Помощь студентам в учебе
Разработка информационно-измерительной системы для технологии «Умная теплица»
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ ТЕХНОЛОГИИ «УМНАЯ
ТЕПЛИЦА» 9
1.1 История создания технологии «Умная теплица» 9
1.2 Анализ существующих систем автоматизации технологии
«Умная теплица» 18
1.2.1 Системы капельного полива 20
1.2.2 Система капельного полива методом гидропонной
установки 23
1.3 Структура и состав технологии «Умная теплица» 24
1.3.1 Автопроветриватель 24
1.3.2 Определение уровня влажности почвы 26
1.3.3 Определение температуры и влажности воздуха 28
1.3.4 Измерение температуры и влажности почвы 30
Выводы по первому разделу 32
2 ОРГАНИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ
СИСТЕМЫ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИИ «УМНАЯ ТЕПЛИЦА» 33
2.1 Постановка задачи 33
2.2 Разработка функциональной схемы системы 33
2.2.1 Блок контроля почвы 35
2.2.2 Блок контроля микроклимата 36
2.2.3 Блок индикации и управления 37
Выводы по второму разделу 39
3 ПОДБОР ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ СИСТЕМЫ 40
3.1 Аппаратная платформа 40
3.2 Аппаратная платформа Arduino Mega 2560 42
3.3 Элементы для блока контроля почвы 45
3.4 Элементы для блока контроля микроклимата 50
Элементы для блока индикации и управления 57
Выводы по третьему разделу 64
4 СОЗДАНИЕ МАКЕТА «УМНАЯ ТЕПЛИЦА» 65
4.1 Среда разработки Arduino 65
4.2 Разработка алгоритма работы программы 68
4.3 Подключение датчиков 70
4.4 Проверка работоспособности схемы в программе PLX-DAQ
Spreadsheet 80
4.5 Сборка макета и проведение испытаний по работоспособности 84
Выводы по четвертому разделу 90
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 91
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 93
ПРИЛОЖЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ ТЕХНОЛОГИИ «УМНАЯ
ТЕПЛИЦА» 9
1.1 История создания технологии «Умная теплица» 9
1.2 Анализ существующих систем автоматизации технологии
«Умная теплица» 18
1.2.1 Системы капельного полива 20
1.2.2 Система капельного полива методом гидропонной
установки 23
1.3 Структура и состав технологии «Умная теплица» 24
1.3.1 Автопроветриватель 24
1.3.2 Определение уровня влажности почвы 26
1.3.3 Определение температуры и влажности воздуха 28
1.3.4 Измерение температуры и влажности почвы 30
Выводы по первому разделу 32
2 ОРГАНИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ
СИСТЕМЫ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИИ «УМНАЯ ТЕПЛИЦА» 33
2.1 Постановка задачи 33
2.2 Разработка функциональной схемы системы 33
2.2.1 Блок контроля почвы 35
2.2.2 Блок контроля микроклимата 36
2.2.3 Блок индикации и управления 37
Выводы по второму разделу 39
3 ПОДБОР ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ СИСТЕМЫ 40
3.1 Аппаратная платформа 40
3.2 Аппаратная платформа Arduino Mega 2560 42
3.3 Элементы для блока контроля почвы 45
3.4 Элементы для блока контроля микроклимата 50
Элементы для блока индикации и управления 57
Выводы по третьему разделу 64
4 СОЗДАНИЕ МАКЕТА «УМНАЯ ТЕПЛИЦА» 65
4.1 Среда разработки Arduino 65
4.2 Разработка алгоритма работы программы 68
4.3 Подключение датчиков 70
4.4 Проверка работоспособности схемы в программе PLX-DAQ
Spreadsheet 80
4.5 Сборка макета и проведение испытаний по работоспособности 84
Выводы по четвертому разделу 90
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 91
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 93
ПРИЛОЖЕНИЯ
Основным источником продовольствия и сырья растительного и животного происхождения является сельское хозяйство. Оно призвано удовлетворять растущие потребности населения в продуктах питания и потребности промышленности страны в сырье [1].
В России сельскохозяйственный комплекс считается одним из самых крупных отраслей в экономике, доля занятых людей в нем примерно 9 %.
Сельское хозяйство является системообразующей сферой экономики Российской Федерации, формирующей агропродовольственный рынок, продовольственную и экономическую безопасность, а так же трудовой потенциал сельских территорий.
Основными проблемами развития являются:
• технико-технологическое отставание сельского хозяйства от развитых стран мира из-за недостаточного уровня доходов сельскохозяйственных товаропроизводителей;
• стагнация машиностроения;
• ограниченный доступ сельскохозяйственных товаропроизводителей к рынку;
• медленные темпы развития сельских территорий, определяющие отток трудоспособного населения из самих сельских территорий.
