Klíčová slova

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla až do jejich skutečné výše.

Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé diplomové práce a konzultantem.

Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elektronickou verzí vloženou do IS STAG.

Datum: 6. 5. 2015

Podpis:

Poděkování

Rád bych poděkoval firmě Jablotron Alarms a.s. za podporu při návrhu a realizaci mé diplomové práce. Zvláštní poděkování bych chtěl věnovat Ing. Jaromíru Šubčíkovi za čas, který mi věnoval během konzultací, a za rady, které mi velice pomohly k zdárnému dokončení mé diplomové práce.

Abstrakt

Cílem práce je navrhnout systém, který je schopen řídit skleník. Systém se skládá ze dvou modulů, z nichž je jeden řídící a druhý měřící. Moduly budou řízeny MCU STM32L151C8 od firmy STM. Vzájemnou komunikaci zajišťuje sběrnice RS485. Řídící modul zpracovává informace, které poslal měřící modul, a na jejich základě ovládá akční členy. První kapitoly se zaobírají možnostmi pěstování rostlin v uzavřených prostorách a požadavky rostlin na zdárný růst. V další kapitole je sepsán návrh systému na základě požadavků z předcházející kapitoly. Poslední kapitoly se věnují vlastní realizaci prototypu a jeho následnému otestování.

Systém bude kontrolovat klimatické podmínky uvnitř skleníku. Mezi prvky, které budou řízeny, patří: teplota vzduchu, zavlažování, výměna vzduchu uvnitř skleníku, relativní vlhkost a doba svícení.

Klíčová slova

Skleník, DPS, MCU, ARM Cortex M-3, řízení

Abstract

This work describes the design of a system that will be able to control greenhouse. The system will consist of two modules which will communicate via RS485. Each modules will be control by MCU STM32L151C8 developed by STM. Control module will process the information sent by the measuring module and based on them control actuators. The first chapter is about building the greenhouse, including selection a growing medium, a type of lights and so on. In the next chapters will be describe design of the system by requires of the plants. Last chapters are about creating a prototype and testing the system.

The system will be control climatic conditions inside the greenhouse. Controlled elements are air temperature, watering, changing air, relative humidity and length of photoperiod.

Key words

Greenhouse, PCB, MCU, ARM Cortex M-3, Control

Obsah

Úvod ... 13

1 Pěstování rostlin v uzavřených prostorách ... 14

1.1 Prostor pro pěstování rostlin ... 14

1.2 Pěstební médium ... 15

1.2.1 Půdní substrát ... 15

1.2.2 Rockwool ... 16

1.2.3 Kokosová vlákna ... 17

1.2.4 Keramzit (Liaflor) ... 17

1.2.5 Živiny ... 18

1.3 Osvětlení ... 18

1.3.1 Požadavky pro růst rostlin ... 18

1.3.2 Vysokotlaké výbojky (HID) ... 19

1.3.3 Halogenidové výbojky (MH) ... 19

1.3.4 Sodíkové výbojky (HPS) ... 19

1.3.5 Kompaktní fluorescenční zářivky (CFL) ... 21

1.3.6 LED moduly ... 22

1.4 Zavlažování ... 22

1.4.1 Ruční zalévání ... 23

1.4.2 Pasivní systémy ... 23

1.4.3 Aktivní systémy ... 23

2 Návrh systému pro pěstování rostlin ... 27

2.1 Určení požadavků pro pěstování rostlin ... 27

2.2 Definování funkcí systému ... 27

2.2.1 Seznam funkcí ... 28

2.2.2 Regulace systému ... 28

2.2.3 Ovládání ... 29

2.3 Návrh zapojení ... 30

2.4 Tvorba DPS ... 30

3 Realizace prototypu ... 31

3.1 Výroba DPS ... 31

3.2 Naprogramování MCU... 32

4 Otestování systému ... 35

Shrnutí ... 38

Závěr ... 39

Citovaná literatura ... 40

Příloha A – Průběh růstu keříčkových rajčat ... 41

Příloha B – Dokumentace k řídícímu obvodu... 42

Příloha C – Dokumentace k obvodu s akčními členy a senzorem ... 46

Seznam obrázků

Obrázek 1 - Předmíchaný substrát [4] ... 16

Obrázek 2 - Rockwoolová kostka [4] ... 17

Obrázek 3 - Kokosová kostka [4] ... 17

Obrázek 4 - Absorpce chlorofylu [6] ... 18

Obrázek 5 - MH výbojka [4] ... 19

Obrázek 6 - HPS výbojka [4] ... 20

Obrázek 7 - MIX výbojka [4] ... 21

Obrázek 8 - Kombinovaná CFL [4] ... 21

Obrázek 9 - LED modul 120 W [7] ... 22

Obrázek 10 - Samozavlažovací květináč [8] ... 23

Obrázek 11 - GroTank NFT [8] ... 24

Obrázek 12 - Aqua systém [8] ... 25

Obrázek 13 - Truhlík Libra [8] ... 25

Obrázek 14 - Vana systému EBB Flow [4]... 26

Obrázek 15 - Systém Pi Rack [8] ... 26

Obrázek 16 - Ultrazvukový mlžič [4] ... 28

Obrázek 17 - Osazená řídící DPS, strana spojů ... 31

Obrázek 18 - Osazená řídící DPS, strana součástek ... 31

Obrázek 19 - Osazená měřící DPS, strana spojů ... 32

Obrázek 20 - Osazená měřící deska, strana součástek ... 32

Obrázek 21 - Volba veličiny ... 35

Obrázek 22 - Nastavení hodnoty... 35

Obrázek 23 - Testovací deska s osazenými moduly... 37

Obrázek 24 – Rajčata a chilli papričky (8. 12. 2014) ... 41

Obrázek 25 - Rajčata a chilli papričky (5. 2. 2015) ... 41

Obrázek 26 – Řídící obvod – Schéma zapojení ... 42

Obrázek 27 - Řídící obvod - DPS... 43

Obrázek 28 - Řídící obvod - Osazení strany spojů ... 44

Obrázek 29 - Řídící obvod - Osazení strany součástek ... 45

Obrázek 30 - Měřící obvod - Schéma zapojení ... 46

Obrázek 31 - Měřící obvod – DPS ... 47

Obrázek 32 - Měřící obvod - Osazení strany spojů ... 48

Obrázek 33 - Měřící obvod - Osazení strany součástek ... 49

Seznam grafů

Graf 2 - Základní struktura programu řídícího MCU ... 33

Graf 3 - Základní struktura programu měřícího MCU ... 34

Graf 4 - Priorita regulačních procesů ... 36

Seznam tabulek

Seznam zkratek

 FAR ... Fotosynteticky aktivní radiace

 HID ... High Intensity Discharge (vysokotlaká výbojka)

 MH ... Metal Halide (halogenidové)

 HPS... High Pressure Sodium (vysokotlaké sodíkové)

 CFL ... Compact Fluorescent Lamp (kompaktní zářivka)

 LED ... Light Emitting Diode

 DPS ... Deska plošných spojů

 SMD ... Surface Mounted Device

 IO ... Integrovaný obvod

 I/O ... Input/Output

 WDG ... Watchdog

 I2C ... Inter-Integrated Circuit

 DC ... Direct Current

 AC ... Alternating Current

 USART ... Universal Synchronous / Asynchronous Rx and Tx

 SPI ... Serial Peripheral Interface

 GLCD ... Graphic LCD

 RTC ... Real-time Clock

 EC ... Electric Conductivity

Úvod

Tato práce se zabývá návrhem automatického skleníku. První kapitola je věnována seznámení s problematikou pěstování rostlin. Do toho spadají požadavky na zdárný růst rostlin v uzavřených prostorách. První část této kapitoly se věnuje popisu a shrnutí výhod a nevýhod jednotlivých médií, které se používají pro pěstování rostlin. Stejně tak jsou popsány i jednotlivé typy zdrojů světla. Od standardních vysokotlakých výbojek až po moderní LED moduly. Na závěr této kapitoly o pěstování rostlin jsou popsány typy zavlažovacích systémů. Hlavně jsou popsány hydroponické systémy, které se v dnešní době používají nejvíce.

Další kapitola se zabývá návrhem celého systému. Nejdříve je nutné určit klimatické podmínky, které potřebuje rostlina, jež bude ve skleníku pěstována. Poté navrhnout prvky, které budou měřit a ovlivňovat klima ve skleníku. Dále je třeba realizovat HW a SW potřebný k řízení těchto prvků. Vybrat jednotlivé součástky, vytvořit návrh DPS a následně realizovat jeho osazení. Po zhotovení DPS následuje naprogramování a oživení celého systému. Při návrhu systému bude kladen důraz na levnou výrobu a provoz. A stejně tak na snadné ovládání a přehledné informační prvky. V závěru práce je zhodnocena funkčnost celého systému.

