Inteligentna komora wzrostu roślin: 13 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Wpadłem na nowy pomysł, jakim jest inteligentna komora wzrostu roślin. Wzrost roślin w kosmosie wzbudził duże zainteresowanie naukowe. W kontekście lotów kosmicznych z udziałem ludzi mogą być spożywane jako pożywienie i/lub zapewniać orzeźwiającą atmosferę. używaj poduszek roślinnych do uprawy żywności na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Więc wpadam na pomysł, żeby pójść dalej.

Problemy z uprawą żywności w kosmosie:

Powaga:

Jest to główna przeszkoda w uprawie żywności w kosmosie wpływa na wzrost roślin na kilka sposobów: 1 nie można prawidłowo podlewać roślin, ponieważ nie ma grawitacji, więc woda nie może być dostarczana przez zraszacze wodne i inne konwencjonalne metody stosowane na ziemi.

2 Woda nie może dotrzeć do korzeni rośliny, ponieważ nie ma grawitacji.

3 Na wzrost korzeni wpływa również grawitacja. (korzenie roślin schodzą w dół, a roślina rośnie w górę) Tak więc korzenie roślin nigdy nie rosną we właściwym kierunku.

Promieniowanie:

1. W kosmosie jest dużo promieniowania, które jest szkodliwe dla roślin.

2. Promieniowanie z wiatru słonecznego wpływa również na rośliny.

3. Dużo promieni ultrafioletowych również szkodliwych dla roślin.

Temperatura:

1. W kosmosie występuje duża zmienność temperatury (temperatura może wzrosnąć do stu stopni i spaść do minus stu stopni).

2. Temperatura zwiększa parowanie wody, dzięki czemu rośliny nie mogą przetrwać w kosmosie.

Monitorowanie:

1. Monitorowanie roślin w kosmosie jest bardzo trudne, ponieważ osoba stale monitoruje wiele czynników, takich jak temperatura, woda i promieniowanie.

2. Różne rośliny wymagają różnych zasobów, jeśli istnieją różne rośliny, monitorowanie staje się trudniejsze.

Więc wpadłem na pomysł, aby wyeliminować wszystkie te przeszkody. Jest to komora do uprawy żywności w kosmosie przy bardzo niskich kosztach. Zawiera wszystkie zbudowane zasoby i technologie, które przezwyciężają wiele trudności. Więc zacznijmy się gapić !!!

Do czego ta komora jest zdolna:

1. Wyeliminuj efekt grawitacji.

2. Zapewnienie odpowiedniej wody korzeniom roślin. (Kontrolowane - ręcznie, automatycznie)

3. Zapewnienie roślinom sztucznego oświetlenia do fotosyntezy.

4. Zminimalizuj efekt promieniowania.

5. Wykrywanie środowiska, takiego jak temperatura gleby, wilgotność, temperatura otoczenia, wilgotność, promieniowanie, ciśnienie i wyświetlanie danych w czasie rzeczywistym na komputerze.

Krok 1: Wymagany składnik:

1. ESP32 (główna płyta przetwarzająca, możesz również używać innych płyt).

2. DHT11 lub DHT-22. (DH22 zapewnia lepszą dokładność)

3. DS18b20 (wodoodporna wersja metalowa).

4. Czujnik wilgotności gleby.

5. Pompa wody. (12 V).

6. Arkusz z tworzywa sztucznego.

Wentylator 7,12 V prądu stałego.

8. Czujniki gazu.

9. ULN2003.

10. Silnik serwo.

11. Tafla szklana.

12. Arkusz elektrostatyczny.

13. Przekaźnik 12 V.

14. BMP 180.

15. 7805 Regulator napięcia.

16.100uF, kondensator 10uF.

17. Światło dachowe samochodu (LED lub CFL). (Kolor zdefiniowany dalej).

18. Zasilanie SMPS (12 V - 1 A, jeśli napędzasz pompę z oddzielnego źródła zasilania, w przeciwnym razie zasilanie do 2 amperów)

Krok 2: Wymagania dotyczące oprogramowania:

1. Środowisko Arduino.

