3ο Πειραματικό Γενικό Λύκειο Κομοτηνής

Η εργασία «Αυτόνομο Ενεργειακά Θερμοκήπιο & Εφαρμογή Smart Green House» αφορά την δημιουργία μιας μακέτας που υλοποιεί τη λειτουργία ενός ενεργειακά αυτόνομου θερμοκηπίου το οποίο ποτίζει τα φυτά με νερό βροχής και τροφοδοτείται αποκλειστικά από τον ήλιο και μιας εφαρμογής που ενημερώνεται άμεσα για το μικροκλίμα του θερμοκηπίου.

Ο προγραμματισμός του αυτοματισμού έγινε σε Arduino UNO R4 Wifi (πρόκειται για μητρική πλακέτα ανοικτού κώδικα η οποία περιέχει ενσωματωμένο μικροελεγκτή 32-bit και μονάδα ESP32-S3 Wi-Fi και διαθέτει εισόδους και εξόδους) αξιοποiώντας αρχικά το περιβάλλον προσομοίωσης Tinkercad (https://www.tinkercad.com/) και έπειτα το ολοκληρωμένο περιβάλλον ανάπτυξης (IDE) του Arduino, τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν είναι:

• 1 μεγάλη πλακέτα δοκιμών (Breadboard)
• 1 μικρή πλακέτα δοκιμών (Mini Breadboard)
• 1 αντλία νερού
• 3 ρελέ
• 2 ηλιακά πάνελ
• 1 οθόνη LCD I2C 16Χ2
• 2 σερβοκινητήρες (Micro Servo 9gr) για την κίνηση των παραθύρων
• 2 φωτοδίοδοι (κόκκινος και μπλε)
• 1 αισθητήρας για υγρασία εδάφους
• 2 αισθητήρες υγρασίας-θερμότητας αέρος (μέσα και έξω από το θερμοκήπιο)
• 1 φωτοαντίσταση (photoresistor)
• 1 αισθητήρας νερού-βροχής
• 1 αισθητήρας διοξειδίου ατμόσφαιρας
• 1 βομβητής (buzzer)
• 1 διακόπτης (button)
• Διάφορες αντιστάσεις (220Ω, 10ΚΩ)
• αρκετά καλώδια female -male, male-male, female-female
• 2 μπαταρίες
• φορτιστής μπαταριών

Επιπλέον για την κατασκευή χρησιμοποιήθηκαν:

• 1 μαύρο μακετόχαρτο μαύρο 3χιλ. 50x70εκ.
• 1 πλαστικό κουτί 15L
• 1 μικρό δοχείο νερού
• 1 διάφανο σωλήνα PVC 15 εκ.

Τα δεδομένα των αισθητήρων θερμοκρασίας και υγρασίας του θερμοκηπίου στέλνονται μέσω της πλατφόρμας ThingSpeak (https://thingspeak.mathworks.com/) στην εφαρμογή για κινητά που προγραμματίστηκε στο περιβάλλον οπτικού προγραμματισμού ΜΙΤ App Inventor (http://appinventor.mit.edu/). Επιπλέον η εφαρμογή έχει δυνατότητα αναγνώρισης 2 διαφορετικών κηπευτικών φυτών, μέσω Μοντέλου Μηχανικής Μάθησης, που εκπαιδεύτηκε με το διαδικτυακό εργαλείο Machine Learning for Kids (https://machinelearningforkids.co.uk/). Την επιμέλεια της εργασίας έχουν αναλάβει μαθητές/τριες του Ομίλου Ρομποτικής & Προγραμματισμού του σχολείου μας με απώτερο στόχο να αναπτύξουν τα ερευνητικά τους ενδιαφέροντα και να υλοποιήσουν τις δικές τους καινοτόμες ιδέες.

