Розумна теплиця Готовий проект домашньої автоматизації

У цьому огляді, я розповім про власний приклад створення розумної теплиці на базі проєкту Seed (Теплиця), де використовується контролер Wemos D1 mini з чіпом ESP8266.

У цій розумній теплиці я вирішив використати не всі показники та пристрої, тому перерахую, що задіяно.

• Датчик температури контролера разом із кулером для його охолодження. Це стандартний набір для будь-якого проєкту.
• Температура і вологість повітря. Думаю очевидно, що це основні показники для теплиці. Для них буде використовуватися виносний дротовий датчик. В принципі можна використовувати два-три датчики в різних частинах теплиці для більш точних показань.
• Температура ґрунту, теж важливий показник. З його допомогою я буду стежити за тим, щоб не припинявся ріст кореневої системи.
• В якості основного обігріву теплиці я буду використовувати газову або дров'яну піч, так дешевше. Ця піч формуватиме базовий прогрів. Але, для того щоб домогтися стабільності температури в нічний час, я буду додатково використовувати електричні ІЧ-обігрівачі спрямованої дії. Мені сподобалася ось така модель. Вони будуть насамперед прогрівати землю, плюс попутно створювати теплову завісу, нагріваючи повітря.
• Також я буду використовувати показник "Температура обігрівача ґрунту", але тільки не за призначенням. Я не буду вимірювати температуру обігрівачів, а розташую його біля рослин, і назву його "Температура рослини". Він обмежуватиме роботу обігрівачів, щоб прогріваючи ґрунт, він не завдав при цьому шкоди молодій розсаді.
• Що ще стосується клімату, то мені, звісно, знадобиться вентиляція. Вона буде прибирати і зайву вологість, і високу температуру, та й просто провітрювати теплицю, оновлюючи в ній повітряну суміш.
• Щоб не ставити потужний і дорогий вентилятор, я буду також використовувати класичний спосіб провітрювання теплиці за допомогою відкриття вікна. Звичайно, це буде зроблено за допомогою механічного актуатора. Про те, як його виготовити, у мене є окреме відео. Для його роботи мені потрібно знати положення вікна і керувати приводом.
• Також я буду використовувати датчик вологості ґрунту і клапан, який буде керувати поливом.

Наступним кроком мені потрібно розробити проект теплиці. Це моя перша теплиця, тому було обрано невеликий розмір три на шість метрів. Як основний каркас я взяв вісімдесятий брус. Для перемичок, дверей і вікон п'ятдесяту рейку. А для стягування каркаса використовувалася двохсота дошка. Конструкція складатиметься з шести однакових елементів - стійок з перекриттям і з кроквами. У першому з них розміщуватиметься дверний отвір, а в останньому - вікно провітрювання. Готові креслення матимуть такий вигляд. Розміри елементів обрано таким чином, щоб мінімізувати відходи пиломатеріалів.

Що ж, після замовлення і підготовки пиломатеріалів, я приступив до складання. Ось так виглядає кроквяний елемент. Як кріплення я вирішив використовувати скоби, які фіксуються саморізами.

Що стосується основи теплиці, то для цього було залито невеликий стрічковий фундамент із зовнішнім утепленням. На нього встановлюються основні стійки, оброблені мастикою в місці контакту з бетоном.

Ось так виглядатиме зібраний каркас теплиці. Це шість елементів скріплені дошкою і рейкою.

Як покрівлю я вирішив використовувати стільниковий полікарбонат, який поклав на утеплювач, щоб виключити зазори і щілини. Він досить міцний, не прогинається і відмінно справляється з опадами, зокрема і зі снігом.

Саму теплицю я вирішив зашити з боків клейонкою. Це досить дешевий і практичний спосіб. Звичайно головне її добре зафіксувати.

Сама теплиця готова. Подивимося, що в неї всередині.

Перш за все це самі грядки. У моєму випадку це високі грядки. Вони швидше прогріваються і з ними зручніше працювати. Всього вийшло розмістити чотири грядки.

Крім цього, був залитий невеликий бетонний постамент, на який була розміщена кубова бочка для води. Вона потрібна з двох причин. З одного боку для поливу прогрітою теплою водою, а з іншого - разом зі своїм постаментом вона є тепло-акумулятором. Прогріваючись вдень, вона віддаватиме тепло вночі.

Поруч з бочкою буде знаходитися газова або, можливо, дров'яна піч. Як я вже казав, вона буде топитися в ті дні, коли значно не вистачає тепла, щоб не витрачати дорогу електроенергію.

