Умная теплица

В этом обзоре, я расскажу о собственном примере создания умной теплицы на базе проекта теплицы.

В этой умной теплице я решил использовать не все показатели и устройства, поэтому перечислю, что задействовано.

• Датчик температуры контроллера вместе с кулером для его охлаждения. Это стандартный набор для любого проекта. 
• Температура и влажность воздуха. Думаю очевидно, что это основные показатели для теплицы. Для них будет использоваться выносной проводной датчик. В принципе можно использовать два-три датчика в разных частях теплицы для более точных показаний.
• Температура почвы, тоже важный показатель. С его помощью я буду следить за тем, чтобы не прекращался рост корневой системы.
• В качестве основного обогрева теплицы я буду использовать газовую или дровяную печь, так дешевле. Эта печь будет формировать базовый прогрев. Но, для того чтобы добиться стабильности температуры в ночное время я буду дополнительно использовать электрические ИК-обогреватели направленного действия. Мне понравилась вот такая модель. Они будут в первую очередь прогревать землю, плюс попутно создавать тепловую завесу, нагревая воздух.
• Также я буду использовать показатель «Температура обогревателя почвы», но только не по назначению. Я не буду измерять температуру обогревателей, а расположу его возле растений, и назову его «Температура растения». Он будет ограничивать работу обогревателей, чтобы прогревая почву он не нанёс при этом урон молодой рассаде.
• Что еще касается климата, то мне конечно понадобится вентиляция. Она будет убирать и лишнюю влажность и высокую температуру, да и просто проветривать теплицу обновляя в ней воздушную смесь.
• Чтобы не ставить мощный и дорогой вентилятор, я буду также использовать классический способ проветривания теплицы с помощью открытия окна. Конечно, это будет сделано с помощью механического актуатора. О том, как его изготовить у меня есть отдельное видео. Для его работы мне потребуется знать положение окна и управлять приводом.
• Также я буду использовать датчик влажности почвы и клапан который будет управлять поливом.

Следующим шагом мне потребуется разработать проект теплицы. Это моя первая теплица, поэтому был выбран небольшой размер три на шесть метров. В качестве основного каркаса я взял восьмидесятый брус. Для перемычек, дверей и окон пятидесятую рейку. А для стягивания каркаса использовалась двухсотая доска. Конструкция будет состоять из шести одинаковых элементов — стоек с перекрытием и со стропилами. В первом из них будет размещаться дверной проем, а в последнем —  окно проветривания. Готовые чертежи будут выглядеть следующим образом. Размеры элементов выбраны таким образом, чтобы минимизировать отходы пиломатериалов.

 

 

Что же, после заказа и подготовки пиломатериалов, я приступил к сборке. Вот так выглядит стропильный элемент. В качестве крепежа я решил использовать скобы, которые фиксируются саморезами.

Что касается основы теплицы, то для этого был залит небольшой ленточный фундамент с наружным утеплением. На него устанавливаются основные стойки, обработанные мастикой в месте контакта с бетоном.

Вот так будет выглядеть собранный каркас теплицы. Это шесть элементов скрепленные доской и рейкой. 

В качестве кровли я решил использовать сотовый поликарбонат, который уложил на утеплитель, чтобы исключить зазоры и щели. Он достаточно прочный, не прогибается и отлично справляется с осадками, в том числе и со снегом.

Саму теплицу я решил зашить по бокам клеенкой. Это достаточно дешевый и практичный способ. Конечно главное ее хорошо зафиксировать.

Сама теплица готова. Посмотрим, что у нее внутри.

Прежде всего это сами грядки. В моем случае это высокие грядки. Они быстрее прогреваются и с ними удобнее работать. Всего получилось разместить четыре грядки. 

Кроме этого, был залит небольшой бетонный постамент на который была размещена кубовая бочка для воды. Она нужна по двум причинам. С одной стороны для полива прогретой теплой водой, а с другой стороны вместе со своим постаментом она является тепло-аккумулятором. Прогреваясь днём она будет отдавать тепло ночью.

Рядом с бочкой будет находиться газовая или возможно дровяная печь. Как я уже говорил она будет топиться в те дни, когда значительно не хватает тепла, чтобы не расходовать дорогую электроэнергию.

