Картинка: kartinkin.net

Скоро лето и хочется чего-нибудь эдакого, связанного с природой, чего-нибудь зелёненького, может быть даже цветущего… Если вас мучают те же самые мысли, что и меня, то вполне можно попытаться объединить реализацию этих мыслей и свои технические навыки для создания небольшой домашней фермы по выращиванию чего-нибудь своего.

▍ Немного предыстории

Кто немножко в теме вопроса, тот сразу, как только заходит разговор о домашней ферме, вспоминает такое хорошее слово, как «гидропоника». Если вкратце, то она представляет собой способ по выращиванию растений не в почвенной среде, а с помощью орошения их корней тем или иным способом.

Гидропоника в мире достаточно широко распространена и существует во многих вариантах, среди которых можно перечислить такие, как: подача воды непосредственно к корням растений с помощью фитилей, периодическое обмакивание корней в жидкость, капельный полив и т. д. Из экзотических видов орошения корней есть даже способ «полива» с помощью водяного тумана, который получается за счёт распыления воды ультразвуковой пластиной (кстати, способ точно такой же, как и тот, который используется в увлажнителях воздуха бытового типа).

Но из всех этих видов особое распространение капельное орошение. Его плюсом является способность малыми затратами выращивать достаточно большие урожаи.

Насколько большие? Ну, например, по некоторым оценкам, для капельного орошения достаточна только половина того же объёма воды, который бы пошёл на орошение при обычном поливе, в то время как количество урожая можно получить вплоть до удвоенного объёма!

Особо прославился этим подходом Израиль: именно с помощью капельного орошения это страна не только озеленила свои территории, но и смогла добиться впечатляющих урожаев сельскохозяйственных культур, многие из которых вы могли даже видеть у себя в магазинах.


Картинка: arktal.livejournal.com

В Израиле полив подобного типа организуется с помощью укладки труб под поверхность почвы, в то время как доведение этой воды до корней растений осуществляется как с помощью распыления, так и непосредственно через уложенные трубы, которые могут быть снабжены рядом специальных отверстий. То есть, вода даже без какого-либо разбрызгивания смачивает землю у корней растений.


Картинка: arktal.livejournal.com

При промышленном выращивании, например, в теплицах, используется другой способ, когда корни растений находятся на воздухе и смачиваются распыляемой или стекающей прямо по ним водой.


Картинка: www.smolensk2.ru

Подобный подход является весьма результативным, так как если корни растения находятся в воздухе, они очень хорошо дышат, и в то же время смачиваются питательным раствором с нужной периодичностью. Кроме того, при таком проветривании исключается появление гнили. Подобный тип гидропоники называется «аэрогидропоника».

▍ А реально ли делать это дома?

Несомненным плюсом гидропонного выращивания растений для городского жителя является отсутствие потребности в том, чтобы городить какие-то глобальные конструкции с использованием большого количества привозной земли.

Давайте порассуждаем, как можно было бы реализовать подобную конструкцию в квартире, и в то же время, не сильно загромождать пространство.

Здесь приходит нам на помощь великолепное, на мой взгляд, решение — вращающаяся гидропонная установка:


Картинка: gidronom.ru

Она весьма неприхотлива и тиха в работе.


Картинка: umods.ru

Обычно установка устроена так: вращающийся барабан, в центре которого находится источник света; барабан, вращаясь, периодически окунает корни растений в ванну с водой или питательным раствором. Установка может быть достаточно плоской: допустим, при ширине не более 15 см, быть достаточно большой в диаметре и, благодаря этому, может быть приставлена к стенке, например, на балконе. Кстати сказать, в этом случае не обязательно использовать лампу для освещения растений: они сами будут освещаться лучами солнца, периодически поднимаясь в солнечную зону и затем опускаясь в ванну с жидкостью.

С технической точки зрения, устройство достаточно простое, по сути, это «большое велосипедное колесо» (грубо говоря). Для приведения его в движение достаточно будет даже небольшого, слабенького двигателя, для безопасности работающего от пониженного напряжения, например, от 12 вольт. Чтобы у него хватало сил на вращение такой конструкции, можно использовать любой фрикционный привод (гибкий, например, резиновый валик, катится по краю конструкции) или наоборот, жёсткий валик — по гибкой поверхности:


Картинка: greenconnect.ru

либо приведение в действие с помощью шкива ( принцип полностью аналогичен устройству барабана обычной стиральной машины):


Картинка: stirkin.ru

Плюсов у такой установки достаточно много, за исключением одного: требуется достаточно большая ванна с питательным раствором, которая мало того, что при таких размерах будет активно испарять раствор, вызывая излишнюю сырость в помещении, но ещё и долгий застой загрязнённой жидкости может (и даже наверняка приведёт) её к цветению. Не говоря уже о том, что раздобыть ванну подобного плоского типа (и достаточно большого размера!) является само по себе достаточно нетривиальной проблемой.

▍ Апгрейд, апгрейд...

