Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР *

в 23:49, , рубрики: программирование микроконтроллеров

- А интересно, - подумал Ёжик, - если Лошадь ляжет спать, она захлебнется в тумане?

И ещё Ёжик думал о Лошади. Как она там, в тумане?..

* АПР - аэропоника с пневматическим распылением

Уже почти год назад мой друг, в качестве хобби выращивавший дома клубнику, увлёк меня этой идеей. Я решил изучить практику высокотехнологичного сельского хозяйства, а затем методом проб и ошибок начал строить установку для безсубстратного выращивания клубники в закрытых помещениях - естественно, с желанием довести до состояния, при котором её можно масштабировать, а само выращивание будет максимально автоматизированным.

Вышло ли из этого что-то и что конкретно - под катом. Сразу предупрежу: статья огромная, потому что материала много. И очень много фото.

К делу я решил подойти со всем занудством тщанием, т.е. сначала изучить существующие варианты. Тот самый друг в своём последнем подходе к этому процессу использовал туманогенерацию. В принципе, система у него работала, однако тех результатов, которые он хотел бы, получить не удалось: растения погибали, урожай если и был, то мизерный и т.д.

Само собой, речи о выращивании земле не шло вообще: с детства не люблю в ней копаться. Сам я о высоких технологиях в сельском хозяйстве даже если и слышал, то краем уха. Так что я начал поиски с того, что уже использовалось - т.е. с туманогенерации, она же fogponics. Довольно быстро выяснилось, что опытные хай тек агрономы эту технологию не приветствуют из-за ряда её неприятных особенностей (как реальных, так и теоретических). Однако аэропоника (а туманопоника - как раз её часть) в целом показалась очень интересной, поэтому я начал двигаться по этому пути.

Тут появляется резонный вопрос о том, почему бы не использовать гидропонику, как все нормальные люди? Должен сказать, что лично я ни разу не пробовал действительно вкусных плодов, выращенных на гидропонике. Кроме того, это довольно популярное направление, а мне хотелось попробовать что-то новое. Плюс аэропоника решает некоторые довольно серьёзные проблемы гидропоники: например, недостаток кислорода у корней.

Вообще, что такое аэропоника? Это способ выращивания растений "в воздухе", при котором корни просто висят в пустом пространстве, а питательные вещества доставляются в виде спрея. Глобально аэропонику делят на два направления: это LPA, low-pressure aeroponics, или аэропоника низкого давления, и HPA, high pressure aeroponics, что, как вы уже, наверное, догадались, переводится как аэропоника высокого давления.

Лично с моей точки зрения LPA - это как бы и не аэропоника вовсе. Это, скорее, какой-то аналог NFT-гидропоники (nutrient film technique, техника питательного слоя): корни спрыскиваются крупными каплями питательного раствора или он вовсе подаётся сверху, а далее капает вниз, попадая на корни и создавая на них плёнку воды. Большое количество проектов с башнями для выращивания используют именно такую технологию.

А вот HPA - это уже настоящая аэропоника: питательный раствор периодически, по таймеру, подаётся под высоким давлением на сопла, где превращается в мелкий спрей, в идеале - с размером капли в районе 50 микрон, и, соответственно, этим спреем сбрызгиваются корни. И поначалу я решил идти именно этим путём.

Компоненты

Система на базе HPA состоит из следующих компонентов: насоса высокого давления (6-12 бар), труб для подачи раствора (которые должны это давление выдерживать), самих распылительных форсунок, гидроаккумулятора, реле давления, редуктора давления и электроклапанов (для уменьшения размера статьи я не буду тут рассказывать, зачем обязательно нужен гидроаккумулятор и электроклапаны, если возникнут вопросы - объясню в комментариях). По этому набору сразу можно понять, что в системе есть тонкие места:

  • гидроаккумулятор, по сути - бомба. Да, они надёжны, но если всё-таки рванёт - из-за воды мало не покажется;

  • и трубы, которые должны без протечек постоянно держать в себе 5-8 бар давления (к форсункам жидкость нужно подавать под давлением в 5.5-6+ бар).

При этом даже с использованием гидроаккумулятора невозможно мгновенно начать производить спрей нужного качества: для появления нужного давление на соплах требуется время, в начале и в конце каждого цикла будут капли более крупного размера, что в результате может превратить капли на корнях в плёнку воды (т.е. такой дорогой вариант LPA получится).

