МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ ШКОЛА № 4»

ЕМАНЖЕЛИНСКОГО МУНИЦИПАЛЬНОГО ОКРУГА

ЧЕЛЯБИНСКОЙ ОБЛАСТИ

Индивидуальный проект

«ИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ И ПРИМЕНЕНИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ В АГРОПРОМЫШЛЕННОСТИ НА ПРИМЕРЕ СИСТЕМЫ АВТОПОЛИВА»

Тип проекта: исследовательский

Выполнил: Кузьмин Е.В.,

ученик 10 «А» класса

Наставник:

Фазуллина Н.А.,

учитель физики

г. Еманжелинск, 2026 г.

Содержание

Пояснительная записка 3
1.Теоретическая часть 5
1.1 Основы микроэлектроники в агротехнике 5
1.2 Датчики и методы измерения параметров почвы и среды 7
1.3 Контроллеры и микрокомпьютеры для автоматизации 9
1.4 Актуаторы и исполнительные механизмы 11
1.5 Энергетическое обеспечение автономных систем 12
1.6 Экологические, экономические и социальные аспекты внедрения микроэлектроники в агропромышленности 13
2. Практическая часть 14
2.1 Анализ существующих решений и обзор литературы 14
2.2 Постановка задач практической части. Критерии требований к системе и выбора компонентов 15
2.3 Сборка системы автополива в домашних условиях. Общая концепция и описание прототипа 16
3. Результаты и практическая ценность 23
3.1 Сравнение ожидаемых и полученных результатов 23
4. Экономическая оценка и масштабирование 24
4.1 Стоимость прототипа и оценка окупаемости при масштабировании 24
4.2 Варианты расширения системы для огорода/теплицы/фермы 25
Заключение 26
Список используемой литературы 27
Приложения 28

Пояснительная записка

В настоящее время агропромышленность занимает огромную часть мировой экономики и, в частности, российской (5% ВВП страны) в следствии чего требует постоянной модернизации труда и новых научных открытий для более эффективной работы как техники, так и персонала. В первую очередь такие открытия касаются общей механизации всего Агро сектора. Механизация достигается развитием крупного машиностроения (комбайны, трактора, прочая сельхоз техника) и развитием сложных систем микроэлектроники, отвечающих за общий мониторинг, управление системами обеспечения условий для сельхоза культур и прочими системами, помогающими повысить механизацию всего агрокомплекса в следствии чего уменьшить затраты и фактор человеческих ошибок. Совокупность этих улучшений поможет повысить годовую урожайность растительных культур что, несомненно, положительно скажется на экономике страны. Примером самой простой механизации агротруда может послужить система автополива. Она поможет смоделировать основные направления модернизации и способы их выполнения.

Актуальность:

Во многих компаниях всегда стоит вопрос о модернизации агрокомплекса с максимальной эффективностью при затрате минимальных средств. Это неотъемлемая часть всего сельхоз сектора, а значит является почти главным фактором развития и главной целью инженеров, техников и другого квалифицированного персонала.

Проблема

В современных условиях сельского хозяйства и домашнего садоводства наблюдаются острые вопросы рационального расходования воды, снижения трудозатрат и повышения устойчивости выращивания растений при изменчивых климатических условиях. Традиционные методы полива часто приводят к перерасходу воды, неравномерному увлажнению почвы и стрессам для растений из‑за человеческого фактора или отсутствия регулярности. В то же время внедрение микроэлектроники в агросектор остаётся неполноценным на уровне малых хозяйств и домашних теплиц: готовые коммерческие решения бывают дорогими или неадаптированы под локальные условия, а практических наглядных учебных образцов для обучения и отладки мало. Всё это создаёт проблему необходимости доступного, энергоэффективного и простого в эксплуатации автоматизированного решения для точного полива, которое можно адаптировать под разные объёмы и типы растений.

Практическая значимость

Разработка и создание системы автополива на базе микроэлектронных компонентов решает несколько прикладных задач: обеспечивает экономию воды за счёт полива по показаниям датчиков влажности, снижает трудозатраты и позволяет поддерживать оптимальные условия для роста растений независимо от наличия человека. Внедряемая система служит рабочим прототипом, который можно использовать в домашних условиях, в школьных теплицах и небольших огородах, а при масштабировании – и в коммерческих теплицах. Практическая значимость проекта также заключается в образовательном эффекте: разработка прототипа даёт опыт работы с датчиками, микроконтроллерами, исполнительными устройствами и алгоритмами управления, что повышает техническую грамотность участников и готовит базу для дальнейших инженерных решений. Кроме того, использование автономных источников питания и модулей связи делает систему более независимой и пригодной для отдалённых объектов, а документированные результаты позволяют оценить экономическую и экологическую эффективность внедрения автополива.

Цель проекта: создание в домашних условиях автоматизированной системы автополива для моделирования основных направлений модернизации сельхоз комплекса.

Задачи проекта:

1. Проанализировать доступную информацию об агротехнике;

1. Разобрать информацию об общей микроэлектронике в агротехнике;

1. Изучать принцип работы систем автополива;

1. На основе полученной информации сконструировать систему автополива;

1. Провести тесты системы и подвести итоги её работы.

Гипотеза: автополив на базе микроэлектроники уменьшит расход воды по сравнению с ручным поливом.

1. Теоретическая часть

1.1 Основы микроэлектроники в агротехнике

Микроэлектроника – это область в электронике, связанная с разработкой и применением электронных устройств малого размера, таких как микроконтроллеры, датчики и интегральные схемы. В агротехнике она играет ключевую роль в автоматизации процессов выращивания растений и управления сельскохозяйственными системами.

Современная агротехника активно использует технологии, объединённые понятием точное земледелие. Их цель — повышение урожайности при одновременном снижении затрат ресурсов (воды, удобрений, энергии).

