Inteligentny ogród - IoT w naszym domu

Opis pomysłu

Głównym celem projektu jest wykonanie komputerowej stacji do automatycznego nawadniania roślin i kontroli procesu wegetacji - wyposażonej w komputer Arduino i Rassbery Pi 3, systemy pomiarowe, systemy wizualizacji danych jak również moduły do zdalnego sterowania (przez sieć Internet) całą konstrukcją.

Naturalna zmienność i współczesne zmiany klimatu wywierają określone skutki w środowisku i gospodarczej działalności człowieka. W rolnictwie są one przyczyną zmienności warunków meteorologicznych wegetacji i wahań plonów. Stacja będzie kontrolowała proces wzrostu nadzorowanych roślin poprzez automatyczne, komputerowe sterowanie nawodnieniem i nasłonecznieniem w zależności od zmierzonych parametrów - wilgotności gleby, oświetlenia, i temperatury. proce odbywa się w pełni automatycznie bez nadzoru człowieka a podgląd na pracę stacji może odbywać się z dowolnego punktu na Ziemi poprze złącze Internetowe. Program komputerowy sterujący stacją odpowiednio dobiera i dawkuje ilość potrzebnej wody do optymalnego wzrostu kontrolowanej roślinności.

Pomysł realizacji projektu powstał w głowach uczniów realizujących swoje pasję związane z nowymi technologiami, robotyką elektroniką i informatyką na działającej od kilku lat Robotics Academy w Szkole Podstawowej Nr 98 w Krakowie. Projekt ma charakter interdyscyplinarny, oznacza to że musimy stworzyć zespół który będzie zajmował się rozwiązywaniem problemów z wielu dziedzin podczas projektowania i konstruowania stacji. Nasz zespół ma już doświadczenie w realizacji podobnych konstrukcji ponieważ od kilku lat konstruujemy autonomiczne roboty i urządzenia elektroniczne oparte o sterowniki mikroprocesorowe. Nasze roboty wygrywają z konstrukcjami starszych kolegów i koleżanek z liceów, techników a ostatnio nawet ze studentami! Po wielu wspólnych dyskusjach podjęliśmy decyzje o samodzielnym wykonaniu pod opieką p. Marcin Dudy projektu – komputerowej stacji do automatycznego nawadniania roślin i kontroli procesu wegetacji „SMART Plant vegetation control station”.

Plan działania

Projektowanie stacji, montaż podstawowych modułów (RTC zegary czasu rzeczywistego, moduł i oprogramowanie do zapisu na danych na karty SD, montaż przekaźników do sterowania pompą wody, symulacja i testowanie oprogramowania moduł mikrokomputera Arduino, montaż i testowania czujników wilgotności, pomiaru temperatury, oświetlenia).

Zakup mikrokomputera Raspberry Pi 3, dotykowego ekranu LCD oraz mini pompy wody, zainstalowanie, konfiguracja otwartej i uniwersalnej platformy do zarządzania funkcjami inteligentnego domu Domoticz, montaż całości modułów do funkcjonalnej obudowy oraz uruchomienie całej stacji.

Promocja projektu - konferencje , prezentacje, spotkania, realizacja spotu reklamowego.

Miejsce i czas realizacji

Szkoła Podstawowa z Oddziałami Integracyjnymi nr 98 im. H. Sienkiewicza

Projektowanie, oprogramowanie, montaż i testowanie stacji- koło - Robotics Academy - Szkoła Podstawowa Nr 98 w Krakowie

Czas realizacji projektu: rok szkolny 2019/2020

Pierwszy etap realizacji projektu:
(listopad 2019 - luty 2020)

projektowanie stacji, montaż podstawowych modułów (RTC zegary czasu rzeczywistego, moduł i oprogramowanie do zapisu na danych na karty SD, montaż przekaźników do sterowania pompą wody, symulacja i testowanie oprogramowania moduł mikrokomputera Arduino, montaż i testowania czujników wilgotności, pomiaru temperatury, oświetlenia).

Drugi etap realizacji projektu:
(marzec 2020 - kwiecień 2020)

zakup mikrokomputera Raspberry Pi 3, dotykowego ekranu LCD oraz mini pompy wody, zainstalowanie, konfiguracja otwartej i uniwersalnej platformy do zarządzania funkcjami inteligentnego domu Domoticz, montaż całości modułów do funkcjonalnej obudowy oraz uruchomienie całej stacji.

