Модель «Курятника выходного дня» на основе платформы Ардуино в условиях ограниченных энергетических ресурсов

XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Модель «Курятника выходного дня» на основе платформы Ардуино в условиях ограниченных энергетических ресурсов

Девятуха А.С. 1
1ГУДО "Полоцкий районный центр детей и молодежи"
Оболевич И.В. 1
1ГУДО "Полоцкий районный центр детей и молодежи"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

В последние годы увеличилось количество городских жителей, которые хотят быть ближе к родной земле. Так в 2022 году появилось первое сообщество в Беларуси VёSka Life, которое объединяет людей, вдохновленных идеей возрождения деревень. Тот, кто имеет возможность работать удаленно, переезжает в деревню на постоянное место жительства, а остальные приезжают в дома в свободное от работы время. И многие из них стали вести личное подсобное хозяйство (ЛПХ): хозяйственные строения и сооружения, скот, птица, многолетние насаждения.

Первое, что заводят «новые» сельские жители – куры. Ведь домашние яйца отличаются от магазинных не только по составу, но и по вкусовым качествам. А еще куры – это источник настоящего органического удобрения. И если для постоянно проживающих в деревне жителей проблем, связанных с их содержанием, сбором яиц, раздачи кормов, уборки птичника практически нет, то у «временных жителей» их много.

На сегодняшний день система «Умный дом» может решить большинство проблем содержания кур в ЛПХ. Но что делать людям, которые приезжают в свои дома только в выходные дни и хотят вести ЛПХ наравне с другими, но не могут установить у себя систему «Умный дом» из-за ограниченных энергетических ресурсов?

В результате поиска ответа на данный вопрос я получил цель моего исследования – разработка модели «Курятника выходного дня» в условиях ограниченных энергетических ресурсов на основе платформы Arduino.

Объект исследования: содержание кур-несушек в автоматизированном курятнике.

Предмет исследования: автоматические системы кормления, освещения и вентиляции; автоматизированный лаз для кур; питание платы Ардуино и подключаемых к ней устройств.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

  1. Проанализировать основные модели автоматизированного содержания кур-несушек;

  2. Проанализировать основные проблемы автоматизации курятника в условиях ограниченных энергетических ресурсов;

  3. Выбрать эффективные системы содержания кур-несушек, подлежащие реализации;

  4. Создать модель «Курятника выходного дня»;

  5. Подобрать датчики и другие устройства для построения выбранных систем «Курятника выходного дня»;

  6. Запрограммировать выбранные системы «Курятника выходного дня».

  7. Сформулировать выводы по результатам работы.

Особенности содержания кур-несушек и основные модели их автоматизированного содержания

Куры-несушки - это порода кур, которая специально разводится для производства яиц. Они имеют несколько особенностей в содержании [8]:

  1. Уборка птичника

Правильное содержание кур несушек всегда начинается с чистоты их места обитания. Уборка птичника должна быть регулярной, особенно в зимнее время, когда несушки все время находятся в помещении.

  1. Кормление кур несушек

Птицу необходимо кормить регулярно и равными дозами. Корм должен быть сбалансированным: содержать достаточное количество белка, витаминов и минералов. Одной несушке требуется 120-130 граммов сухого корма в сутки.

Для хорошего самочувствия и яйценоскости у курочек всегда должен быть доступ к чистой воде.

  1. Освещение в курятнике

Курам требуется достаточное количество света для стимуляции производства яиц. Зимой обычно используют искусственное освещение, чтобы обеспечить им 14-16 часов светового дня. Причем лампочки в курятнике нельзя включать резко, чтобы не испугать кур. Для этой цели многие птицеводы применяют реостаты, помогающие регулировать яркость и включать свет постепенно.

  1. Вентиляция и отопление

Птицу следует содержать в хорошо вентилируемых и сухих помещениях. Они предпочитают тепло, но не переносят очень высокие температуры и сквозняки. Оптимальная температура в курятнике зимой – это +12-17℃.

  1. Сбор яиц

Куры-несушки начинают нести яйца в возрасте около 5-6 месяцев и продолжают нести их в течение 12-14 месяцев, после чего производство яиц снижается. Куры могут нестись ежедневно, поэтому важно обеспечить своевременный сбор яиц, чтобы сохранить целостность яиц и не допустить расклёва.