Основные компоненты микроэлектронных систем

В агротехнических установках применяются следующие элементы:

• Микроконтроллеры – «мозг» системы. Они обрабатывают данные и управляют устройствами. Отличным примером может послужить микроконтроллеры типа Arduino или raspberry pi;

• Датчики — устройства для измерения параметров окружающей среды: влажность почвы, температура, освещённость, уровень воды;

• Исполнительные устройства — механизмы, выполняющие команды микроконтроллеров: насосы, клапаны, моторы, реле, лампы;

• Источники питания — обеспечивают работу системы (блоки питания, аккумуляторы, солнечные панели, ионисторы).

Принцип работы автоматизированных систем

Работа микроэлектронной системы в агротехнике строится по следующему принципу:

1. Датчики собирают информацию из окружающей среды (например, влажность почвы);

1. Микроконтроллер обрабатывает данные по заданному алгоритму;

1. При необходимости подаётся сигнал на исполнительное устройство;

1. Система автоматически регулирует процесс (например, включает полив);

Такой подход позволяет создать автономные системы, минимизирующие участие человека.

Применение микроэлектроники в агротехнике

Основные области применения:

• системы автоматического полива;

• теплицы с климат-контролем;

• мониторинг состояния растений и почвы;

• умные фермы (Smart Farming).

Преимущества использования

Использование микроэлектроники даёт ряд преимуществ:

• экономия воды и ресурсов в связи с более точным потреблением ресурсов (исключает человеческие механические неточности);

• повышение урожайности культур благодаря точному воспроизведению идеальных условий;

• снижение количества человеческого труда и человеческого фактора в Агро промышленности;

• точность и стабильность работы всего комплекса;

• возможность удалённого управления всеми системами единовременно.

1.2 Датчики и методы измерения параметров почвы и среды

Для эффективной автоматизации агротехнических систем необходимо получать точную информацию о состоянии окружающей среды и почвы. Это достигается с помощью различных датчиков, работа которых основана на физических принципах измерения.

Основные измеряемые параметры

В агротехнике контролируются следующие параметры:

• влажность почвы;

• температура воздуха и почвы;

• освещённость;

• влажность воздуха;

• уровень воды.

Эти данные позволяют системе принимать решения, например, о включении полива или изменении условий выращивания.

Датчики влажности почвы

Одним из ключевых параметров является влажность почвы. Для её измерения используются:

• Резистивные датчики. Работают на основе изменения электрического сопротивления почвы. Чем больше влаги — тем ниже сопротивление.
  Недостаток: подвержены коррозии и быстро выходят из строя.

• Ёмкостные датчики. Основаны на изменении ёмкости в зависимости от влажности почвы. Связаны с диэлектрическая проницаемость среды. Более долговечны и стабильны чем резистивные.

Датчики температуры

Температура влияет на рост растений и испарение влаги. Используются:

• цифровые датчики (например, DS18B20)

• термисторы (изменяют сопротивление при изменении температуры)

Принцип работы основан на зависимости электрических параметров материалов от температуры.

Датчики влажности воздуха

Для измерения влажности воздуха применяются комбинированные датчики, такие как DHT11 или DHT22.

Они работают на основе изменения электрических свойств чувствительного элемента при изменении содержания водяного пара в воздухе.

Датчики освещённости

Освещённость влияет на фотосинтез растений (фотосинтез).

Используются:

• фоторезисторы (LDR) — меняют сопротивление в зависимости от света;

• фотодиоды — генерируют ток под воздействием света.

Датчики уровня воды

Для контроля воды в резервуаре применяются:

• поплавковые датчики;

• ультразвуковые датчики (измеряют расстояние до поверхности воды).

Методы обработки и измерения

Датчики передают данные в микроконтроллер (например, Arduino Uno), где происходит:

• преобразование аналогового сигнала в цифровой;

• фильтрация помех;

• сравнение с заданными порогами;

После этого система принимает решение о дальнейших действиях.

1.3 Контроллеры и микрокомпьютеры для автоматизации

Автоматизация агротехнических процессов невозможна без использования вычислительных устройств, которые обрабатывают данные с датчиков и управляют исполнительными механизмами. К таким устройствам относятся микроконтроллеры и микрокомпьютеры.

Микроконтроллеры

Микроконтроллер – это компактное электронное устройство, включающее в себя процессор, память и периферию на одной плате. Они широко применяются в системах автоматизации благодаря своей простоте, надежности и низкому энергопотреблению.

Наиболее популярные платформы:

• Arduino – простая и доступная платформа для прототипирования;

• Espressif Systems (ESP32, ESP8266) — микроконтроллеры с Wi-Fi и Bluetooth способные выполнять задачи схожие с задачами Arduino;

• STMicroelectronics (STM32) — более мощные и профессиональные решения для выполнения работ выше уровня.

Преимущества микроконтроллеров:

• низкое энергопотребление;

• высокая надежность;

• работа в реальном времени;

• простота подключения датчиков и реле, и прочей периферии.

Недостатки:

• ограниченные вычислительные ресурсы;

• отсутствие полноценной операционной системы.

В агротехнике микроконтроллеры используются для:

• управления автополивом;

• контроля температуры и влажности;

• включения освещения и вентиляции.

Микрокомпьютеры

Микрокомпьютер – это более мощное устройство, фактически представляющее собой полноценный компьютер с операционной системой схожей с ПК.

Пример:

• Raspberry Pi — один из самых популярных микрокомпьютеров.

Преимущества микрокомпьютеров:

• высокая вычислительная мощность;

• возможность работы с базами данных;

• подключение к интернету и облачным сервисам;

• запуск сложных программ (например, анализ изображений растений, ии).

Недостатки:

• большее энергопотребление;

• более сложная настройка;

• менее надежная работа в жестких условиях.

В агротехнике микрокомпьютеры применяются для:

• мониторинга теплиц через интернет;

• обработки данных с множества датчиков;

• систем «умной фермы»;

• компьютерного зрения (например, определение состояния растений).

