Параметризация микроклимата для растений

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] = element вместо a.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.