Дослідження основних компонентів КІС для автоматизованого керування мікрокліматом міні-теплиць

Ілєйко, Віталій Геннадійович
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6855
Title:	Дослідження основних компонентів КІС для автоматизованого керування мікрокліматом міні-теплиць
Authors:	Лукашенко, Валентина Максимівна Ілєйко, Віталій Геннадійович
Issue Date:	Jan-2024
Abstract:	Мета кваліфікаційної роботи магістра полягає в підвищенні ефективності процесу вирощування рослин у міні-теплицях за рахунок автоматизованого керування мікрокліматом та основних компонентів комп’ютерно-інтегрованих систем. Предмет дослідження – компоненти КІС для автоматизованого керування мікрокліматом. Об'єкт дослідження – процеси керування мікрокліматом міні-теплиць. Наукова новизна: 1. Створена модель плану міні-теплиці та визначені кращі компоненти керування в КІС, що сприяє підвищенню ефективності роботи міні-теплиць. 2. Розроблена фізична моделі міні-теплиці. 3. Розроблена реляційна модель даних основних характеристик компонентів, що дало змогу визначити відповідні кращі компоненти КІС для міні-теплиці. Практична значимість результатів дослідження полягає у доведенні отриманих наукових результатів до конкретних інженерних рішень: на підставі створених таблиць даних за основними характеристиками компонентів: мікроконтролер, датчиків вологості, температури для повітря і грунту, розроблено алгоритми режимів керування мікрокліматом міні-теплиць. Дослідження основних компонентів КІС для автоматизованого керування мікрокліматом міні-теплиць було спрямоване на підвищення ефективності процесу вирощування рослин у мінітеплицях за рахунок оптимізації та модернізації автоматизованого керування мінітеплицею. Дослідження зосереджувалося на чотирьох основних завданнях. Перше завдання включало вивчення сучасних типів мінітеплиць, що дозволило отримати об'єктивний огляд наявних технологій та їхні можливості для створення оптимальних умов для рослин. В ході вивчення сучасних типів міні-теплиць було здійснено докладний аналіз різноманітних технологій, що застосовуються для створення оптимальних умов для росту рослин. Огляд різних типів міні-теплиць дозволив зрозуміти різноманітність доступних рішень та їхню адаптованість до різних вимог та умов. Були розглянуті міні-теплиці різних конструкцій, розмірів та матеріалів. Вивчення особливостей кожного типу дозволило виділити переваги та недоліки кожного. Друге завдання передбачало створення моделі плану міні-теплиці та визначення кращих компонентів КІС. Це важливий етап, оскільки правильна концепція та розрахунки формують основу для подальшого автоматизованого керування. Розробка моделі плану міні-теплиці та визначення кращих компонентів є ключовим етапом, оскільки вона визначає фундамент для подальшого автоматизованого керування мікрокліматом міні-теплиць. Цей етап передбачав виконання ряду кроків та завдань для забезпечення оптимальних умов для росту рослин. Спочатку була розроблена концепція моделі міні-теплиці, що включала в себе розміри, конструкцію, використані матеріали та інші параметри. Ця концепція формулювала основні принципи, які дозволяють створити середовище, що відповідає потребам рослин у різних фазах їхнього розвитку. Далі відбувалися розрахунки та моделювання, спрямовані на визначення оптимальних параметрів для кожного етапу росту рослин. Це включало в себе аналіз температурних режимів, рівнів вологості, необхідного рівня освітлення та інших факторів, які впливають на рослини у теплиці. Така розробка плану моделі міні-теплиці є критично важливою для успішного впровадження автоматизованого керування мікрокліматом у міні-теплицях, адже вони визначають необхідні параметри та системи для забезпечення ефективності та оптимальності вирощування рослин. Третє завдання включало визначення методом візуалізації кращих компонетів КІС, для його виконання було побудовано графіки за допомогою програмного середовища Visual Studio по основним характристикам компонентів КІС, що стосуються автоматизованого керування мікрокліматом. Цей аспект вивчення дозволяє вибрати оптимальні компоненти для впровадження в систему. Четверте завдання передбачало розробку алгоритму режимів керування мікрокліматом міні-теплиць. Створення ефективного алгоритму є ключовим елементом для досягнення поставленої мети. Загальне дослідження виявило, що автоматизоване керування мікрокліматом дозволяє точно регулювати умови, забезпечуючи оптимальні умови для розвитку рослин та підвищуючи врожайність. Результати дослідження можуть бути використані як основа для подальших вдосконалень та розробок в галузі автоматизованого сільського господарства.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6855
Appears in Collections:	174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані системи та компоненти)
Files in This Item:
File	Description	Size	Format
М_151_2023_Ілєйко+.pdf Restricted Access		2.03 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy
Show full item record
Extracted text
 
 
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ 
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ 
 
 
 
 
 
 
Пояснювальна записка 
до кваліфікаційної роботи 
освітнього ступеню «магістр» 
 
на тему: ДОСЛІДЖЕННЯ ОСНОВНИХ КОМПОНЕНТІВ КІС 
ДЛЯ АВТОМАТИЗОВАНОГО КЕРУВАННЯ 
МІКРОКЛІМАТОМ МІНІ-ТЕПЛИЦЬ 
 
 
 
Виконав: здобувач вищої освіти 2 курсу, 
групи МАКІТ-2209, спеціальності 
151 Автоматизація та комп’ютерно- 
інтегровані технології, освітня 
програма «Автоматизація 
комп’ютерно- інтегровані системи та 
компоненти» 
   Ілєйко В.Г.    
(Прізвище ім’я по-батькові) 
 
Керівник    Лукашенко В.М.    
(Прізвище ім’я по-батькові)   
 
Рецензент        
(Прізвище ім’я по-батькові)
     
 
Черкаси 2023 року 
2 
ЗМІСТ 
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ........................................................................ 3 
РОЗДІЛ 1. СУЧАСНИЙ СТАН ПРЕДМЕТУ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА 
ФОРМУЛЮВАННЯ ЗАВДАНЬ ............................................................................ 6 
1.1 Класифікація типів сучасних мінітеплиць ................................................ 6 
1.2 Моделі теплиць з автоматизацією мікроклімату ..................................... 13 
1.3 Сучасні технології управління мікрокліматом в мінітеплицях ............. 18 
Висновки до розділу 1 ...................................................................................... 23 
РОЗДІЛ 2. РОЗРОБКА АВТОМАТИЗОВАНОЇ ФІЗИЧНОЇ МОДЕЛІ 
МІНІТЕПЛИЦІ ТА ВЕРИФІКАЦІЯ ПІДТВЕРДЖЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ 
КОМПОНЕНТІВ КІС МЕТОДОМ ВІЗУАЛІЗАЦІЇ ........................................... 24 
2.1 Розробка структурної схеми фізичної моделі автоматизованої 
мінітеплиці ......................................................................................................... 24 
2.2 Розробка реляційних моделей даних якісного та кількісного оцінювання 
характеристик датчиків вологості та температури грунту ............................ 29 
2.2.1 Реляційна модель даних якісного оцінювання характеристик 
датчиків  ............................................................................................................ 40 
2.2.2 Реляційна модель даних кількісного оцінювання характеристик 
датчиків  ............................................................................................................ 44 
2.2.3 Дослідження на базі візуалізації основних характеристик 
датчиків  ............................................................................................................ 48 
2.3 Розробка реляційної моделі даних якісного та кількісного оцінювання 
характеристик мікроконтролерів для мінітеплиці ......................................... 66 
2.4 Дослідження на базі візуалізації основних характеристик 
мікроконтролерів ............................................................................................... 70 
Висновки до розділу 2 ...................................................................................... 74 
РОЗДІЛ 3. РОЗРОБКА АЛГОРИТМУ РЕЖИМІВ КЕРУВАННЯ 
МІКРОКЛІМАТОМ МІНІТЕПЛИЦЬ ................................................................. 76 
3.1 Аналіз існуючих алгоритмів керування мікрокліматом мінітеплиць ... 76 
3.2 Алгоритм ручного режиму керування мікрокліматом мінітеплиць ...... 78 
3.3 Алгоритм автоматизовного режиму керування мікрокліматом 
мінітеплиць ........................................................................................................ 79 
Висновки до розділу 3 ...................................................................................... 81 
ВИСНОВКИ .......................................................................................................... 82 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ............................................................ 84 
3 
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА 
 
Актуальність дослідження основних компонентів КІС (комп'ютерних 
інтегрованих систем) для автоматизованого керування мікрокліматом 
мінітеплиць визначається зростанням інтересу до сучасних технологій в 
сільському господарстві. Забезпечення стабільних та оптимальних умов 
вирощування рослин в мінітеплицях стає ключовим фактором для досягнення 
високої продуктивності та якості продукції.  
Ефективне використання автоматизованих систем дозволяє підвищити 
рівень виробництва, зменшити трудовитрати та забезпечити стійкий та 
ефективний агротехнічний процес. Враховуючи ріст населення та зростання 
світового попиту на продукти харчування, впровадження інновацій у 
вирощуванні рослин в мінітеплицях є важливим напрямком для забезпечення 
продовольчої безпеки та сталого розвитку. 
З урахуванням змін кліматичних умов, автоматизоване керування 
мікрокліматом в теплицях стає особливо актуальним. Здатність точно 
регулювати температуру, вологість та інші параметри сприяє адаптації до 
змін у середовищі та забезпечує оптимальні умови для росту рослин. 
Крім того, використання сучасних технологій в сільському 
господарстві може допомогти зменшити негативний вплив на навколишнє 
середовище. Ефективне використання ресурсів та уникнення надмірного 
застосування хімічних речовин може сприяти створенню більш сталого та 
екологічно чистого методу вирощування. 
Загалом, дослідження основних компонентів КІС для автоматизованого 
керування мікрокліматом мінітеплиць має велике значення для модернізації 
сільськогосподарського виробництва, підвищення продуктивності та 
стійкості галузі до зовнішніх викликів та забезпечення потреб сучасного 
ринку продукції. 
4 
Мета дослідження полягає в підвищенні ефективності процесу 
вирощування рослин у мінітеплицях за рахунок автоматизованого керування 
мікрокліматом  та основних компонентів комп’ютерно-інтегрованих систем. 
Для досягнення цієї мети необхідно вирішити наступні завдання: 
1. Провести аналіз існуючих сучасних типів мінітеплиць. 
2. Створити модель плану мінітеплиці, розробка фізичної моделі 
мінітеплиці, визначення кращих компонентів КІС. 
3. Визначити методом візуалізації кращих компонетів КІС. 
4. Розробити алгоритм режимів керування мікрокліматом мінітеплиць. 
Предмет дослідження – компоненти КІС для автоматизованого 
керування мікрокліматом. 
Об'єкт дослідження – процеси керування мікрокліматом міні-теплиць. 
Методи дослідження 
Методи дослідження базуються на теорії використання методів теорій: 
побудови структури мінітеплиць, алгоритмов, програмування, налаштування, 
тестування. 
Наукова новизна 
1. Створена модель плану міні-теплиці та визначені кращі компоненти 
керування в КІС, що сприяє підвищенню ефективності роботи міні-теплиць. 
2. Розроблена фізична моделі міні-теплиці. 
3. Розроблена реляційна модель даних основних характеристик 
компонентів, що дало змогу визначити відповідні кращі компоненти КІС для 
міні-теплиці. 
Практичне значення одержаних результатів 
Практична значимість результатів дослідження полягає у доведенні 
отриманих наукових результатів до конкретних інженерних рішень: на 
підставі створених таблиць даних за основними характеристиками 
компонентів: мікроконтролер, датчиків вологості, температури для повітря і 
грунту, розроблено алгоритми режимів керування мікрокліматом міні-
теплиць. 
5 
 
Апробація дослідження 
Апробація роботи проведена на студентській науково-практичній 
конференції ЧДТУ: 18-20 квітня 2023р. 
Публікації 
Ілєйко В. Г. Компоненти комп’ютерно-інтегрованої системи керування 
мікрокліматом мінітеплиць в автоматизованому режимі. Збірник тез 
доповідей студентської науковопрактичної конференції ЧДТУ: 18–
20 квітня 2023 р. Черкаси: ЧДТУ, 2023. – C. 14-15. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 
РОЗДІЛ 1 
СУЧАСНИЙ СТАН ПРЕДМЕТУ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА 
ФОРМУЛЮВАННЯ ЗАВДАНЬ 
 