Вот так выглядит один обогреватель. Он имеет мощность в пол киловатта. Всего будет шесть обогревателей суммарной мощностью три киловатта. Включаться они будут через контактор, который в свою очередь будет управляться через малоточное реле.

Под крышей теплицы будет установлен воздуховод со встроенный вытяжкой. Он будет собирать воздух в разных частях теплицы и выдувать его на улицу.

И конечно же кроме воздуховода на одном из фронтонов теплицы будет установлен привод для открытия и закрытия окна. С его помощью можно будет радикально быстро понизить температуру, чтобы не допустить перегрева. Кроме самого актуатора на раме окна установлены концевые выключатели. Они нужны чтобы определить крайнее положение. 

И теперь конечно сам блок управления. Вот так он выглядит снаружи. И вот так он выглядит без верхней крышки. Здесь присутствует плата контроллера. Она самая большая. Справа от нее находятся универсальные платы блоков реле. В правом нижнем углу находится популярный модуль драйвера двигателя, который будет управлять актуатором окна. Справа от контроллера расположен датчик температуры и влажности воздуха. 

Два других датчика обеспечивают измерение влажности почвы и ее температуры. Плюс, как я говорил ранее, еще один датчик закреплен прямо возле растения, чтобы измерять температуру возле него.

 

Можно приступать к высадке рассады, а я тем временем покажу настройки проекта и автоматические режимы работы. 

Из специфических настроек будет только одна, это когда вместо «Температуры обогревателя почвы» я буду измерять «Температуру растения».

Что касается режимов автоматической работы, то здесь их несколько. Нельзя сказать, что они должны быть только такими. Я показываю свои настройки на данный момент времени. И Вы должны понимать, что периодически я или моя жена вносим в них какие-то изменения. Поэтому используйте их только для примера и создавайте свои, более совершенные! 

Также я настоятельно рекомендую Вам ознакомиться с обучающим роликом шаг номер 6, где объясняется что такое автоматические режимы и подробно рассказано, как они настраиваются. В этом случае Вам будет значительно легче понять то, что я буду рассказывать дальше.

Итак, первый режим называется «Система». Это служебный режим который не будет использоваться самостоятельно, как видите часто его задачи можно встретить в других режимах.

Прежде всего здесь заданы условия охлаждения контроллера. Температура и время включения кулера.

Также здесь настроены базовые уведомления. Наличие связи, температура контроллера, нежелательная температура воздуха, и отдельное уведомление для критически опасной температуры воздуха. Последнее, это влажность воздуха.

Эти уведомления будут использоваться для весеннего режима. Для летнего же, когда теплица уже открыта, будет использоваться другой набор уведомлений.

Следующий режим называется Весна. Пожалуй, это самый главный режим для теплицы, ведь её основная задача обеспечить успешный рост культур высаженных ранней весной. Рассмотрим задания для устройств.

Я начну с обогрева. Главное условие для роста рассады, это постараться выдерживать температуру почвы не менее 18 градусов. Поэтому здесь и установлена эта целевая температура. Но самое интересное, что вместо температуры обогревателя мы будем параллельно контролировать и температуру растения. 

Минимальная установлена те же 18 градусов. Что это значит? Это значит что даже если почва будет еще теплая, а воздух начнет остывать, то обогрев уже начнет включаться. Тем самым получается смягчить резкое снижение температуры воздуха, который, как правило, остывает быстрее почвы.

Максимальная температура задается по другим соображениям. Она нужна для ограничения работы обогревателей, чтобы прогревая землю до нужной нам температуры они при этом не повредили рассаду. Тогда обогреватели будут периодически делать паузу выключаясь.

Теперь давайте посмотрим на Вентиляцию. 

В теплице избыточная влажность будет более частым явлением. Из-за плохой теплоизоляции стен и перепада температур на них будет конденсироваться влага. Поэтому, борьба с высокой влажностью с помощью вытяжки не особо имеет смысл как для жилого помещения. Первым же делом необходимо обеспечить гарантированную рециркуляцию воздуха, чтобы он не застаивался способствуя фитофторозу и растения могли бы дышать. 

