Edukativno-ekološko-tehnički projekt

Zalijevanje biljke pomoću micro:bita

Osnovna škola Otok, Zagreb,2018.

Edukativno-ekološko-tehnički projekt

Cilj projekta:

Napraviti sustav za automatizirano zalijevanje sobne biljke pomoću micro:bita.

Sigurnosne mjere

Ovaj tehnički sustav koristi napajanje istosmjernom strujom napona 3 V (dvije baterije od 1,5 V) i kao takav nije opasan za zdravlje čovjeka. Također nije štetan niti za životinje (domaće, kućni ljubimci) niti za biljke.

Kao i svaka elektronička naprava, tako i micro:bit ne smije doći u doticaj s vodom (vlagom) dok je pod naponom. Zbog toga se micro:bit može koristiti isključivo na suhim mjestima, u zatvorenim prostorijama. Treba paziti da se micro:bit ne stavlja na zemlju koja se zalijeva niti blizu otvora gumenog crijeva za zalijevanje.

Što nam je sve potrebno?

Za ovaj edukativno-ekološko-tehnički projekti potrebno je osigurati slijedeća materijalna sredstva:

1. sobna biljka (biljka, lončanica, zemlja),
2. micro:bit,
3. dvije baterije AAA od 1,5 V,
4. naprava (senzor) za mjerenje vlažnosti zemlje,
5. dvije krokodil-stezaljke,
6. pumpa za vodu,
7. gumeno crijevo za vodu,
8. posuda za vodu,
1. kablovi za spajanje na micro:bit (2 zelena, 2 crvena i 2 crna),
10. osobno računalo.

Odabir sobne biljke

Svaka biljka ima različitu potrebu za vodom pa u skladu s time i učestalost zalijevanja te količinu vode koja je potrebna za zalijevanje. Mi smo odabrali sobnu biljku koja se u narodu naziva „Drvo života“. Može se odabrati bilo koja sobna biljka, ali se prema njoj mora prilagoditi računalni program za adekvatno zalijevanje vodom. Dakle, računalni program je za sve biljke isti, samo se mijenjaju parametri u programu, ovisno o vrsti biljke. Parametri se određuju iskustveno na temelju podataka o vrste biljke, količini zemlje u lončanici i izmjerenoj vrijednosti vlažnosti zemlje.

Odabir pogodnog mjesta za postavljanje biljke tijekom projekta

Osim zemlje i vode svaka biljka neophodno treba još i prirodnu svjetlost. Osim toga, potrebno ju je postaviti na pogodno mjesto, tako da je može vidjeti što veći broj učenika, roditelja i učitelja. Nerazborito bi bilo da se jedan takav projekt događa u školi, a da za njega nitko ne zna.

Dogovorili smo se da ćemo je postaviti pored ulaza u zbornicu. Tu prolaze svi učenici koji ulaze ili izlaze iz škole. Tako će se sa ovim projektom upoznati gotovo svi zaposlenici škole , učenici i njihovi roditelji koji posjete školu. Na tom mjestu ima dovoljno svjetlosti jer su svuda uokolo stakleni prozori.

Upute za spajanje elemenata u jedan funkcionalan sustav

Pumpa za vodu se stavlja (potapa) u posudu s vodom, a kablovi se priključuju na micro:bit. Zeleni kabel se spaja na priključak (1). Crveni kabel se spaja na priključak (3 V). Crni kabel se spaja na priključak (GND). Gumeno crijevo od pumpe stavlja se na zemlju u kojoj se nalazi biljka.

Senzor za mjerenje se sastoji od dvije elektrode (anode i katode) koje se stavljaju u zemlju pored biljke. Na jednu elektrodu se spaja crni kabel, a na drugu zeleni i crveni kabel pomoću krokodil-stezaljke. Ti kablovi se zatim priključuju na micro:bit na slijedeći način. Zeleni kabel se spaja na priključak (0). Crveni kabel se spaja na priključak (3 V). Crni kabel se spaja na priključak (GND).

Micro:bit mora biti pričvršćen iznad zemlje koja se zalijeva da ne bi došao u doticaj s vodom. Na micro:bit se priključuje baterijsko napajanje istosmjernom strujom napona od 3V. Računalni program za zalijevanje biljke je napravljen na osobnom računalu i prije samog spajanja pohranjen na micro:bitu.