1.1 Класифікація типів сучасних мінітеплиць 
 
Теплиці представляють собою найбільш вдосконалений тип 
конструкцій для культивації рослин в умовах захищеного грунту. Важливою 
особливістю теплиць є можливість створення не лише оптимального 
середовища для росту рослин, а й комфортних умов для обслуговуючого 
персоналу та технологічного обладнання. Це призводить до підвищення 
продуктивності праці та покращення культури виробництва, а також 
усунення сезонного характеру сільськогосподарських робіт. Навпаки від 
невеликих укриттів і парників, в теплицях можна проводити всі агротехнічні 
заходи без необхідності порушення цілісності огорожі, а також широко 
використовувати різноманітні механізми для догляду за рослинами [8]. 
Мінітеплиці – це компактні споруди для культивації рослин в 
захищеному від грунту середовищі. Вони є меншими за розміром порівняно 
з традиційними теплицями, але зберігають ключові переваги цього типу 
конструкцій [1]. 
Суттєвою особливістю мінітеплиць є їхня можливість забезпечити 
оптимальні умови для росту рослин та зручне обслуговування при невеликих 
розмірах. Це сприяє ефективній культивації рослин протягом усього року, а 
також дозволяє проводити агротехнічні заходи та використовувати механізми 
для догляду за рослинами без значних обмежень. 
Сучасні типи мінітеплиць включають в себе різноманітні конструкції, 
які враховують потреби сільськогосподарського виробництва, а також 
вимоги до унікальних умов росту рослин. Декілька поширених сучасних 
типів мінітеплиць включають: 
7 
1. Портативні мінітеплиці – це компактні та переносні конструкції, 
призначені для ефективної культивації рослин в умовах захищеного 
середовища. Цей тип теплиць вирізняється своєю легкістю монтажу та 
здатністю легко зніматися, що дозволяє швидко пересувати їх з одного місця 
на інше [4]. 
Зазвичай, портативні мінітеплиці мають просту, але стійку 
конструкцію, що дозволяє швидко зібрати їх для використання та розібрати 
для зберігання чи транспортування. Це робить їх ідеальними для тимчасового 
використання, а також для тих випадків, коли необхідно ефективно 
використовувати обмежений простір. 
Портативні теплиці можуть бути легко переміщені з одного місця на 
інше, що дозволяє гнучко розміщати їх в різних ділянках саду чи ферми в 
залежності від потреб вирощування рослин чи змінюваних погодних умов. 
Їхні компактні розміри і простота у використанні роблять їх зручними для 
аматорів та професіоналів сільського господарства, які шукають ефективні 
рішення для забезпечення захищеного вирощування рослин. 
2. Гідропонні мінітеплиці представляють інноваційні та ефективні 
конструкції для вирощування рослин, які використовують принципи 
гідропоніки. Ці теплиці створюють оптимальне середовище для росту 
рослин, де коріння отримують необхідні поживні речовини без використання 
традиційного ґрунту [4]. 
Однією з ключових особливостей гідропонних мінітеплиць є 
використання спеціальних систем, які постачають рослини різноманітними 
розчинами поживних речовин. Це дозволяє точно контролювати рівень 
харчування рослин, забезпечуючи їм оптимальні умови для зростання та 
розвитку. 
Такі теплиці можуть бути обладнані автоматизованими системами 
контролю температури, вологості та освітлення, щоб забезпечити стабільні та 
оптимальні умови для рослин протягом усього періоду вирощування. 
Гідропонні мінітеплиці є ефективними рішеннями для вирощування рослин у 
8 
водних розчинах, що сприяє підвищенню врожаю та економії водних 
ресурсів. Їхні технологічні переваги роблять їх популярними серед сучасних 
сільськогосподарських виробників, які шукають інноваційні методи 
вирощування рослин. 
3. Автоматизовані мінітеплиці представляють передові рішення у 
сфері сільськогосподарського виробництва, поєднуючи технології 
автоматизації з вирощуванням рослин у захищеному середовищі. Цей 
інноваційний тип теплиць створений для оптимізації процесів та максимізації 
урожаю, забезпечуючи високий рівень ефективності та комфорту для 
сільськогосподарських виробників [2]. 
Ключові особливості автоматизованих мінітеплиць: 
– Системи автоматичного контролю:  
В основі цих теплиць лежать розумні системи контролю, 
 які автоматично регулюють параметри середовища: 
- температура, 
-  вологість,  
- рівень CO2, 
що забезпечують оптимальні умови росту рослин. 
– Автоматичний полив: 
 Вбудовані системи автоматичного поливу точно: 
- визначають, 
- задовольняють потреби рослин у воді, 
Це сприяє: 
-  економії водних ресурсів, 
- оптимальному зростанню культур. 
– Системи освітлення:  
Автоматичне керування освітленням дозволяє створювати 
оптимальний світловий режим для рослин. 
 Це особливо важливо в умовах недостатньої природної освітленості. 
– Автоматизована вентиляція та обігрів. 
9 
 Системи вентиляції та обігріву автоматично регулюють теплові умови, 
що забезпечує стійку та комфортну температуру всередині теплиці. 
– Моніторинг та віддалене керування автоматизованою системою. 
Перевагою цього   процесу є можливість віддаленого керування через 
мобільні пристрої, що дозволяє виробникам стежити за умовами та 
виробничими показниками в режимі реального часу [2]. 
Особливістю автоматизованих мінітеплиць є те, що вони стають 
важливим інструментом для сучасного сільськогосподарського виробника, 
допомагаючи, а саме: 
- оптимізувати процеси вирощування 
  - підвищувати продуктивність,  
  - забезпечити ефективне використання ресурсів. 
Це сприяє змешинню вартості експлуатації мінітеплиць. 
4. Екологічно чисті мінітеплиці. 
Цей тип теплиць враховує екологічні проблеми, що виникають від 
сільськогосподарської діяльності, та ставить перед собою завдання 
зменшення впливу на природу [11]. 
Інноваційні структури мінітеплиць для вирощування рослин, які 
відрізняються високим ступенем екологічної ефективності та сталевою 
спрямованістю забезпечують збереження навколишнього середовища. 
Крім того, екологічно чисті мінітеплиці можуть використовувати 
енергоефективні технології, а також матеріали, що не завдають шкоди 
довкіллю. Їх конструкція спроектована з урахуванням максимально 
можливого використання відновлювальних ресурсів та зменшення викидів в 
атмосферу. 
Додатково, екологічно чисті мінітеплиці можуть використовувати: 
-  зручні, 
- ефективні системи водоспоживання та відходів. 
Вони спрямовані на мінімізацію витрат та покращення управління 
ресурсами. 
10 
 Ці теплиці сприяють створенню стійкого та екологічно безпечного 
середовища для вирощування рослин, забезпечуючи при цьому 
продуктивність та якість урожаю. 
5. Теплиці для вертикального землеробства – це новаторські 
конструкції, які революціонізують підхід до вирощування рослин. 
 Вони вирізняються тим, що рослини не обмежені горизонтальною 
поверхнею, а можуть рости по вертикалі.  
Такий підхід дозволяє ефективно використовувати обмежений простір, 
забезпечуючи високу продуктивність та оптимальне освітлення для кожної 
рослини [11]. 
Модульна конструкція таких теплиць дозволяє легко комбінувати та 
розширювати їх в залежності від потреб.  
Вертикальні грядки дозволяють ефективно використовувати простір 
теплиці, забезпечуючи оптимальні умови для росту культур. 
 Автоматизовані системи містять блоки контролю:  
-  поливу 
 - освітлення.  
Вони забезпечують оптимізацію умов середовища для кращого 
зростання рослин. 
Перевагою таких теплиць є: 
-  екологічна ефективність, 
-  зменшення витрати на грунт 
-  зменшення витратна воду 
-  сприяння утриманню відходів на мінімальному рівні.  
Універсальність теплиць вирощування дозволяє використовувати їх для 
різних видів рослин, за рахунок розширення можливостей вирощування у 
вертикальному напрямку.  
Теплиці для вертикального землеробства представляють інноваційний 
крок в сучасному підході до сільськогосподарського виробництва. 
11 
Якщо раніше подібні конструкції виготовлялися домашніми умільцями 
своїми руками з підсобних матеріалів, то зараз в цьому немає необхідності: 
 у спеціалізованих магазинах можна знайти парничок на будь-який 
дизайн, розмір та вартість. 
 
6. Моделі теплиць, які мають прості конструкції 
 
Цікавість представляють мінітеплиці для квартири, які є зменшеними 
копіями звичайних дачних парників найпростішої конструкції [9]. 
   Деякі представляють собою металевий каркас, на який натягується 
прозорий чохол з поліетиленової плівки, приклад такої теплиці наведено на 
рис.1.1. 
Це особливе цікаво, якщо у вас є багато вільного часу і бажання для 
того, щоб займатися домашнім городом, досить буде придбати міні теплиці 
для квартири, які є зменшеними копіями звичайних дачних парників 
найпростішої конструкції [9]. 
     
 
 
Рис.1.1 Модель триярусної балконної теплички 
12 
При необхідності чохол можна зняти і використовувати конструкцію як 
стелажа для домашніх квітів. Він забезпечений відкидною дверкою, яка 
забезпечує легкий доступ до рослинам для поливу та догляду, яка застібається 
на замки-блискавки. 
Розміри такої теплиці варіюються від невеликих до досить значних. 
Висота залежить від кількості ярусів: їх може бути від двох до п’яти. 
Недоліком таких теплиць є відсутність автоматизованого керування 
мікрокліматом. 
Існують моделі компактних настільних варіантів, приклад якої 
представлені на рис.1.2. 
Аналіз яких нагадуює вуличні теплиці з віконних рам. 
Перевагою конструкції є використання прозорого полістиролу, що забезпечує 
механічну надійність через заміну скла прозорий полістирол [8]. 
 
Рис. 1.2 Модель компактної настільної теплиці від IKEA 
 
13 
Основним недоліком описаних вище моделей є те, що вони виконують 
тільки одну функцію: забезпечують рослинам нормальний температурний 
режим. Все інше – полив, додаткове освітлення, провітрювання – доводиться 
робити своїми руками. 
 
1.2 Моделі теплиць з автоматизацією мікроклімату 
 
Якщо у вас немає на це часу, можна придбати або зробити частково або 
повністю автоматизовані системи, здатні самостійно регулювати всі процеси, 
необхідні для нормального росту рослин. 
Вони забезпечені спеціальними фітолампами, системами 
автоматичного поливу та вентиляції, іншими пристроями.  
А встановлювати їх можна навіть в темній коморі або в шафі – там, де 
знайдеться вільне місце в квартирі. 
Ось кілька прикладів: 
Модель мінітеплиці «Гроубокс» зображена на рис. 1.3.  
 
 
Рис. 1.3 Модель мінітеплиці «Гроубокс» 
14 
Ця модель представляє собою закриту систему з внутрішнім світло 
відбиваючим покриттям, обладнану вентиляцією, освітленням і підібраною 
до виду вирощуваних рослин системою культивування. 
Характеристики моделі «Гроубокс»: 
• Мінітеплиця «Гроубокс» забезпечує контрольовані умови 
вирощування рослин, захищаючи їх від негативних зовнішніх факторів, таких 
як погода чи шкідники. 
• Покриття внутрішньої поверхні мінітеплиці відбиває світло, що 
сприяє оптимальному використанню освітлення для росту рослин. 
• Наявність системи вентиляції дозволяє регулювати температуру 
та забезпечує достатній обмін повітря для рослин. 
• Освітлення вбудоване в систему мінітеплиці і забезпечує 
додаткове світло для рослин у випадках недостатку природного світла. 
• Мінітеплиця обладнана системою культивування, що може 
включати в себе систему поливу, дренаж та інші елементи для створення 
оптимального середовища для росту рослин. 
• Мінітеплиця може мати різні розміри, варіюючи від 0,5 до 4 кв.м., 
що дозволяє вибрати модель в залежності від потреб користувача. 
Мінімальна ціна нормальних гроубоксів в наш час перетинає позначку 
в 2.5 тісячі гривень і це лише базова комплектація [10]. 
В якості поживного середовища в системах Grow Вох може 
використовуватися як грунтова суміш, так і гідропоніка. 
Недоліком такої системи є дуже висока вартість. 
 
