Система управления микроклиматом в теплице
В статье описана аппаратная реализация системы управления микроклиматом в теплице. Данная система является частью реального приусадебного хозяйства. С её помощью процесс выращивания растений стал частично автоматизированным, не требующим постоянного присутствия человека.
Конкретный экземпляр данной системы отрабатывается на каркасностеклянной теплице, длиной 6 метров, шириной 3 метра, высотой 2 метра. В теплице имеется одна дверь и 2 форточки, проведены электричество и водопровод. Нагрев воды происходит в емкости объемом 70 литров. Давление в емкости составляет порядка двух атмосфер. В теплице выращивается около 35 растений.
Система имеет следующий вид:
Рисунок 1. Схема системы управления микроклиматом в теплице
Центральное место в системе занимает плата Arduino Mega (на рис. 1 -1):
Рисунок 2. Arduino Mega
Arduino является полностью открытой платформой, состоящей из платы и среды разработки, в которой реализована переработанная версия языка Processing/Wiring.
Используемая аппаратная платформа построена на микроконтроллере ATmega1280.
В данной системе задействованы 8 цифровых входов/выходов (всего на платформе их 54) и 10 аналоговых (всего их 16). Плата получает питание от внешнего блока питания.
Плата имеет следующие характеристики:
- рабочее напряжение: 5В;
- рекомендуемое входное напряжение: 7-12 В;
- предельное входное напряжение: 6-20 В;
- 54 цифровых портов ввода/вывода;
- 16 аналоговых входов;
- ток потребления на одном выводе: до 40 мА;
- ток потребления вывода 3.3В: 50 мА;
- память Flash Memory: 128 KB, из которых 4KB используются загрузчиком;
- ОЗУ: 8 KB;
- энергонезависимая память: 4 KB;
- тактовая частота: 16 МГц;
- размер: 75x54x15 мм;
- вес: 45 г;
К Arduino Mega подключены необходимые датчики и модули.
Включение/выключение полива зависит от ряда параметров:
- влажность почвы;
- температура воды;
- время суток.
В данной системе задействовано 4 датчика влажности почвы (на рис. 1 — 2).
Для измерения влажности почвы используется самодельный датчик, представляющий собой два гвоздя и резистор. Принцип действия основан на зависимости электрического сопротивления почвы от ее влажности.
Гвозди, введенные в почву на некотором расстоянии друг от друга, выступают в качестве щупов, между которыми проверяется сопротивление. По итоговому аналоговому сигналу можно судить о степени влажности.
Схема датчика представлена на рисунке:
Рисунок 3. Датчик влажности почвы
Для измерения температуры воды используется LM335Z -аналоговый термодатчик (термостабилитрон, на рисунке 1 — 3):
Рисунок 4. Аналоговый термодатчик LM335Z
Используемый датчик имеет следующие характеристики:
- диапазон: -40…+100;
- точность: 1°С;
- зависимость: 10мВ/оС.
Для подключения датчика к плате требуется резистор, сопротивлением 2.2 кОм. Задавая ток через датчик в диапазоне от 0.45 мА до 5 мА (резистором R1), получаем напряжение на датчике, которое в десятках мВ представляет абсолютную температуру в градусах Кельвина.
Схема подключения имеет следующий вид:
Рисунок 5. Схема подключения термодатчика
Для того, чтобы полив включался только в темное время суток, используются 2 датчика света Light Sensor-BH1750 (на рис. 1 — 4):
Рисунок 6. Датчик света Light Sensor-BH1750
Данный датчик служит для измерения освещённости в пределах от 1 до 65535 люкс.
Он имеет следующие характеристики:
• напряжение питания: 3-5В;
• разрешение: 16 бит;
• габариты: 19х14х3 мм;
Подключение датчика производится следующим образом:
Рисунок 7. Подключение датчика света Light Sensor-BH1750
Когда полученные с датчиков показания удовлетворяют определенным условиям (она различаются для каждого вида растений), включается полив. Для регулирования полива используется электромагнитный клапан. Он подключается к плате с помощью реле (на рис. 1 — 5). А именно используется релейный модуль для Arduino проектов Relay Module 2 DFR0017. Он использует высококачественное реле Omron G5LA. Состояние выхода реле отображается с помощью светодиода. Этот модуль управляется с помощью цифрового порта ввода-вывода. Время переключения контакта составляет 10 мс. Как и датчики для измерения температуры и влажности почвы, релейный модуль подключается в управляющей электронике через три провода:
Рисунок 8. Назначение контактов разъема релейного модуля
Рисунок 9. DHT11 Temperature Humidity Sensor
Помимо полива данная система контролирует и температуру воздуха в теплице.
