XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Разработка модуля управления брудером на основе аппаратно-программных средств Arduino
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Многие жители крупных городов имеют дачи, садовые и загородные участки, и в летний период они могут практически каждый день заниматься личным подсобным хозяйством, например, выращиванием цыплят-бройлеров. Бройлеры – это цыплята, отличающиеся высоким темпом роста и отличным мясом. Выращивание цыплят-бройлеров в личном подсобном хозяйстве позволяет за летний период получить несколько десятков килограммов диетического мяса, отличающегося высокой питательной ценностью и прекрасными вкусовыми качествами [1].
Для выращивания цыплят-бройлеров можно использовать клеточное и напольное содержание. Чаще всего, в личном подсобном хозяйстве уже имеется курятник для кур-несушек. В таком случае оптимальным будет использование клетки для выращивания цыплят-бройлеров, которую можно разместить в курятнике. Но выращивание цыплят-бройлеров требует постоянного ухода за ними, особенно в первые недели жизни. Кроме кормления и поения, необходимо обеспечивать комфортную температуру содержания цыплят, регулирование освещенности, проветривание помещения, а также осуществлять уборку помета. Выращивание цыплят чаще всего осуществляется в брудере. Брудер – это специальное устройство для обогрева выведенных в инкубаторе птенцов домашних птиц в первые недели жизни.
При правильном ведении хозяйства цыплята-бройлеры достигают массы около 2 кг уже к 7-8 недельному возрасту, с затратами около 5 кг полнорационного комбикорма на 1 бройлера [1].
Благодаря распространению систем «Умный дом» по всему миру, в том числе и в Российской Федерации, «умные» технологии начинают использовать не только в крупных промышленных предприятиях, но в фермерских и подсобных хозяйствах, в том числе и в личных.
Разработка модуля управления брудером на основе аппаратно-программных средств Arduino позволит автоматизировать большинство рутинных операций по выращиванию цыплят-бройлеров. Каждый сможет стать фермером и получать экологически чистые продукты, не прилагая особых усилий! Все за вас сделают «умные» технологии, вам останется лишь собирать плоды своего хозяйства [2].
Актуальность темы исследования обусловлена высоким потенциалом развития «умных» технологий и отсутствием применения подобных технологий в большинстве личных подсобных хозяйств.
Практическая значимость заключается в разрабатываемом программно-аппаратном комплексе, который может быть применен как для автоматизации личного подсобного хозяйства, так и на более крупных объектах.
Цель работы: разработка модуля управления брудером на основе аппаратно-программных средств Arduino для автоматического управления системами освещения, обогрева и вентиляции.
Объект исследования: особенности выращивания цыплят-бройлеров в личном подсобном хозяйстве.
Предмет исследования: программирование систем освещения, обогрева и вентиляции для брудера.
Гипотеза исследования: если использовать аппаратно-программные средства Arduino, то можно экономически эффективно автоматизировать системы обогрева, освещения и вентиляции брудера.
Методы исследования: изучение литературных источников, обобщение, построение алгоритмических моделей работы системы освещения, обогрева и вентиляции, моделирование систем с помощью аппаратно-программных средств Arduino.
Задачи работы:
Проанализировать типовые проблемы выращивания цыплят-бройлеров в личном подсобном хозяйстве;
Выбрать подлежащие реализации системы выращивания цыплят-бройлеров;
Подобрать оборудование и разместить его в брудере;
Запрограммировать работу систем освещения, обогрева и вентиляции;
Сформулировать выводы по результатам работы.
Модуль управления брудером строится на базе Arduino – торговой марки аппаратно-программных средств для построения простых систем автоматики и робототехники, ориентированной на непрофессиональных пользователей.
Выращивание цыплят-бройлеров в личном подсобном хозяйстве
Мясо птицы, также, как и яйца, является ценным диетическим продуктом. Для его получения выращивают молодняк кур мясных пород и кроссов, а также уток, гусей, индеек, перепелов, цесарок и других видов сельскохозяйственной птицы [3].
