XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Целью управления микроклиматом теплиц является управление факторами окружающей среды с помощью современных программно-аппаратных решений, чтобы повысить урожайность аграрных культур и добиться независимости от климата. Кроме того, система управления микроклиматом в теплице может сократить объем ручного труда, повысить точность управления и скорость реагирования на изменяемые факторы. До сих пор большая часть систем контроля за тепличной средой находится в структуре промышленного контроля. Однако у контроля тепличных систем есть свои особенности. По сравнению с промышленностью, сельскохозяйственное производство имеет более длительный цикл с меньшей прибылью. Следовательно, требуется, чтобы система была более стабильной и стоила меньше затрат на строительство и эксплуатацию. Промышленные технологии управления настолько развиты, что «проблема адаптируемости» становится ключевой в управлении теплицами.[1]

Структура системы

Общая структура системы управления теплицей показана на рисунке 1. Требуется главная диспетчерская, поскольку система управления средой в теплице обычно включает в себя несколько или десятки подсистем. Компьютер верхнего уровня отвечает за координацию между подсистемами (в основном это ручное управление и установка параметров с помощью компьютера верхнего уровня). Кроме того, верхний компьютер также собирает факторы среды из подсистем и делает статистику для запросов и анализа в более поздние дни. Таким образом, верхний компьютер в основном контролирует, а затем управляет. Верхний компьютер связывается с контроллерами, распределенными в каждой теплице, по дифференциальной полудуплексной шине данных RS485. Интерфейс RS-485 является наиболее распространенным в промышленной автоматизации. Основные его достоинства: двусторонний обмен данными всего по одной витой паре проводов; работа с несколькими трансиверами, подключенными к одной и той же линии, т. е. возможность организации сети; большая длина линии связи; достаточно высокая скорость передачи.[2]

Для разрабатываемой системы будет применяться протокол Modbus — самый распространенный промышленный протокол для M2M-взаимодействия. Является стандартом де-факто и поддерживается почти всеми производителями промышленного оборудования. Благодаря универсальности и открытости, стандарт позволяет интегрировать оборудование разных производителей.[3,4]

Modbus используется для сбора показания с датчиков, управления реле и контроллерами, мониторинга, и т.д. В протоколе Modbus RTU данные кодируются в двоичный формат, и разделителем пакетов служит временной интервал. Этот протокол критичен к задержкам и не может работать, например, на модемных линиях. При этом, накладные расходы на передачу данных меньше, чем в Modbus ASCII, так как длина сообщений меньше.[3-5]

Контроллеры, соответственно, имеют ряд датчиков для сбора данных окружающей среды (например, датчики влажности и температуры) и различные исполнительные механизмы (например, устройства для опрыскивания, полива, обогреватель и вентилятор и т.д.). Поскольку каждый контроллер может выполнять автоматическое управление с помощью своего алгоритма управления, ему не нужна управляющая информация от компьютера верхнего уровня. Программное обеспечение на верхнем компьютере поддерживает удаленный вход. Если компьютер верхнего уровня может подключаться к Интернету, пользователи смогут управлять теплицами удаленно.

Рис.1. Структурная схема системы управления теплицей

Аппаратная составляющая системы

Каждое устройство управляет одной теплицей. Устройство постоянно на базе микроконтроллера ATmega328p. Микроконтроллер ATMega328 является 8-ми разрядным CMOS микроконтроллером с низким энергопотреблением, основанным на усовершенствованной AVR RISC архитектуре, а также позволяет выполнять большинство команд за один такт. Имеет (32 КБ) программируемой памяти, (2 КБ) оперативной памяти и (1 КБ) EEPROM. Периферийные устройства включают в себя: два 9-разрядных таймера/счетчика с модулем и делителем частоты, 16-разрядный таймер/счетчик с модулем и делителем частоты, а также режим записи, счетчик реального времени с отдельным генератором, шесть ШИМ-каналов, 6-канальный ЦАП со встроенным датчиком температуры, последовательный порт программного обеспечения USART, последовательный интерфейс SPI, интерфейс I2C, программный сторожевой таймер с отдельным внутренним генератором, схема сравнения внутреннего напряжения и блок обработки и пробуждение при изменении напряжения.[6]

Контроллеры могут работать независимо от компьютера, так как у него есть собственная функция сбора и контроля данных. Помимо этого, контроллеры также имеют модуль связи, модуль аналого-цифрового преобразования, модуль цифрового ввода и вывода. На рисунке 2 представлена принципиальная электрическая схема контроллера. На рисунке 4 представлена печатная плата контроллера.