Poželjno bi bilo napraviti probu da li je sve ispravno spojeno. To se radi prije postavljanja elektroda u zemlju, a kada su sve žice već spojene sa micro:bitom. Postupak je slijedeći:

1. Elektrode (anodu i katodu) postaviti na suhi papir tako da se ne dodiruju. Paziti da se međusobno ne dodiruju ni metalni dijelovi krokodil-stezaljki niti stezaljke sa suprotnim elektrodama.
2. Staviti pumpu u posudu s vodom, ali tako da se otvor gumenog crijeva vrati nazad u tu istu posudu.
3. Resetirati micro:bit i gledati na njegov displej. Na displeju će se upaliti slovo „P“ i tada treba pažljivo gledati na displej. Zato je i stavljeno to slovo „P“ da se pažljivo gleda jer bi taj važan broj mogao „protrčati“. Za 2 do 3 sekunde početi će se ispisivati nekakav broj i to brojka (znamenka) po brojka (znamenka). Ako očitamo brojke 1, 0, 1, 0 te od toga napravimo broj 1010 onda je sve ispravno spojeno.
4. Nakon toga na displeju će se pojaviti slovo „S“ (oznaka za suhu zemlju) i pumpa će početi raditi. Voda prolazi kroz gumeno crijevo i vraća se natrag u posudu s vodom. Pumpa će prestati s radom za 8 sekundi.
5. Ako se tehnički sustav ponaša prema gore navedenom, onda je sve ispravno spojeno.
6. Ako se sustav ne ponaša kao što je gore navedeno, treba pronaći gdje je greška u spajanju i zatim ponoviti probu.

Na slikama 1 i 2 prikazan je način spajanja svih dijelova sustava sa micro:bitom.

Postavljanje sustava za automatsko zalijevanje biljke

U posudu s vodom se uroni pumpa. Gumeno crijevo, koje je spojeno na pumpu, treba postaviti tako da može neometano zalijevati zemlju u kojoj je zasađena biljka. Micro:bit mora biti zavezan iznad zemlje da se ne bi namočio. Metalni dijelovi krokodil-stezaljki se ne smiju međusobno dodirivati. Kad je sve spojeno kako treba, resetira se micro:bit i pokrene iz početka. Ako je zemlja suha pumpa će ubrzo početi raditi i tjerati vodu kroz gumeno crijevo.

Slike 3, 4, 5 i 6 prikazuju kako izgleda pravilno postavljen sustav za automatsko zalijevanje pomoću micro:bita.

Algoritam

Algoritam je načelno rješenje nekog problema. Kad se on dobro napravi onda je vrlo lako kodirati računalni program u izabranom programskom jeziku. Najkraći, najjednostavniji, a time i najbolji algoritam za rješenje našeg problema izgleda ovako:

1. početak

2. postavi G = 950

3. pokreni beskonačnu petlju

4. ispiši slovo „P“

5. uključi pin1 (1)

6. čekaj 2 sekunde(priprema za očitavanje vrijednosti V)

7. učitaj vrijednost V

8. ispiši vrijednost V

9. ako je V > G onda

- ispiši slovo „S“

- uključi pumpu pin0 (1)

- čekaj 8 sekundi

- isključi pumpu pin0 (0)

10. ako nije V > G onda ispiši slovo „M“

11. isključi pin1 (0)

12. čekaj 15 minuta i nakon toga se vrati u beskonačnu petlju

Iz gore napisanog algoritma se jasno vidi da treba napraviti računalni program s beskonačnom petljom koji će svakih 15 minuta uzimati vrijednosti vlažnosti zemlje (V) pomoću senzora postavljenih u zemlju pored biljke. Ako je ta vrijednost veća od konstante G onda će se uključiti pumpa za vodu, a ako je manja onda neće. Vrijeme rada pumpe od uključivanja do isključivanja iznosi 8 sekundi. Ako se biljka nalazi u niskoj lončanici ili bi stavili posudu s vodom na povišeno mjesto, onda bi bilo dovoljno 4 do 6 sekundi zalijevanja. U našem slučaju visoke lončanice, voda se iz gumenog crijeva vraća nazad u posudu pa je potrebno 2 - 3 sekunda dulje pumpati.

Dijagram toka

Dijagram toka je grafički prikaz algoritma. Na njemu se još bolje vidi što i kako računalni program treba raditi.