Motivací pro zpracování této práce byla absence cenově dostupného systému pro ovládání domácího skleníku na českém trhu.

Cílem této práce je vytvořit systém, který bude schopen řídit domácí skleníky a umožní tak jejich téměř bezúdržbový chod.

1 Pěstování rostlin v uzavřených prostorách

V této části jsou sepsány důležité informace pro pěstování rostlin v uzavřených prostorách.

Nejprve jsou popsány podmínky pro volbu prostoru pro pěstování. Poté se zmiňují varianty pěstebního média (klady, zápory atd.). Následující kapitola se věnuje volbě zdroje světla. V poslední části jsou popsány používané zavlažovací systémy.

Při psaní této kapitoly jsem získával informace ze zdrojů [1][2].

1.1 Prostor pro pěstování rostlin

Pěstování v uzavřených prostorách lze rozdělit na dvě základní varianty - světlopropustný skleník nebo prostor, do kterého se nedostane žádné okolní světlo.

V prvním případě se musí vzít v úvahu natočení skleníku ke světové straně. Pokud bude svojí delší stranou natočen k jihu, dá se předpokládat, že sluneční paprsky budou více pronikat do skleníku a následně celé klima skleníku ohřívat. Proto bude nutné skleník častěji odvětrávat, nebo v tomto skleníku pěstovat pouze teplomilné rostliny. V případě, že skleník je umístěn na volném prostranství a není přímou součástí obytného domu, lze předpokládat, že v zimních měsících budou ve skleníku příliš nízké teploty na pěstování rostlin (takové skleníky nebývají izolované, a tudíž ani vytápěním by se nedosáhlo požadované teploty). V případě, kdy je skleník součástí domu, by bylo možné skleník vytopit na teplotu, při níž by některé rostliny mohly růst. V takovémto případě by bylo nutné zařídit pouze osvětlování v zimních měsících, kdy perioda svícení je příliš krátká pro úspěšný růst rostlin.

Druhá varianta je prostor, do kterého se nedostane okolní světlo a většinou je součástí většího objektu. V tomto případě je prostředí lépe kontrolovatelné, protože ho okolní vlivy ovlivňují pouze v minimální míře. Nevýhoda tohoto prostoru je neustálá nutnost svícení, a to i v případě kdy je venku sluneční letní den. Tudíž vzrůstají náklady na provoz takového skleníku.

Principy uspořádání skleníku jsou víceméně u obou případů podobné. V případě, kdy jsou použity jakékoliv automatické řídící prvky, je potřebný dobrý přístup k elektrické energii. V případě skleníků uvnitř budov navíc zajistit přívod a odvod vzduchu. Veškeré vnitřní plochy skleníku by měly být bez plísně! Rostliny umístit tak, aby byly ve všech fázích růstu dobře přístupné. Zajistit průchod vzduchu celým skleníkem, např. nasávání je umístěno v dolní části skleníku a odsávání v horní části na protější straně. Veškeré elektrické zařízení umisťovat do horních částí skleníku (kvůli možnosti úniku vody). Nádrž se zavlažovacím roztokem umístit co nejblíže k rostlinám (v potrubí/hadicích se ztrácí tlak a na konci systému by nemusel být dostatečný).

Dalším důležitým aspektem při stavbě skleníku je dbát na jeho čistotu. Savé materiály jsou nevhodné kvůli možnosti vzniku plísní a uchycení různých parazitů. Stejně tak je nutné zamezit zvířatům, aby se do skleníku dostali větracím otvorem atp. Při návrhu vnitřních stěn je také potřeba vzít v úvahu to, aby stěny dobře odrážely a rozptylovaly světlo. Nejjednodušší způsob řešení je nátěr stěn. V tomto případě platí, že čím je stěna tmavší, tím více světla pohlcuje a méně ho odráží.

Vhodnější je použít reflexní fólie. Nejlevnější je černo-bílá PE fólie. Tato fólie je z jedné strany černá a z druhé bílá. PE fólie odráží lépe než bílý nátěr, ale i přesto není úplně ideální krytina vnitřních stěn.

Nehledě na to, že má nízkou schopnost rozptylovat světlo. Další dostupná fólie se jmenuje A-Gro stříbrná fólie, jež má o 50 % vyšší odraznost než PE fólie. Nicméně i přesto má špatnou schopnost rozptylovat světlo. Nejlepší variantou je diamantová A-Gro fólie, která má odraznost srovnatelnou se stříbrnou fólií a k tomu navíc dobře rozptyluje světlo.

Poté je potřebné vybrat vhodný květináč pro pěstování rostliny. Ideální velikost je taková, kdy mají kořeny alespoň tolik prostoru, jako zabere jejich nadzemní část v posledních fázích růstu. Pokud není možné tuto podmínku splnit, měly by kořeny mít minimálně třetinu daného objemu. Tvar květináče není zase tolik důležitý. V případě, že je nutné co nejvíce vykrývat dostupný prostor, je lepší použít čtvercové tvary. Všechny květníky by měly mít dostatek drenážních otvorů na to, aby se na jejich dně nehromadil živný roztok. V takovém případě by mohly začít odumírat kořeny a v dolních vrstvách by se začaly hromadit soli, které výrazně ovlivňují pH. V nejhorším případě kořeny v dolních vrstvách nepřežijí. [2]

1.2 Pěstební médium

Systémy na pěstování rostlin lze rozdělit do dvou základních skupin – půdní substrát a hydroponie. V hydroponii rostlina roste ve vodě, ve které jsou rozpuštěny živiny. Rostlina zpravidla roste v nějakém inertním anorganickém médiu. Mezi hydroponii se řadí i aeroponie. V tomto případě je zasazen pouze klíček rostliny a kořeny prorůstají do dolní části nádoby, kde volně visí ve vzduchu a je na ně rozprašován živný roztok. [2]

1.2.1 Půdní substrát

Mezi pěstováním v klasickém substrátu a hydroponicky je několik zásadních rozdílu – půdní substrát není tolik vzdušný, a tak kořeny nemají takový přísun vzduchu a rostlina se vyvíjí pomaleji.

V klasickém substrátu hrozí i vyšší riziko výskytu plísní a škůdců. Mezi pozitiva se rozhodně řadí menší spotřeba hnojiv, protože substrát před použitím obsahuje určité množství živin v závislosti na poměru surovin, ze kterých je namíchán.

Při výběru substrátu je potřebné dbát na několik zásad. Důležité je mít substrát, který je namíchán na určitý druh rostliny, jenž se bude ve skleníku pěstovat. Neměl by to být dlouho skladovaný substrát, protože takové jsou náchylné na parazity a plísně. Dále by měl substrát být dostatečně vzdušný. Poté neklade odpor kořenům při prorůstání a dostane se k nim více vzduchu, který urychluje jejich růst. Dále je dobré, aby substrát dobře absorboval vodu, protože poté se živný roztok dobře rozlije po celém objemu květníku.

Substráty se obvykle míchají z několika různých materiálů, které budou blíže popsány v následujících řádcích. Do jedné kategorie se řadí anorganické složky, které zlepšují vlastnosti substrátu, hlavně vzdušnost. Nejčastěji se používá perlit a občas keramzit. Ten se spíše vrství na dno květináče jako drenážní vrstva. Použít lze i písek, ale ten má tu nevýhodu, že není tak čistý, a tak je nutné, aby se několikrát propral. Lze zakoupit i čistý písek, ale ten už je cenově srovnatelný s perlitem. Tyto materiály by se měly používat maximálně do 20% celkového objemu, aby substrát neztratil vlastnost absorpce. Pro zvýšení obsahu živin se do substrátu přidávají různá hnojiva. Mezi

ně se řadí třeba humus (rozložené organické látky), který je nejúrodnější částí půdy. Humus dobře absorbuje vodu, vyrovnává pH a váže na sebe toxické látky. Poté se používá rašelina (částečně rozložené organické látky), která dobře zadržuje vláhu substrátu a snižuje pH substrátu, proto se samotná rašelina používá pouze výjimečně (například pro masožravé rostliny). Pro obohacení substrátu je vhodný netopýří trus (guáno). Obsahuje vysoké množství fosforu a dusíku, který je nezbytný pro správný růst a kvetení rostlin. [2][3]

 Nižší spotřeba hnojiv

 Snadná likvidace

 Cena – 300 Kč/50 l (namíchaný substrát)

 Pomalejší růst rostlin

 Riziko výskytu plísní a chorob

 Obtížnější manipulace

Obrázek 1 - Předmíchaný substrát [3]

1.2.2 Rockwool

Rockwool se vyrábí z čedičové horniny a jedná se o čedičovou vlnu. Pro pěstování je nutné použít zahradnický rockwool! Standardně je k dostání stavební rockwool, jenž se používá jako tepelná izolace. Avšak tento rockwool obsahuje různá pojiva, která při pěstování rostlin nejsou žádoucí.