Існують термобокси, приклад якого можна побачити на рис. 1.4. 
 
 
15 
 
 
Рис. 1.4 Модель термобоксу 
 
Перевагою такого термобокса (рис. 1.4.) є можливість  вирощування: 
- зелені, 
-  овочів,  
- квітів, 
можна проводити навіть при мінусових (0°C до -4°C) температурах 
навколишнього середовища. 
Оптимальний мікроклімат у теплиці підтримується автоматичною 
системою, яка також стежить за: 
-  поливом, 
-  вологістю, 
-  запасом поживних речовин, 
- періодичним включенням освітлення, 
16 
- переодичним відключенням освітлення.  
Це пристрій зажадає від користувача тільки посадки насіння або 
розсади. 
Термобокси на нашому ринку не мають популярності,  щодо їх вартості 
важко сказати навіть середню суму. 
Система працює від побутової електромережі 220 В. 
Існує модель  мінітеплиці Аеро Гарден, які відрізняються: 
- унікальністю, 
-  дизайном, 
- функціональністю.   
Вона представлена на рис.1.5. 
 
 
 
Рис. 1.5 Модель мінітеплиці Аеро Гарден 
17 
Унікальність моделі настільної мінітеплиці Аеро Гарден (рис. 1.5), 
полягає в тому, що в ній замість грунту або гідропоніки використовується 
аеропоніка.  
Аеропоніка - це дрібні крапельки живильного розчину у вигляді 
туману, в який занурені коріння рослин.  
Перевагою цієї моделі є те, що вона дозволяє в кілька разів прискорити 
ріст та дозрівання урожаю за допомогою систем контролю і підтримки 
найкращих умов мікроклімату для росту. Недоліком даної моделі 
автоматизованих мінітеплиць є висока вартість. [10] 
 Наприклад, на нашому ринку практично немає варіантів таких систем, 
зате вони досить популярні на заході, і ціни там на них коливаються від 4 до 
10 тисяч гривень в залежності від модифікацій та функціоналу. 
Перевагою є те, що різні її модифікації можуть використовуватися для 
вирощування не тільки зелені, але і овочевих культур, ягід, а також розсади 
для подальшої висадки у відкритий грунт [5]. 
Використання таких мінітеплиць сприяє: 
-  покращенню умов для вирощування рослин 
-  забезпечує оптимальні температурні умови 
-  забезпечує оптимальні вологісні умови. 
 Це сприяє: 
-  швидшому росту 
-  розвитку рослин 
- підвищинню стійкісті до негативних факторів довкілля. 
Отже, моделі мінітеплиць є ефективним інструментом для сезонного 
вирощування рослин, що дозволяє отримувати врожаї в ранні та пізні періоди 
року.  
Такий метод забезпечує господарю можливість власноруч 
контролювати умови вирощування, що призводить до підвищення 
продуктивності та якості отриманих культур при зменшенні вартості 
продукту. 
18 
1.3 Сучасні технології управління мікрокліматом в мінітеплицях 
 
Сучасні технології управління мікрокліматом в мінітеплицях 
використовують комп’ютерно-інтегровані технології. 
Комп'ютерно інтегровані системи (КІС) - це комплексні системи, що 
включають в себе різні компоненти та модулі, об'єднані для спільної роботи 
з метою оптимізації та автоматизації певних процесів чи завдань.  
Ці системи часто використовуються для забезпечення: 
-  ефективності, 
- точності, 
- зручності управління, 
-  моніторингу різних видів діяльності [6]. 
В сучасному сільському господарстві комп'ютерно інтегровані системи 
автоматичного управління мікрокліматом для мінітеплиць визначають новий 
стандарт ефективності та точності в вирощуванні рослин.  
Ці інноваційні системи, в основі яких лежать передові технології, 
вирішують виклики, пов'язані з управлінням: 
-  температурою,  
- вологостю, 
-  освітленням 
-  та іншими аспектами мікроклімату. 
Це все забезпечує оптимальні умови для зростання рослин. 
Сутність комп'ютерно-інтегрованих систем полягає у створенні 
єдиного функціонального блоку, що об'єднує в собі: 
- сенсори,  
- мікроконтролери, 
- актуатори  
- та інші компоненти для забезпечення ефективного та точного управління 
мікрокліматом.  
19 
Синтез яких дозволяє автоматично адаптувати умови вирощування до 
потреб рослин в реальному часі, забезпечуючи оптимальні умови для 
фотосинтезу та росту [2]. 
Основні компоненти КІС включають: 
• Температурні датчики - це пристрої, які призначені для 
вимірювання температури в конкретному середовищі або в об'єкті. 
 В сільському господарстві, зокрема в мінітеплицях, ці датчики грають 
важливу роль у забезпеченні оптимальних умов для росту рослин. 
Температурні датчики можуть бути розміщені в різних частинах 
теплиці, включаючи повітря та грунт. 
Датчики використовуються в комплексі з комп'ютерно-інтегрованими 
системами управління мікрокліматом для автоматичного регулювання умов 
відповідно до зазначених параметрів [5]. 
Системи автоматичного керування температурою відіграють важливу 
роль в агропромисловому секторі, забезпечуючи: 
-  автоматизований контроль, 
-  регулювання температурного режиму в теплицях та інших спорудах. 
Ці системи включають: 
-  сенсори температури, які розташовані в різних зонах, 
-  мікроконтролери, 
-  програмовані логічні контролери (ПЛК),  
- актуатори, такі як клапани вентиляції чи системи опалення. 
 Ці системи автоматично реагують на зміни температури, забезпечуючи 
необхідні умови для росту рослин. 
Сенсори температури реєструють показники в різних частинах об'єкта 
та передають цю інформацію до мікроконтролера. 
 Мікроконтролер обробляє дані і видає команди актуаторам для 
регулювання параметрів температури, таких як вентиляція, опалення чи 
кондиціонування повітря.  
20 
Ці системи також можуть включати інтерфейс користувача для 
моніторингу та налаштування, а також системи захисту від перегріву або 
охолодження. 
Впровадження систем автоматичного керування температурою сприяє 
не тільки підтримці стабільних умов вирощування, але й забезпечує 
раціональне використання енергії, що сприяє підвищенню ефективності 
вирощування рослин в агропромисловому секторі. 
• Датчики вологості - це пристрої, призначені для вимірювання 
рівня вологості в повітрі або грунті.  
У контексті вирощування рослин та управління мікрокліматом, ці датчики 
грають ключову роль у забезпеченні оптимальних умов для росту та розвитку 
рослин [7]. 
Датчики вологості можуть бути розташовані в різних частинах теплиці 
чи іншої агропромислової споруди, а також в грунті поруч з кореневою 
системою рослин. Вони вимірюють кількість водяної пари в повітрі або 
вологість грунту і передають цю інформацію до системи управління 
мікрокліматом. 
Системи автоматичного керування вологістю в сільському 
господарстві призначені для підтримання оптимального рівня вологості для 
росту рослин. Вони включають датчики вологості, які вимірюють рівень 
вологості в повітрі та грунті, мікроконтролер, або програмований логічний 
контролер (ПЛК), який обробляє інформацію та приймає рішення щодо 
регулювання вологості, актуатори для поливу, системи вентиляції, інтерфейс 
користувача для моніторингу та налаштування, а також захист від 
переуволювання або пересушування. 
 Ці системи автоматично адаптують рівень вологості, сприяючи 
збереженню водних ресурсів, підвищенню ефективності поливу та створенню 
оптимальних умов для росту. 
• Датчики освітлення - це пристрої, що вимірюють і реєструють рівень 
світла в конкретному оточенні. У вирощуванні рослин та сільському 
21 
господарстві ці датчики використовуються для контролю за освітленістю в 
теплицях. 
 Вони дозволяють автоматично регулювати інтенсивність освітлення 
для забезпечення оптимальних умов для росту рослин [5]. 
Системи автоматичного керування освітленням в сільському 
господарстві об'єднують датчики освітлення, мікроконтролери або 
програмовані логічні контролери (ПЛК) та актуатори, такі як світлодіоди чи 
інші джерела світла. 
 Датчики розташовані в різних зонах, вимірюючи рівень світла, що 
дозволяє системі приймати рішення щодо регулювання освітлення. 
Мікроконтролер обробляє отримані дані та видає команди актуаторам для 
налаштування інтенсивності світла. 
 Такі системи забезпечують оптимальне освітлення для рослин, що 
сприяє їхньому росту та продуктивності. 
• Датчики СО2 - це пристрої, які використовуються для моніторингу 
рівня вуглекислого газу (CO2) в атмосфері. У вирощуванні рослин та 
сільському господарстві ці датчики грають важливу роль у забезпеченні 
оптимальних умов для фотосинтезу та росту рослин [6]. 
Системи автоматичного керування CO2 в агропромисловості 
включають CO2-датчики для постійного моніторингу рівня вуглекислого 
газу, мікроконтролер або програмований логічний контролер (ПЛК) для 
обробки інформації та прийняття рішень, а також актуатори для регулювання 
систем подачі CO2 або вентиляції.  
Ці системи можуть бути інтегровані з іншими автоматизованими 
системами, такими як системи освітлення, поливу та вентиляції, для 
забезпечення оптимальних умов для росту рослин. 
Переваги таких систем очевидні:  
- підвищення продуктивності, 
- економія ресурсів, 
22 
- зменшення втрат врожаю при наявності негативних зовнішніх 
факторів.  
Крім того, комп'ютерно-інтегровані системи надають можливість 
вдалого моніторингу та контролю за вирощуванням рослин, що забезпечує 
ефективне управління та максимальну якість продукції. 
Основні сучасні моделі мінітеплиць наведені на рис1.6. 
 
 
 Сучасні   моделі мінітеплиць 
 
Мо дель триярусної Модель компактної 
балк онної теплички настільної теплиці від 
  IKEA 
  
Мод ель мінітеплиці 
Модель термобоксу 
 «Гроубокс» 
 
  
 
 
 Модель мінітеплиці 
 Аеро Гарден 
 
 
 
Рис 1.6. Класифікація моделей мінітеплиць 
 
Класифікація забезпечує швидке визначення оптимальної моделі для 
розробки мінітеплиці.   
 
