描述

我們熱愛電子和植物，因此我們在 Juan de Lanuza 學校的“家庭機器人”活動中創建了一個水培系統。我們想創建一個便攜式系統，以便向所有學校展示它并在一年中種植區域植物。

水培法

對我們來說，水培不僅是一種愉快的愛好，也是一種綠色的愛好。

水培法僅使用在泥土中生長的植物所需的 10% 的水，并且由于植物在需要時總能獲得必要的養分，因此產量更高。

作為一個封閉系統，這也意味著肥料不會進入地下水位，這對環境非常有益。

第 1 步：項目

我們的項目是水培，一種基于水培的室內種植，一種使用礦物質溶液代替土壤來種植植物的方法。一般結構由鋁制成。水循環的結構由手工切割和粘合的 PVC 管組成，由 6 層水通過。每個級別都已鉆孔以放置花盆。還設計了 3D 部件，使花盆不會移動并支持照明。在下部有一個水箱，系統的水落入其中，通過該水箱可以將不同的成分添加到水中。如果必須排空水箱，我們有一個手動排水。

我們的平臺由三個不同的部分組成：

• 模塊化結構：PVC 和鋁框架，以支持所有的水培系統。

• 電子電路：我們系統數字“大腦”的主控

• 傳感器/執行器：測量和控制我們系統的所有數據和參數。

該設備允許通過感應幾個參數來控制植物的狀態：

• 空氣溫度和濕度

• 水溫

• 酸堿度

• 電導率

• 時間

然后它使用不同類型的執行器通過灌溉、激活燈光或釋放養分來改變植物的狀態：

• 水泵

• 成長之光

• 營養喂食器

該設備使用 WiFi 定期將信息發送到網絡服務器。我們還設計了一個應用程序，允許從 Android 設備可視化這些數據。我們已將其作為開源代碼發布。

第 2 步：材料

結構材料：

• 100mm直徑PVC管x6米

• 40mm直徑PVC管x2米

• 100-40mm PVC 連接器 x12

• 40-10mm PVC接頭 x1

• 90o 40mm 連接器 x12

• 水壓克力沉積物（或 5l 瓶）

• 靈活的 10 毫米管 x 2 米

• 2m木桌2x1x1米

• 鋁框 x 16 米

• 鋁制 3 框架連接器 x8

• 鋁制 4 框架連接器 x8

• 鋁制 5 框架連接器 x2

• 輪子 x4

• PVC膠

電子/電工材料：

• 阿杜諾巨型

• Arduino MEGA 盒子：

• 原型板 MEGA

• 連接器原型板 MEGA：

• 12v電源：

• 中繼模塊：

• ESP8266 模塊：

• HC05模塊：

• 溫度傳感器防水：

• 溫濕度環境傳感器：

• 水泵：

• PH/電導板：

• PH 傳感器：

• 電導率傳感器：

• 生長燈：

• 喂魚器：

其他：

• 花盆

工具：

• 旋轉手動工具

• 手鉆

• 烙鐵

• 剝線機

• 熱膠槍

• 孔鋸

• 夾子

• 鋸

第 3 步：模塊化框架

為該項目設計了一個模塊化的低成本水培系統。使用不同尺寸的連接器連接 PVC 管道，如主圖所示。

施工步驟

• PVC的切割長度

• 把所有東西放在一起

• 鉆孔

支撐架

我們需要一個框架來支撐我們的管道。框架由鋁制成，具有模塊化特性（易于將多個模塊安裝在一起）和易于使用的尺寸（易于使用基本工具直接切割）。

模塊化底座

我們集成了一個帶有 4 個輪子的模塊化木底座，以創建一個便攜式系統。

第 4 步：PVC 組裝

我們將各個腿部組件粘合在一起以增加穩定性。

結構的尺寸決定了水培系統的大小和系統可以支持的行數。

我們當前的模型包括 6 個級別。可以通過減小行間距來修改間距以支持更多的生長區域。

注意：該項目的 PVC 管最好使用斜切鋸切割。這些很容易以兩種類型獲得：便宜的手動鋸或省時的電動鋸。

第5步：植物洞

我們在每根管子上鉆了 5 到 7 個孔。首先，標記每個孔的點。用磨頭獲取您的 dremel 工具并清理孔，直到杯子符合您的預期。我們使用塑料玻璃作為植物地塊。如果您也使用它們，請在底部和邊緣鉆孔，以便根部可以接觸玻璃外的水。