Zahradní rockwool se vyrábí ve dvou variantách – pěstebních kostkách, kde jsou vlákna lisována vertikálně, a tak v sobě nezadrží tolik vody a v rohožích, kde jsou vlákna lisována horizontálně a zadržují více roztoku, který se rozlévá v rohoži rovnoměrněji. Rockwool vyniká vysokou savostí, a i přesto mají kořeny dobrý přísun kyslíku (více než v půdním substrátu). Tento materiál je určen pro hydroponické pěstování. [2][3]

 Možnost opakovaného použití (po pročištění vaty)

 Odolnost proti plísním a parazitům

 Vysoká vzdušnost

 Vysoká savost

 Snadná manipulace

 Cena – 85 Kč/11 l

 Zalévání živným roztokem

Obrázek 2 - Rockwoolová kostka [3]

1.2.3 Kokosová vlákna

Několikrát čištěná drcená kokosová vlákna se používají pro hydroponické pěstování. Ve většině případů obsahují Trichodermu (houbu, která zlepšuje růst kořenového systému). Zajišťuje vysokou savost a dobrý přísun kyslíku ke kořenům. Lisuje se do rohoží a kostek podobně jako rockwool.

Kokosová vlákna jsou něco mezi tradičním substrátem a rockwoolem. [2][3]

 Snadná likvidace (použití jako hnojivo)

 Obsahuje živiny

 Vysoká vzdušnost

 Vysoká savost

 Cena – 109 Kč/30 l

 Riziko výskytu plísní

Obrázek 3 - Kokosová kostka [3]

1.2.4 Keramzit (Liaflor)

Keramzit se vyrábí z jílu tavením v otáčivé peci. Používá se hlavně pro hydroponické pěstování, nebo jako drenážní vrstva na dno květináčů. Tento materiál je nesavý a odolný. Mezi granulemi je dostatek místa, vlhkosti, vzduchu a tmy pro kořeny. Čím jsou granule menší, tím jsou lepší pro pěstování. [2][3]

 Snadné opakované použití

 Vysoká vzdušnost

 Odolnost proti plísním a parazitům

 Cena – 350 Kč/50 l

 Obtížnější manipulace

 Nulová savost

1.2.5 Živiny

Rostliny potřebují pro svůj růst několik živin. Mezi hlavní patří dusík, fosfor a draslík. Dusík ovlivňuje celkový růst rostliny a jeho nedostatek se projeví slabou rostlinou. Fosfor ovlivňuje tvorbu a vývoj květů. Draslík má vliv na kvalitu a kvantitu plodů. Další látky mají také vliv na vývoj rostliny, ale většinou už neovlivňují celou rostlinu ale jen její části. Mezi tyto další prvky se řadí: hořčík, zinek, železo, mangan atd. [2]

1.3 Osvětlení

V následující kapitole jsou popsány požadavky rostlin na osvětlení a blíže jsou popsány i jednotlivé zdroje světla, které se používají pro pěstování rostlin.

1.3.1 Požadavky pro růst rostlin

Rostliny pro svůj růst nepotřebují všechny složky bílého světla. Měření dokázala, že rostliny nejvíce absorbují záření o určitých vlnových délkách, viz Obrázek 4 - Absorpce chlorofylu. Toto záření se nazývá fotosynteticky aktivní záření (FAR). S tím je spojen problém s údaji uvedenými výrobci na zdrojích světla. Většina přístrojů je určena k měření intenzity osvětlení dle vnímání lidského oka, a proto tyto údaje nejsou úplně přesné pro použití při pěstování rostlin.

Mezi další požadavky se řadí délka denního cyklu. Během růstu je potřeba na rostlinu svítit více, protože je nutné, aby byla osvětlena stejnou dobu jako v létě. To znamená svítit zhruba 18 hodin denně. Naopak při květové fázi se svícení omezí. Na podzim, kdy končí vegetační období, jsou dny kratší. Na rostliny stačí svítit cca 12 hodin denně a rostlina začne kvést. Počet hodin, po které je zapnutý zdroj světla, se liší podle druhu rostliny. Například pro tropické rostliny je potřeba svítit déle než na rostliny, které se přirozeně vyskytují v mírném pásu. [2][4]

Obrázek 4 - Absorpce chlorofylu [5]

Většina výbojek a zářivek výše zmíněné spektrum absorpce nezohledňuje, protože vyzařuje bílé světlo, kde je více určité složky (červené, modré). Naopak LED, které jsou určené k pěstování rostlin, se staví na základě poznatků o absorpci chlorofylu. Více informací o LED v kapitole 1.3.6.

1.3.2 Vysokotlaké výbojky (HID)

Účinnost těchto výbojek je 30 – 40 %. Zbytek energie je přeměněn na teplo. S tím je spojen problém, že výbojka musí být více vzdálená od rostliny, a tak na rostlinu dopadá méně světla. Při použití výbojek je nutné používat odvětrávání pro regulování teploty ve skleníku. Další příslušenství k výbojkám je reflektor. Výbojka vyzařuje světlo v úhlu 360°, reflektor odráží světlo k rostlinám, a tak se zvyšuje množství světla, které na rostliny dopadne. Reflektory jsou buď hlubokozářivé, nebo širokozářivé. Pokud je potřeba osvítit malý prostor, je vhodné použít hlubokozářivý reflektor.

Naopak je-li nutné osvětlovat větší plochu, je lepší použít širokozářivý reflektor. Vyrábí se různé profily reflektorů, které mají různé vlastnosti a od toho se pak následně odvíjí i jejich cena. [2]

1.3.3 Halogenidové výbojky (MH)

Tyto výbojky jsou určené pro růstovou fázi. Rostliny pěstované v tomto světle mají silnější stonky a větší listy. Nejvíce vyzařují světlo výbojky o vlnové délce 400 – 500 nm, což odpovídá modré složce. I přesto však vyzařují bílé světlo, a tak je zhruba pouze jedna třetina fotosynteticky aktivní.

Hlavní nevýhoda této výbojky je, že nevyzařuje dostatek červeného světla, a proto se naprosto nehodí pro květovou fázi. Cena těchto výbojek o příkonu 250 W se pohybuje od 549 Kč. Výbojka o tomto výkonu lze použít pro osvícení 1 m² při vzdálenosti 1 m mezi rostlinou a výbojkou. [2][3]

 Nízká cena (250W – 549 Kč)

 Ideální pro růstovou fázi

 Velké množství vyzařovaného tepla (nutnost chladit)

 Nevhodné pro květovou fázi

 Velká vzdálenost mezi rostlinou a výbojkou

 Nutnost dalších komponent (předřadník, reflektor, ventilátor)

Obrázek 5 - MH výbojka [3]

1.3.4 Sodíkové výbojky (HPS)

Sodíkové výbojky vyzařují nejvíce světla v rozmezí 560 – 850 nm (červená). Červené světlo je nutné pro květovou fázi rostlin. Při použití této výbojky roste rostlina více do výšky a má tenčí stonky.

Těmito výbojkami lze svítit během celého pěstebního cyklu, avšak výsledky nejsou zcela optimální, protože rostlina nemůže dorůst velkých rozměrů, jelikož je příliš slabá. Cena 250 W výbojky se

rovněž pohybuje od 549 Kč. Výbojku o tomto výkonu lze použít pro osvícení 1 m² při vzdálenosti 1 m mezi rostlinou a zdrojem světla. Bližší podrobnosti k výpočtu potřebného výkonu výbojku viz [2].

 Nízká cena (250W – 549 Kč)

 Ideální pro květovou fázi

 Velké množství vyzařovaného tepla (nutnost chladit)

 Velká vzdálenost mezi rostlinou a výbojkou

 Nutnost dalších komponent (předřadník, reflektor, ventilátor)

Obrázek 6 - HPS výbojka [3]

Vzhledem k tomu, že při použití těchto výbojek je nutné mít předřadníky, reflektor a neustále chladit skleník, a zvyšují se provozní náklady a tento druh osvětlení se řadí mezi ty nejdražší.

