غرفة نمو النبات الذكية: 13 خطوة

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

لقد توصلت إلى فكرة جديدة وهي غرفة نمو النبات الذكية ، وقد أثار نمو النباتات في الفضاء الخارجي اهتمامًا علميًا كبيرًا. في سياق رحلات الفضاء البشرية ، يمكن استهلاكها كطعام و / أو توفير جو منعش. استخدام الوسائد النباتية لزراعة الغذاء في محطة الفضاء الدولية.

لذلك توصلت إلى فكرة للمضي قدمًا.

مشاكل زراعة الطعام في الفضاء:

جاذبية:

من العوائق الرئيسية لزراعة الغذاء في الفضاء أنها تؤثر على نمو النباتات بعدة طرق: 1 لا يمكنك سقي النباتات بشكل صحيح لأنه لا يوجد جاذبية لذلك لا يمكن توفير المياه عن طريق رشاشات المياه وغيرها من الطرق التقليدية المستخدمة على الأرض.

2 - لا يمكن أن يصل الماء إلى جذور النبات لعدم وجود جاذبية.

3 يتأثر نمو الجذور أيضًا بالجاذبية. (تتجه جذور النبات إلى الأسفل وتنمو النبات إلى الأعلى) لذلك لا تنمو جذور النباتات في الاتجاه الصحيح أبدًا.

إشعاع:

1- هناك الكثير من الإشعاعات في الفضاء لذا فهي ضارة بالنباتات.

2-شكل الإشعاع الرياح الشمسية يؤثر أيضا على النباتات.

3. الكثير من الأشعة فوق البنفسجية ضارة أيضًا بالنباتات.

درجة حرارة:

1. هناك اختلاف كبير في درجات الحرارة في الفضاء (يمكن أن ترتفع درجة الحرارة إلى مائة درجة وتنخفض إلى مائة درجة تحت الصفر).

2. تزيد درجة الحرارة من تبخر الماء لذلك لا تستطيع النباتات البقاء في الفضاء.

يراقب:

1. من الصعب للغاية مراقبة النباتات في الفضاء لأن الشخص يرصد باستمرار العديد من العوامل مثل درجة الحرارة والماء والإشعاع.

2. تتطلب النباتات المختلفة احتياجات مختلفة من الموارد ، إذا كانت هناك مصانع مختلفة فإن المراقبة تصبح أكثر صعوبة.

لذلك توصلت إلى فكرة أن محاولة إزالة كل هذه العقبات. إنها غرفة لزراعة الطعام في الفضاء بتكلفة منخفضة للغاية ، وتحتوي على جميع الموارد والتكنولوجيا التي تم إنشاؤها والتي تتغلب على العديد من الصعوبات. لذلك دعونا نحدق !!!

ما تستطيع هذه الغرفة القيام به:

1. القضاء على تأثير الجاذبية.

2. توفير المياه المناسبة لجذور النباتات. (يمكن التحكم فيه - يدويًا ، تلقائيًا)

3. توفير إضاءة صناعية للنباتات من أجل التمثيل الضوئي.

4. التقليل من تأثير الإشعاع.

5. استشعار البيئة مثل درجة حرارة التربة والرطوبة ودرجة حرارة البيئة والرطوبة والإشعاع والضغط وعرض البيانات في الوقت الحقيقي على الكمبيوتر.

الخطوة 1: المكون المطلوب:

1. ESP32 (لوحة المعالجة الرئيسية يمكنك أيضًا استخدام لوحات أخرى).

2. DHT11 أو DHT-22. (يوفر DH22 دقة أفضل)

3. DS18b20 (نسخة معدنية مقاومة للماء).

4. مستشعر رطوبة التربة.

5. مضخة مياه. (12 فولت).

6. ورقة من البلاستيك.

مروحة بجهد 7.12 فولت.

8. مجسات الغاز.

9. ULN2003.

10. محرك سيرفو.

11. لوح زجاجي.

12. ورقة كهرباء.

13. تتابع 12 فولت.

14. BMP 180.

15. 7805 منظم جهد.

16.100 فائق التوهج ، 10 فائق التوهج مكثف.

17. مصباح سقف السيارة (LED أو CFL) (تم تحديد اللون بشكل أكبر).

18. مصدر طاقة SMPS (12 فولت - 1 أمبير إذا كنت تقود المضخة من مصدر منفصل وإلا حتى 2 أمبير من مصدر الطاقة)

الخطوة 2: متطلبات البرنامج:

1. Arduino IDE.

2. LABView

3. تثبيت ESP32 في Arduino IDE.

