Контроллер для теплицы на Arduino

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

Сварил внутренний каркас:

 

Зачем сварочнику провода вырвал?
Нда, не простой каркас.

 

Каркас по высоте чуть ниже ферм, сантиметров на 5. Вдоль будут арматурные стержни, один, по центру, уже приварил. Плёнка шириной 4 м, накрывать буду поперёк, хватит двух кусков.
Пока накрывать буду центральную грядку, но вообще предусмотрено перекрытие теплицы по всей ширине. Если внимательно посмотреть 2-е фото, то вдоль фундамента видны крюки, заложенные в фундамент на стадии строительства. После приварки арматурных стержней достаточно будет натянуть поперёк ПП шнуры и можно будет накидывать плёнку на всю площадь теплицы.
Такое демисезонное укрытие я придумал ещё до строительства первой теплицы в первой своей теме.

 

Минимальный набор для температурно-влажностного режима

Ладно, с температурой всё ясно, оптимальный уровень – от 20 до 25 гр., а вот с влажностью – сложнее. Оптимальная относительная влажность (ОВ) для растений зависит от температуры, при одной температуре она одна, при другой температуре – другая. Да и оптимальная температура, строго говоря, тоже разная, она зависит от времени суток, величины радиации, фазы развития и от экономики.

Для создания наилучших условий фотосинтеза растений нужно поддерживать не ОВ, а дефицит влажности (ДВ) воздуха - сколько влаги в воздухе не хватает до его полного насыщения. Когда эта величина равна 3-5г/куб.м, мы имеем т. н. «живой климат», обеспечивающий наилучшие условия для роста и развития растений.

Но как рассчитывать ДВ? Есть готовые таблицы, в которых каждой температуре уже сопоставлено значение ОВ, при котором ДВ оптимально. Задача контроллера при этом только считать с датчиков температуру и влажность воздуха и оптимальное для этой температуры значение ОВ из таблицы, а затем выдать команду на коррекцию влажности.

Исходя из этих данных, определяем минимальный набор оборудования для системы оптимизации температурно-влажностного режима:

Датчики:

1. датчик температуры внутренней поверхности теплицы (ДТВПТ) - 1
2. датчик температуры и влажности воздуха (ДТВВ) - 2
3. датчик температуры листа (ДТЛ) - 1
4. датчик температуры и влажности атмосферы (ДТВА) - 1

ДТВПТ – для определения момента, когда на поверхности теплицы начинается осаждение конденсата.
ДТЛ - датчик температуры листа контролирует точку росы на растениях.
Два ДТВВ – для контроля неравномерности температуры внутри теплицы.

Исполнительные механизмы:

1. Фрамуги и двери
2. Циркуляционные вентиляторы
3. СИОД
4. Обогреватели

Циркуляционные вентиляторы – для перемешивания воздуха в теплице, для устранения конденсата на стенках теплицы.
СИОД – система испарительного охлаждения и доувлажнения. Можно сделать на основе фоггеров, оградив их, чтобы влага не попадала на растения или насыпать в сетчатый короб керамзит и продувать через него воздух, а сверху поставить капельницы.
Обогреватели – любые – тепловая пушка, масляный радиатор, греющий кабель или ИК-светильники.

 

Несколько дней потратил на то, что пытался определить оптимальное значение относительной влажности для каждого значения температуры в теплице. Увы, не удалось, убился прямо, но пришлось отступиться. Решил для простоты считать что оптимальная влажность должна хотя бы не выходить из диапазона 50-70%. Это много, но всё же неплохо, зная по примерам выше как сильно скачет влажность днём и ночью.
Всё, больше на это времени не трачу. Все датчики остаются, включая датчики поверхности теплицы и температуры листа - они нужны для контроля приближения к точке росы.
Сегодня был на даче, продолжил делать внутренний каркас, начатый в прошлые выходные, но за 3 часа мало успел, завтра продолжу. Шёл через лес, интересно что грибы живы ещё и ягоды ландышей - повсюду видны. Вот она, улыбка лета:

Что-то подзадержался я с разработкой новой версии контроллера, ну да ладно, и утеплённая теплица нужна, и алгоритм надо прорабатывать, иначе контроллер - просто ненужная железка. В ближайшие дни начну.