Výhodou je, že výbojky mají relativně velký výkon, a tak lze s nimi osvětlit velký prostor a přitom na rostliny bude dopadat dostatečně množství světla.

Dále se vyrábějí i sodíkové výbojky s vyšším podílem modrého světla (MIX). Tyto výbojky lze s úspěchem používat po celou dobu pěstebního cyklu. Je to ovšem kompromis mezi výše zmíněnými výbojkami, který neposkytne tolik červeného světla jako HPS a ani tolik modrého jako MH. Důsledek je takový, že těmito zářivkami nelze osvítit srovnatelný prostor jako při použití MH pro růst a HPS pro květ. Cena této kombinované výbojky o příkonu 250 W je 699 Kč. Zářivka o tomto výkonu lze použít pro osvícení 0,75 m² při vzdálenosti 1 m mezi rostlinou a zářivkou. [2][3]

 Nízká cena (250W – 699 Kč)

 Vhodné pro celý pěstební cyklus

 Velké množství vyzařovaného tepla (nutnost chladit)

 Velká vzdálenost mezi rostlinou a výbojkou

 Nutnost dalších komponent (předřadník, reflektor, ventilátor)

Obrázek 7 - MIX výbojka [3]

1.3.5 Kompaktní fluorescenční zářivky (CFL)

Tyto zářivky fungují na stejném principu jako klasické zářivky. Jedná se nízkotlaké rtuťové výbojky. Trubice je naplněna argonem a rtuťovými parami. CFL se používají v místech, kde není možné zařídit dostatečné odvětrávání skleníku. CFL vyzařují méně světla, proto je možné zářivku přiblížit blíže k rostlinám, a tím zvýšit intenzitu světla, které na rostliny dopadá. I tyto zářivky se rozdělují podle toho, jestli jsou určeny na růstovou nebo květovou fázi a samozřejmě se vyrábějí i kombinované. Zářivky určené pro pěstování rostlin vyzařují až 100 % FAR z celkového množství vyzařovaného světla. Ceny této 250 W zářivky začínají na 1 895 Kč. Zářivku o tomto výkonu lze použít pro osvícení 1,25 m² při vzdálenosti 1 m mezi rostlinou a zářivkou. Tudíž jsou znatelně dražší než MH a HPS výbojky. Nicméně kompaktní zářivky jsou vybaveny předřadníkem, není nutné tolik větrat skleník kvůli snížení teploty a mají vyšší účinnost, takže ani provoz není tolik nákladný jako u HPS a MH. [2][3]

 Vyšší účinnost oproti HID

 Výroba CFL pro růst, květ a kombinované

 Vyzařují méně tepla

 Malá vzdálenost mezi rostlinou a zářivkou

 Vyšší cena (250 W – 1 895 Kč)

 Nutnost reflektoru

Obrázek 8 - Kombinovaná CFL [3]

1.3.6 LED moduly

LED osvětlení se pro rostliny skvěle hodí. Díky výrobě LED, které svítí v konkrétních vlnových délkách, lze sestavit lampu, jež bude svítit pouze ve vlnových délkách, které rostliny potřebují pro svůj růst, viz Obrázek 4. Dále LED moduly nepotřebují reflektory, protože LED svítí v úhlu od 15°do 120°. LED vyzařují mnohem méně světla než výbojky, a tak je lze více přiblížit k rostlinám. V dnešní době se standardně LED moduly osazují čipy o příkonu 3W. V budoucnu lze počítat s tím, že moduly budou vybaveny ještě výkonnějšími LED. Nicméně vzhledem k malým rozměrům čipu je nutné LED chladit. Ve většině případů se používá aktivní chlazení ventilátorem, žebrované chladiče by byly příliš velké. I přes nutnost čipy chladit, jsou LED moduly rozhodně nejúspornější. LED vynikají i dlouhou životností. Dražší moduly jsou vybaveny regulací intenzity osvětlení. Moduly se vyrábějí s různým složením LED. V patentu, který se zabývá pěstováním pod LED osvětlením, se uvádí následující poměr LED - 12 (660 nm) : 6 (612 nm) : 1 (465 nm), viz [4]. Poměry se liší podle výrobce, ale vždy by mělo platit, že nejvíce je červených LED o vlnové délce 660 nm, poté by mělo být o něco méně oranžových LED o vlnové délce 612 nm a modrých LED (465 nm) by mělo být nejméně. Se všemi těmito výhodami lze počítat, že LED moduly budou v budoucnu výhradní světelný zdroj pro pěstování rostlin.

Nevýhoda LED modulů je jejich pořizovací cena. S LED modulem o výkonu 120 W lze osvítit 1,5 m² při vzdálenosti 1 m mezi rostlinou a modulem. [2][4][6]

 Vysoká účinnost

 Vhodné pro celý pěstební cyklus

 Vysoký podíl FAR

 Malá vzdálenost mezi rostlinou a zářivkou

 Dlouhá životnost

 Nízké vyzařování tepla

 Vyšší cena (120 W – 3900 Kč)

Obrázek 9 - LED modul 120 W [6]

1.4 Zavlažování

V následující kapitole jsou stručně popsány některé zavlažovací systémy. Při zavlažování rostlin je nutné mít čerstvou a čistou vodu (ideálně odstátou). Teplota vody by měla odpovídat pokojové teplotě. Květináče by měli být vybrány tak, aby měly dostatečně velké drenážní otvory. Pokud tato podmínka není dodržena, drží se na dně květníku voda a hromadí se v ní soli, které ovlivňují pH.

1.4.1 Ruční zalévání

Ruční zalévání má největší výhodu v tom, že přísun roztoku je stále pod kontrolou a je to velice úsporná varianta z pohledu nákladů a nároků na prostor. Nicméně tam asi výčet kladů končí. Je lepší zalévat méně a pravidelně, než hodně a nepravidelně. Z toho plynou vysoké nároky na čas. Při ručním zalévání se snáze rostliny přelijí.

1.4.2 Pasivní systémy

Mezi tyto systémy patří samozavlažovací květináče. Hlavní výhodou je funkce bez připojení k elektřině a to, že není nutné rostliny neustále zalévat. Do spodní nádrže se nalije živný roztok a pomocí knotů je nasáván do vrchní nádoby. Nevýhodou je, že u některých květináčů není možné kontrolovat hladinu roztoku a to, že roztok dlouhou dobu stojí v nádrži a zvyšuje se tak riziko výskytu parazitů a plísní. Vyčištění nádrže během růstu je rovněž problematické. Hlavně když kořeny rostlin prorostou do dolní nádrže. Samostatný květináč lze ve většině případů dobře přemisťovat, ale s rostlinami v rámci jednoho truhlíku už nelze hýbat. Samozavlažovací květináče se vyrábějí v různých variantách, a tak lze dobře vybrat ten, který nejlépe vykryje dostupný prostor. Tyto květináče jsou vhodné pro větší rostliny. Dále existuje ještě alternativní sestavení a to tak, že vedle květináčů je nádrž s živným roztokem a pomocí samospádu je voda vháněna k rostlinám. U tohoto kompletu odpadá většina výše zmíněných problémů. Jako médium do těchto květináčů se standardně používá klasický substrát, avšak lze i použít rockwoolové nebo kokosové rohože, případně kostky.

Obrázek 10 - Samozavlažovací květináč [7]

1.4.3 Aktivní systémy

Existuje několik typů aktivních systémů, které budou popsány v následujících odstavcích. Tyto systémy jsou pro pěstování nejvýhodnější, protože rostliny nestojí ve vodě a přitom mají dostatečný přísun živin. Další výhodou je, že kořeny mají dostatečný přísun kyslíku. Všechny aktivní systémy potřebují pro správnou funkčnost čerpadlo, které udržuje cirkulaci živného roztoku. Závlaha se rozděluje na kapénkovou a tlakovou. U kapénkové závlahy roztok skapává z kapilár na pěstební médium. U tlakové závlahy je na kořeny rozprašován živný roztok (aeroponie). Z tohoto důvodu je jejich provoz nákladnější než u pasivních systémů. Rostliny však mají lepší růstové podmínky, a tak rostou rychleji než u pasivních systémů.

