“Groove to Green” – Έξυπνο Ηλιακό Θερμοκήπιο για Αστική Γεωργία

3ο Γυμνάσιο Κιλκίς
7ος Πανελλήνιος Διαγωνισμός Ανοιχτών Τεχνολογιών στην Εκπαίδευση

1. Εισαγωγή

Η μαθητική ομάδα «Groove to Green» του 3ου Γυμνασίου Κιλκίς παρουσιάζει το «TopHarvest» – ένα πρωτοποριακό, αυτόνομο υδροπονικό θερμοκήπιο που συνδυάζει αστική καλλιέργεια, έξυπνη γεωργία και τεχνολογία IoT. Στόχος μας είναι να μετατρέψουμε άγονες ταράτσες, μπαλκόνια και μικρούς δημόσιους χώρους σε παραγωγικές, βιώσιμες οάσεις.

Το σύστημα αξιοποιεί:

• Φωτοβολταϊκά πάνελ για πλήρη ενεργειακή αυτάρκεια.
• Ανοιχτές τεχνολογίες (μικροελεγκτής ESP32, πλατφόρμα ThingSpeak) για αυτοματοποίηση και απομακρυσμένη παρακολούθηση.
• Ανακυκλώσιμα υλικά από τη βιομηχανία ELVIAL, στο πνεύμα της κυκλικής οικονομίας.

Με το «TopHarvest» επιδιώκουμε να:

• Παραγάγουμε φρέσκα λαχανικά και αρωματικά σε ελάχιστο χώρο.
• Εξοικονομήσουμε έως 90 % νερό & ενέργεια.
• Μειώσουμε το ανθρακικό αποτύπωμα μέσω τοπικής παραγωγής.
• Ενισχύσουμε τη συμμετοχή της κοινότητας και την περιβαλλοντική εκπαίδευση.
• Αντιμετωπίσουμε αστικά προβλήματα, όπως η θερμική νησίδα και η έλλειψη πρασίνου.

Με λίγα λόγια, το «TopHarvest» ενσαρκώνει το όραμά μας για βιώσιμες, πράσινες πόλεις όπου τεχνολογία και φύση συνεργάζονται για καλύτερη ποιότητα ζωής.

1.1 Στόχοι Στόχοι

1. 1. Εξοικονόμηση νερού με κλειστό κύκλωμα NFT & συλλογή όμβριων:Μείωση της κατανάλωσης νερού έως 90% μέσω υδροπονίας και έξυπνου ποτίσματος, με συλλογή όμβριων υδάτων.
   2. Ενεργειακή αυτάρκεια μέσω Φ/Β: Παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας μέσω φωτοβολταϊκών πάνελ, μειώνοντας το αποτύπωμα άνθρακα.
   3. Τοπική παραγωγή τροφίμων: Παροχή φρέσκων, υγιεινών προϊόντων σε αστικά κέντρα, μειώνοντας την εξάρτηση από μακρινές μεταφορές, μειώνοντας τα τροφοχιλιόμετρα.
   4. Μείωση CO₂ & θερμικής νησίδας: Μείωση εκπομπών CO2, βελτίωση της ποιότητας του αέρα και αντιμετώπιση της θερμικής νησίδας.
   5. Εκπαίδευση STEM & κοινωνική συμμετοχή με ανοιχτές τεχνολογίες: Δημιουργία ευκαιριών μάθησης και συνεργασίας για μαθητές, εκπαιδευτικούς και κατοίκους.

Στόχοι βιώσιμης Ανάπτυξης που εξυπηρετούνται

Στην επόμενη εικόνα επιλέξτε το OER του project μας για αναλυτική ενημέρωση.

Όλο το παραγόμενο υλικό. για κατέβασμα επιλέξτε την εικόνα στο Github.

2. Το Πρόβλημα των Άγονων Ταρατσών και η Κλιματική Αλλαγή

Οι σύγχρονες πόλεις αναπτύσσονται με γρήγορο ρυθμό, όμως η ανάπτυξη αυτή συχνά αγνοεί τις κρυμμένες δυνατότητες των ανεκμετάλλευτων χώρων, όπως οι άγονες ταράτσες και οι εγκαταλελειμμένοι δημόσιοι χώροι. Αυτές οι γκρίζες, τσιμεντένιες επιφάνειες δεν είναι μόνο οπτικά δυσάρεστες, αλλά επιδεινώνουν σοβαρά περιβαλλοντικά προβλήματα όπως το φαινόμενο της «θερμικής νησίδας». Το φαινόμενο αυτό προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας στις αστικές περιοχές κατά 3-7°C, σε σύγκριση με τις γύρω αγροτικές εκτάσεις, αυξάνοντας την ανάγκη για ενεργοβόρες λύσεις ψύξης, εντείνοντας την κλιματική κρίση.