Поиски привели меня на несколько форумов, в том числе на форумы любителей выращивать не поощряемые нашим законодательством культуры. Кстати, похоже, что так же, как порно двигало вперёд Интернет, эти товарищи первыми пытаются использовать новые технологии в своих опытах. И опытов (и, соответственно, опыта) у них нашлось немало. Например, там я узнал, что у HPA есть довольно серьёзная проблема: форсунки забиваются даже при наличии фильтров, соответственно, растения перестают получать свои питательные вещества.

Люди делились плюсами и минусами различных технологий, что привело меня...

...к несколько более экзотическому способу формирования спрея. Это AAA, air-assisted aeroponics (или иначе air-atomized aeroponics), т.е. аэропоника с пневматическим распылением. В этом случае для распыления используется энергия сжатого воздуха, к форсунке идёт две линии: одна с жидкостью, вторая - с воздухом, причём и там, и там гораздо более низкие давления (забегая вперёд: для получения тумана нужного качества я использую 1.5 бар давление раствора и 2.25 бар давление воздуха).

Более того, такая схема даёт значительно больше контроля над впрыском: ниже видео туманообразования в slow-mo с длительностью впрыска в 200 миллисекунд, я снимал его просто чтобы увидеть, как это работает.

Набор компонентов для АПР несколько иной, конечно. Самая сложная часть, которая добавляется - это воздушный компрессор. Тут могут быть разные варианты, но я остановился на безмаслянном компрессоре с ресивером в 24 литра. Его номинальная производительность - 160 литровмин, мощность - 1100W, заявленный уровень шума - 54 dBa. Повёлся на уверения производителя о его - компрессора - бесшумности, что оказалось не совсем правдой (я даже снял ролик на эту тему).

Чтобы упростить систему я решил отказаться от отдельного гидроаккумулятора и помпы, и тут используя воздух для создания давления жидкости. Для этого я в ближайшем пивном магазине купил бу ПЭТ-кегу на 30 литров со съемным фитингом, а в конторе, которая занимается поставками оборудования для пивных - бу заборную головку. В результате я заливаю питательный раствор в кегу, закручиваю фитинг, надеваю головку - и вуаля, туда подаётся воздух, нагнетая требуемое давление, а из другого отверстия заборной головки вытекает уже раствор.

Но компрессор - не самый дорогой элемент системы. Как оказалось, пневматические форсунки недёшевы. Набор для одной форсунки стоит $150 и выше - в зависимости от комплектации. Но всегда есть варианты...

Сборка

Итак, я потратил пару месяцев на то, чтобы прикинуть, что же мне нужно для сборки системы, и заказать компоненты. В качестве форсунок я решил попробовать использовать китайские сопла с AliExpress. Там же я заказал регуляторы давления, соленоиды и кучу электроники.

Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 1

Процесс сборки - отдельная история, полная непечатных выражений, поэтому положу лишь несколько фото в спойлер. Это всё было куплено в Леруа Мерлен, за исключением плёнки, которую мне презентовал друг. Исходя из полученного опыта я бы не стал идти этим путём и в ближайшее время буду переделывать ёмкость для корней.

Фоточки процесса производства установки. ОЧЕНЬ МНОГО фоточек.
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 2
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 3
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 4
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 5
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 6
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 7
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 8
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 9
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 10
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 11
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 12
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 13

П

Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 14
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 15
Бизиборд для взрослых
Бизиборд для взрослых
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 17

Первая версия
Первая версия

Я делал тогда небольшое видео с поверхностным обзором, а поскольку общался на американских форумах, то и озвучка там на плохом английском.

Первая версия предполагала основной редуктор давления на входе вместе с фильтром воздуха и устройством для осушения, два прецизионных редуктора давления от 0 до 2 бар (я на тот момент полагал, что смогу обойтись давлениями до 1 бар), два соленоида 12В, управляемых контроллером на базе esp32, а так же одно сопло.

На тот момент я уже получил электронику и даже написал тестовую прошивку, чтобы проверить свою идею с внешней панелью управления и микроконтроллером, который должен был общаться с панелью по MQTT-протоколу, о чём тоже снял видео (опять же, на плохом английском, и смотреть его нужно на скорости минимум x1.5).

Кстати, я не упомянул и о ещё одном компоненте - о свете. Свет - штука очень важная. Я бы сказал, что самая важная или одна из самых важных. Свет я заказывал на Alibaba, к сожалению, этого предложения больше нет, но это светодиодный светильник регулируемой мощностью 240Вт на диодах полного спектра Samsung lm301b с температурой 3000К с добавлением нескольких LED с длиной волны 660 nm. Светит очень ярко.