 
 
23 
Висновки до розділу 1 
У цьому розділі ми розглянули різноманітні типи сучасних мінітеплиць 
та їхню класифікацію з урахуванням різних характеристик та функцій. За 
допомогою комп'ютерно інтегрованих систем автоматичного управління 
мікрокліматом, люди можуть ефективно контролювати умови вирощування 
рослин, забезпечуючи оптимальні параметри температури, вологості, 
освітлення та інших факторів. 
Створена модель класифікації мінітеплиць які використовуються у 
різноманітних сферах на підставі дослідження стану існуючих сучасних 
мінітеплиць. Це забезпечило отримання подальшого розвитку підходу для 
створення розширених класифікацій, що дозволяє чітко визначити місце 
потрібної моделі в системі що проектується.  
Результати класифікації дозволяють краще розуміти властивості та 
переваги кожного типу мінітеплиць в залежності від конкретних потреб та 
вимог рослини. Застосування сучасних технологій в цьому контексті 
покликане сприяти підвищенню ефективності та стійкості вирощування 
рослин в умовах мінітеплиць. 
Використання комп'ютерно інтегрованих систем автоматичного 
управління дозволяє ефективно контролювати параметри температури, 
вологості, освітлення та інших факторів, забезпечуючи ідеальні умови для 
росту та розвитку рослин. 
Температурні датчики допомагають підтримувати стабільні та 
оптимальні умови вирощування, забезпечуючи ефективний контроль та 
регулювання мікроклімату в теплиці.  
За допомогою даних, отриманих від датчиків вологості, система може 
автоматично регулювати полив, вентиляцію та інші параметри, щоб 
забезпечити оптимальні умови для росту рослин.  
Сучасні технології управління мікрокліматом в мінітеплицях 
відкривають нові можливості для зростання продуктивності, підвищення 
якості продукції та раціонального використання ресурсів. 
24 
РОЗДІЛ 2 
 РОЗРОБКА АВТОМАТИЗОВАНОЇ ФІЗИЧНОЇ МОДЕЛІ 
МІНІТЕПЛИЦІ ТА ВЕРИФІКАЦІЯ ПІДТВЕРДЖЕННЯ 
ЕФЕКТИВНОСТІ КОМПОНЕНТІВ КІС МЕТОДОМ ВІЗУАЛІЗАЦІЇ 
 
2.1 Розробка структурної схеми фізичної моделі автоматизованої 
мінітеплиці  
Сучасні технології відкривають нові можливості для садівництва, 
роблячи його доступним навіть для тих, хто раніше не мав досвіду 
вирощування рослин. 
 Проект кваліфікаційної роботи базований на прототипі 
автоматизованої теплиці «Гроубокс», є цікавим та корисним інструментом 
для справжніх садівників-любителів.  
Автоматизовані теплиці використовуються для забезпечення 
оптимальних умов вирощування рослин у будь-який час року. Такий підхід 
дозволяє контролювати температуру, вологість, освітлення та інші 
параметри, забезпечуючи найкращі умови для росту та розвитку рослин. 
Проект, спрямований на вирощування різних овочів та зелені вдома, не 
тільки сприяє забезпеченню родини вітамінами, але й робить цей процес 
більш доступним та зручним. 
 Цей проект – це ініціатива, яка дозволить привернути увагу тих, хто 
раніше не мав можливості вирощувати власні продукти, а   також буде 
стимулювати інтерес до сучасного садівництва.  
Макет зовнішнього вигляду мінітеплиці представлений на рис. 2.1. 
Особливість макету мінітеплиці полягає у тому, що матеріал 
використаний для виготовлення корпусу є низьковартісним та доступним. 
 
 
 
 
25 
 
 
 
Рис. 2.1 Зовнішній вигляд макету фізичної моделі мінітеплиці 
 
Цей інноваційний дизайн розроблений з метою забезпечити оптимальні 
умови для вирощування рослин навіть в умовах обмеженого простору.  
На рис.2.2. видно, що корпус має сучасний та естетично привабливий 
вигляд, що робить його ідеальним рішенням для використання в домашніх 
26 
умовах. Компактні розміри корпусу дозволяють розташувати його навіть у 
невеликих квартирах, а вбудована автоматизація спрощує процес догляду за 
рослинами. 
5 
4 
3 
6 
7 
2 
1 
 
Рис.2.2 Склад компонентів фізичної моделі мінітеплиці 
1. Енкодер 
2. LCD  дисплей 
3. Датчик вологості грунту 
4. Датчик вологості та температури 
5. Вентилятор 
6. Ємність для грунту 
27 
7. Корпус 
Професійно розроблений корпус забезпечує ефективний контроль над 
мікрокліматом, включаючи: 
-  температуру,  
- вологість, 
-  освітлення.  
Це не лише забезпечує оптимальні умови для росту рослин у будь-який 
час року, але й робить процес вирощування легким та доступним для всіх, 
хто має бажання власноруч вирощувати свої продукти. 
Автоматизація поливу рослин в замкнутому тепличному середовищі є 
ще одним важливим процесом сучасного підходу при проектуванні 
мінітеплиці. 
Процес автоматизації використовує: 
- систему крапельного поливу,  
- датчики вимірювання температури, 
- сенсори вологості повітря та грунту, 
- програмовані системи контролю. 
Синтаз яких дозволяє нормувати споживання води та забезпечити 
рослини необхідною кількістю вологи.  
Це забезпечує підвищення ефективності вирощування та сприяє 
економії ресурсів. 
 Модель плану розташування компонентів для контролю кліматичного 
середовища в теплиці розташована на рис. 2.3.. 
 
 
 
 
28 
 
 
Рис. 2.3. Модель плану розташування компонентів КІС для контролю 
кліматичного середовища в теплиці 
 
1)Датчик вологості ґрунту. 
2) LCD дисплей. 
3) Реле. 
4) Насос. 
5)Енкодер.  
6) Вентилятор. 
7) Датчик температури та вологості. 
8) Датчик температури. 
9) NodeMcu v3.  
10) Освітлення. 
11) Стабілізатор напруги 5В. 
29 
12) Стабілізатор напруги 3.3 В. 
LCD Дисплей: Візуальний елемент для відображення інформації про 
стан системи та параметри поливу. 
Енкодер: Використовується для введення параметрів, налаштування та 
навігації в меню системи. 
DC-DC Перетворювач 3.3 В: Забезпечує стабільне живлення для 
електроніки, зокрема для мікроконтролера. 
NodeMcu v3: Мікроконтролер, який відповідає за обробку інформації та 
управління іншими компонентами. 
Датчик вологості ґрунту: Вимірює рівень вологості в грунті і передає 
дані до мікроконтролера для прийняття рішень про полив. 
Реле: Використовується для управління включенням/виключенням 
насосу. Це може бути підключено до системи поливу. 
Насос: Забезпечує подачу води для поливу рослин. Керується реле 
згідно із сигналами від мікроконтролера. 
Ця схема може бути доповнена додатковими датчиками або модулями, 
залежно від конкретних потреб і вимог системи автоматизованого поливу. 
 
2.2 Розробка реляційних моделей даних якісного та кількісного 
оцінювання характеристик датчиків вологості та температури грунту 
 
Розробка реляційних моделей даних для якісного та кількісного 
оцінювання характеристик датчиків вологості та температури грунту є 
важливою складовою в галузі сучасних агротехнологій та систем 
вирощування рослин. Ці моделі можуть сприяти ефективному моніторингу та 
контролю параметрів грунту, що в свою чергу допомагає підтримувати 
оптимальні умови для росту та розвитку рослин. 
Ключові аспекти розробки реляційних моделей для датчиків вологості 
та температури грунту включають: 
30 
• Визначення основних параметрів, які впливають на роботу 
датчиків вологості та температури грунту. 
• Визначення властивостей грунту, які вимірюються датчиками, 
такі як вологості та температури. 
• Розробка математичних моделей, які описують залежності між 
вимірюваними показниками та характеристиками грунту. 
• Створення алгоритмів для кількісного оцінювання вологості та 
температури грунту на основі даних датчиків. 
• Розробка критеріїв та методів для якісної оцінки стану грунту за 
результатами вимірювань. 
• Врахування можливих варіацій та невизначеностей у 
вимірюваннях для підвищення точності моделей. 
• Розробка цих моделей може допомогти сільськогосподарським 
виробникам оптимізувати управління грунтовим середовищем, забезпечуючи 
оптимальні умови для росту та вирощування рослин. 
Аналіз компонентів: 
Модуль з датчиком DHT11 - це електронний пристрій, який містить в 
собі датчик вологості та температури DHT11, а також електронні компоненти 
для обробки сигналів та передачі даних (рис.2.4). Його перевагою є 
можливість підключати його напряму до мікроконтролера, без необхідності 
подтягуючого резистора, так як він вже вмонтований в плату. 
31 
12 
м
м 
 
 
                                      15,5 мм 
 
 
 
Рис.2.4 Зовнішній вигляд модуля з датчиком DHT11 
 
Основні характеристики цього модуля: 
• Датчик вологості та температури:  
DHT11 – вимірює: 
-  температуру від 0 до 50°C,  
-  вологість повітря від 20% до 90%. 
• Цифровий інтерфейс: 
-  зчитує дані з датчика DHT11, 
32 
-  передає дані до мікроконтролера або іншого електронного пристрою. 
Особливістю цього модуля є простота використання: 
Для зчитування даних з датчика потрібно просто підключити його до 
мікроконтролера та використовувати відповідні бібліотеки для зчитування та 
обробки даних. 
• Низька вартість модуля з датчиком DHT11. 
Низька вартість забезпечується недорогим пристроєм,через великий 
попит на нього. 
Він використовується в багатьох проектах, де необхідно вимірювати 
вологість та температуру повітря. 
• Висока точність.  
Датчик DHT11 має високу точність для більшості застосувань, що 
забезпечує інформаційну надійність при вимірюванні вологості та 
температури. 
Отже, модуль з датчиком DHT11 - це простий та доступний 
електронний пристрій, який дозволяє вимірювати вологість та температуру 
повітря з високою точністю та передавати ці дані для подальшої обробки. 
Існують аналоги модуля з датчиком DHT11, які можуть вимірювати 
температуру та вологість повітря, їх переваги та недоліки описані нижче. 
Існують аналоги датчика з широким діапазоном температур які 
наведені нижче : 
• DHT22: Цей датчик має більш широкий діапазон вимірювання: 
- температури (від -40 до +125 °C) 
- вологості (від 0 до 100%). 
Точність вимірювання вологості є кращою, ніж у DHT11. Однак, він 
коштує  дорожче. 
• AM2302: Це ще один датчик вологості та температури, який має 
такий же діапазон вимірювання, як і DHT22, але він також має високу 
вартість. 
33 
• BME280: Цей датчик є більш універсальним, оскільки він може 
вимірювати не тільки вологість та температуру, але також і атмосферний 
тиск. Він має вищу точність вимірювання, але коштує більше, ніж DHT11. 
• SHT11: Цей датчик має такий же діапазон вимірювання, як і 
DHT11, але має вищу точність вимірювання вологості та температури. Він є 
дещо дорожчим, ніж DHT11. 
Модуль з DHT11 має декілька переваг, зокрема: 
• Вартість: DHT11 є досить дешевим датчиком в порівнянні з 
іншими аналогами, які можуть вимірювати вологість та температуру. 
• Простота використання: Для зчитування даних з DHT11 не 
потрібно додаткового обладнання або програмного забезпечення. Він може 
працювати з більшістю мікроконтролерів і розробних платформ, таких як 
Arduino, Raspberry Pi та інших. 
• Низький рівень споживання енергії: DHT11 - це датчик вологості 
та температури, який має досить низький рівень споживання енергії. Він 
споживає близько 1 мА струму під час роботи і має сплячий режим зі 
споживанням менше 100 нА. Також важливо зазначити, що датчик не має 
власного джерела живлення і підключається до зовнішнього джерела 
живлення, яке може бути відключене під час періодів, коли датчик не 
використовується. 
 Зважаючи на це, DHT11 може використовуватись в батарейно 
живлених пристроях, таких як датчики віддаленого моніторингу вологості та 
температури або погодні станції, які потребують довготривалого 
функціонування від однієї зарядки батареї. 
• Доступність: DHT11 є дуже поширеним датчиком, який можна 
легко придбати в магазинах електронних компонентів або в Інтернеті. 
Зважаючи на ці переваги, модуль з DHT11 є хорошим вибором для 
простих проектів, де вимірювання точності не є основним завданням і де не 
потрібно вимірювати великі діапазони температур та вологості. 
Вимірювання температури ґрунту здійснюється датчиком DS18B20 (рис 
34 
2.5) який має захист від вологи. Це цифровий датчик, компактний і досить 
точний. Використовується інтерфейс «1-Wire». 
 
