Аэропоника

По просьбам трудящихся, я постараюсь сделать это в виде некоего обучающего рассказа что ли. Но конечно не step by step инструкции. Краткие выдержки кода и описание алгоритмов и чего куда вообще совать что бы эти ваши показания получать. Сегодня поговорим о PH сенсорах и моем опыте. Я подразобью на более короткие посты для удобства чтения.

PH Sensor

Я пробовал 2 сенсора PH. от DF-Robot и дешевый из синего маркетплейса.

Ссылки на все я приведу в конце поста.

Сейчас я использую pH-датчик от DFRobot — он отлично подходит для непрерывного мониторинга 24/7. Показания стабильны, со временем не «плывут» (дрейф отсутствует — проверено на практике), а калибровка реализована удобно и просто. Чуть позже покажу, как она устроена на примерах кода.

А вот с дешёвым noname-датчиком всё гораздо веселее. На плате два подстроечных резистора: один, судя по всему, отвечает за калибровку нулевой точки (pH 7.0), второй — за чувствительность. Документации — минимум. Настроить этот модуль так, чтобы он давал стабильные показания, — почти как пройти Super Meat Boy на 100%… и не сломать ничего от сгоревшей пятой точки..

Стоит ли покупать дешёвый pH-сенсор? Нет и ещё раз нет. Даже если ваш код написан идеально, это не спасёт от нестабильной работы самого датчика. Через день-два показания могут начать «плавать» — pH то завышается, то занижается на 3–4 единицы без видимых причин. Сенсор просто начинает вести себя непредсказуемо.

И если у вас на такие данные завязана автоматика (например, дозаторы pH- или pH+), последствия будут неприятными: система начнёт вносить корректоры на основе ложных показаний. В итоге — испорченный раствор и потеря времени, так ещё и потраченные впустую корректоры PH.

Сенсоры от DFRobot мне показались гораздо стабильнее и надёжнее. Да, они стоят дороже, но по опыту — это оправданно. Поэтому далее всё что написано, относится к конкретно H-101 сенсору.

Подключение РH.

Подключение pH-сенсора — дело довольно простое. Информация по распиновке обычно указана прямо на сайте производителя или в описании товара (в том числе на AliExpress). Всё, что нужно — подключить выход сенсора к аналоговому входу вашей платы: будь то ESP32, Arduino или любая другая платформа.

Этот конкретный сенсор, судя по данным и практике, выдаёт сигнал до 3.3 В, так что его можно безопасно подключать напрямую к пинам ESP32 — без делителя напряжения. Я так и делаю, и всё работает стабильно. Делитель нужен, только если сенсор выдаёт до 5 В (что бывает у некоторых моделей), а ваша плата работает от 3.3 В. В случае с классической Arduino делитель не нужен, так как она спокойно воспринимает до 5 В на аналоговых входах.

Калибровка PH.

Калибровка pH-сенсоров всегда выполняется с помощью буферных растворов — это жидкости с точно заданным значением pH. Калибровка может быть двух- или трёхточечной: чем больше точек, тем точнее можно подогнать датчик под реальный диапазон.

Буферные растворы бывают в виде порошков (которые нужно растворить) или уже готовые к использованию. Их подбирают так, чтобы они охватывали рабочий диапазон измерений.

В моём случае я использую двухточечную калибровку — по значениям pH 4.0 и pH 7.0, чего вполне достаточно для контроля большинства питательных растворов.

Сама калибровка проходит в два последовательных этапа. Сначала сенсор промывается в дистиллированной воде и аккуратно просушивается (я использую салфетку, не протирая стекло — просто промакиваю). После этого сенсор помещается в буферный раствор с pH 4.0. Ждём, пока значения напряжения стабилизируются, и нажимаем кнопку калибровки по pH 4.0 — первый этап завершён.

Далее — всё то же самое, но уже с раствором pH 7.0. После второго нажатия кнопки калибровки сенсор готов к работе.

А вот и фрагмент кода, который у меня отвечает за калибровку pH-сенсора. Он используется при нажатии кнопки калибровки (по pH 4.0 или 7.0):

Что делает эта функция:

1. Считывает напряжение с pH-сенсора и проверяет, стабилизировалось ли оно (внутри readStablePHVoltage).