Objašnjenja dijagrama toka i oznaka

Konstanta G označava granicu ispod koje se zemlja smatra dovoljno vlažnom, a iznad te vrijednosti suhom. Zemlja se smatra suhom i treba je zaliti, ako je izmjerena vrijednost V veća od vrijednosti konstante G. Zemlja se smatra mokrom i nema potrebe za zalijevanjem, ako je vrijednost V manja od vrijednosti G. Ova konstanta ovisi o vrsti biljke jer sve biljke ne podnose jednako suhu ili mokru zemlju. Mi smo stavili da ta konstanta bude G = 950 jer to najviše odgovara našoj biljci. To je okvirno i proizvoljno odabrana vrijednost. Mogli smo staviti da G bude bilo koji broj u rasponu od 930 do 970, a da to značajnije ne utječe na dotičnu biljku. Kada bi, na primjer, biljka koju treba zalijevati bila kaktus, vrijednost konstante G bi se kretala u rasponu od 1000 do 1009 (vrlo suha zemlja).

Varijabla V se dobiva mjerenjem vlažnosti zemlje u realnom vremenu. Maksimalna vrijednost za ovaj senzor iznosi 1010. Ta se vrijednost može očitati na displeju micro:bita prije nego se elektrode stave u zemlju. Dakle, vrijednost V=1010 je najmanja vlažnost (najveća suhoća zemlje) koja može biti.

Oznaka „P“ označava pripremu za početak mjerenja i ispisivanja vrijednosti varijable V (vlažnost zemlje). Tada moramo biti pažljivi i čekati da se izmjerena vrijednost pojavi na displeju micro:bita. Ona će se pojaviti za 2 do 3 sekunde od trenutka kada se upali slovo“P“.

Oznaka „S“ i „M“ su oznake za suhu i mokru zemlju. Ako je na displeju microbita upaljeno slovo „S“ onda je to znak da je zemlja suha, a ako je na displeju upaljeno slovo „M“ onda znamo da je zemlja mokra. Ako se upali slovo „S“ onda će se uključiti pumpa za vodu, a ako se upali slovo „M“ onda neće. Na slici 4 se na displeju upalilo slovo „S“ što označava suhu zemlju i početak uključivanja pumpe. Na slikama 5 i 6 upaljeno je slovo „M“ što označava dovoljno mokru zemlju te pumpanje vode nije potrebno.

Program

Računalni program za zalijevanje biljke pomoću micro:bita kodiran je u programskom jeziku Python. Taj programski alat nalazi se na internetskim stranicama micro:bita u rubrici Programirajmo (http://microbit.org/hr/code/). Cjeloviti program izgleda ovako:

from microbit import *

G = 950

while True:

display.show("P")

pin1.write_digital (1)

sleep(2000)

V=pin1.read_analog ()

display.scroll(str(V))

if V > G:

display.show("S")

pin0.write_digital (1)

sleep(8000)

pin0.write_digital (0)

else:

display.show("M")

pin1.write_digital (0)

sleep(900000)

Objašnjenje rada programa

Nakon pokretanja programa i postavljenja vrijednosti konstante G = 950 program će se vrti u beskonačnoj petlji. Na displeju micro:bita će se upaliti slovo „P“, a to je znak da moramo pažljivo gledati u displej. Uključit će se (pin1) i čekati 2 sekunde zbog preciznijeg mjerenja. Nakon te dvije sekunde izvršit će se mjerenje vlažnosti zemlje (vrijednost V). Na displeju će se ispisivati (scroll = brojka po brojka) izmjerena vrijednost V. Zatim slijedi odluka u programu i grananje na jednu od dvije moguće strane, a to će ovisiti o uvjetu ( V > G ):

1) ako je zadovoljen uvjet V > G, na displeju će se upali slovo „S“. Uključit će se pumpa za vodu (pin0). Čekat će 8 sekundi, a zatim isključiti pumpu za vodu (pin0).

2. ako nije zadovoljen uvjet V > G, na displeju će se upaliti slovo „M“. To je oznaka za dovoljno mokru zemlju i nije potrebno zalijevanje.

Isključit će se (pin1) i čekati 15 minuta do slijedećeg mjerenja vlažnosti zemlje.

Slike 7 i 8 prikazuju kako u praksi izgleda zalijevanje sobne biljke „Drvo života“ pomoću microb:bita i računalnog programa.

Ekološki i edukativni značaj ovog projekta

Ovaj automatizirani sustav za zalijevanje biljaka je sa ekološkog stajališta u potpunosti prihvatljiv. Ne onečišćuje okoliš (zrak, vodu, tlo), ne proizvodi buku niti vibracije, ne zrači štetnim zračenjima, ne ispušta neugodne mirise, nije opasan za ljude, životinje i biljke.