 

Идеальная картинка

Мне кажется, ТЗ, который чётко сформулировать мне много раз здесь советовали - это дешёвка для технарей, когда все аспекты устройства хорошо знакомы и требуется только что-то сконфигурировать. А если неизвестно как, даже нет понимания что требуется вообще, то это задача не тривиальная, требующая изучения. Собственно, у меня поэтому много здесь постов об агротехнике - я так понимаю задачу.
То, что простейшие регуляторы - вещь практически бесполезная, я с самого начала был уверен и выше подтвердил это расчётами. Например, если снижаешь температуру открытием форточек, но она остаётся на несколько градусов выше, чем на улице - получаешь воздух как в пустыне, отмирание нижних листьев и трескающиеся плоды отвратительного качества.
Узнал как прыгает температура и влажность в облачные дни и при открытии и закрытии форточек и как вредно это влияет на растения, когда и как образуется роса ночью. Понял что ступенчатое открытие форточек необходимо, особенно под утро, и что нужно включать утренний обогрев теплицы, чтобы избежать росы на листьях и плодах и кучи болезней.
В общем, работает только взаимоувязанное регулирование и t и w. По максимуму, температура, влажность и полив должны определяться освещённостью и фазами развития, но это на будущее. Пока же планирую сделать новый вариант контроллера под регулирование t и w с системой охлаждения и на этом поставить точку в данной теме, потому что она, конечно же, уже не отражает того, чем я реально занимаюсь. Думаю открыть затем новую тему типа такой "Система регулирования температуры и влажности в теплице", где отлаживать режимы уже на практике.
Но датчиков и ИМ становится больше и логика их переключения превращается в непростую задачу. Искал материалы об этом - не нашёл, попробую в ближайшее время прикинуть чисто из соображений здравого смысла, если что разумное родится - напишу здесь. Пока же нужно доделать каркас в теплице, там осталось чуть-чуть доварить и можно очищать, грунтовать, красить, накрывать плёнкой, делать вход и вентиляцию.

 

Если и использовать простейшие терморегуляторы, то они должны быть как минимум дифференциальными, то есть должны уметь сравнивать температуры в разных местах и исходя из величины разницы между этими температурами, предпринимать какие то переключающие действия.
Так что нужна связка не только между одной температурой и влажностью, а так же и нескольких дельт температур (улица, воздуха в теплице, грунта и тд).

 

Может это будет и излишним, ведь у нас дачные теплицы, а не блочные 5-го поколения километр на километр. Я производил замеры температур при открытых дверях и форточках, датчиков было 3, они показали разницу всего в 3ºС, а зарегистрированный пик температуры - 39ºС, и это когда всё открыто, а на улице был не самый жаркий день, с облачностью, в среднем - 27ºС.
Тут даже сравнивать нечего - отклонение температуры от оптимальной: 39ºС - 25ºС = 14ºС, а разброс температур - 3ºС. Плюс пересушенный воздух для полного комплекта. И что же получается? Везде ставите приводы - и на форточки и на двери, а получаете Сахару? Мне лично такая автоматика не нужна. Раз в жару всё равно всё настежь, то я и сам могу открыть.
Т. е., без испарительного охлаждения не стоит даже начинать. Ставим с северной стороны трубу, свёрнутую из плёнки, по центру вертикально в ней фоггеры, снизу дуем, сверху идёт влажный охлаждённый воздух, вода собирается в поддон и используется снова. Такая простенькая СИОД может работать постоянно, ни одна капля на растения не попадёт. А заодно и разница температур, вследствие вентиляции, будет выравниваться.
Насколько реально изменятся температура и влажность можно только на практике узнать, однако обе будут сдвигаться в правильном направлении. Раньше пробовал, за минуту температура падала не помню точно на сколько, но сильно, градусов на 8. Правда разбрызгивал прямо на растения.

.