Παράλληλα, η εξάρτηση των πόλεων από μακρινές μεταφορές τροφίμων (τροφοχιλιόμετρα) διογκώνει δραματικά τις εκπομπές CO₂ και αυξάνει το κόστος των τροφίμων, περιορίζοντας την πρόσβαση σε φρέσκα προϊόντα. Επιπλέον, η έλλειψη πράσινων υποδομών στις πόλεις μειώνει τη βιοποικιλότητα, υποβαθμίζει την ποιότητα του αέρα και περιορίζει τις ευκαιρίες κοινωνικής επαφής και ψυχικής υγείας.

Η πυκνή δόμηση και ο υπερπληθυσμός αυξάνουν την πίεση στους φυσικούς πόρους, εντείνοντας προβλήματα όπως η λειψυδρία και οι καύσωνες, με συνέπειες στην ποιότητα ζωής των πολιτών και την ανθεκτικότητα των αστικών οικοσυστημάτων.

2.1 Αστικές Προκλήσεις: Μια Βαθύτερη Ματιά

Οι βασικές προκλήσεις που αντιμετωπίζουν σήμερα οι αστικές κοινότητες είναι:

• Φαινόμενο Θερμικής Νησίδας: Οι αστικές επιφάνειες από τσιμέντο και άσφαλτο αιχμαλωτίζουν θερμότητα, επιδεινώνοντας την κλιματική αλλαγή και αυξάνοντας το κόστος ενέργειας για ψύξη.

• Υποβάθμιση και Εγκατάλειψη: Χιλιάδες τετραγωνικά μέτρα πολύτιμου αστικού χώρου, όπως ταράτσες και υπερώα, μένουν αχρησιμοποίητα.

• Επισιτιστική Εξάρτηση: Η μεγάλη απόσταση παραγωγής-κατανάλωσης τροφίμων αυξάνει δραματικά τις εκπομπές άνθρακα και μειώνει την ποιότητα και τη διατροφική αξία των προϊόντων.

• Μείωση Βιοποικιλότητας: Η έλλειψη χώρων πρασίνου περιορίζει τη ζωή των πουλιών, των εντόμων και άλλων σημαντικών οργανισμών, διαταράσσοντας την ισορροπία των οικοσυστημάτων.

• Ανθεκτικότητα σε Κρίσεις: Οι σύγχρονες πόλεις αντιμετωπίζουν όλο και πιο συχνά καύσωνες, πλημμύρες και έντονα καιρικά φαινόμενα, απαιτώντας νέες, καινοτόμες λύσεις.

2.2 «TopHarvest»: Η Καινοτόμος Απάντηση του “Groove to Green”

Το έργο μας, «TopHarvest», είναι μια ολοκληρωμένη λύση που στοχεύει να δώσει ζωή σε αυτούς τους ανεκμετάλλευτους χώρους, μετατρέποντας τις ταράτσες σε πράσινες οάσεις βιωσιμότητας. Μέσω της τεχνολογίας υδροπονίας NFT, των φωτοβολταϊκών πάνελ και του έξυπνου συστήματος IoT, δημιουργούμε αυτοδύναμες μονάδες αστικής καλλιέργειας που αντιμετωπίζουν τις προκλήσεις αυτές αποτελεσματικά και μεθοδικά:

1. Βελτίωση Μικροκλίματος: Οι πράσινες επιφάνειες και οι καλλιέργειες μειώνουν τη θερμοκρασία των κτιρίων έως και 11°C, ανακουφίζοντας τις πόλεις από την υπερβολική ζέστη και μειώνοντας το κόστος ψύξης.

2. Αστική Αγροτική Οικονομία: Με την τοπική παραγωγή λαχανικών, μειώνονται τα τροφοχιλιόμετρα, ενισχύεται η τοπική οικονομία και προσφέρεται εύκολη πρόσβαση σε φρέσκα τρόφιμα.

3. Εξοικονόμηση Πόρων: Το υδροπονικό σύστημα ανακυκλώνει έως και το 90% του νερού, ενώ η ηλιακή ενέργεια καθιστά τις μονάδες αυτάρκεις, ακόμα και σε συνθήκες ενεργειακής κρίσης.

4. Αναζωογόνηση Αστικών Οικοσυστημάτων: Τα φυτά και οι καλλιέργειες προσελκύουν ωφέλιμα έντομα, συμβάλλοντας στην αποκατάσταση της αστικής βιοποικιλότητας.

