АННОТАЦИЯ 5
ОГЛАВЛЕНИЕ 6
ВВЕДЕНИЕ 8
1 Постановка задачи 10
2 Автоматизация в пчеловодстве 14
2.1 Актуальность автоматизации 14
3 Определение характеристик среды эксплуатации 17
4 Платформа Arduino как инструмент автоматического контроля 18
4.1 Определение платформы Arduino 18
4.2 Аппаратная часть 18
4.3 Концепция программирования 20
4.4 Интерфейсы взаимодействия с Arduino-совместимыми устройствами 22
4.4.1 UART - протокол 23
4.4.2 I2C - протокол 25
4.4.3 SPI - протокол 26
5 Контроль температуры и влажности воздуха в улье 28
6 Оценка эффективности корректировки параметров среды 31
7 Модуль контроля с управляющим воздействием 35
8 Особенности размещения обслуживаемых узлов 39
8.1 Расчет удаленности узлов 41
8.1.1 Схема коммутации типа 1: n 42
8.1.2 Схема коммутации типа 1: 2 43
9 Аппаратная часть системы и её характеристики 46
9.1 NodeMCU v2.0 46
9.2 Temperature and humidity sensor HDC1080 49
10 Программирование управляющего контроллера NodeMCU 52
10.1 Структурные блоки программы 53
10.2 Удалённое управление системой 54
11 Этапы работы алгоритма 56
12 Автономное питание системы 58
12.1 Мощностные характеристики аппаратного комплекса системы 58
12.2 Обзор и сравнительные характеристики ЭА различных типов 60
12.3 Расчёт требуемой ёмкости ЭА 61
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 67
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 68
Выбранная тема, затрагивающая такие аспекты как: управление и контроль за температурой и влажностью воздуха, в рамках данной работы, ориентирована на регулирование этих параметров в пчелиных ульях.
Выбор предметной области применения не является случайным и обусловлен списков существующих предпосылок. Пчеловодство является трудоёмкой и, иногда, опасной отраслью сельского хозяйства. Автоматический контроль состояния пчёл и параметров на них влияющих необходим не только потому что это упрощает процесс ухода за пчелиными семьями, но и потому что способствует более интенсивному развитию семьи, так как мероприятия по вмешательству в жизнь улья сводятся к минимуму.
Уменьшение количества мероприятий по контролю за ульем ведёт к непосредственному уменьшению времени, которое уходит на обслуживание пасеки, а в случае промышленных пасек, этот показатель может достигать сокращения не на одни сутки [1].
Степень интегрированности электронно-вычислительной в отдельных отраслях сельского хозяйства остаётся относительно низкой [3]. Показатель автоматизации в сфере пчеловодства в России, меньше, чем в других странах, что свидетельствует о недостатке автоматических средств ведения хозяйства в этой области [4].
Внедрение технологий контроля и управления в сфере пчеловодства ведёт к увеличению рентабельности пасеки, повышению её экономических показателей, а также к более внимательному уходу за пчёлами, как в целом - на пасеке, так и в индивидуальном порядке - за каждым из ульев.
Ввиду интенсивной интеграции в обществе беспроводных технологий, позволяющих использовать удалённый доступ к своим устройствам, возникает резкая необходимость применения компонентов разработки, как аппаратных, так и программных, поддерживающих возможность удалённого мониторинга за состоянием различных показателей. В отдельных сферах, а в частности в рассматриваемой области применения — пасечном хозяйстве, данные интеграции представляются наиболее необходимыми, так как заменяют существующие проводные линии соединения, которые в свою очередь требуют постоянного обслуживания, содержания, а при новых подключениях — квалифицированных работ по монтажу и подключению, вводу в эксплуатацию. Далее, будет рассматриваться целесообразность такого использования и возможности перехода на беспроводные технологии коммутации с обязательной поддержкой функций удалённого контроля.
Различные условия в которых проводятся контрольно-измерительные процедуры и управляющие воздействия, требуют повышенной автономности и мобильности от эксплуатируемых комплексов. Наличие энергонезависимых источников питания представляется разумной альтернативой проводным соединениям, для сред эксплуатации с отдаленными, от стационарных узлов, расположением.
Для рассматриваемой информационно-измерительной системы используются автономные датчики физических величин, управление и приём измерительной информации с которых осуществляется через информационно-ёмкую линию с заданным интервалом опроса датчиков. Стоит отметить, что в состав эксплуатируемой системы входит не только измерительный преобразователь (чувствительный элемент, датчик), но и блок элемента управления, накопления и передачи информации. В данном случае предусматривается также: автономный источник электропитания, состоящий из первичного химического элемента питания и вторичного источника питания, построенного на базе повышающего или понижающего преобразователя (стабилизатора) напряжения, решающего задачу электропитания датчика. Электропитание системы производится как при сборе информации в моменты опроса системой датчиков, так и в промежутках (фазах простоя) между активными действиями комплекса.
Вкупе с организацией автономного питания, необходимо обратить внимание на механизмы беспроводной передачи данных и удалённого контроля, управления.
В ходе проделанной работы был разработан комплекс систем контроля и управления за состоянием пчелиных семей в исполнении устройств двух типов: для стационарных и автономных узлов с имеющимися проводными информационными и силовыми коммуникациями и без соответственно.
Полученный комплекс снабжён функцией сохранения результатов, снимаемых с датчиков, что позволяет оценивать состояние пчёл в различные периоды времени.
В разработанный комплекс были добавлены устройства для воздействия на среду, которые производят корректирующие мероприятия по достижению заданных значений среды. Данные показали, что вспомогательная система вентилирования, способна повысить процент испарения в улье на несколько пунктов.
Также, было создано устройство с возможностью передачи значений температуры и влажности с подконтрольных участков областей, удалённых от стационарных точек.
Осуществлены мероприятия по оснащению устройства автономным питанием, организован удалённый доступ. Разработан механизм получения и отправки данных на устройство. Плата была запрограммирована на снятие показаний с датчиков и их отправку удалённому клиенту.
Были проведены эксперименты по установлению корректности работы устройств, эффективности воздействия на показатели среды, определению характеристик потребления электроэнергии и продолжительности циклов работы устройства, после чего был произведён расчёт необходимой ёмкости аккумуляторной батареи, для поддержки автономной работы в течении заданного количества времени.
Была получена автоматизированная система по контролю параметров температуры и влажности среды. Система была адаптирована для эксплуатации во внутренней среде улья, и пригодна для использования в пчеловождении.