 

Я немного про другую дельту. Например в солнечных коллекторах дифференциальные контроллеры действуют по принципу: как только температура внутри коллектора становится больше температуры в емкости с водой которая нагревается, то включается циркуляционный насос, который перекачивает тепло из коллектора в эту емкость. При этом нет привязки к определенной температуре, здесь самое важное, что одна температура больше другой на определенное количество градусов.
То есть для теплицы сравнивается например температура воздуха и почвы. И если эта разница превышает нужный предел, то включается например вентилятор, который прогоняет воздух по трубам в земле.
Так же сравнивается температура в теплице и например на улице. И форточки открываются не только по определенной температуре, а и по разнице температур между улицей и в теплице.
Такие алгоритмы конечно усложняют весь процесс создания оптимальных условий, но по моему без таких взаимосвязей не получится создать нужную работу контроллера.

 

Грунт я исключаю, как средство регулирования температуры и влажности летом. Весной понятно, в грунте дефицит тепла - гоняем, а летом грунт будет неуклонно прогреваться вплоть до температуры окружающей среды. Даже весной дельта между вдуваемым и выдуваемым воздухом мала (градуса 2) и слабо снижает температуру воздуха в теплице, что хорошо для прогрева грунта. Летом же немыслимо держать теплицу закрытой и, добавляя контур ТА под землёй, мы задаём верхний порог нагрева грунта градусов 28, а значит ниже этой температуры он воздух не охладит. То есть и воздух не охладим, и грунт перегреем.

 

Хотелось бы сделать теплотехнический расчёт испарительного охлаждения, но я в этом не дока, поэтому попробую хотя бы примитивный прикид сделать, сравнив его с поливом.
Можно считать что вся вода, используемая для полива, в конце концов испаряется обратно, охлаждает и увлажняет воздух в теплице. У меня теплица с полезной площадью около 20 кв. м. Для полива используется 110 капельниц производительностью 2 л/час, полив - через день. Получается, испаряется 110 л воды в день. Наверное часть воды, всё же, уходит в нижние горизонты почвы и 0,2% идёт на образование зелёной массы.
Примем что испаряется 100 л. Нас интересует только середина дня, когда инсоляция и температура максимальны. Естественно, в период солнцестояния самый солнцепёк и полуденная жара дольше, но примем что испарять нужно в среднем 4 часа с мая по август включительно. По идее, испарения в пик жары должны намного превышать испарения в оставшиеся 20 час, однако, если учесть депрессию фотосинтеза при высокой температуре, то растения в эти 4 часа закрывают устьица и стараются сохранить влагу. Поэтому считаем что без испарительного охлаждения, ввиду депрессии фотосинтеза, испарение частично снижается. Примем, тоже от валета, что за 4 часа испаряется треть суточной нормы, т. е. примерно 35 л.
Из других данных, через крупное растение томата при тёплой погоде в среднем проходит 1 л воды в сутки. У меня в теплице порядка 70 кустов, т. е. проходит 70 л в сутки. Если учесть, что часть воды испаряется прямо из почвы, получаем близкие цифры.
Итак, климат в теплице и безо всякой установки испарительного охлаждения, создаётся именно за счёт испарений, но испарительными форсунками, в данном случае, служат сами растения. И при этом температура в теплице часто бывает за 30ºС, а влажность низкая, даже если все форточки и двери открыты. Трудно сказать, какая температура сложилась бы в теплице, если бы растений не было вообще, однако замечал, что в начале лета, пока растения маленькие, заметно жарче. Видимо большая часть воды не высасывается корнями, а уходит в нижние горизонты и испарений меньше.
Из примеров, найденных в интернете, в помидорной теплице использовалась система испарительного охлаждения с форсунками производительностью 2 л/мин. Экспозиция распыла составляла 10-12 сек, а перерыв - 10-15 мин.
Подсчитаю, какое количество воды потребуется мне для охлаждения, если у меня 10 таких форсунок, что вполне достаточно для такой теплицы, как моя.
Расход воды на теплицу в минуту: 2 л/мин * 10 = 20 л/мин.
Среднее время работы системы охлаждения в день - 4 час.
Скважность - 60
Время включения форсунок за день - 4 мин
Расход воды за день - 20 л/мин * 4 = 80 л
В результате, мы получили норму расхода, в 2 раза превышающую испарение влаги растениями за то же время. Надеюсь что при таком расходе влажность в теплице должна подрасти процентов на 5-10, а температура снизиться на 2-3 или более градусов, что создаст намного более здоровые условия для фотосинтеза растений. Но вообще, хотелось бы сделать прямой теплотехнический расчёт.