4. مكتبات ESP32. (تختلف العديد من المكتبات عن مكتبات Arduino).

الخطوة الثالثة: عمل الحاوية ونظام الري:

اصنع حاوية بلاستيكية من أي حجم وفقًا للمتطلبات أو المساحة المتاحة. المواد المستخدمة في الحاوية من البلاستيك لذلك لا يمكن التخلص منها بالماء (يمكن أيضًا أن تكون مصنوعة من المعادن ولكنها تزيد من التكلفة والوزن أيضًا بسبب وجود حد لوزن الصاروخ)

المشكلة: لا يوجد جاذبية في الفضاء. تبقى قطرات الماء خالية في الفضاء (كما هو موضح في الصورة بواسطة NA. S. A.) ولا تصل أبدًا إلى قاع التربة ، لذا فإن الري بالطرق التقليدية غير ممكن في الفضاء.

كما تشكل الجسيمات الصغيرة تربة تطفو في الهواء.

الحل: أضع مواسير مياه صغيرة في التربة (بها فتحات صغيرة) في المركز والأنابيب متصلة بالمضخة ، وعند تشغيل المضخة ، يخرج الماء من فتحات صغيرة من الأنابيب إلى قاع التربة بحيث تصل بسهولة إلى جذور النبات.

يتم توصيل مروحة صغيرة أعلى الحجرة (يتدفق الهواء من أعلى إلى أسفل) بحيث توفر ضغطًا على الجسيمات الصغيرة وتجنب الطفو خارج الغرفة.

الآن ضع التربة في الحاوية.

الخطوة الرابعة: مجسات التربة:

أقوم بإدخال اثنين من أجهزة الاستشعار في التربة. الأول هو مستشعر درجة الحرارة (DS18b20 مقاوم للماء). التي تكشف عن درجة حرارة التربة.

لماذا نحتاج إلى معرفة درجة حرارة ورطوبة التربة؟

الحرارة هي العامل المساعد للعديد من العمليات البيولوجية. عندما تكون درجات حرارة التربة منخفضة (والعمليات البيولوجية بطيئة) ، تصبح بعض العناصر الغذائية غير متوفرة أو أقل توفرًا للنباتات. هذا صحيح بشكل خاص في حالة الفوسفور ، وهو المسؤول إلى حد كبير عن تعزيز نمو الجذور والفاكهة في النباتات. لذلك ، لا توجد حرارة تعني أن نقص العناصر الغذائية يؤدي إلى ضعف النمو. كما أن ارتفاع درجة الحرارة ضار بالنباتات.

الثاني هو مستشعر الرطوبة. الذي يكتشف رطوبة التربة إذا انخفضت الرطوبة في التربة من الحد المحدد مسبقًا ، يتم تشغيل المحرك ، عندما تصل الرطوبة إلى الحد الأعلى ، يتم إيقاف تشغيل المحرك تلقائيًا. يعتمد الحد الأعلى والحد الأدنى ويختلفان من نبات لآخر. ينتج عن هذا نظام الحلقة المغلقة. يتم الماء تلقائيًا دون تدخل من الشخص.

ملحوظة. متطلبات المياه لمختلف النباتات المختلفة. لذلك هناك حاجة لضبط الحد الأدنى والحد الأقصى لمستوى المياه. يمكن أن يتم ذلك من مقياس الجهد إذا كنت تستخدم واجهة رقمية وإلا يمكن تغييرها في البرمجة.

الخطوة الخامسة: عمل جدران زجاجية

توجد جدران على الجانب الخلفي للحاوية عليها غشاء إلكتروستاتيكي. لعدم وجود مجال مغناطيسي يحمينا من الرياح الشمسية. أستخدم لوحًا زجاجيًا بسيطًا ولكني أغطيه بورقة إلكتروستاتيكية. تمنع الألواح الكهروستاتيكية شحن جسيمات الرياح الشمسية. من المفيد أيضًا تقليل تأثير الإشعاع في الفضاء. كما أنه يتجنب تعويم التربة وجسيمات الماء في الهواء.

