Phòng tăng trưởng thực vật thông minh: 13 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Tôi nảy ra một ý tưởng mới đó là buồng phát triển thực vật thông minh. Sự phát triển của thực vật trong không gian vũ trụ đã gợi ra nhiều hứng thú về mặt khoa học. Trong bối cảnh con người bay vào vũ trụ, chúng có thể được tiêu thụ như thực phẩm và / hoặc cung cấp một bầu không khí sảng khoái. sử dụng gối thực vật để trồng thực phẩm trong Trạm vũ trụ quốc tế.

Vì vậy, tôi nảy ra ý tưởng để tiến xa hơn.

Các vấn đề để trồng thực phẩm trong không gian:

Trọng lực:

Trở ngại chính để trồng thực phẩm trong không gian, nó ảnh hưởng đến sự phát triển của thực vật theo một số cách: 1 bạn không thể tưới cây đúng cách vì không có trọng lực nên không thể cung cấp nước bằng vòi phun nước và các phương pháp thông thường khác được sử dụng trên trái đất.

2 Nước không thể đến rễ cây vì không có trọng lực.

3 Sự phát triển của rễ cũng ảnh hưởng bởi trọng lực. (rễ cây hướng xuống phía dưới và cây mọc hướng lên trên) Vì vậy rễ cây không bao giờ phát triển đúng hướng.

Sự bức xạ:

1. Có nhiều bức xạ trong không gian nên có hại cho cây trồng.

2. Radiation hình thức gió mặt trời cũng có tác dụng thực vật.

3. rất nhiều tia cực tím cũng có hại cho cây trồng.

Nhiệt độ:

1. Có rất nhiều sự thay đổi nhiệt độ trong không gian (nhiệt độ có thể lên đến hàng trăm độ và xuống đến âm trăm độ).

2. nhiệt độ làm tăng sự bốc hơi nước nên thực vật không thể tồn tại trong không gian.

Giám sát:

1. Giám sát thực vật là rất khó khăn trong không gian vì con người liên tục theo dõi nhiều yếu tố như nhiệt độ, nước và bức xạ.

2. Các nhà máy khác nhau đòi hỏi các nhu cầu tài nguyên khác nhau, Nếu có các nhà máy khác nhau, việc giám sát trở nên khó khăn hơn.

Vì vậy, tôi nảy ra ý tưởng rằng cố gắng loại bỏ tất cả những trở ngại này. Đây là buồng trồng thực phẩm trong không gian với chi phí rất thấp, chứa tất cả nguồn lực và công nghệ được xây dựng trong đó vượt qua nhiều khó khăn. Vì vậy, chúng ta hãy nhìn chằm chằm !!!

Những gì buồng này có khả năng:

1. Loại bỏ ảnh hưởng của trọng lực.

2. Cung cấp nước thích hợp cho rễ cây. (Có thể điều khiển - Theo cách thủ công, tự động)

3. Cung cấp ánh sáng nhân tạo cho cây để cây quang hợp.

4. Giảm thiểu ảnh hưởng của bức xạ.

5. Cảm biến môi trường như nhiệt độ đất, độ ẩm, nhiệt độ môi trường, độ ẩm, bức xạ, áp suất và hiển thị dữ liệu thời gian thực trên máy tính.

Bước 1: Yêu cầu thành phần:

1. ESP32 (Bo mạch xử lý chính bạn cũng có thể sử dụng các bo mạch khác).

2. DHT11 hoặc DHT-22. (DH22 cung cấp độ chính xác tốt hơn)

3. DS18b20 (Phiên bản kim loại chống nước).

4. Cảm biến độ ẩm của đất.

5. Máy bơm nước. (12Volt).

6. Tấm nhựa.

Quạt điện một chiều 7,12 vôn.

8. Cảm biến khí.

9. ULN2003.

10. Động cơ servo.

11. Tấm kính.

12. Tấm sơn tĩnh điện.

13. Rơ le 12 vôn.

14. BMP 180.

15. 7805 Bộ điều chỉnh điện áp.

Tụ điện 16.100uF, 10uF.

17. Đèn nóc ô tô (LED hoặc CFL). (Màu sắc được xác định thêm).