2. Если сигнал нестабилен, калибровка прерывается и выводится предупреждение в лог.

3. Если всё в порядке, сохраняет измеренное значение в EEPROM, устанавливает флаг flag = true, и выводит подтверждение об успешной калибровке.

4. Используется отдельно для pH 4.0 и pH 7.0, передавая соответствующую метку (label), адрес в EEPROM и переменную для сохранения значения.

5. Функции logToWeb/logF/logMessage - это обертки для логирования, вместо них вы можете использовать простые Serial.println и тд.

   
   Функция считывания напряжения для калибровки, выглядит вот так:

Функция readStablePHVoltage используется для получения надёжного и стабильного значения напряжения с pH-сенсора перед калибровкой.

Сначала она делает 20 аналоговых замеров с небольшими паузами между ними. Значения переводятся в милливольты и сохраняются в массив.

После этого вычисляется среднее напряжение, а слишком сильные выбросы (если разница с средним превышает 500 мВ) игнорируются — они заменяются на усреднённое значение.

Далее считается стандартное отклонение (σ) — если оно меньше 30 мВ, сигнал считается стабильным и пригодным для калибровки. В противном случае функция сообщает в лог о нестабильности и отменяет процесс.

Кроме самого результата, в лог отправляется подробная информация: все замеры, среднее, минимум, максимум и разброс значений. Это помогает при отладке и повышает надёжность всей системы.

Измерения PH

При измерениях любых параметров жидкости необходимо учитывать её температуру, так как это напрямую влияет на точность показаний. Особенно это критично для pH — с повышением температуры активность ионов водорода возрастает, и даже идеально откалиброванный сенсор начнёт показывать отклонения. В модуле который использую я, по заявлениям уже учитывается этот фактор. Поэтому в моих функциях нет реализации температурной компенсации.

Собственно сама функция чтения PH. В ней мы уже обращаемся к другой функции считывания напряжения. Она гораздо больше фильтрует значения напряжения, и не мешает при этом калибровке. Именно поэтому их тут две.

Для получения чистого и стабильного сигнала с pH-сенсора я использую многоступенчатую фильтрацию.

Всё начинается с простого усреднения — берутся 30 замеров подряд, и по ним считается среднее напряжение.

Затем подключается медианный фильтр: он отсеивает выбросы, которые могли случайно попасть в серию замеров. После этого применяется скользящее среднее, чтобы ещё больше сгладить возможные резкие скачки.

И в конце — финальный этап: IIR-фильтр (экспоненциальное сглаживание), который делает сигнал максимально плавным, но при этом достаточно быстрым в реакции на изменения. Такой подход позволяет получать надёжные и устойчивые данные, на которые уже можно опираться при расчёте текущего уровня pH или при управлении системой.

Заключение.

Таким образом я измеряю PH своего раствора.
Вот обещанные ссылки на компоненты из этого поста:

https://aliexpress.ru/item/1005001317266554.html?spm=a2g2w.o...

https://aliexpress.ru/item/1005006366896348.html?sku_id=1200...

https://www.ozon.ru/product/komplekt-kalibrovochnyh-rastvoro...

Дальше останется только привязать это к вашим интерфейсам взаимодействия с пользователем и в целом готово. Не претендую на какую то 100% правильность, вы можете сделать это иначе, но сейчас у меня работает отлично всё, напомню, что я в первую очередь 3д художник, который открыл для себя мир программирования и контроллеров)

Спасибо за внимание! Надеюсь скоро выпущу про TDS/EC сенсор, температурный датчик.

Собственно продолжение поста про моё устройство для выращивания различных растений.

Первая часть тут - Действительно умная гидропоника. Часть 1.

• Функция измерения веса. Покажу конструкцию в 3д, так как показывать её в реальности весьма затруднительно. Я использую 60мм горшочки для гидропоники, поэтому проектировал под себя и свои нужды.
  