5. Κοινωνική Ενδυνάμωση: Τα θερμοκήπια γίνονται εκπαιδευτικά κέντρα βιωσιμότητας, ενισχύοντας την κοινοτική συνεργασία, την περιβαλλοντική συνείδηση και τη συμμετοχή των πολιτών.

2.3 Αντιμετωπίζοντας την Κλιματική Αλλαγή Με Καινοτομία

Το έργο μας «TopHarvest» είναι πλήρως ευθυγραμμισμένο με τους στόχους της Ευρωπαϊκής Πράσινης Συμφωνίας και άλλων διεθνών δεσμεύσεων, παρέχοντας έναν αποτελεσματικό μηχανισμό για:

• Την ουσιαστική μείωση των εκπομπών άνθρακα μέσω της χρήσης 100% ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

• Την ενίσχυση της διατροφικής αυτάρκειας των πόλεων με την παραγωγή φρέσκων τροφίμων σε τοπικό επίπεδο.

• Την ανθεκτικότητα των αστικών κέντρων στις μελλοντικές επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής, όπως η λειψυδρία, οι πλημμύρες και οι καύσωνες.

Με το «TopHarvest», οι πόλεις μπορούν πλέον να αντιμετωπίσουν αποτελεσματικά τις σύγχρονες περιβαλλοντικές προκλήσεις, δημιουργώντας ένα μοντέλο που μπορεί να αναπαραχθεί παγκοσμίως, για ένα βιώσιμο και ανθεκτικό μέλλον.

3. Αστική Καλλιέργεια και Έξυπνη Γεωργία: Οφέλη και Καινοτομία

3.1. Αστική Καλλιέργεια

Η αστική καλλιέργεια αποτελεί πλέον αναγκαιότητα αλλά και ευκαιρία, δημιουργώντας ένα νέο μοντέλο βιώσιμης διατροφής μέσα στον αστικό ιστό. Το «TopHarvest» μετατρέπει άχρηστους χώρους, όπως ταράτσες και μπαλκόνια, σε μικρές, αλλά πολύ αποδοτικές, καλλιεργητικές μονάδες. Μέσω υδροπονικών τεχνικών και κάθετης γεωργίας, το έργο προσφέρει πολλαπλά πλεονεκτήματα:

• Τοπική παραγωγή φρέσκων τροφίμων: Δίνει άμεση πρόσβαση σε φρέσκα, υγιεινά λαχανικά και αρωματικά φυτά, εξασφαλίζοντας διατροφική ασφάλεια και βελτιώνοντας την ποιότητα ζωής των κατοίκων.

• Μείωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος: Περιορίζοντας δραστικά τις αποστάσεις μεταφοράς τροφίμων (τροφοχιλιόμετρα), συμβάλλει σημαντικά στην ελάτωση εκπομπών CO₂.

• Κοινοτική και κοινωνική ενδυνάμωση: Οι μονάδες λειτουργούν ως ζωντανά εργαστήρια και σημεία συνάντησης για την κοινότητα, προάγοντας τη συνεργασία, την ανταλλαγή γνώσεων και τη βιωματική μάθηση.

Η αστική καλλιέργεια, επομένως, δεν παρέχει μόνο μια πρακτική απάντηση στις διατροφικές ανάγκες των πόλεων, αλλά διαμορφώνει και μια νέα κουλτούρα βιωσιμότητας και περιβαλλοντικής συνείδησης.

3.2. Έξυπνη Γεωργία μέσω IoT

Η ενσωμάτωση της τεχνολογίας Internet of Things (IoT) φέρνει την επανάσταση στον τρόπο που διαχειριζόμαστε τις αστικές καλλιέργειες, παρέχοντας δυνατότητες που μέχρι πρόσφατα φάνταζαν αδύνατες. Το «TopHarvest» αξιοποιεί προηγμένα εργαλεία και έξυπνες πλατφόρμες, όπως το ThingSpeak, προσφέροντας:

• Συνεχής και αυτόματη παρακολούθηση συνθηκών: Αισθητήρες τελευταίας γενιάς παρέχουν δεδομένα θερμοκρασίας, υγρασίας και φωτισμού σε πραγματικό χρόνο.

• Ακριβής αυτοματοποιημένος έλεγχος: Ο μικροελεγκτής ESP32 ρυθμίζει άμεσα το σύστημα άρδευσης, τον φωτισμό LED και τον εξαερισμό, δημιουργώντας ιδανικές συνθήκες ανάπτυξης για τα φυτά.

• Απομακρυσμένη διαχείριση και έλεγχος: Μέσω cloud πλατφορμών, όπως το ThingSpeak, είναι δυνατή η παρακολούθηση και παρέμβαση από οπουδήποτε, οποιαδήποτε στιγμή.