18. Nguồn cung cấp SMPS (12volt - 1A nếu bạn điều khiển máy bơm từ nguồn cung cấp riêng biệt, nếu không nguồn điện lên đến 2 ampe)

Bước 2: Yêu cầu phần mềm:

1. Arduino IDE.

2. LABView

3. Cài đặt ESP32 trong Arduino IDE.

4. Thư viện ESP32. (Nhiều thư viện khác với thư viện Arduino).

Bước 3: Làm thùng chứa và hệ thống tưới nước:

Làm thùng nhựa với kích thước bất kỳ theo yêu cầu hoặc không gian có sẵn. Chất liệu làm thùng chứa là nhựa nên không thể xử lý bằng nước được (Cũng có thể làm từ kim loại nhưng làm tăng giá thành và trọng lượng cũng vì có giới hạn trọng lượng của tên lửa)

Vấn đề: Không có trọng lực trong không gian. Các giọt nước luôn tự do trong không gian (như trong hình của N. A. S. A.) Và không bao giờ chạm đến đáy đất nên không thể tưới nước bằng các phương pháp thông thường trong không gian.

Ngoài ra đất dạng hạt nhỏ bay lơ lửng trong không khí.

Cách giải quyết: Tôi đặt ống dẫn nước nhỏ vào đất (có lỗ nhỏ) ở giữa và ống được gắn vào máy bơm, khi máy bơm bật nước sẽ chảy ra tạo thành các lỗ nhỏ của ống xuống đáy đất nên dễ dàng tiếp cận với rễ cây.

Quạt nhỏ được gắn trên nóc buồng (luồng không khí đi từ trên xuống dưới) để tạo áp suất cho các hạt nhỏ và tránh bay ra ngoài buồng.

Bây giờ cho đất vào thùng chứa.

Bước 4: Cảm biến đất:

tôi chèn hai cảm biến trong đất. Đầu tiên là cảm biến nhiệt độ (Chống thấm DS18b20). Mà phát hiện nhiệt độ đất.

Tại sao chúng ta cần biết nhiệt độ và độ ẩm của đất?

Nhiệt là chất xúc tác cho nhiều quá trình sinh học. Khi nhiệt độ đất thấp (và các quá trình sinh học diễn ra chậm), một số chất dinh dưỡng nhất định không có sẵn hoặc ít có sẵn cho cây trồng. Điều này đặc biệt đúng trong trường hợp phốt pho, chất này chủ yếu thúc đẩy sự phát triển của rễ và trái cây ở thực vật. Vì vậy, không có nhiệt có nghĩa là ít chất dinh dưỡng dẫn đến sự phát triển kém. Ngoài ra nhiệt độ cao cũng có hại cho cây trồng.

Thứ hai là cảm biến độ ẩm. Phát hiện độ ẩm của đất nếu độ ẩm trong đất giảm từ giới hạn xác định trước, động cơ sẽ bật, khi độ ẩm đạt đến giới hạn trên, động cơ sẽ tự động tắt. Giới hạn trên và giới hạn dưới tùy thuộc và khác nhau giữa các loại cây. Điều này dẫn đến hệ thống vòng kín. Nước được thực hiện tự động mà không có sự can thiệp của con người.

Ghi chú. Nhu cầu nước khác nhau đối với các loại cây khác nhau. Vì vậy cần phải điều chỉnh mực nước tối thiểu và tối đa. Nó có thể được thực hiện từ potentio-meter nếu bạn đang sử dụng giao diện kỹ thuật số, nếu không nó có thể được thay đổi trong lập trình.

Bước 5: Làm tường kính

Có các bức tường ở mặt sau của container với màng tĩnh điện trên đó. Vì không có từ trường nào bảo vệ chúng ta khỏi gió mặt trời. Tôi sử dụng một tấm kính đơn giản nhưng phủ nó bằng tấm sơn tĩnh điện. Tấm tĩnh điện ngăn hạt tích điện của gió mặt trời. Nó cũng hữu ích để giảm thiểu hiệu ứng bức xạ trong không gian. nó cũng tránh để đất và hạt nước trôi vào không khí.

Tại sao chúng ta cần bảo vệ tĩnh điện?

