Робототехнический комплекс «Умная теплица»

Состав набора

Робототехнический комплекс «Умная теплица» включает комплект оборудования для изучения технологий «Интернета вещей», программирования, автоматического контроля микроклимата и создания систем управления выращиванием растений.

В состав комплекса входит:

• Прозрачный корпус теплицы из акрила — 1 шт.;
• Контроллер на базе модуля ESP32 — 1 шт.;
• Плата расширения RJ-9 — 1 шт.;
• Плата расширения I2C-устройств — 1 шт.;
• Модуль двух реле — 1 шт.;
• Датчик освещённости — 1 шт.;
• Датчик температуры, влажности воздуха и атмосферного давления — 1 шт.;
• Датчик температуры и влажности почвы с влагозащитным покрытием — 1 шт.;
• Переходник RJ-9 — 1 шт.;
• Микросервопривод с диапазоном угла поворота 180° — 1 шт.;
• Вентилятор — 1 шт.;
• Насос для системы автоматического полива — 1 шт.;
• Светодиодная матрица на 64 светодиода — 1 шт.;
• Плата питания — 1 шт.;
• Внешний резервуар для воды — 1 шт.;
• Капиллярная дренажная трубка — 1 шт.;
• Блок питания — 1 шт.;
• Комплект соединительных проводов RJ-9 — 1 комплект;
• Комплект проводов с наконечниками НШВИ — 1 комплект;
• Кабель для программирования — 1 шт.;
• Отвёртка шлицевая — 1 шт.;
• Отвёртка крестовая — 1 шт.

Контроллер оснащён встроенными интерфейсами Wi-Fi и Bluetooth, разъёмами для программирования и внешнего питания, интерфейсом I2C, встроенным I2C-хабом, светодиодной индикацией и кнопкой сброса.

Внешний резервуар для воды соединяется с насосом и системой полива гибкими трубками. Прозрачный акриловый корпус обеспечивает обзор растений, датчиков, электронных модулей и исполнительных устройств комплекса.

Практические работы

Робототехнический комплекс «Умная теплица» предназначен для проведения практических занятий, лабораторных исследований и проектных работ по робототехнике, программированию, биологии, экологии и технологиям «Интернета вещей».

Во время занятий учащиеся собирают и настраивают систему, подключают датчики и исполнительные устройства, программируют контроллер, получают данные о состоянии воздуха и почвы и создают автоматические алгоритмы управления теплицей.

Изучение микроклимата теплицы

Комплекс позволяет исследовать основные параметры окружающей среды, влияющие на рост и развитие растений.

• Измерение температуры воздуха — получение и анализ данных о температуре внутри теплицы;
• Измерение влажности воздуха — наблюдение за изменением влажности и её влиянием на микроклимат;
• Измерение атмосферного давления — фиксация показаний датчика и анализ изменения параметров окружающей среды;
• Измерение освещённости — определение уровня света внутри теплицы и сравнение показаний при различных условиях;
• Измерение температуры почвы — контроль температурного режима грунта;
• Измерение влажности почвы — определение степени увлажнения грунта и необходимости полива.

Автоматическая система полива

С помощью датчика влажности почвы, насоса, внешнего резервуара и системы трубок учащиеся создают автоматизированную систему полива растений.

• Ручное управление насосом — включение и выключение системы полива по команде;
• Автоматический полив — программирование включения насоса при снижении влажности почвы до заданного уровня;
• Настройка порогового значения — подбор оптимального уровня влажности для запуска системы;
• Исследование эффективности полива — сравнение показаний датчика до и после подачи воды;
• Анализ расхода воды — наблюдение за продолжительностью работы насоса и количеством подаваемой жидкости.

Управление освещением

Светодиодная матрица и датчик освещённости позволяют изучать принципы автоматического управления дополнительным освещением.

