תא צמיחת צמחים חכם: 13 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:13

אני מעלה רעיון חדש שהוא תא גידול צמחים חכם.צמיחת הצמחים בחלל החיצון עוררה עניין מדעי רב. בהקשר של טיסת חלל אנושית, ניתן לצרוך אותם כמזון ו/או לספק אווירה מרעננת. כיום N. A. S. A. להשתמש בכריות צמחים לגידול מזון בתחנת החלל הבינלאומית.

אז יש לי רעיון להמשיך הלאה.

בעיות בגידול מזון בחלל:

כוח משיכה:

זהו המכשול העיקרי לגידול מזון בחלל, הוא משפיע על צמיחת הצמחים בכמה אופנים: 1 לא ניתן להשקות את הצמחים כראוי מכיוון שאין כוח משיכה כך שלא ניתן לספק מים על ידי ממטרות מים ושיטות קונבנציונאליות אחרות המשמשות על פני כדור הארץ.

2 מים אינם יכולים להגיע לשורשי הצמח מכיוון שאין כוח משיכה.

3 צמיחת השורשים משפיעה גם על ידי כוח הכבידה. (שורשי הצמח יורדים כלפי מטה והצמחים גדלים כלפי מעלה) כך ששורשי הצמחים לעולם אינם גדלים בכיוון הנכון.

קְרִינָה:

1. יש הרבה קרינה בחלל ולכן היא מזיקה לצמחים.

2. קרינה מרוח השמש משפיעה גם על צמחים.

3. הרבה קרניים אולטרה סגולות מזיקות גם לצמחים.

טֶמפֶּרָטוּרָה:

1. יש הרבה שינויי טמפרטורה בחלל (הטמפרטורה יכולה לעלות עד מאה מעלות ולרדת עד מינוס מאות מעלות).

2. טמפרטורת הגדלת אידוי המים כך שצמחים לא יוכלו לשרוד בחלל.

ניטור:

1. ניטור צמחים קשה מאוד בחלל מכיוון שאדם עוקב אחר גורמים רבים כגון טמפרטורה, מים וקרינה.

2. צמחים שונים דורשים צרכים שונים של משאבים, אם יש צמחים שונים ניטור הופך להיות קשה יותר.

אז אני מעלה רעיון שניסיון לחסל את כל המכשולים האלה. זהו חדר לגידול מזון בחלל בעלות נמוכה מאוד. הוא מכיל את כל המשאבים והטכנולוגיה הבנויים בהם להתגבר על קשיים רבים. אז בואו נבהה !!!

מה חדר זה מסוגל:

1. סלק את השפעת הכבידה.

2. מתן מים מתאימים לשורשי הצמחים. (ניתן לשליטה - באופן ידני, אוטומטי)

3. מתן תאורה מלאכותית לצמחים לפוטוסינתזה.

4. למזער את השפעת הקרינה.

5. סביבת חישה כגון טמפרטורת הקרקע, לחות, טמפרטורת הסביבה, לחות, קרינה, לחץ והצגת נתונים בזמן אמת במחשב.

שלב 1: רכיב נדרש:

1. ESP32 (לוח עיבוד ראשי ניתן להשתמש גם בלוחות אחרים).

2. DHT11 או DHT-22. (DH22 מספק דיוק טוב יותר)

3. DS18b20 (גרסת מתכת הוכחת מים).

4. חיישן לחות קרקע.

5. משאבת מים. (12 וולט).

6. יריעת פלסטיק.

מאוורר DC 7.7 וולט.

8. חיישני גז.

9. ULN2003.

10. מנוע סרוו.

11. יריעת זכוכית.

12. גיליון אלקטרוסטטי.

13. ממסר 12 וולט.

14. BMP 180.

15. 7805 ווסת מתח.

16.100uF, קבלים 10uF.

17. מנורת גג לרכב (LED או CFL). (צבע מוגדר עוד).

18. אספקת חשמל SMPS (12 וולט - 1A אם אתה מניע משאבה מאספקה נפרדת אחרת עד 2 אמפר)

שלב 2: דרישת תוכנה:

1. Arduino IDE.

2. LABView

3. התקנת ESP32 ב- Arduino IDE.