Поддержка развития сельскохозяйственного производства - потребность, в целях устойчивого функционирования агропромышленного комплекса [2].
Проблема автоматизации сельского хозяйства постепенно решается благодаря роботизированию молочных ферм, которые уже построены в некоторых российских регионах, среди них - Калужская и Свердловская области.
На данный момент времени в России работает не менее 500 тысяч роботодоильных систем, а лидерами мирового рынка являются компании из Германии, Нидерландов, Швеции.
Однако сельское хозяйство не ограничивается лишь одними роботодоильными системами, и на некоторых промышленных фермах устанавливаются полностью автономные теплицы, которые начали развиваться с приходом технологии «Умный дом».
Теплица - это сооружение, которое имеет светопропускающие стены и кровлю, основное ее предназначение заключается в выращивании растений в весенне-осенний период.
В настоящее время теплицы на рынке продаются как больших, так и маленьких объемов, по своему конструкторскому исполнению различаются:
• по форме (квадратные и прямоугольные);
• по виду каркаса (изготавливаются в виде шатра, арки или домика).
Промышленные теплицы имеют очень важную роль в сельскохозяйственной культуре, благодаря теплицам можно получать в пищу круглый год овощи, которые будут богаты на витамины [2].
Любая теплица должна отвечать следующим условиям:
• в ней должен поддерживаться оптимальный температурный режим;
• полив растений должен выполняться своевременно и по расписанию, иначе растения, которые там находятся, могут погибнуть.
На текущий момент времени происходит развитие промышленности с внедрением новых, автоматизированных и роботизированных технологий, одной из технологий, которую сейчас стремительно развивает человечество - технология «интернет вещей».
Интернет вещей (IoT) - сеть связанных объектов, которые способны собирать и обмениваться данными. Цель создания IoT - облегчение жизни человека [3].
По прогнозам ученых-разработчиков данная технология должна заменить многие вещи в жизни человека, и предоставить эти роли автоматике и системам автоматического управления...
В России сельскохозяйственный комплекс считается одним из самых крупных отраслей в экономике, доля занятых людей в нем примерно 9 %.
Сельское хозяйство является системообразующей сферой экономики Российской Федерации, формирующей агропродовольственный рынок, продовольственную и экономическую безопасность, а так же трудовой потенциал сельских территорий.
Основными проблемами развития являются:
• технико-технологическое отставание сельского хозяйства от развитых стран мира из-за недостаточного уровня доходов сельскохозяйственных товаропроизводителей;
• стагнация машиностроения;
• ограниченный доступ сельскохозяйственных товаропроизводителей к рынку;
• медленные темпы развития сельских территорий, определяющие отток трудоспособного населения из самих сельских территорий.
Поддержка развития сельскохозяйственного производства - потребность, в целях устойчивого функционирования агропромышленного комплекса [2].
Проблема автоматизации сельского хозяйства постепенно решается благодаря роботизированию молочных ферм, которые уже построены в некоторых российских регионах, среди них - Калужская и Свердловская области.
На данный момент времени в России работает не менее 500 тысяч роботодоильных систем, а лидерами мирового рынка являются компании из Германии, Нидерландов, Швеции.
Однако сельское хозяйство не ограничивается лишь одними роботодоильными системами, и на некоторых промышленных фермах устанавливаются полностью автономные теплицы, которые начали развиваться с приходом технологии «Умный дом».
Теплица - это сооружение, которое имеет светопропускающие стены и кровлю, основное ее предназначение заключается в выращивании растений в весенне-осенний период.
В настоящее время теплицы на рынке продаются как больших, так и маленьких объемов, по своему конструкторскому исполнению различаются:
• по форме (квадратные и прямоугольные);
• по виду каркаса (изготавливаются в виде шатра, арки или домика).
Промышленные теплицы имеют очень важную роль в сельскохозяйственной культуре, благодаря теплицам можно получать в пищу круглый год овощи, которые будут богаты на витамины [2].
Любая теплица должна отвечать следующим условиям:
• в ней должен поддерживаться оптимальный температурный режим;
• полив растений должен выполняться своевременно и по расписанию, иначе растения, которые там находятся, могут погибнуть.
На текущий момент времени происходит развитие промышленности с внедрением новых, автоматизированных и роботизированных технологий, одной из технологий, которую сейчас стремительно развивает человечество - технология «интернет вещей».
Интернет вещей (IoT) - сеть связанных объектов, которые способны собирать и обмениваться данными. Цель создания IoT - облегчение жизни человека [3].
По прогнозам ученых-разработчиков данная технология должна заменить многие вещи в жизни человека, и предоставить эти роли автоматике и системам автоматического управления...
