особенно верно в случае фосфора, который в значительной степени отвечает за развитие корней и плодов растений. Таким образом, отсутствие тепла означает, что меньшее количество питательных веществ приводит к плохому росту. Также вредны для растений высокие температуры.

Во-вторых, датчик влажности. Что определяет влажность почвы, если влажность в почве снижается от заданного предела, двигатель включается, когда влажность достигает своего верхнего предела, двигатель автоматически выключается. Верхний и нижний пределы зависят и варьируются от растения к растению. Это приводит к замкнутой системе. Вода делается автоматически, без вмешательства человека.

Примечание. Потребность в воде различна для разных растений. Поэтому необходимо отрегулировать минимальный и максимальный уровень воды. Это можно сделать с помощью потенциометра, если вы используете цифровой интерфейс, в противном случае его можно изменить при программировании.

Шаг 5: Изготовление стеклянных стен

На тыльной стороне емкости есть стенки с нанесенной на нее электростатической пленкой. Поскольку нет магнитного поля, защищающего нас от солнечных ветров. Я использую простой стеклянный лист, но накрываю его электростатическим листом. Электростатический лист предотвращает заряд частиц солнечного ветра. Также полезно минимизировать радиационное воздействие в космосе. это также предотвращает всплытие частиц почвы и воды в воздух.

Зачем нужна электростатическая защита?

Расплавленное железное ядро Земли создает электрические токи, которые создают вокруг Земли силовые линии магнитного поля, подобные тем, которые связаны с обычным стержневым магнитом. Это магнитное поле простирается на несколько тысяч километров от поверхности Земли. Магнитное поле Земли отталкивает заряженную частицу в виде солнечного ветра и избегает попадания в атмосферу Земли. Но такой защиты нет за пределами Земли и на других планетах. Поэтому нам нужен другой искусственный метод, чтобы защитить нас, а также растения от этих заряженных частиц. Электростатическая пленка - это в основном проводящая пленка, поэтому она не позволяет заряженным частицам проникать внутрь.

Шаг 6: Строительство ставня:

У каждого растения своя потребность в солнечном свете. Продолжительное пребывание на солнце и высокая радиация также вредны для растений. Створки затвора прикрепляются к зеркалу, а затем подключаются к серводвигателям. Угол открывания крыла и пропускания света, который поддерживается основной схемой обработки

Компонент обнаружения света LDR (светозависимый резистор) подключен к главной схеме обработки. Как работает эта система:

1. При чрезмерном излучении и свете (который обнаруживается LDR) он закрывает крылья и устраняет попадание света внутрь. 2. У каждого растения своя потребность в солнечном свете. Основная схема обработки отмечает время, чтобы позволить солнечному свету после того, как в это время закрываются ветры. Это позволяет избежать попадания дополнительного освещения в камеру.

Шаг 7: Зондирование окружающей среды и контроль:

Разным растениям требуются разные условия окружающей среды, такие как температура и влажность.

Температура: для измерения температуры окружающей среды используется датчик DHT-11 (DHT 22 может использоваться для достижения высокой точности). При повышении или понижении температуры от заданного предела он предупреждает и включает внешний вентилятор.

Зачем нужно поддерживать температуру?

Температура в космическом пространстве составляет 2,73 Кельвина (-270,42 по Цельсию, -454,75 по Фаренгейту) на темной стороне (там, где не светит солнце). На обращенной к солнцу стороне температура может достигать 121 C (250 градусов F).

Поддерживайте влажность:

Влажность - это количество водяного пара в воздухе по отношению к максимальному количеству водяного пара, которое воздух может удерживать при определенной температуре.

Зачем нужно поддерживать влажность?