 
 
Рис. 2.5 датчик температури DS18B20 
 
DS18B20 є цифровим датчиком температури, який має наступні 
характеристики: 
• Діапазон вимірювання температури:  
від -55 °C до +125 °C. 
• Точність вимірювання температури: 
 ±0.5°C у діапазоні від -10°C до +85°C. 
• Роздільна здатність: 
 9-бітний, 12-бітний або програмований режим (9-12 біт). 
35 
• Інтерфейс підключення: 1-Wire. 
• Розміри: 20 мм х 9 мм х 4 мм. 
Одна з головних переваг DS18B20 полягає в його цифровому 
інтерфейсі підключення, що дозволяє підключати кілька датчиків до одного 
входу мікроконтролера, що робить його більш універсальним і зручним для 
використання в різних проектах. 
Також важливо зазначити, що DS18B20 має досить низький рівень 
споживання енергії. Споживання енергії DS18B20 залежить від того, у якому 
режимі він працює. За замовчуванням, датчик перебуває в режимі очікування 
і не споживає практично жодної енергії. Коли мікроконтролер запитує 
температуру, датчик входить в режим передачі даних, під час якого 
споживання енергії збільшується. 
Згідно з документацією від Maxim Integrated, при використанні 
DS18B20 в режимі передачі даних приблизно 1 раз на секунду, середнє 
споживання становить близько 1.5 мкА в режимі очікування і 750 мкА в 
режимі передачі даних. Протягом передачі даних споживання становить 
близько 1.5 мА протягом короткого періоду часу. 
Для порівняння, традиційні аналогові термометри можуть споживати 
більше енергії, тому DS18B20 є енергоефективним датчиком температури для 
батарейно живлених пристроїв. 
Є декілька аналогів DS18B20, які можуть бути використані як заміна. 
Ось декілька прикладів: 
1. DS18S20 - це датчик температури, який працює за протоколом 1-
Wire, як і DS18B20. Він має таку саму точність та роздільну здатність, але 
менший діапазон температур (-55°C до +125°C). Він також має меншу 
кількість розрядів у своєму унікальному ідентифікаторі, що робить його 
менш захищеним від помилкового ідентифікування. 
2. MAX31820 - це інший датчик температури, який працює за 
протоколом 1-Wire. Він має ті ж характеристики, що і DS18B20, але з 
36 
додатковим функціоналом, таким як розпізнавання заморожених датчиків та 
захист від короткого замикання. 
3. LM35 - це аналоговий датчик температури, який видає вихідне 
напругу, пропорційну температурі в градусах Цельсія. Він працює з напругою 
живлення від 4 до 30 В, але має меншу точність та роздільну здатність, ніж 
DS18B20. Він також потребує додаткових компонентів для перетворення 
його вихідного сигналу в цифровий формат. 
Хоча ці датчики мають схожі характеристики, заміна DS18B20 іншим 
датчиком може вимагати зміни програмного забезпечення, оскільки кожен 
датчик має власний протокол передачі даних та формат виводу даних. 
DS18B20 має кілька переваг порівняно з іншими датчиками 
температури: 
• Точність: DS18B20 має дуже високу точність вимірювання 
температури, яка становить ±0,5°C в діапазоні від -10°C до +85°C. 
• Роздільна здатність: DS18B20 має дуже високу роздільну 
здатність вимірювання температури, яка становить 0,0625°C. Це означає, що 
датчик може розрізняти дуже малі зміни температури. 
• Простота використання: DS18B20 працює за протоколом 1-Wire, 
що робить його дуже простим у використанні. Він має вбудований 
ідентифікатор, що робить його легко ідентифікованим у системі. 
• Низький рівень шуму: DS18B20 має дуже низький рівень шуму, 
що дозволяє отримувати дуже точні вимірювання температури. 
• Широкий діапазон температур: DS18B20 може працювати в 
діапазоні від -55°C до +125°C, що робить його досить універсальним і 
придатним для використання в різних умовах. 
Загалом, DS18B20 є дуже точним, надійним та простим у використанні 
датчиком температури з високою роздільною здатністю та низьким рівнем 
шуму. Він також має широкий діапазон температур та працює за простим 
протоколом передачі даних, що робить його дуже популярним серед 
розробників та електроніків 
37 
Для вимірювання вологи ґрунту використовується ємнісний датчик 
вологості. Він являється аналоговим, який міряє вологу саме ємнісним 
зондуванням. Виготовлений із корозійностійкого матеріалу, який надає йому 
довгий термін служби. 
Ємнісний датчик вологості Capacitive Soil Moilsture Sensor 1.2 (рис. 2.6) 
- це електронний датчик, призначений для вимірювання вологості грунту. 
Основна характеристика датчика полягає в тому, що він використовує зміну 
ємності між двома пластинами, що занурені в грунт, для вимірювання 
вологості.  
 
Рис. 2.6. Датчик вологості Capacitive Soil Moilsture Sensor 
Детальніше, основні характеристики датчика такі: 
• Напруга живлення: 3.3V - 5V. 
• Вимірювання вологості: в діапазоні від 0 до 100%. 
38 
• Діапазон робочої температури: від -10°C до +70°C. 
• Чутливість: висока чутливість до вологості грунту, що дозволяє 
вимірювати вологість на різних глибинах. 
• Надійність: датчик має досить надійну конструкцію та довгий 
термін експлуатації. 
• Великий робочий діапазон: датчик може працювати з будь-яким 
типом ґрунту, що робить його універсальним у використанні. 
• Простота використання: датчик можна легко інтегрувати з будь-
яким мікроконтролером, таким як Arduino, інші контролери або міні-ПК, такі 
як Raspberry Pi. 
Ємнісний датчик вологості Capacitive Soil Moilsture Sensor 1.2 має 
багато переваг, зокрема, високу чутливість, надійність, широкий діапазон 
робочих температур, універсальність у використанні та простоту 
використання. Він є чудовим варіантом для вимірювання вологості грунту в 
сільському господарстві, ландшафтному дизайні, садівництві та інших 
відповідних галузях. 
Ємнісний датчик вологості Capacitive Soil Moilsture Sensor 1.2 має 
кілька аналогів, таких як: 
1. Ємнісний датчик вологості грунту SEN0193; 
2. Ємнісний датчик вологості грунту SEN0194; 
3. Ємнісний датчик вологості грунту YL-69. 
Ці датчики працюють за тим же принципом, що і Capacitive Soil 
Moilsture Sensor 1.2, тобто вимірюють вміст вологи в ґрунті за допомогою 
електричної ємності. Однак, вони можуть мати різні технічні характеристики 
та специфікації. 
Ємнісний датчик вологості грунту Capacitive Soil Moisture Sensor 1.2 
має кілька переваг над іншими датчиками вологості грунту: 
• Висока точність: Цей датчик має високу точність вимірювання 
вологості грунту, що дає можливість здійснювати точне контролювання рівня 
вологості. 
39 
• Широкий діапазон вимірювання: Цей датчик може вимірювати 
вологість грунту в діапазоні від 0 до 100% RH, що дозволяє використовувати 
його в різних умовах. 
• Низька споживання енергії: Цей датчик має дуже низьке 
споживання енергії, тому він може бути застосований в проектах з 
енергозбереженням або на батарейному живленні. 
• Легкий у використанні: Цей датчик має простий інтерфейс, і його 
можна легко підключити до мікроконтролера або одноплатного комп'ютера, 
такого як Arduino або Raspberry Pi. 
• Доступність та вартість: Capacitive Soil Moisture Sensor 1.2 є 
доступним та відносно дешевим датчиком, що робить його популярним серед 
розробників та ентузіастів. 
Дотого ж цей датчик має дуже низьке споживання енергії. Згідно з 
технічною документацією, середнє значення струму споживання в режимі 
очікування становить менше 20 мкА, а в режимі роботи під час вимірювання 
вологості грунту струм споживання може досягати 5 мА. При цьому напруга 
живлення може бути в діапазоні від 3.3 до 5 В, що дозволяє використовувати 
датчик з різними типами мікроконтролерів та одноплатних комп'ютерів. 
Таким чином, Ємнісний датчик вологості грунту Capacitive Soil Moisture 
Sensor 1.2 є досить економним у використанні енергії та може бути 
використаний у проектах з енергозбереженням або на батарейному живленні. 
 
 
 
 
 
 
 
 
40 
2.2.1 Реляційна модель даних якісного оцінювання характеристик 
датчиків 
 
На даному етапі було проведено аналіз різноманітних датчиків, 
спрямованих на вимірювання вологості та температури грунту. Основною 
метою метою стала необхідність ретельно розглянути характеристики 
кожного датчика, визначити їхні сильні та слабкі сторони, а також визначити 
їх придатність для використання в умовах вирощування рослин. 
Основна увага була зконцентрована на таких ключових аспектах: 
-  точність вимірювань, 
- швидкість реакції, 
- надійність, 
-  зручність в управлінні 
- зручність в інтеграції. 
 Аналіз цих параметрів, допоміг визначити, як кожен датчик може 
впливати на якість моніторингу умов вирощування рослин. 
Отримані в ході аналізу результати стануть основою для подальшого 
впровадження оптимального датчикового обладнання у системи 
автоматизованого контролю та управління вирощуванням рослин. 
Результати представлені в таблицях 2.1, 2.2, 2.3. 2.4. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
41 
Таблиця 2.1 
Реляційна модель даних основних характеристик датчиків 
вологості та температури грунту 
№ Плата Функції: Переваги Недоліки 
1     
 Вимірює  Недостатня 
 вологість та Доступний, недорогий, точність 
DHT11 температуру простий у вимірювання, 
повітря за використанні, має обмежена частота 
допомогою низьку споживання оновлення (не 
датчика енергії. більше одного разу 
в ологості. на секунду). 
2   Висока точність  
 Вимірює вимірювання, висока  
 вологість та частота оновлення (до  
DHT22 температуру 2 разів на секунду), Висока вартість 
повітря за низьке порівняно з іншими 
допомогою електроспоживання. 
датчика 
в ологості. 
3     
 Вимірює Висока точність  
 вологість та вимірювання, висока  
AM2302 температуру частота оновлення (до Висока вартість 
повітря за 2 разів на секунду), порівняно з іншими 
допомогою низьке 
датчика електроспоживання. 
 вологості. 
4    Висока вартість 
 Вимірює тиск, Висока точність порівняно з іншими 
 вологість та вимірювання, висока 
BME280 температуру частота оновлення (до 
повітря за 2 разів на секунду), має 
допомогою додатковий датчик 
д атчиків. тиску. 
 
 
Таблиця 2.2 
Реляційна модель даних основних характеристик датчиків 
температури грунту 
42 
№ Датчик Класифікація Переваги Недоліки 
1   Висока точність (+/-   
  0.5°C), мала похибка,  
 Цифровий простота використання,  
 термометр з можливість Чутливість до 
DS18B20 одиничним вимірювання переполюсува
ідентифікатором температури від -55°C ння 
 до +125°C 
2   Висока точність (+/-  
 Цифровий 0.5°C), мала похибка, Висока 
 термометр з простота використання, вартість 
 унікальним можливість порівняно з 
DS18S22 ідентифікатором вимірювання іншими 
температури від -55°C датчиками, 
 до +125°C чутливість до 
переполюсува
ння 
3     
   Висока 
   вартість 
  Висока точність (+/- порівняно з 
 Цифровий 0.5°C), мала похибка, іншими 
MAX31820 термометр з простота використання, датчиками, 
інтерфейсом 1- можливість менш точний 
wire вимірювання вимірювальни
температури від -55°C й діапазон за 
до +125°C іншими 
 датчиками 
 
 
 
 
 
 
Продовження таблиці 2.2 
 
43 
4     
  Вимірювання  
  температури, вологості  
  та тиску повітря, висока Висока 
 Датчик точність (+/-0.5°C для вартість 
 температури, температури, +/-3% для порівняно з 
 вологості та вологості, +/-1hPa для іншими 
BME280 тиску повітря з тиску), можливість датчиками, 
цифровим вимірювання великих менша 
інтерфейсом  різниць тиску точність 
порівняно з 
іншими 
датчиками 
5     
    
  Низька вартість, Низька 
 Аналоговий простота використання, точність (+/-
 термометр з можливість 0.5), 
LM35 виходом у вимірювання обмежений 
вигляді напруги температури від 0°C до діапазон 
+100°C вимірювання 
температури 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Таблиця 2.3 
44 
Реляційна модель даних основних характеристик датчиків  
вологості грунту 
 
№ Датчик Функції: Переваги Недоліки 
1     
    
    
Capacitive Вимірює Низька Низька точність, 
Soil ємність вартість, проста піддається 
Moisture вологи в у використанні електромагнітним 
Senso r 1.2 грунті перешкодам 
2     
 Вимірює Надійний та Висока вартість, 
 ємність стійкий до складний у 
SEN0193 вологи в шумів, висока використанні 
  гру нті точність 
3     
 Вимірює   
 ємність Висока Низька стійкість до 
SEN0194 вологи в точність, низька шумів, складний у 
грунті вартість використанні 
  
4     
 Вимірює Низька Низька точність, 
YL-69 ємність вартість, проста піддається 
вологи в у використанні електромагнітним 
грунті перешкодам 
 
 
 
 
2.2.2 Реляційна модель даних кількісного оцінювання 
характеристик датчиків 
45 
 
Цей етап спрямований на вивчення та оцінювання точності, 
динамічності та надійності даних, які надходять від датчиків вологості та 
температури грунту. Було проведене ретельне дослідження параметрів 
кожного датчика, спираючись на кількісні показники, щоб визначити їхню 
ефективність у конкретних умовах вирощування. 
Аналіз кількісних характеристик дозволяє об'єктивно порівнювати та 
визначати найкращі параметри датчиків для певних завдань. Враховуючи ці 
результати, з’являється можливість надати рекомендації щодо вибору 
оптимальних датчиків для досягнення найвищої точності. 
Результати представлені в таблицях 2.5, 2.5, 2.6, 2.8. 
 