Мясо птицы является источником полноценных белков, жира, минеральных веществ и витаминов. Биологическая полноценность мяса обусловлена аминокислотным составом его белков. В нем содержатся все незаменимые в питании человека аминокислоты в оптимальном соотношении – валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин. Кроме того, в нем содержится комплекс заменимых аминокислот – аланин, гистидин, аспарагиновая кислота и другие. Мясо птицы обладает высокими вкусовыми качествами. Оно нежное, сочное и ароматное, особенно мясо птицы, выращенной в домашних условиях [3].
Молодняк сельскохозяйственной птицы очень быстро растет. Наиболее высокая скорость роста наблюдается в первые недели выращивания. В дальнейшем эта скорость замедляется. Со скоростью роста молодняка тесно связаны затраты корма на его выращивание. Чем выше скорость роста, тем меньше расходуется кормов на прирост живой массы. Поэтому в практике птицеводства стремятся сократить срок выращивания молодняка и таким образом уменьшить затраты кормов, которые составляют основную статью расходов при выращивании молодняка на мясо.
Существуют две основные системы содержания птиц: напольная и клеточная. Клеточное содержание птицы является рациональным и эффективным способом, особенно молодняка. Также резко снижаются требования к площади помещения. Клетки очень удобны в обслуживании, обеспечивают наблюдение за всей птицей. За птицей легко ухаживать – кормить, поить, убирать помет, который удаляется регулярно и не накапливается в птичнике, как это имеет место при напольном содержании птицы. В помещении всегда чисто, не надо заботиться о подстилке. При содержании птицы в клетках создаются хорошие ветеринарно-гигиенические условия. Птица изолирована от помета и потому не болеет теми болезнями, которые встречаются при содержании птицы на глубокой подстилке. Самое главное, что при ограничении движения в клетках птица расходует на 10-15 % меньше корма на производство 1 продукции, чем при напольном содержании. К сожалению, не всякую взрослую птицу можно содержать в клетках из-за ее большой массы, появления наминов на ногах и груди и вследствие других причин. Однако молодняк любого вида сельскохозяйственной птицы до определенного возраста в клетках хорошо растет и нормально развивается [3].
В промышленном производстве мяса птицы все трудоемкие процессы – кормление и поение птицы, уборка помета – механизированы, а в условиях личного подсобного хозяйства преобладает ручной труд.
В процессе выращивания цыплят-бройлеров необходимо обеспечивать определенный температурный режим в брудере, продолжительность светового дня, осуществлять регулярное проветривание, кормить и поить их, а также осуществлять уборку помета [3].
Выполнение подобных операций силами хозяев личного подсобного хозяйства приводит к необходимости их постоянного присутствия на участке с утра до вечера [4].
Грамотная автоматизация позволить снизить труд хозяев личного подсобного хозяйства, а также избавить их от необходимости постоянного присутствия на участке, осуществлять контроль только, например, 1-2 раза в неделю (в выходные дни).
В нашей работе будем ориентироваться на поддержание автономной работы брудера в течение одной недели. Также будем ориентироваться на небольшое количество птицы – 10 цыплят (что вполне достаточно для средней семьи). Для выращивания данного количества цыплят-бройлеров подойдет клетка размером 0,5 м х 1 м.
Начинающим птицеводам лучше начать выращивать 5-7-дневных цыплят. Они более окрепшие, чем суточные, и с ними будет проще в уходе и содержании [5].
Выделим основные типовые системы клеточного выращивания цыплят-бройлеров:
система поения;
система кормления;
система освещения;
система обогрева;
система вентиляции;
система уборки помета.
Уборку помета можно осуществлять 1-2 раза в неделю для цыплят-бройлеров в возрасте до 4 недель и 2-3 раза в неделю в последующем возрасте (например, 1 раз в середине недели, и 2-3 раза в выходные). Таким образом, автоматизации подлежат следующие основные системы: поения, кормления, освещения, обогрева и вентиляции.
Система поения
Обеспечение цыплят-бройлеров свежей и чистой водой в достаточном количестве – одна из главнейших задач современной технологии выращивания птицы. Цыпленку-бройлеру требуется воды в 1-ую неделю около 200 мл, с постепенным увеличением до 2000 мл в неделю к 8-ой неделе [3].
