Разработка системы управления умной теплицы на базе Arduino

Введение : В современном мире автоматизация различных процессов становится неотъемлемой частью повышения производительности и качества продукции в сельском хозяйстве. Тепличное хозяйство – это сложная система, требующая постоянного контроля за микроклиматом, освещением, влажностью и питательными веществами. Существующие системы управления часто бывают громоздкими, дорогостоящими или недостаточно гибкими для изменения условий под конкретные нужды растений, для решения данной задачи, а именно за счет создания умной теплицы, было принято решение о применении модулем управления контроллера на базе Arduino [1].

Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка модульной системы управления умной теплицы на базе Arduino, которая позволит автоматизировать процесс контроля за климатическими параметрами и оптимизировать условия роста растений. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• 1.    Провести анализ требований к системе управления с учетом специфики выращивания различных культур;

• 2.    Разработать схему подключения датчиков и исполнительных механизмов, обеспечивающую сбор данных о состоянии теплицы в реальном времени;

• 3.    Создать программное обеспечение для микроконтроллера Arduino, позволяющее обрабатывать полученные данные и корректировать параметры климата;

• 4.    Провести тестирование системы в условиях реальной эксплуатации и оценить ее эффективность.

Материалы, методы и объекты:  Объектами исследования выбраны микроконтроллер Arduino, датчики температуры, влажности воздуха и почвы, а также исполнительные механизмы – вентиляторы, обогреватели и система полива. В качестве метода программирования использован язык C/C++. При разработке модуля умной теплицы является ключевым фактором то, что необходимо синхронизировать работу датчиков из различных модулей теплицы и дополнительно применить настройку по пинанию и подключению shield (расширения) модуля управления [2].

Основные компоненты системы:

• 1.    Микроклимат: датчики температуры, влажности воздуха и почвы;

• 2.    Освещение: фоторезисторы для измерения уровня освещенности и управление светодиодными лампами;

• 3.    Полив: система капельного орошения с контролем за расходом воды;

• 4.    Вентиляция: датчики CO2 и влажного термостата для контроля работы вентиляторов.

На рисунке 1 представленная общая схема синхронизации компонентов системы.

Рисунок 1 – Структурная схема управления умной теплицей

Проектирование модуля управления умной теплицы.

Перед начало проектирования, план работы был разделен на следующие пункты и контрольные точки. Основные приведены далее: 1. Анализ требований: определение необходимых параметров микроклимата, исходя из потребностей растений; 2. Выбор оборудования: подбор датчиков и исполнительных механизмов для реализации функций системы; 3. Разработка схемы подключения: создание электрической схемы взаимодействия компонентов системы с Arduino; 4. Программирование микроконтроллера: написание кода для обработки данных от датчиков и управления исполнительными механизмами.

Для подключения модуля управления на базе Arduino также необходимо решить проблему питания, которая в настоящее время решается следующим путем. Все чаще в агропромышленном комплексе внедряют современное робототехническое оборудование, которому необходимо стабильное входное напряжение, класса AC/DC с выходным напряжением, равным 24 В [3]. Но модули Arduino имеют питание от 5 В до 9

В. Зачастую, производители стараются решить данный вопрос за счет включения в состав устройства вторичных источников питания, что является не самым надежным способом решения данной проблемы, так как если устройства питания, выйдет из строя по причине срабатывания предохранителя, то необходимо будет вызывать специалиста из обслуживающей организации, что приведет к увеличению сроков простоя [4].

Проведя ряд исследований, было установлено, что решить данную проблему возможно за счет установки отдельного блока питания собственных нужд (БПСН), что в свою очередь сократит время обслуживания и увеличит надежность, за счет более адаптированной и сложной схемы устройства, пример таких БПСН представлен на рис. 2, данный тип устройств применяется в приборах, эксплуатирующийся в агрессивной среде, в основном это сельское хозяйство и трансформаторные подстанции [5, 6]. Выбранный БПСН имеет плавающее выходное значение напряжений, подстраиваемое за счет встроенного потенциометра.

Рисунок 2 – Пример применяемого блока питания собственных нужд

Программирование и реализация функций устройства.

Работа по написанию кода устройства и его отладки проходила в следующих стадиях:

• 1.    Контроль температуры и влажности: автоматическое включение обогрева или охлаждения при отклонении параметров от нормы, произведен выбор датчиков: для измерения температуры и влажности используются соответствующие датчики (например, DHT-11 или DHT-22). Написание кода: будет считывать данные с датчиков и сравнивать их с заданными значениями. Если значения выходят за пределы нормы, то код должен включать соответствующие исполнительные механизмы (обогрев или охлаждение) [7].

