Разрабатываю аппаратно-программную платформу для привнесения зелени и сочных ягоды в каждый дом, открытия производства растений без знания ботаники и электроники. Вам лишь нужно выбрать растение и нажать кнопку - платформа начнёт работу.
Цели проекта:
снизить порог входа в бизнес по производству ягод и зелени за счёт автоматизации "из коробки"
понизить стоимость и повысить удобство гроубоксов до достаточных, чтобы использовать в домашних условиях
распространение бытовых гроубоксов
установка гроубоксов и ситиферм в самых непригодных для привычных нам растений местах: пустыни или территории вечной мерзлоты
Первые две цели могут быть достигнуты за счёт сведения управления гроубоксами и ситифермами к тому, что вы просто выбираете профиль и режим роста из настроек, а автоматика перестраивается сама.
Последняя цель реализуема через полную изоляцию микроклимата внутри гроубокса.
Термины, используемые в статье:
Гроубокс - шкаф, внутри которого создан микроклимат для роста растения: свет, полив, тепло, вентиляция и так далее. Микроклимат поддерживается автоматически.
Ситиферма - то же, что и гроубокс, но представлен помещением размером от комнаты 20-40 кв. м до многогектарной теплицы.
Контроллер - электронный прибор, выполняющий автоматику поддержания микроклимата в гроубоксе/ситиферме и предоставляющий управление извне через управляющий код (далее - g-код)
Панель - графический интерфейс для управления микроклиматом посредством передачи в контроллер g-кода. Панель может быть как веб, так и виде виде дисплея на корпусе контроллера.
Профиль растения - перечень команд g-кода, устанавливающих настройки контроллера для поддержания микроклимата под растение конкретного вида/сорта и режима развития (например, вегетативный - рост листьев, генеративный - цветение и плодоношение).
А для чего?
Для предпринимателей:
ускоренный запуск новых ситиферм под ключ силами одного человека. Если не учитывать преобразование помещения.
Для Вашего дома:
это вкусно и красиво, когда интерьер Вашего жилища украшают зелёные листья с красными ягодками. Или растительность с другими цветами.
вы уверены, что съедаемая Вами зелень из гроубокса - экологически чистая
наблюдать за развитием растения может быть интересно детям. Подобно наблюдению ими за обитателями аквариума
Для науки:
автоматизация селекции: высадка большого числа растений и автоматическое приближение параметров климата к целевому с каждым новым поколением.
сбор статистики о развитии растений конкретного вида/сорта в разных условиях, устанавливаемых автоматически. Для определения наиулчших условий.
А кто я?
Я - бэкенд-программист с более чем 6-ти летним коммерческим стажем.
Программирую на:
Python - пишу со времён, когда у словарей отсутствовал метод
get().C/C++ для микроконтроллеров
Javascript - со времён, когда добавление элемента в конец массива выглядело как
a[a.length] = elementвместоa.push(element). Люблю VueJS.
Имею опыт с PHP, 1С, Java под Android.
Увлекаюсь пайкой электроники, отслеживанием новостей о научных открытиях. С декабря 2023-го увлёкся растениеводством - прошёл начальный курс на Stepic, сейчас учу физиологию по учебнику "Физиология растений" P. Zitte (ISBN 978-5-7695-2745-6).
Считаю, что машине нужно поручать всё, что она способна выполнить. С удовольствием наблюдаю за тем, как всё больше программистов пишут не код, а запрос ИИ на написание кода. Хотя мне нравится писать код - быстрее получить его из головы, чем формировать запрос для ИИ, затем проверять выданное.
Глобальные задачи и проблемы на пути к решению
Изоляция микроклимата порождает следующие задачи:
Полного исключения обмена электромагнитными волнами (свет, тепло, радиации) и воздухом с внешним миром.
Поступления из внешнего мира лишь воды, питательных вещества, газов (CO2, O2) из стерильных источников.
Полной стерильности внутреннего пространства
Безопасный выброс отмёрших фрагментов растения, спелых ягод и срезанных листьев во внешнее пространство. Например, через буферные камеры, стерилизуемые после каждого выброса.
