Помощь студентам в учебе
Разработка микроконтроллерной системы управления капельного полива с контролем через сети сотовой связи
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 9
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОЛИВА С ВОЗМОЖНОСТЬЮ УДАЛЕННОГО КОНТРОЛЯ 11
1.1 Анализ технического задания 12
1.2 Обзор аналогов 14
1.2.1 Типы полива, применяющиеся при построении систем автоматического полива 14
1.2.2 Обзор существующих систем капельного полива 14
1.3 Теоретическое изучение элементов разрабатываемой системы 22
1.3.1 Разработка функциональной структуры проектируемой системы . 22
1.3.2 Уточнение технических требований на проектируемую систему .. 23
1.3.3 Изучение возможностей микроконтроллерных плат «Arduino» для
использования в разрабатываемой системе 23
1.3.4 Изучение возможностей реализации удаленного контроля с
помощью Arduino (обзор беспроводных технологий) 25
1.3.5 Обзор существующих GSM модулей со стандартом
GSM/GPRS/EDGE 26
1.3.6 Определение структуры межмодульного взаимодействия 26
2 ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ СИСТЕМЫ 29
2.1 Измерение параметров почвы 29
2.1.1 Обоснование актуальности задачи измерения влажности и температуры почвы 29
2.1.2 Величины, характеризующие содержание влаги в почве, почвенно¬
гидрологические константы 29
2.1.3 Существующие подходы к измерению влажности почвы 31
2.1.4 Обобщенная структурная схема для анализа и синтеза приборов
измерения влажности почвы 33
2.1.5 Кондуктометрический метод измерения влажности почвы 33
2.1.6 Диэлькометрический метод измерения влажности почвы 37
2.1.7 Построение математических моделей на основе
кондуктометрического и диэлькометрического методов измерения влажности, выбор математической модели 42
2.1.8 Задача измерения температуры почвы 45
2.1.9 Методы измерения температуры почвы и виды термометров 46
2.2 Требования к микроклимату в теплице 48
3 РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ .... 49
3.1 Экспериментальная градуировка диэлькометрического и
кондуктометрического датчиков влажности почвы 49
3.1.1 Выбор датчиков влажности почвы 49
3.1.2 Постановка эксперимента, описание установки 50
3.1.3 Предварительные расчеты и измерения 51
3.1.4 Проведение эксперимента по градуировке датчиков влажности ... 53
3.1.5 Оценка полученных градуировочных кривых, сравнение с
теоретическими зависимостями 55
3.1.6 Выбор датчика влажности для использования в системе
автоматического полива 58
3.2 Построение регрессионного уравнения для диэлькометрического датчика влажности почвы 59
3.3 Экспериментальное исследование изменения влажности почвы в динамике 68
3.3.1 Предпосылки проведения эксперимента по определению динамики
изменения влажности 68
3.3.2 Постановка эксперимента 69
3.3.3 Проведение эксперимента по исследованию динамики изменения
влажности 70
3.3.4 Оценка полученных результатов 70
4 РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОДУЛЕЙ СИСТЕМЫ 74
4.1 Проектирование модуля измерения параметров почвы 74
4.1.1 Разработка структурной схемы измерительной части модуля с
учетом подобранных компонентов 74
4.1.2 Разработка алгоритма работы модуля измерения параметров
почвы 75
4.2 Проектирование модуля управления системой полива 76
4.2.1 Разработка структурной схемы модуля с учетом подобранных
компонентов 76
4.2.2 Разработка алгоритма работы модуля управления 77
4.3 Разработка WEB-интерфейса пользователя 79
4.3.1 Разработка принципа взаимодействия пользователя с системой
через WEB-интерфейс, основные компоненты WEB-интерфейса 79
4.3.2 Разработка алгоритма функционирования WEB-интерфейса 81
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 83
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 85
ВВЕДЕНИЕ 9
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОЛИВА С ВОЗМОЖНОСТЬЮ УДАЛЕННОГО КОНТРОЛЯ 11
1.1 Анализ технического задания 12
1.2 Обзор аналогов 14
1.2.1 Типы полива, применяющиеся при построении систем автоматического полива 14
1.2.2 Обзор существующих систем капельного полива 14
1.3 Теоретическое изучение элементов разрабатываемой системы 22
1.3.1 Разработка функциональной структуры проектируемой системы . 22
1.3.2 Уточнение технических требований на проектируемую систему .. 23
1.3.3 Изучение возможностей микроконтроллерных плат «Arduino» для
использования в разрабатываемой системе 23
1.3.4 Изучение возможностей реализации удаленного контроля с
помощью Arduino (обзор беспроводных технологий) 25