Η έξυπνη γεωργία μέσω IoT καθιστά την παραγωγή τροφίμων στην πόλη εύκολη, αποτελεσματική και προσιτή σε όλους.

3.3. Συνολικά Οφέλη και Καινοτομίες

Το έργο «TopHarvest» προσφέρει ένα πλήθος συγκεκριμένων και πρακτικών ωφελειών, τόσο στο περιβάλλον όσο και στην κοινωνία:

• Υψηλή Παραγωγικότητα σε Ελάχιστο Χώρο: Το καινοτόμο υδροπονικό σύστημα NFT επιτρέπει την καλλιέργεια έως 86 φυτών σε μόλις 1,44 m², με σημαντικά υψηλότερες αποδόσεις και πιο γρήγορη ανάπτυξη.

• Σημαντική Εξοικονόμηση Πόρων: Μειώνει δραματικά την κατανάλωση νερού (έως 90%) και επιτυγχάνει πλήρη ενεργειακή αυτονομία μέσω ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

• Βελτίωση Αστικού Περιβάλλοντος: Συμβάλλει στον περιορισμό της θερμικής νησίδας, ενισχύει τη βιοποικιλότητα και αναβαθμίζει αισθητικά και λειτουργικά τις αστικές περιοχές.

• Πρακτική Εκπαιδευτική Εμπειρία: Λειτουργεί ως εκπαιδευτική πλατφόρμα, εξοικειώνοντας τους μαθητές με νέες τεχνολογίες και βιώσιμες πρακτικές μέσα από διαδραστικές δραστηριότητες.

• Ανθεκτικότητα και Προσαρμοστικότητα: Η τεχνολογία παρέχει σταθερή παραγωγή τροφίμων ακόμη και κάτω από δύσκολες ή ακραίες κλιματικές συνθήκες.

• Κοινωνική Συνοχή και Συνεργασία: Δημιουργεί δυναμικούς, συνεργατικούς χώρους εκπαίδευσης και περιβαλλοντικής ευαισθητοποίησης που ενδυναμώνουν την κοινότητα.

Το «TopHarvest» αποδεικνύει ότι η σύγχρονη τεχνολογία, όταν συνδυάζεται με τη βιώσιμη ανάπτυξη, μπορεί να μεταμορφώσει ουσιαστικά τις πόλεις και τη ζωή των ανθρώπων προς το καλύτερο.

4. Περιγραφή του Συστήματος «TopHarvest»

4.1. Σκοπός και Σχεδιαστική Φιλοσοφία

Το «TopHarvest» είναι ένα πρωτοποριακό υδροπονικό θερμοκήπιο, ειδικά σχεδιασμένο για να αξιοποιεί έξυπνα μικρούς και ανεκμετάλλευτους χώρους στις πόλεις. Εφαρμόζεται εύκολα σε ταράτσες, μπαλκόνια, βεράντες ή οποιονδήποτε χώρο με ηλιοφάνεια, συνδυάζοντας μοντέρνο design με έξυπνες τεχνολογίες.

Η κατασκευή του επικεντρώνεται στην αυτάρκεια, την παραγωγικότητα και την οικολογική βιωσιμότητα, χρησιμοποιώντας φωτοβολταϊκά πάνελ, σύγχρονη τεχνολογία IoT και εξελιγμένο υδροπονικό σύστημα NFT.

Οι τρεις βασικοί πυλώνες του είναι:

• Ενεργειακή Αυτονομία: Ενσωματωμένο φωτοβολταϊκό πάνελ στην οροφή που τροφοδοτεί πλήρως τις ανάγκες του συστήματος.

• Καλλιέργεια NFT: Υδροπονία χωρίς χώμα για βέλτιστη ανάπτυξη φυτών και ελάχιστη χρήση πόρων.

• Έξυπνη Διαχείριση IoT: Πλήρης αυτοματοποίηση και απομακρυσμένη πρόσβαση μέσω cloud.

4.2. Αναλυτικά Τεχνικά Χαρακτηριστικά

• Διαστάσεις: Ύψος 2m × 1,2m × 1,2m – Ιδανικές για αστικούς χώρους.

• Σκελετός: Κατασκευασμένος από ανακυκλωμένες, ελαφριές και ανθεκτικές αλουμινοβέργες για ευκολία στη μεταφορά και συναρμολόγηση.

• Επένδυση: Διαφανή πάνελ από πλεξιγκλάς για εξαιρετική φυσική μόνωση και μέγιστη φωτεινότητα.

• Φωτοβολταϊκό σύστημα: Πάνελ ισχύος 150W (Isc 8.5A) τοποθετημένο στην οροφή.