Nutrient Film Technique (NFT) je systém složený ze dvou desek. Dolní deska je drážkovaná a v drážkách protéká živný roztok. Horní deska slouží jako víko. Mezi deskami mají kořeny ideální podmínky pro růst – neustále kolem nich proudí živný roztok, mají dostatečný přísun kyslíku a mají dostatek prostoru pro růst. Čím je kořenový systém větší, tím více živin rostlina dokáže vstřebat a roste rychleji. Důležité je, aby roztok proudil celým stolem rovnoměrné. Výhodou toho systému je uzavřený zavlažovací okruh. Při správné instalaci je nemožné, aby se roztok dostal mimo vymezené prostory. Další výhodou je možnost odklopení víka a zkontrolovat vývoj kořenového systému a v případě potřeby zasáhnout. Čištění desek po skončení růstového cyklu je velice jednoduché, protože desky jsou vyrobeny z tvrdého plastu a nemají žádné malé drážky, ve kterých by se zachytávaly nečistoty. Naopak čištění během růstu je velice komplikované, protože prostor pod víkem je vyplněn kořenovým systémem. Největší nevýhodou tohoto systému je nemožnost přesouvat jednotlivé rostliny během růstu a reagovat tak na rozdílnou velikost jednotlivých rostlin. [2]

Obrázek 11 - GroTank NFT [7]

Aqua systém. Jednoduchý systém pro pěstování větších rostlin. Skládá se ze dvou nádob. Menší nádoba se vloží do větší tak, aby mezi dny nádob vznikl prostor pro živný roztok. Horní nádoba se naplní keramzitem a do toho se zasadí rostlina. Ideální je rostlinu předpěstovat v rockwoolové kostce, kvůli její stabilitě. Dno horní nádoby obsahuje drenážní otvory pro plynulý odtok živného roztoku do spodní nádoby. Z dolní nádoby je roztok čerpán do horní, kde skapává na povrch keramzitu a zavlažuje tak kořenový systém. Přebytečný roztok odteče do dolní nádrže a celý proces se opakuje. Výhoda tohoto systému je, že ho lze dobře používat pro větší rostliny. U Aqua systému nehrozí nebezpečí úniku roztoku, protože ten neustále cirkuluje v nádobách. Po skončení pěstebního cyklu je velice jednoduché umýt nádoby a keramzit. Vzniká tak minimum odpadu. Mezi nevýhody patří obtížná výměna roztoku v průběhu pěstování (přechod z růstové fáze na květovou) a usazování solí na dně spodní nádoby. [2]

Obrázek 12 - Aqua systém [7]

Systém Libra je jeden z mála systému, který se neprodává v kompletní sadě. Využívá truhlíků, které mají vnitřní rozměry odpovídající rozměrům rockwoolových a kokosových rohoží. Na rohože se umístí rockwoolové nebo kokosové kostky, ve kterých je zasazena rostlina. Rostliny jsou zavlažovány kapénkovou závlahou a přebytečný roztok odtéká do nádrže. Z té je roztok opět čerpán do kapilár, které jsou uchyceny u rostlin, a roztok z nich zkapává k rostlinám. Truhlíky mají nepatrný sklon a přebytečný roztok tak stéká do jednoho místa. Mezi nevýhody tohoto systému patří vyšší množství odpadu. Rockwoolové kostky se musejí vyhodit nebo pracně umýt a sterilizovat. Kokosové rohože lze použít jako hnojivo pro další rostliny. Další nevýhodou je nemožnost přesouvat rostliny během růstu. [2]

Obrázek 13 - Truhlík Libra [7]

Dalším systémem jsou napouštěcí stoly (např.: EBB Flow). V tomto systému jsou rostliny umístěny v napouštěcí vaně, pod kterou je nádrž s živným roztokem. V určitých intervalech se do vany načerpá živný roztok a po dosažení určité úrovně pozvolna odtéká zpět do nádrže. Jako médium se nejčastěji používá rockwool a keramzit. Výhodou tohoto systému je nízká pořizovací cena. Pro napuštění stolu není potřeba nijak zvlášť výkonné čerpadlo. Mezi nevýhody patří nemožnost přesouvat rostliny během pěstebního cyklu. [2]

Obrázek 14 - Vana systému EBB Flow [3]

Další kategorií aktivních systémů jsou takzvané vertikální pěstební systémy. Jedná se o složitější systémy, které mají vyšší nároky na prostředí i na údržbu, takže pro domácí pěstování nejsou úplně vhodné. Mezi tyto systémy se například řadí Arena Plantage, Pi Rack, Hanging Garden a Omega Gardens.

Obrázek 15 - Systém Pi Rack [7]

2 Návrh systému pro pěstování rostlin

V následující kapitole je popsán návrh celého systému. Nejdříve jsou definovány podmínky, které rostliny potřebují pro svůj růst. Na základě těchto informací jsou určeny funkce systému. Poté je vybrán vhodný MCU a další IO, které budou potřebné pro správnou funkci systému. Po výběru vhodných součástek je popsáno zapojení. Poslední část této kapitoly se věnuje návrhu DPS.

Systém navrhnutý v této práci bude řídit skleník, ve kterém bude použit květináč s aeroponickou závlahou. Tomu budou podřízeny některé prvky návrhu systému. Nicméně úprava pro jiný druh zavlažovacího systému by vyžadovala minimální zásah do řídicího systému. Ovšem pro řízení osvětlení a odvětrávání lze systém použít okamžitě (pasivní závlahové systémy).

2.1 Určení požadavků pro pěstování rostlin

Základním požadavkem pro růst rostlin je dostatečný přísun vláhy a dopadajícího světla. Jsou-li alespoň tyto dvě podmínky splněny, tak jsou rostliny schopny růst. Nicméně pro dosažení ideálních podmínek je nutné rostlinám dopřát i dostatek živin, správnou vzdušnou vlhkost, optimální teplotu vzduchu a pravidelně obměňovat vzduch ve skleníku. Všechny tyto parametry je nutné řídit. Dle typu rostliny a fáze pěstebního cyklu je nutné výše zmíněné parametry měnit, aby rostlina stále rostla v optimálních podmínkách.

Například chilli papričky potřebují následující podmínky. Většina druhů chilli jsou světlomilné.

Z toho plyne, že je nutné svítit po co nejdelší dobu. Denní cyklus by měl být nastaven na 18 hodin.

K dosažení květové fáze je nutné denní periodu zkrátit na 12 hodin. Chilli velice špatně snáší nízké teploty. Nicméně tento případ by v indoor pěstování neměl nikdy nastat. Ideální teplota je kolem 25°C. Při překročení 35°C rostlina přestává růst. Další kritérium, které je nutné pro dobrý růst chilli, je dostatečné proudění vzduchu. Ideální je proudění ve vyšších patrech rostliny. Naopak proudění u země není zcela žádoucí. Dodržení této podmínky je trochu problematické, protože většina skleníků se staví tak, aby se čerstvý vzduch nasával v dolní části skleníku a v horní části je odvětráván.

Nejjednodušší způsob jak docílit výše zmíněného proudění ve vyšších patrech je použít trubku, která nasávaný vzduch dostane rovnou do vyšších pater rostliny. Chilli pro svůj růst nepotřebují vysokou vzdušnou vlhkost a stále zamokření půdy. Naopak lépe snášejí občasná sucha než časté přelití. Hlavně v květové fázi je žádoucí vlhkost ještě více snížit (40 % RH), protože vypěstované plody jsou více pálivé (obsahují vyšší množství kapsaicinu, které se zobrazuje na Scovilleho stupnici). [8]

2.2 Definování funkcí systému

Řídicí systém musí ovládat veškeré akční členy, které jsou potřebné pro dosažení ideálních podmínek pro pěstování rostlin. Nejdůležitější je pravidelné spínání zdroje světla a odvětrávání skleníku. Se zavlažovacím systémem, jenž bude použit v této práci, je potřebné spínat ultrazvukový mlžič a ventilátor, který bude odvětrávat mlhu z nádrže a zvyšovat tak vlhkost ve skleníku. Dále je nutné spínat akční člen pro zvýšení teploty. Ventilátory a topení budou spínány na základě informací ze senzoru vlhkosti a teploty. Pouze ventilátor pro výměnu vzduchu bude spínán periodicky, protože

je nutné měnit vzduch ve skleníku. Mezi indikační prvky se řadí dvě LED. Jedna z nich upozorňuje na nedostatek vody v nádrži a druhá signalizuje funkci a stav MCU. Informace o nastavení a aktuálních hodnotách jsou zobrazovány na GLCD.