Рис.2. Принципиальная электрическая схема контроллера

Рис.3.Рендер печатной платы

Рис.4. Печатная плата контроллера

Алгоритм контроллера

В жизненном цикле большинства растений наиболее важными факторами окружающей среды являются температура, влажность, освещенность и плотность CO₂, температура и влажность определяют среду обитания сельскохозяйственных культур, в то время как освещенность и плотность CO₂ тесно связаны с производительностью. В этой системе искусственно контролируются четыре фактора окружающей среды. Очевидно, что традиционный однофакторный контроль непригоден для контроля за тепличной средой. В микроклимате теплицы все факторы окружающей среды взаимосвязаны. Например, связь между температурой и влажностью наиболее серьезна. При разной температуре и освещении потребность в CO₂ не одинакова. Требование такого рода контроля не может быть решено с помощью традиционной стратегии контроля.

В этой распределенной системе связи доступно до 247 контроллеров, а расстояние связи может достигать 1,2 км при допустимой скорости передачи данных. Формат связи - режим запроса и ответа. Ведущее устройство отправляет запросы, а ведомое отвечают на них. При передаче запроса ведущее устройство также ожидает ответа от ведомого. Что касается ведомых устройств, то после получения запроса они обрабатывали его и затем возвращали данные. Если ведомые устройства не отвечают, это означает, что приказ от ведущего недействителен или ошибка передачи данных. Каждая посылка данных между ведущим и ведомым устройством содержит следующую информацию: тип запроса, адрес ведомого устройства, команду, данные и контрольный сумму.

В процессе связи ведущее устройство сначала передает запрос, а ведомое устройство получает запросы и сохраняет информацию в своем буфере, затем вычисляет контрольную сумму и сравнивает результат с полученным. Ведомые устройства не ответят, если две контрольные суммы не совпадают или если идентификация не удалась (например, несогласованный адрес).

Описание программы верхнего уровня

Программа верхнего уровня представляет из себя SCADA-систему. Более оптимальным в данном случае будет реализовать программное обеспечение самостоятельно на языке Python. [7] Набор привязок фреймворка Qt и библиотека научных графиков PyQtGraph позволят реализовать интерфейс практически любой сложности, а модули pymodbus обеспечат легкое взаимодействие с контроллером по протоколу Modbus RTU. [8] Стоит подчеркнуть, что все перечисленные выше программные инструменты и модули являются частью свободного программного обеспечения и их использование не требует финансовых затрат.

Заключение

В данной статье была разработана система мониторинга теплиц на базе шины RS485. Система представляет собой проводную управляемую сеть с возможностью отображения информации на компьютере верхнего уровня и передачи данных на сервер, что позволяет контролировать и управлять теплицей через Интернет. В данной статье описывается разработка программно-аппаратного решения для контроля и управления микроклиматом теплицы по шине rs-485 c интерфейсом Modbus RTU.

Кроме того, некоторые из вышеупомянутых нерешенных проблем в настоящее время рассматриваются в целях повышения производительности разработанной системы мониторинга СО2.

Данная система позволит провести анализ влияния температуры, влажности, влажности почвы и концентрации кислорода на скорость роста растений.

Будущее исследование данной системы будет связано с беспроводной энергоэффективной системой и оптимизацией алгоритма управления. Наряду с развитием Zigbee будет реализована высокопроизводительная беспроводная система дистанционного управления теплицами с низкой стоимостью.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Ivliev E., Demchenko V., Obukhov P. (2022) Automatic Monitoring of Smart Greenhouse Parameters and Detection of Plant Diseases by Neural Networks. In: Shamtsyan M., Pasetti M., Beskopylny A. (eds) Robotics, Machinery and Engineering Technology for Precision Agriculture. Smart Innovation, Systems and Technologies, vol 247. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-16-3844-2_4

Демченко В.В., Обухов П.С., Ивлиев Е.А. Особенности применения интерфейсов в smart- теплицах. Х Всероссийская научная конференция «Системный синтез и прикладная синергетика»

Как общаются машины: протокол Modbus / Advantech corporate blog / Habr [Электронный ресурс]/ Режим доступа: https://habr.com

Применение протокола Modbus с устройствами мониторинга транспорта / Habr [Электронный ресурс]/ Режим доступа: https://habr.com

Разработка системы управления мотор-колесо[Электронный ресурс]/ Режим доступа: http://library.eltech.ru

ATmega328 - Atmel [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.atmel.com/ru/ru/devices/ATMEGA328.aspx (Дата обращения 03.12.2021)

Хахаев И.А. Практикум по алгоритмизации и программированию на Python / И.А. Хахаев – М.: Альт Линукс, 2010. – 126 с.

Информация по работе с MODBUS [Электронный ресурс]/ Режим доступа: https://pymodbus.readthedocs.io/en/latest/index.html

Код для цитирования: Скопировать