Таблиця 2.4 
Реляційна модель даних кількісного оцінювання характеристик 
датчиків температури та вологості грунту 
 
1         
DHT 0°C до 20% до 3V – ±2 1.5mA – 4.5 - 40-80 
11 50°C 80%  5.5V °C 2.5mA 12.5 грн 
 
 
Продовження таблиці 2.4 
 
№ 
Датчик 
Діапазон 
вимірювання 
температури, °C 
Діапазон 
вимірювання 
вологості, % 
Напруга живлення, V 
Точність,°C 
Споживання струму, 
мА  
Потужність, mW 
Вартість, грн  
46 
№ 
2        100-
DHT 40°C до 0% до 3V – ±0.5 0.2mA – 0.6 - 350 
22 80°C 100%  6V °C 1mA 6 грн 
  
3         
AM2 -40°C 0% до 3.3V ±0.5 0.5mA – 1.6 - 150-
302 до 80°C 100% – 5V °C 2.5mA 12.5 300 
 
грн 
4         
 -40°C 0% до 1.71 ±1 1.8 mA – 3.07 160-
BM до 85°C 100%  V – °C 3.6mA 8 - 270 
E280 3.6V 10.8 грн 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
Таблиця 2.5 
Реляційна модель даних кількісного оцінювання характеристик 
датчиків температури грунту 
Датчик 
Діапазон вимірювання 
температури, °C 
Діапазон вимірювання 
вологості, % 
Напруга живлення, V 
Точність,°C 
Споживання струму, 
мА  
Потужність, mW 
Вартість, грн  
47 
№ 
1        
  ±0.5°C в     
DS18B20 -55°C до діапазоні     
+125°C -10°C до 3.0V - 1 мА  3 - 60-90 
   +85°C 5.5V 5.5 грн 
2        
  ±0.5°C в     
DS18S22 -55°C до діапазоні    150-
+125°C -10°C до 3.0V - 1 мА 3 - 250 
+ 85°C 5.5V 5.5 грн 
3        
  ±0.5°C в     
MAX31820 -55°C до діапазоні   1.35 160-
+125°C -10°C до 2.7V - 0,5 мА  - 250 
+ 85°C 5.5V 1.375 грн 
4        
 BME280 -40°C до ±1°C 1.71V - 0,27 мА  0.459 160-
+85°C 3.6V - 270 
0.972  грн 
5        
 0°C до ±0.5°C в     
LM35 +100°C діапазоні 4.0V -   60-150 
0°C до 30V 0,6 мА  2.4 - грн 
 +100°C 9.0 
 
  
Датчик 
Діапазон 
вимірювання 
температури, °C 
Точність °C 
Напруга 
живлення, V 
Споживання 
струму, мА 
Потужність, mW 
Вартість, грн 
48 
Таблиця 2.6 
Реляційна модель даних кількісного оцінювання характеристик 
датчиків вологості грунту 
№ 
1       
59.
Capacitive 0% -   0.6mA- 80-150 
4 - 
Soil 100% +/- 2- 3.3V- 35mA / грн 
116
Moisture 5% 5V 18mA-
.25 
 Sensor 1.2 35mA 
2       
    5mA-  100-
SEN0193 0% -  3.3V- 20mA /  250 грн 
100% +/- 5% 5V 5mA- 16.5 - 66 
 20mA 
3       
SEN0194 0% - +/- 5% 3.3V- 5mA-  100-
100% 5V 20mA /  250 грн 
5mA- 16.5 - 66 
 20mA 
4       
YL-69 0% - +/- 5% 3.3V- 15mA-  90-150 
100% 5V 20mA /  грн 
15mA- 49.5 - 66 
 20mA 
 
 
 
 
 
 
2.2.3 Дослідження на базі візуалізації основних характеристик 
датчиків. 
Датчик вологості 
грунту 
Діапазон 
вимірювання 
вологості, % 
Точність,% 
Напруга 
живлення, V 
Споживання 
струму (в режимі 
очікування/в 
режимі 
виПмоітруюжвнаінснтья ) , 
mmWA  
Вартість, грн 
49 
Верифікація ефективності здійснюється на основі порівняльного 
аналізу компонентів КІС за допомогою візуалізації основних характеристик 
датчиків вологості та температури, що є важливим етапом при розробці 
систем автоматизованого керування мікрокліматом у мінітеплицях. 
Візуалізація таких характеристик надає зручний та зрозумілий спосіб аналізу 
даних. Основні параметри включають: 
• Діапазон вимірювання температури. Графік вказуює на 
максимальний та мінімальний діапазон вимірювання температури (рис.2.7). 
 
 
                             Рис. 2.7 Гістограми діапазону вимірювання температури  
для датчиків вологості та температури 
 
• Діапазон вимірювання вологості. Графік вказуює на 
максимальний та мінімальний діапазон вимірювання вологості (рис.2.8). 
50 
 
Рис. 2.8 Гістограми діапазону вимірювання вологості  
для датчиків вологості та температури 
 
 
 
 
 
• Напруга живлення (рис.2.8.). Відображення робочого діапазону 
напруги живлення, що дозволяє визначити сумісність з існуючою 
електричною інфраструктурою. 
51 
 
 
 
Рис. 2.8 Гістограми напруг живлення датчиків вологості та температури 
 
 
 
 
 
• Точність вимірювань. Графічне представлення точності вимірювань 
для різних умов експлуатації (рис.2.9). 
52 
 
 
Рис. 2.9 Гістограми точності датчиків вологості та температури 
 
 
 
 
• Споживання струму та потужність. Графіки динаміки споживання 
струму та потужності в залежності від умов роботи датчика (рис.2.10 та рис 
2.11). 
53 
 
Рис. 2.10 Гістограми споживання струму  
для датчиків вологості та температури 
  
54 
 
 
Рис. 2.11. Гістограми потужності  
для датчиків вологості та температури 
 
 
 
 
55 
• Вартість. Графік вартості датчика в залежності від його характеристик, 
включаючи можливі варіанти модифікацій (рис.2.12). 
 
 
Рис.2.12 Гістограми вартості 
для датчиків вологості та температури 
 
 
56 
Візуалізація основних характеристик датчиків вимірювання 
температури грунту 
 
Візуалізація основних характеристик датчиків вимірювання 
температури грунту включає графічне відображення ключових параметрів 
для забезпечення наочного розуміння їхньої роботи та ефективного 
використання в системі. 
Графічне відображення представлено на рисунках 2.13-2.18. 
 
 
 
Рис. 2.13 Гістограми діапазону вимірювання температури  
для датчиків температури грунту 
57 
 
 
Рис.2.14 Гістограми точності 
для датчиків температури грунту 
58 
 
 
Рис.2.15 Гістограми напруги живлення 
для датчиків температури грунту 
 
59 
 
 
Рис. 2.16 Гістограми споживання струму 
для датчиків температури грунту 
60 
 
 
Рис.2.17 Гістограми потужності  
для датчиків температури грунту 
 
61 
 
 
Рис.2.18 Гістограми вартості  
для датчиків температури грунту 
 
 
 
 
 
 
62 
Візуалізація основних характеристик датчиків вимірювання 
вологості грунту 
Візуалізація основних характеристик датчиків вимірювання вологості 
грунту є важливим інструментом для моніторингу та керування умовами 
вирощування рослин. 
Графічне відображення представлено на рисунках 2.19-2.22. 
 
 
 
Рис. 2.19 Гістограми діапазону вимірювання вологості  
для датчиків вологості грунту 
63 
 
 
 
Рис.2.20 Гістограми напруги живлення 
для датчиків вологості грунту 
 
 
 
 
 
64 
 
 
 
Споживання струму (в режимі очікування/в режимі 
вимірювання), mA 
 
 
 
 
Рис. 2.21 Гістограми споживання струму 
для датчиків вологості грунту 
 
 
65 
 
 
Рис.2.22 Гістограми вартості 
для датчиків вологості грунту 
 
Вивчення та візуалізація цих характеристик датчиків допомагає 
ефективно управляти та оптимізувати умови в мінітеплиці, забезпечуючи 
оптимальний підбір відносно недорогих компонентів з задовільняючими нас 
параметрами. 
 
 
 
 
66 
2.3 Розробка реляційної моделі даних якісного та кількісного 
оцінювання характеристик мікроконтролерів для мінітеплиці  
 
NodeMCU v3 (рис.2.23.) є мозком даного проекту. Це налагоджувальна 
плата на базі мікроконтролера ESP8266 яка має невеликі розміри. В 
мікроконтролер зашита прошивка яка зчитує дані з датчиків і на їх основі 
виконує відповідні дії. 
 
Рис. 2.23. NodeMCU v3 
NodeMCU v3 є платою з мікроконтролером ESP8266, яка є популярною 
серед розробників IoT-проектів. Основні характеристики плати NodeMCU v3 
такі: 
• Мікроконтролер ESP8266 з частотою 80 МГц та 4 МБ флеш-
пам'яті. 
• Вбудований модуль Wi-Fi, що дозволяє бездротово з'єднуватися 
з інтернетом та іншими пристроями. 
• Можливість працювати в режимі AP (Access Point) та STA 
(Station), що дозволяє використовувати плату як точку доступу або 
підключатися до іншої точки доступу. 
• 11 цифрових входів / виходів (GPIO) з можливістю роботи з 
протоколами PWM, I2C та SPI. 
• Аналоговий вхід (ADC) з роздільною здатністю 10 біт. 
67 
• Мікро-USB порт для живлення та програмування. 
• Роз'єм для зовнішньої антени. 
• Переваги NodeMCU v3 включають: 
• Легкість використання та програмування з допомогою Arduino 
IDE або мови програмування Lua. 
• Висока швидкість передачі даних завдяки вбудованому модулю 
Wi-Fi. 
• Можливість підключення до широкого спектру сенсорів та 
пристроїв завдяки наявності GPIO та інших інтерфейсів. 
• Наявність великої спільноти розробників, яка дозволяє отримати 
допомогу та знайти готові бібліотеки та рішення для своїх проектів. 
NodeMCU v3 є потужною та зручною платою для розробки проектів 
Інтернету речей, зокрема домашньої автоматизації, моніторингу даних та 
віддаленого керування. NodeMCU v3 є дуже привабливою платою для 
багатьох проектів завдяки своїм можливостям з підключення до мережі Wi-
Fi, багатьом GPIO портам, підтримці різних інтерфейсів, легкій доступності 
та низькій вартості. 
Існує кілька плат, які можуть бути аналогами NodeMCU v3. Деякі з них 
використовують мікроконтролер ESP8266, а інші - інші мікроконтролери з 
підтримкою Wi-Fi та різними характеристиками. Ось декілька прикладів: 
1. ESP32 DevKitC: Це плата з мікроконтролером ESP32, яка має 
вбудований модуль Wi-Fi та Bluetooth. Її можна програмувати з 
використанням Arduino IDE або мови програмування MicroPython. ESP32 
DevKitC має більше GPIO портів, ніж NodeMCU v3, та підтримує різні 
інтерфейси, такі як I2C, SPI та UART. 
2. Wemos D1 Mini: Ця плата також використовує мікроконтролер 
ESP8266 та має вбудований модуль Wi-Fi. Вона має менше розміри та менше 
GPIO портів, ніж NodeMCU v3, але може бути корисна для проектів, де не 
потрібно багато GPIO портів. 
68 
3. Adafruit HUZZAH ESP8266: Ця плата також використовує 
мікроконтролер ESP8266 та має вбудований модуль Wi-Fi. Вона має менше 
GPIO портів, ніж NodeMCU v3, але має великий вибір додаткових модулів та 
аксесуарів, які можуть бути корисні для різних проектів. 
Arduino MKR WiFi 1010: Ця плата використовує мікроконтролер 
SAMD21 та має вбудований модуль Wi-Fi. Вона підтримує різні інтерфейси, 
такі як I2C, SPI та UART, та має вбудовану підтримку SSL. Вона може бути 
корисною для проектів, де потрібна більша обробка даних або більш висока 
безпека. 
 