В идеале - изолировать воду и газы.
Качественное измерение содержания газов - тоже проблема. Бытовые датчики измеряет не только содержание целевых газов. Нам необходим точный прибор, используемый в лабораториях.
Что сделано
На фреймворках Django и VueJS разработана веб-панель. При включении контроллер автоматически подключается к серверу веб-панели, используя веб-сокеты. Для этого в контроллере заранее необходимо указать данные для подключения к WiFi-сети (имеющей выход в Интернет), а в веб-панеле - ключ контроллера. Благодаря веб-сокетам данные сенсоров отправляются на сервер каждые 20 секунд, а изменения настроек, выполненные в одной панели, моментально отображаются в других открытых панелях.
Чтобы управлять контроллером из локальной сети, без Интернета, я встрою веб-панель непосредственно в контроллер. Эта задача выполнена на 75%. Затем к контроллеру добавлю дисплей для управления напрямую, без внешних устройств.
Сейчас контроллер имеет разъёмы для исполнительных устройств:
3-х обдувочных вентиляторов,
вытяжки,
увлажнителя воздуха,
белого света,
и для датчика
температуры и влажности воздуха.
На аппаратном уровне контроллер поддерживает пока только вкл/выкл исполнительных устройств. Планирую добавить аппаратные ЦАП для, например, половинного включения.
В контроллер встроена автоматика:
"Климат-контроль" - например, чтобы увлажнитель включался при недостаточной влажности воздуха.
"Плавная смена цикла" - для настройки эмуляции, например заката и рассвета (белый свет). Как добавлю дальний красный свет, эмуляция станет ещё более схожа с природой.
"Резкая смена цикла" - для поочерёдного включения\выключения, например, обдувочных вентиляторов.
"Таймер" - сделан по аналогии с механическим китайским таймером для растений, например, для указания произвольного времени включения и выключения вытяжки, УФ-света (в будущем). Сейчас шаг времени - 15 минут. Позже уменьшу шаг и адаптирую под маленькие экраны (смартфоны, часы). Это несложно, просто потребует времени, которое сейчас расходую на более фундаментальные задачи.
Собраны 3 рабочих прототипа контроллера: один для выездной демонстрации, другие 2 обслуживают гроубоксы с земляникой и физалисом.
Ближайшие планы
Развитие контроллера:
Встроенные автополив, без фильтрации.
Попробую изготовить осушитель воздуха, который также будет встроен в контроллер.
Разъёмы для УФ-света, дальнего красного.
В веб-панель два общих профиля растений: вегетативный (набор зелёной массы) рост и генеративный (цветение).
Видеокамера для наблюдения за растениями. Прошивка для неё написана, прошивка контроллера и веб-панель - готовы. Видеокамера станент предтечей для автоматического отслеживания здоровья растения и стадии развития через машинное зрение и ближний инфракрасный свет.
Собрать:
Контроллер выращивания для любителей DIY (чтоб в удовольствие мастерили гроубоксы).
Автополив растений для тех, кто уезжает в отпуск. В отличие от уже имеющихся на рынке вариантов он будет с сюрпризами. Каким? Расскажу позже, как будет собран.
Для последнего изделия готова печатная плата, осталось обернуть в приятный корпус. Для всех устройств будет одна прошивка и одна веб-панель, что значительно ускоряет разработку и позволяет быстрее перейти к экспериментам по изоляции климата и работе над промышленным контроллером.
Прошу Вашей помощи
Напишите, пожалуйста, в комментариях:
Необходим ли Вам автополив в отпуск? Если нет, то как справляется с данной проблемой? А если да, то какой функционал будет Вам полезен?
Готовы ли Вы поучаствовать в пилотном тестировании изделий?
Если у Вас высшее техническое или агротехническое образование, то будет интересно узнать Ваше мнение, рекомендации и предложения по решению проблем.
Чтобы отслеживать промежуточные результаты деятельности, приглашаю в телеграм-канал.