Ось так виглядає один обігрівач. Він має потужність у пів кіловата. Усього буде шість обігрівачів сумарною потужністю три кіловати. Вмикатися вони будуть через контактор, який зі свого боку керуватиметься через малоточне реле.

Під дахом теплиці буде встановлено повітропровід із вбудованою витяжкою. Він збиратиме повітря в різних частинах теплиці і видуватиме його на вулицю.

І, звісно ж, крім повітропроводу, на одному з фронтонів теплиці буде встановлений привід для відчинення і зачинення вікна. З його допомогою можна буде радикально швидко знизити температуру, щоб не допустити перегріву. Крім самого актуатора на рамі вікна встановлено кінцеві вимикачі. Вони потрібні, щоб визначити крайнє положення.

І тепер, звісно, сам блок керування. Ось такий він має вигляд зовні. І ось такий вигляд він має без верхньої кришки. Тут присутня плата контролера. Вона найбільша. Праворуч від неї розташовані універсальні плати блоків реле. У правому нижньому кутку розташований популярний модуль драйвера двигуна, який керуватиме актуатором вікна. Праворуч від контролера розташований датчик температури і вологості повітря.

Два інші датчики забезпечують вимірювання вологості ґрунту та його температури. Плюс, як я говорив раніше, ще один датчик закріплений прямо біля рослини, щоб вимірювати температуру біля неї.

Можна приступати до висаджування розсади, а я тим часом покажу налаштування проєкту й автоматичні режими роботи.

Зі специфічних налаштувань буде тільки одне, це коли замість "Температури обігрівача ґрунту" я буду вимірювати "Температуру рослини".

Що стосується режимів автоматичної роботи, то тут їх кілька. Не можна сказати, що вони мають бути тільки такими. Я показую свої налаштування на даний момент часу. І Ви маєте розуміти, що періодично я або моя дружина вносимо в них якісь зміни. Тому використовуйте їх тільки для прикладу і створюйте свої, більш досконалі!

Також я настійно рекомендую Вам ознайомитися з навчальним роликом крок номер 6, де пояснюється, що таке автоматичні режими, і докладно розказано, як вони налаштовуються. У цьому разі Вам буде значно легше зрозуміти те, що я розповідатиму далі.

Отже, перший режим називається "Система". Це службовий режим, який не буде використовуватися самостійно, як бачите часто його завдання можна зустріти в інших режимах.

Перш за все тут задані умови охолодження контролера. Температура і час увімкнення кулера.

Також тут налаштовані базові повідомлення. Наявність зв'язку, температура контролера, небажана температура повітря, і окреме повідомлення для критично небезпечної температури повітря. Останнє, це вологість повітря.

Ці повідомлення будуть використовуватися для весняного режиму. Для літнього ж, коли теплиця вже відкрита, буде використовуватися інший набір повідомлень.

Наступний режим називається Весна. Мабуть, це найголовніший режим для теплиці, адже її основне завдання забезпечити успішний ріст культур, висаджених ранньою весною. Розглянемо завдання для пристроїв.

Я почну з обігріву. Головна умова для росту розсади, це постаратися витримувати температуру ґрунту не менше 18 градусів. Тому тут і встановлена ця цільова температура. Але найцікавіше, що замість температури обігрівача ми будемо паралельно контролювати і температуру рослини.

Мінімальна встановлена ті самі 18 градусів. Що це означає? Це означає, що навіть якщо ґрунт буде ще теплим, а повітря почне остигати, то обігрів уже почне вмикатися. У такий спосіб вдається пом'якшити різке зниження температури повітря, яке зазвичай остигає швидше за ґрунт.

Максимальна температура задається з інших міркувань. Вона потрібна для обмеження роботи обігрівачів, щоб прогріваючи землю до потрібної нам температури, вони при цьому не пошкодили розсаду. Тоді обігрівачі будуть періодично робити паузу, вимикаючись.

Тепер давайте подивимося на Вентиляцію.

У теплиці надмірна вологість буде більш частим явищем. Через погану теплоізоляцію стін і перепад температур на них буде конденсуватися волога. Тому боротьба з високою вологістю за допомогою витяжки не особливо має сенс як для житлового приміщення. Насамперед необхідно забезпечити гарантовану рециркуляцію повітря, щоб воно не застоювалося, сприяючи фітофторозу, і рослини могли б дихати.