Lõi sắt nóng chảy của Trái đất tạo ra các dòng điện tạo ra các đường sức từ xung quanh Trái đất tương tự như đường sức liên kết với nam châm thanh thông thường. Từ trường này kéo dài vài nghìn km tính từ bề mặt Trái đất. Từ trường của trái đất đẩy các hạt điện tích dưới dạng gió mặt trời và tránh xâm nhập vào bầu khí quyển của trái đất. Nhưng không có sự bảo vệ như vậy có sẵn bên ngoài trái đất và trên các hành tinh khác. Vì vậy, chúng ta cần phương pháp nhân tạo khác để bảo vệ chúng ta cũng như thực vật khỏi các hạt điện tích này. Màng tĩnh điện về cơ bản là màng dẫn điện nên không cho hạt điện tích xâm nhập vào bên trong.

Bước 6: Xây dựng màn trập:

Mỗi loại cây đều có nhu cầu ánh sáng mặt trời riêng. Phơi nắng lâu và bức xạ cao cũng có hại cho cây trồng. Cánh cửa trập được gắn bên ngoài gương sau đó được kết nối với động cơ servo. Góc mở của cánh và cho phép ánh sáng đi vào được duy trì bởi mạch xử lý chính

Thành phần phát hiện ánh sáng LDR (điện trở phụ thuộc ánh sáng) được kết nối với mạch xử lý chính. Hệ thống này hoạt động như thế nào:

1. Trong điều kiện bức xạ và ánh sáng quá mức (được phát hiện bởi LDR), nó đóng cánh và loại bỏ ánh sáng đi vào bên trong. 2. Mỗi loại cây có nhu cầu riêng về ánh sáng mặt trời. Mạch xử lý chính lưu ý thời gian cho phép ánh sáng mặt trời sau khi gió đóng thời gian cụ thể này. Nó tránh ánh sáng phụ lọt vào trong buồng.

Bước 7: Cảm biến và Kiểm soát Môi trường:

Thực vật khác nhau yêu cầu điều kiện môi trường khác nhau như nhiệt độ và độ ẩm.

Nhiệt độ: Để cảm nhận nhiệt độ môi trường, cảm biến DHT-11 được sử dụng (có thể sử dụng DHT 22 để đạt được độ chính xác cao). Khi nhiệt độ tăng hoặc giảm so với giới hạn quy định, nó sẽ cảnh báo và bật quạt bên ngoài.

Tại sao chúng ta cần duy trì nhiệt độ?

Nhiệt độ trong không gian vũ trụ là 2,73 Kelvin (-270,42 độ C, -454,75 độ F) ở vùng tối (nơi mặt trời không chiếu sáng). Mặt hướng ra mặt trời, nhiệt độ có thể đạt đến nhiệt độ nóng bỏng khoảng 121 C (250 độ F).

Duy trì độ ẩm:

Độ ẩm là lượng hơi nước trong không khí so với lượng hơi nước lớn nhất mà không khí có thể giữ ở một nhiệt độ nhất định.

Tại sao chúng ta cần duy trì độ ẩm?

Mức độ ẩm ảnh hưởng đến thời điểm và cách thức thực vật mở khí khổng ở mặt dưới của lá. Thực vật sử dụng khí khổng để chuyển vị, hay còn gọi là “thở”. Khi thời tiết ấm áp, cây có thể đóng khí khổng để giảm thất thoát nước. Khí khổng cũng hoạt động như một cơ chế làm mát. Khi điều kiện môi trường xung quanh quá ấm đối với cây và nó đóng khí khổng quá lâu để cố gắng tiết kiệm nước, nó không có cách nào để di chuyển các phân tử carbon dioxide và oxy, từ từ khiến cây bị chết ngạt vì hơi nước và khí thoát ra của chính nó..

Do bốc hơi (từ thực vật và đất) độ ẩm tăng nhanh. Nó không chỉ có hại cho cây trồng mà còn có hại cho cảm biến và gương kính. Nó có thể được bỏ qua với hai cách.

1. Giấy nhựa trên bề mặt ngăn chặn độ ẩm dễ dàng. Giấy nhựa được trải trên bề mặt trên của đất với lỗ mở cho giá thể và hạt giống (Cây trồng trong đó). Nó cũng hữu ích trong quá trình tưới nước.

Vấn đề của phương pháp này là những cây có bộ rễ lớn hơn cần không khí vào đất và rễ. túi nhựa ngăn không khí để đến rễ hoàn toàn.

