Автоматизированная система управления автономным выращиванием растений

ВВЕДЕНИЕ 3
1. АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ 6
1.1 Основы выращивания растений в искусственной среде 6
1.2 Обоснование выбора конструктивных и технических параметров 10
1.3 Анализ и выбор материалов корпуса устройства 12
1.4 Обзор измерительных приборов для контроля микроклимата 13
1.5 Обоснование выбора осветительной системы гроубокса 16
1.6 Анализ пропускных параметров контроллеров и качества сигнала 20
2. КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ 22
2.1 Разработка структурной схемы 22
2.2 Подбор компонентной базы 24
2.3 Разработка принципиальной электрической схемы устройства 44
2.4 Разработка функциональной системы автоматизации 45
2.5 Трехмерное моделирование корпуса устройства 47
2.6 Исследование автоматизированной системы 53
3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ 62
3.1 Разработка алгоритма работы устройства в виде блок-схемы 64
3.2 Реализация программного обеспечения 67
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 82
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 86
ПРИЛОЖЕНИЕ А 89
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 90
ПРИЛОЖЕНИЕ В 91
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 92

Весь текст будет доступен после покупки

Современное сельское хозяйство и агротехнологии всё чаще обращаются к методам выращивания растений в контролируемых условиях, особенно в условиях ограниченного пространства, неблагоприятного климата или при необходимости круглогодичного производства. Одним из перспективных направлений является использование гроубоксов — замкнутых искусственных экосистем, позволяющих точно регулировать микроклимат (температуру, влажность, освещённость, состав воздуха) для оптимального роста растений. Такие системы находят применение не только в коммерческом растениеводстве, но и в научных исследованиях, образовании и домашнем использовании.
Актуальность данной работы обусловлена растущим спросом на энергоэффективные, компактные и интеллектуальные системы выращивания растений, способные функционировать автономно и адаптироваться к изменяющимся условиям. Современные гроубоксы должны обеспечивать не только стабильный микроклимат, но и быть простыми в эксплуатации, надёжными и доступными по стоимости. Внедрение автоматизированных систем управления на базе микроконтроллеров и цифровых датчиков позволяет значительно повысить эффективность агротехнологического процесса и снизить влияние человеческого фактора.
Целью выпускной квалификационной работы является разработка и исследование автоматизированного гроубокса с системой управления микроклиматом на основе современных технических и программных решений.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Изучить основы выращивания растений в искусственной среде и требования к параметрам микроклимата.
2. Обосновать выбор конструктивных и технических параметров устройства (габариты, герметичность, теплоизоляция).
3. Провести анализ и выбрать материалы для корпуса гроубокса с учётом прочности, теплоизоляции и отражательной способности.
4. Выполнить обзор и подбор измерительных приборов для контроля температуры, влажности, освещённости и других параметров.
5. Обосновать выбор осветительной системы (светодиодные фитолампы, спектр, мощность, режимы работы).
6. Проанализировать пропускные способности и качество сигнала современных контроллеров (Arduino, ESP32 и др.).
7. Разработать структурную и функциональную схемы автоматизации.
8. Подобрать компонентную базу (датчики, исполнительные устройства, блоки питания, контроллер).
9. Спроектировать принципиальную электрическую схему и выполнить трёхмерное моделирование корпуса.
10. Разработать алгоритм и программное обеспечение управления системой.
11. Провести исследование работоспособности автоматизированной системы в лабораторных условиях.
Объектом исследования является процесс выращивания растений в искусственной среде.

Весь текст будет доступен после покупки

АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ
1.1 Основы выращивания растений в искусственной среде
Что же такое «гроубокс». С английского Growbox переводится, как ящик для выращивания. По своей сути гроубокс (рисунок 1) это специализированное оборудование для выращивания различных растений, обеспечивающее оптимальный, необходимый микроклимат и необходимые условия для нормального существования, роста и развития растения.