• Χωρητικότητα Υδροπονίας: 86 θέσεις φυτών στο σύστημα NFT.

• Τεχνολογία IoT: Μικροελεγκτής ESP32, αισθητήρες και live σύνδεση δεδομένων στην πλατφόρμα ThingSpeak.

4.3. Κατασκευή του Πρωτοτύπου

Η κατασκευή του «TopHarvest» αποτελεί ένα παράδειγμα εφαρμογής αρχών της κυκλικής οικονομίας και έξυπνων τεχνολογιών σε αστικό περιβάλλον:

• Έξυπνος σκελετός: Αποτελείται από ανακυκλωμένες αλουμινοβέργες, συναρμολογημένες με βίδες για μέγιστη σταθερότητα και εύκολη επανατοποθέτηση.

• Διάφανα τοιχώματα: Πλεξιγκλάς υψηλής ποιότητας, με ειδικά σχεδιασμένη δίφυλλη πόρτα και ένα αυτόματο παράθυρο-αεραγωγό για φυσικό και αποδοτικό εξαερισμό.

• Ενσωμάτωση τεχνολογικού εξοπλισμού: Περιλαμβάνει έξυπνο μικροελεγκτή ESP32, σύστημα αισθητήρων, αυτόματη αντλία, ειδικά LED ανάπτυξης και φωτοβολταϊκό πάνελ.

• Αυτοματοποιημένη παρακολούθηση και έλεγχος: Πλήρης συνδεσιμότητα IoT, για άμεση απομακρυσμένη διαχείριση μέσω ThingSpeak με συνεχόμενη πρόσβαση στα δεδομένα.

• Ειδικό σύστημα εξαερισμού: Το αυτόματο ανοιγόμενο καπάκι της οροφής παρέχει προστασία των φυτών από υπερθέρμανση, διατηρώντας ιδανικές συνθήκες ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες.

Το τελικό πρωτότυπο είναι ένα ισχυρό, συμπαγές και αισθητικά ελκυστικό σύστημα, σχεδιασμένο να λειτουργεί πλήρως αυτόνομα, με ανανεώσιμη ενέργεια, εξασφαλίζοντας τέλειες συνθήκες ανάπτυξης για τις αστικές καλλιέργειες.

Κατασκευή του Πρωτοτύπου: «TopHarvest» στην Πράξη

Η δημιουργία του πρωτότυπου «TopHarvest» στηρίχθηκε σε καινοτομία, βιωσιμότητα και έξυπνες τεχνολογίες. Ο σκελετός του αποτελείται από ανακυκλωμένες αλουμινοβέργες, προσεκτικά κομμένες και συναρμολογημένες με βίδες, ώστε να διασφαλίζεται ανθεκτικότητα, σταθερότητα και ευελιξία στην τοποθέτηση. Τα τοιχώματα είναι κατασκευασμένα από διαφανές πλεξιγκλάς, με μια πρακτική δίφυλλη πόρτα και έναν αυτόματο αεραγωγό για αποτελεσματικό εξαερισμό.

Στο εσωτερικό τοποθετήθηκαν ο μικροελεγκτής ESP32, αισθητήρες ακριβείας, η αντλία νερού για το υδροπονικό σύστημα NFT και ενεργειακά αποδοτικός φωτισμός LED, που όλα τροφοδοτούνται από ένα ενσωματωμένο φωτοβολταϊκό πάνελ ισχύος έως 190W. Ο μικροελεγκτής ρυθμίστηκε ώστε να επικοινωνεί μέσω πρωτοκόλλου MQTT με την πλατφόρμα Thingspeak, παρουσιάζοντας ζωντανά δεδομένα (θερμοκρασία, υγρασία, φωτισμός, κατάσταση ποτίσματος) στο ειδικό κανάλι «PcHarv».

Η ηλιακή μονάδα έχει γωνία κλίσης 33° για βέλτιστη ενεργειακή απόδοση και παρέχει επαρκή ισχύ ώστε να καλύπτει πλήρως τις ανάγκες του συστήματος. Η παραγόμενη ενέργεια αποθηκεύεται σε ειδική μπαταρία, εξασφαλίζοντας συνεχή λειτουργία του αυτοματοποιημένου συστήματος άρδευσης, του φωτισμού και των μηχανισμών εξαερισμού, ακόμα και όταν ο καιρός δεν είναι ηλιόλουστος. Μια ιδιαίτερα πρωτοποριακή λύση είναι η αυτόματη απενεργοποίηση του LED φωτισμού όταν η φυσική ηλιοφάνεια είναι επαρκής, με στόχο τη μέγιστη ενεργειακή απόδοση και την προστασία των φυτών από υπερβολική έκθεση στον ήλιο.