Таблица 1

Сравнение микроконтроллеров и микрокомпьютеров

Характеристика	Микроконтроллер	Микрокомпьютер
Производительность	Низкая	Высокая
Энергопотребление	Низкое	Среднее/высокое
ОС	Нет	Есть (Linux и др.)
Надежность	Высокая	Ниже
Цена	Низкая	Выше

1.4 Актуаторы и исполнительные механизмы

Актуаторы (исполнительные механизмы) – это устройства, которые выполняют физические действия на основе команд от контроллера. В системах автоматизации они являются завершающим звеном, преобразующим электрические сигналы в механическое движение, подачу воды, воздуха или света.

Таблица 2

Основные виды исполнительных устройств

Вид исполнительного устройства	Виды	Применение
Реле – это электромеханическое устройство, позволяющее управлять мощной нагрузкой с помощью слабого сигнала от микроконтроллера.	электромеханическое релетвердотельное релереле времени	включение насосов; управление освещением; включение вентиляторов.
Электрические насосы – насосы, используемые для подачи воды в системах автополива.	погружные; поверхностные.	подача воды к растениям; поддержание давления в системе полива.
Электромагнитные клапаны – клапаны регулируют поток жидкости или газа.	По рабочему принципу:клапан прямого действия;клапан пилотный.По среде применения: для воды;для газа и воздуха;для агрессивных сред.	автоматическое открытие/закрытие подачи воды;дозированный полив.
Электродвигатели, используются для создания движения.	DC-двигатели; шаговые двигатели; сервоприводы.	открытие тепличных окон; поворот камер или датчиков; перемещение механизмов.
Осветительные устройства –искусственное освещение необходимо для роста растений при недостатке солнечного света.	LED grow light	стимуляция фотосинтеза; регулирование светового режима.

Принцип работы актуаторов в системе

1. Датчики фиксируют параметры среды (влажность, температура и др.);

1. Микроконтроллер обрабатывает данные;

1. При необходимости подается сигнал на актуатор;

1. Исполнительное устройство выполняет действие (например, включает насос).

1.5 Энергетическое обеспечение автономных систем

Энергетическое обеспечение является ключевым элементом автономных систем, так как именно от источника питания зависит стабильность, длительность и надёжность их работы. В агротехнических и автоматизированных системах применяются различные виды источников энергии, выбор которых определяется условиями эксплуатации, требуемой мощностью и уровнем автономности.

Основными источниками питания являются:

1. Аккумуляторные батареи

Наиболее распространённый вариант для автономных систем. Используются литий-ионные (Li-ion), литий-полимерные (Li-Po) и свинцово-кислотные аккумуляторы.

Преимущества:

• высокая мобильность;

• возможность многократной перезарядки;

• стабильное напряжение.

Недостатки:

• ограниченная ёмкость;

• необходимость регулярной подзарядки;

• деградация со временем.

2. Солнечные панели

Применяются для увеличения автономности системы, особенно в сельском хозяйстве. Солнечные батареи преобразуют энергию солнечного излучения в электрическую.

Преимущества:

• возобновляемый источник энергии;

• снижение зависимости от внешних сетей;

• экологичность.

Недостатки:

• зависимость от погодных условий;

• необходимость использования контроллеров заряда;

• относительно низкая мощность.

3. Сетевые источники питания

Используются при наличии доступа к электросети. Обычно применяются блоки питания, преобразующие переменное напряжение в постоянное.

Преимущества:

• стабильная работа;

• отсутствие ограничений по времени работы.

Недостатки:

• отсутствие полной автономности;

• зависимость от инфраструктуры.

4. Гибридные системы питания

На практике часто используются комбинированные решения, например, солнечная панель + аккумулятор. Днём система работает от солнечной энергии и заряжает аккумулятор, а ночью — от накопленной энергии. Это позволяет значительно увеличить время автономной работы.

Компоненты системы энергоснабжения

Автономная энергетическая система включает следующие элементы:

• источник энергии (аккумулятор, солнечная панель);

• контроллер заряда (регулирует процесс зарядки аккумулятора);

• стабилизатор напряжения (обеспечивает постоянное напряжение для электроники);

• потребители энергии (датчики, микроконтроллеры, насосы, двигатели).

1.6 Экологические, экономические и социальные аспекты внедрения микроэлектроники в агропромышленности

Внедрение микроэлектроники и автоматизированных систем в сельское хозяйство является ключевым направлением развития агропромышленный комплекс. Использование датчиков, систем мониторинга и автоматического управления позволяет повысить эффективность производства, однако оказывает комплексное влияние на экологию, экономику и общество.

Экологические аспекты

Применение микроэлектроники способствует более рациональному использованию природных ресурсов.

Положительное влияние:

• снижение расхода воды за счёт систем точного полива;

• уменьшение использования удобрений и пестицидов благодаря точечному внесению;

• снижение выбросов за счёт оптимизации работы техники;

• предотвращение деградации почв через мониторинг её состояния.

Отрицательные факторы:

• образование электронных отходов (датчики, аккумуляторы);

• необходимость утилизации компонентов;

• энергопотребление оборудования.

В целом, при грамотной эксплуатации технологии способствуют экологизации сельского хозяйства.

Экономические аспекты

Экономическая эффективность является одним из главных факторов внедрения технологий.

Преимущества:

• повышение урожайности;

• снижение затрат на ресурсы (вода, удобрения, топливо);

• уменьшение потерь продукции;

• автоматизация процессов и сокращение затрат на труд.

Недостатки:

• высокие первоначальные инвестиции;

• необходимость обслуживания и модернизации оборудования;

• зависимость от технологий и поставщиков.

В долгосрочной перспективе внедрение микроэлектроники, как правило, окупается за счёт повышения эффективности производства.

Социальные аспекты

Технологическое развитие сельского хозяйства оказывает влияние на общество и рынок труда.

Положительное влияние:

• повышение качества и безопасности продукции;

• снижение физической нагрузки на работников;

• развитие новых профессий (операторы автоматизированных систем, агроинженеры).

Отрицательные последствия:

• сокращение рабочих мест из-за автоматизации;

• необходимость переобучения персонала;

• рост требований к квалификации работников.