2. Quạt nhỏ được gắn trên nóc buồng. Độ ẩm trong buồng được cảm nhận bằng Máy đo độ ẩm được tích hợp sẵn (DHT-11 và DHT-22). Khi độ ẩm tăng từ giới hạn, quạt sẽ tự động bật, Ở giới hạn thấp, quạt sẽ dừng.

Bước 8: Loại bỏ trọng lực:

Do lực hấp dẫn, thân cây mọc lên phía trên, hoặc ra xa tâm Trái đất và hướng tới ánh sáng. Rễ mọc xuống phía dưới, hoặc hướng vào trung tâm Trái đất, và tránh xa ánh sáng. Không có trọng lực, thực vật không có khả năng tự định hướng.

Có hai phương pháp để loại bỏ lực hấp dẫn

1. Trọng lực nhân tạo:

Lực hấp dẫn nhân tạo là sự tạo ra lực quán tính bắt chước tác dụng của lực hấp dẫn, thường là do kết quả quay để tạo ra lực ly tâm. Quá trình này còn được gọi là lực hấp dẫn giả.

Phương pháp này quá đắt và rất khó. có quá nhiều cơ hội thất bại. Ngoài ra phương pháp này không thể thử nghiệm trên trái đất đúng cách.

2. Sử dụng chất nền: Đây là phương pháp quá dễ dàng và cũng hiệu quả. Hạt giống được giữ bên trong một túi nhỏ được gọi là Hạt nền được giữ dưới chất nền cung cấp hướng đi đúng cho rễ và lá như trong hình. Nó giúp phát triển rễ hướng xuống và lá cây hướng lên trên.

Đó là một tấm vải có lỗ. Vì hạt giống ở bên trong Nó cho phép nước đi vào và cũng cho phép rễ chui ra và xâm nhập vào đất. Hạt giống được giữ dưới độ sâu 3 đến 4 inch dưới đất.

Làm thế nào để đặt hạt giống dưới đất và giữ nguyên vị trí của nó ??

Tôi cắt tấm nhựa có chiều dài từ 4 đến 5 inch và tạo thành một rãnh ở phía trước của nó. Đặt dụng cụ này trên một nửa chiều dài của miếng vải này (mặt rãnh). Đặt hạt giống vào rãnh và quấn vải xung quanh. Bây giờ hãy chèn công cụ này vào đất. Lấy dụng cụ ra khỏi đất để hạt giống và chất nền ngấm vào đất.

Bước 9: Ánh sáng mặt trời nhân tạo:

Trong không gian ánh sáng mặt trời luôn luôn không thể có, vì vậy ánh sáng mặt trời nhân tạo có thể được yêu cầu. Điều này được thực hiện bởi CFL và đèn LED mới sắp ra mắt. Tôi sử dụng ánh sáng CFL có màu xanh và đỏ không quá chói. Những đèn này được gắn trên nóc buồng. Điều này cung cấp phổ ánh sáng đầy đủ (đèn CFL được sử dụng khi có yêu cầu ánh sáng với nhiệt độ cao, trong khi đèn LED được sử dụng khi nhà máy không cần sưởi ấm hoặc sưởi ấm thấp. Điều này có thể được điều khiển bằng tay, từ xa tự động (được điều khiển bởi mạch xử lý chính).

Tại sao tôi sử dụng kết hợp màu xanh lam và màu đỏ?

Ánh sáng xanh phù hợp với đỉnh hấp thụ của chất diệp lục, thực hiện quá trình quang hợp để tạo ra đường và cacbon. Những yếu tố này rất cần thiết cho sự phát triển của thực vật, bởi vì đây là những khối xây dựng nên tế bào thực vật. Tuy nhiên, ánh sáng xanh kém hiệu quả hơn ánh sáng đỏ trong việc thúc đẩy quá trình quang hợp. Điều này là do ánh sáng xanh có thể được hấp thụ bởi các sắc tố hiệu quả thấp hơn như carotenoid và các sắc tố không hoạt động như anthocyanins. Kết quả là, có sự giảm năng lượng ánh sáng xanh tạo ra các sắc tố diệp lục. Đáng ngạc nhiên là khi một số loài được trồng chỉ với ánh sáng xanh, sinh khối thực vật (trọng lượng) và tốc độ quang hợp tương tự như một loài thực vật được trồng chỉ với ánh sáng đỏ.