Działania promocyjne – działającą stację będziemy prezentować na spotkaniu Sekcji Inżynierii Kosmicznej koła naukowego automatyków "Integra" przy Katedrze Automatyki wydziału EAIiE na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, turniejach robotycznych, konferencjach organizowanych w Centrum Nauki Kopernik – Festiwal Przemiany 2020, Digital Youth Forum 2020 – DYF. Zrealizujemy również spot promocyjno - reklamowy na platformie YouTube i stronie Internetowej szkoły.

Korzyści dla uczniów

Wykorzystujemy umiejętności z podstawowych przedmiotów których uczymy się w szkole podstawowej: matematyka, informatyka, fizyka, technika jak również wiedzę i umiejętności które rozwijamy na zajęciach Robotcs Academy:

- programowanie mikroprocesorów jednoukładowych,

- programowanie z wykorzystaniem platformy Arduiuno,

- programowanie systemów wbudowanych,

- programowanie w języku C, C++, C# i Phyton wykorzystywanymi w minikomputerze Raspberry Pi 3

- sterowanie przekaźnikami i pompami wody,

- przesyłanie sygnałów i danych przez sieć Internet,

- projektowanie z wykorzystaniem symulacji komputerowych: LTspice IV, Electronic Circuit Simulator, CircuitMaker Student 6.2c, Fritzing,

- wykorzystanie czujników temperatury, ciśnienia , wilgotności i odległości,

- analiza i wykorzystanie danych zawartych w mierzonych parametrach,

- sterowanie urządzeniami elektronicznymi przez sieć Internet.

Stworzyliśmy zespołów w którym młodzi konstruktorzy będą odpowiedzialni za zaprojektowanie i wykonanie poszczególnych modułów stacji:

Mikołaj Nowakowski - zaprogramowania mikrokomputera Arduino, testowanie oprogramowania, optymalizacja pracy oprogramowania

Jakub Warzecha - montaż modułów elektronicznych, czujników i okablowania

Dariusz Koziara - symulacja i testowanie pracy stacji, oprogramowanie minikomputera Raspberry Pi 3, instalacja i konfigurowanie oprogramowania Domoticz

Krzysztof Kołton - projektowanie i montaż - hydro-modułu - systemu nawadniania i sterowania pompą wody

Patryk Kwaśniewski - montaż mechaniczny modułów stacji w dedykowanej obudowie, przygotowanie mechaniczne obudowy, testowanie systemów stacji

Wykorzystanie grantu

Dysponujemy już największą wartością projektu – naszą pasją, umiejętnościami i wiedzą stosowaną w praktyce!

Przyznany grant wykorzystalibyśmy na zakup brakujących elementów naszej Smart stacji: komputera Raspberry Pi 3, obudowy z przeźroczystą płytą czołową, kolorowy wyświetlacz LCD (pojemnościowy) do sterowania dotykowego stacją i prezentacji wykresów mierzonych parametrów (temperatury powietrza i gleby, natężenia oświetlenia, wilgotności gleby) oraz aktualnego stanu pracy urządzenia. Zakupilibyśmy również „serce” naszego urządzenia czyli miniaturową pompę wody do nawadniania kontrolowanych rośli.

Elementy unikatowe

Nasza Smart Stacja ma unikalne cechy użytkowe których nie posiadają żadne podobne modele dostępne na rynku komercyjnym:

- duży 7'' dotykowy, pojemnościowy ekran o rozdzielczości 800x480px do sterowania stacją,

- wyświetlanie wszystkich mierzonych i kontrolowanych parametrów,

- zapis mierzonych wartości na kartę pamięci i do chmury danych,

- modułową budowę umożliwiającą nawadnianie dowolnej ilości rośli w kontrolowanym obszarze,

- sterowanie stacją z dowolnego miejsca na Ziemi poprzez podłączenie jej do sieci Internet,
- kontrola parametrów wegetacji nadzorowanych rośli,
- stosunek ceny do możliwości urządzania wypada na korzyść naszej stacji w porównaniu z podobnymi urządzeniami na rynku komercyjnym.

Opis realizacji

Część praktyczną projektu zaczęliśmy realizować bezpośrednio po otrzymaniu grantu z wyd. Nowa Era. Nasz zapał i ogromna ilość pomysłów co do realizacji poszczególnych modułów Smart stacji spowodował że praktycznie wszystkie elementy „SMART Plant vegetation control station” zostały przez nas zmontowane i uruchomione. Potwierdzają to fotografie w załączniku z intensywnego montażu naszego projektu. Przed pandemią wirusa Wirus SARS-CoV-2 nasz zespół spotykał się 2 razy w tygodniu na praktycznej realizacji projektu. Programy sterujące poszczególnymi modułami - mikrokomputerem systemu Arduino i Raspberry Pi ver. 3 - pisaliśmy w wolnych chwilach w domu. Testowanie i walidacja oprogramowania odbywała się z wykorzystaniem dedykowanego oprogramowania - znalezione błędy i niewłaściwie działające fragmenty kodu poprawialiśmy na bieżąco . Musimy przyznać że wykazaliśmy się "szóstym zmysłem" :) tak intensywnie pracując - jakbyśmy podświadomie czuli że za chwilę będzie to bardzo utrudnione czy momentami wręcz niemożliwe. W realizacji technologicznych projektów oprócz konkretnej wiedzy technologicznej trzema mieć również trochę szczęścia - myśmy go mieli!