Комментарии (17)
NickDoom
20.11.2024 21:40Без автополива какая вообще автоматизация? Это первое, что автоматизируется. Даже мои горшки давно берут воду фитилями из поддона, в котором уровень удерживается китайским насосом с таймером и датчиком уровня (самодельный, из реле, «дарлингтона» и висящего над водой провода).
Тестировать — недостаточно компетентен для оценки. Могу только на уровне «выросло/не выросло». Но идея мне очень нравится, честно говоря — ткнул огурец в ящик, выставил профиль и вперёд. Единственное — я всё-таки не люблю разбрасываться естественным светом, всё, что есть, предпочитаю собирать (плюс досветка).
А как будет решаться проблема контроля состава почвенной смеси? Ладно влажность-тепло-углекислота, с атмосферой всё относительно понятно (я по приколу помидор пытался в пятилитровой банке вырастить, он с такой скоростью махнул, что казалось, можно его рост ушами услышать). А почва или тем более гидропоника? Там же рокет сайенс, ну или одноразовые растворы, но это как-то расточительно…
aborouhin
20.11.2024 21:40Не знаю насчёт домашних нужд, но для коммерческих объёмов не просто полив нужен, а полив с фертигацией (что на порядок сложнее).
А вот собственный своеобычный велосипед вместо PLC/PAC для сбора данных с датчиков и управления исполнительными устройствами плюс SCADA-системы для визуализации и контроля, извините, вряд ли нужен. Зачем писать с нуля то, что давно написано и обкатано? Не проще сосредоточиться на создании идеальной конфигурации на уже имеющихся и проверенных временем компонентах?
kenomimi
20.11.2024 21:40SCADA-системы
Все как одна вендор-локнутые, стоят нефиговый прайс из-за сертификаций, а еще средства разработки к ним отправляют нас в удивительное время Windows 95 и веб-1.0. Да, на предприятии все неприятные мелочи оправдываются высокой надежностью и стандартизацией, для домашнего/гаражного использования SCADA-системы имхо излишни. Тем более, что китайцы делают готовые блоки с ESP32 (не люблю делать такие вещи на wifi, но как подумаешь, скольно надо тянуть проводов... пусть будет wifi), универсальная прошивка давно написана, и все сводится к конфигурированию мышкой в веб-интерфейсе.
aborouhin
20.11.2024 21:40FUXA, Rapid SCADA - оперсорс (OpenSCADA тоже, но это вещь в себе по разным причинам). Ignition Makers Edition - бесплатна для личного использования и до 10 000 точек. Все перечисленные выглядят и конфигурируются вполне современно, получают данные по стандартному OPC UA (ну и есть ещё варианты).
Если уж совсем народное решение - то Node-Red с модулем дашбордов. Чисто мониторинговую (без управления) часть можно и Графане скармилвать. Но в SCADA-системе всё будет уже из одной коробки, ну и опять же, опыт наработать, который на более взрослый уровень позволит перейти, - иначе зачем все эти гаражные упражнения вообще? ;)
0x1A4
20.11.2024 21:40100500 попытка сделать универсальный гроубокс, из предыдущих ни один не взлетел, на сколько мне известно. А проблема не техническая, она вот в этом:
сейчас учу физиологию по учебнику "Физиология растений"
Учебник придется прилагать к комплекту. Без живого ботаника такие системы не работают, не смотря на уровень автоматизации.
Я этот путь проходил, делал такие штуки на заказ. У меня это было в виде 2х отдельных устройств - настраиваемая поливалка и светильник со своим веб сервером и управлением по wi-fi. В поливалке, кроме собственно полива, управление аэрацией раствора и управление обдувом. В светильнике управление циклами и спектром света, так же сбор информации по температуре и влажности и рисование красивых графиков. Управлять влажностью даже не пытался, во-первых это сложно, во-вторых не особо нужно. Хороший контроль влажности нужен для выращивания грибов, а растениям оно не так важно, лишь бы влажность не выходила за диапазон 40-70%. Да и готовый контроллер влажности стоит ~$5 на Али.