1. Во введении кратко охарактеризованы и описаны проблемы сельского хозяйства в России. Кратко описана технология «IoT» и технология «Интернет вещей». Рассказано об истории создания технологии «умный дом» и «умная теплица», сформулирована цель выпускной квалификационной работы, обозначена ее актуальность. Были поставлены задачи, выполнение которых обеспечит достижение цели работы.
2. Первая глава представляет собой обзорно-аналитическую часть: был проведен обзор существующих систем, где используется технология «Интернет вещей», определены причины, по которым проект «Умная теплица» актуален. Были представлены и изучены примеры готовых автоматизированных блоков, которые продают на рынке на сегодняшний день.
3. Во второй главе была разработана и продемонстрирована функциональная схема информационно-измерительной системы. Функциональная схема была разделена на отдельные пять блоков: источник света, платформа с растениями, блок контроля почвы, блок контроля микроклимата, блок контроля микроклимата, блок индикации и управления.
Разделение проходило по функциям, за которые отвечают блоки. Описаны характеристики и задачи, за которые отвечает каждый блок, представленный на функциональной схеме.
4. В третьей главе был произведен выбор элементов в блоки, которые необходимы для реализации устройства. Приведены краткие особенности в работе, а так же некоторые метрологические характеристики, необходимые для разработки устройства. Были представлены две схемы подключения каждого датчика: общая принципиальная, выполненная в программе Altium Designer и схема подключения, выполненная в программе Fritzing. Так же была создана общая схема подключения формата А3, и схема подключения формата А3.
5. В четвертой главе было написано руководство программиста, создан алгоритм работы системы. Подробно рассказано о среде разработки Arduino IDE. Был написан программный код, собран макет устройства. Проведены испытания разработанного макета информационно-измерительной системы. Результатом является код программы, алгоритм работы системы и полностью функционирующая схема, которая способна отслеживать шесть параметров и отслеживать их изменения в режиме реального времени, благодаря модулю часов реального времени. Для понимания подключения датчиков были сделаны фотографии подключения каждого датчика по отдельности. Был подготовлен видеоматериал, демонстрирующий работу макета системы.
6. Дальнейшие исследования в рамках рассмотренной темы будут посвящены расширению возможностей разработанной системы. Кроме реализованных функций, также возможно добавление расширений можно путем можно управлять и отслеживать такие параметры как: количество углекислого газа в воздухе, количество ультрафиолета в помещении. Кроме того, можно сделать печатную плату и корпус для устройства. Корпус необходим для безопасности устройства, чтобы не попала влага на печатную плату и предотвращение повреждений при эксплуатации.
2. Первая глава представляет собой обзорно-аналитическую часть: был проведен обзор существующих систем, где используется технология «Интернет вещей», определены причины, по которым проект «Умная теплица» актуален. Были представлены и изучены примеры готовых автоматизированных блоков, которые продают на рынке на сегодняшний день.
3. Во второй главе была разработана и продемонстрирована функциональная схема информационно-измерительной системы. Функциональная схема была разделена на отдельные пять блоков: источник света, платформа с растениями, блок контроля почвы, блок контроля микроклимата, блок контроля микроклимата, блок индикации и управления.
Разделение проходило по функциям, за которые отвечают блоки. Описаны характеристики и задачи, за которые отвечает каждый блок, представленный на функциональной схеме.
4. В третьей главе был произведен выбор элементов в блоки, которые необходимы для реализации устройства. Приведены краткие особенности в работе, а так же некоторые метрологические характеристики, необходимые для разработки устройства. Были представлены две схемы подключения каждого датчика: общая принципиальная, выполненная в программе Altium Designer и схема подключения, выполненная в программе Fritzing. Так же была создана общая схема подключения формата А3, и схема подключения формата А3.
5. В четвертой главе было написано руководство программиста, создан алгоритм работы системы. Подробно рассказано о среде разработки Arduino IDE. Был написан программный код, собран макет устройства. Проведены испытания разработанного макета информационно-измерительной системы. Результатом является код программы, алгоритм работы системы и полностью функционирующая схема, которая способна отслеживать шесть параметров и отслеживать их изменения в режиме реального времени, благодаря модулю часов реального времени. Для понимания подключения датчиков были сделаны фотографии подключения каждого датчика по отдельности. Был подготовлен видеоматериал, демонстрирующий работу макета системы.
6. Дальнейшие исследования в рамках рассмотренной темы будут посвящены расширению возможностей разработанной системы. Кроме реализованных функций, также возможно добавление расширений можно путем можно управлять и отслеживать такие параметры как: количество углекислого газа в воздухе, количество ультрафиолета в помещении. Кроме того, можно сделать печатную плату и корпус для устройства. Корпус необходим для безопасности устройства, чтобы не попала влага на печатную плату и предотвращение повреждений при эксплуатации.