2. LABView

3. Instalacja ESP32 w Arduino IDE.

4. Biblioteki ESP32. (Wiele bibliotek różni się od bibliotek Arduino).

Krok 3: Zrób pojemnik i system nawadniania:

Zrób plastikowy pojemnik o dowolnym rozmiarze zgodnie z wymaganiami lub dostępną przestrzenią. Materiał użyty na pojemnik jest plastikowy, więc nie można go zutylizować przez wodę (może być również wykonany z metali, ale zwiększa to koszt i wagę, ponieważ istnieje limit wagi rakiety)

Problem: W kosmosie nie ma grawitacji. Krople wody pozostają wolne w kosmosie (jak pokazano na zdjęciu NASA) i nigdy nie docierają do dna gleby, więc podlewanie konwencjonalnymi metodami nie jest możliwe w kosmosie.

Również drobne cząstki tworzą glebę unoszącą się w powietrzu.

Rozwiązanie: Umieszczam małe rurki z wodą w glebie (ma małe otwory) na środku i rurki są podłączone do pompy. Gdy pompa się włączy, woda wypłynie z małych otworów rurki na dno gleby, aby z łatwością dotarła do korzeni rośliny.

Mały wentylator jest przymocowany na górze komory (powietrze przepływa w górę do dołu), aby zapewnić ciśnienie małym cząsteczkom i uniknąć unoszenia się na zewnątrz komory.

Teraz wrzuć ziemię do pojemnika.

Krok 4: Czujniki gleby:

Wkładam dwa czujniki w glebę. Pierwszy to czujnik temperatury (DS18b20 wodoodporny). Które wykrywają temperaturę gleby.

Dlaczego musimy znać temperaturę i wilgotność gleby?

Ciepło jest katalizatorem wielu procesów biologicznych. Gdy temperatura gleby jest niska (a procesy biologiczne powolne), niektóre składniki odżywcze stają się niedostępne lub mniej dostępne dla roślin. Dotyczy to zwłaszcza fosforu, który w dużej mierze odpowiada za promowanie rozwoju korzeni i owoców w roślinach. Tak więc brak ciepła oznacza, że mniej składników odżywczych powoduje słaby wzrost. Szkodliwa dla roślin jest również wysoka temperatura.

Drugi to czujnik wilgotności. Który wykrywa wilgotność gleby, jeśli wilgotność w glebie zmniejszy się ze wstępnie określonego limitu, silnik włącza się, gdy wilgotność osiąga górną granicę, silnik automatycznie się wyłącza. Górna i dolna granica zależą i różnią się w zależności od rośliny. Powoduje to system zamkniętej pętli. Woda odbywa się automatycznie bez ingerencji człowieka.

Notatka. Zapotrzebowanie na wodę dla różnych roślin. Trzeba więc dostosować minimalny i maksymalny poziom wody. Można to zrobić za pomocą potencjometru, jeśli używasz interfejsu cyfrowego, w przeciwnym razie można to zmienić w programowaniu.

Krok 5: Wykonywanie szklanych ścian

Na tylnej ściance pojemnika znajdują się ścianki pokryte folią elektrostatyczną. Ponieważ nie ma pola magnetycznego, które chroni nas przed wiatrami słonecznymi. Używam prostej tafli szklanej, ale pokrywam ją arkuszem elektrostatycznym. Arkusz elektrostatyczny zapobiega naładowaniu cząstki wiatru słonecznego. Pomocne jest również zminimalizowanie efektu promieniowania w przestrzeni. unika również unoszenia cząstek gleby i wody w powietrzu.

Dlaczego potrzebujemy ochrony elektrostatycznej?