  

Собственно на изображениях видно, по центру стоит тензодатчик и вокруг него равноудаленно 7 слотов под горшочки с субстратом. От тензодатчика провод идет в АЦП HX711, но тут было несколько ньюансов:
А) Обязательно заэкранировать кабель подключения от самого тензодатчика(я обернул экраном наполовину) и довести экран до АЦП.
Б) Провести провод так, что бы если по нему капилярным эффектом начнет подниматься вода, он не добрался до датчика. Я сделал простую петлю и разместил его выше чем сам тензодатчик. Таким образом вода точно никак не попадет на АЦП.
Сам же АЦП в герметичном корпусе. и вынесен отдельно от системы и подключается через TYPEC-TYPEC провод любой длины.

Это нужно для того, что бы провода от тензодатчика и до АЦП были как можно короче. а цифровой сигнал уже все равно на какое расстояние и с какими помехами передавать.

Собственно сама функция измерения веса не замысловата и просто измеряет вес всего что стоит на ней. Тарирована вместе с платформой по умолчанию. Калибровка осуществляется по известному весу и выборкой в 50 измерений. Опять же, я встретил достаточно много проблем с этой фичей, но все удалось побороть.
1) Проблема влажного субстрата. Я знаю сколько весит горшочек с сухим субстратом и с мокрым. Но вода штука капающая. И эти самые капли, на начальных этапах роста дают не просто шум, а шумище. То есть когда растения весят 0.02 грамма, это начинает становится серьезной проблемой. Был введет флаг полива, и примерная интерполяция по времени, за сколько "худеет" горшочек от воды. + мы знали начальный и конечные веса. Это помогло уменьшить шум от измерений. Затем сверху накладывается алгоритм среднего, лимитации пиков (по сути фильтрация сигнала, если он превышает порог, то значит это значение либо шум, либо вода) и просто большая выборка на одно измерение, и вес стал стабильно учитываться.
2) Проблема контрафакта. Очень, ООЧЕНЬ много контрафакта на OZON. 2 штуки HX711 купленные мной, были с затертыми микрухами, неотмытым флюсом и шумели хуже чем пьяный сосед вася, периодически отваливались и отказывались измерять показания во всех режимах. (40\10), причинно следственной связи установить не удалось. В стерильном скетче и с идеальным подключением, вели себя неадекватно. Лишь на 3 раз удалось приобрести действительно хороший модуль, который ведет себя как заявляет производитель. На удивление он даже выглядел иначе.

Собственно, я упомянул, про распределение веса. у меня в системе 25 слотов на данный момент. (без весов 27). Так вот для каждого из слотов можно вычислить свой вес. Даже если растение не на весах, нужно что бы оно хотя бы раз там побывало единственное что.
Работает это по принципу "разумного распределения", у каждого слота в системе есть свой индекс и 1 или 0 является ли этот индекс весами или нет. Если мы знаем, что растение например в системе 15 дней и оно одно сидит на измерительной платформе, то формула следующая

вес платформы - вес горшка - вес субстрата = вес этого конкретного растения.

Если на платформе сидят условно 5 растений, то этот вес просто делится на 5, при соблюдении того факта что это та же партия выращеваемых растений. (помните в предыдущем посте мы задавали количество посаженных растений? вот вот, там же и формируется уникальный ID посадки)

А дальше магия. У нас для каждого поддерживаемого растения системой,базово прописан теоретический вес, который перезаписывается реальным во время использования. Ну то есть по большому счету, некое самообучение.
И логично предположить, что растение сидящее на весовой платформе в слоте с индексом 1, которому 5 дней примет массу A, а растения например в индексе 4,5,6 которым уже 25 дней, примет массу Общая масса растений - масса А / 3. Собственно как то так. А дальше, когда мы знаем уже реальную массу каждого растения, системе собственно не сложно предположить, что остальные растения из этой партии но в слотах не на весах, весят примерно столько же. И она присваивает массу уже этим растениям. Собственно как то так, это весьма сложно объяснить как оказалось. А дальше можно оставить на весах 7 уникальных растений например и с помощью этого алгоритма наблюдать за их поведением в зависимости от например различных факторов. (температуру поднять, чо будет? дать больше EC? и тд. ) все это пишется, запоминается и анализируется.

