XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Удаленный мониторинг показателей влажности, температуры воздуха и баланса углекислого газа
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Воздух один из важнейших ресурсов необходимых для нашего организма и его жизнедеятельности. Его качественный состав невозможно определить на глаз. Но характеристики могут оказывать значительное влияние на трудоспособность человека, на среду, в которой он живет и работает. Проблема определения состава и качества воздуха стала основной в рамках нашего исследования. В качестве основных показателей были выделены:
температура;
влажность;
уровень CO2.
В данный момент в мире из-за нарушения баланса кислорода в воздухе, связанного с изменением климата и вырубкой лесов, мы все чаще сталкиваемся с понятием углекислый газ и проблемами, тесно с ним связанными. Загрязнение воздуха негативно сказывается на работе не только дыхательной системы человека, но и на состояние кожи, мозга и нервной системы, а у детей вызывает задержку развития. Качество воздуха также влияет на успеваемость в школе и работе. Если воздух в учебном заведении или на рабочем месте характеризуется плохими показателями, то это может приводить к снижению успеваемости и продуктивности. Порой это может повлечь невыход на учебу или работу.
Основные риски, которые существуют на любом месторождении и которые сегодня учитываются при разработке правил промышленной безопасности, это утечки газа. Помимо этого, мониторинг и изучение таких показателей как влажность воздуха и его температура, могут помочь человеку более тонко отследить то или иное состояние образовательной или рабочей среды для поддержания комфортных условий. Так же от излишне влажного воздуха портятся предметы мебели и двери, обои могут менять цвет, плесневеть и отклеиваться, а штукатурка – отсыревать и отваливаться. Совершенно непереносима сырость для астматиков: их одолевают приступы и кашель. В группу риска попадают все люди со слабым или неокрепшим иммунитетом, прежде всего, маленькие дети и пожилые люди. У последних в условиях повышенной влажности и постоянного контакта с сырой одеждой, мебелью, постельным бельем может развиваться и прогрессировать ревматизм. Влажность воздуха и его температура являются важнейшими показателями для людей, которые хранят свой урожай в земляных погребах. В современном мире агропромышленность вышла на новый уровень, все больший урожай приносят теплицы и парниковые установки, в которых необходимо поддерживать баланс углекислого газа, определенной температуры и определенной влажности воздуха [3].
Таким образом, мы приходим к выводу, что мониторинг и измерение показателей уровня углекислого газа, влажности и температуры воздуха является актуальной темой для исследования.
Проблемы в исследовании этой темы заключаются в отсутствии доступных средств для удаленного и постоянного наблюдения за объектами, на которых уровень этих показателей играет ключевую роль.
Цель исследования - изучить тему исследования, предложить варианты решения проблем по теме. Создать, опробовать и внедрить устройство, позволяющее справиться с обозначенными проблемами по теме исследования.
Задачи:
Изучить методы выращивания овощей в современном мире.
Изучить принципы работы микроконтроллера ESP8266.
Изучить принципы работы датчиков DHT11 и MQ2, и их подключение.
Изучить принципы работы с ресурсом BLYNK.
Изучить принципы работы с Arduino IDE.
Была выдвинута гипотеза о создании универсального устройства, которое могло бы пригодиться в разных областях для удаленного поддержания и контроля этих показателей. Была рассмотрена возможность собрать и применить практически устройство.
Глава 1
Часть 1. Углекислый газ: характеристики и роль
Человечество научилось использовать газообразные вещества для поддержания искусственных процессов и реакций, в результате которых удается получить другие химические соединения. Кроме этого, различные газы используются для получения определённых физических явлений и свойств. Углекислый газ или СО2 обладает большим количеством качеств, которые не могут не использоваться в химической промышленности и быту.
Оксид углерода (IV) представляет собой тяжёлый газ. Плотность углекислоты примерно в полтора раза больше чем у атмосферного воздуха. Несмотря на то, что этот газ уже при температуре минус 78,3 градуса Цельсия превращается в снегообразную массу, получить жидкую углекислоту при нормальном давлении не представляется возможным. Так называемый сухой лёд при малейшем повышении температуры сразу переходит из твёрдой, в газообразную форму. Получить жидкую углекислоту можно только при давлении более 60 атмосфер. В таких условиях газ конденсируется даже при комнатной температуре с образованием бесцветной жидкости.