Ідеальна витяжка має працювати постійно, щоб забезпечувати поступову і рівномірну циркуляцію повітря. На жаль, реальність така, що вентиляція разом з повітрям буде забирати і тепло. У разі перегріву, це, звісно, плюс, але ранньою весною, це великий мінус. Отже, в холодні часи вентиляція в теплиці буде компромісом між корисним газообміном з видаленням надлишкової вологи і небажаним викидом дорогого і цінного тепла.

Поєднати всі ці завдання одночасно буде не так просто, як може здатися на початку. Я прийшов до рішення, що видалення зайвої вологи з теплиці має відбуватися за рахунок її прогріву і в міру можливості. А вентиляція має працювати якомога довше, але настільки довго, щоб не знизити температуру нижче певного рівня.

У підсумку я прийшов до такого списку завдань:

Перше завдання. Одна шоста потужності. Чому одна шоста? Тому що згідно з цим завданням вентиляція працюватиме не більше десяти хвилин на годину, це і є одна шоста.

Зверніть увагу, що тут і далі вологість ігноруємо. Дивимося тільки на температуру. Якщо температура понад 13 градусів, то ввімкнути вентиляцію на п'ять хвилин кожні півгодини. При цьому, якщо за ці п'ять хвилин температура впаде менше 12 градусів, то це критично мало і тоді ми обходимося без провітрювання взагалі.

Також, цікавий момент, що я тут не обмежую термін роботи витяжки. Чому це так - буде зрозуміло трохи пізніше. І щодо розкладу. Як бачите, я примусово виключив нічне провітрювання, коли тепло необхідно берегти особливо.

Друге завдання. Одна третина потужності. Вмикатиме витяжку ще на десять хвилин на годину. Тобто сумарно з першою, це вийде дві шостих або одна третя однієї години.

Для цього завдання я вже підвищив критерії ввімкнення і вимкнення вентиляції за температурою. Ця вентиляція увімкнеться, а точніше зможе продовжити роботу після першого завдання, але тільки в тому разі, якщо температура в теплиці досить висока.

Крім цього, я трохи звузив часовий інтервал, щоб теплиця швидше прогрівалася вранці і повільніше втрачала тепло ввечері.

Третє завдання. Тут одразу додаю двадцять хвилин на одну годину для вентиляції. Сумарно з першими двома, це буде дві третини від однієї години. Критерієм же продовження роботи вентиляції стане ще вища температура в ній. Додатково, ще звужено й часовий інтервал.

І нарешті четверте завдання. Для безперервної роботи вентиляції потрібна ще більш висока температура. Аналогічним чином і ще більш вузький часовий інтервал.

Найостанніше завдання слугує для вимкнення вентиляції в будь-якому разі. У нього найнижчий пріоритет, тобто воно працюватиме тільки в тому разі, коли не діють перші чотири завдання. Це завдання необхідне з тієї причини, щоб бути повністю впевненим, що вентиляція буде вимкнена в нічний період.

На цьому з вентиляцією все. І тепер саме час розповісти про роботу вікна для провітрювання теплиці.

Як бачите, тут є два завдання. Я почну з основного, воно називається "базовий" і працює за замовчуванням цілодобово.

Тут вказана перша пара залежностей. За температури 18 градусів і менше - положення вікна має бути два відсотки. Тобто практично закрите. І друга пара залежностей при максимумі. Коли температура вже понад двадцять шість градусів, то вікно має бути відкрите на дев'яносто шість відсотків.

Також ми бачимо, що задано мінімальний крок для зміни положення вікна. Плюс, також задано і максимальний крок для одномоментної зміни положення вікна. Для чого це все? Завдяки цим налаштуванням можна уникнути безглуздого смикання актуатора і відповідно його передчасного зносу.

Але і це ще не все. Дуже цікавий параметр, це крива залежності. Ось наш графік. Він має дві точки відповідно до заданих умов, це мінімальна точка і максимальна точка. По вертикалі шкала відсотка відкриття вікна, а по горизонталі шкала температури.

Синім кольором на графіку відображено прямолінійну залежність, яка зазвичай задана за замовчуванням. Чим вона погана? І чому я вирішив змінити її на криву, яка відображена червоним кольором?

Річ у тім, що від самого початку все виглядає логічно: що більше зростає температура, то й пропорційно більше відкривається вікно. Однак на практиці слід враховувати фактор, що зростання температури в теплиці може відбуватися нелінійно, тобто дуже різко.

