DIY умная теплица GIY: ATmega32U4, ESP8266, сенсоры, 3D-печать, CNC, вакуумное формование

Концепция проекта

GIY (Grow It Yourself) — полностью открытая автономная система для выращивания растений (аэропоника/фогпоника) с контролем климата, освещения, питания и удалённым мониторингом. Вдохновлено TED-током Калеба هارпера (MIT OpenAg).

Ключевые подсистемы

• Свет: RGB-лента (450 нм + 650 нм) для вегетации и цветения.
• Орошение: Ультразвуковой атомайзер (туман с удобрениями) — аэропоника.
• Дозирование: Автоматическая подача нутриентов.
• Водный бак: pH, TDS, уровень воды, температура воды (DS18B20).
• Климат: DHT11 (влажность/температура воздуха), вентилятор + ТЭН.
• Освещённость: Фоторезистор (LDR).
• Дисплей: Графический LCD 128×64 (3 пина через ST7920).
• Управление: 4 MOSFET-канала (12 В и 24 В через step-up).
• Связь: ESP8266 (Wi-Fi) + ATmega32U4 (USB, совместим с Leonardo).
• Мобильное приложение: Планируется (графики, алерты, управление).

Эксперименты с выращиванием

Сравнивались 4 группы: почва/солнце, туман/солнце, почва/LED, туман/LED (HERO). Семена прорастали в кокосовой субстрате, затем переносились в минеральную вату (Rock Wool) — лучшая среда для фогпоники. Пасхальный перерыв убил первую партию; вторая дала лучшие результаты.

Электроника: проектирование платы (EAGLE)

База — FabLeo (ATmega32U4, 16 МГц, кварц, USB). Добавлено:

• 4 MOSFET-канала (3×12В, 1×24В через step-up)
• Стабилизатор 12В→5В
• Разъёмы для DHT11, DS18B20, LDR, pH, уровень воды
• SPI/I2C для LCD, ISP для прошивки
• Двухслойная плата, полигон GND

Фрезеровка на Roland (FabModules), пайка под микроскопом, исправление короткого замыкания VCC-GND.

Программирование сенсоров

DHT11

#include "DHT.h"
#define DHTPIN 2
#define DHTTYPE DHT11
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
void setup() { Serial.begin(9600); dht.begin(); }
void loop() {
  float h = dht.readHumidity();
  float t = dht.readTemperature();
  Serial.print("Temp = "); Serial.println(t, 2);
  Serial.print("Hum = "); Serial.println(h, 2);
  delay(2000);
}

DS18B20 (1-Wire)

#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
#define ONE_WIRE_BUS 3
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);
void setup() { Serial.begin(9600); sensors.begin(); }
void loop() {
  sensors.requestTemperatures();
  Serial.print("Water Temp: "); Serial.println(sensors.getTempCByIndex(0));
  delay(1000);
}

LDR (освещённость)

int sensorPin = A0;
void setup() { Serial.begin(9600); }
void loop() {
  int v = analogRead(sensorPin);
  Serial.print("LDR: "); Serial.print(v);
  if (v < 100) Serial.println(" Dark");
  else if (v < 200) Serial.println(" Dim");
  else if (v < 500) Serial.println(" Light");
  else if (v < 800) Serial.println(" Bright");
  else Serial.println(" Very bright");
  delay(3000);
}

Уровень воды (на базе датчика влаги почвы)

Аналоговый вход A4: 0 — пусто, ~800 — низкий, >900 — полный.

LCD 128×64 (U8glib, 3 пина: 4, 12, 6)

Вывод параметров + логотип FabLab (битмап, конвертирован через LCD Assistant).

pH-сенсор (v1.1, BNC)

Калибровка: замыкание BNC → регулировка offset на 2.5 В (pH 7.0). Буфер pH 4.01 → измерение напряжения → расчёт шага (0.18 В/pH). Формула: pH = 7 + (2.5 - V) / 0.18.

Итоговый скетч (основной)

#include "dht.h"
#include "U8glib.h"
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

#define DHT11_PIN 2
#define ONE_WIRE_BUS 3
#define WATER_LEVEL A4
#define LDR_PIN A3
#define PH_PIN A5
#define GROW_LIGHT 10
#define FOG_PUMP 13

// ... инициализация объектов, логотип в PROGMEM ...

void RefreshDisplay(float *hum, double *T, int *WL, int *LL, int *pH_val) {
  // вывод на LCD: Hum%, Temp, Wlvl (EMPTY/LOW/HIGH + управление FOG_PUMP),
  // Light (Dark..2Bright), pH (расчёт по формуле)
}

void loop() {
  waterTemp.requestTemperatures();
  T = waterTemp.getTempCByIndex(0);
  waterLevel = analogRead(WATER_LEVEL);
  LightLevel = analogRead(LDR_PIN);
  pH = analogRead(PH_PIN);
  hum = DHT.humidity;
  // обновление дисплея через u8g.firstPage/nextPage
}

3D-печать (BigRep + Ultimaker 2+)

• Водный контейнер с гнездом для атомайзера, проходами кабелей, креплением дисплея, ручками, слайдерами.
• Сетчатые горшки (net pots) с увеличенными отверстиями для корней и тумана.
• Нижняя база, круглые углы верхней крышки.
• Пластик PLA, Simplify3D, эксперименты с поддержками и заполнением.

Лазерная резка (акрил 5 мм)

• Зелёный акрил — внутренние панели (органичный вид).
• Белый — передняя/задняя крышки (отверстия под LCD и доступ к USB).
• Прозрачный — верхняя крышка (проход света, крепление RGB-ленты).
• Станок Epilog Fusion 60W, файлы DXF из Fusion 360.

CNC-фрезеровка (e-sign Easy Worker MasterPro 2513)

• Материал: фанера 18 мм (стены), 10 мм (форма для вакуумного формования).
• Гравировка + внешний контур, G-code из DXF.

Вакуумное формование (Formech)

Водонепроницаемый вкладыш для контейнера: 2-слойная заливка (скользящий первый слой + силикон) для легкого снятия формы. Результат — герметичный бак.

Сборка и результат

Механическая сборка, пайка RGB-лент, монтаж платы, подключение сенсоров. Система GIY полностью собрана, функциональна и демонстрирует работу всех подсистем.

Файлы проекта

• Схемы и плата (EAGLE .sch/.brd)
• PNG для фрезеровки (внутренние/внешние контуры, верх/низ)
• 3D-модели (Fusion 360 .f3d): система, нет-пот
• DXF для лазера: фасады, держатели растений, свет
• Итоговый код (.ino)

Лицензия: CC BY-NC-SA 4.0. Оригинал: Fab Academy 2017.