Проект за технологією - Розумна теплиця, Шкільна ліга РОСНАНО

МБОУ «Ліцей №15 ім. акад. Ю.Б.Харітона »

Творчий проект

Цифрові технології на дачі

або розробка та виготовлення моделі

«Розумна теплиця»

Розробили: учень 7А Воронін Андрій

учень 7А Нікішин Андрій

Перевірив: учитель технології Ямананев В. М.

1. Назва проекту.

Цифрові технології на дачі або розробка та виготовлення моделі «Розумна теплиця»

Запровадження

Опис проблеми:

Існує кілька способів отримання альтернативної енергії – вітроенергетика, сонячна енергетика, енергія припливів та відливів, а також отримання біопалива для техніки через вирощування певних рослин. Людство все активніше впроваджує у житті різноманітні технології. Ми хочемо розповісти про дуже відомий спосіб отримання енергії - вирощування продуктів-овочів як їжа для людей. Електроенергія потрібна людям живлення електроспоживачів. А ось те, що овочі є альтернативним видом енергії саме для людей – ми якось не замислюємось.

Насправді, фотосинтез рослин – це акумуляція світлової та теплової енергії Сонця та перетворення її на хімічну енергію продуктів харчування.

Людство з недавніх пір стурбоване отриманням електроенергії через сонячні батареї, воно бореться за кожен відсоток збільшення ККД цих батарей і якось знову не замислюється - а на що витрачається ця електроенергія? Наприклад, на освітлення та підігрів теплиць для вирощування овочів… А якщо ми збільшимо ККД наших теплиць, отримаємо більше овочів з кв.метра, то ми заощадимо цю саму електроенергію!

Теплиці з'явилися як продукт сучасних технологій для отриманняпродуктів харчування, як альтернатива грядок просто неба. Теплиці дозволили людям збільшити вегетаційний період для рослин шляхом створення для них комфортних умов, що дало підвищений вихід продуктів із кв. Але до трудовитрат з вирощування - посадка, поливання, збирання, додалися матеріальні та енергетичні витрати – на будівництво, обігрів та освітлення. Причому досить великі, що робить тепличне господарство не дуже рентабельним.

Як можна знизити ці витрати?

Тільки застосовуючи новітні технології, аж до IT-інформаційних технологій.

Ось такумету ми поставили собі при розробці нашого проекту «Розумна теплиця».

Теплиці в Україні з'явилися при Петрі, називалися вони оранжереями, і вирощували в них усілякі екзотичні речі, зокрема апельсини. Але при цьому не зважали на витрати, праця кріпаків була безкоштовною. У радянські часи тепличне господарство вирощувало овочі-вітаміни для радянських людей теж затратно. А ось у 90-х роках ринок себе показав як хижак – виживає найсильніший, і теплиці все тихо пішли в льоту.

Але ж овочі потрібні людям. І в підсобному господарстві, на дачах, теплиці вижили, але все одно вони були економічно не вигідні з рівнем технологій того часу.

Наше завдання - застосувати у теплиці для підсобного господарства, для дачі, сучасні технології, сучасні матеріали, знання для зниження витрат на виробництво овочів. А це загалом нам дасть ще один спосіб отримання альтернативної енергії.

Проведемоаналіз тепличного господарства, всі його плюси та мінуси.

1.З конструкційної точки зору тут покращувати майже нічого, на заміну склу та поліетилену прийшов полікарбонат. Поки що це найкращий за багатьма показниками (як для людей, так і длярослин) матеріал. Ми його також використовуємо у нашій теплиці.

2. Основна проблема для дачної теплиці – відсутність людей у будні. Порушується основний принцип теплиці – тепловий баланс. Вночі, в холодну пору, теплиця повинна бути закритою, для збереження тепла, а вдень - спекотний час - відкрита, для вентилювання повітря. Проблема: Відкрити-Закрити.

1/Temp/msohtml1/01/clip_image002.jpg" />Вирішувалась просто - не закривалася взагалі. І це краще, ніж не відкривалася взагалі. Ми підемо по раціональному шляху - будемо відкривати-закривати, але не самі, а За допомогою автоматики зараз існують недорогі електромотори, які під управлінням недорогої автоматики працюватимуть майже безкоштовно, трохи електрики для них виробить недорога сонячна батарея (СБ) і запасе в собі недорогий, але досить ємний акумулятор.