1.3.5 Обзор существующих GSM модулей со стандартом
GSM/GPRS/EDGE 26
1.3.6 Определение структуры межмодульного взаимодействия 26
2 ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ СИСТЕМЫ 29
2.1 Измерение параметров почвы 29
2.1.1 Обоснование актуальности задачи измерения влажности и температуры почвы 29
2.1.2 Величины, характеризующие содержание влаги в почве, почвенно¬
гидрологические константы 29
2.1.3 Существующие подходы к измерению влажности почвы 31
2.1.4 Обобщенная структурная схема для анализа и синтеза приборов
измерения влажности почвы 33
2.1.5 Кондуктометрический метод измерения влажности почвы 33
2.1.6 Диэлькометрический метод измерения влажности почвы 37
2.1.7 Построение математических моделей на основе
кондуктометрического и диэлькометрического методов измерения влажности, выбор математической модели 42
2.1.8 Задача измерения температуры почвы 45
2.1.9 Методы измерения температуры почвы и виды термометров 46
2.2 Требования к микроклимату в теплице 48
3 РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ .... 49
3.1 Экспериментальная градуировка диэлькометрического и
кондуктометрического датчиков влажности почвы 49
3.1.1 Выбор датчиков влажности почвы 49
3.1.2 Постановка эксперимента, описание установки 50
3.1.3 Предварительные расчеты и измерения 51
3.1.4 Проведение эксперимента по градуировке датчиков влажности ... 53
3.1.5 Оценка полученных градуировочных кривых, сравнение с
теоретическими зависимостями 55
3.1.6 Выбор датчика влажности для использования в системе
автоматического полива 58
3.2 Построение регрессионного уравнения для диэлькометрического датчика влажности почвы 59
3.3 Экспериментальное исследование изменения влажности почвы в динамике 68
3.3.1 Предпосылки проведения эксперимента по определению динамики
изменения влажности 68
3.3.2 Постановка эксперимента 69
3.3.3 Проведение эксперимента по исследованию динамики изменения
влажности 70
3.3.4 Оценка полученных результатов 70
4 РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОДУЛЕЙ СИСТЕМЫ 74
4.1 Проектирование модуля измерения параметров почвы 74
4.1.1 Разработка структурной схемы измерительной части модуля с
учетом подобранных компонентов 74
4.1.2 Разработка алгоритма работы модуля измерения параметров
почвы 75
4.2 Проектирование модуля управления системой полива 76
4.2.1 Разработка структурной схемы модуля с учетом подобранных
компонентов 76
4.2.2 Разработка алгоритма работы модуля управления 77
4.3 Разработка WEB-интерфейса пользователя 79
4.3.1 Разработка принципа взаимодействия пользователя с системой
через WEB-интерфейс, основные компоненты WEB-интерфейса 79
4.3.2 Разработка алгоритма функционирования WEB-интерфейса 81
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 83
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 85
В настоящее время в стране активно производится внедрение наукоемких и инновационных решений во все сферы производственной деятельности. Одной из потенциально привлекательных сфер, в которой на данный момент наблюдается значительное отставание технологий, является агропромышленный комплекс.
Внедрение инноваций при развитии аграрного сектора России является перспективным направлением научно-технических разработок,
подтверждением чего является государственная программа развития сельского хозяйства на 2013-2020 годы. Одной из задач в области растениеводства является полив растений. Наиболее велика роль полива в тепличном хозяйстве, так как от контроля условий в теплице полностью зависит эффективность выращивания тепличных культур.
В настоящее время существуют несколько решений для систем автоматизированного и автоматического полива, различающиеся типом полива, системой управления поливом, наличием или отсутствием систем мониторинга состояния микроклимата, возможностью удаленного управления поливом.
Наиболее распространенными на рынке являются системы автоматического полива растений с контролем по таймеру. Несмотря на простоту и относительно недорогую стоимость данных систем, основными их недостатками является отсутствие контроля качества произведенного полива и невозможность контроля влияющих факторов (влажность почвы, температура воздуха и другие). Более продвинутые системы обеспечивают контроль этих факторов и обладают функциями автоматического полива или проветривания. Недостатками этих систем являются высокая стоимость, ненадежность конструкции, низкая автономность, отсутствие возможности применения в крупном хозяйстве.