Таблиця 2.7 
Реляційна модель даних основних характеристик  
мікроконтролера 
№ Плата Класифікація Переваги Недоліки 
1     
  Низька вартість,  
 Мікроконтролер підтримка WiFi, Не має 
NodeMCU ESP8266 з можливість підтримки 
v3 модулем WiFi, програмування на Bluetooth, немає 
підтримує Lua Lua та Arduino IDE, USB-порту, 
та Arduino IDE досить потужний погана точність 
мікроконтролер з генератора 
електроспоживанням 
біля 80 мА 
2   Підтримка WiFi та  
 Мікроконтролер Bluetooth,  
 ESP32 з можливість Висока вартість, 
 підтримкою програмування на менша спільнота 
ESP32 WiFi та Arduino IDE, розробників 
DevKitC Bluetooth, двоядерний порівняно з 
підтримує мікроконтролер з ESP8266 
Arduino IDE електроспоживанням  
біля 60 мА, є USB-
порт 
 
 
Продовження таблиці 2.7 
69 
 
№ Плата Класифікація Переваги Недоліки 
3     
  Низька вартість,  
 Мікроконтролер підтримка WiFi,  
 ESP8266 з можливість  
Wemos модулем WiFi, програмування на Немає підтримки 
D1 Mini підтримує Arduino IDE, малий Bluetooth, немає 
Arduino IDE розмір та USB-порту 
електроспоживання  
біля 70 мА 
 
4     
 Мікроконтролер Низька вартість, Не має підтримки 
Adafruit ESP8266 з підтримка WiFi, Bluetooth, 
HUZZAH модулем WiFi, можливість електроспоживання 
ESP8266 підтримує програмування на біля 70 мА, менший 
Arduino IDE Arduino IDE, розмір пам'яті 
вбудований USB- порівняно з 
порт NodeMCU 
  
5     
  Має вбудований  
  Wi-Fi модуль, що Висока ціна 
  дозволяє порівняно з іншими 
 Мікроконтролер бездротово платами; Обмежена 
Arduino SAMD21 з з'єднатися з підтримка 
MKR модулем WiFi та Інтернетом; Низьке бібліотек і 
WiFi BLE, підтримує споживання енергії документації 
1010 Arduino IDE (від 49 мА); порівняно з більш 
Швидка передача популярними 
даних (до 1 платами; Не має 
Мбіт/с); USB 
Компактний розмір  
 
 
 
 
  
70 
Таблиця 2.8 
Реляційна модель даних кількісного оцінювання характеристик 
мікроконтролера 
№ Тип Частот Розрядні Напруга Спожива Потужніс Вартіс
плати а, сть живлен ння ть, mW ть, грн 
MHz  n,bit ня, U, V струму, 
mA 
1        
    70 мА (в   
NodeM 80 32 біти 3.3V режимі  100-
CU v3 MHz сплячого 231 200 
режиму - грн 
 20 мА) 
2        
    80 мА (в   
ESP32 80/160 32 біти 2.2V - режимі  150-
DevKit MHz 3.6V сплячого 176-288 300 
C режиму - грн 
1 0 мА) 
3     70 мА (в   
    режимі   
Wemos 80 32 біти 3.3V сплячого  150-
D1 Mini MHz режиму - 231 200 
2 0 мА грн 
4        
    80 мА (в   
Adafruit    режимі  400-
HUZZA 80 32 біти 3.3V сплячого 264 800 
H MHz режиму -  грн 
ESP826 10 мА) 
 6 
5        
    100 мА (в   
Arduino 48   режимі 330 800-
MKR MHz 32 біти 3.3V сплячого 1000 
WiFi режиму - грн 
1010  10 мА) 
 
2.4 Дослідження на базі візуалізації основних характеристик 
мікроконтролерів 
71 
Дослідження на базі візуалізації основних характеристик 
мікроконтролерів є важливим етапом для оцінки їхніх можливостей та 
придатності до використання у системі автоматизованого керування 
мікрокліматом мінітеплиць. В цьому контексті були вивчені та візуалізовані 
ключові параметри мікроконтролерів, такі як: 
• Напруга живлення. Аналіз робочого діапазону напруги живлення 
мікроконтролера для забезпечення його стабільної роботи в системі (рис 
2.24). 
 
 
 
Рис. 2.24 Гістограми напруг живлення 
для мікроконтролерів 
 
72 
• Споживання струму. Визначення кількості електроенергії, яку 
споживає мікроконтролер при різних режимах роботи, для ефективного 
використання енергоресурсів (рис 2.25). 
 
 
Рис. 2.25 Гістограми споживання струму 
для мікроконтролерів 
 
 
• Потужність. Розрахунок загальної потужності, що витрачається 
мікроконтролером, яка визначається як добуток напруги і сили струму (рис 
2.26). 
73 
 
 
 
Рис. 2.26 Гістограми потужності 
для мікроконтролерів 
 
 
 
 
• Вартість. Оцінка економічної доцільності та вартості 
мікроконтролера, яка може включати в себе не лише сам апарат, але і вартість 
розробки програмного забезпечення та інших аспектів інтеграції (рис 2.27). 
74 
 
 
Рис.2.27 Гістограми вартості 
для мікроконтролерів 
 
Візуалізація цих характеристик дозволила отримати об'єктивне 
уявлення про потенційні можливості та обмеження використання конкретних 
мікроконтролерів у системі автоматизованого керування мінітеплицями. Це 
стане основою для подальшого вибору оптимального обладнання та розробки 
ефективної системи керування мікрокліматом. 
Висновки до розділу 2 
У цьому розділі увага приділена розробці та дослідженню фізичної 
моделі мінітеплиці, що становить ключовий елемент сучасних систем 
вирощування рослин. Фізична модель надає можливість візуалізації та 
75 
аналізу всіх компонентів теплиці, а також їх взаємодії, що є важливим для 
ефективного контролю та управління мікрокліматом. 
Під час розробки моделі ми врахували основні параметри, такі як 
розміри теплиці, тип конструкції, використані матеріали та вбудоване 
обладнання. Модель стала інструментом для візуалізації просторових та 
функціональних характеристик мінітеплиці, що дозволяє зробити висновки 
про її ефективність та придатність для вирощування рослин. 
Було визначено методом візуалізації найкращі компоненти КІС, для 
цього було побудовано систему графіків за поданими параметрами з 
створених таблиць. 
Верифікація ефективності методом візуалізації дозволила нам виявити 
оптимальні параметри для досягнення балансу між вартістю і 
функціональністю теплиці та забезпеченням найкращих умов для росту 
рослин у будь-який період року.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
76 
РОЗДІЛ 3 
РОЗРОБКА АЛГОРИТМУ РЕЖИМІВ КЕРУВАННЯ 
МІКРОКЛІМАТОМ МІНІТЕПЛИЦЬ 
 
3.1 Аналіз існуючих алгоритмів керування мікрокліматом 
мінітеплиць 
Алгоритми керування мікрокліматом мінітеплиць - це набір інструкцій 
та логічних правил, які визначають оптимальні параметри для утримання 
внутрішнього середовища теплиці. Ці алгоритми регулюють різні параметри, 
такі як температура, вологість, освітлення та інші, для забезпечення 
найкращих умов для росту рослин. 
Керування мікрокліматом в мінітеплицях може бути реалізоване двома 
основними способами: ручним управлінням та автоматичним режимом. 
Обираючи між ручним та автоматичним режимами, користувачі мають 
можливість визначати рівень контролю над умовами вирощування рослин. 
Ручне управління може бути корисним у випадках, коли користувач має 
великий досвід та бажання активно контролювати усі параметри. 
Напруженість користувача дуже велика, тому що необхідно слідкувати за 
станом мікроклімату мінітеплиць та приймати відповідні рішення. У той же 
час, автоматичний режим забезпечує більш стабільні та оптимізовані умови 
за участі технологій автоматизації. 
Класифікація алгоритмів керування мікрокліматом мінітеплиць 
представлена в таблиці 3.1. 
Ефективний алгоритм керування мікрокліматом мінітеплиць повинен 
бути гнучким, стійким до змін та забезпечувати оптимальні умови для 
вирощування рослин у різних середовищах. При виборі конкретного 
алгоритму важливо враховувати особливості конкретної теплиці, видів 
рослин та місцевих кліматичних умов. 
77 
 
Рис. 3.1 Класифікація алгоритмів керування мікрокліматом мінітеплиць 
 
78 
3.2 Алгоритм ручного режиму керування мікрокліматом 
мінітеплиць 
 
Використання ручного режиму керування мікрокліматом мінітеплиць 
полягає в тому, що оператори особисто визначають і регулюють параметри 
середовища для росту рослин. Це дозволяє їм гнучко втручатися в процес та 
забезпечувати оптимальні умови для кожної культури. Ручне керування 
забезпечує швидку реакцію на зміни та можливість виправлення параметрів, 
враховуючи специфіку та потреби конкретних рослин.  
Алгоритм ручного режиму керування мікрокліматом мінітеплиць 
включає в себе кілька ключових етапів: 
1. Перевірка поточних параметрів мікроклімату. 
2. Визначення необхідних або оптимальних значень для росту рослин. 
3. Ручне налаштування обладнання для досягнення цільових значень 
(наприклад, обігрівачі, вентилятори, система поливу). 
4. Моніторинг змін у середовищі та реагування на будь-які виявлені 
аномалії. 
5. Ведення журналу з вказівкою встановлених параметрів та проведених 
заходів. 
6. Регулярні перевірки обладнання та мікроклімату для попередження 
можливих збоїв. 
7. Корекція параметрів відповідно до змін у зовнішніх умовах чи 
фізіологічних потреб рослин. 
Цей алгоритм надає операторам можливість активно контролювати та 
впливати на умови в мінітеплиці, забезпечуючи оптимальні умови для росту 
рослин у ручному режимі. 
Алгоритм ручного режиму керування мікрокліматом мінітеплиць: 
• Запустіть систему керування мікрокліматом. 
• Оцініть поточні показники мікроклімату, включаючи 
температуру, вологість, освітленість та інші параметри. 
79 
• Врахуйте вимоги конкретних рослин, які вирощуються в теплиці, 
в залежності від їхньої фази росту та розвитку. 
• Налаштуйте обладнання для досягнення оптимальних значень 
мікрокліматичних параметрів. Наприклад, встановіть необхідні 
температурні режими, вологість чи рівень освітленості. 
• Постійно слідкуйте за змінами в середовищі та реагуйте на будь-
які аномалії. 
• Записуйте всі внесені зміни та виконані налаштування в журнал 
для подальшого аналізу. 
• Змінюйте параметри відповідно до змін зовнішніх умов або 
фізіологічних потреб рослин. 
• Взаємодійте з іншим сільськогосподарським персоналом, 
обговорюючи стратегії та важливі вирішення. 
• Регулярно перевіряйте функціональність та стан обладнання для 
попередження можливих збоїв. 
• При необхідності вносьте корекції та завершуйте роботу системи. 
 