Немного о Свете (зачёркнуто) о свете
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 19
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 20
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 21
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 22

Помимо этого пришлось спаять и собрать какое-то количество электроники в процессе. Как-то так выглядит

Метод проб и ошибок

Но вот дальше всё пошло немного не так.

Во-первых, китайские сопла, которые я выбирал по каталогу, вообще не соответствовали тому, что я заказывал. Это было видно и по диаметру сопел, и по тому, что они выдавали. Разборки с китайцами ни к чему не привели, поэтому я плюнул и вернулся к идее с нормальными форсунками.

Вообще, это были копии сопел Spraying Systems, и я попытался было купить оригиналы официально, но ценник в $150 за штуку меня отпугнул. Однако всегда есть варианты: на eBay я нашёл нужное предложение, в результате четыре набора головок обошлись мне в $33, включая доставку, и я установил их на китайские базы.

Во-вторых, оказалось, что одного сопла мало. Т.е. пропускная способность у него достаточна с огромным запасом, а вот покрытие взвесью получается неравномерным. Поэтому пришлось выводить дополнительную пару трубок на другую сторону, так же ставить дополнительные соленоиды и ими управлять.

Следующий прокол оказался в том, что прецизионные редукторы давления были relief type (не знаю, как это по-русски), т.е. в процессе работы "расходовали" воздух. В результате компрессор включался слишком часто.

К тому моменту я уже заказал саженцы, которые планировал высаживать - 30 кустов двух сортов: Альбион и Эви-2. И они даже приехали - где-то 20 марта, а буквально через пару дней в стране ввели карантин.

В то время я хотел написать большую систему "в облако", которая должна была управлять локальными микроконтроллерами. Но процесс это небыстрый, время шло, в результате я понял, что мои саженцы просто помрут. И решил сменить стратегию: всё-таки быстро написать контроллер, который будет работать локально, а уже потом снова вернуться к идее "облачного" управления.

В результате у меня получилось два компонента.

Первый - это основная панель управления, в которой я описываю расписание работы впрыска (а в дальнейшем буду управлять и другими инструментами типа датчиков температуры и т.п.). Написана она на Elixir + Phoenix Framework + Phoenix LiveView и запускается на Raspberry Pi3, к которому подключены твердотельные реле, управляющие соленоидами. Реализовано всё на базе проекта Nerves, причём есть обновления софта OTA: достаточно загрузить новую версию прошивки на NervesHub, как устройство это обнаружит, обновится и перезапустится. Ссылку на GitHub я даю, но использовать проект пока малореально: нужно дописывать, ибо реализован только самый основной функционал, без которого ничего работать не могло. Ну, и UI/UX оставляет очень много места для улучшений.

Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 23
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 24

Появление второго компонента связано с тем, что, во-первых, необходимо управлять светом, а кроме того оказалось, что реле включения компрессора срабатывает при падении давления ниже 6 бар, а выключается - при достижении 8. И изменить эту настройку нельзя, иначе потеряешь гарантию. Гарантию терять мне не хотелось, но и слышать работающий компрессор желательно было пореже. Поэтому я сварганил из говна и палок esp32, LCD-экранчика, россыпи резисторов, телефонных разъемов, твердотельных реле, корпуса накладной розетки на два гнезда и датчиков давления контроллер розеток. Контроллер управляет розеткой, к которой подключён компрессор, исходя из показаний датчика давления (кстати, их можно подключить до 5 штук), кроме того, розетка включается не дольше, чем на 5 минут, а затем выключается минимум на 5 минут (это из правил пользования компрессором).

Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 25
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 26

Написано всё на C и родном esp-idf, проект тоже лежит на GitHub. Правда, и тут не всё реализовано программно... ну, вы поняли. Из интересного: многопоточность на C я до этого никогда не использовал, да и вообще это мой первый опыт программирования микроконтроллеров. Не знаю, насколько опыт успешен, но ни разу ничего не зависло и не сломалось. Обновление прошивки по воздуху (OTA) в планах.

Если будет интерес, могу об этих компонентах рассказать подробнее.