Υδροπονικό Σύστημα NFT: Καινοτομία για την Πόλη

Τι είναι το NFT;

Η τεχνική Nutrient Film Technique (NFT) είναι μια σύγχρονη μέθοδος υδροπονικής καλλιέργειας, όπου οι ρίζες των φυτών δέχονται διαρκώς μια λεπτή ροή θρεπτικού διαλύματος που κυκλοφορεί μέσα από ειδικά διαμορφωμένα κανάλια. Στο «TopHarvest», αυτή η μέθοδος επιτρέπει την ταυτόχρονη καλλιέργεια 86 φυτών σε μόλις 1,2 x 1,2 m, καθιστώντας το ιδανικό για αστικό περιβάλλον.

Πλεονεκτήματα του Συστήματος NFT στο «TopHarvest»

• Εξαιρετική εξοικονόμηση νερού: Ανακύκλωση του θρεπτικού διαλύματος, μειώνοντας την κατανάλωση νερού έως και 90%.

• Υψηλές αποδόσεις: Υψηλή πυκνότητα φύτευσης και γρήγορη ανάπτυξη των φυτών λόγω ιδανικών συνθηκών.

• Μείωση ασθενειών: Απουσία χώματος, περιορίζοντας τα παθογόνα που ζουν στο έδαφος.

• Χαμηλή ενεργειακή κατανάλωση: Αποτελεσματική κυκλοφορία του διαλύματος με ενεργειακά οικονομική αντλία.

• Ευελιξία στην παραγωγή: Ιδανικό για την καλλιέργεια λαχανικών, βοτάνων και μικρολαχανικών.

• Εύκολη συντήρηση και διαχείριση: Απλή διαδικασία καθαρισμού καναλιών και ανανέωσης του διαλύματος.

• Εκπαιδευτική αξία: Προσφέρει πρακτική εμπειρία και εξοικείωση μαθητών με τις νέες τεχνολογίες και τη βιώσιμη γεωργία.

Υλοποίηση στο Πρωτότυπο

Το NFT σύστημα στο θερμοκήπιο «TopHarvest» αποτελείται από:

• Ειδικά κανάλια: Πλαστικοί σωλήνες αποχέτευσης Φ40 που εξασφαλίζουν συνεχή ροή του θρεπτικού διαλύματος.

• Αντλία υψηλής απόδοσης: Μοντέλο Liquid Pump 350GPH (12V), υπεύθυνη για τη διαρκή κυκλοφορία του διαλύματος.

• Δεξαμενή αποθήκευσης: Αποθηκεύει το νερό και τα απαραίτητα θρεπτικά συστατικά.

• Έξυπνο σύστημα αυτοματισμού: Διαρκής έλεγχος και ρύθμιση μέσω ESP32 και αισθητήρων, εξασφαλίζοντας πάντα τις ιδανικές συνθήκες ανάπτυξης για τα φυτά.

 

6. Τεχνική Περιγραφή του Συστήματος IoT

6.1. Αρχιτεκτονική

Το σύστημα IoT βασίζεται στον μικροελεγκτή TTGO T-Display ESP32, ο οποίος λειτουργεί ως κεντρικός κόμβος για:

• Συλλογή δεδομένων από τον αισθητήρα SHT-30 και Light Sensor.
• Επεξεργασία και αυτοματοποιημένο έλεγχο ενεργοποιητών (αντλία, LED).
• Μετάδοση δεδομένων στο cloud μέσω Wi-Fi και πρωτοκόλλου MQTT. 

Η πλατφόρμα Thingspeak φιλοξενεί το κανάλι “PcHarv”, οπτικοποιώντας δεδομένα θερμοκρασίας, υγρασίας αέρα και υγρασίας υποστρώματος.

6.2. Λειτουργία

Συλλογή Δεδομένων: Ο αισθητήρας SHT-30 μετρά θερμοκρασία και υγρασία σε πραγματικό χρόνο, καθώς και την ένταση του φωτός μεταφέροντας δεδομένα στο ESP32 μέσω ψηφιακής επικοινωνίας.

Αυτοματισμός:

Ενεργοποίηση των φώτων αν η ένταση του φωτός πέσει κάτω από το όριο (LED λάμπας μόνο σε χαμηλό φυσικό φως).

Ο αερισμός γίνεται από αυτόματο ανοιγόμενο καπάκι, το οποίο ρυθμίζει και προστατεύει τα λαχανικά από υπερθέρμανση το καλοκαίρι αν η θερμοκρασία υπερβεί μια προκαθορισμένη τιμή πχ 25οC.

