Большая история маленького автополива

Озеленение балкона для улучшения эстетического вида хозяйственного помещения – цель благородная, но не единственная. Приступая к задаче, воображение рисовало некую живую изгородь, вьющиеся растения с широкими листьями, помимо прочего, защищающие комнату от палящего солнца. В качестве возможных кандидатов на посадку рассматривались виноград, хмель и несколько видов вьющихся садовых цветов. Шишковидные цветы хмеля имеют сильный специфический запах, виноград способны выращивать только люди с большим жизненным опытом, а вот цветные фотографии вьющихся быстрорастущих однолетников и заверения о их неприхотливости на пакетах с семенами быстро разрешили вопрос в пользу последних.

Перед тем как ринуться в бой, не лишне поставить несколько актуальных вопросов. Из-за солнечной стороны температура на балконе доходит до 40 °C и держится высокой на протяжении всего дня. В зависимости от объемов орошения, климат получается экваториальный или тропический, а потому и растения должны быть очень тепло и светолюбивые. Вероятно, продавец-консультант смогла понять суть климатических условий лишь поверхностно, и предложила на выбор горошек душистый Олд спайс микс, Кобею лазающую, фиолетовую, Ипомею, небесно-голубую. Я решил взять всего, понемногу.

Второй вопрос касается организации орошения «ботанического балкона». Чтобы полностью застелить окно живой изгородью, высота растений должна составлять не менее 140 см, а суммарная площадь листвы оценивается в два квадратных метра. Большая площадь испарения в сочетании с повышенными температурами вынуждает задуматься о вопросе автоматизации полива. В экспериментах с гидропоникой было установлено, что объем потребляемой влаги существенно меняется по мере роста растений, значит, точно предсказать оптимальный режим полива крайне трудно. Если быть точнее, он будет меняться в процессе роста вьющихся цветов. Поэтому, лучше пойти по другому пути, использовать автополив с ручным запуском или регулировать его по мере изменения жизненных условий растительности.

Год первый

Смастерить маленький таймер полива – задача элементарная. Когда дело касается хобби, о покупке готового таймера не может быть и речи. Но, я все-таки, посмотрел китайские аналоги. Стоимость пригодных к использованию таймеров начинается от двух тысяч рублей. Как правило, это устройства на батарейках, с LCD экраном, кнопками или крутилкой, встроенным или выносным насосом, иногда датчиком дождя. Попадались электронные, механические, круглые, квадратные, влагозащищенные, многоканальные, любых цветов, на китайском, английском и русском языках. В общем, рынок данных устройств заполнен до предела; вот уж действительно, где быстрее сделать самому, чем разобраться в преимуществах и недостатках существующих вариантов, изучая тысячи положительных и отрицательных отзывов.

Из вредности я взял не 8, а 32 битный микроконтроллер STM32G030F4P6, с рабочей частотой до 64 МГц и 32К FLASH. Маленький OLED дисплей с интерфейсом I2C и диагональю 0,96” также будет к месту. Осталось добавить некое понятное меню, несколько кнопок и пьезоизлучатель. Просто, функционально, незаметно, надежно – маркетинговые тезисы, которые самое время начинать готовить к скорому релизу изделия. Не забываем и про минималистический дизайн, сверху размещаем разъем питания, снизу – разъем для подключения насоса. Само устройство крепится на силиконовый шланг, по которому прокачивается вода.

Конструкция с креплением на шланг выбрана не случайно. На печатной плате разместился ёмкостный датчик воды – способ сигнализировать пользователю о надвигающейся засухе. Малые размеры и метод крепления будущего девайса, отразились в его названии. Друзья и коллеги с энтузиазмом набросали несколько вариантов, среди которых были «дождик, ручеёк, капелька, сопелька, iWet, улитка» и парочка неприличных. Название «Капелька» мне понравилось.

В разработке, как в аптеке,
Всё имеет суть и вес.
Таймеру, как человеку,
Имя нужно позарез!