Stopiony żelazny rdzeń Ziemi wytwarza prądy elektryczne, które wytwarzają linie pola magnetycznego wokół Ziemi, podobne do tych, które występują w zwykłym magnesie sztabkowym. To pole magnetyczne rozciąga się na kilka tysięcy kilometrów od powierzchni Ziemi. Ziemskie pole magnetyczne odpycha cząstki ładunku w postaci wiatru słonecznego i zapobiega przedostawaniu się do ziemskiej atmosfery. Ale nie ma takiej ochrony poza Ziemią i na innych planetach. Więc potrzebujemy innej sztucznej metody, aby chronić nas i rośliny przed tymi cząstkami ładunku. Folia elektrostatyczna jest w zasadzie folią przewodzącą, więc nie pozwala na przedostanie się do środka cząstki ładunku.

Krok 6: Migawka budynku:

Każda roślina potrzebuje światła słonecznego. Długotrwałe przebywanie na słońcu i wysokie promieniowanie również szkodliwe dla roślin. Skrzydła migawki są przymocowane z boku lustra, a następnie połączone z serwomotorami. Kąt otwarcia skrzydła i wpuszczenie światła, które jest utrzymywane przez główny obwód przetwarzania

Element wykrywający światło LDR (rezystor zależny od światła) jest podłączony do głównego obwodu przetwarzania Jak działa ten system:

1. W nadmiernym napromieniowaniu i oświetleniu (które jest wykrywane przez LDR) zamyka skrzydła i eliminuje światło do wewnątrz. 2. Każda roślina ma swoją potrzebę światła słonecznego. Główny obwód przetwarzania odnotowuje czas, aby umożliwić światło słoneczne po tym, jak wiatry są zamknięte. Pozwala uniknąć dodatkowego oświetlenia w komorze.

Krok 7: Wykrywanie i kontrola środowiska:

Różne rośliny wymagają różnych warunków środowiskowych, takich jak temperatura i wilgotność.

Temperatura: Do pomiaru temperatury otoczenia używany jest czujnik DHT-11 (DHT 22 może być użyty do uzyskania wysokiej dokładności). Gdy temperatura wzrośnie lub spadnie od określonego limitu, ostrzega i włącza wentylator zewnętrzny.

Dlaczego musimy utrzymywać temperaturę ?

Temperatura w kosmosie wynosi 2,73 Kelvina (-270,42 Celsjusza, -454,75 Fahrenheita) po ciemnej stronie (gdzie słońce nie świeci). Strona zwrócona w stronę słońca, temperatura może osiągnąć gorącą temperaturę około 121 C (250 stopni F).

Utrzymuj wilgotność:

Wilgotność to ilość pary wodnej w powietrzu w stosunku do maksymalnej ilości pary wodnej, jaką powietrze może utrzymać w określonej temperaturze.

Dlaczego musimy utrzymywać wilgotność ?

Poziomy wilgotności wpływają na to, kiedy i jak rośliny otwierają aparaty szparkowe na spodniej stronie liści. Rośliny używają aparatów szparkowych do transpiracji lub „oddychania”. Gdy pogoda jest ciepła, roślina może zamknąć szparki, aby ograniczyć straty wody. Szparki działają również jako mechanizm chłodzący. Gdy warunki otoczenia są zbyt ciepłe dla rośliny i zbyt długo zamyka aparaty szparkowe w celu oszczędzania wody, nie ma możliwości przemieszczenia cząsteczek dwutlenku węgla i tlenu, powoli powodując, że roślina dusi się parą wodną i własnymi gazami.

W wyniku parowania (z roślin i gleby) wilgotność gwałtownie wzrasta. Jest szkodliwy nie tylko dla roślin, ale także dla czujnika i szklanego lustra. Można to zaniedbać na dwa sposoby.

1. Plastikowy papier na wierzchu powierzchni łatwo zapobiega wilgoci. Plastikowy papier rozprowadza się na wierzchniej powierzchni gleby z otworem na substrat i nasiona (Roślina w nim rośnie). Jest również pomocny podczas podlewania.