用杯子量出粘土球放入一桶水中。水會洗掉球中可能存在的任何灰塵。

第6步：水培結構

在水培中，這一切都是為了將??富含營養的水輸送到植物的根部，同時確保水中仍有足夠的氧氣。我們創建了 NFT（營養膜技術）系統。為此，我們需要植物根部可以接觸到的少量但恒定的水流。

水含有植物所需的所有營養物質，而恒定的流量確保水中有足夠的氧氣。

植物需要一些東西來支撐它們，雖然我們沒有土壤來支撐它們，但這就是水培介質的用武之地。我們使用了上面提到的膨脹粘土球。這些給植物提供支持，并提供一個小的緩沖來保持水分。

第 7 步：電氣連接

我們使用鋁框架作為支撐連接所有電纜和電氣系統。它使用 3A 12V 電源連接到 220V。在結構頂部，我們連接了生長燈。我們的是 12V LED 燈條，每米長度消耗大約 0.5A。在底部，我們連接了使用 1A 的水泵。

主電路消耗在0.5A左右。

第 8 步：3D 打印支撐

我們設計了不同的 3D 打印部件以支持不同的元素：

• 花盆/塑料玻璃杯：我們制作了圓形支架，將它們安裝在管道頂部。

• 生長燈：我們創建了支架以將它們放置在鋁制框架上。

我們使用了 Tinkercad，這是一個非常簡單的在線 3D CAD 程序，您可以在此處使用：www.tinkercad.com

第 9 步：電子電路

在這里您可以找到水培電路的主圖和項目的引腳排列。

第 10 步：水泵

我們使用防水泵將水從地板的水箱中提升到結構的頂部。

第 11 步：營養喂食器

水培需要特殊的養分，因為普通肥料的配方是與土壤一起使用的，不應該用于水培。根據植物生長的不同階段和作物類型，水培肥料可以有不同的類型。

我們破解了一個“喂魚器”，以便用 Arduino 控制它。這是我們的個性化營養喂食器。我們在需要的時候控制它，以便我們可以向水箱釋放更多的營養。然后我們重新打開水泵，讓植物獲得營養。

第 12 步：水培傳感器

必須定期添加營養物質，很難說何時需要添加。人們每周一次到每月一次，這取決于您每次添加多少肥料。另一種選擇是控制 pH 值和電導率水平以相應地調整肥料量。

我們為水培系統集成了 2 個特定傳感器。

PH傳感器

pH 傳感器探頭有一個 BNC 連接器，它集成了傳感器的所有不同電線。

特征：

• 測量范圍：0~14pH

• 適用溫度：0~60°

• CBNC 連接器

• 電纜：2.9 米

• 模擬輸出

校準傳感器

為了校準 pH 傳感器，需要一個 pH 校準套件。

電導率傳感器

電導率傳感器探頭有兩個非極化觸點，因此可以互換。

特征：

• 適用溫度：0~60°

• CBNC 連接器

• 電纜：2.9 米

• 模擬輸出

校準傳感器

為了校準 EC 傳感器，您需要一個電導率校準套件

第 13 步：主代碼

目標是使用 Arduino MEGA 實現自動化。這包括：

• 通過計時器進行水循環

• 計時器點亮

• 數據測量

• 通過測量營養（電導率）和通過營養劑量進行校正

• 泵控制

• 測量的水質 (pH)