Αυτοματισμοί θερμοκηπίου:

1. Εξαερισμός θερμοκηπίου με αυτόματο ανοιγοκλείσιμο παραθύρων οροφής ανάλογα με την θερμοκρασία και την υγρασία, προσφέροντας πολλά πλεονεκτήματα στη σωστή ανάπτυξη των φυτών του θερμοκηπίου.
2. Αισθητήρας υγρασίας εδάφους για να διασφαλιστεί το καλύτερο δυνατό πότισμα των φυτών.
3. Έλεγχος της θερμοκρασίας με αισθητήρες και αξιοποίηση λαμπτήρα θέρμανσης.
4. Λαμπτήρας προσομοίωσης ηλιακού φωτός ώστε να αυξηθούν οι ώρες της φωτοσύνθεσης σε μια συννεφιασμένη μέρα ή κατά τις απογευματινές/βραδινές ώρες.
5. Οθόνη LCD για την εμφάνιση των δεδομένων των αισθητήρων.
6. Αυτόματη άντληση νερού από δεξαμενή βρόχινου νερού.
7. Ηλιακά πάνελ για τροφοδοσία των αυτοματισμών.
8. Διακόπτης για την αρχικοποίηση ρυθμίσεων υγρασίας/θερμοκρασίας του εκάστοτε φυτού.
9. Συναγερμός σε περίπτωση που οι τιμές υγρασίας εδάφους και θερμοκρασίας εντός του θερμοκηπίου ξεφύγουν από τα όρια καλής λειτουργίας του θερμοκηπίου.

Στην οθόνη της εφαρμογής Smart Green House παρουσιάζονται:

1. σε γραφικό περιβάλλον τα δεδομένα που έχουν συλλέξει οι αισθητήρες
2. η τρέχουσα αριθμητική τιμή κάθε αισθητήρα κατ’ απαίτηση
3. δυνατότητα αναγνώρισης φυτών, συγκεκριμένα:

• Όταν ο χρήστης πατήσει το κουμπί «Λήψη εικόνας» γίνεται λήψη μέσω της κάμερας της συσκευής.
• Η εικόνα εμφανίζεται στον καμβά της οθόνης.         
• Το Μοντέλο Μηχανικής Μάθησης "αποφασίζει" με  ποιο φυτό (ντομάτα ή κολοκυθιά) ταιριάζει περισσότερο η εικόνα.
• Εμφανίζεται το όνομα του φυτού, ποσοστό εμπιστοσύνης και εκφωνούνται χρήσιμες πληροφορίες. 
• Σε περίπτωση λάθους εκτίμησης υπάρχει δυνατότητα άμεσης εκπαίδευσης του Μοντέλου με το κουμπί «Διόρθωση Λάθους».

Το βίντεο που παρουσιάζεται η εργασία «Αυτόνομο Ενεργειακά Θερμοκήπιο & Εφαρμογή Smart Green House» βρίσκεται στον σύνδεσμο: https://www.youtube.com/watch?v=flKSjA_mgq0.

Θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε θερμά τον επίκουρο καθηγητή κ. Ζαμιούδη Χρήστο του τμήματος Αγροτικής Ανάπτυξης του ΔΠΘ στην Ορεστιάδα για το ενδιαφέρον και τον χρόνο που αφιέρωσε στην ομάδα σε διαδικτυακή συνάντηση κατά την φάση βελτιώσεων και δοκιμών της εργασίας μας, όπως επίσης  εκπαιδευτικό - γεωπόνο από το Τομέα Γεωπονίας, Τροφίμων και Περιβάλλοντος του 1^ου ΕΠΑΛ Κομοτηνής και ιδιώτη γεωπόνο της πόλης για την πολύτιμη βοήθεια τους κατά την φάση σχεδίασης και ανάπτυξης του έργου. 

Πολύτιμος και σημαντικός συνεργάτης ο κ. Μαργαρίτης Χουρμούζης, συνταξιούχος καθηγητής Μαθηματικών του σχολείου.