Добрый день, уважаемый читатели!
Проект теплицы с зачатками разума уже успешно отработал несколько сезонов. И в этой небольшой статье я познакомлю вас с “аппаратной начинкой” проекта, а так же какие датчики были использованы в проекте, и почему их так много.
Серия статей "Теплица с зачатками разума на ESP32"
- Часть 1. Пролог
Строительство - статья не о программировании и не электронике. - Часть 2. Hardware
Небольшая статья о том, какая плата ESP32 была использована и какие можно использовать взамен.
Как были распределены доступные GPIO, что потребовалось сделать ещё. Выбор корпуса и вот это всё. - Часть 3. Управление форточками
Автоматическое управление проветриванием: выбор датчиков и исполнительных механизмов (приводов), их размещение для минимизации ошибок измерения.
Примеры алгоритмов управления форточками для ESP-IDF. - Часть 4. Управление капельным поливом и наполнением промежуточного бака
Выбор насоса, клапанов, шаровых кранов с электроприводом, а также датчиков уровня и влажности почвы.
Примеры алгоритмов управления поливом для ESP-IDF.
Дополнительные статьи
- Датчики влажности почвы
Небольшой обзор датчиков влажности почвы для систем автоматического полива растений: от самых простейших контактных, бесконтактных емкостных до "продвинутых" - Датчики влажности почвы “7-в-1” (CWT-Soil-X-Y и его клоны)
Обзор китайских "продвинутых" датчиков для измерения параметров почвы, которые я использую в своей системе. - Капельный полив в теплице и не только
Статья о том, какие краны, клапаны, капельницы и т.д. используется в моей системе полива и почему. Без привязки к электронике и программированию.
Функциональные возможности проекта
Контроллер для теплицы с зачатками разума на текущий момент обеспечивает следующий функционал:
- Автоматическое управление форточками, исходя из температуры и влажности внутри теплицы, а также используются данные о температуре и силе ветра снаружи (используются данные с метеостанции, которые получаются через локальный MQTT-сервер). Для управления форточками установлены два линейных привода, которые включены параллельно и управляются синхронно.
- Контроль за уровнем воды в промежуточном баке. Бак используется для накопления и естественного подогрева воды для последующего полива. Пополнение бака реализовано по расписанию с использованием датчика уровня воды.
- Двухзонное управление капельным поливом с использованием датчиков влажности RS485. В алгоритме также реализован и полив по расписанию и по таймеру, но этот механизм используется только как дополнение к основному управлению по датчикам. Соответственно мне понадобились два датчика, два клапана (шаровых крана) и один насос 12в.
Контроллер теплицы может работать полностью в автоматическом режиме (что он, собственно и делает), но можно управлять им с помощью кнопок на блоке управления локально, либо удаленно через MQTT-протокол.
Датчики
Практически все “самостоятельные” решения (открыть / закрыть форточки, открыть кран для пополнения бака, начать полив и т.д.) контроллер теплицы принимает на основании датчиков.
В целом и общем большинство подключенных сенсоров работают посредством шины RS485 и протокола Modbus RTU, но есть и несколько сенсоров на шине I2C (изначально их было больше). За несколько сезонов эксплуатации теплицы я почти полностью отказался от I2C-датчиков. Причина – постоянные сбои из-за длинных соединительных проводов и невозможности использования однотипных датчиков (из-за аппаратной привязки адреса).Да, сенсоры для RS485 очень дорогие, но надежность работы на длинных кабелях требует жертв.
- Датчик температуры и влажности воздуха в теплице. Я использовал RS-WS-N01-2D-LCD, про который я писал ранее. На основании его данных осуществляется управление форточками и полив по температуре (опционально). Датчик довольно дорогой, но можно применить любой другой RS485 датчик температуры и влажности, например CWT-TH01S или аналогичный – они существенно дешевле.
- Два датчика влажности и температуры почвы CWT-Soil-TH-S для шины RS485. С них снимаются данные о влажности почвы в двух зонах – томаты и огурцы. Для томатов и огурцов требуется примерно одинаковый температурный режим, а вот полив требуется совсем разный. Поэтому два отдельных датчика и два клапана.