Σύνδεση Cloud: Τα δεδομένα μεταδίδονται στο Thingspeak μέσω MQTT, με γραφήματα και πίνακες για απομακρυσμένη πρόσβαση.

Ασφάλεια και Σταθερότητα: Κρυπτογράφηση δεδομένων και αυτόματη επανασύνδεση σε διακοπές δικτύου.

6.3. Οφέλη

• Αυτοματοποίηση: Ελαχιστοποίηση ανθρώπινης παρέμβασης.
• Απομακρυσμένη Διαχείριση: Πρόσβαση από οποιαδήποτε συσκευή με Διαδίκτυο.
• Εξοικονόμηση Πόρων: Μείωση κατανάλωσης νερού και ενέργειας έως 90%.
• Καινοτομία: Χρήση ανοιχτών τεχνολογιών (ESP32, Thingspeak).
• Αξιοπιστία: Σταθερή λειτουργία σε αστικά περιβάλλοντα.

 

7. Εξαρτήματα του “Smart Solar Greenhouse PV”

7.1. Λεπτομερής Περιγραφή Εξαρτημάτων

1. TTGO T-Display ESP32 Wi-Fi and Bluetooth Module with 1.14 Inch LCD
2. SHT-30 Mesh-Protected Weather-Proof Temperature/Humidity Sensor
3. Liquid Pump – 350GPH (12V)
4. 4-Channel 5V Relay Module with Opto-Coupling
5. Ηλιακή Λάμπα Θερμοκηπίου με 225 LED (31x31x3.5 cm)
6. Φ/Β Πάνελ 150 W ETFE semi‑flex
7. Mini Universal Solderless Breadboard 400 Tie-Points
8. 40Pcs F/F and M/M Dupont Wire Jumper Cables (30cm)
9. MB102 Breadboard Power Supply Module 3.3V/5V
10. Dual Output Switching Power Supply AC/DC 50W 5V/6A + 12V/2A
11. Primaterra αυτόματος αεραγωγός
12. Μπαταρία AGM 125 Ah deep‑cycle
13. Victron BlueSolar PWM 20 A 12/24 V

#	Εξάρτημα	Περιγραφή	Λειτουργία/Ρόλος	Πλεονεκτήματα για το έργο
1	TTGO T‑Display ESP32	MCU με Wi‑Fi/Bluetooth & έγχρωμη LCD 1.14″	Κόμβος IoT, λογική αυτοματισμών, local display	Ανοιχτός κώδικας, χαμηλή κατανάλωση, οθόνη status
2	SHT‑30	Αδιάβροχος αισθητήρας θερμοκρασίας/υγρασίας	Κλίμα θερμοκηπίου	Υψηλή ακρίβεια, προστασία mesh
3	Grove Light Sensor v1.2	Φωτοαισθητήρας αναλογικής εξόδου	Ενεργοποιεί LED όταν το φως < όριο	Plug‑and‑play, χαμηλό κόστος
4	Liquid Pump 350 GPH 12 V	Υποβρύχια αντλία	Κυκλοφορία θρεπτικού διαλύματος NFT	Δυνατή, μικρή κατανάλωση
5	4‑Channel Relay Module 5 V (opto‑isolated)	4 ρελέ	Αντλία, LED, ανεμιστήρας, εφεδρικό	Ηλεκτρική απομόνωση, έως 10 Α
6	LED Grow Panel 225 LED (31 × 31 cm)	Φωτισμός πλήρους φάσματος	Συμπλήρωση φωτός	Χαμηλή W, ρυθμιζόμενο ύψος
7	Φ/Β Πάνελ 150 W ETFE semi‑flex	36 κυψέλες, Isc 8.5 A	Πρωτεύουσα πηγή ενέργειας	Υψηλή απόδοση, εύκαμπτο
8	Victron BlueSolar PWM 20 A 12/24 V	Ρυθμιστής φόρτισης	Βέλτιστη φόρτιση & προστασία μπαταρίας	Αξιόπιστο, LCD+USB
9	Μπαταρία AGM 125 Ah deep‑cycle	12 V αποθήκευση	Νυχτερινή/συννεφιάς τροφοδοσία	Μεγάλος κύκλος ζωής, κλειστού τύπου
10	Primaterra αυτόματος αεραγωγός	Υδραυλικός μηχανισμός οροφής	Παθητικός εξαερισμός > 25 °C	Χωρίς ρεύμα, απλό
11	Mini Breadboard 400 pts + MB102 PSU	Πρωτοτυπία & 3.3/5 V ρύθμιση	Γρήγορες δοκιμές κυκλωμάτων	Επαναχρησιμοποιήσιμο
12	Dupont Jumpers 40 × 30 cm (M/M & F/F)	Καλωδιώσεις	Διασύνδεση αισθητήρων/ρελέ	Ευελιξία
13	Dual Output SMPS 5 V 6 A / 12 V 2 A	AC/DC τροφοδοτικό	Σταθερή τάση αν το Φ/Β είναι off‑grid	Υψηλή απόδοση, χαμηλό ripple

