Жизнь в стране с жарким климатом волей-неволей заставляет взяться за выращивание чего-либо. Я этот путь начал с острых перцев чили, которым нужно много солнца и регулярный полив. Сняв пару урожаев, я задумался о том, что было бы здорово попробовать выращивать их на гидропонике, то есть когда у вас вообще нет почвы, а корни растения живут в субстрате вроде кокосового волокна или керамзита.

Основной проблемой становится непрерывное снабжение корней питательным раствором, который будет заменять собой почву. Он должен постоянно циркулировать, доставляя растению новые порции необходимых веществ, а их содержание нужно контролировать. Если подача остановится на продолжительное время — растения могут погибнуть, и все придется начинать заново.

Поэтому в голове родилась идея проекта, совмещающего в себе генерацию электроэнергии и построение самодельной установки, напечатанной на 3D-принтере. Решил контроль за параметрами раствора сделать на Arduino Uno Q, который станет передавать их ИИ-агенту. В этой части соберу механическую и электрическую основу, а автоматизация — в следующих. Не переключайтесь — будет интересно.

Выбор модели установки

Глобально все системы можно поделить на горизонтальные и вертикальные. Первые гораздо удобнее, поскольку в них растения находятся в одинаковых условиях, выше стабильность температуры раствора, а также в случае остановки насоса корни остаются в воде, что дает больший запас времени на восстановление. Однако есть и минусы: размер установки и расход воды в ней будет выше на каждую единицу урожая.

Орошение вертикальных систем менее энергозатратно — достаточно поднять раствор наверх, а далее он самотеком пройдет по всем ярусам. Но тут же возникает другая проблема: количество питательных веществ, подаваемых растениям на верхнем и нижнем уровнях, будет разным. К тому же появляется риск затенения нижних растений. Если насос выйдет из строя — все довольно быстро пересохнет.

Единственным, но в моем случае определяющим фактором становится занимаемая площадь. Вертикальную систему можно легко разместить на балконе, и при этом она довольно просто масштабируется. Что же касается градиента питания (растения на верхнем ярусе станут получать более насыщенный раствор, чем нижние), то тут все зависит от конкретной культуры. Клубнике, например, это менее важно, чем салату. 

Я остановил свой выбор на https://www.thingiverse.com/thing:5929335, одном из популярных дизайнов с Thingiverse. Конечно, можно было бы засесть за Autodesk Fusion и спроектировать свой собственный дизайн за пару вечеров. Но тратить на это время не хотелось, особенно учитывая то, что печать даже готовой установки займет несколько дней.

Она удобна тем, что ее можно собрать и разобрать без единого инструмента — модули скрепляются простым поворотом, словно плафон светильника. Печатать можно с минимальной поддержкой, а плотность в теории должна быть оптимальной (три на ярус). Растения будут находиться в съемных модулях, каждый из которых я планирую заполнить керамзитом.

Мне было интересно посмотреть, как поведут себя разные пластики в такой сборке. Поэтому нижний и верхний ярусы я распечатал из прозрачного PETG производства словенской AzureFilm, который значительно более устойчив к температурным нагрузкам, а вот всю центральную часть сделал из Basic PLA от Bambu Lab. Будет интересно узнать, сильно ли усядется и через какой промежуток времени он придет в негодность. Благо заменить ярус целиком на новый можно в любой момент.

Верхний ярус представляет собой точку подъема раствора, откуда он стекает обратно в бак, попутно орошая все корни. Достаточно подвести и закрепить там шланг нужного диаметра, который будет проходить сквозь всей колонны. Чтобы было нагляднее, я взял полностью прозрачный. А вот крепление для него пришлось придумать и смоделировать через TinkerCAD:

Меньшая часть диаметром 9 мм легко вставляется внутрь шланга и натягивается на расширяющийся раструб:

В итоге конструкция прочно фиксируется на посадочном месте:

Нижний же ярус спроектирован так, чтобы соединяться с баком. За счет наклона стенок весь раствор будет стекать вниз. Для начала я решил создать конструкцию на три яруса, а в случае успеха — масштабировать ее вверх. Собранная колонна без бака выглядит следующим образом:

Насос и электропитание

Изначально я планировал выбрать и приобрести насос в зоомагазине — там они рассчитаны на постоянное использование в аквариумах. Но решил случай: когда я рассказал своему другу про проект и показал фотографии — он сходу предложил мне отдать свой старый насос, используемый в декоративном фонтанчике. Вместе с ним мне досталась пара контроллеров, две свинцовые батареи от UPS и две небольших солнечных панели — именно от них раньше работал этот фонтанчик.

Первое, с чего я начал, — с батарей. Они не были высажены в ноль, поэтому попробовал несколько методик, чтобы восстановить их из состояния глубокого разряда. Увы, но колдунство с iMax B6 Mini, долив электролита и прочие ухищрения не помогли — обе батареи де-факто были мертвы. Так что поехал в магазин и приобрел две новые YUASA NPW45-12.