• 物聯網集成

• 數據采集

• 記錄傳感器測量和動作

我們附上了項目的主要 Arduino 代碼。如果您使用不同的 pH 或電導率傳感器，則可能需要更改計算以獲得真實值。

Arduino程序

• 保持時間

• 讀取傳感器

• 通過藍牙與應用程序通信：- 發送數據（pH、電導率、水溫、空氣溫度、空氣濕度、arduino 時間、泵狀態和燈狀態）- 從應用程序接收時間更新

• 每小時打開/關閉泵數分鐘

• 打開/關閉燈

• 每隔 15 分鐘將數據傳輸到 ThingSpeak（pH、電導率、水溫、氣溫、空氣濕度）

圖書館：

我們已經包含了所有使用的庫。

代碼：

// HidroponicoCole_v5.8 NO CLAVES//
// bluetooht RX3-TX3
// DALLAS pin 3
// DHT pin 2
// Bomba pin 6
// Luz pin 7
// Shield ESP 8266 con comandos AT
// Utiliza libreria TimeLib para la fecha y hora
// Envia datos cada 15 minutos
// LCD con ALARMAS
// Invierte salida Bomba y Luz 0= activo, 1= inactivo
// -----------------------------------------------------------
#define DEBUG 0                                // change value to 1 to enable debuging using serial monitor  
String network = "SSID NAME";                  // your access point SSID
String password = "PASSWORD";                  // your wifi Access Point password
#define IP "184.106.153.149"                   // IP address of thingspeak.com  184.106.153.149
String GET = "GET /update?key=CHANNEL_KEY";    // replace with your channel key
#include "OpenGarden.h"
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
// initialize the library by associating any needed LCD interface pin
// with the arduino pin number it is connected to
const int rs = 51, en = 53, d4 = 39, d5 = 37, d6 = 35, d7 = 33;
LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);
// Establece valores inicio de fecha y hora
int hora = 9;
int minuto = 0;
int segundo = 0;
int dia = 1;
int mes = 1;
int ano = 17;
bool nuevoSegundo;
int viejoSegundo = 0;
bool nuevoMinuto;
int viejoMinuto = 0;
bool nuevaHora;
int viejaHora = 0;
// variables telegrama recibido de bluethooh
// cabecera, cuerpo1, cuerpo2, cuerpo3, fin
int cabecera = 0;
int cuerpo1 = 0;
int cuerpo2 = 0;
int cuerpo3 = 0;
int fin = 0;
// Sensores PH y EC
#define calibration_point_4 2246  //Write here your measured value in mV of pH 4
#define calibration_point_7 2080  //Write here your measured value in mV of pH 7
#define calibration_point_10 1894 //Write here your measured value in mV of pH 10
#define point_1_cond 40000   // Write here your EC calibration value of the solution 1 in μS/cm
#define point_1_cal 40       // Write here your EC value measured in resistance with solution 1
#define point_2_cond 10500   // Write here your EC calibration value of the solution 2 in μS/cm
#define point_2_cal 120      // Write here your EC value measured in resistance with solution 2
/*   SENSOR DHT22 (AIRE)  */
#define DHTPIN 2
#define DHTTYPE DHT22
float TemperaturaAire;
float HumedadAire;
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
/*   SENSOR Temperatura DALLAS  (TemperaturaAgua) */
#define ONE_WIRE_BUS 3
OneWire oneWireBus (ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors (&oneWireBus);
float TemperaturaAgua;
/*   BOMBA y LUZ   */
#define PinBombaAgua 6  // Bomba en pin 6
#define PinLuz 7        // Luces en pin 7
#define Amanece 8      // Hora de encendido Luz  
#define Anochece 20    // Hora apagado Luz
#define MinutosBomba 20    // Minutos funcionando bomba
bool BombaAgua = 0;   // 0=parada , 1= marcha
bool Luz = 0;         // 0= apagada , 1= encendida
// VALORES DE ALARMAS
#define PhAlto 10          // Valor alto alarma Ph
#define PhBajo 5           // Valor bajo alarma Ph
#define EcAlto 3000        // Valor alto alarma Ec
#define EcBajo 900         // Valor bajo alarma Ec
// Valor EcMuyBajo activa "Falta de agua". NO PERMITE FUNCIONAMIENTO BOMBA
#define EcMuyBajo 200