Основна проблема СБ - маленький ккд, особливо в похмурий час. І в сонячний час, тим паче. Начебто світло є - а акумулятор заряджається погано, - сонце не стоїть на місці, на відміну від батареї. А ми застосуємо недорогий пристрій для стеження та повороту СБ – трекер. Він підніме ККД нашої СБ без якихось особливих наукових досліджень. І за допомогою недорого контролера економічно зарядить ємні літії - іонні акумулятори.

1/Temp/msohtml1/01/clip_image004.jpg" /> Також недорогий мікроконтролер на базі Arduino(МКА) при досягненні необхідної температури дасть команду кроковим двигунам відкрити або закрити фрамуги. У разі дуже високої температури (неможливості знизити температуру провітрюванням) ) , МКА дасть команду на включення вентилятора, який засмоктуватиме гаряче повітря під ковзаном теплиці і проганятиме його через спеціальний термоакумулятор ТА( утеплена ємність, заповнена 2-х5-ти літровими пластиковими)пляшками, об'ємом до 1м3). А холодне повітря з ТА надходитиме в теплицю для зниження температури повітря в ній.

В екстреному випадку МКА дасть команду на опускання світловідбиваючого екрану-плівки (матеріал Mylar розроблений НАСА). Причому цей екран працюватиме і в нічний час як пристрій, що відображає до 90% тепла всередину теплиці при нічному зниженні температури. ТА за командою МКА теж підігріє рослини вночі теплом, рекупірованим у денний час. Підігрітою водою до 30 градусів, ТА може дати

дати від 40 до 100 Мдж тепла, що дозволить рослинам не замерзнути і навіть продовжити вегетацію вночі.

1/Temp/msohtml1/01/clip_image006.jpg" /> 3. Світловий режим. Тут проблема в тому, що для росту рослин потрібен певний режим освітлення, а навесні дні ще короткі. Саджанці теж поки не великі, але без світла їх зростання буде уповільнено.Є дослідження, які говорять про певний режим, досвітку рослин, причому певного спектру видимого світла, достатньо висвітлювати їх червоним і трохи синім (у співвідношенні приблизно 4:1, 70-80% червоного світла і 30- 20 - синього).Таким чином, не витрачається енергія на марне освітлення в інших діапазонах спектру.А як відомо, витрати на освітлення при вирощуванні в теплицях та парниках, при підготовці розсади дуже значні.І також з'ясовано, що імпульсне світло певної частоти нічим не гірше постійно палаючого За допомогою МКА ми включатимемо наші світлодіоди рано-вранці до світанку і після заходу сонця на певний час - до встановленого світлового порогу в пульсуючому режимі, що знову ж таки знизить витрати на електроенергію.

4. Вода, тобто. полив. Важлива складова у житті рослин. Для поливу потрібна тепла, збагачена киснем вода, подана в потрібний час,потрібну кількість. Система крапельного поливу вже існує, вона довела свою практичність, тому ми впроваджуємо її в нашу теплицю. А поливом керуватиме наш МКА. По датчику вологості та у вечірнє 1/Temp/msohtml1/01/clip_image008.jpg" />час МКА дасть команду насосу на полив рослин. До цього моменту МКА приготує цю воду шляхом перекачування води в певні напірні ємності і прокачає через їх повітря за допомогою компресора Вологість повітря - теж необхідний показник середовища в теплиці Огірки вимагають підвищену вологість, що досягається за допомогою туманоутворювачів: ультразвукове розпилення або фонтанний тип розпилення.

5. Живлення рослин. Це завдання теж вже вирішено. Разом з краплинним поливом рослини подаються необхідні порції розчинених добрив, так звана феригація.

5а. Живлення рослин вуглекислим газом. Це основна їжа рослин. Використовувати можна два способи - відкривати на певні проміжки часу вентиль від балона з вуглекислим газом. Спосіб дорогий, але автоматизований за допомогою МКА. Другий спосіб більш доступний і раціональний - маємо ємність із водою, гною та травою. Суміш бродить із виділенням вуглекислого газу. У потрібний час періодично включати компресор для прокачування ємністю повітря, бродіння посилюється, вуглекислий газ виділяється .

Методи та інструменти реалізації:

1/Temp/msohtml1/01/clip_image010.jpg" /> Всі запропоновані способи автоматизації здійсненні за наявності наступних пристроїв: мікроконтролерів на основі Arduino і датчиків - освітленості, вологості та температури, реального часу, вуглекислого газу, рівня; сервоприводів , крокових двигунів, водяних насосів, повітряних компресорів, сонячної батареї з контролером, літій - іонних акумуляторів, вентиляторів.

