Умная теплица своими руками: конструкции, оборудование и технологии

Традиционные тепличные и парниковые хозяйства даже в благоприятных климатических условиях требуют от владельца немалых усилий для получения планируемого урожая. Можно отметить и комплексы технических работ по обустройству сооружений, но существенную роль в процессе эксплуатации играют задачи элементарного управления. В значительной мере облегчить функции владельца при создании и поддержании таких объектов позволяет концепция умной теплицы. Своими руками ее реализовать можно с помощью специального оборудования и аппаратно-программных средств.

Автоматизация в теплице

В общих чертах умную теплицу можно рассматривать как аналог умного дома. Основная задача системы – обеспечение элементов интеллектуального управления, что положительно отразится сразу на нескольких параметрах эксплуатации хозяйства. Ключевым фактором реализации автоматического управления является контроль показателей микроклимата без участия пользователя. Система должна самостоятельно, опираясь на текущие данные температуры и влажности, регулировать необходимые параметры каждый день, час и даже минуту с учетом требований конкретной растительности. Но могут быть и проблемы в идее внедрения автоматики для теплицы. Своими руками базовые элементы системы реализовать несложно – достаточно подключить датчики с несколькими сенсорами чувствительности к оборудованию, которое непосредственно управляет микроклиматом и прочими регуляционными процессами. Сложность заключается в противоречиях между требованиями разных функциональных компонентов теплицы. Речь идет даже не о том, что условным огурцам и помидорам необходим разный режим полива, а в различиях в плане нужд увлажнения и теплового комфорта применительно к почве и верхней части растений.

Выбор места для теплицы

На первых этапах реализации проекта ориентироваться можно на общие правила технического обустройства сооружения. Разумеется, принципиальным моментом является выбор места расположения хозяйства. Если в регионе имеет место дефицит тепла и солнечной энергии, то скатом и длинной стороной конструкцию следует обращать к югу. Как отмечают специалисты, такое решение себя оправдывает, если упор делается на весеннее выращивание с рассадниками. Летние теплицы, напротив, следует ориентировать к северу, поскольку в этом случае гряды получат более эффективное просвечивание вечерними и утренними лучами. Также в выборе места не стоит забывать о надежности грунта. Своими руками под умную теплицу можно заранее подготовить и универсальный фундамент из свайной конструкции с ростверком. Но если планируется сооружать каркас на базе ленточного фундамента, то должен быть проведен геодезический расчет с показаниями по грунтовым водам. Данный вариант имеет свои ограничения с точки зрения исполнения.

Монтаж верхней конструкционной части

Изначально не стоит забывать о том, что высокотехнологичная и наполненная оборудованием теплица должна предусматривать возможность проведения кабельной проводки и установки сложного оборудования. То есть материалы изготовления следует применять по возможности с податливой структурой в плане обработки. Впрочем, ничего принципиально нового в реализации этой части не будет. Несущий скелет можно выполнить из металлических столбов с поперечными рамами, а для отделки применить стекло или поликарбонат. Монтаж умной теплицы своими руками реализуется типовым набором операций – с помощью метизов, скоб и хомутов осуществляется стыковка между элементами посредством сварочного оборудования или дрели-шуруповерта. Более важен правильный расчет конструкции, чтобы она прослужила долго и не требовала корректировки при эксплуатации. Для коммуникационного обеспечения прокладываются специальные кабель-каналы. Материал для них подбирается из влагостойких и хорошо изолированных пластиков. Уже в самой теплице следует продумать систему заземления и защищенные секции для установки предохранительных блоков.

Техническая реализация тепличной автоматики

Для управления системами контроля микроклимата используются датчики, сенсорные элементы, исполнительные органы и коммуникационные средства для доставки сигналов. Однако без микроконтроллерного управления данную инфраструктуру создать невозможно. В качестве оптимального решения этой задачи используются продукты на базе "Ардуино". Умная теплица под управлением данного устройства получает полный спектр инструментов постоянного контроля функциональными модулями. Система "Ардуино" представляет собой небольшую плату с микросхемой, обеспеченной профессором и памятью. В зависимости от конкретной конфигурации этого устройства может быть подключено определенное количество внешних приборов. В небольших теплицах используется до десятка подконтрольных элементов, среди которых - электродвигатели, осветительные приборы, дверные механизмы, поливочные системы и т. д. Управление подключенными компонентами осуществляется по заданному пользователем алгоритму с учетом внешних параметров.

Как разработать проект "Ардуино"?