#define TempAguaAlto 40    // Valor alto alama Temp Agua
#define TempAguaBajo 5     // Valor bajo alama Temp Agua
int AlarmaPH;         // alarma Ph
int AlarmaTempAgua;   // alarma Temp
int AlarmaEC;         // alarma Ec
float pH;
float EC;
void setup() {
  lcd.begin(16, 2);                 // Inicia LCD 16 caracteres, 2 filas
  // Mensaje de arranque en LCD
  borrarLCD();
  lcd.setCursor(0, 0);              // posiciona cursor linea 0, columna 0
  lcd.print("INICIANDO");
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("ESPERE .....");
  setupEsp8266();                    // inicia conexión WiFi
  pinMode(PinBombaAgua, OUTPUT);
  pinMode(PinLuz, OUTPUT);
  Serial3.begin(9600);
  Serial.begin(115200);
  // establece fecha y hora al arrancar
  setTime(hora, minuto, segundo, dia, mes, ano);
  // Start up the libraries
  sensors.begin(); // DALLAS
  dht.begin(); // DHT
  OpenGarden.initSensors(); //Initialize sensors power
  OpenGarden.sensorPowerON();//Turn On the sensors
  OpenGarden.calibratepH(calibration_point_4, calibration_point_7, calibration_point_10);
  OpenGarden.calibrateEC(point_1_cond, point_1_cal, point_2_cond, point_2_cal);
  delay(500);
}
void loop() {
  // Read DALLAS
  // call sensors.requestTemperatures() to issue a global temperature
  // request to all devices on the bus
  sensors.requestTemperatures(); // Send the command to get temperatures
  TemperaturaAgua = (sensors.getTempCByIndex(0)); // Why "byIndex"?
  // You can have more than one IC on the same bus.
  // 0 refers to the first IC on the wire
  // Lee DHT 22
  HumedadAire = dht.readHumidity();
  TemperaturaAire = dht.readTemperature();
  //Read the pH sensor
  int mvpH = OpenGarden.readpH(); //Value in mV of pH
  pH = OpenGarden.pHConversion(mvpH); //Calculate pH value
  if ( pH < 0 || pH > 14) {
    pH = 0 ;
  }
  //Read the conductivity sensor in μS/cm
  float resistanceEC = OpenGarden.readResistanceEC(); //EC Value in resistance
  EC = OpenGarden.ECConversion(resistanceEC); //EC Value in μS/cm
  // Alarmas datos Agua
  AlarmaPH = 0;  // Resetea el valor de la alarma Ph
  if ( pH > PhAlto ) {
    AlarmaPH = 2 ;
  }
  if ( pH < PhBajo ) {
    AlarmaPH = 1 ;
  }
  AlarmaTempAgua = 0;  // Resetea el valor de la alarma Temp Agua
  if ( TemperaturaAgua > TempAguaAlto ) {
    AlarmaTempAgua = 2 ;
  }
  if ( TemperaturaAgua < TempAguaBajo ) {
    AlarmaTempAgua = 1 ;
  }
  AlarmaEC = 0;  // Resetea el valor de la alarma EC
  if ( EC > EcAlto ) {
    AlarmaEC = 2 ;
  }
  if ( EC < EcBajo ) {
    AlarmaEC = 1 ;
  }
  if ( EC < EcMuyBajo ) {
    AlarmaEC = 3 ;
  }
  // Construye y envia a ESP 8266
  if (viejoMinuto != minute()) {
    nuevoMinuto = true;
    viejoMinuto = minute();
  } else {
    nuevoMinuto = false;
  }
  if (minute() % 15 == 0 && nuevoMinuto) {     //  5= cada 5 minutos,  15= cada 15 minutos
    updateTemp(String(pH) , String(EC), String(TemperaturaAgua), String(TemperaturaAire), String(HumedadAire));
  }
  // comprobar recepción datos desde bluetooth
  if (Serial3.available () > 10) {
    cabecera = Serial3.parseInt ();
    cuerpo1 = Serial3.parseInt ();
    cuerpo2 = Serial3.parseInt ();
    cuerpo3 = Serial3.parseInt ();
    fin = Serial3.parseInt ();
    String basura = Serial3.readString(); // vacía el buffer de lectura
  }
  if (cabecera == fin && cabecera == 20) {   // si cabecera=fin=20 actualiza hora
    setTime(cuerpo1, cuerpo2, cuerpo3, dia, mes, ano);
    cabecera = 0; // borra cabecera y fin para no repetir
    fin = 0;
  }
  // Envía datos por Bluetooth
  Serial3.print("<");
  Serial3.print(pH);