لماذا نحتاج الحماية الكهروستاتيكية؟

ينتج قلب الحديد المنصهر للأرض تيارات كهربائية تنتج خطوط مجال مغناطيسي حول الأرض مشابهة لتلك المرتبطة بمغناطيس قضيب عادي. يمتد هذا المجال المغناطيسي عدة آلاف من الكيلومترات من سطح الأرض. يطرد المجال المغناطيسي للأرض الجسيمات المشحونة في شكل رياح شمسية ويتجنب الدخول إلى الغلاف الجوي للأرض. لكن لا توجد مثل هذه الحماية المتاحة خارج الأرض وعلى الكواكب الأخرى. لذلك نحن بحاجة إلى طريقة اصطناعية أخرى لحمايتنا وكذلك النباتات من هذه الجسيمات المشحونة. الفيلم الكهروستاتيكي هو في الأساس فيلم موصل لذلك لا يسمح بدخول جسيم الشحنة إلى الداخل.

الخطوة السادسة: مصراع المبنى:

كل نبات يحتاج إلى ضوء الشمس. كما أن التعرض للشمس لفترات طويلة والإشعاع العالي ضار بالنباتات أيضًا. يتم توصيل أجنحة المصراع خارج المرآة ثم توصيلها بمحركات مؤازرة. زاوية فتح الجناح والسماح للضوء بالدخول والتي يتم الحفاظ عليها بواسطة دائرة المعالجة الرئيسية

يتم توصيل مكون اكتشاف الضوء LDR (المقاوم المعتمد على الضوء) بدائرة المعالجة الرئيسية. كيف يعمل هذا النظام:

1. في الإشعاع والضوء الزائدين (الذي يكتشفه LDR) يغلق الأجنحة ويزيل الضوء القادم. 2. كل مصنع له احتياجاته الخاصة من ضوء الشمس. وقت ملاحظة دائرة المعالجة الرئيسية للسماح بضوء الشمس بعد إغلاق الرياح في هذا الوقت المحدد. تجنب الوصول إلى الإضاءة الإضافية في الغرفة.

الخطوة السابعة: استشعار البيئة والتحكم فيها:

تتطلب النباتات المختلفة ظروفًا بيئية مختلفة مثل درجة الحرارة والرطوبة.

درجة الحرارة: لاستشعار درجة حرارة البيئة ، يتم استخدام مستشعر DHT-11 (يمكن استخدام DHT 22 لتحقيق دقة عالية). عندما ترتفع درجة الحرارة أو تنخفض عن الحد الموصوف ، يتم التحذير وتشغيل المروحة الخارجية.

لماذا نحتاج للحفاظ على درجة الحرارة؟

تبلغ درجة الحرارة في الفضاء الخارجي 2.73 كلفن (-270.42 درجة مئوية ، -454.75 فهرنهايت) في الجانب المظلم (حيث لا تشرق الشمس). على الجانب المواجه للشمس ، يمكن أن تصل درجة الحرارة إلى درجات حرارة مرتفعة تصل إلى حوالي 121 درجة مئوية (250 درجة فهرنهايت).

الحفاظ على الرطوبة:

الرطوبة هي كمية بخار الماء في الهواء بالنسبة إلى الحد الأقصى لكمية بخار الماء التي يمكن للهواء أن يحملها عند درجة حرارة معينة.

لماذا نحتاج للحفاظ على الرطوبة؟

تؤثر مستويات الرطوبة على متى وكيف تفتح النباتات الثغور على الجانب السفلي من أوراقها. تستخدم النباتات الثغور للرشح أو "التنفس". عندما يكون الطقس دافئًا ، قد يغلق النبات ثغوره لتقليل فقد الماء. تعمل الثغور أيضًا كآلية تبريد. عندما تكون الظروف المحيطة دافئة جدًا بالنسبة للنبات وتغلق ثغورها لفترة طويلة جدًا في محاولة للحفاظ على المياه ، فلا توجد طريقة لتحريك جزيئات ثاني أكسيد الكربون والأكسجين ، مما يتسبب ببطء في اختناق النبات ببخار الماء والغازات المنبعثة الخاصة به.

بسبب التبخر (من النبات والتربة) تزداد الرطوبة بسرعة. إنه ليس ضارًا بالنباتات فحسب ، بل إنه ضار أيضًا بجهاز الاستشعار والمرايا الزجاجية. يمكن إهماله بطريقتين.

1. الورق البلاستيكي الموجود أعلى السطح يمنع الرطوبة بسهولة. ينتشر الورق البلاستيكي على السطح العلوي للتربة مع فتح فيه للركيزة والبذور (ينمو النبات فيه). كما أنه مفيد أثناء الري.