Почему не обычные емкостные? Потому что они архи не надежны и не стабильны, у меня есть длительный опыт использования их в системе полива комнатных цветов. - Датчик температуры воды в баке – DS18B20 в металлической гильзе, дополнительно герметизированный силиконом. Для работы системы полива, чтобы не полить растения слишком холодной водой.
- Датчик уровня воды в баке QDY-30А для шины RS485. На основании его данных принимается решение о поливе и необходимости пополнения бака из водопровода.
- Датчик температуры почвы снаружи теплицы – DS18B20 в металлической гильзе. Для автоматики он никак не используется, но по нему можно судить о сроках посадки растений снаружи.
- Дополнительный датчик температуры DS18B20 в металлической гильзе. Он используется как “переносной” датчик для управления тепловентилятором. Его можно будет засунуть в парничок под укрывной материал вместе с отопителем в весенние заморозки, дабы не греть всю теплицу.
- Датчик освещенности BH1750. Используется для экстренного закрытия форточек перед дождем – набежала тучка, потемнело – форточки закрыли.
- При сильном ветре форточки автоматически закрываются, дабы их не вырвало. С “внешней” метеостанции поступают данные о внешней температуре, влажности и силе ветра.
- На случай, когда связи с метеостанцией нет или она выключена, предусмотрены датчики CWT-TH01S и локальный чашечный анемометр.
Ниже представлен список датчиков в моем варианте. Вы можете выбрать другие датчики или отказаться от каких-либо датчиков, если они вам совсем не нужны. Например RS485-датчики можно заменить на подобные им, но с интерфейсом I2C и более дешевые. Количество датчиков вы можете также изменить по своему вкусу.
| Наименование | Шина | Кол. | Цена | Ссылки | Назначение |
|---|---|---|---|---|---|
| RS-WS-N01-2D-LCD обзор |
RS485 | 1 | 3000 | AliExpress, Ozon | Измерение внутренней температуры воздуха в теплице. |
| CWT-TH01S или аналогичный | RS485 | 1 | 550 | AliExpress, Ozon | Измерение внешней температуры и влажности воздуха на улице |
| DS18B20 в гильзе | 1Wire | 3 | от 150 | AliExpress, Ozon | 1. Дополнительный переносной датчик для измерения температуры воздуха под доп. укрытиями 2. Измерение температуры воды в емкости 3. Измерение температуры почвы |
| BH1750 (модуль) | I2C | 1 | 150 | AliExpress, Ozon | Измерение уровня освещенности |
| Анемометр | RS485 | 1 | 1700 | AliExpress | Измерение скорости ветра |
| CWT-Soil-X-S обзор |
RS485 | 2 | 900 | AliExpress, Ozon | Измерение температуры и влажности почвы |
| QDY-30A обзор |
RS485 | 1 | 3600 | AliExpress | Измерение уровня воды в емкости |
Примечания:
- Цены указаны ориентировочно в рублях на момент написания статьи – только чтобы вы могли понимать, в какую сумму затрат выльется проект.
- Ссылки даны лишь в качестве примера, со временем они могут устареть.
- Я никак не связан с продавцами и торговыми площадками, но поскольку я привожу здесь прямые ссылки на товары, я обязан указать маркер, что это реклама:
- ООО “Алибаба.Ком (Ру)” ОГРН 1157746446747, адрес: 123112, г. Москва, Пресненская наб., д. 10, эт. 11, п. III, к. 17
- ООО «Интернет Решения», ОГРН 1027739244741, адрес: 123112, г. Москва, Пресненская наб., д. 10, эт. 41, п. I, к. 6
Исполнительные устройства
Кроме датчиков, потребуются некоторые исполнительные устройства, который будут выполнять заданные действия – открывать форточки или поливать. Так же, как и в случае с датчиками, здесь огромное количество возможностей в выборе, в таблице ниже я приведу лишь те, которые применяю я. Таблица составлена из расчета на две форточки и два канала управления поливом.
| Наименование | Кол. | Цена | Ссылки | Назначение |
|---|---|---|---|---|
| Привод электрический линейный 12В 2.5А 250мм |
2 | 2000 | AliExpress, Ozon | Управление форточками |
| Насос погружной 12В 20Вт, напор 5м |
1 | 1000 | AliExpress, Ozon | Создание напора воды для работы капельниц |
| Шаровый кран с электроприводом 12В |
3 | 1700 | AliExpress, Ozon | Наполнение емкости и полив |
Примечания:
- Цены указаны ориентировочно в рублях на момент написания статьи – только чтобы вы могли понимать, в какую сумму затрат выльется проект
- Ссылки даны лишь в качестве примера, со временем они могут устареть.