  1. Профилактика от паразитов и болезней

Птица нуждаются в регулярном контроле здоровья и профилактической вакцинации. Они могут страдать от различных заболеваний, таких как кокцидиоз, инфекции и паразиты, поэтому важно обеспечить им адекватное медицинское обслуживание. Ванночки с золой помогут в профилактике паразитов-пухоедов.

Чтобы облегчить ручной труд птицеводов, разработаны специальные системы «умного курятника», которые можно заказать через Интернет: Конструктор Умный Курятник 2.0 [10] (сюда включены следующие модули: кормораздатчики, реле и датчик температуры и влажности, реле и датчик освещённости, реле времени, реле времени «Рассвет», реле автоматической дверцы, управление через Интернет); контроллеры «Мой курятник» [9] (контроллеры с удобным мобильным приложением, которые могут задавать и контролировать уровень влажности и температуры в помещении, устанавливать нужные параметры работы лампы внутреннего и внешнего освещения, обогрева и вытяжки вентиляции), утепленный курятник с обогревом для кур-несушек и перепелов «Неделя без забот» [11] и др.

Таким образом на сегодняшний день существует множество готовых моделей «Умного курятника» с основными автоматизированными модулями: поения, кормления, отопления, освещения, вентиляции, сборки яиц и даже уборки помета.

Основные проблемы автоматизации курятника в условиях ограниченных энергетических ресурсов и возможности их решения

Для определения основных проблем автоматизации курятника, мною были опрошены знакомые, которые ведут ЛПХ, а также участники сообщества VёSka Life. Исходя из полученных ответов мною были выявлены следующие проблемы:

  1. Постоянные отключения электричества, иногда на продолжительный срок, при неблагоприятных погодных условиях (из-за падений деревьев, устаревших трансформаторов и т.п.);

  2. Слабый уровень или полное отсутствие подключения к сети Интернет;

  3. Отсутствие или плохое покрытие дорог. Из-за этой проблемы невозможно своевременно решить первую проблему и беспроблемно доехать к дому в любое время.

  4. Внедрение автоматизированных систем требует значительных вложений. Для небольших ЛПХ покрыть затраты на покупку и обслуживание оборудования практически невозможно.

Немного подумав и посоветовавшись с моим педагогом по программированию Arduino, я решил, как возможно решить данные проблемы:

Во-первых, необходима оптимизация энергопотребления. Разработка модели «Курятника выходного дня» с низким энергопотреблением может помочь снизить расходы и сделать работу курятника более энергоэффективной.

Во-вторых, использование возобновляемых или альтернативных источников энергии может помочь в обеспечении автономности курятника.

Изучив различные источники информации и посоветовавшись с птицеводами, я пришел к выводу: для оптимизации энергопотребления можно отключить от него некоторые модули «Умного курятника». Это модули:

  1. Поения. Так как вода для кур должна быть в неограниченном количестве, то систему поения можно организовать с помощью водосборника и ниппельной поилки.

  2. Отопления и вентиляции. Вентиляцию можно сделать естественной приточно-вытяжной. Для поддержания оптимальной температуры необходимо утеплить курятник, сделать автоматическую дверь для кур и использовать ферментационную подстилку, которая выделяет тепло. Хорошо себя зарекомендовала подстилка на основе биопрепарата ДРОП-У [2].

  3. Освещения. При организации выгульной площадки и добавлении в рацион премиксов увеличивать продолжительность естественного светового дня (7:28 для Беларуси) с помощью дополнительного освещения не требуется. Хорошие результаты показывают добавки «Рябушка» [7].

  4. Сборка яиц. Гнезда с яйцесборником не требует регулярной проверки со стороны фермера [3].

  5. Уборка помета. Использование ферментационной подстилки, особенно в зимнее время года, способствует уменьшению частоты уборки до 1 раза в сезон. Подстилку достаточно один раз в неделю рыхлить.

Таким образом, для создания «Курятника выходного дня» достаточно подключить к энергопотреблению только модуль кормления и автоматическую дверь для кур.