• 2.    Автоматизированный полив: регулярное увлажнение почвы с возможностью ручной корректировки режима полива. Следующим этапом был проведен выбор датчика влажности почвы (например, YL-69). Настройка параметров полива: установка параметров полива в коде (например, время полива, частота полива). Добавление возможности ручной корректировки:  через интерфейс пользователя (кнопки,

• 3.    Регулирование освещённости: поддержание оптимального уровня света для фотосинтеза, включая ночное подсвечивание при необходимости. Использование фоторезистора, определение пороговых значений: установка пороговых значений освещённости для включения и выключения ночного подсвечивания [8].

• 4.    Контроль за CO2 и влажным воздухом: активация вентиляции для обеспечения адекватного газообмена. Датчики CO2 и влажности воздуха: используя датчики CO2 и

• влажности воздуха для контроля качества воздуха. Установка порогов срабатывания: задав пороги срабатывания для активации вентиляции, используются вентиляторы для улучшения воздухообмена.

потенциометры).

Тестирование и отладка.

После завершения сборки системы проводится комплексное тестирование для оценки корректности функционирования всех её компонентов. В рамках отладочных процедур осуществляется тщательная проверка датчиков, исполнительных механизмов и программного обеспечения микроконтроллера [9].

Цель тестирования – убедиться в точности и надёжности работы каждого элемента системы, а также в их способности эффективно взаимодействовать друг с другом. Для этого используются различные методы и инструменты, позволяющие выявить возможные проблемы и устранить их до запуска системы в эксплуатации.

Результатами тестирования должны является следующие аспекты.

Интеграция датчиков и исполнительных механизмов прошла успешно, что обеспечило точное поддержание оптимальных условий для роста растений. Программное обеспечение системы предоставляет гибкие возможности настройки параметров микроклимата как вручную, так и автоматически на основе данных, полученных от датчиков.

Автоматизированная система управления микроклиматом продемонстрировала высокую эффективность в создании и поддержании оптимальных условий для развития растений. Благодаря точному контролю температуры, влажности, освещённости, уровня углекислого газа и влажности воздуха, удалось создать среду, максимально приближенную к естественным условиям произрастания большинства культур. Это способствует ускорению роста и повышению урожайности [10].

Программное обеспечение системы позволяет не только автоматически регулировать параметры микроклимата в соответствии с заданными настройками, но и предоставляет возможность ручного управления. Это даёт пользователю гибкость в настройке параметров в зависимости от конкретных потребностей и условий выращивания растений.

Выводы.

На основании проведённых испытаний можно сделать вывод, что разработанная система управления климатом в теплице является эффективным и надёжным решением для обеспечения оптимальных условий роста растений. Она позволяет точно поддерживать заданные параметры температуры, влажности, освещённости, уровня углекислого газа и влажности воздуха, создавая благоприятную среду для развития культур.

Адаптивные свойства системы позволяют ей реагировать на изменения внешних условий, автоматически корректируя работу исполнительных механизмов. Это обеспечивает стабильность и устойчивость микроклимата в теплице, даже при воздействии неблагоприятных факторов. В результате система способствует ускорению роста и повышению урожайности растений, что делает её ценным инструментом для сельскохозяйственных предприятий и частных фермеров.

Таким образом, разработанная система управления представляет собой инновационное решение для создания и поддержания оптимальных условий выращивания растений в теплицах. Её применение позволяет повысить эффективность производства, улучшить качество продукции и обеспечить стабильный рост и развитие культур в различных климатических условиях.

Заключение .

Разработанная система управления умной теплицы на базе Arduino представляет собой перспективное и эффективное решение для повышения качества и урожайности выращиваемых культур. Проведённое исследование подтвердило целесообразность применения модульных систем автоматизации в сельском хозяйстве, а также продемонстрировало их потенциал для оптимизации процессов выращивания растений.

Созданная система позволяет точно контролировать и поддерживать оптимальные условия микроклимата в теплице, такие как температура, влажность, освещённость и концентрация углекислого газа. Это способствует ускорению роста и повышению урожайности культур, а также улучшению их качества. Кроме того, использование модульной системы автоматизации упрощает процесс управления теплицей и снижает риск ошибок, связанных с человеческим фактором.

В дальнейшем планируется расширение функционала системы за счёт интеграции с мобильными приложениями и удалённого мониторинга. Это позволит пользователям получать информацию о состоянии теплицы и управлять её работой через смартфон или другое мобильное устройство. Удалённый мониторинг обеспечит возможность оперативно реагировать на изменения условий и принимать соответствующие меры для поддержания оптимальных параметров микроклимата.

Таким образом, разработанная система управления умной теплицей на базе Arduino является важным шагом в развитии технологий автоматизации сельского хозяйства. Её внедрение позволит повысить эффективность производства, улучшить качество продукции и обеспечить стабильный рост и развитие культур в различных климатических условиях.