Сегодня наиболее популярной системой поения является ниппельная система, так как она проста в использовании, более технологична, служит максимально долго и качественно в любых условиях. Ниппель представлен на рис. 1. Она является универсальной и допускается её использование как в клетках, так и при бесклеточном содержании птицы. Самое главное преимущество ниппельной системы поения – это ее экономичность, она в 50 раз экономнее обычных поилок [6, 7].
Еще одним неоспоримым преимуществом систем ниппельного поения является точная дозировка выдаваемой воды каждой птице и отсутствие застоявшейся воды. Также система ниппельного поения обеспечивает отсутствие бактерий и микроорганизмов в воде, что обеспечивает крепкое здоровье птицам.
Для обеспечения непопадания воды на пол применяются каплеуловители (см. рис. 2).
|
Рис. 1 – Ниппель |
Рис. 2 – Каплеуловитель |
Для выбранного нами количества птиц будет достаточным использование 1 поилки и 10-ти литровой емкости с водой на неделю (для цыплят-бройлеров старше 4-х недель – на 3-4 дня).
Система кормления
Скорость роста цыплят-бройлеров напрямую зависит от рациона питания, качества и количества пищи. Как правило, цыплят-бройлеров не ограничивают кормом. На птицефабриках наиболее часто используется сухой тип кормления цыплят-бройлеров, так как он менее хлопотный и затратный, чем остальные. Такой тип питания осуществляется с помощью полнорационного сухого комбикорма, который состоит из натуральных компонентов, либо натуральные компоненты заменены синтетическими аналогами. Обычно используются комбикорма с повышенным содержанием белка, иногда с добавлением различных витаминно-минеральных комплексов, которые обеспечивают быстрый рост и здоровье цыплятам-бройлерам [8].
Для автоматизации системы кормления цыплят-бройлеров можно использовать достаточную по объему емкость с сухим полнорационным комбикормом ПК-6-1 (возраст цыплят – до 2-х недель), ПК-6-2 (возраст цыплят – от 2-х до 4-х недель), ПК-6 финиш (возраст цыплят – старше 4 недель), который сыпется в кормушку.
Система освещения
Работа системы освещения должна обеспечивать следующие характеристики: с 1-го по 5-й день выращивания цыплят должно быть круглосуточное освещение; с 6-го по 22-й день световой день суммарно сокращается на 30 минут; с 23-го по 35-й день – ежедневно уменьшается на 30 минут; к 35-му дню жизни и до конца выращивания продолжительность светового дня должна быть не менее 17-ти часов [3].
Выключать освещение будем в 22:00, а включать освещение будем в зависимости от возраста цыплят-бройлеров, например, после 35-го дня – в 05:00, тем самым обеспечивая 17-ти часовой световой день. Т.к. в дневное время можно ограничиться естественным освещением, то можно утром выключать освещение по достижению определенного уровня естественного освещения, а вечером включать его при снижении уровня естественного освещения до определенного значения.
В качестве источника света будем использовать электрическую лампу накаливания мощностью 40 Вт.
Система обогрева
В первые 30 дней цыплята особенно нуждаются в тепле, поэтому используются устройства для локального обогрева. Когда температура становится ниже нужной температуры, или цыплята чувствуют сквозняк, то они прижимаются друг к другу и стараются подойти ближе к лампе или обогревателю. Если становится очень жарко, то цыплята топорщат перья или пух, клювы у них широко раскрыты, и цыплята очень сильно пьют и стараются держаться вдалеке от своих сородичей, усевшись рядом с границами клетки.
С увеличением возраста цыплят необходимо постепенно снижать окружающую цыплят-бройлеров температуру: в 1 неделю – 32-35 ℃; во 2 неделю – 30-32 ℃; в 3 неделю – 27-29 ℃; в 4 неделю – 25-26 ℃; в 5 и последующие недели – обогрев брудера в летнее время, как правило, не производится [3].