Рисунок 1 – Пример «гроубокса»
Выращивание растений в искусственной среде, такой как гроубокс, требует создания контролируемых условий, имитирующих естественную экосистему, но с повышенной точностью управления ключевыми параметрами. Это позволяет оптимизировать рост растений, минимизировать риски внешних воздействий и обеспечивать круглогодичное производство. Использование гроубокса для выращивание различных растений дает такие преимущества как: климатическая автономность – рост культур не зависит от погоды, времени года или географической локации; интенсификация производства – сокращение вегетационного цикла за счёт непрерывного освещение и оптимизации параметров; снижение биологических угроз – закрытое пространство минимизирует риск заражения вредителями или грибковыми инфекциями. Эффективность выращивания растений в искусственной среде определяется точностью соблюдения биологических требований культур и техническими возможностями системы. Внедрение автоматизации трансформирует гроубокс в интеллектуальную платформу, способную адаптироваться к изменениям условий, что делает технологию перспективной для агропромышленного сектора и частного использования.
Для достижения желаемого развития растения, необходимо обеспечить растению следующие факторы:
1) Освещение. Свет – основной источник энергии для роста растения. Если говорить о воздействии света на растение как ключевого фактора, то необходимо определить качество и продолжение воздействия света. В искусственно созданной среде выращивания, особого внимания требует спектр света, так как синяя часть спектра (450-490 нм) влияет на вегетативный рост (просто рост растения, без размножения, не цветет и не дает плодов), а красная часть спектра (620-700 нм) наоборот, запускает циклы цветения и плодоношения. В современном мире светодиодные фитолампы дают возможность точной регулировки спектра излучения в зависимости от того в какой фазе развития растение находится. Так же следует отметить, что не менее важна продолжительность светового дня (фотопериод), так как данный показатель может варьироваться от 12 до 18 часов в зависимости от разных культур растений [2].
2) Температура. Необходимо что бы температурный режим соответствовал видовым требованиям растений, обычно диапазон варьируется от 18 до 28°C. Соблюдение температурного режима крайне важно, так как при отклонении от оптимальных границ, приводят к нарушениям метаболических процессов развития растения: при превышении температуры у растения происходит водяной стресс и пересыхание, а при понижении ниже допустимого предела происходит замедление усвоения питательных веществ. Стоит отметить, что некоторые культуры чувствительны к перепадам температуры во время смены дня и ночи, и обычно составляет от 3 до 5°C.
3) Влажность воздуха является критически важным параметром, влияющим на процесс испарения воды и обмен веществами с атмосферой путем газообмена. Относительная влажность находится в пределах 40-70% в зависимости от стадии развития растения: повышенная влажность необходима молодым растениям, однако во время цветения влажность необходимо понижать для невозможности развития грибковых заболеваний, но важно помнить, что недостаточная влажность воздуха может привести к обезвоживанию и пересыханию растения. Так же важно помнить, что резкие колебания влажности могу привести к стрессу у растений.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Al-Fuqaha A., Guizani M., Mohammadi M. et al. Internet of Things: A Survey on Enabling Technologies, Protocols, and Applications // IEEE Communications Surveys & Tutorials. – 2020. – Vol. 22, № 4. – P. 2345–2402. – DOI:10.1109/COMST.2020.3023421
2. Bishop C.M. Pattern Recognition and Machine Learning. – 2nd ed. – Springer, 2024. – 738 p.
3. Chen J., Liu Y., Wang X. Vision-Based Monitoring in Smart Buildings Using YOLOv5 // Journal of Intelligent Systems. – 2023. – Vol. 12, № 3. – P. 210–225. – DOI:10.3390/jis12030210
4. Goodfellow I., Bengio Y., Courville A. Deep Learning. – Cambridge, MA: MIT Press, 2023 (revised ed.). – 800 p.
5. Khan M.A., Shah S.A., Ahmad H. IoT-Based Smart Building Automation System // IEEE Access. – 2021. – Vol. 9. – P. 112345–112356. – DOI:10.1109/ACCESS.2021.3104567
6. Wang Q., Li Z., Zhao Y. A Smart Building Automation System with IoT Integration // Journal of Building Engineering. – 2024. – Vol. 82. – 108345. – DOI:10.1016/j.jobe.2024.108345
7. Zhou Y., Zhang L., Wang H. Real-Time Object Detection in Smart Environments Using Deep Learning // Sensors. – 2022. – Vol. 22, № 5. – P. 1892. – DOI:10.3390/s22051892
8. Белов А.С., Орлов Д.К. Применение платформы STM32 в системах сбора и обработки данных // Известия вузов. Приборостроение. – 2022. – Т. 65, № 6. – С. 567–575. – DOI:10.17586/0021-3454-2022-65-6-567-575
9. Голюченко А.И., Грядунов И.М. Анализ, сравнение и оптимальный выбор осветительной системы гроубокса // Студенческий вестник. – 2025. – № 19(352). – URL: https://studvestnik.ru/journal/stud/herald/352

Весь текст будет доступен после покупки