Углекислый газ не окисляется, но может поддерживать горение некоторых металлов. В среде углекислоты, при определённых условиях, могут возгораться такие активные элементы как магний, кальций и барий. Этот газ хорошо растворим в воде, а в воздухе его содержится большое количество благодаря дыханию живых организмов и растений, наличию вулканической активности на земле, а также в результате сгорания органических веществ.
В результате растворения СО2 в воде в большой концентрации образуется угольная кислота. Это вещество может вступать в реакцию с фенолом и магнийорганическими соединениями. Углекислый газ также реагирует с щелочами. В результате такой реакции образуются соли и эфиры угольной кислоты.
Углекислый газ участвует во многих метаболических процессах организма человека. Он регулирует работу дыхательного и сосудисто-двигательного центра, возбудимость нервной системы, активность многих ферментов и гормонов, отвечает за электролитный состав крови, тонус центральной нервной системы, сосудов и бронхов, поддерживает обмен веществ. Следовательно СО2 непосредственно влияет на все биохимические реакции организма. Дисбаланс вызывает эффект «Вериго-Бора», согласно которому переизбыток кислорода и недостаток углекислого газа приводят к кислородному голоданию. Такой парадокс вызван тем, что без присутствия CO2 кислород не может высвободиться из связанного состояния с гемоглобином и переходить в ткани и органы.
Таким образом, углекислый газ необходим для отрыва кислорода от гемоглобина, иначе кровь будет циркулировать по организму, но не отдавать кислород, что приводит к кислородному голоданию [2].
Часть 2. Влажность и температура
Один кубический метр наружного воздуха при температуре 0°С и относительной влажности 75% содержит 2,9 граммов водяного пара; тот же самый воздух, нагретый до 20°С (средняя температура в доме) без добавления водяного пара имеет относительную влажность 20%, что слишком низко для хорошего самочувствия! На самом деле, минимальная относительная влажность, необходимая для комфорта и здоровья человека, составляет около 45% -50%.
Относительная влажность зависит от температуры: чем больше нагревается воздух, тем ниже относительная влажность.
Например, зимой наружный воздух при температуре 0°С в туманный день (100% относительная влажность воздуха), нагретый в помещении до 22°С, выдает относительную влажность 23%. В местах с очень сухой зимой, скажем, при наружной температуре 0°С и относительной влажности до 30%, при нагреве воздуха до 22°С, относительная влажность опускается до 7%.
В результате, даже если снаружи туманно (много влаги в воздухе), это не гарантия того, что внутри отапливаемого помещения уровень влажности будет правильным.
Зимой сухой воздух способствует испарению и таким образом охлаждает кожу. Непосредственный эффект этого явления заключается в том, что при одинаковой температуре чем суше воздух, тем холоднее он нам кажется.
В типичных условиях обогреваемого помещения «кажущаяся температура» (то есть субъективное восприятие температуры, связанное с личным комфортом) увеличивается примерно на 2 °C, если относительная влажность растет с 25% до 50%. Другими словами, если влажность находится на правильном уровне, в дополнение ко всем другим преимуществам, мы можем сэкономить на отоплении помещения.
Обычные электронные устройства широкого применения рассчитаны на работу только при определённом диапазоне изменения влажности (например, от 5 % до 95 % относительной влажности). При высокой влажности может увеличиваться проводимость некоторых гигроскопических изоляционных материалов, что может приведет к неисправности или ухудшению параметров. Слишком низкая влажность может придать хрупкость материалам. Особую опасность для электронных устройств, независимо от заявленного диапазона допустимой рабочей влажности представляет выпадение конденсата [2].
Часть 3. Описание датчиков для сбора устройства
ESP8266 микроконтроллер
Модуль: ESP-01 с чипом ESP8266EX
Выходной интерфейс: UART
Объём Flash-памяти: 2 МБ
Беспроводной интерфейс: Wi-Fi 802.11 b/g/n 2,4 ГГц
Напряжение питания: 3,3 В
Потребляемый ток: до 250 мА
Габариты: 25×15 мм
Тактовая частота: 80 МГц
Портов ввода-вывода всего: 4
Портов с ШИМ (Программный): 4.