2. Практическая часть

2.1 Анализ существующих решений и обзор литературы

Для создания системы автополива в первую очередь нужно ознакомиться с уже готовыми решениями. В ходе изучения информации по данной теме мной было выявлено:

1. Большинство решений, представленных в сети интернет представляют из себя комплексные модульные системы, в центре которых лежат микроконтроллеры типа Arduino (uno, nano и др) или более производительные микрокомпьютеры типа Raspberry Pi.

1. В состав каждой системы автополива входит: управляющий микрокомпьютер или микроконтроллер, транспортная система доставки воды до растительных культур (трубки, шланги и т.д.), помпа или иное устройство позволяющее придавать давление потоку воды для передвижения по системе, комплекс датчиков для мониторинга состояния культур и расчёта времени, а также количества полива, ёмкость для воды, клапаны/заслонки, другие побочные устройства набор которых зависит от конструкции автополива.

1. У систем автополива есть три основных вариации принципа строения: Дождеватели – вода разбрызгивается через специальные приспособления, создавая имитацию дождя. Объем поступающей воды обычно большой, поэтому способ используют для полива газона. Капельный (точечный) полив – вода дозированно поступает непосредственно к корням растений в виде капель или тонкими струями. Способ более экономный и оптимально подходит для орошения цветов, кустарников, плодовых деревьев и ягодных насаждений. Капельная система может быть компактной, с ее помощью делают автоматический полив в теплице, на маленькой клумбе или в горшках с рассадой. Подземное орошение – способ напоминает капельный, с той лишь разницей что для него требуются более прочные трубы или шланги. Кроме того, в материале водопроводов используются гербициды, чтобы выходные отверстия не забивались корнями растений. Монтаж подземного орошения наиболее трудоемкий, поскольку предусматривает масштабные земляные работы.

2.2 Постановка задач практической части. Критерии требований к системе и выбора компонентов

После изучения информации по системам автополива я приступил к постановке задач практической части своего проекта.

В ходе анализа всей собранной информации по теме моего проекта я составил следующий план задач по выполнению практической части:

1. Создание критерий для выбора комплектующих;

1. Проектирование предварительной схемы для выяснения её жизнеспособности;

1. Корректировка схемы и закуп подходящих по критериям комплектующих

1. Сборка системы, проверка и дефектовка;

1. Написание кода для логической работы системы;

1. Тестирование анализ результатов.

Так же мной были составлен список критериев требований к системе и выбора компонентов.

Требования к системе:

1. Размеры не должны превышать 50см в высоту, ширину и длину;

1. Общая стоимость комплектующих должна быть в переделах 2,5 – 3 тысяч рублей;

1. Система должна быть прочной, устойчивой к падениям (на случай неаккуратности);

1. Система должна быть способна поливать более одного горшка;

1. Система должна быть надёжной и ремонтопригодной.

Критерии выбора компонентов:

1. Легкодоступность (наличие на популярных маркетплейсах);

1. Малая цена;

1. Надёжность.

2.3 Сборка системы автополива в домашних условиях. Общая концепция и описание прототипа

Для создания первого прототипа в первую очередь, основываясь на цене я выбрал базу для системы – Arduino. За помощью в проектировании на данной платформе я обратился к ИИ «Chat gpt».

Он предложил мне простую схему, в которой использовалась плата Arduino uno r3, простая помпа и датчик влажности. Данная концепция мне понравилась, но она не подпадала под критерий системы номер 4. По данной причине я занялся самостоятельным проектирование системы способной поливать более 1 горшка, основываясь на первоначальном концепте.

Первой сложностью для меня послужил вопрос «как при одновременно поливать более 1 горшка?». Сразу я начал рассматривать варианты реализации данной идеи.

Важно сказать, что неизменной частью схемы является система сбора данных о влажности – три аналоговых датчика влажности почвы, подключённых в плате Arduino, а также и сама плата Arduino.

Первой идеей было сделать систему на клапанах и шлюзах. Её принцип заключался в распределении воды под напором из трубки по горшкам при помощи открытия шлюзов у каждого из горшка. Данная система имела как плюсы, так и минусы.

Таблица 3

Плюсы и минусы системы на клапанах и шлюзах

Плюсы	Минусы
Относительная простота (мало компонентов)	Большая цена – шлюзы крайне дорогие и редкие
Надёжность	Отсутствие возможности контролировать количество воды для полива
Малые габариты	Возможные проблемы с падением давления в система
	Высокий риск протекания

Из-за вышеперечисленных минусов мной было принято решение отклонить эту идею и продолжить рассматривать другие варианты реализации.

Второй идеей было сделать систему на основе нескольких помп (для каждого горшка своя помпа). В теории она решала вопрос с дозировкой воды для каждого горшка, а также она менее подвержена протеканию воды. Я рассмотрел плюсы и минусы данной схемы:

Таблица 4

Плюсы и минусы системы на основе нескольких помп

Плюсы	Минусы
Возможность дозировать воду	Большая цена из-за количества помп
Низкий шанс протекания системы	Большое электропотребление
Быстрый полив	Сложность в написании логического кода
	Ненадёжность помп

После анализа плюсов и минусов эта система так же была мною отклонена. По причине особо большого потребления тока в рамках системы Arduino, а также по причине дороговизны.

Третьим вариантом послужила схема, в основе которой лежит одна помпа, способная подавать воду на каждый горшок путём передвижения трубки с водой с помощью моторизированной каретки. Я также рассмотрел плюсы и минусы данной схемы:

Таблица 5

Плюсы и минусы системы с одной помпой

Плюсы	Минусы
Высокая надёжность	Сложность с созданием каретки
Низкая цена (много нужных компонентов уже есть)
Простая логика полива

В итоге общего сравнения мной была выбрана для конструирования схема номер 3 из-за минимального количества минусов, так же высокой надёжностью по сравнению с другими схемами.

Схема функциональных блоков системы. Список необходимых компонентов и материалов.

