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:
Рисунок 1. Схема системы управления микроклиматом в теплице
Центральное место в системе занимает плата Arduino Mega (на рис. 1 -1):
Рисунок 2. Arduino Mega
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:
Рисунок 3. Датчик влажности почвы
Для измерения температуры воды используется LM335Z -аналоговый термодатчик (термостабилитрон, на рисунке 1 — 3):
Рисунок 4. Аналоговый термодатчик LM335Z
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:
Рисунок 5. Схема подключения термодатчика
Для того, чтобы полив включался только в темное время суток, используются 2 датчика света Light Sensor-BH1750 (на рис. 1 — 4):
Рисунок 6. Датчик света Light Sensor-BH1750
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:
Рисунок 7. Подключение датчика света Light Sensor-BH1750
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:
Рисунок 8. Назначение контактов разъема релейного модуля
Рисунок 9. DHT11 Temperature Humidity Sensor
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):
Рисунок 10. Сервопривод Futaba Т306 MG995
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:
Рисунок 11. Модуль SD-карт
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
- [Электронный ресурс]: Википедия -http://ru.wikipedia.org/wiki/Arduino
- [Электронный ресурс]: Информация по датчикам -http://www.dfrobot.com/wiki/
- 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