Разрядность ШИМ: по умолчанию 10 бит
Максимальный ток с пина или на пин: 12 мА
Режимы работы:
Клиент (STA);
Точка доступа (AP);
Клиент + Точка доступа (STA + AP);
DHT11 датчик влажности и температуры воздуха
Сенсор включает в себя резистивный компонент измерения влажности и компонент измерения температуры с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), которые подключены к высокопроизводительному 8-битному микроконтроллеру.
Каждый датчик DHT11 проходит калибровку на заводе изготовителе. Коэффициенты калибровки хранятся в однократно программируемой энергонезависимой памяти и используются во внутренних процессах обработки сигнала.
Напряжение питания: 3,3–5 В
Диапазон измеряемой температуры: 0–50 °С
Погрешность температуры: ±2 °С
Диапазон влажности: 20–90%
Погрешность влажности: ±5%
Габариты: 25×25 мм
Потребляемый ток:
в режиме запроса данных: 2,5 мА
в режиме покоя: 100 мкА
MQ2 датчик углекислого газа
Простой в использование датчик газа, широко применяются в робототехнике и системах автоматизации, подходит для Arduino проектов.
Особенности:
Чувствителен к сжиженному углеводородному газу (LPG), пропану, водороду;
Выходное напряжение зависит от концентрации измеряемых газов;
Быстрая реакция и восстановление;
Регулируемая чувствительность;
Индикатор входного сигнала.
Датчик MQ-2 относиться к полупроводниковым приборам. Принцип работы датчика основан на изменении сопротивления тонкопленочного слоя диоксида олова SnO2 при контакте с молекулами определяемого газа. Чувствительный элемент датчика состоит из керамической трубки с покрытием Al2O3 и нанесенного на неё чувствительного слоя диоксида олова. Внутри трубки проходит нагревательный элемент, который нагревает чувствительный слой до температуры, при которой он начинает реагировать на определяемый газ. Чувствительность к разным газам достигается варьированием состава примесей в чувствительном слое.
Габариты: 25,4×25,4 мм
Глава 2. Практический аспект исследования
Часть 1. Схема устройства
В процессе работы была разработана схема будущего устройства и на её основе собран сам экземпляр. Схема включает в себя три основных компонента (Рисунок 2.1 Приложения):
Микроконтроллер ESP8266 для координации работы устройства, со встроенным Wi-Fi-модулем для передачи данных в интернет.
Датчик DHT11 для определения параметров влажности и температуры воздуха.
Датчик MQ2 Gas для определения уровня углекислого газа.
Оба датчика при включении устройства генерируют данные и отправляют их в интернет на сервер. Пользователь подключается к этому же серверу через приложение в телефоне и может наблюдать изменения показателей в текущем моменте, либо обратиться к графику изменений параметров за текущий период. При резких изменениях того или иного параметра приложение оповестит пользователя об этом с помощью сообщения, таким образом создавая условия дополнительной сохранности.
Для реализации этих задач в своей работе, было решено остановиться на системе под названием Blynk (blynk.io), которая обеспечивает передачу данных по MQTT протоколу в упрощенной для пользователя форме.
Часть 2. Подключение и настройка кода
Все, что нужно знать пользователю для подключения к ресурсу - это специальный Auth Token - личный код идентификации каждого проекта, который должен быть включен в код-прошивку микроконтроллера. Данный ресурс предполагает использование программы Arduino IDE для прошивки и программирования микроконтроллера ESP8266, при этом необходимо установить соответствующую библиотеку <BlynkSimpleEsp8266.h> и <Blynk.h>, а так же не забыть установить соответствующую плату в разделе “Менеджер плат”. Для генерации скетча(основного кода программы) на первоначальном этапе был использован ресурс https://examples.blynk.cc , т.к. с его помощью можно получить скетч-прошивку для микроконтроллера, а так же на этом ресурсе можно найти основные приемы, помогающие настроить работу датчиков между собой.
Для подключения датчика DHT11 понадобилось скачать и установить библиотеку <DHT.h>, познакомиться с её основными командами и функциями. Соответственно для подключения датчика MQ2 Gas, понадобилась библиотека <MQ2.h>. Воспользовавшись шаблоном скетча, доработав его подключением дополнительных библиотек был разработан конечный код программы в среде Arduino IDE на языке программирования Си (Рисунок 2.2.1 Приложения) [1].
#define BLYNK_PRINT Serial
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <BlynkSimpleEsp8266.h>
#include <DHT.h>
#include <MQ2.h>
int pin = 0;
float lpg, co, smoke;
MQ2 mq2(pin);
char auth[] = "YourAuthToken";
char ssid[] = "YourNetworkName";
char pass[] = "YourPassword";
#define DHTPIN 12
#define DHTTYPE DHT11
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
BlynkTimer timer;
void sendSensor()
{
float h = dht.readHumidity();
float t = dht.readTemperature();
if (isnan(h) || isnan(t)) {
Serial.println("Failed to read from DHT sensor!");
return;
}
lpg = mq2.readLPG();
co = mq2.readCO();
smoke = mq2.readSmoke();
Blynk.virtualWrite(V5, h);
Blynk.virtualWrite(V6, t);
Blynk.virtualWrite(V7, lpg);
Blynk.virtualWrite(V8, co);
Blynk.virtualWrite(V9, smoke);
}
void setup()
{
Serial.begin(9600);
mq2.begin();
Blynk.begin(auth, ssid, pass);
dht.begin();
timer.setInterval(1000L, sendSensor);
}
void loop()
{
Blynk.run();
timer.run();
}
Настроив микроконтроллер, мы переходим к настройке приложения в телефоне. Так как и микроконтроллер, и приложение на телефоне оба являются клиентами сервера, Auth Token поможет им автоматически подключиться друг другу и найти друг друга на сервере. Для подключения и вывода данных нам нужно добавить соответствующие компоненты в наш проект в приложении и настроить их на нужные виртуальные пины. Среди компонентов мы выбрали Value Display для вывода данных и Graphic Value для записи данных в виде графика. Сразу после этого, запустив приложение мы можем наблюдать данные с микроконтроллера на экране телефона (Рисунок 2.2.2, 2.2.3, 2.2.4, 2.2.5 Приложения).
Вывод
Изучив и проанализировав показатели воздуха такие, как влажность, температура, а также баланс углекислого газа в нем мы сделали выводы о важности изучения этих параметров.
Исходя из изученных материалов собрали устройство, отвечающее поставленным проблемам, способное отправлять данные по сети интернет с возможностью дистанционного наблюдения за датчиками. прибор на базе микроконтроллера esp8266 со встроенным Wi-Fi модулем для передачи данных через интернет. Для измерения влажности и температуры я использовал датчик DHT-11, а для определения уровня углекислого газа датчик mq-135. Код-прошивка была написана в среде Arduino-IDE на языке Си. Связь с устройством обеспечивается с помощью приложения на телефоне через интернет по MQTT протоколу. Для организации совместной работы был использован сервис Blynk, его сервер и дэш-борд для создания приложения. Приложение позволяет не только выводить уровни показателей на экран, но и строить графики на основе долгосрочной работы устройства. Корпус устройства был разработан в векторном редакторе Inkscape(инкскейп) и вырезан на лазерном резаке из фанеры толщиной 3 мм.
В дальнейшем мы планируем продолжить работать в этом направлении, поставить эксперимент с разработанным устройством на практике, а так же найти ему оптимальное применение и доработать до необходимого уровня.
Минусы работы заключаются в отсутствии системы дистанционного контроля среды, это связано с тем, что на данном этапе необходимо определиться со сферой более конкретного применения устройства и разработать средства контроля согласно требованиям среды применения.
Список литературы
Амперка/ Всё для Arduino и Raspberry Pi - https://amperka.ru/
Википедия - свободная энциклопедия - https://ru.wikipedia.org/
Дом и ремонт - https://dom-i-remont.info/
CAREL - https://www.carel.com/
Приложение
Рисунок 2.1
Рисунок 2.1
Рисунок 2.2.2
Рисунок 2.2.3
Рисунок 2.2.4
Рисунок 2.2.5 [4]