4. ספריות ESP32. (ספריות רבות שונות מספריות ארדואינו).

שלב 3: צור מיכל ומערכת השקיה:

הכינו מיכל פלסטיק בכל גודל בהתאם לדרישה או מקום פנוי. החומר המשמש למיכל הוא פלסטיק, כך שהוא לא יכול להיפטר במים (הוא עשוי גם מתכות אך הוא מגדיל את העלות וגם את המשקל מכיוון שיש מגבלת משקל של רקטה)

בעיה: אין כוח משיכה בחלל. טיפות מים נשארות חופשיות בחלל (כפי שמוצג בתמונה על ידי N. A. S. A.) ואף פעם לא מגיעות לתחתית הקרקע ולכן השקיה בשיטות קונבנציונאליות אינן אפשריות בחלל.

כמו כן חלקיקים קטנים יוצרים אדמה הצפה באוויר.

פתרון: שמתי צינורות מים קטנים בקרקע (יש לה חורים קטנים) במרכז והצינורות מחוברים למשאבה. כאשר הדלקה של המשאבה יוצאים מים יוצרים חורים קטנים של צינור לתחתית הקרקע כך שיגיעו בקלות לשורשי הצמח.

מאוורר קטן מחובר על גבי התא (האוויר זורם כלפי מעלה כלפי מטה) כך שהוא מספק לחץ לחלקיקים קטנים ונמנע מצוף מחוץ לתא.

כעת הכניסו אדמה למיכל.

שלב 4: חיישני קרקע:

אני מכניס שני חיישן לאדמה. הראשון הוא חיישן טמפרטורה (DS18b20 עמיד למים). אשר מזהים את טמפרטורת הקרקע.

מדוע עלינו לדעת את הטמפרטורה והלחות של הקרקע?

חום הוא הזרז לתהליכים ביולוגיים רבים. כאשר טמפרטורות הקרקע נמוכות (ותהליכים ביולוגיים איטיים) חומרים מזינים מסוימים הופכים להיות זמינים או פחות זמינים לצמחים. הדבר נכון במיוחד במקרה של זרחן, האחראי במידה רבה לקידום התפתחות השורשים והפירות בצמחים. אז, אין חום פירושו שפחות חומרים מזינים גורמים לצמיחה ירודה. כמו כן טמפרטורה גבוהה מזיקה לצמחים.

השני הוא חיישן לחות. אשר מזהה לחות של אדמה אם הלחות באדמה פוחתת מהגבול שהוגדר מראש, המנוע נדלק, כאשר הלחות מגיעה לגבול העליון המנוע שלה נכבה אוטומטית. הגבול העליון והגבול התחתון תלויים ומשתנים מצמחים לצמח. התוצאה היא מערכת לולאה סגורה. מים נעשים באופן אוטומטי ללא הפרעה של אדם.

הערה. דרישת מים לצמחים שונים. אז יש צורך להתאים את מפלס המים המינימלי והמקסימלי. ניתן לעשות זאת באמצעות פוטנציומטר אם אתה משתמש בממשק דיגיטלי אחרת ניתן לשנות אותו בתכנות.

שלב 5: הכנת קירות זכוכית

יש קירות בצד האחורי של המיכל ועליו סרט אלקטרוסטטי. מכיוון שאין שדה מגנטי המגן עלינו מפני רוחות שמש. אני משתמש בדף זכוכית פשוט אך מכסה אותו ביריעה אלקטרוסטטית. יריעה אלקטרוסטטית מונעת חלקיק מטען של רוח שמש. זה גם מועיל למזער את השפעת הקרינה בחלל. הוא גם נמנע מהצפת אדמה וחלקיקי מים לאוויר.

מדוע אנו זקוקים להגנה אלקטרוסטטית?