Поэтому, на мой взгляд, необходимо несколько модернизировать эту конструкцию. Вкратце задумка заключается в том, чтобы организовать своего рода «линию полива», через которую будет барабан периодически проходить при вращении:



И здесь, как всегда, возможны два варианта:

• более простой и дешёвый;
• более дорогой, но технически более совершенный.

Рассмотрим оба варианта подробнее.

Более простой дешёвый вариант заключается в том, чтобы не «изобретать велосипед», а взять готовую систему распыления воды. И такой системой является… верно! Система стеклоомывания от любого легкового авто! Она, как правило, весьма отработанная в своих технических решениях и достаточно надёжна. Кроме того, её цена весьма щадящая.

Ещё одним положительным моментом системы является доступность запчастей, если что-то пошло не так, и деталь вышла из строя.

То есть, здесь мы берём форсунку стеклоомывателя, её родной пластиковый шланг, насос стеклоомывателя с бачком.


Картинка: www.drive2.ru

Всё хорошо, всё прекрасно, работает оно достаточно мощно, можно хорошо контролировать с помощью любого силового ключа или реле… но! Есть один минус: система слишком производительна. Когда всё слишком хорошо, это тоже оказывается плохо! По крайней мере, по-моему опыту, подобная система создаёт достаточно мощный факел распыла на дистанцию, порядка 1 метра.
Это конечно же, скажем так, слегка «переборщ» для дома.

Какая альтернатива подобной конструкции существует?

Альтернатива этому решению тоже может быть представлена в виде двух вариантов (Надеюсь вы ещё не запутались):

• в качестве такого устройства подходящего орошения, мы можем установить линейку ультразвуковых распылителей воды, через облако тумана которых будет проходить барабан при вращении (тем более, при промышленном подходе — такое применяется. Чем мы хуже?). Решение достаточно бесшумное, с достаточно щадящим расходом воды.

Единственным минусом подобного решения лично мне видится достаточно непрогнозируемая продолжительность работы ультразвуковых распылителей на отказ. Да, мне известны примеры (в том числе на личном опыте), что подобные распылители могут работать весьма продолжительное время, несмотря на соответствующий нагрев (впрочем кому он важен, распылитель-то всё равно находится под водой). Можно было бы попробовать рискнуть, и если вы возьмётесь реализовать подобный вариант, было бы очень интересно услышать о результатах работы такой конфигурации!

• Лично я сам, в качестве более дорогой, но более продуманной альтернативы выбрал бы решение, которое базируется на достаточно надёжных и проверенных вещах: на автомобильных инжекторных форсунках. Почему именно на них: конструкция форсунок такова, что они рассчитаны на многолетнюю работу, совершая сотни тысяч циклов.

Кроме того, их производительность может быть весьма точно отрегулирована, так как они рассчитаны на весьма короткий цикл открытия/закрытия и поэтому мы можем программным путём весьма точно рассчитать дозировку расхода воды, чтобы она была необходимой и достаточной, но в то же время, не приводила к перерасходу ресурсов.

Как в таком варианте могла бы выглядеть система?

Во-первых, нужно учитывать, что подобная инжекторная форсунка может работать только при давлении не более 2 бар (точно знаю, так как сам непосредственно замерял для одной из самоделок). Кроме того, эта форсунка, по сути, является «краником», открывающимся от сигнала. Поэтому нам необходимо будет каким-то образом создать давление воды, Правильнее будет сказать «напор воды».

Так как мы проектируем (ну, по крайней мере, хотелось бы создать) энергоэффективную систему, которая потребляет мало электричества в целом, то основной элемент, который будет, по прогнозам, самым энергопотребляющим элементом конструкции, должен быть максимальной эффективности! В качестве подобного решения мне просится симбиоз из насоса стеклоомывателя с бачком от прошлой конструкции, только в качестве выходной форсунки мы ставим форсунку инжекторную от автомобиля. Ну, и ещё раз повторю почему: она может потенциально обеспечить гораздо более щадящий аккуратный расход воды, по сравнению со штатной форсункой стеклоомывателя:

На тут скорее всего мы столкнёмся с проблемой: маленький насос стеклоомывателя, вполне может так статься, что не сможет обеспечить напор воды требуемой мощности, который сможет эффективно распылять воду через миниатюрные отверстия инжекторной форсунки!

Как быть в таком случае?

В таком случае нам ничего не остаётся, как создать устройство, обеспечивающее напор, которое, по своей сути, будет представлять собой большой аэрозольный баллон.

Как его можно сделать:

Нам будет необходимо купить специальный разбрызгиватель, со встроенным небольшим насосом. Подобный разбрызгиватель продаётся в автомобильных магазинах:


Картинка: avtopodarok.ru

Работает он по принципу нагнетания ручным насосом вытесняющего воздуха в надводное пространство, что приводит к избыточному давлению, которое в свою очередь вытесняет воду (и весьма активно надо сказать, очень хорошо распыляет, до состояния тумана) — через встроенную форсунку этого баллона.

Таким образом «родная» система баллона, даже без каких-либо апгрейдов, может вполне справиться с созданием необходимого напора воды для распыления.