Najvažnije od svega je to što se potrošnja vode smanjuje na najmanju moguću mjeru. Biljka se zalijeva samo onoliko koliko joj je vode nužno potrebno. Tako se štedi pitka voda i na taj način brine za očuvanje prirode.

Budući da ovaj tehnički sustav nije štetan i opasan za djecu, može se slobodno koristiti i u edukativne svrhe. Učenici mogu naučiti kako se izrađuju algoritmi, dijagrami toka i programi u programskom jeziku Python. Mogu vidjeti kako radi pumpa i kako se zalijeva sobna biljka. Djeca bi se tako upoznala sa tehničkim stvaralaštvom i ekološkim problemom štednje pitke vode.

Gdje bi se ovaj sustav mogao primijeniti u praksi?

Ovaj automatizirani sustav za zalijevanje bi se mogao vrlo efikasno upotrebljavati u plastenicima ili staklenicima gdje se uzgaja voće, povrće ili ukrasno bilje. Na taj način se štedi pitka voda, a biljke dobiju potrebnu količinu vlage u zemlji. Važno je da biljke budu smještene u plastenicima ili staklenicima jer ovaj sustav nije predviđen za rad na otvorenom. Micro:bit ne smije doći u doticaj sa vodom (vlagom) dok je pod naponom.

Ovakav sustav zalijevanja dobro bi došao ljudima koji idu na godišnji odmor, duža putovanja ili bolničko liječene. Oni bi mogli ovim automatiziranim sustavom zalijevati svoje sobne biljke dok izbivaju iz kuće. U tom slučaju bi trebalo iz programa izbaciti sve ispise na displej micro:bita, kako bi se štedjele baterije. Na taj način bi se sustav mogao duže vremena napajati strujom, a time i vršiti funkciju zalijevanja.

Kritički osvrt na projekt

Projekt je u potpunosti realiziran znanstvenom metodom. To se najbolje može vidjeti po tome da se dobiveni rezultati mogu ponavljati beskonačno mnogo puta i uvijek će se postići isti učinak. Uvijek kada zemlja bude suha, zaliti će se potrebnom količinom vode.

Ova studija pokazuje potpunu primjenu teorije u praksi. Sve što je ovdje objašnjeno teorijski, može se realizirati u praksi. Isto vrijedi i obrnuto. Sve što se događalo u praksi mi smo teorijski obradili.

Ovaj projekt povezuje gotovo sve nastavne predmete iz STEM područja, a to su biologija, fizika, matematika, informatika i tehnička kultura. Sva ta područja se međusobno dodiruju i ponegdje preklapaju, tako da je za realizaciju ovog projekta bilo potrebno mnogo znanja, iskustva, mašte, upornosti, međusobne suradnje i sustavnosti u radu.

Problem posude za vodu riješili smo tako da smo prerezali gornji dio plastične boce od 1,5 litre, kako bi unutra mogli staviti pumpu za vodu. Također bi se mogle iskoristiti i veće boce od 2 ili 2,5 litre. Dobra ideja za tu svrhu je i prazna staklenka za kiselinu jer ona ima široki otvor. Što veća staklenka to više vode stane u nju. Tako bi se biljka mogla duže vrijeme zalijevati bez naše prisutnosti.

Kao potencijalni problem uočili smo da uz micro:bit dolazi spremnik za dvije baterije od 1,5 V. U njega se mogu staviti isključivo AAA baterije. To su one tanke baterije koje ne mogu dugo trajati. Njihovo vremensko trajanje je prilično upitno za rad na „duge staze“. Pumpa za vodu pogotovo brzo troši baterije. Preporuka bi bila da se napravi neki spremnik za malo deblje baterije, isto dvije od 1,5 V jer ukupno moraju imati napajanje od 3 V. Možda bi se moglo razmisliti o akumulatorskim baterijama ili adapterima koji izmjeničnu gradsku struju pretvaraju u istosmjernu struju od 3 V.

Radeći na ovom projektu, puno smo novoga naučili. Družili smo se i razmjenjivali ideje i iskustva, pronalazeći najbolja rješenja. Zainteresirali smo brojne učenike, učitelje i ostale djelatnike za ovaj naš projekt. Svi su se prema projektu i tehničkoj opremi dobro odnosili i s te strane nije bilo nikakvih problema.