Видно на графике, что сейчас салаты на платформе в стадии активного роста и прибавляют примерно по 0.1кг в сутки, что очень даже не плохо. Сейчас пару дней назад я снизил дозу EC до 1.2, до этого было 1.6, дальнейшие наблюдения покажут, осталась ли прежней скорость набора зеленой массы или замедлится.
Салат Мини Ромэн.

Внешне это выглядит вот так:

Контейнер

Ну что бы далеко не отходить уже от конструкции, чуть вильнем в эту сторону. Это тоже отдельный и большой этап.

Контейнер для выращивания у меня сделан из ПВХ пластика на фрезерном ЧПУ. Тоесть по сути это был конструктор для склеивания. Клеил специальным клеем и сверху проходился ещё герметиком, тк вода может стоять в процессе эксплуатации весьма большим объемом. (около 1.8 литров. Возможно это не доработка и я поправлю в следующей генерации этот момент, но пока все работает отлично. Спроектирован так, что бы на обычном принтере можно было напечатать 3 крышки для высаживания растений и что бы влез в обычный металический стеллаж. Как по высоте так и по ширине. Идеально входил в стеллаж 800*300, тк изначально собственно под него и проектировался.

Расположение самих форсунок тоже важно. Разместить их надо таким образом, что бы будущая корневая система не загородила собой одну\две\три из форсунок и не отняла питание у остальных растений, так же надо учесть что бы струя не била напрямую в горшочки, а увлажняла воздух вокруг, ну и естественно что бы это не было так, что из щелей фигачит водяной туман и увлажняет все вокруг и вокруг системы лужи.

Я сделал около 4-5 вариантов в модели, примерно просчитал конусами ~55 градусов, что соответствует моему давлению и диаметру форсунок. И самый нормальный вариант как по мне, без лишнего изобретательства велосипеда, это разместить их на будущем уровне воды внизу под 35 градусов к поверхности. Так же они заполняют пробелы друг друга. По одному борту стоят 4, по другому тоже 4 но со смещением на около 50мм.

На дне имеются укрепления в виде полосок того же пластика, что необходимо для того что бы днище не прогибалось под весом жидкости и конструкция получилась легкой и жесткой и так же укреплены сами стенки ближе к крышке такими же полосами, что бы надежнее их скрепить между собой и дать опору для прямоугольника под печатные крышки уже.

Конструкция бака

Тут особо рассказывать нечего. Тут я не изобретал велосипед и сделал из контейнера удовлетворившего мои условия. Он должен закрываться плотно на защелки и быть не прозрачным, подходить по размеру. В принципе это всё. Дальше дело техники, я все монтировал на крышку, что бы при необходимости её поднять и вытащить сам бак и помыть\заполнить водой или что то ещё сделать, но честно я этого не делаю)) потому что заливаю воду просто в контейнер и она сама наполняет бак, но ситуации могут быть разные. Для обслуживания единственное что важно было, это не крепить ничего на сам контейнер, тк провода или шланги в дальнейшем будут мешать его обслуживанию.
Единственное что пришлось сделать, это закрепить на быстросъемном печатном креплении датчик наличия воды на безопасном для насосе уровне. Если вдруг я все таки не увижу отсутствие раствора, он отключит насос и не даст ему работать вхолостую.

Продолжаем по функциям (системные функции)

• Диспетчер задач. Да да, вы не ослышались. У меня есть свой диспетчер задач с блэкджеком и памятью. На самом деле вещь сугубо дебажная. Показывает она приоритет, ядро исполнения, сколько стека ест та или иная задача, за сколько выполняется и есть ли опасность краша системы по Watchdog, так же есть апи поинты для остановки или перезапуска задач, но пока в интерфейс не интегрировал ещё. Конечно это касается только задач FreeRTOS, задачи в Loop цикле при этом никак не отображаются.