Уровни влажности влияют на то, когда и как растения открывают устьица на нижней стороне листьев. Растения используют устьица, чтобы «дышать» или «дышать». В теплую погоду растение может закрыть устьица, чтобы уменьшить потери воды. Устьица также действуют как охлаждающий механизм. Когда окружающие условия слишком теплые для растения и оно слишком долго закрывает устьица, чтобы сохранить воду, у него нет возможности перемещать молекулы углекислого газа и кислорода, что медленно приводит к тому, что растение задыхается от водяного пара и собственных выделяемых газов..

Из-за испарения (из растений и почвы) влажность быстро увеличивается. Это вредно не только для растений, но и для сенсора и стеклянного зеркала. Им можно пренебречь двумя способами.

1. Пластиковая бумага поверх поверхности легко предотвращает влажность. Пластиковая бумага расстилается на верхней поверхности почвы с отверстием для субстрата и семян (в нем растут растения). Это также полезно при поливе.

Проблема этого метода в том, что растения с более крупными корнями нуждаются в воздухе, проникающем в почву и корни. пластиковый пакет не дает воздуху полностью проникнуть в его корни.

2. Маленькие вентиляторы прикреплены к верхней крыше камеры. Влажность в камере определяется встроенным гигрометром (DHT-11 и DHT-22). Когда влажность повышается от предела, вентиляторы включаются автоматически, при нижнем пределе вентиляторы останавливаются.

Шаг 8: Устранение гравитации:

Под действием силы тяжести стебли растут вверх или от центра Земли в сторону света. Корни растут вниз или к центру Земли, вдали от света. Без гравитации растение не унаследовало способности ориентироваться.

Есть два метода устранения гравитации

1. Искусственная гравитация:

Искусственная гравитация - это создание инерционной силы, которая имитирует эффекты гравитационной силы, обычно в результате вращения, вызывающего центробежные силы. Этот процесс также называется псевдогравитацией.

Этот метод слишком дорогой и очень сложный. слишком много шансов на неудачу. Также этот метод нельзя проверить на земле должным образом.

2. Использование субстрата: это слишком простой метод, который также эффективен при нанесении ткани. Семена хранятся в небольшом мешочке, который называется субстратом. Семена хранятся под субстратом, который обеспечивает правильное направление корням и листьям, как показано на рисунке. Это помогает отращивать корни вниз и листья растения вверх.

Это ткань с дырочками. Поскольку семена находятся внутри, они позволяют воде проникать внутрь, а также позволяют корням выходить наружу и проникать в почву. Семена хранятся на глубине от 3 до 4 дюймов под почвой.

Как посадить семена под почву и сохранить свои позиции ??

Я вырезал пластиковый лист длиной от 4 до 5 дюймов и сделал на нем канавку. Поместите этот инструмент на половину длины ткани (со стороны канавки). Положите семена в бороздку и оберните их тканью. Теперь вставьте этот инструмент в почву. Извлеките инструмент из почвы, чтобы семена и субстрат попали в почву.

Шаг 9: Искусственный солнечный свет:

В космосе постоянный солнечный свет невозможен, поэтому может потребоваться искусственный солнечный свет. Это делается с помощью КЛЛ и новых светодиодных фонарей. Я использую свет КЛЛ синего и красного цвета, не слишком яркий. Эти фонари установлены на крыше камеры. Это обеспечивает полный спектр света (КЛЛ используются, когда требуется свет с высокой температурой, тогда как светодиоды используются, когда растениям не требуется нагрев или низкий нагрев. Этим можно управлять вручную, дистанционно или автоматически (управляется основной схемой обработки).

Почему я использую сочетание синего и красного цвета?

Синий свет соответствует пику поглощения хлорофиллов, которые фотосинтезируют с образованием сахаров и углерода. Эти элементы необходимы для роста растений, потому что они являются строительными блоками для растительных клеток. Однако синий свет менее эффективен для стимулирования фотосинтеза, чем красный. Это связано с тем, что синий свет может поглощаться пигментами с меньшей эффективностью, такими как каротиноиды, и неактивными пигментами, такими как антоцианы. В результате происходит уменьшение энергии синего света, которая передается пигментам хлорофилла. Удивительно, но когда некоторые виды выращиваются только с синим светом, биомасса (вес) растений и скорость фотосинтеза аналогичны растениям, выращиваемым только с красным светом.

