Дипломная работа “Автоматическая теплица на ардуино”

ВВЕДЕНИЕ

Практически за всю свою историю человечество придумывало пути по повышению производительности своего труда, своей производственной деятельности. Труд механизировался, путем использования источников энергии, заменяющих мускульную силу человека. Одновременно с этим, стало понятно, что несмотря на снижение затрат физического труда, во многих видах работ требовалось регулярное или постоянное вмешательство и внимание человека. Типичный пример таких видов работ – управление технологическим процессом по выращиванию овощных культур в теплице.
На весь период агротехнического цикла (от посадки до окончания сезона) требуется регулярный, а то и непрерывный процесс управления параметрами технологического процесса – влажностью почвы (растения надо поливать), температурой и влажностью окружающего воздуха и многими другими.
…

1 Анализ технического задания и обзор готовых решений по автоматизации тепличного хозяйства

1.1 Анализ технического задания

Согласно техническому заданию требуется разработать систему автоматизации теплицы на основе Arduino.
Любая система автоматизации включает в себя следующие компоненты:
• датчики контролируемых величин;
• объект воздействия;
• блок автоматики (БА);
• интерфейс взаимодействия с оператором системы.
Важнейшими контролируемым параметрами в теплице являются наружняя и внутренняя температура, степень влажности почвы и воздуха.
На основе этих решений блок автоматики (БА) должен формировать сигналы управления объектами воздействий (ОВ).
К числу ОВ можно отнести: актуаторы дверей и фрамуг теплицы, электровентили, системы полива, тепловую пушку.
…

1.2.1 Система «Огородник-1»

Рассмотрим систему автополива теплиц «Огородник-1» [13] Система «Огородник-1» предназначена для организации автоматического полива в теплицах или не больших площадей на открытом грунте. Внешний вид всех компонентов системы представлен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Состав системы автополива «Огородник-1»

Особенности данной системы:
• управление поливом по датчику влажности;
• работа в самотёчных системах;
• питание от сети 220 В или внешнего аккумулятора.
Прибор измеряет влажность почвы и при необходимости включает полив. Это позволяет эффективно расходовать воду и правильно поливать растения (в дождь полива не будет, в жару полив будет чаще, при похолодании полив будет реже). Комплект «Огородник-1» очень прост в монтаже и может быть выполнен без привлечения специалистов и специнструмента.
…

1.2.2 Программно-аппаратный комплекс АСУ ТП AllCtrl.SCADA

Данное решение пригодно в основном для автоматизации крупных тепличных хозяйств и представляет из себя мощную автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУ ТП) для тепличного хозяйства.
Грамотное управление состоянием окружающей среды в теплице позволяет значительно повысить урожаи. Расходуемые тепловые и электрические ресурсы зависят от управления технологией внутри теплиц. Современные теплицы имеют в своем арсенале возможности изменения температуры почвы, воздуха, освещенности, управления влажностью и количеством углекислого газа в воздухе и представляют из себя сложный организм, которым нужно управлять, учитывая потребности выращиваемой культуры. 
Архитектура рассматриваемой АСУ ТП [12] представлена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Архитектура АСУ ТП ALLCTRL.
…

1.2.3 Система управления теплицей на основе климатического компьютера «Priva Compact 530»

Рассмотрим решение автоматизации теплиц на основе специализированных климатических компьютеров серии «Priva Compact» [17].
Priva Compact – это надежный климатический компьютер с установленными основным программным обеспечением для управления климатом и ирригационной системой (дозировка воды) с простым интерфейсом.
Priva Compact включает в себя типовое программное обеспечение, которые наиболее часто используют при построении систем автоматизированного управления теплицей. Примером этому может быть следующее: форточная вентиляция, отопление, зашторивание, вентиляторы, увлажнение, освещение, бойлеры, иригационные системы (дозировка воды и удобрений), а также возможность повторного использования питательного раствора (рециркуляция). Обычно весь комплект программного обеспечения комплектуется исходя из наличия выше перечисленных систем.
…

1.2.4 Система управления теплицей «Умная теплица» на основе ПЛК Arduino Mega

Данная система выполняет следующие основные функции:
• поддерживаются на постоянном уровне температуру и влажность в теплице с помощью автоматических установок искусственного климата;
• обеспечивает требуемую чистоту воздуха с помощью системы вентиляции;
• обеспечивает требуемый уровень освещенности с помощью установки дополнительного освещения.
К основным функциональным структурам управления можно отнести:
1. Управление и мониторинг системы проводится через веб-интерфейс.
2. Ввод данных с центрального контроллера.
3. Сбор, обработка и представление информации.
4. Создание базы данных об истории технологического процесса и представление их в удобных для анализа формах (текст, графики, гистограммы и т.д.).
Применение системы обеспечивает:
1. Повышение производительности теплицы за счет жесткого автоматического поддержания требуемых параметров микроклимата.
2. Снижение энергопотребления.
3.
…

2.1 Синтез структурной схемы

Наша разработка будет отличаться от прототипа следующими свойствами:
• наличием местного пульта управления, что даст возможность задания параметров работы теплицы непосредственно на месте без применения дополнительных устройств;
• наличием сигнализации критических параметров, что дает возможность выявить ситуацию аварийной работы СУТ и своевременно принять меры;
• наличием источника бесперебойного питания (ИБП);
• применением комбинированных датчиков температуры и влажности с цифровым интерфейсом, что повышает надежность системы в целом и упрощает конструкцию;
• возможностью запитки энергоемких устройств от сети .а устройств ,необходимых для непрерывной работы теплицы (например, электроклапаны полива) от ИБП;
• наличием встроенных часов реального времени (ЧРВ), что обеспечивает точное и безотказное выполнение программы полива, открытия дверей-фрамуг и т.д.
Обобщенная структурная схема устройства представлена на рисунке 2.1.
…