  Serial3.print(", ");
  Serial3.print(EC);
  Serial3.print(", ");
  Serial3.print(TemperaturaAgua);
  Serial3.print(", ");
  Serial3.print(HumedadAire);
  Serial3.print(", ");
  Serial3.print(TemperaturaAire);
  Serial3.print(", ");
  Serial3.print(hour());   // envia hora actual
  Serial3.print(", ");
  Serial3.print(minute()); // envia minuto actual
  Serial3.print(", ");
  Serial3.print(second()); // envia segundo actual
  Serial3.print(", ");
  Serial3.print(BombaAgua); //envia estado BombaAgua
  Serial3.print(", ");
  Serial3.print(Luz); // envia estado Luz
  Serial3.print(">");
  // control bomba de agua minutos cada hora
  if (minute() < MinutosBomba  && EC > EcMuyBajo) {    // EC muy bajo implica riego de falta de agua
    digitalWrite (PinBombaAgua, LOW);  // LOW = Bomba on
    BombaAgua = 1;
  }
  else {
    digitalWrite (PinBombaAgua, HIGH);  // HIGH = Bomba off
    BombaAgua = 0;
  }
  // control luz encendida de Amanece a Anochece
  if (hour() > Amanece && hour() < Anochece) {
    digitalWrite (PinLuz, LOW);          // LOW = Luz on
    Luz = 1;
  }
  else {
    digitalWrite (PinLuz, HIGH);          // HIGH = Luz off
    Luz = 0;
  }
  // refresca LCD cada segundo
  if (viejoSegundo != second()) {
    nuevoSegundo = true;
    viejoSegundo = second();
  } else {
    nuevoSegundo = false;
  }
  if (nuevoSegundo == true) {
    visualiza ();
  }
}
//-------------------------------------------------------------------
// Following function setup the esp8266, put it in station mode and
// connect to wifi access point.
//------------------------------------------------------------------
void setupEsp8266()
{
  if (DEBUG) {
    //Serial3.println("Reseting esp8266");
  }
  Serial.flush();
  Serial.println(F("AT+RST"));
  delay(7000);
  if (Serial.find("OK"))
  {
    if (DEBUG) {
      Serial3.println("Found OK");
      Serial3.println("Changing espmode");
    }
    Serial.flush();
    changingMode();
    delay(5000);
    Serial.flush();
    connectToWiFi();
  }
  else
  {
    if (DEBUG) {
      Serial3.println("OK not found");
    }
  }
}
//-------------------------------------------------------------------
// Following function sets esp8266 to station mode
//-------------------------------------------------------------------
bool changingMode()
{
  Serial.println(F("AT+CWMODE=1"));
  if (Serial.find("OK"))
  {
    if (DEBUG) {
      Serial3.println("Mode changed");
    }
    return true;
  }
  else if (Serial.find("NO CHANGE")) {
    if (DEBUG) {
      Serial3.println("Already in mode 1");
    }
    return true;
  }
  else
  {
    if (DEBUG) {
      Serial3.println("Error while changing mode");
    }
    return false;
  }
}
//-------------------------------------------------------------------
// Following function connects esp8266 to wifi access point
//-------------------------------------------------------------------
bool connectToWiFi()
{
  if (DEBUG) {
    Serial3.println("inside connectToWiFi");
  }
  String cmd = F("AT+CWJAP="");
  cmd += network;
  cmd += F("","");
  cmd += password;
  cmd += F(""");
  Serial.println(cmd);
  delay(15000);
  if (Serial.find("OK"))
  {
    if (DEBUG) {
      Serial3.println("Connected to Access Point");
    }
    return true;
  }
  else
  {
    if (DEBUG) {
      Serial3.println("Could not connect to Access Point");
    }
    return false;
  }
}
//-------------------------------------------------------------------
// Following function sends sensor data to thingspeak.com
//-------------------------------------------------------------------