Актуальность темы выпускной квалификационной работы (ВКР) обусловлена следующими факторами:
1) слабая разработанность систем-аналогов, имеющих функцию удаленного управления и мониторинга состояния теплицы, их высокая стоимость;
2) отсутствие отечественных аналогов комплексных решений по автоматизации теплицы с возможностью модульного формирования технических функций системы;
3) ненадежность существующих систем вследствие конструктивной перегруженности, их низкая автономность и высокая стоимость.
Научная новизна работы состоит в удаленном управлении теплицей на основании данных о влияющих параметрах (таких как влажность почвы, температура воздуха и других). Использование сотовых сетей обеспечит высокую мобильность и автономность системы. Разрабатываемая система позволит полностью автоматизировать тепличное хозяйство, при этом предоставляя информацию об условиях произрастания сельскохозяйственных культур. Модульность системы даст возможность для формирования различных по комплектации вариантов системы согласно всем требованиям заказчика.
Целью данной работы является разработка модульной автономной микроконтроллерной системы капельного полива с возможностью удаленного контроля через сети сотовой связи.
Задачами проекта являются:
• анализ технического задания, обзор аналогов и выявление их недостатков;
• разработка функциональной структуры, определение состава системы, обзор устройств, входящих в систему;
• исследование методов измерения параметров почвы, изучение математических моделей;
• экспериментальное исследование коммерчески доступных датчиков влажности почвы, сравнительный анализ их характеристик;
• проектирование модулей системы, создание прототипа системы и исследование его свойств.
Внедрение инноваций при развитии аграрного сектора России является перспективным направлением научно-технических разработок,
подтверждением чего является государственная программа развития сельского хозяйства на 2013-2020 годы. Одной из задач в области растениеводства является полив растений. Наиболее велика роль полива в тепличном хозяйстве, так как от контроля условий в теплице полностью зависит эффективность выращивания тепличных культур.
В настоящее время существуют несколько решений для систем автоматизированного и автоматического полива, различающиеся типом полива, системой управления поливом, наличием или отсутствием систем мониторинга состояния микроклимата, возможностью удаленного управления поливом.
Наиболее распространенными на рынке являются системы автоматического полива растений с контролем по таймеру. Несмотря на простоту и относительно недорогую стоимость данных систем, основными их недостатками является отсутствие контроля качества произведенного полива и невозможность контроля влияющих факторов (влажность почвы, температура воздуха и другие). Более продвинутые системы обеспечивают контроль этих факторов и обладают функциями автоматического полива или проветривания. Недостатками этих систем являются высокая стоимость, ненадежность конструкции, низкая автономность, отсутствие возможности применения в крупном хозяйстве.
Актуальность темы выпускной квалификационной работы (ВКР) обусловлена следующими факторами:
1) слабая разработанность систем-аналогов, имеющих функцию удаленного управления и мониторинга состояния теплицы, их высокая стоимость;
2) отсутствие отечественных аналогов комплексных решений по автоматизации теплицы с возможностью модульного формирования технических функций системы;
3) ненадежность существующих систем вследствие конструктивной перегруженности, их низкая автономность и высокая стоимость.
Научная новизна работы состоит в удаленном управлении теплицей на основании данных о влияющих параметрах (таких как влажность почвы, температура воздуха и других). Использование сотовых сетей обеспечит высокую мобильность и автономность системы. Разрабатываемая система позволит полностью автоматизировать тепличное хозяйство, при этом предоставляя информацию об условиях произрастания сельскохозяйственных культур. Модульность системы даст возможность для формирования различных по комплектации вариантов системы согласно всем требованиям заказчика.
Целью данной работы является разработка модульной автономной микроконтроллерной системы капельного полива с возможностью удаленного контроля через сети сотовой связи.
Задачами проекта являются:
• анализ технического задания, обзор аналогов и выявление их недостатков;
• разработка функциональной структуры, определение состава системы, обзор устройств, входящих в систему;
• исследование методов измерения параметров почвы, изучение математических моделей;
• экспериментальное исследование коммерчески доступных датчиков влажности почвы, сравнительный анализ их характеристик;
• проектирование модулей системы, создание прототипа системы и исследование его свойств.