После выбора итоговой схемы я начал более глубокое её проектирование.

Для простоты проектирования я разделил всю схему на 4 условных части:

1. Помпа и бак с водой;

1. Связка датчиков;

1. Каретка с мотором;

1. Блок питания.

Каждая из частей содержит разные компоненты. Для удобства покупки я собрал список из комплектующих для каждой из частей общей схемы.

1-Помпа и бак с водой.

Самым простым компонентом тут является бак. Особых критерий к нему почти нету, потому с целью экономии в качестве бака выбрана была обыкновенная пластиковая тара объёмом около 500 миллилитров.

Далее нужно было найти помпу. Критерием для помпы являлся её размер и потребление электрического тока. Мой выбор пал на самую простую помпу для аквариумов так как она подходила как по размеру, так и потреблению.

Последним для этой части компонентом является трубка, по которой будет идти вода. Для этих целей мной была выбрана медицинская капельница так как она была дешёвой и эластичной.

2-Связка датчиков.

Для сбора данных о влажности почвы требовались датчики. Всего их существует два вида: аналоговые – дают точные данные о влажности почвы в некотором диапазоне, и цифровые – выдают данные формата «да или нет». В целях возможности точно дозировать воду и не переливать её, мной были выбраны аналоговые датчики.

На просторе маркетплейсов их содержится не так уж и много, потому я выбрал лишь те, что были чуть качественнее других и чьи контакты были не оголены.

3-Каретка с мотором.

В первую очередь я взялся за выбор мотора. Он должен быть мал и точен в оборотах. В большинстве своём, моторы делятся на простые и шаговые. Простые крутятся пока идёт ток, а шаговые делят своё кручение на множество шагов (в коде программы сумма этих шагов эквивалента 180 градусам). Мной был выбран шаговый мотор за свою точность. Так же нужно было создать саму каретку. Мной была придумана схема, в которой мотор крутил бы гусеницу из лего набора на которую была бы закреплена трубка с водой. Таким образом можно передвигать трубку между горшками. Так как гусеница уже была выбрана, осталось создать саму каретку. Её я решил делать из деревянных шпажек из-за их дешевизны и отношения прочности к весу.

Таким образом для создания системы автополива кроме платы Arduino мне нужно: набор шпажек, три датчика влажности почвы аналоговых, шаговый мотор, помпа аквариумная, пищевой контейнер, медицинская капельница, гусениц от лего набора.

4-Блок питания.

Особых требований к блоку питания не было. Основной его задачей было покрытия энергопотребления всей схемы с небольшим запасом. По примерным расчётам вся схема должна потреблять не более 400мА (при условии питания датчиков от платы Arduino) поэтому мой выбор пал на блок питания для смартфона с характеристиками 5В и 400мА выхода. Его интеграцию в систему я планирую через USB провод, оголённый, с одной стороны.

Электрическая схема и соединения.

Для начала сборки мной были изучены похожие проекты на базе системы Arduino. В ходе сбора информации, мной было выяснено несколько основных принципов сборки и работ схемы на базе Arduino:

1. Плата имеет два типа информационных выхода различающихся по своей логике. Первый – цифровой (Digital – на плате обозначается латинской буквой D с числом – порядковый номер на плате). Суть его работы заключается в выводе и получении информации вида High – Low. Это означает, что через этот порт проходит сигнал, означающий либо да, либо нет. Через него нельзя получать точные данные, управлять актуаторами с динамическим спектром работы и т.д. Его основное предназначение — это включать или выключать какие-либо актуаторы (лампочка, эм шлюз и т.д.). Второй – аналоговый. (Analog – на плате обозначается латинской буквой A с числом – порядковый номер на плате). Суть его работы заключается в передаче сигнала в пределах от 0 до 1024. Размер сигнала определяется уровнем напряжения. Благодаря такому принципу работы, аналоговый выход можно использовать для любых целей начиная от сбора информации с датчиков, заканчивая управлением шаговым мотором. Единственный минус его использования – большое потребления памяти микроконтроллера в связи со своим принципом работы.

1. Почти вся электроника, разработанная для Arduino, имеет три разных входа/выхода. Первый – информационный порт, либо a – аналоговый, либо d – цифровой. Второй – GND, это минус питания. Третий — VCC или 5V, это плюс питания.

1. Все провода типа GND должны быть соединены параллельно во всей схеме. При невыполнении этого пункта схема может вести себя крайне нестабильно и непредсказуемо.

1. Провода типа VCC/5V, а также типа D/A одного компонента не должный соприкасаться с такими проводами другого компонента. Соприкосновение оголённых проводов этих типов одного компонента с оголёнными проводами этого типа другого компонента могут вызвать как нарушение логики работы схемы/возникновение помех, так и в худшем случае короткое замыкание. Во избежание таких проблем стоит изолировать все оголённые части проводов.

1. Провода, подключенные в Arduino, должны быть воткнуты до конца и не должны шататься в пинах платы. Несоблюдение этого пункта может вызвать нарушение логики работы или короткое замыкание.

Основываясь на этих принципах, я взялся за создание схемы. Начал я с создания конструирования части подачи воды (помпы). Так как выбранная мною помпа не имела логических портов для управления типа Digital/Analog мне пришлось прибегнуть к использованию сторонних компонентов. Мне нужно было лишь сделать так, чтобы можно было включать или выключать помпу, необходимости в регулировании напора воды здесь не было. Для данной цели отлично подходит магнитное реле. Оно способно как включить ток подключённому устройству, так и выключить, контроль включения и выключения осуществляется через Digital порт. Магнитное реле в своём устройстве имеет 6 портов – 3 входа 3 выхода. Со стороны входа – это VCC, то есть +, GND, то есть минус и in – цифровой пин. Плюс нужно подключить в пин 5 V на Arduino, минус к общему GND, а in к цифровому порту, в моём случае это будет порт D7. Со стороны выхода порты: NO – плюс помпы, COM – плюс блока питания, NC не используется. Минус помпы подключается к общему GND.