Снижать температуру будем постепенно, ежедневно уменьшая её на 0,36 ℃ (2,5 ℃ в неделю). В качестве обогревателей чаще всего используются электрические лампы инфракрасного света (см. рис. 3).
Рис. 3 – Электрическая лампа инфракрасного света
Система вентиляции
Вентиляция воздуха также является одной из важных задач. Она обеспечивает доступ свежего воздуха и удаление вредных аммиачных паров из помещения.
В брудере должна поддерживаться относительная влажность воздуха в пределах 65-75 %.
Вентиляция обеспечивает доступ свежего воздуха в брудер и удаление вредных аммиачных паров из помещения. Повышенное содержание углекислого газа вызывает у птиц замедление дыхания, раздражает кожу и слизистые оболочки, вызывает вялость, снижает аппетит и продуктивность. Аммиак и сероводород являются результатом гниения помета. Аммиак – ядовитый газ, он снижает устойчивость организма цыплят-бройлеров, поражает конъюнктиву глаз, слизистую оболочку дыхательных путей, нервную систему, вызывает паралич дыхательных путей и приводит к гибели кур. Сероводород еще более опасен, так как ведет к кислородному голоданию и гибели птиц. В брудере система вентиляции включается 2 раза в день, начиная c 1 минуты утром в 9:00 часов, и вечером – в 17:00 часов (для недельных цыплят), постепенно увеличивая до 10 минут (для 8-недельных цыплят).
Увеличивать продолжительность работы системы вентиляции будем ежедневно на 10 с.
Реализация модуля управления брудера с помощью аппаратно-программных средств Arduino
Arduino – это марка аппаратного и программного обеспечения для создания простых систем автоматизации и робототехники для непрофессиональных пользователей. Программная часть состоит из свободной программной оболочки для написания программ, компиляции и программирования аппаратного обеспечения. Аппаратная составляющая – это серия плат, продаваемых официальным производителем, а также третьими лицами. Полностью открытая архитектура системы позволяет вам свободно копировать или добавлять линейку продуктов Arduino [9, 10].
Для нашего проекта будем использовать плату Arduino UNO (см. рис. 4).
Рис. 4 – Плата Arduino UNO
Данная плата имеет 14 цифровых входов / выходов (6 из которых могут использоваться как выходы широтно-импульсной модуляции), 6 аналоговых входов, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP (для программирования в готовом устройстве по последовательному протоколу) и кнопку перезагрузки. Для работы необходимо подключить плату к компьютеру посредством кабеля USB, либо подать питание 7-12 вольт при помощи адаптера или батареи [10, 11].
Так как работа всех наших систем зависит от возраста цыплят и текущего времени, а плата Arduino UNO не имеет встроенных часов, то необходимо использовать часы реального времени, например DS1302 (см. рис. 5) [12]. Модуль имеет автономное питание, поэтому при отключении питания – дата / время не сбрасываются, а продолжают учитываться.
Рис. 5 – Часы реального времени DS1302
Работу всех систем будем рассчитывать для возраста цыплят от 1 до 60 дней.
Для подключения часов реального времени DS1302 к плате Arduino UNO необходимо на пин VCC подать питание 5 вольт. Если на этот пин не поступает напряжение, то часы переходят в спящий режим. Пин GND служит для подключения к земле. Пин CLK необходимо подключить к 6 пину платы Arduino UNO, пин DAT (через этот пин передаются данные с часов) – к пину 7, а пин RST – к пину 8.
Информацию о текущем времени будем выводить на экран OLED дисплея в виде «ЧЧ:ММ:СС». OLED дисплей представлен на рис. 5. Подключение OLED дисплея осуществляется в соответствии с материалами сайта «Как подключить OLED I2C дисплей к ARDUINO» [13].
Рис. 6 – OLED дисплей
Для подключения OLED дисплея к плате Arduino UNO необходимо на пин VCC подать питание 5 вольт. Пин GND служит для подключения к земле. Пин SDA необходимо подключить к пину A4 платы Arduino UNO. Пин SCL необходимо подключить к пину A5 платы Arduino UNO.