Итак, размер корпуса Капельки составляет всего 4 x 4 см, печатная плата ещё меньше. LDO, МК, кнопки, пьезик, коннекторы питания, дисплей и горстка пассивных компонентов – вся суть устройства. Напряжение сетевого адаптера 12 В коммутируется полевым транзистором на насос. В контроллере STM32G0 нет модуля TSC (touch sense controller), зато много памяти и высокая тактовая частота. Поэтому ёмкостный датчик реализован методом слежения за временем перезаряда конденсатора с программной фильтрацией. Конструкция получилась мезонинного типа, т.е. две платы, расположенные одна над другой.

Создание пользовательского интерфейса – всегда интересная и творческая деятельность, предшествующая разработке ПО. Поэкспериментируем с экранами меню на бумаге, а точнее, в программе Balsamiq Mockups. Мне захотелось максимально упростить жизнь пользователя, убрать множество настроек и обойтись минимальным набором интуитивно понятных пиктограмм. Вот что из этого получилось.

В случае классического режима работы по расписанию настраивается длительность полива и число запусков в течении недели. Временные интервалы распределяются равномерно. Полив по таймеру обратного отсчета подразумевает ручной запуск. Тут все просто, увидел, что почва сухая – жми кнопку. В силу большого объема памяти в МК, удалось добавить маленькую фишку, смену ориентации пользовательского меню. Те же экраны, но развернутые на 90 градусов.

К моменту, когда приехали печатные платы, собралась схема, напечатался корпус и написалось программное обеспечение, семена цветов уже взошли. О душистом горошке я узнал следующее: быстро всходит и развивается; цветёт с ярко выраженным приятным ароматом; цветы маленькие, отходят быстро, но появляются новые; не лиана, листья небольшого размера; плохо переносит экстремальные температуры. Семена душистого горошка не съедобны они содержат токсичные латирогены, употреблять их в пищу запрещается. Растению необходима жёсткая опора и регулярная подвязка, что заставило отказаться от идеи использовать душистый горошек в качестве щита от солнца.  

Кобея фиолетовая и Ипомея голубая показали более интересные результаты. Уверен, что их развитие сильно давил климат, прямые солнечные лучи, болезни. К концу лета температура на балконе держалась стабильно около 40 °C, к том же завелась белокрылка. Борьба с вредным насекомым закончила со счётом 4:0 в пользу белокрылки. Тем не менее, цветы порадовали своей красотой и запахом. На фото представлены этапы жизни живой изгороди в разные периоды времени. Вероятно, за счёт перекрестного опыления некоторые цветы приняли замысловатый голубо-фиолетовый цвет.

Две Капельки внесли свой вклад в общее дело, поливая растения по первому клику. Использовался именно ручной режим, из-за малой площади помещения и плохого проветривния температура прыгала то вверх, то вниз, утомив необходимостью постоянной смены настроек. В итоге посещаемость балкона выраславразы, а живая изгородь смогла простоять до ноября.

Пока биологи гадают, насколько работа дофаминовых систем головного мозга влияет на способность человека эффективно учиться на своих ошибках, соберем основные выводы. Ведь полученный при прототипировании опыт, зачастую важнее самих результатов.

1. Балкон, это вам не огород и даже не теплица. Такие факторы, как малый размер площади, плохое проветривание и жилой статус помещения, существенно осложняют активную аграрную деятельность. Поддержание высокой влажности способствует хорошему росту цветов с одной стороны и неожиданному отслаиванию штукатурки с другой. Опрыскивать растения ядами в борьбе с белокрылкой и другими вредителями также затруднительно. Думаю, что, вьющиеся цветы стоило разместить за пределами балкона. Многие таки делают, выставляя горшки с растительностью на уличном подоконнике. 

2. Капелька не закрыла полностью вопрос орошения цветов, но существенно его упростила. Не обошлось без трудностей: вода в ёмкости застаивается и зацветает; полив через шланги и капилляры не обеспечивает равномерного распределения влаги; силиконовые шланги быстро теряют гибкость, а значит система полива монтируется на один раз. Датчик протока жидкости также оказался слабым местом. Трудности калибровки и сбои при эксплуатации вынудили отказаться от его использования.