Лог система

• Лог система, это отдельная вещь, тк в такой сложной системе надо логировать всё и ещё раз всё что можно. Но все же сталкивались с тем что в луп написал println и значение и больше в логах ты не хозяин. Да, конечно можно Усовершенствовать это делеями, а лучше миллисами или yield ами, но это разве гибкость? Когда логов становится много. Нет, не так. МНОГО, ОЧЕНЬ МНОГО, за пару секунд собирается 30-40 строк, пора что то с этим делать. А ведь так не хочется трогать уже сделанное полезное логирование, вдруг оно опять понадобится позже. Поэтому я уже известным путем и пошел. Сделал просто обертки для функций логирования, но уже с аргументами уровня логирования. DEBUG INFO WARNING ERROR. И собственно параметрами куда это самое логирование отслыать, в телегу на сд карту или в веб интерфейс. В тг просто по приколу, я хрен знает зачем, мне ни разу не пригодилось. А вот на SD очень даже, в связи с этим на фронте на самой ESP появилась даже кнопочка скачать лог. Пришлось ограничить правда размер до 4мб, как правило этого хватает для всех нужд. Но не было печали купила баба порося, это то я все сделал, но как отлавливать PANIC/WDT и прочие неприятности когда ты по ошибке вылез за предел массива или сожрал весь HEAP? Правильно, взять дешман ESP32Dev модуль и подцепить его TX\RX2 в RX\TX0 на Main ESP32S3 и заставить его читать вообще всё и отсылать по вебсокету на свой веб интерфейс. А ещё можно прикрутить кнопку принудительной перезагрузки контроллера, перепрошивки без необходимости лезть в корпус и подсоединять USB.

Тут же прикрутил и фильтрацию логов по системам которые определяются автоматически, прикрутил MQTT для удаленного перезапуска Main и самое главное, на SLAVE сохраняются все Backtrace c Master контроллера и коды ошибок для дальнейшей диагностики + лог за минуту до критической ошибки. И вот это уже настоящая имба. Ты буквально независим от ошибок и USB провода и можешь прочитать всё что тебе нужно независимо от того, что с Master контроллером. Так ещё и ладно, эту идею можно развить и дальше, Slave контроллер может быть и резервным контроллером. Например самые важные функции это полив и свет, вполне можно автоматически дублировать и управлять теми же самыми реле при отключении Master контроллера. Уведомлять пользователя и тд. В будущем такое обязательно будет, но количество лапши внутри корпуса уже заставляет дергаться оба глаза. Поэтому потом, когда нибудь.

Резюмируя систему логирования, она получилась мощная, быстрая, понятная и самое главное удобная для использования. А большего мне и не надо. Красивости в ней только мешают, поэтому тут дизайна как такового и нет.

MQTT и умный дом.

Так же отдельный большой раздел.

Обычно я не шел дальше ручной подписки на нужные топики, но тут что то захотелось ну прям автоматически все чтоб было. Итог таков. Если у вас дома есть Home Assistance и стоит расширение MQTT, вам больше ничего не надо делать. Все найдется и добавится в систему автоматически как надо и без танцев с конфигурациями, отдельным устройством, в котором усе уже сконфигурировано как нужно.

Конечно забавно, но виртуальные реле из HA добавляются снова в HA, можно исправить, но не вижу смысла)

Не знаю, тут особо рассказывать то больше и нечего, из HA можно прокинуть уже куда хотите, хоть в Apple Home, хоть в Алису. Задавать сценарии и тд. В будущем возможно я расширю возможности настроек MQTT, что бы можно было выбрать а что конкретно вообще по этому вашему MQTT передавать то, но пока это жестко захардкожено и он передает все сенсоры и все реле. А больше как будто и не нужно, разве что блокировку таймеров и их настройку ещё бы завести, но как будто ту мач.

Система

Отсюда, можно забэкапить всё, что происходит в системе. конфигурацию реле, насосов, удобрений, бака, посадки и так далее и тому подобное. Всё качается в ZIP архиве и так же восстанавливается в одну кнопку на чистой системе. Это очень очень полезно, тк я за время тестирования и кучи форматирований флешек и Spifs просто устал заполнять всё руками. А так же помогает если вдруг вы сменили SD или отчистили SPIFS обновив прошивку. (Дада, кнопка файловой системы называется LittleFS так это потому что я всегда их путаю, но в данном проекте SPIFS)

Ну и возможность обновить систему через OTA .bin или обновить сам веб интерфейс, чего я делать больше не планирую.

Telegramm

Это последняя в этом посте система, телеграмм уведомления.