Особенность насоса оказалась в питании. Для работы на полную мощность ему нужно подавать 24V, а потребление составляет 22W. Так что надо было прикинуть, сколько энергии я могу генерировать и сохранять. Но перед этим решить вопрос с балансировкой. Если бы я заряжал батареи через два отдельных контроллера (каждый по 12V), как в фонтанчике, а разряжал их последовательно (24V), то токи через них были бы разными — ушли в дисбаланс, и это сильно бы сократило им жизнь.

Так что вместо двух контроллеров купил один, который поддерживает 24V. Этим бы достигался единый путь заряда и разряда через всю сборку.

Характеристики: 12V/24V авто, 40A, Max PV 50V, до 480W. Помимо всего прочего, он хорош тем, что имеет bluetooth и способен управляться через мобильное приложение. Надеюсь, потом получится отреверсить команды и сделать кастомный сбор данных. Для моей задачи это контроллер с огромным запасом: даже если китайцы преувеличили все характеристики — насос фонтанчика ему точно по зубам.

Чтобы исключить проблему с генерацией энергии решил воспользоваться давно купленной про запас солнечной панелью GES-5M195 со следующими характеристиками: Pmax 195W, Vmp 36V, Voc 45V, Imp 5.42A, Isc 5.8A. По моим подсчетом, она способна выдать 600–700 Wh в день летом и 200–350 Wh в день зимой.

Но вот с хранением возникает вопрос: емкость сборки из двух батарей составит в лучшем случае 192 Wh полезной энергии. А поскольку это свинец, то предел безопасного использования будет 50% (около 96 Wh). При мощности насоса 22W это чуть более четырех часов автономной работы от батарей без солнца в щадящем режиме. Ибо за восемь часов они сядут в ноль, чего банально не переживут.

Получается, что в светлое время дня насос теоретически может работать без перерыва, а вот ночью он должен включаться короткими циклами так, чтобы корни не успевали пересохнуть (керамзит с его порами поможет), и при этом за ночь батарея садилась бы не более чем на 50%. Либо же нарастить емкость, что увеличит общую стоимость. Проблемы потенциально будут только зимой, когда выработка способна упасть почти до нуля.

В итоге я остановился на таком варианте: в дневное время насос крутится 10–11 часов нон-стоп. А ночью переходит на режим: 15 мин работы, 45 мин простой. В таком случае за ночь (14 часов, зима, худший сценарий) я буду расходовать примерно 77 Wh, что составит около 80% от безопасного буфера. Разумеется, потом все это скорректирую по реальным замерам.

Сборка электрической части

Одним из самых важных для меня параметров является компактность. Так что первым делом я распечатал небольшую подставку. Безопасность даже тут играет важную роль, поэтому на подключение плюсовой клеммы я поставил автомобильный предохранитель 15А. Чтобы все это было красиво — переработал и распечатал коннекторы. 

Оригинал модели рассчитан на расстояние 34 мм между терминалами:

Мне же пришлось его переделать под 42 мм, подрезав боковые грани и расширив центральную часть:

Полностью собранная сборка из двух батарей выглядит так:

Панель у меня была с откушенными коннекторами, поэтому пришлось приобрести новые и обжать их для надежного герметичного соединения:

Насос у меня не погружного типа, поэтому его я размещу в отдельном боксе рядом, а на его выводы поставил быстросъемы — так я смогу при необходимости быстро промыть всю систему, переключив колонну на садовый шланг, а также оперативно заменить насос на аналогичный.

Общая схема подключения теперь выглядит так:

• Панель GES-5M195: PV(+) >> контроллер PV(+), PV(−) >> контроллер PV(−).

• Сборка 24V: BATT(+) >> предохранитель 15A >> (+) BAT1, (−) BAT1 >> (+) BAT2 , (−) BAT2 >> BATT(−).

• Насос: LOAD(+) >> красный (R:+), LOAD(−) >> черный (BLK:−).

Заключение

На этом стартовая часть проекта подошла к концу. Теперь, когда у меня появился прототип, я смогу померять реальную выработку энергии и соотнести ее с реальными цифрами. Кроме того, предстоит решить вопрос с тем, как именно Arduino Uno Q будет управлять питанием насоса и какие датчики поставить. 

Дополнительно я прочитал, что увеличение температуры раствора может привести к гниению корней, чего очень бы не хотелось. Поэтому надо будет продумать, как охлаждать его, не давать перегреваться.

Кроме того, возникает интересная проблема с тем, что в процессе эксплуатации содержание веществ будет повышаться и это стоит отслеживать, своевременно меняя раствор до момента, когда он начнет пагубно сказываться на растениях. Ну и предстоит написать небольшое веб-приложение, которое позволит мне менять параметры работы насоса (плюс продумать сервисный режим, например, промывки).

Если вам интересно — подписывайтесь на блог МТС, чтобы не пропустить следующую часть. Буду рад услышать ваши полезные замечания в комментариях.