مشكلة هذه الطريقة هي أن النباتات ذات الجذور الكبيرة تحتاج إلى الهواء في التربة والجذور. كيس من البلاستيك يمنع الهواء من الوصول إلى جذوره تمامًا.

2. يتم تركيب مراوح صغيرة على السطح العلوي للغرفة. الرطوبة في الحجرة يتم الإحساس بها بواسطة مقياس الرطوبة الذي يحمل في ثناياه عوامل (DHT-11 و DHT-22). عندما تزداد الرطوبة من المراوح المحددة يتم تشغيلها تلقائيًا ، عند الحد الأدنى يتم إيقاف المراوح.

الخطوة الثامنة: التخلص من الجاذبية:

بسبب الجاذبية تنمو السيقان لأعلى أو بعيدًا عن مركز الأرض ونحو الضوء. تنمو الجذور للأسفل أو باتجاه مركز الأرض وبعيدًا عن الضوء. بدون الجاذبية ، لم يرث النبات القدرة على توجيه نفسه.

هناك طريقتان للقضاء على الجاذبية

1. الجاذبية الاصطناعية:

الجاذبية الاصطناعية هي إنشاء قوة قصور ذاتية تحاكي تأثيرات قوة الجاذبية ، وعادةً ما ينتج عن الدوران لإنتاج قوى الطرد المركزي ، وتسمى هذه العملية أيضًا بالجاذبية الزائفة.

هذه الطريقة مكلفة للغاية وصعبة للغاية. هناك الكثير من فرص الفشل. كما لا يمكن اختبار هذه الطريقة على الأرض بشكل صحيح.

2-استخدام الركيزة: هذه طريقة سهلة للغاية وفعالة أيضًا من القماش. يتم الاحتفاظ بالبذور داخل كيس صغير يسمى بذور الركيزة يتم حفظها تحت الركيزة التي توفر الاتجاه الصحيح للجذور والأوراق كما هو موضح في الصورة. يساعد على نمو الجذور لأسفل وأوراق النبات لأعلى.

إنها قطعة قماش بها ثقوب. نظرًا لوجود البذور في الداخل ، فهي تسمح للماء بالدخول وتسمح أيضًا للجذور بالخروج والاختراق في التربة. يتم الاحتفاظ بالبذور تحت عمق 3 إلى 4 بوصات تحت التربة.

كيف تضع البذور تحت التربة وتحافظ على وضعها ؟؟

لقد قطعت ورقة بلاستيكية بطول 4 إلى 5 بوصات وشكلت أخدودًا أمامها. ضع هذه الأداة على نصف طول هذه القطعة القماشية (جانب الأخدود). ضع البذور في الأخدود ولف القماش حولها. الآن أدخل هذه الأداة في التربة. أخرج الأدوات من التربة حتى تدخل البذور والركيزة في التربة.

الخطوة 9: ضوء الشمس الاصطناعي:

في ضوء الشمس في الفضاء غير ممكن طوال الوقت ، لذلك قد تكون هناك حاجة لضوء الشمس الاصطناعي. يتم ذلك عن طريق CFL ومصابيح LED القادمة حديثًا. أستخدم ضوء CFL باللون الأزرق والأحمر غير الساطع كثيرًا. شنت هذه الأضواء على السطح العلوي للغرفة. يوفر هذا طيفًا كاملاً من الضوء (تُستخدم المصابيح الفلورية المتضامة عندما يكون هناك حاجة إلى إضاءة ذات درجة حرارة عالية ، بينما تُستخدم مصابيح LED عندما لا تتطلب المصانع تدفئة أو تسخينًا منخفضًا.يمكن قيادة هذا يدويًا ، عن بُعد تلقائيًا (يتم التحكم فيه بواسطة دائرة المعالجة الرئيسية).

لماذا أستخدم مزيجًا من اللونين الأزرق والأحمر؟

يتناسب الضوء الأزرق مع ذروة امتصاص الكلوروفيل ، والتي تقوم بعملية التمثيل الضوئي لإنتاج السكريات والكربون. هذه العناصر ضرورية لنمو النبات ، لأنها اللبنات الأساسية للخلايا النباتية. ومع ذلك ، فإن الضوء الأزرق أقل فعالية من الضوء الأحمر لقيادة عملية التمثيل الضوئي. وذلك لأن الضوء الأزرق يمكن امتصاصه بواسطة أصباغ منخفضة الكفاءة مثل الكاروتينات والأصباغ غير النشطة مثل الأنثوسيانين. نتيجة لذلك ، هناك انخفاض في طاقة الضوء الأزرق التي تصل إلى أصباغ الكلوروفيل. من المثير للدهشة ، أنه عندما تزرع بعض الأنواع بضوء أزرق فقط ، فإن الكتلة الحيوية للنبات (الوزن) ومعدل التمثيل الضوئي تشبه النبات الذي ينمو بضوء أحمر فقط.