Obrázek 16 - Ultrazvukový mlžič [3]

2.2.1 Seznam funkcí

 Spínání zdroje světla

 Spínání ventilátoru pro zvýšení vlhkosti

 Spínání ventilátoru pro výměnu vzduchu

 Spínání topného tělesa

 Spínání ultrazvukového mlžiče

 Světelná signalizace nedostatku roztoku

 Světelná signalizace funkce MCU

 Periodické snímání relativní vlhkosti a teploty

 Snímání dostatku roztoku v nádrži

 Zobrazení informací na LCD 2.2.2 Regulace systému

Pro správný růst rostlin je nutné dodržovat zadané klimatické podmínky, které nastavil uživatel na základě druhu pěstovaných rostlin. Ve skleníku je měřena hodnota relativní vlhkosti a teploty.

Dále je získávána informace o dostatku vody v nádrži. Na základě porovnání nastavené hodnoty dané veličiny a reálné hodnoty ve skleníku se systém snaží udržet hodnoty v požadovaných mezích.

Zdroj světla je zapnut v daných intervalech nezávisle na klimatických podmínkách ve skleníku.

Při sepnutém osvětlení vzrůstá teplota ve skleníku. Proto je nutné během denní periody více odvětrávat. Pro zajištění dostatečné vláhy rostlinám je nutné, aby byl mlžič spuštěn v pravidelných intervalech a stejně tak musí být pravidelně spouštěn ventilátor pro zvýšení vlhkosti (do prostoru pro kořeny se dostane čerstvý vzduch). Při nedostatku vody v nádrži je vypnut ventilátor pro zvýšení vlhkosti, aby se neodvětrala zbylá mlha z nádrže. Mlžič je také vypnut a rozsvítí se LED, která signalizuje nedostatek vody v nádrži. Teplota a vlhkost se reguluje dle následující tabulky.

Tabulka 1 - Regulace systému

Ventilátor

(vzduch) Ventilátor

(RH) Mlžič Topení LED

Málo H2O - OFF OFF - ON

Dostatek H20 - - - - OFF

Vysoká T ON - - OFF -

Nízká T OFF - - ON -

Vysoká RH ON OFF - - -

Nízká RH OFF ON ON - -

2.2.3 Ovládání

Při návrhu systému je kladen důraz na jednoduché a intuitivní ovládání. Řídicí systém je vybaven hlavním spínačem. Pokud je celý systém vypnut, jsou veškeré akční členy ve vypnutém stavu. Dalším ovládacím prvkem je rotační enkodér s tlačítkem.

Po zapnutí systému se LCD rozsvítí a zobrazí se aktuální hodnota teploty ve skleníku. Tlačítko slouží pro přepínání mezi aktuální a požadovanou hodnotou. V režimu zobrazení aktuálních hodnot se lze přepínat mezi jednotlivými prvky. Po stisknutí tlačítka se na LCD zobrazí požadovaná hodnota navolené veličiny a otáčením enkodéru lze nastavit žádanou hodnotu. Při rotování na nejnižší hodnotu se akční člen trvale vypne.

Graf 1 - Ovládání systému

 Při navolení délky denní periody lze vypnout zdroj světla

 Při navolení teploty lze vypnout topné těleso

 Při navolení vlhkosti lze vypnout ventilátor pro zvýšení vlhkosti

 Při navolení intenzity větrání lze vypnout ventilátor

 Při navolení nastavení závlahy lze vypnout ultrazvukový mlžič Délka denní

periody [hod./den]

Teplota [°C]

Vlhkost [%]

Intenzita větrání [min./hod.]

Nastavení závlahy [min./10min.]

2.3 Návrh zapojení

Celý systém bude napájen ze spínaného zdroje 12 V DC (pouze ultrazvukový mlžič bude napájen ze zdroje 24 V DC). 12 V je dále snižováno na napěťovou úroveň 5 V a poté na úroveň 3 V. Pro snížení napájecího napětí jsou použity regulátory TLV704xx od firmy Texas Instruments. [9]

Jednotlivé DPS jsou řízeny nízkopříkonovým MCU od ST Microelectronics (typ STM32L151) s jádrem ARM Cortex-M3. Tento MCU byl vybrán, protože má malou spotřebu energie. Při taktovací frekvenci 4,2 MHz má spotřebu 899 µA. Je vybaven multirychlostním interním oscilátorem (65 kHz – 4,2 MHz), který v továrním nastavení udává taktovací frekvenci celému MCU. Dále je vybaven úsporným interním oscilátorem s nízkou frekvencí (37 kHz). Z tohoto oscilátoru je taktován RTC registr, který dovoluje udržování reálných hodin. Všemi I/O porty lze vyvolat přerušení. MCU je vybaven osmi časovači a dvěma WDG časovači. [10]

Systém je rozdělen na dvě části. Jedna řídící DPS a k ní připojena měřící DPS. Obě jsou osazeny výše zmíněnými regulátory, MCU STM32L151 a IO pro komunikaci přes RS485 (SN65HVD3082E od Texas Instruments). Řídící obvod je doplněn o ovládací a informační prvky. Mezi ovládací prvky patří hlavní spínač a rotační enkodér s tlačítkem. A mezi informační prvky se řadí grafický LCD a dvě LED.

Na této řídící desce jsou rovněž osazena relé pro spínání výkonových členů (zdroj osvětlení a topný člen). K této DPS je přes RS485 připojen měřící modul. Ten je vybaven senzorem pro měření teploty a relativní vlhkosti, plovákovým snímačem úrovně hladiny a tranzistory, které spínají ventilátor a ultrazvukový mlžič.

Pro snímání teploty a vlhkosti byl vybrán senzor od firmy Silicon Labs (Si7021-A10). Tento senzor se vyznačuje nízkou spotřebou energie (150 µA v aktivním režimu). Relativní vlhkost měří s přesností ±3 % v rozsahu 0 – 80 % a teplotu měří s přesností ±0,4°C v rozsahu -10 až 85°C. Senzor měří i ve větším rozsahu, ale s větší chybou měření. Komunikuje pomocí sběrnice I2C. [11]

Návrh schémat je vytvořen v návrhovém programu Eagle. Návrhy zapojení obou DPS jsou znázorněný v příloze B a C. Schémata viz Obrázek 26 – Řídící obvod – Schéma zapojení a Obrázek 30 - Měřící obvod - Schéma zapojení.

2.4 Tvorba DPS

Materiál pro tvorbu DPS je sklotextil FR4 s oboustranným plátováním Cu 35 µm. Obvody jsou navrženy tak, aby odolaly elektromagnetickému rušení a zároveň ho nevytvářely. Spoje jsou navrženy převážné ve 4. třídě přesnosti. Při výběru součástek byly nejvíce použity součástky SMT kvůli jejich menším rozměrům a jednoduššímu osazování. Dokumentace k DPS je zobrazena v příloze B a C. Viz Obrázek 27 - Řídící obvod - DPS a Obrázek 31 - Měřící obvod – DPS.

3 Realizace prototypu

V této kapitole je popsán postup realizace prototypu. V první části je popsána výroba DPS. Druhá část se věnuje popisu programu a jeho podprogramům.

3.1 Výroba DPS

Obě DPS (řídící i měřící) byly vyrobeny strojně dle předložené dokumentace, viz příloha B a C.

Jelikož se jedná o prototyp, byla pro výrobu použita 6. třída přesnosti. Materiál desky byl zvolen skelný laminát FR4 s oboustranným plátováním mědí 35 µm. Poté byly obě DPS ručně osazeny.

Pro lepší čitelnost displeje byl GLCD umístěn na samostatnou desku a zvednut na shodnou výškovou úroveň se svorkovnicemi a spínacími relé.

Obrázek 17 - Osazená řídící DPS, strana spojů

Obrázek 18 - Osazená řídící DPS, strana součástek

Obrázek 19 - Osazená měřící DPS, strana spojů

Obrázek 20 - Osazená měřící deska, strana součástek

3.2 Naprogramování MCU

MCU jsou naprogramované ve vývojovém prostředí Keil µVision4. Program pro každý MCU obsahuje několik funkcí. Mezi ně patří inicializace periférií, obsluha vyvolaných přerušení a v závislosti na tom reakce na dané přerušení.

Hlavní funkcí, která je společná pro oba MCU (řídící i měřící) je inicializace oscilátoru MCU.

U obou MCU je použit multirychlostní oscilátor, který je nastaven na 2,097 MHz. V této části jsou sepnuty i hodinové signály pro příslušné periférie, jež jsou nutné pro správnou funkčnost přístroje.