Далее я взялся за проектирование подключения мотора. Сам мотор напрямую не подключается к Arduino. Для этой цели с ним в комплекте поставляется драйвер. Драйвер – это плата, которая помогает подключить мотор в Arduino для управления движением мотора. На плате есть 6 разъёмов. Четыре из них — это разъёмы типа IN с порядковым номером. Эти разъёмы проводами подключаются к плате Arduino в порты Digital так как драйвер принимает только цифровые сигналы, в моём случае это будут порты D8, D9, D10, D11. Оставшиеся два разъёма — это плюс и минус, плюс подключается к плюсу блока питания, минус к общему GND.

Финальной частью проектирования схемы стало проектирования связки датчиков. Каждый датчик имеет три разъёма: GND – минус, VCC – питание и AUDT – вывод данных. В рамках моей схемы и использую 3 датчика. GND каждого датчика соединяется параллельно. В связи с крайне малым потреблением тока датчиками их разъёмы VCC будут спаяны в один для упрощения подключения. Разъёмы AUDT – аналоговые и будут подключены в аналоговые порты Arduino, в моём случае это будут порты A0, A1, A2.

Сборка прототипа.

После создания схемы я принялся за финальную сборку системы. Начал я с каркаса для каретки. Его я собрал из большого количества нарезанных бамбуковых палочек. Стойки по краям я чуть усилил для большей стабильности и прочности. На левой стойке я закрепил шаговый мотор с катком для гусеницы. Гусеницу я так же закрепил, правую её часть я обернул через небольшую палку на параллельной стойке.

Далее по своей схеме я собрал всю остальную электронику. Общее питание датчиков я спаял и заизолировал термоусадкой. Для большей органичности проекта плату Arduino, реле и драйвер мотора я закрепил на двух отдельных параллельных палочках. В ходе сборки я активно пользовался паяльником и прочими инструментами для доработки проводов и их грамотного соединения.

Написание кода с использованием ИИ и дефектовка схемы.

Плата Arduino кодируется на упрощённом C++. Но даже в таком виде это остаётся один из самых сложных языков программирования из-за своего принципа ручного распределения памяти и синтаксиса. По этой причине мной было принято решение обратиться к ИИ для быстрого и качественного написания кода. Среди всех ИИ я выбрал «Chat GPT» так как он обладает самой большой мощностью в написании кода по сравнению с конкурентами. Для начала я запросил код, который покажет мне работоспособность схемы. Как только кода был получен, я сразу загрузил его в память Arduino. После загрузки кода я сразу увидел несколько критических сбоев:

1. Реле работало абсолютно некорректно, производя примерно 5-10 переключений в секунду, когда в коде было прописано производить переключение раз в 3 секунды.

1. Шаговый мотор не работал.

После выявления этих проблем, мной было принято решение – разъединить каждую часть схемы и по отдельности её продефектовать.

Для начала я отключил всё кроме помпы с реле. В таком формате схема всё так же некорректно работала, но из постоянных переключений, реле перешло на периодическое переключение, которое всё так же не соответствовало коду так как переключения были раз в 10-15 секунд вместо заданных 3-х. Для решения данной проблемы я обратился за помощью к ИИ. После моего текстового запроса ИИ выдвинул теорию, что данная реакция реле вызвана по двум причинам: первая – это избыточные скачки напряжения в схеме, в таком случае решением проблемы является параллельное установление конденсатора ёмкостью до 1000мкФ на питания и установлением диода таким же образом на плюс и минус помпы, вторая – это другая полярность реле, в таком случае решение проблемы заключается смене местами значений ввода данных в реле, то есть значение «ДА» поменять местами со значением «НЕТ». Для начала я проверил первый вариант, установив конденсатор ёмкостью в 130мкФ на питание и диод на плюс и минус помпы. При включении схемы в сеть проблема кардинально изменилась: теперь реле, согласно коду, включалось через 3 секунды, но больше не выключалось. Сделав выводы, я, не отключая от сети, выполнил изменения в коде согласно второй версии ИИ. После внесения изменений реле начало работать согласно коду. Я оставил схему работать для проверки работы схемы на дистанции. Спустя 15 минут схема всё также исправно работала согласно коду. Важно отметить, что помпа была исправна, и её работа зависела лишь от реле.

После дефектовки реле я принялся за исправление ошибок в работе шагового мотора. Для этого я подключил к плате Arduino лишь драйвер мотора с самим мотором. Для чистоты проверки я решил запитать мотор отдельным блоком питания, подходящим по номиналу. Плюс блока питания я подключил к плюсу драйвера мотора, а минус (предварительно разделив), я подключил к минусу драйвера и GND Arduino. Из изначального кода я вырезал все блоки, связанные с другими элементами схемы, оставив только блок, в котором было управление мотором. После включения в сеть мотор стал работать согласно коду. Когда я вернул схему к изначальному варианту, но с изменённой схемой подключения реле, мотор опять перестал работать, притом реле работало исправно лишь каждый 2-й по счёту цикл. Для решения данной проблемы я решил разделить питание помпы и мотора. После того как я разделил питание, притом объединив минусы блоков питания, схема начала работать корректно, ни реле, ни мотор не отклонялись от заданного кода. На дистанции тестирования в час, ни одной ошибки не было замечено. С данного этапа дефектовку можно назвать законченной, а продукт исправным и полностью работоспособным. Так как схема теперь полностью работоспособна, я запросил у ИИ финальный код с пустыми значениями которые должны настраиваться в ходе калибровки. После получения этого кода я сохранил его отдельно, чтобы воспользоваться им после получения калибровочных значений.

Калибровка и первичная настройка системы.