Wyzwania i/lub napotkane problemy

Z Powodu pandemii nie mogliśmy zrealizować ostatniego etapu projektu - zamontować całości urządzenia do dedykowanej obudowy.

Korzyści dla uczniów

Najważniejszą umiejętnością i wnioskiem dla wszystkich przyszłych grup projektowych wynikającą z osobistego (tegorocznego) doświadczenia uczniów - jest ta aby mając ciekawe, bardzo często "szalone" pomysły nie odkładać ich realizacji na "potem", "później". Masz pomysł realizuj go i swoje marzenia bo nie wiesz czy będziesz to mógł wykonać do końca!
Podczas realizacji „SMART Plant vegetation control station” uczniowie nabyli umiejętności:
- programować w języku C++ i Python,
- komunikacji w zespole (mimo niekiedy ostrej wymiany zdań i opinii):),
- lutowania podzespołów elektronicznych,
- posługiwania się narzędziami informatycznymi do projektowania i testowania urządzeń elektronicznych,
- stosować w praktyce systemy mikrokomputerów Rasberry Pi i Arduino,
- stosować w praktyce elektroniczne czujniki pomiarowe,
- posługiwania się narzędziami typu: lutownica, mini frezarka, odsysacz cyny,
- posługiwania się przyrządami pomiarowymi: multimetr, oscyloskop, generator sygnałów elektrycznych

Korzyści dla lokalnej społeczności

Projekt „SMART Plant vegetation control station” doskonale wpisał się w realizację "Ogrodu marzeń" tworzonego z Budżetu Obywatelskiego m. Krakowa przy naszej szkole. Z pewnością będzie to niezbędny, technologiczny aspekt działalności tego ogrodu i przykład jak można wykorzystać technologię w hodowli i utrzymaniu różnych gatunków roślin. Już mamy mamy plany ja zainstalować i uruchomić w ogrodzie nasz projekt!

Szczególne osiągnięcia

Pomimo ogromnych trudności zrealizowaliśmy główne założenia projektu - uruchomienie stacji!

Wnioski z realizacji

To co jeszcze raz chcemy podkreślić i co my osobiście będziemy teraz jeszcze intensywniej wdrażać podczas realizacji następnych pomysłów - "Nie czekaj działaj!"

Zmiany w stosunku do zgłoszonego pomysłu wynikające np. z zawieszenia zajęć w szkołach

Niestety zawieszenie zajęć w szkołach spowodowało że nie umieściliśmy naszej stacji w dedykowanej obudowie. Jest to jednak element niezbędny z punktu widzenia działania całości projektu i jak tylko będziemy mogli się razem spotkać zrealizujemy i ten element projektu!

Wykorzystanie grantu

Nasz grant wykorzystaliśmy do zakupu brakujących modułu i podzespołów elektronicznych:
- komputera Raspberry Pi 3 ,
- miny pompy wody,
- kolorowy wyświetlacz LCD (pojemnościowy) ,
- mikrokomputera systemu Arduino,
- czujniki: wilgotności gleby, temperatury i wilgotności DHT11, ciśnienia i oświetlenia,
- obudowa dla całego sytemu smart stacji,
- wyświetlacz alfanumeryczny LCD,
- pozostałe podzespoły elektroniczne m.in. zasilacz, przewody.

Inteligentny ogród - IoT w naszym domu

Złoty Grant

Grant Jury

Opis pomysłu

Plan działania

Miejsce i czas realizacji

Korzyści dla uczniów

Wykorzystanie grantu

Elementy unikatowe

Opis realizacji

Wyzwania i/lub napotkane problemy

Korzyści dla uczniów

Korzyści dla lokalnej społeczności

Szczególne osiągnięcia

Wnioski z realizacji

Zmiany w stosunku do zgłoszonego pomysłu wynikające np. z zawieszenia zajęć w szkołach

Wykorzystanie grantu

Załączniki

Szkoła

Adres