void updateTemp(String valor1, String valor2, String valor3, String valor4, String valor5)
{
  String cmd = "AT+CIPSTART="TCP","";
  cmd += IP;
  cmd += "",80";
  Serial.println(cmd);
  if (DEBUG) {
    Serial3.println (cmd);
  }
  delay(5000);
  if (Serial.find("Error")) {
    if (DEBUG) {
      Serial3.println("ERROR while SENDING");
    }
    return;
  }
  cmd = GET + "&field1=" + valor1 + "&field2=" + valor2 + "&field3=" + valor3 + "&field4=" + valor4 + "&field5=" + valor5 + "\r\n";
  if (DEBUG) {
    Serial3.println (valor1);
    Serial3.println (valor2);
    Serial3.println (valor3);
    Serial3.println (valor4);
    Serial3.println (valor5);
    Serial3.println (cmd);
  }
  Serial.print("AT+CIPSEND=");
  Serial.println(cmd.length());
  delay(15000);
  if (Serial.find(">"))
  {
    Serial.print(cmd);
    if (DEBUG) {
      Serial3.println("Data sent");
    }
  } else
  {
    Serial.println("AT+CIPCLOSE");
    if (DEBUG) {
      Serial3.println("Connection closed");
    }
  }
}
// -------------------------------------
//  Muetra datos LCD
// -------------------------------------
void visualiza() {
  // visualiza fecha y hora
  if (second() % 30 >= 0 && second() % 30 < 7) {
    borrarLCD();
    lcd.setCursor(0, 0); // posiciona cursor linea 0, columna 0
    lcd.print("HORA ACTUAL");
    lcd.setCursor(0, 1);
    lcd.print(format(hour()));
    lcd.print(":");
    lcd.print(format(minute()));
    lcd.print(":");
    lcd.print(format(second()));
  }
  // visualiza datos AGUA
  if (second() % 30 >= 7 && second() % 30 < 14) {
    borrarLCD();
    lcd.setCursor(0, 0); // posiciona cursor linea 0, columna 0
    lcd.print("AGUA: ");
    lcd.print((int)EC);
    lcd.print(" uS/cm");
    lcd.setCursor(0, 1);
    lcd.print("pH=");
    lcd.print(pH);
    lcd.print("; ");
    lcd.print(TemperaturaAgua);
    lcd.print(" C");
  }
  // visualiza datos AIRE
  if (second() % 30 >= 14 && second() % 30 < 21) {
    borrarLCD();
    lcd.setCursor(0, 0); // posiciona cursor linea 0, columna 0
    lcd.print("    AIRE ");
    lcd.setCursor(0, 1); // posiciona cursor linea 0, columna
    lcd.print((int)TemperaturaAire);
    lcd.print(" C  ;  ");
    lcd.print((int)HumedadAire);
    lcd.print("%");
  }
  // visualiza ALARMAS
  if (second() % 30 >= 21 && second() % 30 < 30) {
    borrarLCD();
    lcd.setCursor(0, 0); // posiciona cursor linea 0, columna 0
    lcd.print("   ALARMAS ");
    lcd.setCursor(0, 1); // posiciona cursor linea 0, columna
    if (AlarmaPH == 0 && AlarmaTempAgua == 0 && AlarmaEC == 0) {    // verifica si hay alarmas
      lcd.print("NO HAY ALARMAS");
    }
    else {
      if (AlarmaPH > 0) {
        lcd.print("pH;");
      }
      if (AlarmaTempAgua > 0) {
        lcd.print("Temp Agua;");
      }
      if (AlarmaEC > 0 && AlarmaEC < 3 ) {
        lcd.print("EC");
      }
      if (AlarmaEC == 3 ) {
        lcd.print("No Agua");
      }
    }
  }
}
void borrarLCD() {
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("                ");
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("                ");
}
String format(int info) {
  String infoEditada;
  if (info < 10) {
    infoEditada += 0;
  }
  infoEditada += info;
  return infoEditada;
}

第 14 步：數據可視化

我們集成了一個 LCD 顯示屏，以便查看所有傳感器數據，而無需無線連接到水培栽培。

第 15 步：安卓應用程序

我們使用 App Inventor 創建了一個特定的應用程序。在這里您可以找到源文件。

應用程序

• 接收和查看來自傳感器的數據。

• 發送手機的當前時間以更新 Arduino 的時間。

第 16 步：網絡服務器

我們使用 ESP8266 模塊將系統連接到 Thingspeak（提供數據存儲和分析的服務）。

第17步：水培工作！

最后！我們在學校創建了一個可工作的模塊化水培系統！:)

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