Умная гидропонная система на Arduino Mega 2560 с датчиками

Компоненты и материалы

• Arduino Mega 2560 — 1 шт.
• Датчик температуры и влажности DHT22 — 1 шт. (в описании также упоминается DHT11)
• Реле (generic) — 1 шт.
• Датчик освещенности RobotGeek (LDR) — 1 шт.
• Датчик температуры (LM35) — 1 шт.
• Светодиодная лента/массив — 16 светодиодов (8 красных, 8 синих), соединенных в 4 ряда по 4 в série
• Оптопара 4N35 — для управления светодиодами
• Два вентилятора (охлаждение и нагрев) + лампы накаливания для нагрева
• Насос для капельного орошения — 1 шт.
• Драйвер двигателей — для управления вентиляторами
• Блок питания 12В — для светодиодов

Приложения и сервисы

• Arduino IDE — для программирования

О проекте

Гидропоника — это метод выращивания растений без почвы. Почва теряет питательные вещества со временем, а гидропоника позволяет точно контролировать условия роста: влажность, температуру, освещенность и питательные вещества. Растения, которые растут только в определенное время года, можно выращивать круглый год.

Параметры для салата (модель проекта)

• Температура: 25–30 °C
• Влажность: 50–80%
• Интенсивность света: 250 фотон/сек

В качестве субстрата используется какао-порошок, который легче контролировать, чем почва. Проект управляет тремя ключевыми параметрами: светом, температурой и влажностью.

Управление светом

Используется массив из 16 светодиодов 3 мм (8 красных + 8 синих), соединенных в 4 ряда по 4 последовательно. Каждый ряд требует 12В. Управление осуществляется через оптопару 4N35. Интенсивность света измеряется фоторезистором (LDR), показания пересчитываются в фотоны/сек в коде Arduino.

Управление температурой

Для поддержания температуры используются:

• Два вентилятора: один для охлаждения, второй — для нагрева (вместе с лампой накаливания)
• Датчик температуры LM35
• Лампа накаливания размещена в отдельном коробке, чтобы её свет не влиял на фоторезистор. Нагревательный вентилятор дует горячий воздух из коробки в камеру выращивания.
• Вентиляторы управляются драйвером двигателей, лампа — через реле.

Управление влажностью

Влажность субстрата (какао-порошка) измеряется датчиком DHT11 (используется только для влажности). Для увлажнения применяется капельное орошение: насос с трубкой, в которой сделаны отверстия.

Важные замечания

• DHT11 имеет время отклика 1 Гц — задержка между измерениями не менее 1 секунды.
• Ряды светодиодов (4 в série) требуют 12В питания.
• При работе с 230В соблюдайте технику безопасности: изолируйте оголенные провода.
• Не подавайте сигнал на оптопару напрямую — используйте резистор.
• Бесколлекторные вентиляторы односторонние — монтируйте правильно.

Программный код

Код для Arduino Mega использует библиотеку SimpleDHT. Основные функции:

• temperature() — чтение LM35 (пин A10), управление нагревательным/охлаждающим вентиляторами и лампой
• light() — чтение LDR (пин A8), расчет люксов и фотонов, управление 4 рядами светодиодов
• humidity() — чтение DHT11 (пин 41), управление насосом и вентилятором

#include <SimpleDHT.h>
int pinDHT11 = 41;
int coolingFan = 50;
int heatingFan = 48;
int heater = 3;
int LEDrow1 = 25;
int LEDrow2 = 27;
int LEDrow3 = 29;
int LEDrow4 = 31;
int pump = 31; // Внимание: конфликт с LEDrow4!
SimpleDHT11 dht11;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(coolingFan, OUTPUT);
  pinMode(heatingFan, OUTPUT);
  pinMode(heater, OUTPUT);
  pinMode(LEDrow1, OUTPUT);
  pinMode(LEDrow2, OUTPUT);
  pinMode(LEDrow3, OUTPUT);
  pinMode(LEDrow4, OUTPUT);
  pinMode(pump, OUTPUT);
}

void loop() {
  temperature();
  light();
  humidity();
}

void temperature() {
  int value = analogRead(A10);
  float volts = (value / 1024.0) * 5.0;
  float temp = volts * 100.0;
  Serial.print("temp=");
  Serial.println(temp);
  delay(1000);
  
  if (temp < 25) {
    digitalWrite(heater, LOW);
    digitalWrite(heatingFan, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(heater, HIGH);
    digitalWrite(heatingFan, LOW);
  }
  if (temp > 30) {
    digitalWrite(coolingFan, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(coolingFan, LOW);
  }
}

void light() {
  float ldrdata = analogRead(A8);
  float resistorVolt = (1024 - ldrdata) / 1024.0 * 5.0;
  float ldrVolt = 5.0 - resistorVolt;
  float ldrResistance = ldrVolt / resistorVolt * 5000.0;
  float lux = (12518931) * pow(ldrResistance, -1.405);
  float photons = lux * 0.019;
  delay(1000);
  
  if (photons < 50) {
    digitalWrite(LEDrow1, HIGH);
    digitalWrite(LEDrow2, HIGH);
    digitalWrite(LEDrow3, HIGH);
    digitalWrite(LEDrow1, HIGH); // Дубликат?
  }
  if (photons > 100) {
    digitalWrite(LEDrow1, LOW);
    digitalWrite(LEDrow2, LOW);
    digitalWrite(LEDrow3, LOW);
    digitalWrite(LEDrow4, LOW);
  }
}

void humidity() {
  byte temperature = 0;
  byte humidity = 0;
  int err = SimpleDHTErrSuccess;
  if ((err = dht11.read(pinDHT11, &temperature, &humidity, NULL)) != SimpleDHTErrSuccess) {
    Serial.println(err);
    delay(1000);
    return;
  }
  int humid = (int)humidity;
  Serial.println(" H");
  delay(2000);
  
  if (humid < 85) {
    digitalWrite(pump, HIGH);
    digitalWrite(coolingFan, LOW);
  }
  if (humid > 94) {
    digitalWrite(coolingFan, HIGH);
    digitalWrite(pump, LOW);
  }
}

Примечание: В коде есть конфликт: пин 31 используется и для LEDrow4, и для pump. Это нужно исправить при сборке.

Схемы

В проекте представлена схема подключения (изображение в оригинале).