Идеальная вытяжка, должна работать постоянно, чтобы обеспечивать постепенную и равномерную циркуляцию воздуха. Увы, реальность такова, что вентиляция вместе с воздухом будет уносить и тепло. При перегреве, это конечно плюс, но ранней весной, это большой минус. Следовательно, в холодные времена вентиляция в теплице будет компромиссом между полезным газообменом с удалением избыточной влаги и нежелательным выбросом дорогого и ценного тепла. 

Совместить все эти задачи одновременно будет не так просто, как может показаться в начале.  Я пришел к решению, что удаление лишней влаги из теплицы должно производиться за счёт её прогрева и по мере возможности. А вентиляция должна работать как можно дольше, но настолько долго, чтобы не понизить температуру ниже определенного уровня. 

В итоге я пришел к такому списку заданий:

Первое задание. Одна шестая мощности. Почему одна шестая? Потому что согласно этому заданию вентиляция будет работать не более десяти минут в час, это и есть одна шестая. 

Обратите внимание, что здесь и далее влажность игнорируем. Смотрим только на температуру. Если температура более 13 градусов, то включить вентиляцию на пять минут каждые полчаса. При этом, если за эти пять минут температуру упадет меньше 12 градусов, то это критически мало и тогда мы обходимся без проветривания вообще. 

Также, интересный момент, что я здесь не ограничиваю срок работы вытяжки. Почему это так - будет ясно чуть позже. И по расписанию. Как видите, я принудительно исключил ночное проветривание, когда тепло необходимо беречь особо.

Второе задание. Одна треть мощности. Будет включать вытяжку еще на десять минут в час. То есть суммарно с первой, это получится две шестых или одна третья одного часа.

Для этой задачи я уже повысил критерии включения и выключения вентиляции по температуре. Эта вентиляция включится, а точнее сможет продолжить работу после первого задания, но только в том случае, если температура в теплице достаточно высока. 

Кроме этого, я немного сузил временной интервал, чтобы теплица быстрее прогревалась утром и медленнее теряла тепло вечером.

Третье задание. Здесь сразу добавляю двадцать минут на один час для вентиляции. Суммарно с первыми двумя, это будет две трети от одного часа. Критерием же продолжения работы вентиляции станет еще более высокая температура в ней. Дополнительно, еще сужен и временной интервал.

И наконец четвертое задание. Для непрерывной работы вентиляции, потребуется еще более высокая температура. Аналогичным образом и еще более узкий временной интервал.

Самое последние задание служит для выключения вентиляции в любом случае. У него самый низкий приоритет, то есть оно будет работать только в том случае, когда не действуют первые четыре задания. Это задание необходимо по той причине, чтобы быть полностью уверенным, что вентиляция будет выключена в ночной период. 

На этом с вентиляцией все. И теперь самое время рассказать про работу окна для проветривания теплицы. 

Как видите тут есть два задания. Я начну с основного, оно называется "базовый" и работает по умолчанию круглосуточно.

Здесь указана первая пара зависимостей. При температуре 18 градусов и менее - положение окна должно быть два процента. То есть практически закрыто. И вторая пара зависимостей при максимуме. Когда температура уже более двадцати шести градусов, то окно должно быть открыто на девяносто шесть процентов.

Также мы видим, что задан минимальный шаг для изменения положения окна. Плюс, также задан и максимальный шаг для одномоментного изменения положения окна. Для чего это всё? Благодаря этим настройкам можно избежать бессмысленного дерганья актуатора и соответственно его преждевременный износ.

Но и это еще не всё. Очень интересный параметр, это кривая зависимости. Вот наш график. Он имеет две точки согласно заданным условиям, это минимальная точка и максимальная точка. По вертикали шкала процента открытия окна, а по горизонтали шкала температуры.

Синим цветом на графике отображена прямолинейная зависимость, которая обычно задана по умолчанию. Чем она плоха? И почему я решил изменить её на кривую, которая отображена красным цветом?

Дело в том, что изначально всё выглядит логично: чем больше растёт температура, тем и пропорционально больше открывается окно. Однако, на практике следует учитывать фактор, что рост температуры в тепЛИце может происходить нелинейно, то есть очень резко. 

Да, теоретически можно понизить температурный интервал, чтобы окно открывалось заблаговременно, как можно раньше. Но хорошо ли это? Ведь по-хорошему, мне необходимо держать максимально допустимую температуру в тепЛИце как можно дольше. Именно тогда лучше и больше прогреется земля, и тогда мне меньше потребуется её прогревать вечером или ночью. 