Все функциональные элементы управляющего комплекса собираются в индивидуальном порядке. Часть устройств непосредственно входит в обслуживающую систему микроконтроллера, а другая часть участвует в изменении параметров рабочей среды. От пользователя требуется изначально определить, какие функциональные элементы понадобятся для организации автономной работы теплицы и каким образом будет технологически организована функция контроллера. Обычно проекты "Ардуино" разрабатываются по следующему алгоритму:

• Определение целевых факторов, которые влияют на жизнь растений. К базовым относят температуру, влажность, освещенность, а также содержание углекислого газа.
• Составление схемы, по которой будет реализована инфраструктура управления с помощью контроллера.
• Составление схемы размещения оборудования и датчиков с информацией по целевым параметрам.
• Создание технологической карты взаимодействия пульта управления с функциональными узлами контроллера.
• Разработка алгоритма на программном уровне для автоматизации процессов управления теплицей.
• Техническое обеспечение функциональных блоков с системой энергоснабжения.

Виды автоматов проветривания

Циркуляция воздуха – один из ключевых факторов, обеспечивающих сбалансированное развитие теплолюбивых растений. В данном случае стоит задача выполнения этой функции в автоматическом режиме. Как это обеспечить? Существует три основных способа реализации автоматического проветривания теплицы:

• Из автомобильного амортизатора. Простейшее бюджетное решение, которое выполняется из поршневых механизмов и газовой пружины автомобиля. Своими руками автоматику проветривания теплицы из амортизатора можно сделать с помощью металлических труб, сантехнических заглушек и пневмоупора с корпусной базой. Данная инфраструктура, по сути, образует термопривод, который можно зафиксировать в форточной створке той же поликарбонатной стенки или навеса.
• Электрический вентилятор. С помощью термореле монтируется полноценная вентиляционная система достаточной мощности с подключением к местному генератору или с питанием от собственного аккумулятора.
• Клапанные механизмы. В оконной конструкции или на крыше теплицы делается вырез для установки вентиляционного клапана. Автоматизация в данном случае будет интегрированная, а ее уровень зависит от конкретной версии устройства. Сегодня существуют и модели с программным управлением, и с механическими регуляторами, не требующими энергоснабжения.

Система освещения

Тепличная растительность в среднем должна получать свет 14-16 ч в сутки. В круглосуточном освещении также смысла нет, поэтому возникает потребность в саморегулирующейся системе. Во-первых, необходимо изначально определить, какими будут источники освещения. В качестве универсального варианта можно использовать специальные светодиоды для теплиц или аппараты с так называемой полезной подсветкой красного цвета, работающей на волнах в диапазоне от 600 до 700 нанометров. Однако в период цветения должны подключаться волны синего цвета в спектре 400-500 нанометров. В части реализации освещения умную теплицу своими руками можно обеспечить управляемой группой защищенных ламп с широким перечнем регулируемых параметров, заложенных в базу общего контроллера. Главная задача – правильно и рационально организовать подключение от контакторов системы "Ардуино" к каждой лампе. Для этого могут использоваться также реле управления с коллекторами и драйверами изменения характеристик свечения.

Система полива

К моменту проектирования этой части должен быть подготовлен план с размещением растений. Желательно их распределить по группам с одинаковыми требованиями к поливу. Автоматика для полива теплицы также будет связана с центральным контроллером, подключенным к датчикам влажности. Простейший вариант реализации такой системы – установить бочку с водой, которая будет набираться за счет поступления дождевой воды от водостока. Управлять же процессом полива будет шаровой кран с подключенной автоматической фрамугой прямой тяги.

Система капельного полива

Сложная в конструкционном устройстве, но эффективная с точки зрения водоснабжения растений система. Для ее создания потребуется автоматически регулируемый дозатор и оснастка для распределения воды, которую можно изготовить из пластиковой трубы. Так, монтируются перфорированные каналы вдоль всех грядок умной теплицы. Для рассады можно ограничиться увлажнением почвы. Вся система трубопроводов также должна контролироваться циркуляционным насосом, который будет поддерживать оптимальный уровень давления в контурах.

Средства для стимуляции плодородной почвы

От почвенной микрофлоры зависит активность роста и развития растений. Для поддержания оптимального воздушно-влажностного режима земли требуется соответствующий набор умной теплицы, в который будут входить электрические элементы подогрева и водоснабжения почвы. Обычно применяются маты или пластинчатые устройства, которые размещаются непосредственно в грунте или под ним, а с другой стороны подключаются к энергоснабжающей системе с контроллером.

Заключение

Характеристики жизнедеятельности тепличных растений зависят от комфорта, обеспеченного местным климатическим оборудованием. Системы управления микроклиматом на базе контроллеров и прочей автоматики – это не просто шаг в сторону повышения удобства владельца данного хозяйства. Это в значительной степени более точная настройка режимов контроля воздуха, влаги и температуры, а также средство повышения энергоэффективности применяемого оборудования. Рациональное использование энергоресурсов как раз является одним из ключевых факторов разработки систем контроля на базе "Ардуино".