Для обеспечения автономности курятника в качестве источника питания я сначала рассматривал солнечные батареи и аккумуляторы. Но солнечные батареи из рассмотрения пришлось исключить, так как они требуют постоянной очистки солнечных панелей от снега и мусора, что невозможно сделать в условиях временного проживания. А в силу того, что зимой продолжительность светового дня снижается, то и эффективность работы солнечных батарей в это время года также снижается. Из-за того, что температура эксплуатации аккумуляторов будет в пределах от -25℃ до +25℃, я остановил свой выбор на низкотемпературных литий-полимерных АКБ, автомобильных АКБ и ИБП.

Модель «Курятника выходного дня»

Основой данной модели я выбрал плату Arduino Uno, так как она удобна в сборке и проста в программировании.

Для автоматизации модуля кормления кур можно использовать достаточный по объему резервуар с сухим полнорационным комбикормом (например, ПК-1-15), обеспечив дозированную подачу корма 2 раза в сутки: утром в 7:00 часов и вечером в 18:00 часов. В качестве системы подачи корма можно использовать шнековый механизм подачи корма [5] или другой вариант дозатора.

Рассмотрим более подробно автоматическую дверь.

Я остановился на гильотинном типе двери (Рисунок 1), так как отрывание-закрывание такого типа двери проще автоматизировать. Для автоматизации лаза я решил использовать шаговый двигатель 28BYJ-48 12В с драйвером ULN2003[].

Крутящий момент данного двигателя 450 гр/см. Это значит, что шаговый двигатель может удерживать или перемещать нагрузку весом 450 грамм на расстоянии 1 сантиметр от центра вала. Нам этого недостаточно. Поэтому решать проблему будем через полиспаст и одноступенчатый редуктор.

Так как веса двери у меня еще нет, то я могу сделать лишь примерные расчеты: я буду использовать редуктор с передаточным отношением 4:1 или 5:1 и 4 блока в полиспасте (Рисунок 2).

Учитывая, что у кур есть свой распорядок дня (они просыпаются на рассвете и возвращаются в курятник на закате), я разработал алгоритм работы модели «Курятник выходного дня» (Приложение 1). Время, в которое они заходят и выходят, не является точным и зависит от погоды в течение дня и окружающего освещения. Поэтому время открытия и закрытия дверей нужно отрегулировать, а в особенно морозные дни не открывать совсем.

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 2 Полипаст

Для создания модели «Курятника выходного дня» я буду использовать следующие устройства: 2 шаговых двигателя 28BYJ-48 12В с драйвером ULN2003 (для работы кормушки и двери), датчик температуры TMP36 [4] (чтобы не открывать дверь в морозные дни), часы RTC DS3231 [1] (для работы модели в формате «восход-закат»).

Исходя из алгоритма работы модели «Курятник выходного дня», в среде Arduino IDE версии 2.3.2 я написал программный код (Приложение2).

Для подключения моей модели к питанию я буду использовать старый автомобильный аккумулятор, так как он будет выдавать напряжение примерно 12В и имеет большую емкость по сравнению с обычными аккумуляторами.

Заключение

Итогом данной работы стала модель «Курятника выходного дня». При создании модели был выполнен анализ основных проблем автоматизации курятника в условиях ограниченных энергетических ресурсов, выбраны эффективные модули содержания кур-несушек, подлежащие реализации.

В данной модели реализованы следующие основные модули: кормления и автоматическая дверь для кур. Кормление осуществляется 2 раза в день и приурочено к открытию и закрытию двери, чтобы выработать у кур дополнительный рефлекс и не оставить их за закрытой дверью. Работа модели «Курятника выходного дня» обеспечивается программой, реализованной в среде Arduino IDE версии 2.3.2.

Данная модель требует доработки в плане более точных расчетов крутящего момента редуктора и количества блоков полиспаста. Также необходимо рассчитать после сборки двери оптимальное время работы шагового двигателя для закрытия и открытия двери. Полученная модель будет собрана и апробирована в ЛПХ моего педагога по программированию Ардуино во время отпуска, чтобы иметь возможность контролировать работу модели постоянно.

