РАЗРАБОТКА АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКЛИМАТОМ ТЕПЛИЦЫ
Авторы:
1.
Дагестанский государственный университет
(старший преподаватель кафедры информационных технологий и безопасности компьютерных систем )
сотрудник
Махачкала, Республика Дагестан, Россия
сотрудник
Махачкала, Республика Дагестан, Россия
2.
Дагестанский государственный университет
(канд. физ.-мат. наук, доцент; зав. кафедрой информационных технологий и безопасности компьютерных систем )
Россия
Россия
3.
Дагестанский государственный университет
(канд. биол. наук, доцент; доцент кафедры информационных технологий и безопасности компьютерных систем )
Махачкала, Республика Дагестан, Россия
Махачкала, Республика Дагестан, Россия
Тип:
Статья
Страницы:
с 68
по 75
Статус:
Опубликован
Получено:
26.10.2021
Одобрено:
05.01.2023
Опубликовано:
29.10.2021
Классификаторы:
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
облачный сервис, Интернет вещей, микроклимат, датчик, теплица, исполнительные устройства
Аннотация (русский):
Развитие интернет-технологий позволяет осуществлять удаленное управление различными устройствами. Представлено описание устройства контроля микроклимата теплицы с удаленным управлением. Использована концепция Интернета вещей, позволяющая удаленно управлять устройствами путем использования облачных сервисов. Интернет вещей – это один из популярных трендов в сетевой среде, позволяющий передавать данные между устройствами. Нет необходимости писать программу для передачи данных, достаточно использовать один из множества существующих облачных сервисов. Облачный сервис фиксирует параметры микроклимата и в режиме online отображает их на компьютере или телефоне пользователя. Пользователь может не только наблюдать данные, полученные с датчиков, установленных в теплице, но и управлять исполнительными устройствами, а именно включать и выключать системы отопления, полива, освещения и открывания форточек. Разрабатываемое устройство позволит не только снимать показания с устройств, контролирующих микроклимат в помещении, и по-средством Интернета передавать их на персональный компьютер или телефон, находясь удаленно от объекта измерения, но и управлять исполнительными устройствами внутри теплицы. Определены функциональные требования к разработанному устройству, приведена структурная схема устройства, основным элементом которого является плата Arduino Uno, на которой расположен не только микроконтроллер, но и разъемы внешних устройств. Представлен и описан пользовательский интерфейс, который обеспечивает взаимодействие между пользователем и объектом управления, разработанный в облачном сервисе IoControl, также представлены этапы его разработки. Рассмотрены режимы управления микроклиматом и соответствующие им исполнительные устройства и переменные.
Развитие интернет-технологий позволяет осуществлять удаленное управление различными устройствами. Представлено описание устройства контроля микроклимата теплицы с удаленным управлением. Использована концепция Интернета вещей, позволяющая удаленно управлять устройствами путем использования облачных сервисов. Интернет вещей – это один из популярных трендов в сетевой среде, позволяющий передавать данные между устройствами. Нет необходимости писать программу для передачи данных, достаточно использовать один из множества существующих облачных сервисов. Облачный сервис фиксирует параметры микроклимата и в режиме online отображает их на компьютере или телефоне пользователя. Пользователь может не только наблюдать данные, полученные с датчиков, установленных в теплице, но и управлять исполнительными устройствами, а именно включать и выключать системы отопления, полива, освещения и открывания форточек. Разрабатываемое устройство позволит не только снимать показания с устройств, контролирующих микроклимат в помещении, и по-средством Интернета передавать их на персональный компьютер или телефон, находясь удаленно от объекта измерения, но и управлять исполнительными устройствами внутри теплицы. Определены функциональные требования к разработанному устройству, приведена структурная схема устройства, основным элементом которого является плата Arduino Uno, на которой расположен не только микроконтроллер, но и разъемы внешних устройств. Представлен и описан пользовательский интерфейс, который обеспечивает взаимодействие между пользователем и объектом управления, разработанный в облачном сервисе IoControl, также представлены этапы его разработки. Рассмотрены режимы управления микроклиматом и соответствующие им исполнительные устройства и переменные.