الخطوة العاشرة: المراقبة المرئية:

أستخدم LABview للمراقبة المرئية للبيانات والتحكم أيضًا لأن LABview برنامج مرن للغاية. الحصول على البيانات عالية السرعة وسهل التشغيل. يمكن أن يكون سلكيًا أو بدون أسلاك متصلة بدائرة المعالجة الرئيسية. يتم تنسيق البيانات الواردة من دائرة المعالجة الرئيسية (ESP-32) في العرض على LABview.

الخطوات الواجب اتباعها:

1. تثبيت LABview وتنزيله. (لا حاجة لتثبيت وظائف Arduino الإضافية)

2. قم بتشغيل الكود السادس الوارد أدناه.

3. قم بتوصيل منفذ USB بجهاز الكمبيوتر الخاص بك.

4. تحميل كود اردوينو.

5. يظهر منفذ COM في labview الخاص بك (إذا كانت windows لـ linux و MAC "dev / tty") ويظهر المؤشر أن المنفذ الخاص بك متصل أم لا.

6. إنهاء !! يتم عرض البيانات من أجهزة الاستشعار المختلفة على الشاشة.

الخطوة 11: تحضير الأجهزة (الدائرة):

يظهر مخطط الدائرة في الشكل. يمكنك أيضًا تنزيل ملف PDF أدناه.

تتكون من الأجزاء التالية:

دائرة المعالجة الرئيسية:

يمكن استخدام أي لوحة متوافقة مع اردوينو مثل arduino uno و nano و mega و nodeMCU و STM-32. لكن استخدام ESP-32 للأسباب التالية:

1. يحتوي على مستشعر درجة حرارة يحمل في ثناياه عوامل ، لذلك في حالة درجات الحرارة المرتفعة ، يمكن وضع المعالج في وضع السكون العميق.

2. المعالج الرئيسي محمي بالمعدن لذلك يكون تأثير الإشعاع أقل.

3. يستخدم مستشعر تأثير القاعة الداخلية للكشف عن المجال المغناطيسي حول الدائرة.

قسم الاستشعار:

تعمل جميع أجهزة الاستشعار على مصدر طاقة 3.3 فولت. يوفر منظم الجهد داخل ESP-32 تيارًا منخفضًا بحيث يمكن أن يسخن. لتجنب استخدام منظم الجهد LD33 هذا.

العقدة: لقد طبقت توريد 3.3 فولت لأنه قيد الاستخدام ESP-32 (أيضًا نفس الشيء مع nodeMCU و STM-32). إذا كنت تستخدم اردوينو يمكنك أيضًا استخدام 5 فولت

التيار الكهربائي الرئيسي:

يستخدم 12 فولت 5 أمبير SMPS. يمكنك أيضًا استخدام مصدر طاقة منظم مع محول ولكنه مصدر إمداد خطي لذا فهو مصمم لجهد دخل محدد لذلك سيتم تغيير الإخراج حيث نحول 220 فولت إلى 110 فولت. (يتوفر إمداد 110 فولت في محطة الفضاء الدولية)

الخطوة 12: إعداد البرنامج:

الخطوات الواجب اتباعها:

1- تثبيت Arduino: إذا لم يكن لديك اردوينو يمكنك التنزيل من الرابط

www.arduino.cc/en/main/software

2- إذا كان لديك NodeMCU ، فاتبع هذه الخطوات لإضافته باستخدام اردوينو:

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

3- إذا كنت تستخدم ESP-32 ، فاتبع هذه الخطوات لإضافته مع اردوينو:

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

4. إذا كنت تستخدم ESP-32 (مكتبة DHT11 البسيطة لا يمكن أن تعمل بشكل صحيح مع ESP-32) ، يمكنك التنزيل من هنا:

github.com/beegee-tokyo/DHTesp

الخطوة 13: تحضير برنامج لاب فيو:

1. قم بتنزيل LABview من هذا الرابط

www.ni.com/en-in/shop/labview.

2. تحميل ملف vi.

3. قم بتوصيل منفذ USB. منفذ إظهار المؤشر متصل أم لا.

انتهى!!!!