 Κατασκευή Πρωτοτύπου

Ο σκελετός του “TopHarvest” υλοποιήθηκε αποκλειστικά από ρετάλια αλουμινίου και φύλλα πλεξιγκλάς που δώρισε η βιομηχανία ELVIAL. Τα υλικά ήταν αποκόμματα παραγωγής και αξιοποιήθηκαν ώστε να μη καταλήξουν ως απόβλητο, ακολουθώντας τις αρχές της κυκλικής οικονομίας. Ο σκελετός συναρμολογήθηκε στην ELVIAL, ενώ το σύστημα υδροπονίας και τα άλλα εξαρτήματα στο σχολείο μας.

1. Σχεδίαση από μαθητές
   Οι μαθητές του 3ου Γυμνασίου Κιλκίς ανέλαβαν τη σχεδίαση CAD (FreeCAD) του πλαισίου. Η ELVIAL παραχώρησε χώρο στο εργαστάσιο της, όπου οι μαθητές—υπό επίβλεψη μηχανικών της εταιρείας—έκαναν τις κοπές στις αλουμινοβεργές με πριόνι ακριβείας και προ-τρύπησαν θέσεις βιδών.

2. Συναρμολόγηση σκελετού
   Τα τμήματα συνδέθηκαν με βίδες και γωνιακά στηρίγματα. Το τελικό πλαίσιο 1,2 × 1,2 × 2 m είναι εξαιρετικά άκαμπτο.

3. Τοποθέτηση πλεξιγκλάς
   Φύλλα πάχους 4 mm κόπηκαν σε CNC για απόλυτη εφαρμογή. Στερεώθηκαν με νεοπρενόβιδες και ελαστικές ροδέλες ώστε να επιτρέπεται θερμική διαστολή. Η διαφανής επιδερμίδα παρέχει > 90 % μετάδοση φωτός και βασική θερμομόνωση.

4. Ενσωμάτωση υδροπονίας
   Υδροπονία NFT: σωλήνες PVC Ø40 mm (μήκους 1 m) τοποθετήθηκαν σε 2 επίπεδα και σε κεκλιμένη βάση 1 %. Η δεξαμενή 20 L τοποθετήθηκε στο δάπεδο· όλα τα εξαρτήματα είναι εύκολα προσβάσιμα από δίφυλλη πόρτα πίσω. Για τα ράφια χρησιοποιήθηκαν ρετάλια απο σκελετό Γυψοσανίδας.

5. Αντλία συνεχούς λειτουργίας
   Λόγω NFT η αντλία 350 GPH λειτουργεί 24/7. Για αντοχή:

   • επιλέχθηκε μοντέλο με ψύξη νερού και ονομαστική διάρκεια > 20 000 h,

   • τροφοδοτείται κατευθείαν από τη μπαταρία 12 V (χωρίς inverter) για μέγιστη απόδοση,

   • ενσωματώθηκε φίλτρο σίτας στην είσοδο για αποφυγή φραγών.

6. Φ/Β & LED
   Πάνω στο σκελετό ενσωνματώθηκε  Φ/Β 150 W σε κλίση 33°. Ακριβώς από κάτω, στερεώθηκαν τα  LED grow panel .

7. Τοπική καλωδίωση & IoT
   Όλα τα ηλεκτρονικά (ESP32, ρελέ, breadboard) τοποθετήθηκαν σε αδιάβροχο κουτί IP65 στο πλάι του σκελετού. Καλώδια Dupont ομαδοποιήθηκαν σε καλωδιοσωλήνα PVC για ασφάλεια και γρήγορη συντήρηση.

8. Τελικός έλεγχος
   Οι μαθητές πραγματοποίησαν δοκιμή συνεχούς ροής 48 h για επαλήθευση στεγανότητας και σταθερότητας τάσης. Με συννεφιά δύο ημερών το σύστημα παρέμεινε πλήρως λειτουργικό χάρη στη μπαταρία AGM.

Αποτύπωμα

• 100 % επαναχρησιμοποίηση βασικών υλικών σκραπ

• 0 € κόστος σκελετού/τοιχωμάτων — χορηγία ELVIAL

• Δεξιότητες που απέκτησαν οι μαθητές: CAD, μέτρηση/κοπή μετάλλου, ηλεκτρολογική σύνδεση, υδροπονική τεχνολογία.

To βίντεο μας: