Введение
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ
МИКРОКЛИМАТОМ ТЕПЛИЦ 10
1.1 Интернет вещей 10
1.2 Умные теплицы 12
1.3 Умные теплицы в России 13
1.4 Обзор датчиков 14
1.4.1 Arduino UNO 14
1.4.2 Датчик влажности и температуры DHT22 15
1.4.3 Фоторезистор 17
1.4.4 Датчик уровня влажности почвы 18
1.5 Выводы по главе 1 19
2 ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ 21
2.1 Структура микроклимата 22
2.2 Теплица как объект управления 23
2.3 Математическое описание теплицы 28
2.4 Синтез системы управления 31
2.5 Анализ результатов моделирования 37
2.6 Построение передаточной функции контура контроля влажности 39
2.7 Расчет и исследование САУ c цифровым регулятором 48
2.7.1 Выбор периода дискретизации аналоговых сигналов 48
2.7.2 Расчёт цифрового ПИД-регулятора влажности 48
2.8 Выводы по главе 2 51
3 ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЕКТА УПРАВЛЕНИЕМ
МИКРОКЛИМАТОМ ТЕПЛИЦЫ 53
3.1 Взаимодействие аппаратной и программной частей 53
3.2 Разработка программного обеспечения для функционирования
микроклимата теплицы 56
3.2.1 Мониторинг и регулирование влажности грунта 57
3.2.2 Мониторинг и регулирование освещенности 58
3.3 Выводы по главе 3 60
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 61
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 62
ПРИЛОЖЕНИЯ 64
ПРИЛOЖЕНИЕ 1. Техничеcкoе задание на разрабoтку nрoграммннoгo средства для управления автоматизированной агрофермой 64
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Руководство программиста программного средства для управления автоматизированной агрофермой 71
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Текст программы для управления автоматизированной агрофермой 75
Актуальность. В современном обществе все чаще уделяется внимание качеству жизни людей. Понятие качества жизни включает в себя такую область, как питание, которое имеет большое значение для комфортной жизни человека, которая в дальнейшем влияет на развитее общества. Одним из способов обеспечить человека пищей является сельское хозяйство.
Все больше технологий появляется для развития этой отрасли, особенно это заметно для растениеводства в закрытом грунте, то есть теплицы. Для них разрабатываются новые системы посадки, мониторинга процесса роста; оборудование для сборки, обработки, упаковки и хранения.
Новшеством в данной области является разработка умных теплиц или агроферм. Оно направлено на получение качественного урожая, повышение экологичности производства и понижение количества затрачиваемых ресурсов.
Применение умных теплиц в России является достаточно актуальным и прибыльным. Все чаще можно встретить промышленные агрокомплексы, которые прибегают к технологии умных теплиц. Даже некоторые предприимчивые граждане сооружают на своих участках или подоконниках подобные конструкции. Площади, занятые растениями, можно использовать более продуктивно, тогда качественного продукта будет хватать не только для внутренних нужд страны, но и для импорта заграницу. А если бы система обладала низкой стоимостью и легкостью управления, то она была бы доступна практических всем потенциальным пользователям и применялась бы не только в промышленных масштабах, но для частных хозяйств.
Цель работы - написать программное обеспечение для автоматизированный агрофермы, которое будет поддерживать идеальный микроклимат для ягодных культур.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
- выбрать условия для микроклимата и их параметры, которые необходимо поддерживать для создания благоприятных условий для выращивания ягодных культур;
- изучить методы и модели для создания и поддержания этих условий;
- реализация программного обеспечения;
- анализ результатов работы и формулировка выводов о целесообразности использования данного программного обеспечения для выращивания ягодных культур с использованием автоматизированной агро фермы.
Объектом работы является автоматизированная теплица.
Предметом работы является микроклимат для выращивания ягодных культур.
Информационная база исследования.
В качестве информационной базы исследования были использованы: статья из журнала «АгроБизнес», статьи о микроклимате, автоматизации управления микроклиматом научных школ МГУ, СПбГУ.
Во введении формируется цель выпускной квалификационной работы, задачи для ее достижения, а также обозначается предмет и область исследования, указывается информационная база исследования.
В первой главе рассматриваются технология Интернета вещей, используемая при разработке алгоритма функционирования автоматизированных агроферм, рассматривается история внедрения технологий Интернета вещей в России, в частности использование умных теплиц. Также рассматривается используемое оборудование.
Во второй главе рассматриваются математическая модель, описывающая микроклимат теплицы, которая позволяет проследить статические и динамические характеристики теплицы.
В третьей главе приводится технологический обзор программного обеспечения для агрофермы и алгоритмы управления работы используемого оборудования, приводится схема аппаратной и программной частей для управления микроклиматом теплицы.
В заключении формируются общие выводы по всей проделанной работе и рекомендации по полученным результатам.
Применение технологии Интернета вещей для реализации автоматизированного управления микроклиматом актуально, так как эта область прочно занимает все сферы общества и постоянно развивается.
Рассмотренная математическая модель позволяет при различных возмущающих воздействиях (температура и влажность окружающей среды, солнечная активность) проследить статические и динамические характеристики теплицы (температура, влажность воздуха). Модель обеспечивает: расчет задающих воздействий по температуре и относительной влажности внутри теплицы; регулирование температурно-влажностного режима внутри теплицы.
Получена модель в приложении Simulink пакета MATLAB, которая может быть использована в дальнейшем для разработки и исследования системы управления теплицы.
В работе отмечено, что автоматизированная система управления должна отслеживать климатические параметры и управлять исполнительными механизмами, быть лёгкой в обслуживании и эксплуатации, иметь низкую стоимость. Изучены параметры климата, модель управления этим климатом