Для точной настройки кода нужно пройти этап калибровки всех датчиков, а также калибровку нужных положений мотора. Калибровку я начал с датчиков влажности так как она самая простая. У ИИ мной был запрошен код получения данных с датчиков. После загрузки его в Arduino я открыл специальное диалоговое окно на компьютере для просмотра в реальном времени данных, получаемых с датчиков. Калибровка датчиков заключалась в получении цифровых значений влажности почвы. Для большей конкретики мне нужны были данные: в сухой почве, чуть влажной и полностью влажной. Для этого я подготовил три горшка и поочерёдно вставлял датчики в каждый горшок, записывая выводимые данные. После сбора всех данных я принялся за калибровку положений мотора. Для этого я запросил у ИИ код для обычной прокрутки мотора. Калибровку я производил, меняя значения поворота мотора вручную пока мотор не прокрутит гусеницу до нужного горшка. Значение количества оборотов до нужного горшка в коде я менял, подставляя то большее, то меньшее чтобы найти идеальное положение. В конце концов было найдено нужное значение для каждого куста.

Тестирование, критерии тестирования.

Тестирование схемы необходимо для выяснения конечной надёжности продукта, его износостойкости, а также стабильности работы. Система должна отвечать всем этим параметрам.

Для тестирования я определил ряд критериев для проверки соответствия параметрам качества:

1. Система должна работать автономно без вмешательства в процесс её работы.

1. В ходе своей работы, система должна быть безопасна.

1. Обращение к системе должно быть лишь в рамках наполнения бака водой или изменения данных для полива других растений.

1. Система должна обслуживаться (чистка трубок, помпы, проверка целостности датчиков, работоспособности реле) не чаще чем раз в месяц.

1. Система должна экономить воду по сравнению с ручным поливом.

После определения пунктов тестирования, я приступил к созданию условий тестирования. В качестве культур были выбраны три кактуса. Тестирование проводится в течении месяца с ежедневным осмотром системы на предмет наличия отклонений от тестируемых качеств.

Оценка тестирования и эффективности системы.

В ходе тестирования каких-либо серьёзных отклонений системы от заданных критерий замечено не было. Лишь один раз пришлось заново подключать реле из-за внешнего физического воздействия, не связанного с качеством системы. Так же в ходе тестирования, мною была определена эффективность автополива. Для замеров эффективности, я сравнивал расход с обычной лейкой объёмом 500мл, полив вручную производился раз в неделю. Условно при каждом поливе трёх горшков тратится вся вода с лейки, следовательно, на каждый куст требуется около 165мл воды, что больше необходимого для большинства растений. Система же крайне экономна. В рамках кода, она также поливает раз в неделю, только уже по 50 мл на куст. Это значит, что её полив эффективней в 3,3 раза по сравнению с традиционным ручным поливом, также благодаря точному количеству воды, растения не страдают от перелива. В долгосрочных перспективах использования системы, можно посчитать, что экономия воды составит около 18,2 литров.

Оценивая конечную эффективность системы, можно с уверенностью сказать, что гипотеза доказана, система и вправду значительно уменьшает расход воды на полив, а также сохраняет здоровье растениям и экономит время человеку.

3. Результаты и практическая ценность

3.1 Сравнение ожидаемых и полученных результатов

Перед началом работы над проектом, ожидался:

1. Cомнительный результат;

1. Крайне малая эффективность системы по сравнению с классическим поливом вручную;

1. Нестабильная работа всей системы;

1. Сложность в поиске комплектующих;

1. Сложность в поиске решений для создания продукта.

На практике всё оказалось гораздо легче. Теоретический аспект проекта был быстрой мною освоен. С самим продуктом также почти не возникло проблем. Конструирование его не потребовало особо сложных решений в области электроники, а готовых похожих решений было целое множество. Также не возникла проблема с поиском комплектующих, всё нужное было на популярных маркетплейсах. В итоге, продукт получился таким, каким был задуман. Он отвечает всем поставленным требованиям, а также подтверждает изначальную гипотезу о меньшем потреблении воды в сравнении с ручным поливом. Это полностью разнится с изначальными ожиданиями.

Практическая ценность решения и ограничения прототипа.

Практическая ценность решения крайне высока. Продукт получился так хорошо, что он и дальше будет использоваться мною в бытовых целях полива так как он экономит как воду, так и время. Так же за счёт своего модульного строения, проект может использоваться как на уроках информатики для изучения языка C++, так и для изучения базовой робототехники в специализированных учреждениях.

Так как продукт выполнялся в рамках наглядного прототипа, его масштабы серьёзно ограниченны. Во-первых, это количество горшков. В теории моя система способна поддерживать до 8 горшков для полива при условии некоторых доработок. Во-вторых, из-за масштаба серьёзно уменьшен бак с водой для сохранения малых размеров и общей эргономичности продукта. Это напрямую сказывается на количестве поливов без человеческого вмешательства. В-третьих, прототип ограничен в скорости полива, так как в рамках такого размера нельзя реализовать мощностной мотор и помпу. Даже в условиях прототипа, продукт вышел крайне эффективным и жизнеспособным.

4. Экономическая оценка и масштабирование

4.1 Стоимость прототипа и оценка окупаемости при масштабировании

После итоговой сборки мной была посчитать экономическая сторона проекта. Данные о стоимости каждого использованного мною компонента приведена в таблице:

Таблица 6

Экономическая составляющая продукта

Наименование	Цена, руб.
Набор Arduino	2350
Помпа аквариумная	250
Датчик влажности почвы 3 — шт	570
Шаговый двигатель 28BYJ-48 + драйвер управления	250
Система инфузионная (капельница)	66
Пищевой контейнер (для воды)	100
Палочки бамбуковые	116
Итого: 3702 рублей.

Основную стоимость занимает набор Arduino. Его стоимость обусловлена большим количеством прочих датчиков, актуаторов и т.д., которые не использовались в моём проекте. При желании набор можно заменить отдельно купленной платой Arduino uno r3 и связкой провод для неё. В таком случае итоговая стоимость составит 1752 рубля.