Кстати, вижу вы используете датчик температуры и влажности AM2320. Имейте ввиду, сенсор влажности там полимерный и накапливает влагу, так что после того, как влажность подскочит выше 80%, он будет показывать погоду на Марсе. Они одноразовые, рекомендую вместо них AHT21 с кремниевым сенсором и тоже I2C.
nikolz
20.11.2024 21:40Чтобы управлять контроллером из локальной сети, без Интернета, я встрою веб-панель непосредственно в контроллер. Эта задача выполнена на 75%.
Возьмите ESP (ESP8266 хватит для Вашей задачи) в него веб панель встроена изначально уже лет 10.
Кроме того на ESP уже решены все Ваши хотелки.
HumanBearPig
20.11.2024 21:40Пожарную безопасность не забывайте, у меня так вентилятор обдува загорелся и пол гроу-тента сгорело, квартира уцелела, но мусора сели на хвост.
По свету - эффективнее всего использовать Led 2700-3000k для имитации дневного (летнего) света, 5400k для утреннего(весеннего) света. Лучший вариант Samsung QuantumBoard, или Cree CXB3590, но я использовал 50 W матрицы, к ним нужен большой дорогой радиатор для пассивного охлаждения, активное охлаждение так себе идея, шумно и не так надёжно.
kenomimi
20.11.2024 21:40Пробовал растить зелень, томаты и клубнику. Не то, чтобы фейл, но...
Гроубокс нужен для экзотики и роскомнадзора. Укроп с петрушкой растут отлично без него, томаты и клубника тоже. Лишь бы влажность сильно не падала.
Большая проблема - вредители. Какая-то микроскопическая тварь вечно сжирает листья, причем она устойчива к ядохимикатам. Кстати говоря, на улице все листья деревьев (тополь, липа) обожраны тем же вредителем... Еще есть тля и какая-то моль, но эти вроде дохнут с химии.
Сделать герметично и стерильно - архидорого, это уровень приличной лаборатории, а не домашнего огородика.
Автополив - изи, ESP32 + клапана + фитинги и шланги для фильтров. Подключение к этому же фильтру, ибо водопроводная вода портит клапана. Куда сложнее сделать так, чтобы этой же системой вносились удобрения - не рокетсайнс, но усложняет систему и делает ее дороже.
Влажность. Она поддерживается целиком в квартире. Тут решают самодельные увлажнители на базе китайских модулей, стеклянной вазы и деталей, которые напечатаны на 3D принтере. Увлажнители подключаются туда же к фильтру, наполнение регулируется как в унитазе - дешево и надежно. Также внутри кварцевая лампа, ибо увлажнитель без нее выращивает внутри себя Ктулху где-то за 3-4 месяца. Включить-выключить - ESP32.
Освещение. Лучше всего заходят "белые" фитопрожекторы, 1000-1500 рублей за 50-ваттный. Они герметичны, что тоже плюс. Чуть хуже - светодиодные ленты большой мощности 24В 4000К. Управление - ESP32, есть готовые релейные платы.
Экономика. Тут все плохо. Если растить ящичек зелени для супа, просто чтобы не бегать в магазин - вопросов нет. Выводить это на уровень бизнеса не выйдет из-за конской дороговизны - системы уровня ардуино не масштабируются, и каждый следующий уровень апгрейда будет на порядок дороже предыдущего. Классические теплицы с ручным трудом кожаных тупо дешевле.
aborouhin
20.11.2024 21:40Свои 5 копеек вставлю по некоторым пунктам:
С большинством овощей как раз доп. искусственный свет неплохо окупается за счёт увеличения урожая. Не знаю, можно ли это заметить в квартирных масштабах, но в тепличных хозяйствах - точно. Цветы - уже всё не так однозначно, по крайней мере светить на все деньги точно нет смысла, а иногда и вообще нет. Грибы - тем более.
Зачем герметичность и стерильность, если это не грибы, я тоже не понял. Ну и тогда уж надо и самому заходить строго со сменой и дезинфекцией одежды...