Рішення: Були придбані необхідні пристрої через Інтернет-торгівлю в Китаї. Це найбюджетніший варіант виготовлення діючої моделі «Розумної теплиці». Виготовлено модель теплиці в масштабі 1:100, зібрані теплоакумулятори з вентилятором від комп'ютера, 2 ємності під воду, все з'єднане трубками і насоси підключені до контролера. Спаяні в ланцюг 15 світлодіодів 11-червоних і 4 синіх для організації досвітки, встановлений термодатчик і з'єднаний у ланцюг з МКА.

Мікроконтролери на основі Arduino були запрограмовані на потрібну послідовність дій усіх пристроїв та випробувані у роботі. Система потребує налаштування до певних параметрів. Для впровадження в справжню теплицю вся автоматика підходить повністю, потрібно буде все посилити потужнішими моторами і вентилятором, що теж легко і економічно здійсненно.

А де ж цифрові технології?

Arduino - це невелика плата з власним процесором та пам'яттю. На платі також є пара десятків контактів, до яких можна підключати всілякі компоненти: лампочки, датчики, мотори, чайники, роутери, магнітні замки дверей і взагалі все, що працює від електрики.

У процесор Arduino можна завантажити програму, яка управлятиме всіма цими пристроями за заданим алгоритмом. Програми для Arduino пишуться на звичайному C++, доповненому простими та зрозумілими функціями для керування введенням/виводом на контактах. Якщо ви вже знаєте C++ - Arduino стане дверима нового світу, де програми не обмежені рамками комп'ютера, а взаємодіють з навколишнім світом і впливають на нього. Для зручності роботи з Arduino існує безкоштовне офіційне середовище програмування Arduino IDE, що працює під Windows, Mac OS і Linux.

За допомогою неї завантаження нової програми вArduino стає справою одного кліка. Повноцінні пристрої можна збирати, використовуючи спеціальну макетну дошку, перемички та дроти абсолютно без паяння. Конструювання ще був таким швидким і простим.

Ось приклад-листинг однієї програми з бібліотеки.

До Arduino підключений аналоговий датчик рівня освітленості, піроелектричний цифровий датчик руху теплих об'єктів та світлодіодна лампа

1/Temp/msohtml1/01/clip_image013.gif" />#define MOTION_SENSOR_PIN 2

1/Temp/msohtml1/01/clip_image015.jpg" />#define LED_LAMP_PIN 5

#define LIGHT_LEVEL_THRESHOLD 600

int lightLevel = analogRead(LIGHT_SENSOR_PIN);

bool motionDetected = digitalRead(MOTION_SENSOR_PIN);

bool tooDark = lightLevel

4. К.Тимошенко. Теплиця з полікарбонату із теплоакумулятором своїми руками. Опис та експлуатація. http://newforum.delaysam.ru/topic.php?forum=1&topic=61

11. Массімо Банці. Arduino для чарівників-початківців.

12. Платт Чарльз. Електроніка для початківців.

Коментарі

Цей проект вийшов інтегрованим з біологією, інформатикою та технологією. Дітям було цікаво працювати з цим проектом, тут можна розробити цілу серію "розумних" пристроїв. Напишіть Ваші зауваження або пропозиції щодо нашого проекту.

Подану роботу можна вважати зразковою для виконання учнями старшої школи. Не називаю цю роботу проектом, тому що тут є і елементи дослідження, і проектування та, нарешті, реалізація створеного проекту. Істотно, що робота виконується невеликим колективом. При виконанні такої роботи відпрацьовуються практично всі компетенції, однак вирішуються всі основні завдання, закладені в нових освітніх стандартах.З іншого боку, робота може виконуватися кілька років, тобто. кількома поколіннями учнів.

Принципово важливим і цінним є те, що робота може бути виконана в умовах звичайної школи, а не тільки в школах при наукових установах.

Дякуємо за цікавий опис більш ніж цікавої роботи.

У цілому нині - поліпшення та модернізація відомого інженерного об'єкта - це, з одного боку, за змістом і значимості зрозуміла, з другого боку, більш ніж цікава і надихаюча робота для учнів 7-8 класів. Адже в цьому випадку вони покращують конструкцію, зроблену дорослими. І в цьому сенсі діють як дорослі.

Інший важливий аспект усієї цієї роботи – знайомство школярів з іншими версіями модернізації вихідної конструкції теплиці. Щоб у підлітків не виникало відчуття єдиності свого рішення.

Вся ця сукупність педагогічних процесів виводить учнів у шар реального проектного мислення.

Дякую за подану роботу. Було цікаво побачити міжпредметний зв'язок, готовий проект, реалізований в умовах школи.