Система управления микроклиматом в теплице

В статье описана аппаратная реализация системы управления микроклиматом в теплице. Данная система является частью реального приусадебного хозяйства. С её помощью процесс выращивания растений стал частично автоматизированным, не требующим постоянного присутствия человека.

Конкретный экземпляр данной системы отрабатывается на каркасностеклянной теплице, длиной 6 метров, шириной 3 метра, высотой 2 метра. В теплице имеется одна дверь и 2 форточки, проведены электричество и водопровод. Нагрев воды происходит в емкости объемом 70 литров. Давление в емкости составляет порядка двух атмосфер. В теплице выращивается около 35 растений.

Система имеет следующий вид:

Центральное место в системе занимает плата Arduino Mega (на рис. 1 -1):

Arduino является полностью открытой платформой, состоящей из платы и среды разработки, в которой реализована переработанная версия языка Processing/Wiring.

Используемая аппаратная платформа построена на микроконтроллере ATmega1280.

В данной системе задействованы 8 цифровых входов/выходов (всего на платформе их 54) и 10 аналоговых (всего их 16). Плата получает питание от внешнего блока питания.

Плата имеет следующие характеристики:

• рабочее напряжение: 5В;
• рекомендуемое входное напряжение: 7-12 В;
• предельное входное напряжение: 6-20 В;
• 54 цифровых портов ввода/вывода;
• 16 аналоговых входов;
• ток потребления на одном выводе: до 40 мА;
• ток потребления вывода 3.3В: 50 мА;
• память Flash Memory: 128 KB, из которых 4KB используются загрузчиком;
• ОЗУ: 8 KB;
• энергонезависимая память: 4 KB;
• тактовая частота: 16 МГц;
• размер: 75x54x15 мм;
• вес: 45 г;

К Arduino Mega подключены необходимые датчики и модули.

Включение/выключение полива зависит от ряда параметров:

• влажность почвы;
• температура воды;
• время суток.

В данной системе задействовано 4 датчика влажности почвы (на рис. 1 — 2).

Для измерения влажности почвы используется самодельный датчик, представляющий собой два гвоздя и резистор. Принцип действия основан на зависимости электрического сопротивления почвы от ее влажности.

Гвозди, введенные в почву на некотором расстоянии друг от друга, выступают в качестве щупов, между которыми проверяется сопротивление. По итоговому аналоговому сигналу можно судить о степени влажности.

Схема датчика представлена на рисунке:

Для измерения температуры воды используется LM335Z -аналоговый термодатчик (термостабилитрон, на рисунке 1 — 3):

Используемый датчик имеет следующие характеристики:

• диапазон: -40…+100;
• точность: 1°С;
• зависимость: 10мВ/оС.

Для подключения датчика к плате требуется резистор, сопротивлением 2.2 кОм. Задавая ток через датчик в диапазоне от 0.45 мА до 5 мА (резистором R1), получаем напряжение на датчике, которое в десятках мВ представляет абсолютную температуру в градусах Кельвина.

Схема подключения имеет следующий вид:

Для того, чтобы полив включался только в темное время суток, используются 2 датчика света Light Sensor-BH1750 (на рис. 1 — 4):

Данный датчик служит для измерения освещённости в пределах от 1 до 65535 люкс.

Он имеет следующие характеристики:

•    напряжение питания: 3-5В;

•    разрешение: 16 бит;

•    габариты: 19х14х3 мм;

•    погрешность: ± 20%.

Подключение датчика производится следующим образом:

Когда полученные с датчиков показания удовлетворяют определенным условиям (она различаются для каждого вида растений), включается полив. Для регулирования полива используется электромагнитный клапан. Он подключается к плате с помощью реле (на рис. 1 — 5). А именно используется релейный модуль для Arduino проектов Relay Module 2 DFR0017. Он использует высококачественное реле Omron G5LA. Состояние выхода реле отображается с помощью светодиода. Этот модуль управляется с помощью цифрового порта ввода-вывода. Время переключения контакта составляет 10 мс. Как и датчики для измерения температуры и влажности почвы, релейный модуль подключается в управляющей электронике через три провода:

Помимо полива данная система контролирует и температуру воздуха в теплице.

Для одновременного измерения температуры и влажности воздуха используется датчик DHT11 Temperature Humidity Sensor (нарис. 1 — 6).

Он подключаются к управляющей электронике через три провода: питание (Vсс), земля GND) и сигнальный.

На плате кроме датчика расположен микроконтроллер, в памяти которого записаны калибровочные поправки для датчиков. Сигнал с устройства передается по шине в цифровом виде. Это позволяет передавать данные на расстояние до 20 м.

Данный датчик имеет следующие характеристики:

• напряжение питания: 5 В;
• диапазон температур: 0-50 ° С, погрешность ±2 ° С;
• влажность: 20-90%, погрешность ±5%.

Для регулировки температуры воздуха в теплице используется два режима: пассивное и активное проветривания. Пассивное проветривание представляет собой открытие/закрытие форточек, а активное -включение/выключение вентилятора.

Открытие форточек производится с помощью двух (по одному на форточку) сервоприводов Futaba Т306 MG995 (на рисунке 1 — 7):

Используемые сервопривод имеет следующие характеристики:

• скорость работы: 0.17 с / 60 градусов (4,8 В без нагрузки);
• момент: 13 кг-см при 4,8 В;
• момент: 15 кг-см при 6 В;
• рабочее напряжение: 4,8 — 7.2 В;
• длина провода: 300 мм;
• размеры: 40мм х 19мм х 43 мм;
• вес: 55 г.

Подключение вентилятора производится таким же способом, как и подключение клапана (через релейный модуль).

Полученные с датчиков данные записываются на карту памяти SD (на рисунке 1 — 8). В дальнейшем они обрабатываются, анализируются и на их основе строятся графики различных показаний. Для этого используется модуль SD-карт DFRobot:

Подключение вентилятора производится таким же способом, как и подключение клапана (через релейный модуль).

Полученные с датчиков данные записываются на карту памяти SD (на рисунке 1 — 8). В дальнейшем они обрабатываются, анализируются и на их основе строятся графики различных показаний. Для этого используется модуль SD-карт DFRobot:

Он содержит разъем для стандартных карт памяти SD, что позволяет добавить накопитель для записи и считывания данных в любой проект. Он имеет следующие характеристики:

• разъем для стандартных SD карт и через переходник MicroSD карт;
• содержит фиксатор карты памяти;
• поддерживает чтение и запись;
• может использоваться с другими микроконтроллерами;
• напряжение питания: 5 В;
• размер: 36 x 30 x 5 мм;
• вес: 7 гр.

Список использованных источников

1. [Электронный    ресурс]:    Википедия    -http://ru.wikipedia.org/wiki/Arduino
2. [Электронный ресурс]: Информация по датчикам -http://www.dfrobot.com/wiki/
3. Getting Started with Arduino,Massimo Banzi, Maker Media, 2011, 130 с.

Сведения об авторах

• Смирнов Александр Михайлович
  Старший преподаватель кафедры Персональные компьютеры и сети Московский государственный университет приборостроения и информатики, филиал в г. Сергиев Посад
  Тел. +7 (916) 552-39-94
  E-mail. Smirnov48@gmail.ru
• Куликова Евгения Алексеевна
  Студентка кафедры Персональные компьютеры и сети Московский государственный университет приборостроения и информатики, филиал в г. Сергиев Посад
  Тел.: 8(919)012-92-54
  E-mail: zhenechk@yandex.ru