ליבת הברזל המותך של כדור הארץ יוצרת זרמים חשמליים המייצרים קווי שדה מגנטיים סביב כדור הארץ בדומה לאלה הקשורים למגנט מוט רגיל. שדה מגנטי זה משתרע על פני כמה אלפי קילומטרים מעל פני כדור הארץ. השדה המגנטי של כדור הארץ דוחה חלקיק מטען בצורה של רוח שמש והימנע מלהיכנס לאטמוספירה של כדור הארץ. אך אין הגנה כזו זמינה מחוץ לכדור הארץ ועל כוכבי לכת אחרים. אז אנו זקוקים לשיטה מלאכותית אחרת כדי להגן עלינו כמו גם על הצמחים מפני חלקיק המטען. סרט אלקטרוסטטי הוא בעצם סרט מוליך ולכן הוא אינו מאפשר להיכנס לחלקיק מטען פנימה.

שלב 6: תריסי בניין:

לכל צמח יש צורך באור השמש שלו. חשיפה לשמש לאורך זמן וקרינה גבוהה מזיקה גם לצמחים. כנפי תריסים מחוברים בצד המראה ואז מחוברים למנועי סרוו. זווית כנף נפתחת ואפשר להיכנס לאור הנשמר על ידי מעגל העיבוד הראשי

רכיב LDR לזהות אור (הנגד תלוי האור) מחובר למעגל העיבוד הראשי כיצד מערכת זו עובדת:

1. בקרינה ואור מוגזמים (אשר מזוהים על ידי LDR) הוא סוגר כנפיים ומבטל אור להיכנס פנימה. 2. לכל צמח יש צורך משלו באור שמש. מעגל העיבוד הראשי שימו לב לזמן המאפשר לאור השמש לאחר פרק זמן מסוים זה נסגר. זה להימנע מתאורה נוספת להגיע לתא.

שלב 7: חישה ובקרה סביבתית:

צמחים שונים דורשים מצב סביבה שונה כגון טמפרטורה ולחות.

טמפרטורה: כדי לחוש בטמפרטורת הסביבה משתמשים בחיישן DHT-11 (ניתן להשתמש ב- DHT 22 כדי להשיג דיוק גבוה). כאשר הטמפרטורה עולה או יורדת מהמגבלה שנקבעה היא מזהירה ומפעילה מאוורר חיצוני.

מדוע עלינו לשמור על טמפרטורה?

הטמפרטורה בחלל החיצון היא 2.73 קלווין (-270.42 צלזיוס, -454.75 פרנהייט) בצד כהה (שם השמש לא זורחת). הצד הפונה לשמש, הטמפרטורה יכולה להגיע לטמפרטורות חמות של כ -121 מעלות צלזיוס (250 מעלות צלזיוס).

שמור על לחות:

לחות היא כמות אדי המים באוויר ביחס לכמות אדי המים המרבית שהאוויר יכול להחזיק בטמפרטורה מסוימת.

מדוע עלינו לשמור על לחות?

רמות הלחות משפיעות על מתי וכיצד הצמחים פותחים את השריר בצד התחתון של העלים שלהם. צמחים משתמשים בסטומה כדי להתרחש או "לנשום". כאשר מזג האוויר חם, צמח עשוי לסגור את השריר שלו כדי להפחית את אובדן המים. הסטומה משמשת גם כמנגנון קירור. כאשר תנאי הסביבה חמים מדי לצמח והוא סוגר את הבטן שלו במשך זמן רב מדי במאמץ לחסוך במים, אין לו דרך להעביר מולקולות פחמן דו חמצני וחמצן, מה שגורם לאט לאט לצמח להיחנק על אדי מים וגזים משלו..

עקב אידוי (מצמח ומקרקע) הלחות עולה במהירות. זה לא רק מזיק לצמחים אלא גם מזיק לחיישן ולמראה זכוכית. אפשר להתעלם משתי דרכים.

1. נייר פלסטיק על גבי המשטח מונע לחות בקלות. נייר פלסטיק נפרס על פני השטח העליון של האדמה עם פתח בתוכו למצע וזרעים (הצמח גדל בו). זה גם מועיל במהלך השקיה.

הבעיה בשיטה זו היא שהצמחים בעלי השורשים הגדולים יותר זקוקים לאוויר לאדמה ולשורשים. שקית ניילון עוצרת אוויר כדי להגיע לשורשיה לחלוטין.