Ключевые слова:
облачный сервис, Интернет вещей, микроклимат, датчик, теплица, исполнительные устройства
облачный сервис, Интернет вещей, микроклимат, датчик, теплица, исполнительные устройства
Введение
В век развития цифровизации во всех областях жизнедеятельности человека большую популярность у населения получили различные гаджеты, которые помогают человеку в повседневной жизни, делая ее удобной.
Актуальность разработки аппаратно-программного комплекса для теплицы заключается
в возможности дистанционного управления ее параметрами.
Поддержание в теплице необходимого микроклимата – достаточно непростая задача, т. к.
в различные периоды роста культур необходимы различные значения климатических параметров.
Целью данного исследования является разработка аппаратно-программного комплекса дистанционного управления микроклиматом теплицы, основанная на использовании облачных сервисов.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
– определить перечень функциональных требований к проектируемому комплексу;
– разработать структурную схему аппаратной части;
– разработать пользовательский интерфейс в облачном сервисе IoControl для двух режимов работы устройства.
Разрабатываемый модуль позволит удаленно наблюдать за микроклиматом теплицы и в случае необходимости включать и выключать необходимые приборы. Включение и отключение может происходить как в полуавтоматическом режиме, так и вручную, по команде, удаленно с персонального компьютера или мобильного телефона, что определяет научную новизну предлагаемого аппаратно-программного комплекса.
Разрабатываемый аппаратно-программный комплекс дистанционного управления микроклиматом теплицы должен отвечать следующим функциональным требованиям:
– измерение температуры воздуха;
– измерение температуры почвы;
– измерение влажности воздуха;
– измерение влажности почвы;
– измерение освещенности;
– управление системой обогрева воздуха и почвы (котел);
– управление системой увлажнения (распылитель влаги);
– управление системой освещения (лампы);
– управление системой проветривания (форточки);
– управление системой полива;
– удаленное управление с телефона или персонального компьютера по каналам сети Интернет.
Аппаратная часть комплекса дистанционного управления микроклиматом теплицы
Для измерения параметров микроклимата использованы различные датчики: температуры почвы и воздуха, влажности почвы и воздуха, датчик дождя. На рис. 1 представлена структурная схема аппаратной части комплекса дистанционного управления микроклиматом теплицы.
Рис. 1. Структурная схема комплекса: ЖКИ – жидкокристаллический индикатор
В состав структурной схемы входят следующие блоки:
– плата Arduino Uno с микроконтроллером ATmega 328;
– датчики температуры почвы и воздуха;
– датчики влажности воздуха и почвы;
– датчики освещенности;
– датчик дождя;
– реле для включения/выключения освещения;
– реле для включения/выключения системы полива;
– реле для включения/выключения системы отопления;
– реле для включения/выключения системы «туман» (влажность);
– привод для открывания и закрывания форточек;
– модуль Wi-Fi;
– жидкокристаллический индикатор (ЖКИ);
– телефон (или персональный компьютер).
Микроконтроллер платформы Arduino Uno считывает данные с датчиков [1–3]. К микроконтроллеру подключены реле, которые включают или выключают исполнительные устройства в соответствии с заданным алгоритмом, обеспечивая необходимый микроклимат в теплице. Исполнительными устройствами являются привод для открывания и закрывания форточек, обогревательный котел, увлажнитель воздуха – система «туман», система полива. Показания температуры и влажности отображаются на индикаторе в теплице.
Модуль Wi-Fi обеспечивает беспроводное соединение платы Arduino Uno с Интернет. Он должен быть подключен к зоне Wi-Fi или точке доступа [4].
Программная часть комплекса дистанционного управления микроклиматом теплицы
В настоящее время особенно популярны облачные сервисы, которые позволяют с компьютера или телефона удаленно управлять устройствами. Нами выбран облачный сервис IoControl, который полностью поддерживает концепцию Интернета вещей [5]. В адресной строке браузера набираем URL облачного сервиса, где после регистрации мы можем зайти в личный кабинет, веб-страница которого представлена на рис. 2.
Рис. 2. Личный кабинет пользователя сервиса IoControl
В личном кабинете отображается информация о созданных панелях и переменных.
Далее создаем две панели режимов управления микроклиматом: GreenHouseOne – полуавтоматический режим – и ManualMode – ручной режим управления исполнительными устройствами (рис. 3).