Что необходимо будет проделать, чтобы включить этот баллон в нашу систему орошения (не говоря уже о том, что это само по себе очень интересно, всё-таки «техническое творчество», чёрт его подери!):

• ручной насос, который накачивает воздух, должен быть заменён на механизированную версию. Например, это может быть осуществлено с использованием шагового двигателя, со встроенным сквозным ШВП:

Картинка: aliexpress

Подобный двигатель сможет создать хорошую мощность давления, будет миниатюрным, и кроме того, управляется тоже достаточно понятно, можно управлять с помощью любого самого простого и дешёвого драйвера двигателя, например, с помощью такого (L9110 L9110S / HG7881 HG7881CP для Arduino):



Для управления двигателем можно использовать любую библиотеку Arduino для шагового двигателя.

• Кроме того, не забываем и то, что я говорил ранее: инжекторная форсунка работает от давления не более 2 бар (по крайней мере обычная, для бензинового авто; мы сейчас не говорим о форсунках высокого давления для ТНВД и тому подобного).

Поэтому сюда просто просится датчик воздушного давления, в качестве которого можно взять вот такой для Arduino.


Датчик давления BMP180. Картинка: robotclass.ru

Таким образом, используя такой шаговый двигатель и обратную связь с помощью воздушного датчика, мы можем поддерживать требуемое давление вытесняющего воздуха.

Кстати сказать, здесь в выигрыше находятся те, у кого есть в наличии свой 3D принтер: наверняка этот датчик придётся крепить неким нестандартным образом, и здесь найдётся шанс проявить ещё немного творчества, а именно, смоделировать специальный крепёж и встроить с помощью него датчик в баллон.

После всех наших апгрейдов, вся система распыления будет выглядеть приблизительно вот так:



Конечно, это не единственный способ создания нагнетающего давления. Есть ли ещё способы? Да, «их есть у меня» :-)

Например, такой: создание самодельной насос-форсунки. Вот примерно такой:



Как это может работать, вкратце: шток соленоида быстро вдвигается и выдвигается из объема шарового клапана-насадки на форсунку (её мы замоделили и распечатали на 3d принтере). Соответственно, — возникает избыточное давление в ограниченном объеме (когда шарик закрыл подачу воды). И воде некуда деваться- кроме как пойти в форсунку…

Здесь просто великое поле для творчества: программно можно настроить частоту движения штока соленоида, чтобы он создавал точное давление для работы форсунки и не более того.

Или можно пойти и купить насос-форсунку ;-).

Еще одним вариантом является использование самодельной ёмкости для воды и мембранного компрессора для аэрографии: он достаточно производителен для наших целей (даже избыточно).


Картинка: krasimauto.com

Только он опять же не выставляется на 2 бара и придётся что то придумывать. Например, использовать показанный выше датчик давления и принудительно отключать компрессор с помощью реле, при достижении нужного давления.

Достаточно любопытной, на мой взгляд, является альтернатива в качестве стандартного бензонасоса — чтобы он качал воду. Цена вопроса — в пределах 600-700 рублей (если брать ВАЗовский). Мощно, надёжно, рассчитан на многочасовую работу.


Картинка: dvizhcom.ru

Но этот вариант остаётся под вопросом. Почему: насколько я знаю, двигатель бензонасоса охлаждается бензином — протекающим прямо сквозь него. Почему «всё не замкнёт к чертям» — потому что бензин-изолятор. Соответственно — если мы будем пытаться качать бензонасосом воду — всё будет очень быстро и грустно. Но это не точно — требуется эксперимент (перед которым желательно расширить пакет ДМС).

У нас остаётся только самый последний вопрос: так как мы проектируем систему, которая должна работать достаточно надёжно и желательно 24 часа в сутки, без сбоев, ошибок, зависаний ( в том числе когда нас нет дома), то требуется создать ещё и некую страхующую подсистему.

В качестве неё мне просится только использование WatchDog подсистемы Arduino (принудительно перезагружает микроконтроллер, при зависании, ну по крайней мере, насколько мне известно).

Но тут, честно признаюсь, использовать его мне не приходилось, поэтому было бы интересно послушать людей, которые использовали WatchDog в своих проектах.

В крайнем случае, если эта система работает криво, можно использовать 2 Arduino, из которых одна постоянно запрашивает вторую с некой периодичностью, и при отсутствии ответа, принудительно перезагружает. Но сильно подозреваю, что подобное нагромождение велосипедов не понадобится. В любом случае, будет очень интересно и познавательно для нас всех — услышать людей с опытом по этому вопросу.

В любом случае, надеюсь что я немножко подбросил вам пищу для размышлений, базируясь на которой вы сможете реализовать свою систему.

Говоря о самой последней рассмотренной конфигурации, поигравшись со временем работы форсунок (сделав его сверхмаленьким, если по-простому) и расположив форсунки близко к колесу — теоретически, можно добиться сверхэкономичного смачивания корней, без «обрызгивания водой всего вокруг» :-)

Удачной всем сборки, будет очень интересно увидеть ваши проекты!