Problemem tej metody jest to, że rośliny o większych korzeniach potrzebują powietrza do gleby i korzeni. plastikowa torba zatrzymuje powietrze, aby całkowicie dotrzeć do korzeni.

2. Małe wentylatory są zamocowane na górnym dachu komory. Wilgotność w komorze mierzy wbudowany higrometr (DHT-11 i DHT-22). Gdy wilgotność wzrasta z limitu, wentylatory włączają się automatycznie, Przy dolnym limicie wentylatory są zatrzymywane.

Krok 8: Wyeliminuj grawitację:

Z powodu grawitacji łodygi rosną w górę lub z dala od środka Ziemi w kierunku światła. Korzenie rosną w dół lub w kierunku środka Ziemi, z dala od światła. Bez grawitacji roślina nie odziedziczyła zdolności do orientacji.

Istnieją dwie metody eliminacji grawitacji

1. Sztuczna grawitacja:

Sztuczna grawitacja to wytworzenie siły bezwładności, która imituje działanie siły grawitacji, zwykle w wyniku rotacji w wyniku wytwarzania sił odśrodkowych. Proces ten nazywany jest również pseudograwitacją.

Ta metoda jest zbyt droga i bardzo trudna. istnieje zbyt wiele szans na niepowodzenie. Również ta metoda nie może być poprawnie przetestowana na ziemi.

2. Korzystanie z substratu: jest to zbyt łatwa metoda, a także skuteczna tkanina. Nasiona są trzymane w małej torebce zwanej Substrate. Nasiona są trzymane pod podłożem, które zapewnia właściwy kierunek korzeniom i liściom, jak pokazano na rysunku. Pomaga zapuszczać korzenie w dół i sadzić liście ku górze.

Jest to tkanina z dziurami. Ponieważ nasiona znajdują się w środku, pozwala na wchodzenie wody, a także umożliwia korzeniom wychodzenie i wnikanie w glebę. Nasiona są trzymane pod ziemią na głębokości od 3 do 4 cali.

Jak umieścić ziarno pod ziemią i utrzymać swoją pozycję?

Wycinam plastikowy arkusz o długości od 4 do 5 cali i formuję z przodu rowek. Umieść to narzędzie na połowie długości tego materiału (strona z rowkiem). Włóż nasiona do rowka i owiń ściereczką. Teraz włóż to narzędzie do gleby. Wyjmij narzędzie z gleby, aby nasiona i podłoże dostały się do gleby.

Krok 9: Sztuczne światło słoneczne:

W kosmosie światło słoneczne przez cały czas nie jest możliwe, więc może być wymagane sztuczne światło słoneczne. Odbywa się to za pomocą CFL i nowo pojawiających się świateł LED. Używam światła CFL, które jest w kolorze niebieskim i czerwonym, niezbyt jasne. Te światła montowane na górnym dachu komory. Zapewnia to pełne spektrum światła (świetlówki kompaktowe są używane, gdy istnieje zapotrzebowanie na światło o wysokiej temperaturze, podczas gdy diody LED są używane, gdy rośliny nie wymagają ogrzewania lub niskiego ogrzewania. Można to sterować ręcznie, zdalnie lub automatycznie (sterowane przez główny obwód przetwarzania).

Dlaczego używam kombinacji koloru niebieskiego i czerwonego?

Niebieskie światło pasuje do szczytu absorpcji chlorofilów, które w procesie fotosyntezy wytwarzają cukry i węgle. Pierwiastki te są niezbędne do wzrostu roślin, ponieważ są budulcem komórek roślinnych. Jednak niebieskie światło jest mniej skuteczne niż czerwone światło do prowadzenia fotosyntezy. Dzieje się tak, ponieważ niebieskie światło może być pochłaniane przez pigmenty o niższej wydajności, takie jak karotenoidy i nieaktywne pigmenty, takie jak antocyjany. W rezultacie następuje redukcja energii światła niebieskiego, która trafia do pigmentów chlorofilowych. Co zaskakujące, gdy niektóre gatunki są uprawiane tylko przy świetle niebieskim, biomasa roślin (masa) i tempo fotosyntezy są podobne do roślin uprawianych tylko przy świetle czerwonym.