 

Вернулся к разработке печатной платы, которую я оставил в апреле.
Нашёл в ней ошибки подключения DS3231, исправил. Все разъёмы свёл в одну линию. Посмотрел, какие датчики нужно добавить: датчик температуры и влажности атмосферы решил не ставить, оставить как было - датчик одной температуры. Для подключения датчика температуры плёнки и 2-го датчика температуры ничего на плате менять не надо, они все DS18B20 и будут висеть на одном входе. Датчик температуры листа - не нашёл приемлемого по цене решения, решил пока не ставить, а просто вывести на распаечную планку один запасной вывод.
Сейчас плата вот так выглядит:

Дисплей в этом варианте планировал расположить не перпендикулярно к плате, как в 1-й версии, а параллельно. Здесь он виден слева, как чёрный прямоугольник с красным торцом. На самом деле он высокий, это модельку такую нарисовал, что размеры не в пропорции. После того как загну, должен будет закрыть большую часть платы, в т. ч. обе микросхемы. Это не есть хорошо, если ремонт потребуется, но другого варианта не нашёл. Хуже что дорожки от SMD деталей оказываются с той же стороны, что и LCD вставляется. В общем, нужно ещё подумать, что-то не склеивается.

 

Да проблем то? Дисплей на разъем. Я сейчас делаю все пока на макетке, дисплей у меня на разъеме. Шаг ножек у всех стандартный 2,54мм Надо под ним поковыряться снял, поковырял назад поставил.
реле 220 будут коммутировать? Если да то пугают очень тонкие дорожки. ну если не 220 то все рано тонковаты :-(

 

Разъём - понятно, но не хотелось бы, но главная проблема - запайка самого модуля. При запайки LCD со стороны SMD, вот ведь что получается:
- ножки то как запаивать?
Другой вариант - развернуть LCD вокруг своей оси на 180º, тогда он будет со стороны объёмных деталей (реле, разъёмов, кв. резонатора, но выводы 1-16 поменяются местами зеркально, однако видимо придётся так и сделать.

 

Осталось на плату только внутрисхемный программатор воткнуть, но возникла проблема из-за того, что раньше не думал о том, что для этого понадобится несколько свободных линий МК. Вначале хотел совместно использовать выводы для программатора и для схемы, однако решил от греха подальше - трудно проанализировать все возможные конфликты между программатором и нагрузками линий.
Если использовать выводы протокола SPI, то это отбирает 4 вывода МК: MOSI -15-й, MISO - 16-й, SCK - 17-й (выводы подключены к LCD1602) и RST - 29 -й.
Если использовать для программирования USB эмулятор COM-порта, то понадобится три вывода МК: RXD - 30-й, TXD - 31-й (к ним подключены выходы МК на вентиляцию и полив) и RST - 29 -й.
Если докупить к дисплеям модуль IIC, то высвободится 2 линии и две там есть ещё рядом, но это удорожание, плюс приставка на разъёме, что снижает надёжность, да и выводы оказываются слишком далеко от краевых разъёмов внизу платы. Во втором варианте переделок вроде как меньше, поэтому к нему склоняюсь, но ещё нужно будет посмотреть. Правда в этом случае ещё понадобится купить переходник USB-RS232 и программатор USBavr всё равно придётся использовать для прошивки начального загрузчика.
Впрочем, какая разница? Главное чтобы сделать хоть любой вариант внутрисхемной загрузки, а позже можно попробовать сделать и другой вариант - он хорош тем, что в схему можно будет сразу смело запаивать чистую микросхему, без начального загрузчика.