- Я никак не связан с продавцами и торговыми площадками, но поскольку я привожу здесь прямые ссылки на товары, я обязан указать маркер, что это реклама:
- ООО “Алибаба.Ком (Ру)” ОГРН 1157746446747, адрес: 123112, г. Москва, Пресненская наб., д. 10, эт. 11, п. III, к. 17
- ООО «Интернет Решения», ОГРН 1027739244741, адрес: 123112, г. Москва, Пресненская наб., д. 10, эт. 41, п. I, к. 6
Блок управления
Первоначальный вариант блока управления был собран на плате ESP32_Relay_X8, которая изначально имеет на борту модуль ESP32-WROOM-32D и восемь реле для управления нагрузкой (про нее я уже писал ранее).
Но, поскольку теплица находится на значительном удалении от точки доступа, мне пришлось заменить модуль ESP32-WROOM-32D с печатной антенной на другой модуль ESP32-WROOM-32U, дабы иметь возможность подключить внешнюю антенну. Фото после переделки вы можете увидеть ниже:
Плата имеет встроенный DC-DC преобразователь, позволяющий подавать на нее питание 12В и восемь реле. На текущий момент выходы (реле) используются следующим образом:
- Приводы форточек – открыть
- Приводы форточек – закрыть
- Клапан (шаровый кран) для автоматического пополнения бака из водопровода
- Насос для системы капельного полива из бака
- Клапан (шаровый кран) канала полива 1 (томаты)
- Клапан (шаровый кран) канала полива 2 (огурцы)
- Тепловентилятор (подогрев в заморозки)
- Резерв
Примечание: совсем не обязательно использовать для проекта именно указанную выше плату. Можно использовать большой спектр имеющихся на рынке плат с ESP32, например Kincony KC868-A16 или Kincony KC868-A16 v3.1 – они также очень хорошо подходит для данного проекта.
Кроме этого мне потребовались дополнительные модули и элементы – блок питания, экран, кнопки, микросхемы и светодиоды. Мелочевку (резисторы, конденсаторы, транзисторы) я опустил.
| Наименование | Кол. | Цена | Ссылки | Примечание |
|---|---|---|---|---|
| Плата ESP32_Relay_X8 | 1 | 1600 | Ozon | |
| Блок питания 12В 10А | 1 | 650 | Ozon | |
| Расширитель портов PCF8574 | 1 | 400 | Ozon | |
| Дисплей символьный LCD2004A 5В | 1 | 400 | Ozon | Опционально, вполне можно обойтись и без него |
| Кнопки | 5 | 250 | Ozon | За 6 штук, можно любые другие |
| Светодиоды 5 мм | 2 | 5 | ||
| Корпус | 1 | 2000 | Покупал в местном магазине электротоваров |
Примечания:
- Цены указаны ориентировочно в рублях на момент написания статьи.
- Ссылки даны лишь в качестве примера, со временем они могут устареть
- Я никак не связан с продавцами и торговыми площадками, но поскольку я привожу здесь прямые ссылки на товары, я обязан указать маркер, что это реклама:
- ООО “Алибаба.Ком (Ру)” ОГРН 1157746446747, адрес: 123112, г. Москва, Пресненская наб., д. 10, эт. 11, п. III, к. 17
- ООО «Интернет Решения», ОГРН 1027739244741, адрес: 123112, г. Москва, Пресненская наб., д. 10, эт. 41, п. I, к. 6
Теперь вы можете примерно (весьма примерно) оценить затраты на создание собственной DIY-теплицы. В моем варианте получилась сумма 11 250 руб. на датчики, ~ 10 000 руб. на исполнительные устройства, и примерно 12 000 руб, на основной блок. То есть более 33 000 руб, и это без учета “мелочевки”, работы и затрат на изготовление печатных плат. Это довольно большая сумма, и стоимость выращенных овощей никогда окупит её даже за несколько лет. Но и выловленный в реке окунь никогда не окупит стоимость купленного рыболовного снаряжения – но это хобби. А поэтому только вы решаете – нужно это вам или нет. Но если решите, что нужно – будьте готовы к материальным затратам.