Krok 10: Monitorowanie wizualne:

Używam LABview do wizualnego monitorowania danych i kontroli również dlatego, że LABview jest bardzo elastycznym oprogramowaniem. To szybka akwizycja danych i łatwa w obsłudze. Może być podłączony przewodowo lub bezprzewodowo do głównego obwodu przetwarzania. Dane pochodzące z głównego układu przetwarzania (ESP-32) są formatowane i wyświetlane na LABview.

Kroki, które należy wykonać:

1. Zainstaluj LABview i pobierz. (nie ma potrzeby instalowania dodatków Arduino)

2. Uruchom poniższy kod vi.

3. Podłącz port USB do komputera.

4. Prześlij kod Arduino.

5. Port COM pokazany w labview (jeśli Windows dla Linuksa i MAC "dev/tty") i wskaźnik pokazuje, że twój port jest podłączony lub nie.

6. Zakończ!! Dane z różnych czujników wyświetlane na ekranie.

Krok 11: Przygotuj sprzęt (obwód):

Schemat obwodu pokazano na rysunku. można również pobrać plik PDF podany poniżej.

Składa się z następujących części:

Główny obwód przetwarzania:

Można użyć dowolnej płyty zgodnej z arduino, takiej jak arduino uno, nano, mega, nodeMCU i STM-32. ale ESP-32 używa z następującego powodu:

1. Posiada wbudowany czujnik temperatury, dzięki czemu w przypadku wysokiej temperatury możliwe jest przejście procesora w tryb głębokiego uśpienia.

2. Główny procesor jest ekranowany metalem, dzięki czemu efekt promieniowania jest mniejszy.

3. Wewnętrzny czujnik efektu Halla służy do wykrywania pola magnetycznego wokół obwodów.

Sekcja czujnika:

Wszystkie czujniki są zasilane napięciem 3,3 V. Regulator napięcia wewnątrz ESP-32 zapewnia niski prąd, więc może się przegrzać. Aby tego uniknąć, zastosowano regulator napięcia LD33.

Węzeł: zastosowałem zasilanie 3,3 V, ponieważ w użyciu ESP-32 (tak samo dla nodeMCU i STM-32). Jeśli używasz arduino, możesz również użyć 5 woltów

Główne źródło zasilania:

Używany jest zasilacz impulsowy 12 V 5 A. można również użyć regulowanego zasilacza z transformatorem, ale jest to zasilanie liniowe, więc jest zaprojektowane dla określonego napięcia wejściowego, więc wyjście zostanie zmienione, gdy przełączymy 220 woltów na 110 woltów. (zasilanie 110 V jest dostępne w ISS)

Krok 12: Przygotuj oprogramowanie:

Kroki, które należy wykonać:

1. Instalacja Arduino: Jeśli nie masz arduino, możesz pobrać z linku

www.arduino.cc/en/main/software

2. Jeśli masz NodeMCU Wykonaj następujące kroki, aby dodać go za pomocą arduino:

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

3. Jeśli używasz ESP-32 Wykonaj następujące kroki, aby dodać go z arduino:

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

4. Jeśli używasz ESP-32 (prosta biblioteka DHT11 nie działa poprawnie z ESP-32) możesz pobrać stąd:

github.com/beegee-tokyo/DHTesp

Krok 13: Przygotuj LABview:

1. Pobierz LABview z tego linku

www.ni.com/en-in/shop/labview.html?cid=Paid_Search-129008-India-Google_ESW1_labview_download_exact&gclid=Cj0KCQjw4s7qBRCzARIsAImcAxY0WhS0V5T275xQrIi9DYkYNLYgYaVCdSO

2. Pobierz plik vi.

3. Podłącz port USB. Wskaźnik pokazuje port jest podłączony lub nie.

Gotowe!!!!