Další funkcí je inicializace WDG. V této části je nastaven WDG, který při přetečení čítače resetuje MCU. Proto je nutné nastavit i časovač, který v pravidelných intervalech vyvolá přerušení a vynuluje čítač WDG. WDG je nezbytný pro správnou činnost přístroje, protože resetuje MCU, pokud se neočekávaně zasekne.

Pro komunikaci mezi oběma MCU je nutné zinicializovat porty, které jsou použité pro komunikaci přes RS485. Je nutné nastavit alternativní funkci (USART) a rychlost portů. Dále je potřeba nastavit komunikace přes USART, tzn. komunikační rychlost, paritu atd. Po inicializaci USART je nezbytné vyřešit zpracování přijatých a vysílaných dat. Při přijetí zprávy se vyvolá přerušení, které uloží přijatá data do pole. Při přijetí řídících znaků se celá přijatá zpráva pošle k dalšímu zpracování.

Výše zmíněné funkce jsou společné pro oba MCU.

Na obou modulech je nutné nastavit obecné vstupy a výstupu. Na řídícím modulu se jedná o výstupy k dvěma LED, které indukují stav systému a k akčním členům. Dále se jedná o vstupy z rotačního enkodéru. Jeden ze vstupů enkodéru je nastaven tak, aby vyvolával přerušení. Při přijetí přerušení se načte hodnota z druhého vstupu a na základě toho se vyhodnotí, jakým směrem se enkodér otočil. U měřícího modulu se také jedná o výstupy k LED a k akčním členům. Avšak v případě vstupů jde o signál z koncového spínače, který hlídá dostatek živného roztoku v nádrži.

MCU na řídící desce také ovládá GLCD. Nejprve se nastaví I/O, a protože GLCD komunikuje s MCU přes SPI, je nutné nastavit i SPI. Po nastavení portů se pošle inicializační sekvence příkazů. GLCD se spustí a je připraven k použití. Dle použití GLCD se nastavuje orientace displeje.

Protože řídící modul ovládá celý systém, je nutné, aby v určitých intervalech vykonával nutné rutiny pro ovládání systému. Pro počítání času je použito RTC, které je taktováno z interního pomalého oscilátoru s frekvencí 37 kHz. RTC je nastaveno tak, aby po minutě vyvolalo přerušení.

V tomto přerušení se zkontroluje stav systému. To znamená, že se načtou data ze senzorů a čítačů a porovnají se s požadovanými hodnotami, které zadal uživatel. Na základě tohoto srovnání se vypnou/zapnou příslušné akční členy. Nejdříve se zkontrolují časové intervaly a až poté se reguluje teplota a vlhkost ve skleníku. Viz Tabulka 1 - Regulace systému.

MCU je kvůli snížení spotřeby uspán a probouzí se na základě přijetí přerušení.

Graf 2 - Základní struktura programu řídícího MCU

Měřící MCU komunikuje se senzorem, který měří teplotu a relativní vlhkost. Komunikace probíhá přes I²C. Proto je nutné nastavit dva porty do alternativní funkce a inicializovat I²C (komunikační rychlost, adresu, …). Po nastavení periférie se pošle do senzoru sekvence příkazů, které senzor nastaví a připraví k měření. Poté je senzor inicializován a uspán. Ze spánku se probere přijetím příkazu. Při příkazu měření vlhkosti se musí změřit i teplota. Následně je možné si naměřenou hodnotu teploty pouze přečíst a není nutné znovu spouštět měření teploty.

Měřící MCU je také po inicializaci všech komponent uspán a čeká na příjem přerušení, které ho probudí. Měřící MCU je probuzen, pokud příjme zprávu od řídícího MCU, nebo je nutné vynulovat čítač WDG, nebo v nádrži není dostatek roztoku. V tomto případě měřící MCU okamžitě posílá zprávu po RS485 a řídící MCU na ni reaguje daným postupem.

Řídící MCU

MCU_Init WDG_Init

TIM_IRQHandler

GLCD_Init USART_Init

Rx_IRQHandler

IO_Init

Con_IRQHandler

RTC_Init

RTC_IRQHandler

Graf 3 - Základní struktura programu měřícího MCU

Program je napsán tak, aby bylo možné ho v případě potřeby přenést na jiný modul, který bude určen například pro jiný typ zavlažovacího systému. To znamená, že veškeré I/O a periférie jsou definovány v hlavičkovém souboru, kde je lze jednoduše změnit a poté je už nutný pouze minimální nebo žádný zásah do hlavního programu.

Měrící MCU

MCU_Init WDG_Init

TIM_IRQHandler

I2C_Init USART_Init

Rx_IRQHandler

IO_Init

Sen_IRQHandler

4 Otestování systému

Po naprogramování MCU jsou oba moduly nejdříve samostatně testovány, jestli správně fungují.

U měřícího modulu se jedná hlavně o kontrolu dat poslaných ze senzoru vlhkosti a teploty. Poté je nutné ověřit správnou reakci při nedostatku vody v nádrži, tzn. vyvolání přerušení od koncového spínače. Jako poslední se kontroluje správná komunikace přes sběrnici RS485. Po odladění veškerých nedostatků je modul připraven k připojení k řídící jednotce.

Testování řídícího modulu je náročnější, protože se musí ověřit bezchybná funkčnost více součástí. Základem je zprovoznit GLCD, aby bylo možné zobrazovat informace na displeji (bez displeje je nutné vše ověřovat během odlaďování). Dalším krokem je oživení rotačního enkodéru, aby bylo možné řídící modul ovládat. V tomto kroku je nutné věnovat zvýšenou pozornost přiřazení pinů na enkodéru. V případě, že návrh DPS počítal s jiným vyvedením pinům A, B a GND, je nutné nastavit přerušení na jeden konkrétní pin (na rozdíl od správného zapojení, kdy nezáleží, jestli je přerušení připojeno na pin A nebo B). Po ověření funkčnosti GLCD a enkodéru lze řídící modul ovládat a je možné přikročit k další fázi testování.

Obrázek 21 - Volba veličiny

Obrázek 22 - Nastavení hodnoty

Testování regulačních rutin a s tím spojené ověření funkčnosti ovládání akčních členů. Akční členy, které se spínají prostřednictvím měřícího modulu, jsou v této fázi nahrazeny systémovou LED.

Během tohoto procesu se vyskytla potřeba určit, které regulační procesy budou mít prioritu.

Například zapnutí mlžiče na základě časovače nemůže přepsat vypnutí mlžiče z důvodu nedostatku vody v nádrži. Nastavení priorit: viz Graf 4.

Graf 4 - Priorita regulačních procesů

Poté, co byla ověřena funkčnost regulačních procesů, je nutné zkontrolovat průběh komunikace přes sběrnici RS485. Když jsou provedeny veškeré výše zmíněné kroky, je řídící modul připraven k propojení s měřícím modulem.

V dalším kroku testování jsou oba moduly propojeny a ověřuje se jejich vzájemná interakce.

Moduly jsou připevněny na jednu desku a veškeré akční členy jsou realizovány prostřednictvím LED.

Díky tomu je možné testovat funkčnost celého systému bez nutnosti umístění do skleníku. V této fázi testování je důraz kladen na ověření bezchybné komunikace mezi moduly. V případě připojení více měřících modulů je nutné dbát na to, jestli nedochází k chybám v určení adres modulů.

Nedostatek roztoku v nádrži

Ovládání osvětlení

Regulace teploty a vlhkosti

Ovládání akčních členů na základě časovacče

Obrázek 23 - Testovací deska s osazenými moduly

Poslední fáze testování byla realizována v uzavřeném skleníku. Nádrž byla upravena tak, jak je nutné pro daný typ zavlažovacího systému. Tzn. na hladinu roztoku je umístěn plovák s mlžičem, dále je připevněn plovák, který při nedostatku vody rozepne koncový spínač Blízko k nádrži je poté umístěn měřící modul, ke kterému se následně připojí mlžič i ventilátor na víku nádrže. Poté se ke stropu skleníku připevní LED lampa (kvůli nutnosti měnit výšku jejího uchycení, je lampa připevněna na řetězu, který lze zkracovat). Topení se umístí na úroveň víka nádrže, ale je nutné dbát na to, aby se nacházelo výše, než je úroveň zatopení v případě poruchy. Ventilátor je naopak nutné umístit ke stropu skleníku, aby byl zaručen dobrý odtah ohřátého vzduchu. Následně se na dobře dostupné místo připevní řídící modul. Řídící modul se zapojí, a to včetně ventilátoru, LED lampy a topení. Po tomto sestavení je skleník připraven k použití.