Для одновременного измерения температуры и влажности воздуха используется датчик DHT11 Temperature Humidity Sensor (нарис. 1 — 6).
Он подключаются к управляющей электронике через три провода: питание (Vсс), земля GND) и сигнальный.
На плате кроме датчика расположен микроконтроллер, в памяти которого записаны калибровочные поправки для датчиков. Сигнал с устройства передается по шине в цифровом виде. Это позволяет передавать данные на расстояние до 20 м.
Данный датчик имеет следующие характеристики:
- напряжение питания: 5 В;
- диапазон температур: 0-50 ° С, погрешность ±2 ° С;
- влажность: 20-90%, погрешность ±5%.
Для регулировки температуры воздуха в теплице используется два режима: пассивное и активное проветривания. Пассивное проветривание представляет собой открытие/закрытие форточек, а активное -включение/выключение вентилятора.
Открытие форточек производится с помощью двух (по одному на форточку) сервоприводов Futaba Т306 MG995 (на рисунке 1 — 7):
Рисунок 10. Сервопривод Futaba Т306 MG995
Используемые сервопривод имеет следующие характеристики:
- скорость работы: 0.17 с / 60 градусов (4,8 В без нагрузки);
- момент: 13 кг-см при 4,8 В;
- момент: 15 кг-см при 6 В;
- рабочее напряжение: 4,8 — 7.2 В;
- длина провода: 300 мм;
- размеры: 40мм х 19мм х 43 мм;
- вес: 55 г.
Подключение вентилятора производится таким же способом, как и подключение клапана (через релейный модуль).
Полученные с датчиков данные записываются на карту памяти SD (на рисунке 1 — 8). В дальнейшем они обрабатываются, анализируются и на их основе строятся графики различных показаний. Для этого используется модуль SD-карт DFRobot:
Рисунок 11. Модуль SD-карт
Подключение вентилятора производится таким же способом, как и подключение клапана (через релейный модуль).
Полученные с датчиков данные записываются на карту памяти SD (на рисунке 1 — 8). В дальнейшем они обрабатываются, анализируются и на их основе строятся графики различных показаний. Для этого используется модуль SD-карт DFRobot:
Он содержит разъем для стандартных карт памяти SD, что позволяет добавить накопитель для записи и считывания данных в любой проект. Он имеет следующие характеристики:
- разъем для стандартных SD карт и через переходник MicroSD карт;
- содержит фиксатор карты памяти;
- поддерживает чтение и запись;
- может использоваться с другими микроконтроллерами;
- напряжение питания: 5 В;
- размер: 36 x 30 x 5 мм;
- вес: 7 гр.
Список использованных источников
Источник статьи: http://meandr.org/archives/25973
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛИЦЕЙ УТ-24! ГОТОВОЕ РЕШЕНИЕ!
Тепличное строение это прежде всего экосистема, которая требует соблюдения многих факторов для благоприятного выращивания различных культур. В данной статье мы рассмотрим систему управления теплицей, которую может собрать любой желающий самостоятельно.