• Ручное включение светодиодной матрицы — управление искусственным освещением по команде;
• Автоматическое включение света — запуск освещения при снижении уровня естественной освещённости;
• Настройка световых сценариев — изменение режима и продолжительности работы светодиодной матрицы;
• Исследование влияния освещённости — сравнение условий при естественном и искусственном свете;
• Анализ показаний датчика — построение зависимости работы освещения от уровня света.

Вентиляция и регулирование температуры

Вентилятор используется для изучения автоматического проветривания и регулирования параметров микроклимата.

• Ручное управление вентилятором — включение и выключение системы вентиляции;
• Автоматическое проветривание — запуск вентилятора при превышении заданной температуры или влажности воздуха;
• Исследование изменения температуры — сравнение показаний датчика до и после включения вентиляции;
• Исследование изменения влажности воздуха — наблюдение за влиянием циркуляции воздуха на микроклимат;
• Создание комбинированного алгоритма — управление вентилятором по нескольким показаниям датчиков.

Управление подвижными элементами

Микросервопривод позволяет изучать принципы работы автоматизированных механизмов и создавать сценарии управления подвижными элементами теплицы.

• Управление углом поворота сервопривода — программирование заданного положения механизма;
• Автоматическое открывание и закрывание — управление подвижным элементом в зависимости от температуры или влажности;
• Настройка последовательности движений — создание алгоритма работы сервопривода;
• Исследование точности позиционирования — сравнение заданного и фактического положения механизма.

Программирование и технологии IoT

Работа с контроллером ESP32 позволяет познакомиться с принципами программирования автоматизированных систем и взаимодействия устройств по беспроводным каналам связи.

• Подключение датчиков к контроллеру — изучение интерфейсов RJ-9 и I2C;
• Считывание показаний датчиков — получение и обработка данных в программе;
• Управление исполнительными устройствами — программирование насоса, вентилятора, освещения и сервопривода;
• Создание автоматических сценариев — настройка условий включения и выключения оборудования;
• Передача данных по Wi-Fi — изучение принципов удалённого мониторинга;
• Беспроводное взаимодействие по Bluetooth — управление системой и обмен данными;
• Создание модели умного устройства — объединение датчиков, контроллера и исполнительных механизмов в единую систему.

Комплексные проектные работы

Комплекс позволяет выполнять учебные проекты, объединяющие программирование, электронику, биологические наблюдения и анализ данных.

• Создание системы автоматического ухода за растениями — объединение полива, вентиляции и освещения в едином алгоритме;
• Мониторинг состояния теплицы — сбор и сравнение показаний всех датчиков;
• Разработка собственного алгоритма микроклимата — настройка индивидуальных условий для выращивания растений;
• Анализ роста растений — сопоставление состояния растений с температурой, влажностью и освещённостью;
• Модернизация комплекса — подключение дополнительных датчиков и исполнительных устройств;
• Создание исследовательского проекта — постановка опыта, сбор данных, анализ результатов и формулирование выводов.

Выполнение практических работ помогает учащимся освоить основы робототехники, программирования, автоматического управления, экологического мониторинга и современного сельского хозяйства, а также развивает инженерное мышление и навыки проектной деятельности.

Техническое задание №1

Робототехнический комплекс «Умная теплица»

Контроллер

• Контроллер — наличие;
• Основа контроллера — модуль ESP32;
• Количество ядер процессора — 2 шт.;
• Встроенный датчик Холла — наличие;
• Разрядность процессора — 32 бита;
• Встроенный Wi-Fi-модуль — наличие;
• Встроенный Bluetooth-модуль — наличие;
• Разрядность АЦП контроллера — 12 бит;
• Разрядность ЦАП контроллера — 8 бит;
• Защита от короткого замыкания — наличие;
• Защита от неправильной полярности — наличие;
• Разъём для программирования и разъём для внешнего питания — наличие;
• Интерфейс I2C — наличие;
• Плата расширения RJ-9 — наличие;
• Количество разъёмов RJ-9, тип 4P4C — более 9 шт.;
• Количество портов ввода и вывода контроллера — более 19 шт.;
• Выведенные контакты для питания — 4 шт.;
• Встроенный светодиод наличия питания платы — наличие;
• Встроенный светодиод индикации работы контроллера — наличие;
• Встроенный I2C-хаб — наличие;
• Кнопка сброса контроллера — наличие.

