Укроп на камнях
Покупая одновременно микрозелень и коньяк можно поймать оценивающий взгляд. Не объяснять же каждому, что набор для выращивания приобретается в научных целях. За 98 рублей мы получаем пластиковый контейнер, минеральную вату, пакет семян и инструкцию. «Выдержать в темноте 2 дня… снять крышку… поставить на солнце… периодически поливать». Такие нехитрые действия помогут вырастить небольшое количество полезных растений.
Приблизительно два года назад я приобрел такой набор и успешно вырастил небольшое количество редиса. В это же время ко мне попала книга Уильяма Тексье «Гидропоника для всех». Помимо информации, относящейся к растениям, книга содержит много упрощенных картинок гидропонных установок. Именно Тексье повинен в идее превратить пластиковую коробочку с минеральной ватой в нечто большее.
Приведу несколько цитат (раздел «Система периодического затопления»).
— Мне нравится и другая, действительно простенькая старинная система периодического затопления. Она берет начала не из парниковой индустрии, а была разработана обитателями калифорнийской глубинки в хижинах, не знавших электричества.
— В наши дни людям подавай насосы и таймеры…
— … люди проявляют творческий подход и изобретают множество хитроумных доморощенных систем.
— Важно найти оптимальный цикл орошения, а он может различаться в зависимости от времени года (даже в помещении!) и от размера растений.
Последняя предпосылка к началу истории разработки заключается в том, что необходимая для гидропоники электроника и программа у меня были. В предыдущей публикации я рассказал об устройстве для полива комнатной фиалки. Задача выращивания микрозелени ничем не отличается, нужно поливать растения по заданному расписанию.
Идея
В устройстве действительно нужен насос и таймер. Питание от USB — удобно, адаптеры продаются на каждом шагу. Если добавить дисплей, то управление станет более понятным. Вместо настройки режимов выбираем растения: «Укроп», «Пшеница», «Базилик», устройство должно само установить необходимый режим полива исходя из уровня воды, времени суток, температуры, типа растения.
Воду будем отслеживать при помощи магнитного поплавка. Растения находятся в субстрате, который достаточно быстро высыхает. Необходимо информировать пользователя при опустошении ёмкости звуковым сигналом.
Конструкция
Первый вопрос задачи — конструктив устройства. Несколько вечеров к ряду искал хорошее решение. С одной стороны емкость должна иметь достаточный объем, чтобы «затапливать» субстрат, с другой — быть достаточно компактной, чтобы можно было разместить установку на подоконнике или под лампой. Вода и растения, должны находиться на разных уровнях или в разных резервуарах. А еще имеет значение эстетический вид и простота эксплуатации. Проработав несколько различных корпусов, выбор был сделан в пользу представленного варианта.
Корпус гидропонной установки периодического затопления
Корпус состоит из трех деталей: поддон, основание и крышка. Конструкция разборная, благодаря чему устройство можно промыть. Основная хитрость конструкции кроется в принципе подачи воды: используется воздушная помпа вместо насоса, вода выталкивается давлением воздуха. Корпус делится на два сообщающихся резервуара, объем нижнего резервуара практически равен объему верхнего. Окончив цикл полива, выключаем помпу и открываем воздушный клапан, вода возвращается в нижний резервуар самотеком.
Электроника
Схема спроектирована на микроконтроллере STM32G070RBT6. Достаточное число ножек, богатая для серии периферия и привлекательная цена. Заказал на Aliexpress несколько микросхем у разных продавцов. В первой посылке пришли выводные резисторы и набор транзисторов, во второй — что нужно. Дублирование заказов уже вошло в практику разработки и выручало неоднократно.
Устройство получилось очень простым, вот его структурная схема. При низкой стоимости контроллер дает все необходимое:
два порта SPI — удобно читать данные с Flash и сразу передавать на дисплей;
DMA — для воспроизведения звука;
64 GPIO — используются 28;
RTC, внутренний источник опорного напряжения, датчик температуры.
Структурная схема платы управления гидропонной установкой
Программа
С программой пришлось немного повозиться. Первая остановка была на алгоритме воспроизведения WAV. Данные считываются из памяти и передаются на таймер, который в свою очередь работает в режиме ШИМ генератора. Схема рабочего варианта показана на рисунке.
Схема воспроизведения WAV через ШИМ и DMA
Организуем кольцевой буфер размером 8 кБ. Настраиваем связку DMA и TIM с двумя признаками прерываний (Half, Full). Процессор будет заниматься чтением данных с Flash и заполнением буфера во время прерывания. Рабочая частота микроконтроллера 44 МГц, при которой удается получить период ШИМ 42,9 кГц (максимально близкое значение к 44 кГц WAV). Для получения точной частоты дискретизации необходимо использовать внешний кварц.
Неоценимой находкой стала программа «WAVToCode Converter», все ссылки на скачивание в конце публикации. Программа преобразует загруженный файл в C — код, который можно непосредственно записать в память. Таким способом устройство обзавелось несколькими полезными звуками.
Вторая остановка — работа с TFT дисплеем. За основу была взята библиотека ST7735_TFT_RPI, за что автору огромная благодарность. Потребовалось добавить пару шрифтов, но в остальном библиотека запустилась без проблем. Шрифты сгенерированы при помощи программы от @riva-lab, за что ему также спасибо. Для подготовки изображений использовалась программа Bitmap Converter (ST) for emWin.
Алгоритм работы микроконтроллера достаточно тривиален и построен на базе простенького диспетчера. Задача с названием «Schedule» периодически включает насос (период зависит от вида растения), задача «WaterLevel» проверяет уровень жидкости в баке, задача «Display» обновляет время на экране, задача «Sound» выдает необходимые звуковые сигналы и т.д.