Шаг 10: Визуальный мониторинг:

Я использую LABview для визуального мониторинга данных и управления еще и потому, что LABview - очень гибкое программное обеспечение. Это высокая скорость сбора данных и простота в эксплуатации. Он может быть подключен к основной цепи обработки как проводным, так и беспроводным способом. Данные, поступающие из основной схемы обработки (ESP-32), форматируются и отображаются в LABview.

Действия, которые необходимо выполнить:

1. Установите LABview и загрузите. (не нужно устанавливать надстройки Arduino)

2. Запустите приведенный ниже код vi.

3. Подключите USB-порт к вашему ПК.

4. Загрузите код Arduino.

5. COM-порт отображается в вашем labview (если окна для Linux и MAC "dev / tty") и индикатор показывает, что ваш порт подключен или нет.

6. Готово !! Данные с различных датчиков отображаются на экране.

Шаг 11: Подготовьте оборудование (схему):

Принципиальная схема представлена на рисунке. Вы также можете скачать PDF-файл, указанный ниже.

Он состоит из следующих частей:

Основная схема обработки:

Можно использовать любую плату, совместимую с Arduino, такую как arduino uno, nano, mega, nodeMCU и STM-32. но ESP-32 используют по следующей причине:

1. Он имеет встроенный датчик температуры, поэтому при высокой температуре возможен перевод процессора в режим глубокого сна.

2. Главный процессор защищен металлом, поэтому радиационный эффект меньше.

3. Внутренний датчик на эффекте Холла используется для обнаружения магнитного поля вокруг схемы.

Секция датчика:

Все датчики работают от источника питания 3,3 В. Регулятор напряжения внутри ESP-32 обеспечивает низкий ток, поэтому его можно перегреть. Чтобы избежать этого, используется стабилизатор напряжения LD33.

Узел: я применил питание 3,3 В, потому что используется ESP-32 (то же самое для nodeMCU и STM-32). Если вы используете Arduino, вы также можете использовать 5 вольт

Основной источник питания:

Используется импульсный источник питания 12 вольт 5 ампер. вы также можете использовать стабилизированный источник питания с трансформатором, но это линейный источник питания, поэтому он рассчитан на конкретное входное напряжение, поэтому выход будет изменяться, когда мы переключаем 220 вольт на 110 вольт. (На ISS доступно питание 110 вольт)

Шаг 12: Подготовьте программное обеспечение:

Действия, которые необходимо выполнить:

1. Установка Arduino: если у вас нет Arduino, вы можете скачать его по ссылке.

www.arduino.cc/en/main/software

2. Если у вас есть NodeMCU, выполните следующие действия, чтобы добавить его с помощью arduino:

circuits4you.com/2018/06/21/add-nodemcu-esp8266-to-arduino-ide/

3. Если вы используете ESP-32, выполните следующие действия, чтобы добавить его с помощью arduino:

randomnerdtutorials.com/installing-the-esp32-board-in-arduino-ide-windows-instructions/

4. Если вы используете ESP-32 (простая библиотека DHT11 не может правильно работать с ESP-32), вы можете скачать здесь:

github.com/beegee-tokyo/DHTesp

Шаг 13: Подготовьте LABview:

1. Загрузите LABview по этой ссылке.

www.ni.com/en-in/shop/labview.html?cid=Paid_Search-129008-India-Google_ESW1_labview_download_exact&gclid=Cj0KCQjw4s7qBRCzARIsAImcAxY0WhS0V5TiCAIcAmCAxYCYCYCYCAIcAcYcAcYcAcYcAcYcAcYcAcMaCKYCYCAcYcMa1cMa1

2. Загрузите файл vi.

3. Подключите порт USB. Индикатор показывает, что порт подключен или нет.

сделано!!!!