2. מאווררים קטנים מחוברים על הגג העליון של התא. לחות בחדר היא תחושה על ידי Hygrometer אשר מובנה (DHT-11 ו- DHT-22). כאשר הלחות עולה ממגוון המאווררים מופעלים אוטומטית, במגבלה התחתונה המאווררים נעצרים.

שלב 8: סלק את כוח הכבידה:

בשל כוח הכבידה הגבעולים צומחים כלפי מעלה, או מתרחקים ממרכז כדור הארץ, ולקראת האור. שורשים צומחים כלפי מטה, או לכיוון מרכז כדור הארץ, ומתרחקים מהאור. ללא כוח הכבידה הצמח לא ירש את היכולת להתמצא.

ישנן שתי שיטות לחיסול כוח הכבידה

1. כוח משיכה מלאכותי:

כוח הכבידה המלאכותי הוא יצירת כוח אינרציה המחקה את ההשפעות של כוח כבידה, בדרך כלל על ידי תוצאה של סיבוב על ייצור כוחות צנטריפוגליים. תהליך זה נקרא גם פסאודו-כבידה.

שיטה זו יקרה מדי וקשה מאוד. יש יותר מדי סיכויים לכישלון. כמו כן לא ניתן לבדוק שיטה זו על פני כדור הארץ כראוי.

2. שימוש במצע: זוהי שיטה קלה מדי וגם יעילה בבד. זרעים נשמרים בתוך שקית קטנה שנקראת זרעי מצע נשמרים מתחת למצע המספק כיוון נכון לשורשים ועלים כפי שמוצג בתמונה. זה עוזר לגדל שורשים כלפי מטה ולשתול עלים כלפי מעלה.

זה בד עם חורים. מכיוון שהזרעים נמצאים בפנים הוא מאפשר למים להיכנס וגם מאפשר לשורשים לצאת ולחדור לאדמה. זרע נשמר מתחת לעומק של 3 עד 4 סנטימטרים מתחת לאדמה.

איך לשים זרע מתחת לאדמה ולשמור על מיקומו ??

אני חותך יריעת פלסטיק באורך של 4 עד 5 אינץ 'ויוצרת חריץ לפניה. הנח כלי זה על חצי אורך הבד הזה (בצד החריץ). הכניסו את הזרע לחריץ ועטפו את הבד מסביב. כעת הכנס את הכלי הזה לאדמה. הוציאו את הכלי מהאדמה כך שהזרעים והמצע ייכנסו לאדמה.

שלב 9: אור שמש מלאכותי:

בחלל השמש כל הזמן אינו אפשרי ולכן ייתכן שיהיה צורך באור שמש מלאכותי. זה נעשה על ידי CFL ונורות LED חדשות. אני משתמש באור CFL שהוא בצבע כחול ואדום ולא בהיר מדי. אורות אלה מותקנים על הגג העליון של החדר. זה מספק ספקטרום מלא של אור (CFL משמשים כאשר יש דרישה של אור עם טמפרטורה גבוהה, ואילו LED משמשים כאשר הצמחים אינם דורשים חימום או חימום נמוך. ניתן לנהוג באופן ידני, מרחוק או אוטומטית (נשלט על ידי מעגל עיבוד ראשי).

מדוע אני משתמש בשילוב של צבע כחול ואדום?

אור כחול מתאים לשיא הספיגה של כלורופילים, שעושים פוטוסינתזה לייצור סוכרים ופחמנים. יסודות אלה חיוניים לצמיחת הצמחים, מכיוון שאלו אבני הבניין לתאי הצמח. עם זאת, אור כחול פחות יעיל מאור אדום לנהיגה בפוטוסינתזה. הסיבה לכך היא שאור כחול יכול להיספג על ידי פיגמנטים בעלי יעילות נמוכה יותר כמו קרוטנואידים ופיגמנטים לא פעילים כמו אנתוציאנינים. כתוצאה מכך, ישנה הפחתה של אנרגיית האור הכחול שמגיעה אל פיגמנטים הכלורופיל. באופן מפתיע, כאשר מינים מסוימים גדלים רק באור כחול, ביומסה של הצמחים (משקל) וקצב הפוטוסינתזה דומים לצמח הגדל רק באור אדום.