Проще говоря, своевременное открытие и закрытие окна тепЛИцы, будет давать весомую экономию на ее обогрев, плюс естественный бонус для растений за счёт более продолжительного теплого периода дня.

Поэтому я и сформировал такую кривую, которая вначале роста температуры, начинает постепенно открывать окно, а вот чем дальше, тем все более радикальнее, чтобы опередить тенденцию повышения температуры.

С этим заданием разобрались. Но зачем нужно второе задание? Из его названия и времени действия, следует что оно будет работать вечером. Базовое задание необходимо для открытия окна тепЛИцы в первую очередь утром и днём, а вечером же его надо закрывать как-то по другому.

Почему? Всё по той же причине экономичности и эффективности. Утром и днем нам позволительно открывать окно теплицы пораньше, чтобы быстрее удалить высокую влажность ночи и снизить вероятность перегрева, а вот вечером нам надо наоборот, сдвинуть компромисс в другую сторону и получше прогреть теплицу, сохранив побольше тепла. Поэтому в этом задании я и поставил более высокий температурный интервал.

И что у меня осталось для этого режима - это устройство полива. Здесь задания отсутствуют. Конечно их можно задать, но из моей практике они пока не нужны. Потому что полив на этапе роста рассады происходит вручную с подкормкой и внимательным осмотром растения.

На этом всё. Напомню, я разобрал основной весенний режим теплицы. Основной потому что самый главный и ответственный. Именно он определит как быстро может быть получен урожай и по какой цене. Тем не менее, конечно есть и другие режимы.

Следующим будет летний. Посмотрим его по устройствам. 

Вентиляция. Здесь одно условие - по сильной жаре. В летнем режиме окно и дверь теплицы уже приоткрыты постоянно. Поэтому газообмен растений и контроль влажности на саморегуляции. Остаётся только убирать избыток температуры при перегреве.

Отопление. Будет естественно отключено в любом случае.

Полив, пока тоже отключен. Потому что он не всегда еще нужен.

И окно. Как видите оно будет максимально открыто, с единственным условием, чтобы температура была не меньше 18 градусов. В данном случае привод окна может закрывать его на некоторое врем ночью. И даже если дверь остается открытой в это время, то все равно из-за отсутствия сквозняка через окно, умная теплица сможет исключить случайное переохлаждение.

Теперь расширенный летний режим. Видно, что он полностью идентичен предыдущему летнему. Те же задания для вентиляции обогрева и окна, но плюс есть теперь собственные задания для полива.

Посмотрим их. Полив состоит из двух заданий.

Первое обеспечивает некий минимум доставки воды растениям. Оно работает независимо от влажности и температуры почвы. Включаясь с утра до вечера, в начале каждого второго часа с ограничением работы на десять минут.

Второе задание, является основным поливом. Его целью будет хороший пролив растений, чтобы максимально хорошо увлажнить корневую систему в глубину и в ширину. Оно работает также по расписанию. Строго в десять часов утра и пять часов вечера. Включается на двадцать минут. От влажности и температуры почвы опять-таки не зависит. 

Да, я понимаю, что логично было бы сделать и такое задание, которое поливало бы растения исходя из влажности или температуры. Но из моей практики размеренный полив пока оказался более эффективным. Возможно в дальнейшем я добавлю и условие по поливу исходя из температуры почвы, когда случается чрезмерный перегрев.

И последний режим, это осень и зима. Когда теплица отдыхает. Здесь все просто. Вентиляция отключена. Отопление выключено. Полив отключен. Окно открыто.

На этом я заканчиваю обзор своей умной теплицы. Надо сказать, что этот обзор готовился три года, путем исследований и доработок. Если говорить о результатах, то умная теплица показала себя превосходно. Прежде всего она позволила получить отличный урожай на две недели раньше, чем обычная теплица без автоматизации, которая показывала худшие результаты из-за случайного перегрева или переохлаждения. 

Кроме этого, умная теплица сэкономила нашей семье уйму времени. Она добавила возможность в летний период отлучаться на продолжительное время, ощущая себя спокойно, благодаря удаленному контролю.