Рис. 3. Пользовательский интерфейс страницы созданных панелей режимов управления микроклиматом
При полуавтоматическом режиме управления срабатывание исполнительных устройств происходит по заданному алгоритму. В управляющей программе задаются пороговые значения параметров, при которых происходит включение/выключение исполнительных устройств.
При ручном режиме пользователь может сам решать, когда и чем управлять на основании полученных данных с датчиков.
Каждому из режимов создаются соответствующие переменные. Под переменными для первого режима понимаются показания датчиков влажности и температуры воздуха и почвы.
В табл. 1 приведены обозначения переменных.
Таблица 1
Переменные и соответствующие им параметры
Переменная Измеряемый параметр
Tenperature Температура воздуха
Humidity Влажность воздуха
HumidityGround Влажность почвы
После включения устройства контроля микроклиматом в теплице показания с датчиков отображаются на веб-странице облачного сервиса (рис. 4).
Рис. 4. Отображение значений измеряемых параметров
В табл. 2 представлена расшифровка панелей управления.
Таблица 2
Панели задания управляющих параметров
Переменная Задаваемое значение параметра
ActuationTem Температура воздуха, при которой срабатывает реле на открывание или закрывание форточки или включения или выключения отопительной системы
ActuationTemGround Температура почвы, при которой срабатывает реле на включение или выключение отопительной системы
ActuationHum Влажность, при которой срабатывает реле на включение или выключение системы туманообразования
ActuationHumGround Влажность почвы, при которой срабатывает реле на включение или выключение системы полива
Manual Переключение режимов работы
Далее мы можем выставить значение влажности и температуры, при которых будут срабатывать реле на включение или отключение исполнительных устройств (рис. 5).
Рис. 5. Установка значений влажности и температуры
Для управления исполнительными устройствами по усмотрению пользователя предусмотрен ручной режим. Переключение режимов осуществляется на вкладке Manual.
Название переменных панели ManualMode и соответствующих им исполнительных устройств представлены в табл. 3.
Таблица 3
Название исполнительных устройств
Переменная Исполнительное устройство
BOILER Котел
WATER Вода
FOG Туман
LIGHT Свет
WINDOWS Окно
На рис. 6 представлена панель ManualMode с соответствующими вкладками.
Рис. 6. Панель ManualMode
С помощью переменных, описание которых представлено в табл. 3, можно вклю-чать/выключать соответствующие исполнительные устройства.
Завершающим шагом является выбор оборудования, с которым мы будем работать,
а именно Arduino Uno на панели «Генератор скетча» (рис. 7).
Рис. 7. Этап выбора оборудования
Для написания программ (скетча) для микроконтроллера, расположенного на плате Arduino, используем среду разработки Arduino IDE.
Чтобы упростить работу с датчиками, достаточно подключить необходимые библиотеки
в свой скетч.
Разработанный аппаратно-программный комплекс управления параметрами микроклимата теплицы удобен в эксплуатации и позволит пользователям принимать решения удаленно, используя облачный сервис.
Заключение
В работе представлено описание структурной схемы разработанного устройства для управления микроклиматом теплиц, определены основные блоки и их взаимодействие.
Приведено описание разработанного пользовательского интерфейса в облачном сервисе IoControl. Облачный сервис IoControl фиксирует параметры микроклимата и в режиме online отображает их на компьютере или телефоне пользователя. Пользователь может не только наблюдать данные, полученные с датчиков, установленных в теплице, но и управлять исполнительными устройствами, а именно включать и выключать системы отопления, полива, освещения и открывания форточек
1. Геддес М. 25 крутых проектов на Ардуино. М.: Эксмо, 2019. URL: https://drive.google.com/file/d/1SW84BfeBLGL-UIK-Iulun7JMkwh94z8t/view (дата обращения: 15.04.2021).
2. Блум Д. Изучаем Arduino. Инструменты и методы технического волшебства. СПб.: БХВ-Петербург, 2016. 334 с.
3. Зараменских Е. П., Артемьев И. Е. Интернет вещей. Исследования и область применения. М.: ИНФРА-М, 2016. 188 c.
4. Соммер У. Программирование микроконтроллерных плат Arduino/Freeduino. СПб.: БХВ-Петербург, 2012. 256 с.
5. Сервис Интернет вещей. URL: https://iocontrol.ru/ (дата обращения: 25.05.2021).