Для определения уровня воды используется поплавок с магнитом. Датчик Холла отслеживает положение поплавка, полученные значения АЦП переводятся в проценты. В зависимости от текущего уровня воды делаем корректировку времени полива, т.к. при малой наполненности бака необходимо накачать воздух «в холостую», чтобы уровень выталкиваемой жидкости поднялся до субстрата.
Себестоимость и производство
Себестоимость изготовления гидропонной установки — самая печальная часть истории. Электроника, помпа, дисплей (892 рубля) + корпус (3795 рублей) + раствор для гидропоники Simplex Hydro Vega A+B (1799 рублей) + минеральная вата для выращивания микрозелени (248 рублей) + Грунт для аквариума, «Янтарный» (269 рублей). Итого: 7003 рубля.
Установка оказалась очень капризной в плане производства. Не сразу удалось найти исполнителя для печати корпуса, не у каждого есть принтер необходимых размеров. Основание удалось напечатать со второго раза, разделив деталь на две части с последующей склейкой. Использовался пластик PETG, с последующей обработкой раствором для предотвращения протекания жидкости между волокнами. Корпус потребовал дальнейших «подрезок, подшкуриваний» и покраски.
Куча гидропонных систем продается сейчас на маркетплейсах. За относительно небольшие деньги можно купить установки для выращивания салата, клубники, лука, кормовых растений, да чего угодно, практически в промышленных объемах. Разработка своего это всегда сложно, долго, дорого, но интересно.
Результаты
Соответствует ли начальная идея действительности — вот ради чего создаются прототипы. Блестящий, захватывающий, коммерчески успешный образ будущего устройства блекнет по мере продвижения, когда появляется все больше трудностей, нюансов и особенностей в работе.
Выращивание микрозелени на минеральной вате
Первые испытания — посадка укропа и петрушки на минеральную вату. И сразу смена курса, так как субстрат оказался основной переменной решаемого уравнения. Именно субстрат определяет, как часто нужно поливать растения и как они будут впоследствии развиваться. Минеральная вата слишком сильно удерживает влагу, не позволяет жидкости вернуться в нижнюю ёмкость.
Корректируем программное обеспечение: выбираем субстрат (а не тип растения), в зависимости от которого меняется цикл полива. Делаем повторный посев на камни.
Выращивание микрозелени на камнях
Вторая не менее важная составляющая успешного развития растений — освещение. Несмотря на то, что квартира находится на солнечной стороне, света оказалось недостаточно. В сочетании с переувлажненностью растения вытягиваются, приобретают неестественный вид.
И самое неприятное — это плесень, которая образуется на семенах. Увлажненность и температура обеспечивают хорошие условия не только для микрозелени. Субстратом проблема плесени не решается, эксперимент с использованием аквариумных камней это подтвердил.
Заражение семян микрозелени плесенью
Выводы
Каждая сфера деятельности имеет множество деталей. Получение опыта всегда связано с ошибками, уточнениями и корректировками. Даже такое простое устройство как система периодического затопления оказалось не столь простым, как казалось. Подытожу еще раз основные вопросы.
Выбор субстрата. Необходимо понимать степень удержания влаги, в зависимости от которой выстраивается режим полива. Также имеет значение физическая удерживающая способность субстрата (глубина заполнения) для больших растений.
Заплесневение и прочие инфекции. На камнях плесень практически не распространяется, но это не решает проблему её присутствия на некоторых семенах.
Режим полива. Зависит не только от внешних условий, но и степени развития растений. Выросший укроп и петрушка расходуют воду значительно быстрее.
Уровень громкости при работе воздушной помпы. Полива не будет слышно, только если поставить установку в другой комнате.
Проблема дешевой китайской комплектации. Привлекательный для конструктива ультратонкий динамик называется так номинально. Про низкие частоты пришлось забыть, также как и про приемлемый уровень громкости. Зато динамику по душе чистый тон. Выбор шумовых эффектов для нажатий кнопок «Щелчки» пришлось плавно переместить на «Звуки фортепиано».
Проблема брака комплектации. Заявленные 160×80 пикселей дисплея превратились в 140×80, недовес 20×80. Проблему устранила покупка нового дисплея, однако пришлось корректировать программу (менять кодировку цветов Red и Blue).
Трудности калибровки. Пришлось в буквальном смысле допиливать плату, чтобы скорректировать положение датчика Холла. Потребовалось изменить конструкцию поплавка, чтобы получить достаточный уровень сигнала.
Безопасность получаемого продукта. Нужно понимать, что получаемая биомасса являются результатом переработки растениями солнца, воды и веществ, входящих в состав Simplex Hydro Vega. Камни выполняют функцию удержания влаги и механической опоры.
Возможно, у читателя сложилось мнение, что весь этот эксперимент описывается в мрачных тонах. Но это далеко не так. В целом созданная гидропонная установка периодического затопления справилась со своей задачей, и первый урожай был получен. Вкус укропа и петрушки по моим ощущениям обыкновенный. Но зато, каков процесс! Изделие изначально разрабатывалось ради развлечения, решаемая задача является объектом исследования, зелень на подоконнике выращивать не доводилось. Думаю, многие согласятся, что рабочие задачи ограничены временем, техническими требованиями и себестоимостью, задачи аутсорсинга — временем, себестоимостью и рисками. Инженерам совсем не остается пространства для творчества. Поэтому в хобби-проектах снимаются все ограничения.
Ссылки на использованные материалы
1. Программа WAVToCode Converter;
2. Программа для создания шрифтов;
3. Программа работы с дисплеем Bitmap Converter (ST) for emWin.