В целом опыт можно считать положительным, но у меня создалось впечатление, что цветник в балконных условиях не позволил полностью раскрыть потенциал Капельки. Много факторов, относящихся к окружающей среде, а не самому таймеру. Другое дело дача, тут поле для экспериментов значительно шире.

Год второй

Вода на дачном участке у всех появляется по-разному, это может быть центральное водоснабжение, подача воды по дням недели, хранение в резервуаре, собственный колодец с насосом, река, пруд, дождь. Есть дачи с высокоскоростным интернетом, а есть где нет даже электричества. Так что начальные технические требования владельцев дач к таймеру автополива существенно отличаются. Подготовка Капельки к дачному сезону потребует некоторой переработки устройства. Идея осталась прежней, но вместо насоса будет использоваться электромагнитный клапан 2W-200-20. В моём случае вода подается из ёмкости, высота водяного столба составляет менее 10 метров, значит, давление в системе не более 1 бар. Замена полевого транзистора миниатюрным механическим реле помогла добавить в устройство новую фишку – одинаковые коннекторы подключения питания и клапана. Блок питания можно подсоединить с любой стороны, реле служит проходным элементом, а электронная схема питается через диодный мост.

Пользовательский интерфейс программы тажке обновим. Теперь нужно иметь возможность настраивать полив как в разное время (рекомендуется поливать растения утром и вечером), так и в разные дни недели. В процессе отладки стало понятно, что вывод на экран отсчёта времени до полива существенно облегчает взаимодействие с устройством. От больших пиктограмм пришлось отказаться, снова делаем стандартное многострочное меню.  

Дачные испытания Капельки сразу же выявили существенный недостаток задумки – потребность сетевого напряжения для подключения блока питания. Протянуть удлинитель было не сложно, но я решил пойти по другому пути, запитав таймер от старого автомобильного аккумулятора. Пришлось смастерить небольшой домик для защиты от солнечных лучей и дождя. АКБ смог протянуть целый месяц, разрядившись до напряжения 10,5…11 В при двукратном ежедневном поливе в течении 6 минут.

Корпус также подвергся некоторым экспериментам, прошёл обработку в ацетоновой бане с последующей покраской. Финальная на текущий момент версия Капельки выглядит примерно так.

Задумка и реальность, как всегда, расходятся. Дачно-полевые испытания выявили много нового и интересного.

1. Когда шланги с водой долго лежат на солнце, на внутренних стенках начинают развиваться микроводоросли. Они образуют тонкий внутренний слой, который через 2…3 месяца превращается в заметную плёнку. Разумеется, часть этой водорослевой плёнки иногда отслаивается и забивает форсунки разбрызгивателей. Возможный вариант решения проблемы – применение разбрызгивателей типа Улитка, которые оказались дешевле и надежнее, а разбрызгивают равномернее.

2. Объединять разбрызгиватели в каскад можно только при стабильно высоком давлении воды. Те же самые улитки, хорошо работающие по раздельности, совсем не работают сообща. Для выравнивания давлений нужны краны, причем шаровые, чтобы не уменьшать проходное сечение шлангов.

3. Если на участке есть заметный перепад высот, будет наблюдаться сплющивание шлангов. После окончания полива верхний конец шланга перекрывается, а стекающая вода создает область пониженного давления. Она как бы «высасывает» шланг, который через 2 месяца будет идеально плоским.

4. Не забываем про дополнительный водяной фильтр, который должен быть установлен на входе системы. О его необходимости я узнал, после того как ёлочная иголка попала на мембрану электромагнитного клапана, не давая последнему полностью закрываться.

5. Только круглые грядки! Возможно, это выглядит непривычно, зато полностью раскрывает потенциал разбрызгивателей.

6. Заряжать АКБ каждый месяц не интересно. Учитывая, что цикл заряда может длиться более суток, необходимо иметь подменный аккумулятор. Провод до грядок с напряжением 12 В записан в планы на следующий год.

В естественных условиях результаты работы автополива в разы заметнее. Зелень в холодильнике постепенно начала вытеснять другие продукты питания, при виде петрушки и кинзы на моем лбу выступает холодный пот. Благо кресс-салат и укроп пошли в цвет. Но расслабляться рано, черри на подходе.