3.3 Алгоритм автоматизовного режиму керування 
мікрокліматом мінітеплиць 
Автоматизований режим керування мікрокліматом мінітеплиць - це 
комплексна система, яка автоматично регулює та контролює параметри 
оточення для оптимального росту та розвитку рослин. Ця система 
використовує передові технології та датчики для збору даних про 
температуру, вологість, освітленість та інші фактори, а потім автоматично 
виконує регулювання обладнання, такого як системи опалення, вентиляції, 
поливу та освітлення. 
Основні аспекти автоматизованого режиму керування мікрокліматом 
мінітеплиць включають в себе точну адаптацію до змін зовнішніх умов, 
максимальну ефективність використання ресурсів, можливість вдалого 
взаємодії з іншими системами у сільському господарстві, а також аварійну 
80 
безпеку для запобігання можливим негативним наслідкам. Автоматизований 
режим спрощує процес вирощування рослин, забезпечуючи оптимальні 
умови та підвищуючи продуктивність господарства. 
Алгоритм автоматизованого режиму керування мікрокліматом 
мінітеплиць: 
• Запуск системи автоматизованого керування при старті теплиці. 
• Зчитування даних з датчиків, що вимірюють температуру, 
вологість, освітленість та інші параметри мікроклімату. 
• Система аналізує поточні умови, порівнює їх із заданими 
стандартами та визначає, чи потрібні корекції. 
• Визначення оптимальних значень мікрокліматичних параметрів 
для конкретної фази росту рослин чи конкретного виду. 
• Автоматичне налаштування систем обігріву, охолодження, 
вентиляції, поливу та освітлення для досягнення цільових значень. 
• Постійний моніторинг параметрів та створення звітів щодо їхніх 
змін та виконаних корекцій. 
• Автоматична адаптація до змін зовнішніх умов, таких як зміни 
погоди чи сезонні варіації. 
• Інтеграція з іншими системами управління, наприклад, системою 
контролю добрив, для забезпечення комплексного підходу. 
• Реалізація аварійних процедур та безпечних режимів у випадку 
несправностей чи аварій. 
• Застосування алгоритмів оптимізації для ефективного 
використання енергії та ресурсів. 
• Проведення регулярних тестів для перевірки ефективності та 
надійності системи. 
 
 
 
 
81 
 
 
Висновки до розділу 3 
 
В розділі був розглянутий та розроблений алгоритм ручного та 
автоматизованого режиму керування мікрокліматом для мінітеплиць. 
Автоматизований підхід до керування дозволяє оптимізувати умови 
вирощування рослин, забезпечуючи їм необхідний рівень температури, 
вологості, освітленості та інших факторів. 
Розроблений алгоритм передбачає систематичний моніторинг та аналіз 
мікрокліматичних умов, автоматичне налаштування параметрів та адаптацію 
до змін у середовищі. Це дозволяє забезпечити оптимальні умови для росту 
та розвитку рослин на різних стадіях їхнього життєвого циклу. 
Важливою особливістю алгоритму ручного режиму є можливість 
миттєвого реагування на зміни умов, такі як зміна температури, вологості чи 
освітленості. Користувачі можуть ефективно керувати тепличним 
середовищем, враховуючи специфічні потреби кожного виду рослин та фаз 
їхнього росту. 
Застосування даних алгоритмів допоможе підтримувати оптимальні 
умови в теплицях та максимізувати врожайність культур. 
 
 
 
 
  
82 
ВИСНОВКИ 
 
Дослідження основних компонентів КІС для автоматизованого 
керування мікрокліматом міні-теплиць було спрямоване на підвищення 
ефективності процесу вирощування рослин у мінітеплицях за рахунок 
оптимізації та модернізації автоматизованого керування мінітеплицею. 
Дослідження зосереджувалося на чотирьох основних завданнях. 
Перше завдання включало вивчення сучасних типів мінітеплиць, що 
дозволило отримати об'єктивний огляд наявних технологій та їхні 
можливості для створення оптимальних умов для рослин. 
В ході вивчення сучасних типів міні-теплиць було здійснено докладний 
аналіз різноманітних технологій, що застосовуються для створення 
оптимальних умов для росту рослин. Огляд різних типів міні-теплиць 
дозволив зрозуміти різноманітність доступних рішень та їхню адаптованість 
до різних вимог та умов. 
Були розглянуті міні-теплиці різних конструкцій, розмірів та 
матеріалів. Вивчення особливостей кожного типу дозволило виділити 
переваги та недоліки кожного. 
Друге завдання передбачало створення моделі плану міні-теплиці та 
визначення кращих компонентів КІС. Це важливий етап, оскільки правильна 
концепція та розрахунки формують основу для подальшого 
автоматизованого керування. 
Розробка моделі плану міні-теплиці та визначення кращих компонентів 
є ключовим етапом, оскільки вона визначає фундамент для подальшого 
автоматизованого керування мікрокліматом міні-теплиць. Цей етап 
передбачав виконання ряду кроків та завдань для забезпечення оптимальних 
умов для росту рослин. 
Спочатку була розроблена концепція моделі міні-теплиці, що включала 
в себе розміри, конструкцію, використані матеріали та інші параметри. Ця 
83 
концепція формулювала основні принципи, які дозволяють створити 
середовище, що відповідає потребам рослин у різних фазах їхнього розвитку. 
Далі відбувалися розрахунки та моделювання, спрямовані на 
визначення оптимальних параметрів для кожного етапу росту рослин. Це 
включало в себе аналіз температурних режимів, рівнів вологості, необхідного 
рівня освітлення та інших факторів, які впливають на рослини у теплиці. 
Така розробка плану моделі міні-теплиці є критично важливою для 
успішного впровадження автоматизованого керування мікрокліматом у міні-
теплицях, адже вони визначають необхідні параметри та системи для 
забезпечення ефективності та оптимальності вирощування рослин. 
Третє завдання включало визначення методом візуалізації кращих 
компонетів КІС, для його виконання було побудовано графіки за допомогою 
програмного середовища Visual Studio по основним характристикам 
компонентів КІС, що стосуються автоматизованого керування 
мікрокліматом. Цей аспект вивчення дозволяє вибрати оптимальні 
компоненти для впровадження в систему. 
Четверте завдання передбачало розробку алгоритму режимів керування 
мікрокліматом міні-теплиць. Створення ефективного алгоритму є ключовим 
елементом для досягнення поставленої мети. 
Загальне дослідження виявило, що автоматизоване керування 
мікрокліматом дозволяє точно регулювати умови, забезпечуючи оптимальні 
умови для розвитку рослин та підвищуючи врожайність. Результати 
дослідження можуть бути використані як основа для подальших 
вдосконалень та розробок в галузі автоматизованого сільського господарства. 
 
 
  
84 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 
 
1. Датчик вологості та температури DHT11. URL: 
https://arduino.ua/prod185-datchik-vlajnosti-i- temperatyri-dht11. 
2. Датчик температури DS18B20 цифровий. URL: 
https://arduino.ua/prod190-datchik-temperatyri- ds18b20-cifrovoi. 
3. Дяченко Ю. Автоматизація процесу кімнатних рослин. Київ: 
Технології та дизайн ISSN, 2020. №14. 14 с.  
4. Ємнісний датчик вологості. URL:https://arduinogeek-
pp.ua/product/емкостный-датчик-влажностипочвы/?gclid=Cj0KCQiA8ICOBh-
DARIsAEGI6o1OrqZx6msAM_97GQNtr1z5dC55h3W57xRryK_dWp5BTOUY
OK1xnJEaAkc0EALw_wcB. 
5. Ілєйко В. Г. Компоненти комп’ютерно-інтегрованої системи 
керування мікрокліматом мінітеплиць в автоматизованому режимі. Збірник 
тез доповідей студентської науковопрактичної конференції ЧДТУ: 18–
20 квітня 2023 р. Черкаси: ЧДТУ, 2023. – C. 14-15. 
6. Липа О.І., Подмазко Н.О., Аль-Сагаф М.А. Аналіз сучасних 
проблем вологісної обробки повітря в системах комфортного 
кондиціонування. Збірник наукових праць 3-ї міжнародної науковотехнічної 
конференції «Сучасні проблеми холодильної техніки і технології». Одеса, 
2003, с. 51 — 56  
7. Міні-теплиця для квартири – город круглий рік, не виходячи з 
дому. URL:https://remontu.com.ua/mini-teplicya-dlya-kvartiri-gorod-kruglij-rik-
ne-vixodyachi-z-domu  
8. Мокін Б.І., Мокін О.Б. Теорія автоматичного керування. 
Методологіяя та практика оптимізації.  Вінниця: ВНТУ, 2013.  210ст. 
85 
a. Пастухов В. І., Ящук Д. А. Проектування системи краплинного 
зрошення для вирощування сільськогосподарських культур. Навч. посіб. до 
виконання курсового проекту. Харків: ХНТУСГ, 2013. 25 с. 
9. Редіна І., Седова А. Застосування математичного моделювання 
для оцінки проектувальних рішень систем опалення, вентиляції та 
кондиціонування повітря. Вісник 2016. №11, с. 5-7. 
a. Розумна теплиця URL: https://greeniq.com.ua/umnaya-teplica/. 
10. Совгіра С. В. Екологічні функції кімнатних рослин. Київ: 
Технології та дизайн ISSN, 2018. №11. 21 с. 
11. Совгіра С. В. Екологічні функції кімнатних рослин. Природничі 
науки в системі освіти: матер. Всеук. наук.-практ. Інтернетконф., 28 лютого 
2018 р. м. Умань, 54-55 с. 
12. Соколов В. Контроль і вимірювання в технологічних та 
енергетичних системах: конспект лекцій. Суми: Сумський державний 
університет, 2020.  242с.  
13. Соломаха І. В. Сучасні тенденції розвитку систем 
автоматизованого поливу рослин. Теорія і практика стратегічного управління 
розвитком галузевих і регіональних суспільних систем: Матер. VІ Міжн. 
наук.-практ. конф., Івано-Франківськ, 11-13 жовтня 2017 р. С. 301-303. 
14. Спеціалізована БД Винаходи (корисні моделі) в Україні. URL: 
http://base.uipv.org/searchINV  
15. Харбет О.М. Вивчення класичної теорії автоматичного 
управління за допомогою сучасного комп’ютера.  Одеса: Бахва, 2014. 187ст.  
16. Цифровий датчик температури DS18B20. 
URL:https://arduino.ua/prod190-datchik-temperatyri- ds18b20-cifrovoi. 
17. Що таке розумна теплиця і як зробити автоматичне керування 
своїми руками URL: http://teplicno.ua/obustr/umnaya-teplica.html  
86 
18. Benefits of Smart Greenhouses for Crop Growers. URL: 
https://behrtech.com/blog/4-benefits-of- smart-greenhouses-and-how-to-get-
started/ 
19. ESP Microcontroller Quick Start Guide. URL: 
https://www.circuitspecialists.com/blog/esp- microcontroller-quick-start-guide/. 
20. ESP8266 DHT11/DHT22 Temperature and Humidity Web Server with 
ArduinoIDE URL: https://randomnerdtutorials.com/esp8266-dht11dht22-
temperature-and-humidity- web-server-with-arduino-ide/ 
21. Guide for Soil Moisture Sensor YL-69 or HL-69 with Arduino. URL: 
https://randomnerdtutorials.com/guide-for-soil-moisture-sensor-yl-69-or-hl-69-
with-the-arduino/ 
22. How Do Increased Carbon Dioxide Levels Affect Plant Growth?. 
URL: https://csef.usc.edu  
23. KY040 rotary decoder library URL: 
https://github.com/dmachard/KY040-rotary 
24. LCD 1602 символьний дісплей 16x2 (жовтий) URL: 
https://arduino.ua/prod1813-lcd-1602- simvolnii-displei-16x2-jeltii. 
25. LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors datasheet (Rev. H). 
URL: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf 
26. MAX31820 1-Wire Ambient Temperature Sensor. URL 
https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX31820.pdf 
27. Modelling Crop Transpiration in Greenhouses: Different Models for 
Different Applications Nikolaos Katsoulas, Cecilia Stanghellini Agronomy 2019, 
9(7), 392. 
28. Process-based greenhouse climate models: Genealogy, current status, 
and future directions David Katzin, Eldert J. van Henten et al. Agricultural Systems, 
2022. №4. 198.  
87 
29. Smart Greenhouse Market. URL: https://www.alliedmark-
etresearch.com/smartgreenhouse-market
ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