Для подключения лампы освещения, лампы обогрева и вентилятора необходимо использовать реле (см. рис. 7).
Рис. 7 – Реле.
На пин реле VCC нужно подать питание 5 вольт, пин GND служит для подключения к земле, а пин IN (вход) подключаем к 9-му цифровому выходу. 9-ый цифровой выход будет использоваться для управления работы вентилятора – если подать на него низкий уровень сигнала, то реле переключит силовые контакты и, следовательно, включится освещение. Второе реле подключим к 10-му цифровому выходу и будем с помощью него управлять работой лампой обогрева. А третье реле подключим к 11-му цифровому выходу и будем с его помощью управлять работой вентилятора (см. рис. 8).
Рис. 8 – Вентилятор
Также на дисплей будем выводить температуру и влажность внутри брудера в виде «Т=25 В=60», что означает: температура – 25 ℃ и влажность – 60 %. Для измерения данных параметров воспользуемся датчиком температуры и влажности AM2320 (см. рис. 9). На датчик нужно подать питание 5 вольт (пин 1 – VCC), пин 4 – GND подключить к земле, а пин 2 – DATA подключить к пину 2 платы Arduino UNO. Между выводами питания и вывода данных нужно разместить резистор номиналом 10 кОм.
Рис. 9 – Датчик температуры и влажности AM2320
Для учета возраста цыплят воспользуется переменным резистором с сопротивлением 10 кОм, который подключим к пину А0 платы Arduino UNO, земле и питанию согласно эксперименту 3 «Светильник с управляемой яркостью» [14]. Устанавливать возраст цыплят будем с помощью кнопки, подключенной к пину 3 платы Arduino UNO [15]. Если на экране выведен текущий день, то по нажатию на кнопку будем менять его значение на значение, заданное переменным резистором. Значение в диапазоне от 1 до 31 будем сохранять в виде дня текущей даты (месяц 3 – «Март»), а и если оно в диапазоне от 32 до 60, то будем менять месяц на 4 – «Апрель» и сохранять в поле день искомое значение минус 31. Информацию о текущем возрасте цыплят и выбираемым значением выведем на экран в виде строки «В=15 С=7», что означает: 15 – возраст (текущий день), 7 – новое задаваемое значение возраста.
Т. к. для работы системы освещения необходимо анализировать уровень освещенности, то необходимо использовать фоторезистор (см. рис. 10). Фоторезистор подключается к аналоговому входу А1 платы Arduino UNO, использование фоторезистора описано в эксперименте 5 «Ночной светильник» [16].
Рис. 10 – Фоторезистор
Питание 5 Вольт подается на фоторезистор через резистор с сопротивлением 10 кОм. Уровень освещенности меняется от 0 (светло) до 1023 (темно), его значение, приведенное к диапазону от 1 до 60, будем выводить на экран в виде строки «ОСВ=30». Пороговое значение уровня освещенности будем изменять и сохранять аналогично возрасту цыплят в виде года текущей даты. Эту информацию также будем выводить на экран в виде «О=20 С=15», что означает: текущее пороговое значение освещенности – 20, новое задаваемое пороговое значение освещенности – 15.
Благодаря сохранению всех параметров системы в часах реального времени, работа нашего модуля управления брудером не будет зависеть от кратковременного отключения электричества.
Информацию о работе всех систем также будем выводить на экран в виде строки «СВ ВН ОТ», что означает: освещение (СВ) – включено, вентиляция (ВН) – включена и обогрев (ОТ) – включен.
Программный код – самая важная часть проекта, т. к. без программного кода система не будет работать и выполнять нужные нам функции. Код написан в программе Arduino IDE версии 1.8.10.
Реальная процесс выращивания цыплят-бройлеров представлен на рисунках 11, 12, 13.