Плата расширения I2C-устройств

• Плата расширения I2C-устройств — наличие;
• Количество разъёмов RJ-9, тип 4P4C, платы расширения I2C-устройств — не менее 8 шт.

Модуль двух реле

• Модуль двух реле — наличие;
• Количество реле на плате — 2 шт.;
• Рабочее напряжение реле — не менее 240 В;
• Время переключения реле — не более 8 мс;
• Механическая износостойкость реле — не менее 15 × 10⁶ операций;
• Разъём RJ-9, тип 4P4C, реле — наличие;
• Штыревые контакты — не менее 3 шт.

Датчик освещённости

• Датчик освещённости — наличие;
• Интерфейс I2C датчика освещённости — наличие;
• Напряжение питания датчика освещённости — 5 В;
• Разъём RJ-9, тип 4P4C, датчика освещённости — наличие;
• Штыревые контакты датчика освещённости — не менее 3 шт.;
• Диапазон измерения освещённости — от 0 до 100 000 лк;
• Максимальная погрешность измерения — менее 1,5 лк.

Датчик температуры, влажности воздуха и атмосферного давления

• Датчик температуры, влажности воздуха и атмосферного давления — наличие;
• Интерфейс I2C датчика температуры, влажности воздуха и атмосферного давления — наличие;
• Напряжение питания датчика температуры, влажности воздуха и атмосферного давления — 5 В;
• Разъём RJ-9, тип 4P4C, датчика температуры, влажности воздуха и атмосферного давления — наличие;
• Штыревые контакты датчика температуры, влажности воздуха и атмосферного давления — не менее 3 шт.;
• Диапазон измерения температуры — от −40 до +85 °C;
• Погрешность измерения температуры — не более 1 °C;
• Диапазон измерения влажности — от 0 до 100%;
• Погрешность измерения влажности — не более 3%;
• Функция измерения атмосферного давления — наличие.

Датчик температуры и влажности почвы

• Датчик температуры и влажности почвы — наличие;
• Напряжение питания датчика температуры и влажности почвы — 5 В;
• Разъём RJ-9, тип 4P4C, датчика температуры и влажности почвы — наличие;
• Штыревые контакты датчика температуры и влажности почвы — не менее 3 шт.;
• Покрытие влагозащитным лаком — наличие.

Переходник RJ-9

• Переходник RJ-9 — наличие;
• Разъём RJ-9, тип 4P4C, переходника — наличие;
• Штыревые контакты переходника RJ-9 — не менее 3 шт.;
• Разъём для переключения питания — наличие.

Исполнительные устройства

• Микросервопривод — наличие;
• Усилие микросервопривода — более 1,98 кгс·см;
• Скорость микросервопривода — менее 0,14 с/60°;
• Масса микросервопривода — менее 17 г;
• Диапазон угла поворота микросервопривода — 180°;
• Вентилятор — наличие;
• Насос — наличие;
• Светодиодная матрица — наличие;
• Количество светодиодов в матрице — 64 шт.

Плата питания

• Плата питания — наличие;
• Количество разъёмов DC 2.1 — не менее 2 шт.;
• Количество двухконтактных винтовых клеммников — не менее 6 шт.

Дополнительные элементы и принадлежности

• Склянка — наличие;
• Трубка капиллярная дренажная — наличие;
• Блок питания — наличие;
• Комплект проводов RJ-9 — наличие;
• Комплект проводов с наконечниками НШВИ — наличие;
• Кабель для программирования — наличие;
• Отвёртка шлицевая — наличие;
• Отвёртка крестовая — наличие.