Теплицы восхитительно автоматизируются и эта автоматизация прекрасно окупается. При текущей цене постройки гектара теплиц около 20 млн. ₽ добавление автоматизации сильно бюджет не отягощает, а ручной труд и дорог, и ненадёжен, и медлен (одни форточки на том самом гектаре открывать/закрывать руками сколько займёт? про полив вообще молчу - тут без вариантов автоматика) Там, конечно, будет вряд ли Ардуино и самописный софт, а скорее ПЛК и SCADA (я бы, впрочем, даже в квартирном гроубоксе не изобретал велосипеды).
NickDoom
20.11.2024 21:40Пробовал помидор с мощной подсветкой без бокса и в боксе. Без бокса — тупо засох, несмотря на обилие воды и грунта. В пятилитровой банке в качестве «бокса» — устроил тизер «Дня триффидов». Не то что бы прямо сухой воздух в квартире, но вот так вот получается, как видите.
«Бочку Либиха» не обманешь :-/
Ящтаю, нужен какой-то ящик с «умным основанием» и раскладывающимся тентом. Три зеркальные стороны — внутрь комнаты, прозрачная — к окну. И ещё шторки зеркальные, чтобы свет на улицу не терялся, когда ночная досветка работает. Ну, и застёжка-молния, чтобы можно было сажать и собирать урожай.
Мозги ящика следят за влажностью, углекислотой, влажностью почвы, углекислотой в почве (мало ли, чего юзер намешал — может, такой тяжёлый грунт, что корни задыхаются и гниют уже), в общем, не доходим совсем до хайтека с гидропоникой, но мониторим максимум параметров, чтобы вовремя подать алярму типа «рыхли, гниют корни, надо песок добавить» или «состояние биомассы намекает на дефицит калия» (ну а как ещё его мониторить, не спектрометр же туда ставить. Хотя…)
aborouhin
20.11.2024 21:40ну а как ещё его мониторить, не спектрометр же туда ставить. Хотя…
Вообще обычно делается анализ (есть наборы, чтобы делать самому, если объёмы оправдывают покупку, ну или в лаборатории), от его результатов рассчитывается программа внесения удобрений, периодически делается повторный анализ и при необходимости корректируются удобрения. В оперативном режиме у почвы мониторится влажность, температура, pH разве что.
Но тут проблема не столько в датчиках и анализах, сколько реально в наличии квалифицированного агронома, который эти данные правильно интерпретирует и даст рецепт, что делать. Так что автору поста чем изобретать свои железки и веб-интерфейсы, вот с этими бы алгоритмами поработать, чтобы (условно) решение "тут у нас в почве калия мало, увеличиваем коэффициент подмеса такого-то маточного раствора удобрений на узле фертигации на столько-то, через столько-то дней повторный контроль" мне система предлагала, и это решение было оптимальным с учётом культуры, почвы, а также всех накопленных данных с тех самых датчиков за прошлые периоды.
NickDoom
20.11.2024 21:40Как я понимаю, автор как раз хочет заложить этого агронома в свою систему.
Но учитывая то, что ради трёх плетей огурца никто не потащится на анализы — системе придётся играть в угадайку, промеряя листья спектрометром и ломая свою электронную голову, почему они цвет стали менять…
Не, ну в принципе можно, но система получается оооочень весёлая. Даже не по комплектухе дорогая — именно в плане обучения «цифрового агронома».
aborouhin
20.11.2024 21:40Я автору пытаюсь намекнуть на то, что пока он изобретает велосипеды в виде собственных железок и веб-морды, тогда как и того, и другого достаточно на выбор во всех ценовых и функциональных категориях, - на собственно "цифрового агронома" ресурсов, возможно, уже и не хватит...
Кстати, интересно глянуть, что там в этой сфере уже существует - анонсы про очередной сервис с ИИ и прочими свистоперделками мимо пролетают регулярно, а вот что есть из реально работающего и поближе к земле (а не "чтобы узнать стоимость, давайте мы Вам сделаем пилотное внедрение на 10 Га")...
NickDoom
20.11.2024 21:40чтобы узнать стоимость, давайте мы Вам сделаем пилотное внедрение на 10 Га
«Простите, я само [пока] не знаю, кто я — но мальчуган, меня [в Автокаде] нарисовавший, был убеждён, что я — типичный лев!»
goodzone_z
Нужно помочь в написании c++ части?