Так, теоретично можна знизити температурний інтервал, щоб вікно відкривалося завчасно, якомога раніше. Але чи добре це? Адже по-хорошому, мені необхідно тримати максимально допустиму температуру в теплиці якомога довше. Саме тоді краще і більше прогріється земля, і тоді мені менше буде потрібно її прогрівати ввечері або вночі.

Простіше кажучи, своєчасне відчинення і зачинення вікна теплиці даватиме вагому економію на її обігрів, плюс природний бонус для рослин завдяки тривалішому теплому періоду дня.

Тому я і сформував таку криву, яка спочатку зростання температури, починає поступово відкривати вікно, а ось чим далі, тим все більш радикальніше, щоб випередити тенденцію підвищення температури.

Із цим завданням розібралися. Але навіщо потрібне друге завдання? З його назви і часу дії випливає, що воно працюватиме ввечері. Базове завдання потрібне для відкриття вікна теплиці насамперед уранці та вдень, а ввечері ж його треба закривати якось по-іншому.

Чому? Все з тієї ж причини економічності та ефективності. Вранці та вдень нам дозволено відчиняти вікно теплиці раніше, щоб швидше видалити високу вологість ночі та знизити ймовірність перегріву, а ось ввечері нам треба, навпаки, зрушити компроміс в інший бік і краще прогріти теплицю, зберігши побільше тепла. Тому в цьому завданні я і поставив вищий температурний інтервал.

І що в мене залишилося для цього режиму - це пристрій поливу. Тут завдання відсутні. Звісно їх можна задати, але з моєї практики вони поки що не потрібні. Тому що полив на етапі росту розсади відбувається вручну з підживленням і уважним оглядом рослини.

На цьому все. Нагадаю, я розібрав основний весняний режим теплиці. Основний тому що найголовніший і найвідповідальніший. Саме він визначить, як швидко може бути отриманий урожай і за якою ціною. Проте, звісно, є й інші режими.

Наступним буде літній. Подивимося його за пристроями.

Вентиляція. Тут одна умова - за сильної спеки. У літньому режимі вікно і двері теплиці вже прочинені постійно. Тому газообмін рослин і контроль вологості на саморегуляції. Залишається тільки прибирати надлишок температури при перегріванні.

Опалення. Буде природно відключено в будь-якому разі.

Полив, поки теж відключений. Тому що він не завжди ще потрібен.

І вікно. Як бачите, воно буде максимально відкрите, з єдиною умовою, щоб температура була не меншою за 18 градусів. У цьому разі привід вікна може закривати його на деякий час уночі. І навіть якщо двері залишаються відчиненими в цей час, то однаково через відсутність протягу через вікно, розумна теплиця зможе унеможливити випадкове переохолодження.

Тепер розширений літній режим. Видно, що він повністю ідентичний попередньому літньому. Ті самі завдання для вентиляції обігріву та вікна, але плюс є тепер власні завдання для поливу.

Подивимося їх. Полив складається з двох завдань.

Перше забезпечує якийсь мінімум доставки води рослинам. Воно працює незалежно від вологості й температури ґрунту. Вмикаючись з ранку до вечора, на початку кожної другої години з обмеженням роботи на десять хвилин.

Друге завдання, є основним поливом. Його метою буде хороший пролив рослин, щоб максимально добре зволожити кореневу систему в глибину і в ширину. Воно працює також за розкладом. Строго о десятій годині ранку і п'ятій годині вечора. Вмикається на двадцять хвилин. Від вологості й температури ґрунту знову-таки не залежить.

Так, я розумію, що логічно було б зробити і таке завдання, яке поливало б рослини з огляду на вологість або температуру. Але з моєї практики розмірений полив поки виявився більш ефективним. Можливо надалі я додам і умову щодо поливу виходячи з температури ґрунту, коли трапляється надмірний перегрів.

І останній режим, це осінь і зима. Коли теплиця відпочиває. Тут все просто. Вентиляцію вимкнено. Опалення вимкнено. Полив вимкнений. Вікно відчинене.

На цьому я закінчую огляд своєї розумної теплиці. Треба сказати, що цей огляд готувався три роки, шляхом досліджень і доопрацювань. Якщо говорити про результати, то розумна теплиця показала себе чудово. Насамперед вона дала змогу отримати чудовий урожай на два тижні раніше, ніж звичайна теплиця без автоматизації, яка показувала гірші результати через випадковий перегрів або переохолодження.

Крім цього, розумна теплиця заощадила нашій родині багато часу. Вона додала можливість у літній період відлучатися на тривалий час, відчуваючи себе спокійно, завдяки віддаленому контролю.