Используемые GPIO
Конечно, для управления линейными приводами с реверсом можно было бы применить Н-мост, например такой, но реле на плате уже есть, и на них можно тоже легко и просто соорудить схему питания двигателя постоянного тока с реверсом.
Источник: Яндекс Картинки
С остальными исполнительными механизмами вообще нет проблем – все клапаны и насосы на 12В и достаточно подать на них питание через те же самые реле. Главное, чтобы блок питания обеспечивал необходимый ток.
Вся “лучшая сторона” GPIO микроконтроллера занята штатными реле, уже распаянными на плате. Для свободного использования остается не так много выводов:
Вот так “распределились” выводы на микроконтроллере
Поэтому мне потребовался расширитель GPIO PCF8574 – через него я подключил кнопки и светодиоды. Получилась примерно такая табличка:
Датчики, периферия и шины, к которым они подключены
Для подключения всего этого “богатства” к контроллеру вначале хотел использовать монтажную плату, разъемы и МГТФ. Но это был тупиковый вариант.
Первоначальная отладочная версия конструкции.
После того, как в ходе подготовки некоторые разъемы пару раз отвалились, понял что это “не вариант”. Поэтому сделал две платы – адаптер на “материнскую” плату.
Кроме датчиков, к плате подключен LCD дисплей и 6 кнопок для ручного управления по шине I2C. Для их удобного подключения создал другую платку:
Здесь же собрал самодельный преобразователь уровней для дисплея на транзисторах 2N7000.
В качестве блока питания использован стандартный блок 12В 10А в металлическом корпусе.
Все это упаковано в пластиковый бокс с защитой от влаги. Получилось не очень аккуратно, но все надежно работает. За несколько лет вышло из строя только одно реле.
Для ввода многочисленных кабелей внутрь предусмотрены кабельные герметичные уплотнители.
Единственное, что меня немного “беспокоит” – панель управления. Кнопки, дисплей и светодиоды нарушают герметичность корпуса. Постараюсь уплотнить места их установки термоклеем, как это получилось сделать с датчиком освещенности. За несколько лет эксплуатации с электроникой внутри корпуса ничего не случилось.
Серия статей "Теплица с зачатками разума на ESP32"
- Часть 1. Пролог
Строительство - статья не о программировании и не электронике. - Часть 2. Hardware
Небольшая статья о том, какая плата ESP32 была использована и какие можно использовать взамен.
Как были распределены доступные GPIO, что потребовалось сделать ещё. Выбор корпуса и вот это всё. - Часть 3. Управление форточками
Автоматическое управление проветриванием: выбор датчиков и исполнительных механизмов (приводов), их размещение для минимизации ошибок измерения.
Примеры алгоритмов управления форточками для ESP-IDF. - Часть 4. Управление капельным поливом и наполнением промежуточного бака
Выбор насоса, клапанов, шаровых кранов с электроприводом, а также датчиков уровня и влажности почвы.
Примеры алгоритмов управления поливом для ESP-IDF.
Дополнительные статьи
- Датчики влажности почвы
Небольшой обзор датчиков влажности почвы для систем автоматического полива растений: от самых простейших контактных, бесконтактных емкостных до "продвинутых" - Датчики влажности почвы “7-в-1” (CWT-Soil-X-Y и его клоны)
Обзор китайских "продвинутых" датчиков для измерения параметров почвы, которые я использую в своей системе. - Капельный полив в теплице и не только
Статья о том, какие краны, клапаны, капельницы и т.д. используется в моей системе полива и почему. Без привязки к электронике и программированию.
На этом пока всё, до следующих встреч на сайте и на dzen-канале!
-= Каталог статей (список по разделам) =- -= Архив статей (плитки, все подряд) =-