Shrnutí

Cílem této práce je navrhnout systém, který bude schopen řídit skleník. Na základě požadavků pro růst rostlin se podařilo navrhnout a zrealizovat prototyp systému. Systém je složen ze dvou modulů, které spolu komunikují přes sběrnici RS485. Hlavní, řídící, modul je vybaven GLCD a ovládacím prvkem. Díky tomu se tento modul používá pro nastavení celého systému. Rovněž se v tomto modulu zpracovávají veškerá data. Na základě přijatých dat systém ovládá akční členy, které ovlivňují podmínky uvnitř skleníku. Řídící modul je vybaven i spínacími relé, které spínají akční členy, jenž jsou napájeny síťovým napětím. Druhý, měřící, modul je vybaven senzorem pro měření vlhkosti a teploty a spíná akční členy, které jsou umístěny na/v nádrži. Tento modul provádí veškeré akce pouze na základě přijatých příkazů od řídícího modulu. Po zbytek času je v uspaném režimu.

Díky komunikaci přes sběrnici RS485 je možné použít i více měřících modulů a dosáhnout tak vícezónového řízení zavlažování a vlhkosti.

Navrhnutý řídicí systém během testování, neprojevil žádné zásadní nedostatky. Nicméně zvolený zavlažovací systém se ukázal jako ne úplně optimální. Mlžič vytváří mlhu v prostoru mezi hladinou roztoku a víkem nádrže. Z tohoto důvodu velice dobře zavlažuje rostliny s rozvinutým kořenovým systémem (kořeny mají dostatečný přísun kyslíku a vláhy). Avšak pro mladé rostliny je zcela nevhodný, protože kořeny rostlin stále prorůstají rockwoolovu kostkou. Tudíž se ke kořenům nedostává téměř žádná vláha a rostliny pomalu usychají. Pro překlenutí tohoto kritického období je nutné rostliny ručně zalévat, a tak celý systém přestává plnit svoji funkci, protože je nutné se rostlinám prakticky denně věnovat. Další nevýhodou při použití ultrazvukového mlžiče je fakt, že při několika pěstebních cyklech se zanáší membrána a přestává se vytvářet mlha. U velkých rostlin, které mají kořenový systém dostatečně velký na to, aby kořeny byly ponořeny do vody na dně nádrže, není tento nedostatek naprosto zničující. Avšak u rostlin, u kterých celý kořenový systém visí ve vzduchu, je výpadek funkce mlžiče fatální a rostliny rychle hynou. Na základě těchto poznatků je vhodné použít jiný zavlažovací systém.

Vzhledem k nevhodnému zavlažovacímu systému by bylo dobré použít jiný, například systémy se vzduchovacím čerpadlem, a zajistit tak dostatečnou závlahu rostlin během všech fází jejich růstu.

Přechod na tento zavlažovací systém by znamenal minimální zásah do navrženého řídicího systému.

Místo mlžiče by bylo připojeno vzduchovací čerpadlo. Z důvodu absence mlhy uvnitř nádrže by nebylo možné účinně zvyšovat vlhkost ve skleníku pomocí ventilátoru na víku nádrže. Nicméně místo tohoto ventilátoru by byl připojen mlžič, který by byl ponořen v nádobě s destilovanou vodou ve skleníku. Tímto způsobem by se mlha vytvářela přímo ve skleníku a díky použití destilované vody by nedocházelo k ucpávání membrány.

Vývoj rostlin viz Obrázek 24 – Rajčata a chilli papričky (8. 12. 2014) a Obrázek 25 - Rajčata a chilli papričky (5. 2. 2015).

Závěr

V současné době se na trhu nacházejí systémy, které jsou schopny ovládat základní akční členy pro pěstování rostlin, tzn. zavlažování, svícení, ventilaci. Nicméně tyto systémy jsou finančně nákladné a pro domácí využití prakticky nepoužitelné. Z toho důvodu vznikl systém, kterým se zabývá tato diplomová práce. Systém je vhodný pro malé skleníky, avšak v budoucnu by bylo možné ho rozšířit tak, aby se dal použít i ve velkých pěstebních halách.

Díky tomu, že se jedná o modulární systém, je možné používat s jednou řídící jednotkou více přidružených modulů, které kontrolují klimatické podmínky nebo stav živného roztoku a v závislosti na naměřených hodnotách ovládají příslušné akční členy. V této práci je vytvořen modul, jenž měří teplotu a relativní vlhkost a ovládá s tím související akční členy.

Tato práce by mohla pokračovat jak po HW, tak i po SW stránce. Díky komunikaci přes sběrnici se nabízí možnost vytvoření nových modulů, které budou ovládat akční členy nebo budou měřit jiné veličiny. Například modul, jenž by kontroloval stav živného roztoku. Tzn., že by měřil pH, EC a následně by data posílal do řídícího modulu. Ten by v případně nutnosti poslal zpět příkazy k úpravě pH nebo EC. Tudíž by modul nejen měřil pH a EC, ale i zároveň ovládal akční členy, které by byly schopny tyto veličiny regulovat. S tím je spojená i SW část budoucího možného rozvoje. K novým modulům by se musely vytvořit nové programy a do řídícího modulu by se musel implementovat nový typ modulu, který bude možné připojit na sběrnici.

Citovaná literatura

[1] TEXIER, William. Hydroponie pro každého. Mama Editions, 2013. ISBN 978-2-84594-091-8.

[2] MR. JOSÉ.Jak pěstovat "Indoor". Plzeň: NAVA TISK, spol. s.r.o., 2011.ISBN 978-80-254-8409-8.

[3] GROWZONE [online]. 2014 [cit. 2014-10-01]. Dostupné z: http://www.growzone.cz/

[4] WILLIAM GRANT ANDERSON, JR. a LARRY STEPHEN CAPEN. Efficient LED lamp for enhancing commercial and home plant growth [patent]. US 6921182 B2. Uděleno 26. července 2005.

Dostupné z: http://www.google.com/patents/US6921182?hl=cs#v=onepage&q&f=false [5] Chlorophyll ab spectra. Wikipedie [online]. 2007 [cit. 2014-10-06]. Dostupné z:

http://cs.wikipedia.org/wiki/Chlorofyl#mediaviewer/File:Chlorophyll_ab_spectra_(cs).png [6] Led osvětlení pro rostliny [online]. 2014 [cit. 2014-10-07]. Dostupné z: http://www.led-

usporne-led-zarovky.cz/led-zarovky/eshop/10-1-Led-osvetleni-pro-rostliny/0/5/51-LED- grow-osvetleni-pro-rust-rostlin-growe-120w

[7] Speciální zahradnictví [online]. 2014 [cit. 2014-10-11]. Dostupné z:

http://www.specialnizahradnictvi.cz/

[8] Jak pěstovat chilli papričky. Seminka-chilli [online]. 2012 [cit. 2014-10-22]. Dostupné z:

http://www.seminka-chilli.cz/o-chilli/jak-pestovat-chilli-papricky/

[9] TEXAS INSTRUMENTS. TLV704xx: Low-Dropout Regulators [pdf]. 2010 [cit. 2014-12-16].

Dostupné z: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tlv704.pdf

[10] ST MICROELECTRONICS. STM32L15xx6/8/B [pdf]. 2013 [cit. 2014-10-23]. Dostupné z:

www.st.com/st-web-

ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00277537.pdf

[11] SILICON LABS. Si7021-A10: I2C HUMIDITY AND TEMPERATURE SENSOR [pdf]. 2014 [cit.

2014-10-23]. Dostupné z:

http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/Si7021.pdf

Příloha A – Průběh růstu keříčkových rajčat

Obrázek 24 – Rajčata a chilli papričky (8. 12. 2014)

Obrázek 25 - Rajčata a chilli papričky (5. 2. 2015)

Příloha B – Dokumentace k řídícímu obvodu

Obrázek 26 – Řídící obvod – Schéma zapojení

Obrázek 27 - Řídící obvod - DPS

Obrázek 28 - Řídící obvod - Osazení strany spojů

Obrázek 29 - Řídící obvod - Osazení strany součástek

Příloha C – Dokumentace k obvodu s akčními členy a senzorem

Obrázek 30 - Měřící obvod - Schéma zapojení

Obrázek 31 - Měřící obvod – DPS

Obrázek 32 - Měřící obvod - Osazení strany spojů

Obrázek 33 - Měřící obvod - Osazení strany součástek