Система управления теплицей УТ-24 может обеспечивать микроклимат в теплице с помощью подключаемых датчиков температуры и охладительного, нагревательного оборудования. Охладительным оборудованием может являться: открывающая форточку, вентилятор, кондиционер и т.п. Контроллеру по большому счёту не важно какое включать/отключать оборудование. В нашей системе применяется контактор для охлаждения/нагрева теплицы на 5кВт, но Вы можете установить самостоятельно с другой мощностью по своим потребностям. Микроклимат это один из самых важных факторов в выращивании культур:
o при сильной жаре – без своевременного охлаждения и проветривания, растения погибают
o растениям необходима циркуляция свежевого воздуха для благоприятного роста
o при заморозках и в зимний период необходим подогрев теплицы для предотвращения замерзания растений
Система управления теплицы обеспечивает данные режимы микроклимата:
o o возможность установки определённой температуры для работы нагревательного оборудования
o возможность установки определённой температуры для работы охладительного оборудования
Также одним из самых важных факторов в выращивании тепличных культур является правильный и своевременный полив. В данной системе управления теплицей УТ-24 реализованы различные условия и режимы для полива растений. Система позволяет производить полив растений по трём независимым зонам, которые в свою очередь возможно настроить в следующих режимах:
o полив растений по заданным таймерам
o полив растений по датчику влажности почвы
o ручной режим полив растений
При этом можно устанавливать различные сопутствующие условия в зависимости от конфигурации системы:
o автоматический полив растений по таймеру и датчика влажности
o контроль температуры воды в аккумулирующей ёмкости для полива растений
o контроль уровня жидкости в аккумулирующей ёмкости (защита насоса от сухого хода)
Для разделения зон полива растений используются электроклапана на 12,24,220В (в зависимости от модификации). Контроль за температурой в ёмкости отвечает аналоговый датчик температуры 4-20мА, который способен с высокой точностью определять температуру воды. Также реализован контроль за уровнем в ёмкости с помощью аналогового датчика 4-20мА или дискретных датчиков (нижний и верхний уровень). Аккумулирующая ёмкость часто используется для естественного нагрева воды, так как поступаемая вода из скважины имеет очень низкую температуру, которая негативно сказывается на растениях.
Также одним из ключевых факторов для эффективного роста растений является их досветка по определённым условиям. Растения получающие недостаточное количество освещенности в течении дня имеют замедленный рост и следствие уменьшенный урожай. Самым простым способ реализованным в системе управления теплицей является досветка растений по дискретному датчика. Таким образом, система определяет за промежуток установленного времени (например, с 7 до 18), какая была освещенность растений и при необходимости сама включает досветку на нужное количество времени. Также реализован контроль досвечивания растений по аналоговому датчика освещенности, который определяет текущий уровень освещенности в теплице. Соответственно реализованы следующие режимы и параметры по досветке растений:
o включение освещенности по таймеру
o включение освещенности по датчику освещенности
o ручной режим включения освещенности
o включение освещенности по таймер условием контроля уровня освещенности
Система управления теплицей УТ-24 также способна контролировать работу насосов: скважинного и поливочного, по нескольким условиям. Работу скваженного насоса можно настраивать относительно уровня аккумулирующей емкости, когда при уменьшении уровня жидкости в ёмкости насос включается, а при полном заполнении отключается. Также система управления теплицей УТ-24 позволяет управлять поливочным насосом по нескольким условиям, а именно:
o в ручном режиме
o в автоматическом режиме (при условии открытия любого из клапанов)
o ручной режим с условием датчика сухого хода
o в автоматическом режиме с условием датчика сухого хода
Система управления теплицей УТ-24 позволяет существенно экономить человеческий труд, повышает благоприятные условия для роста тепличных растений, а также обеспечивает удаленный контроль за экосистемой. Данное решение собирается на промышленном оборудовании для стабильной и безотказной работы, а также промышленные датчики КИПиА для правильного технологического контроля.
Также система предусматривает передачу данных по промышленному протоколу Modbus на верхний уровень SCADA системы или для удаленного контроля за параметрами теплицы. Нами реализована возможность сбора данных основных параметров и значений, а также управление технологическим оборудованием теплицы удаленно.
Данная система управления была реализована на промышленном программируемом реле ПР200. Наша компания выкладывает в свободным доступ краткую инструкцию и программный код для контроллера для самостоятельного настройки и сборки системы управления. Данная программа дорабатывалась под максимально универсальный сценарий различных события, т.е. Вы можете самостоятельно убрать лишний код программы, либо добавить свой при необходимости.
Также у данной системы присутствуют определенные ограничения, связанные с возможностью программируемого реле ПР200, а именно:
o относительно мало памяти программируемого реле, которое ограничивает в расширении системы
o небольшое количество сетевых переменных (макс 64шт) для передачи на верхний уровень
o ограничение программируемого реле в программном коде относительно полноценного контроллера
Все данные недостатки решаются с установкой промышленного контроллера ПЛК.
Мы готовы оказать консультационную помощь по данному решению, а также выполнить сборку и настройку системы под ключ на базе промышленных реле или контроллерах Haiwell , Unitronics .
Источник статьи: http://xn—-8sbk.xn--p1ai/articles/ymnaya-teplica