שלב 10: ניטור חזותי:

אני משתמש ב- LABview לניטור חזותי של נתונים ובקרה גם מכיוון ש LABview היא תוכנה גמישה מאוד. זה רכישת נתונים במהירות גבוהה וקל לתפעול. זה יכול להיות קווי או להתחבר ללא חוט למעגל העיבוד הראשי. הנתונים המגיעים ממעגל העיבוד הראשי (ESP-32) מעוצבים ומוצגים ב- LABview.

השלבים שיש לבצע:

1. התקן את LABview והורד. (אין צורך להתקין הרחבות של Arduino)

2. הפעל את קוד vi המופיע להלן.

3. חבר יציאת USB למחשב האישי שלך.

4. העלה קוד Arduino.

5. יציאת COM המוצגת ב- labview שלך (אם Windows עבור Linux ו- MAC "dev/tty") והמחוון מראה שהיציאה שלך מחוברת או לא.

6. סיימו !! נתונים מחיישנים שונים המוצגים על המסך.

שלב 11: הכנת חומרה (מעגל):

תרשים המעגל מוצג באיור. תוכל גם להוריד קובץ PDF שניתן להלן.

הוא מורכב מחלקים הבאים:

מעגל עיבוד עיקרי:

ניתן להשתמש בכל לוח תואם ל- arduino כגון arduino uno, nano, mega, nodeMCU ו- STM-32. אך השימוש ב- ESP-32 נובע מהסיבה הבאה:

1. יש לו חיישן טמפרטורה מובנה כך שבמצב טמפרטורה גבוהה ניתן להעמיד את המעבד למצב שינה עמוק.

2. המעבד הראשי מוגן במתכת כך שיש פחות אפקט קרינה.

3. חיישן פנימי של אפקט אולם משמש לאיתור שדה מגנטי סביב המעגל.

סעיף חיישן:

כל החיישנים פועלים על אספקת חשמל של 3.3 וולט. ווסת המתח בתוך ESP-32 מספק זרם נמוך כך שניתן להתחמם יתר על המידה. כדי להימנע מווסת מתח LD33 זה.

צומת: הפעלתי אספקת 3.3 וולט מכיוון שבשימוש ב- ESP-32 (זהה גם עבור nodeMCU ו- STM-32). אתה משתמש בארדואינו, אתה יכול גם להשתמש ב -5 וולט

ספק כוח ראשי:

12 וולט 5 אמפר SMPS משמש. אתה יכול גם להשתמש באספקת חשמל מוסדרת עם שנאי אך היא אספקה לינארית ולכן היא מיועדת למתח קלט ספציפי כך שהפלט ישתנה כאשר נחליף 220 וולט ל -110 וולט. (ניתן להשיג אספקת 110 וולט ב- ISS)

שלב 12: הכנת תוכנה:

השלבים שיש לבצע:

1. התקנת Arduino: אם אין לך arduino אתה יכול להוריד מהקישור

www.arduino.cc/en/main/software

2. אם יש לך NodeMCU בצע את השלבים הבאים כדי להוסיף אותו עם arduino:

circuits4you.com/2018/06/21/add-nodemcu-esp8266-to-arduino-ide/

3. אם אתה משתמש ב- ESP-32 בצע את השלבים הבאים כדי להוסיף אותו עם arduino:

randomnerdtutorials.com/installing-the-esp32-board-in-arduino-ide-windows-instructions/

4. אם אתה משתמש ב- ESP-32 (ספריית DHT11 פשוטה לא יכולה לפעול כראוי עם ESP-32) תוכל להוריד מכאן:

github.com/beegee-tokyo/DHTesp

שלב 13: הכנת LABview:

1. הורד את LABview מהקישור הזה

www.ni.com/en-in/shop/labview.html?cid=Paid_Search-129008-India-Google_ESW1_labview_download_exact&gclid=Cj0KCQjw4s7qBRCzARIsAImcAxY0WyYcyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyxyyyyyyyyyyyyyyyyyxyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyxyyyyyyyyyxyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyxyy

2. הורד קובץ vi.

3. חבר יציאת USB. מחוון הצגת המחוונים מחובר או לא.

בוצע!!!!