Остальные компоненты и дизайн фермы тоже менялся в процессе. Пришлось поставить дополнительный клапан на вход, я отказался от одного регулятора давления, пришлось придумать аррестер, иначе гидроудар раскачивал трубки и я боялся, что всё повылетает. Как-то так всё выглядело до очередной переделки на прошлой неделе:

Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 27
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 28

Питательный раствор

Тут я тоже долго изучал альтернативы. Думал и о готовых растворах, и о том, чтобы делать их самому. В конце концов решил рискнуть: сначала сделал смесь из удобрений, но там получалось всё настолько неудобно, сложно и с неопределённым результатом, что я нашёл поставщика хим. реактивов, купил чистые вещества и постепенно пришёл к нынешнему трёхкомпонентному концентрированному составу. К сожалению, я не знаю, насколько он хорош: хотелось бы сделать анализ листвы, чтобы проверить, чего хватаетне хватает, но пока не понимаю, где и как это произвести. Несколько раз своим неоптимальным составом и неправильной кислотностью я чуть не убил кусты, но обошлось.

Сам раствор я замешиваю на дистиллированной воде, которую покупаю. Для уверенности в составе повторно не используется раствор, сразу утилизируется. Кстати, так как это аэропоника, я использую раствор с EC в районе 400 mS/cm3 (TDS - ~200 ppm по шкале 0.5). Причём есть подозрение, что и этого многовато. Для сравнения - TDS водопроводной воды у меня около 130 ppm.

Выращивание

Несмотря на все задержки в какой-то момент нужно было уже посадить растения, иначе это всё теряло смысл. Я боялся, что мои саженцы, который к тому моменту 2.5 месяца провели в холодильнике (причём не при требуемых -1.5..-2 градуса, а при +4), померли. Но нет. Они, конечно, сильно ослабли, и по факту большая их часть всё-таки не выжила, но не все.

Запустил я процесс 16 июня, если мне не изменяет память.

Выглядели они, конечно, слабовато
Выглядели они, конечно, слабовато

Параллельно я запустил съемку таймлапсов. Часть из них я даже опубликовал - за три недели, - пока мне не стало лень. Вы можете найти их на моём канале в YouTube. Таймлапсы всё ещё делаются, и надеюсь, что я всё-таки соберусь и выложу видео за уже четыре месяца - это должно быть интересно.

Но процесс шёл. Конечно, я волновался. Часть растений явно ослабло слишком сильно для того, чтобы преобразовать корневую систему под новый тип питания. Но некоторые справлялись, и это давало мотивацию продолжать.

Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 30
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 31

Как я уже сказал, из тридцати кустов фриго выжило буквально 6 штук. И даже из этих шести здоровыми выглядели не все.

Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 32

В какой-то момент я даже решил, что нужно попробовать попробовать внедрить в систему обычные растения из огорода, благо земляничный сезон уже заканчивался и можно было без вреда для урожая их усами размножать. Вот так выглядели высаженные растения (strawberry nursery я опущу - и так слишком много фото):

Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 33

Но в какой-то момент я увидел первый цветок! Это было воодушевляюще! А потом цветы пошли валом. А следом за цветами появилась и первая ягода.

Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 34
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 35

Конечно, не всё было радужно. Были всяческие гнили: и бурая гниль, и вертициллезное увядание, и паутинный клещ. Так как явно симптомы начали проявляться уже после того, как появились ягоды пришлось бороться более-менее щадящими методами, т.е., по сути, никакой химии: триходермой и битоксибациллином. Вроде бы удалось справиться как минимум с видимыми проявлениями. Однако на будущее сделал для себя выводы о том, что соблюдать график обработки нужно в обязательно порядке: стоило обработать нормально саженцы при высадке, затем - перед цветением.

Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 36
Затерянные в тумане, или Увлекательные приключения в мире АПР * - 37

Но одно могу сказать точно: я редко ем настолько вкусные ягоды. В магазинах у нас их не продают точно. Ягоды с грядки из частных огородов в подавляющем числе случаев менее вкусные чем те, что выросли у меня. Вкус отметили вообще все, кто пробовал.

Ягод выросло очень мало. На текущий момент порядка 370 грамм в общей сложности. Я связываю это и с тем, что я передержал кусты, в результате чего они ослабли (плодоносил нормально, по сути, только один куст), и с ошибками в составе раствора, и с кислотностью, и с болезнями. Мне очень не хватает агрономических знаний.

Однако моя ферма жива, некоторые из "огородых" саженцев прижились и я надеюсь получить от них какой-то урожай. Понимаю, что написал много, показал ещё больше, но фактически это лишь толика того, что удалось узнать и сделать за это время.

Резюмируя, могу сказать, что при достаточном желании можно без предварительного опыта разрабатывать и создавать достаточно сложные системы. Главное - не бояться работать с информацией и её применять. А я думаю о том, что нужно это всё смасштабировать хотя бы раза в два-три и найти, где в несезон заказать хорошие саженцы.

Автор: heathen

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js