Так же продукт был сравнён с популярными аналогами с маркетплейсов. По итогу сравнения, мною было выявлено, что хоть готовые решения и сильно выигрывают как в цене, так и в простоте, но при том они не обладают тонкой настройкой полива каждого растения, а также они не обладают какой-либо модульностью по сравнению с моим продуктом. В случае поломки, готовые решения не подлежат ремонту в отличие от моей системы, в которой при надобности можно заменить абсолютно любой компонент.

Масштабирование моей схемы будет являться крайне эффективной, так как для этого из вложений нужно будет докупать лишь новые датчики (по 150 рублей каждый). Это крайне эффективно по сравнению с изначальной ценой продукта.

4.2 Варианты расширения системы для огорода/теплицы/фермы

Система имеет большой потенциал для расширения для более крупных и объёмных задач. Это обуславливается общей модульной конструкцией, в центре которой лежит микроконтроллер формата Arduino. Модернизация под каждую из задач выглядит по-разному и состоит из разных дополнений.

1. Для использования моей схемы в масштабах огорода в первую очередь нужно сменить плату Arduino с модели UNO на модель MEGA. В модели UNO не хватит разъёмов, и она не выдержит большую нагрузку. Помпу нужно будет заменить на более серьёзную поплавковую, для исключения шанса попадания в систему уличного мусора. Принцип каретки сменить на принцип местного полива с помощью магнитных шлюзов. Трубки взять гораздо большего диаметра. Принцип датчиков оставить. Бак не менее 15 литров.

1. В рамках теплицы можно оставить принцип каретки сделав её подвесной. Помпу взять большей мощности, бак большей ёмкости, датчики оставить изначальные.

1. Для формата фермы моя схема подойдёт, но только с использованием более сложных схем на основе микрокомпьютеров, а не микроконтроллеров из-за гораздо большей нагрузки на сеть и логическую составляющую управления логикой полива. Полив осуществлять прикорневым орошением при помощи магнитных шлюзов. Помимо датчиков влажности почвы добавить датчики влажности воздуха, температуры, качества почвы. Это нужно для большего урожая в рамках фермы. Помпы нужны будут промышленного масштаба. Баки от 100 литров.

Заключение

Целью данного проекта являлось создание в домашних условиях автоматизированной системы автополива для моделирования основных направлений модернизации сельхоз комплекса. Для достижения поставленной цели, мною были решены следующие задачи:

1. Анализ доступной информации об агротехнике;

1. Анализ информации об общей микроэлектронике в агротехнике;

1. Изучение принципа работы систем автополива;

1. Конструирование системы автополива;

1. Проведение тестов системы и подведение итогов её работы.

В ходе проведения серии тестов системы автополива я подтвердил свою гипотезу о том, что система автополива способна снизить затраты воды по сравнению с ручным поливом. Разработанный мною автополив показал высокую эффективность и низкие затраты воды. Цель проекта была достигнута в полной мере. Все поставленные задачи были успешно решены. Несмотря на это, в ходе работы были выявлены некоторые ограничения, связанные с общими финансами, которые необходимо учитывать при дальнейших исследованиях. Мой проект может быть использован на уроках информатики для изучения программирования на языке C++, а также он может быть использован в качестве макета на уроках экологии или для изучения работы с микроконтроллером Arduino. Проект, за счёт своей модульности, имеет большие перспективы по модернизации и дальнейшему развитию в более крупных масштабах.

Список используемой литературы

1. Агропродмаш–2024 : международная выставка. URL: https://www.agroprodmash-expo.ru/ru/ui/17142/ (дата обращения: 11.11.2025).

1. Исполнительный механизм (актуатор): определение, структура, классификация / Автоматика.ру. URL: https://avtomatika.ru/blog/ispolnitelnyj-mekhanizm-aktuator-opredelenie-struktura-klassifikaciya (дата обращения: 15.11.2025).

1. AlexGyver [канал]. Как управлять сервоприводом с Arduino [Видео]. YouTube. 2021. URL: https://youtu.be/wPX6JaWm0u0 (дата обращения: 15.11.2025).

1. AlexGyver [канал]. Подключение и управление насосом [Видео]. YouTube. 2022. URL: https://youtu.be/nrczO8tWJNg (дата обращения: 20.12.2025).

1. Датчики для Arduino / Robot‑Kit. URL: https://robot-kit.ru/category/Arduino_Sensor/ (дата обращения: 20.12.2025).

1. Микроконтроллеры и их устройство / SuperEyes. URL: https://supereyes.ru/articles/other/mikrokontrollery-i-ikh-ustroystvo/ (дата обращения: 20.12.2025).

1. Основы работы с датчиками для Arduino [Видео] / Robot‑Kit. 2023. URL: https://youtu.be/CRRlbzzt3VA (дата обращения: 08.01.2026).

1. Программируемый логический контроллер / Future2Day. URL: https://future2day.ru/programiruemyj-logicheskij-kontroller/ (дата обращения: 08.01.2026).

1. Современные микрокомпьютеры: обзор профессиональных решений / SuperEyes. URL: https://supereyes.ru/articles/arduino-i-robototekhnika/sovremennye-mikrokompyutery-obzor-professionalnykh-resheniy/ (дата обращения: 13.02.2026).

1. Свистова, Т. В. Основы микроэлектроники : учеб. пособие / Т. В. Свистова ; ЧГУ. — Чебоксары : ЧГУ, 2017. — 144 с. URL: https://cchgeu.ru/upload/iblock/1eb/hxzh8xq86e0t2gt1hc8ws3aur6odwy2r/14_UP_2017_Svistova_Osnovy-mikroelektroniki.pdf (дата обращения: 13.02.2026).

1. Уроки по Arduino: насосы / AlexGyver. URL: https://alexgyver.ru/lessons/pump/ (дата обращения: 13.02.2026).

1. Уроки по Arduino: сервоприводы / AlexGyver. URL: https://alexgyver.ru/lessons/servo/ (дата обращения: 02.03.2026).

1. Программируемый логический контроллер: введение [Видео]. 2022. URL: https://youtu.be/3UwgMAdV4xQ (дата обращения: 02.03.2026).

Приложения