Рис. 11 – Выгул цыплят
Рис. 12 – Цыплята в брудере
Рис. 13 – Модуль управления брудером
Заключение
В результате данной работы был выполнен анализ типовых проблем выращивания цыплят-бройлеров в личном подсобном хозяйстве. «Умные» технологии позволяют автоматизировать большинство рутинных операций. С помощью аппаратно-программных средств Arduino реализовано управление системами освещения, обогрева и вентиляции брудера. Запрограммирована работа систем освещения, обогрева и вентиляции. Работа данных систем зависит от возраста цыплят и характеристик окружающей среды. Все основные параметры выводятся на дисплей. Разработан программный код в среде Arduino IDE, обеспечивающий корректную работу систем освещения, обогрева и вентиляции.
Дальнейшим развитием работы может являться разработка мобильного приложения для контроля и управления параметрами работы систем.
Литература
Бондарев, Э.И. Птицеводство для начинающих [Текст] / Э.И. Бондарев. – М: АСТ, 2015. – 220 с.
Пензенцы разработали «умный курятник» – Пенза-пресс [Электронный ресурс]. – http://penza-press.ru/lenta-novostey/127250/penzency-razrabotali-umnyj-kuryatnik. – Дата обращения: 15.10.2020.
Слуцкий, И. Самый полный справочник птицевода [Текст] / И. Слуцкий. – М: АСТ, 2016. – 320 с.
Омельченко, Д.А. Интеллектуальные системы как средство автоматизации личного подсобного хозяйства [Текст] / Д.А. Омельченко, Е.В. Фешина // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: ХI Всероссийская конференция молодых ученых, посвященная 95-летию Кубанского ГАУ и 80-летию со дня образования Краснодарского края: сб. ст. / отв. за вып. А.Г. Кощаев. – Краснодар: Куб ГАУ, 2017. – С. 267-268.
Быстрое выращивание бройлеров в домашних условиях [Электронный ресурс]. – https://olgushka1971.ru/domashnyaya-ptitsa/vyrashivanie-broylerov-v-domashnih-usloviyah. – Дата обращения: 15.10.2020.
Ниппельные системы поения [Электронный ресурс]. – http://bigherdsman.com.ua/catalog/item/17. – Дата обращения: 10.01.2020.
Системы ниппельного поения [Электронный ресурс]. – http://www.sherl.su/oborudovanie_ptitsevodstvo/systempoeniya/nippelnoepoenie. – Дата обращения: 15.10.2020.
Как выращивают бройлеров на птицефабрике? Содержание и кормление [Электронный ресурс]. – https://zen.yandex.ru/media/kurochka/kak-vyrascivaiut-broilerov-na-pticefabrike-soderjanie-i-kormlenie-5a56fa78c8901034b039af43. –Дата обращения: 15.10.2020.
Амперка – Arduino, Raspberry Pi, электронные модули и робототехника [Электронный ресурс]. – http://amperka.ru/. – Дата обращения: 15.10.2020.
Основы программирования микроконтроллеров [Текст] / А. Бачинин, В. Панкратов, В. Наколряков. – М.: ООО «Амперка», 2013. – 207 с.
Arduino Uno Аппаратная платформа Arduino [Электронный ресурс]. – http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardUno. – Дата обращения: 15.10.2020.
DS1302 – схема подключения к Arduino – блог [Электронный ресурс]. – https://voltiq.ru/ds1302-rtc-and-arduino/. – Дата обращения: 15.10.2020.
Как подключить OLED I2C дисплей к ARDUINO [Электронный ресурс]. – https://sdelaysam-svoimirukami.ru/4710-kak-podkljuchit-oled-i2c-displej-k-arduino.html. – Дата обращения: 15.10.2020.
Эксперимент 3. Светильник с управляемой яркостью [Амперка _ Вики] [Электронный ресурс]. – http://wiki.amperka.ru/конспект-arduino:светильник-с-управляемой-яркостью. – Дата обращения: 15.10.2020.
Кнопка [Амперка _ Вики]. [Электронный ресурс]. – http://wiki.amperka.ru/конспект-arduino:кнопка. – Дата обращения: 15.10.2020.
Эксперимент 5. Ночной светильник [Амперка _ Вики]. [Электронный ресурс]. – http://wiki.amperka.ru/конспект-arduino:ночной-светильник. – Дата обращения: 15.10.2020.