Библиографический список

  1. Arduino и часы RTC DS3231 https://kit.alexgyver.ru/tutorials/ds3231/ .

  2. Биопрепарат для навоза и помета птиц [Электронный ресурс]. – https://drop-u.ru/dlja-navoza-i-pometa-ptic/. – Дата обращения: 03.02.2024.

  3. Гнездо для кур-несушек своими руками: чертежи https://agronom.media/ptitsa/kury/gnezda-dlya-kur.html#i-11

  4. Датчик температуры TMP36 и его подключение к Arduino [Электронный ресурс]. – http://digitrode.ru/computing-devices/mcu_cpu/215-datchik-temperatury-tmp36-i-ego-podklyuchenie-k-arduino.html. – Дата обращения: 02.12.2023.

  5. Использование «умных» технологий в личном подсобном хозяйстве на примере «Умного курятника» [Электронный ресурс]. – https://files.school-science.ru/pdf/7/5c9ddcc4e0335.pdf. – Дата обращения: 02.12.2023.

  6. Подключение шагового двигателя к Ардуино https://роботехника18.рф/шаговый-двигатель-ардуино.

  7. Премиксы для домашней курицы https://agrovit87.ru/66-korma-i-kormovye-dobavki/domashnyaya-ptitsa/premiksy

  8. Содержание кур-несушек: особенности и основные правила | Агропромышленный вестник [Электронный ресурс]. – https://myagro24.com/2013/08/15/soderzhanie-kur-nesushek-osobennosti-i-osnovnye-pravila. – Дата обращения: 04.12.2023.

  9. Умный курятник [Электронный ресурс]. – https://мойкурятник.рф/. – Дата обращения: 13.12.2023.

  10. Умный курятник 2.0 [Электронный ресурс]. – https://sc20.ru/. – Дата обращения: 13.12.2023.

  11. Утепленный отапливаемый курятник для клеточного содержания кур-несушек и перепелов «Неделя без забот» [Электронный ресурс]. – https://crazyferma.ru/catalog/ptitsa/domiki-i-vyguly/uteplennyy_otaplivaemyy_kuryatnik_dlya_kletochnogo_soderzhaniya_kur_nesushek_i_perepelov_nedelya_bez/. – Дата обращения: 13.12.2023.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Алгоритм работы модели «Курятник выходного дня»

(зимний режим, регион Витебская область)

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

#include <iarduino_RTC.h> //подключение библиотеки iarduino_RTC.h

#include <Stepper.h> //подключение библиотеки Stepper.h

int sensorPin = 0;

iarduino_RTC time(RTC_DS3231); //создаем объект для работы с модулем DS3231

Stepper korm(2048,10,11,12,13); //создаем объект для работы с двигателем кормушки

Stepper dver(2048,6,7,8,9); //создаем объект для работы с двигателем двери

bool Dver = 0;//дверь закрыта

void setup()//начальная настройка

{

time.begin();//начало работы со временем

time.settime(12,12,12,12,3,24,2); //первоначальная установка времени: 12 сек, 12 мин, 12 час, 12, марта, 2024 года, вторник

korm.setSpeed(15);

dver.setSpeed(8);//максимальная скорость 15 оборотов в минуту

}

void loop()//бесконечная работа

{

  int reading = analogRead(sensorPin);

    // преобразуем показания в температуру

    float voltage = reading * 5.0;

    voltage /= 1024.0;

    float temp = (voltage - 0.5) * 100 ;

 if(millis()%1000==0)//если прошла 1 секунда

 {

 

 

 if (time.Hours==9) if((time.minutes>=0)&&(time.minutes<=4)) korm.step(-2048); //работа кормушки утром

 if (time.Hours==18) if((time.minutes>=20)&&(time.minutes<=24)) korm.step(-2048);//работа кормушки вечером

if((time.Hours==9)&&(time.minutes==10)&&(temp > -20) )

                       {  Dver=1;

                          dver.step(2048*8); //открытие двери

                       }

if((time.Hours==18)&&(time.minutes==30)&& (Dver==1))

                       { Dver=0;

                         dver.step(-2048*8);//закрытие открытой двери

                      }

 }

}

Просмотров работы: 81