По результатам выполнения ВКР в первой главе был произведен анализ технического задания на проектирование системы, изучены аналоги и выявлены их недостатки, разработана функциональная структура системы и технические требования. В теоретическом разделе первой главы были изучены микроконтроллерные платы на основе разных архитектур, технологии удаленного контроля, проводные и беспроводные технологии передачи данных между устройствами в системе. На основании сравнительного анализа осуществлен подбор основных электронных модулей системы.
Во второй главе проведено теоретическое исследование математических моделей, используемых при измерении влажности и температуры почвы. Изучены величины, характеризующие влажность почвы, подробно рассмотрены два электрических метода измерения влажности: кондуктометрический и
диэлькометрический. По результатам рассмотрения проведен сравнительный анализ обоих методов, выявлены их достоинства и недостатки, особенности проведения измерений каждым из методов. Кроме того в главе изучена теория измерения температуры почвы, рассмотрены различные методы измерения температуры. Также во вторую главу входит обзор требований к микроклимату в теплице для различных сельскохозяйственных культур.
В третьей главе проводится экспериментальное исследование и сравнение двух коммерчески доступных датчиков влажности почвы. Разработана установка для исследования датчиков и правила проведения эксперимента, получены градуировочные характеристики и проведено сравнение их с теорией для каждого из датчиков. По результатам сравнения для использования в системе выбран диэлькометрический датчик влажности, для него рассчитано уравнение регрессии, которое связывает влажность и выходной сигнал датчика, проведен эксперимент по исследованию динамических характеристик датчика.
В четвертой главе рассмотрено проектирование некоторых модулей системы. Проведено проектирование модуля измерения параметров почвы, построена структурная схема с подобранными электронными компонентами, разработан алгоритм работы модуля, построены основные блок-схемы алгоритма. Также проведено проектирование модуля управления системой, разработана его структурная схема и алгоритм работы. Кроме того в главе рассмотрена разработка WEB-интерфейса пользователя, определена структура сетевого взаимодействия и алгоритм функционирования интерфейса с привязкой к WEB-серверу. Результатом четвертой главы является разработка прототипов спроектированных модулей и WEB-интерфейса для демонстрации заявленных функций системы.
Итогом ВКР является решение комплекса задач проектирования при разработке модульной автономной микроконтроллерной системы капельного полива с возможностью удаленного контроля через сети сотовой связи.
Во второй главе проведено теоретическое исследование математических моделей, используемых при измерении влажности и температуры почвы. Изучены величины, характеризующие влажность почвы, подробно рассмотрены два электрических метода измерения влажности: кондуктометрический и
диэлькометрический. По результатам рассмотрения проведен сравнительный анализ обоих методов, выявлены их достоинства и недостатки, особенности проведения измерений каждым из методов. Кроме того в главе изучена теория измерения температуры почвы, рассмотрены различные методы измерения температуры. Также во вторую главу входит обзор требований к микроклимату в теплице для различных сельскохозяйственных культур.
В третьей главе проводится экспериментальное исследование и сравнение двух коммерчески доступных датчиков влажности почвы. Разработана установка для исследования датчиков и правила проведения эксперимента, получены градуировочные характеристики и проведено сравнение их с теорией для каждого из датчиков. По результатам сравнения для использования в системе выбран диэлькометрический датчик влажности, для него рассчитано уравнение регрессии, которое связывает влажность и выходной сигнал датчика, проведен эксперимент по исследованию динамических характеристик датчика.
В четвертой главе рассмотрено проектирование некоторых модулей системы. Проведено проектирование модуля измерения параметров почвы, построена структурная схема с подобранными электронными компонентами, разработан алгоритм работы модуля, построены основные блок-схемы алгоритма. Также проведено проектирование модуля управления системой, разработана его структурная схема и алгоритм работы. Кроме того в главе рассмотрена разработка WEB-интерфейса пользователя, определена структура сетевого взаимодействия и алгоритм функционирования интерфейса с привязкой к WEB-серверу. Результатом четвертой главы является разработка прототипов спроектированных модулей и WEB-интерфейса для демонстрации заявленных функций системы.
Итогом ВКР является решение комплекса задач проектирования при разработке модульной автономной микроконтроллерной системы капельного полива с возможностью удаленного контроля через сети сотовой связи.