Bước 10: Giám sát trực quan:

Tôi sử dụng LABview để giám sát trực quan dữ liệu và điều khiển cũng bởi vì LABview là phần mềm rất linh hoạt. Nó thu thập dữ liệu tốc độ cao và dễ vận hành. Nó có thể được kết nối có dây hoặc không dây với mạch xử lý chính. Dữ liệu đến từ mạch xử lý chính (ESP-32) được định dạng hiển thị trên LABview.

Các bước cần tuân theo:

1. Cài đặt LABview và tải xuống. (không cần cài đặt Tiện ích bổ sung Arduino)

2. Chạy mã vi dưới đây.

3. Kết nối cổng USB vào PC của bạn.

4. Tải lên mã Arduino.

5. Cổng COM hiển thị trong labview của bạn (nếu windows cho linux và MAC "dev / tty") và chỉ báo cho thấy cổng của bạn đã được kết nối hay chưa.

6. Kết thúc !! Dữ liệu từ các cảm biến khác nhau hiển thị trên màn hình.

Bước 11: Chuẩn bị phần cứng (mạch):

Sơ đồ mạch được hiển thị trong hình. bạn cũng có thể tải xuống PDF dưới đây.

Nó bao gồm các phần sau:

Mạch xử lý chính:

Có thể sử dụng bất kỳ bo mạch nào tương thích với arduino, chẳng hạn như arduino una, nano, mega, nodeMCU và STM-32. nhưng sử dụng ESP-32 vì lý do sau:

1. Nó có cảm biến nhiệt độ sẵn có nên ở tình huống nhiệt độ cao, việc đặt bộ xử lý sang chế độ ngủ sâu là có thể.

2. Bộ xử lý chính được che chắn bằng kim loại nên ít bị ảnh hưởng bức xạ hơn.

3. Cảm biến hiệu ứng sảnh bên trong được sử dụng để phát hiện từ trường xung quanh mạch điện.

Phần cảm biến:

Tất cả các cảm biến đang chạy trên nguồn điện 3,3 volt. Bộ điều chỉnh điện áp bên trong ESP-32 cung cấp dòng điện thấp nên nó có thể bị quá nhiệt. Để tránh điều này, bộ điều chỉnh điện áp LD33 được sử dụng.

Nút: Tôi đã áp dụng nguồn cung cấp 3,3 volt vì đang sử dụng ESP-32 (Cũng tương tự cho nodeMCU và STM-32). Đó là bạn đang sử dụng arduino, bạn cũng có thể sử dụng 5 volt

Nguồn cung cấp năng lượng chính:

12 volt 5 amp SMPS được sử dụng. bạn cũng có thể sử dụng nguồn điện được điều chỉnh với máy biến áp nhưng nó là nguồn cung cấp tuyến tính vì vậy nó được thiết kế cho điện áp đầu vào cụ thể vì vậy đầu ra sẽ thay đổi khi chúng ta chuyển 220 volt sang 110 volt. (Nguồn cung cấp 110 volt có sẵn trong ISS)

Bước 12: Chuẩn bị phần mềm:

Các bước cần tuân theo:

1. Cài đặt Arduino: Nếu bạn không có arduino, bạn có thể tải xuống từ liên kết

www.arduino.cc/en/main/software

2. Nếu bạn có NodeMCU Hãy làm theo các bước sau để thêm nó với arduino:

circuits4you.com/2018/06/21/add-nodemcu-esp8266-to-arduino-ide/

3. Nếu bạn sử dụng ESP-32 Hãy làm theo các bước sau để thêm nó với arduino:

randomnerdtutorials.com/installing-the-esp32-board-in-arduino-ide-windows-instructions/

4. Nếu bạn sử dụng ESP-32 (thư viện DHT11 đơn giản không thể hoạt động bình thường với ESP-32), bạn có thể tải xuống từ đây:

github.com/beegee-tokyo/DHTesp

Bước 13: Chuẩn bị LABview:

1. Tải xuống LABview từ liên kết này

www.ni.com/en-in/shop/labview.html?cid=Paid_Search-129008-India-Google_ESW1_labview_download_exact&gclid=Cj0KCQjw4s7qBRCzARIsAImcAxY0WhS0V5VC5V5T275xQrIi9BwGSYApApy4RwmawGSYApy4kdmawaymApy4k

2. Tải xuống tệp vi.

3. Kết nối Cổng USB. Cổng hiển thị chỉ báo được kết nối hay không.

xong!!!!