Ну и конечно, система может выслать вам неприятные сообщения, которые вас уже изрядно бесят.

Каждый запуск системы, это куча проверок на работоспособность всех микросервисов системы. И их запуск. О чем телеграмм бот и сообщает. Тут немного дублируется логирование, тк STILL BETA. Но ничего)

Давайте на этом закончим вторую часть. В третей, я хотел бы рассказать уже о датчиках, их калибровке, температурных компенсациях, проблемах, шкалах NaCl и других. Австралийских аршинах в измерении EC. А в четвертой, если успею доделать 4.2, расскажу об интерфейсах взаимодействия с фермой. (Веб интерфейс, экран Nextion) вообщем очень много какой инфой могу поделится в этом цикле постов.

Приветствую Вас Камрады.
Начал интересоваться темой прогрессивного растениеводства ещё с начала 2009 когда заочно поступил на факультет "автоматизации компьютерных и серверных систем".

Начиналось всё с безобидной земли, потом перешёл на гидропонику, DWC, периодика, капельный полив(возвратный и невозвратный), затем при получении второго среднего образования решил замахнуться на королеву всех королев - аэропонику с автоматом Arduino с 6 датчиками сбора информации культивируемой среды. Затем освоил Ионопонику, минеральное питание, и кокос. Изрядно н@еб@вшись с этими Ph tds etds метрами, кислотой и щелочью решил все это собрать и выкинуть на помойку.

Попросил карифана со старого коровника принести перегноя и сапропеля, пошел в курятник и собрал 20л помёта свежего и поставил его бродить через герметичную капельницу - чтобы создать чернозем.

Честно сразу признаюсь что выше написанное полная х*йн@. Нет ничего круче ЗЕМЛИ и точка, тем более кто только начинает знакомится с темой. Фото сами скажут за себя. кто хочет Холивара прошу выступить в комментах. Добродушным и интересующимся прошу оказать обратную связь, поэтапно расскажу за каждую из технологий....

С уважением, sk14chieftain

Хочу поделиться чем я сейчас занимаюсь. Вдруг есть единомышленники или совет от кого то дельный будет. Да в общем и отрезвляющий пинок вполне сгодиться может. Чуток предисловия. Я торговал на маркетплейсаз примерно 2,5 года. Накопил немного денюшек и решил что надо бы бизнес какой то мутить новый, т.к. модель купи продай надоела чуток. В поисках идеи и вдохновения я примерно два месяца бухал не просыхая, а потом вдруг однажды мне приснилось что я на грядках че то копаюсь че то сажаю. Утром я сказал жене что хочу стать сити фермером и займусь гидропоникой, тем более всякие салаты и зелень вещь полезная и востребованная. В интернетах с одной стороны инфы навалом с другой практически ничего полезного. Кто то продает готовые гидропонные установки по цене квартиры в каком нибудь не дефолт сити. Окупаемость такой покупки я посчитал что довольно сомнительная. Решено было собрать установку самому из говна и палок, но чтоб еще круче чем модели в продажах. А еще круче это полноценные аэропонные установки с туманообразованием. В теории они должны давать +30% к росту растений и потреблять меньше воды. Я начал изучать эту тему чуть глубже и понял что таких ферм на самом деле практически нет в нашей стране и в основном самые продвинутые останавливаются на установках с дождевателями что по идее никак нельзя отнести к полноценной аэропонике. Мне на самом деле самому интересно собрать такую штуку и проверить насколько быстрее будет расти зелень по сравнению с традиционной посадкой или гидропоникой. На данный момент я по просшествии почти 2,5 месяцев и пары сотен тестовых запусков уже почти завершил сбор установки на 4 стеллажа. Сейчас я понимаю что я мог бы уложиться в неделю если бы можно было все детали быстро достать и делать сразу все по уму, но имеем что имеем. Надеюсь в ближайшие недели смогу выложить первые фото с полностью собранной установкой, а потом и с первым урожаем. В общем буду двигать отечественное фермерство и хочу стать самым передовым и инновационным фермером в мире! Поделайте удачи! Если есть советы что почитать или что посмотреть буду рад любой помощи. Если есть кто то кто уже этим занимается и готов делиться опытом давайте знакомиться и дружить.