IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Разработка и практическая реализация автоматизированного регулятора полива растений с учетом влажности окружающей среды на платформе Arduino
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
«Не за горами день, когда окружающие нас вещи научатся думать и станут много более полезны обществу».
Норберт Винер 1940 год1
Цель моего проекта:
Разработать и практически реализовать на платформе Arduino автоматизированный регулятор полива растений с учетом влажности окружающей среды
Задачи, реализуемые для достижения данной цели:
Выбрать технологическую платформу для реализации проекта.
Обеспечить доступную стоимость и простоту изготовления рабочей установки.
Изучить язык программирования С для контроллера Arduino.
Практически реализовать автоматизированный регулятор полива растений с использованием датчика влажности почвы.
Эксплуатировать рабочую установку в реальных условиях.
Предметом исследования выступает система высокотехнологичных устройств в жилом доме современного типа.
Методы исследования:
- анализ и синтез информации из электронных ресурсов, специальной литературы по данному предмету исследования;
- анализ моделирования рабочей установки по обеспечению полива растений в автоматическом режиме;
- изучение предлагаемых современным рынком готовых наборов по поливу растений с целью оптимизации и введения новизны.
Актуальность проекта:
Одно из наиболее перспективных направлений развития технологий – это автоматизация процессов. Возможность комплексно решить вопрос автоматизации инженерных систем, освобождение времени, которое раньше тратилось на рутинные бытовые процессы – все это серьезно повышает качество жизни, делает ее более благоустроенной, неудивительно, что с каждым годом во всем мире интерес к интеллектуальным системам постоянно растет.
Новизна проекта заключается в том, что:
Моя конструкция легко повторяема.
Она обладает невысокой стоимостью: требуются провода, шланги, емкость для воды, которые можно легко найти в любом хозяйственном магазине. Достаточно приобрести контроллер, датчик влажности и помпу, что в общей сложности в текущих ценах составляет не более 700 рублей.
А также конструкция обладает возможностью индивидуальных настроек требуемых параметров увлажнения почвы.
Ожидаемый результат моего реализованного проекта:
Полностью готовая к использованию рабочая установка по обеспечению полива растений в автоматическом режиме.
Глава 1. Теоретический материал
1.1. Понятие «Умный дом»
Человек всегда стремился иметь жилье. Сначала жильем служила пещера с костром внутри. В дальнейшем у каждого народа проявились свои требования к жилой площади. Требования к дому сводились (и сводятся по сей день) преимущественно к комфорту. А это не только удобная мебель, но и прочие удобства, существенно помогающие расслабиться после нелегкого рабочего дня. Наилучшим образом этому способствует так называемый «умный дом». Понятие «умного дома» появилось в обществе совсем недавно, но быстро приобрело статус повышенной востребованности в жизни. Принцип «умного дома» предполагает совершенно новый подход к организации жизнеобеспечения строения, в котором за счет комплекса программно-аппаратных средств значительно возрастает эффективность функционирования и надежность управления всех систем и исполнительных устройств здания.
Под «умным домом» следует понимать систему, которая должна уметь распознавать конкретные ситуации, происходящие в здании, и соответствующим образом на них реагировать. Основной особенностью «умного дома» является объединение отдельных подсистем в единый управляемый комплекс. Важной особенностью и свойством «умного дома», отличающим его от других способов организации жизненного пространства, является то, что это наиболее прогрессивная концепция взаимодействия человека с жилым пространством, когда человек одной командой задает желаемую обстановку, а уже автоматика в соответствии с внешними и внутренними условиями задает и отслеживает режимы работы всех инженерных систем и электроприборов. В помещении, оборудованном системой «умный дом», достаточно одним нажатием настенной клавиши выбрать один из сценариев. Дом сам настроит работу всех систем в соответствии с вашими пожеланиями, временем суток, погодой, внешней освещённостью для обеспечения комфортного состояния внутри дома.
В современном мире необходимым условием развития экономики стало обеспечение достаточным количеством энергии и топлива. В непростых геополитических условиях проблема ограниченных запасов природных топливно-энергетических ресурсов вызвала необходимость разработки разносторонних программ по их сбережению. Энергосбережение, как самый эффективный способ развития энергетики страны, выходит на первый план и становится задачей государственного уровня. Человек широко освоил использование не возобновляемых ресурсов: угля, нефти, газа. Однако запасы углеводородов исчерпываются во много раз быстрее, чем обновляются на планете, и придёт время, когда возобновляемые природные ресурсы придётся использовать как основной источник энергии.
Человек, находясь в своём доме, нуждается в определённых параметрах микроклимата: внутренняя температура и влажность воздуха, подвижность воздуха, приток свежего воздуха, освещённость помещения, солнечный свет. На этом потребности не ограничиваются: для комфортного существования также затрачивается газ или электроэнергия на приготовление пищи, решение бытовых нужд, чистая вода, канализация.
Идея создания домов, понимающих желания своих хозяев и успешно их реализующих, зародилась в США в 50-х годах прошлого века. В 1987 году в СССР был представлен проект радиоэлектронного оснащения жилища «СФИНКС», по сути напоминающий идею современного «умного дома». Однако время не стоит на месте, и сегодня такое понятие, как «умный дом», прочно вошло в нашу жизнь.
Структура «Умного дома» включает три типа устройств:
Контроллер - управляющее устройство, соединяющее все элементы системы друг с другом и связывающее ее с внешним миром. Он активирует команды автономно или выполняет задачи, поставленные человеком. Для связи с внешним миром контроллер как правило подключается к интернету. Осуществляет комплексное руководство выполнения задач, поставленных панелью управления. В автоматическом или ручном режиме активирует или блокирует вспомогательные, узкопрофильные системы жизнеобеспечения дома, согласно прописанной программе для каждого механизма, устройства.
Ручным способом, обычно выполняются простые задачи: освещение, видео, аудио и т.п. Задача обрабатывается контроллером и передается на устройство.
В авторежиме, согласно заданному алгоритму, контроллер самостоятельно активирует процессы обеспечения установленного сценария. При изменении или отклонении от нормы, контроллер вносит нужные поправки.
Информационная шина является связующим звеном и нервной системой "Умного дома". Она передает команды от управляющих устройств к исполнительным. Шина - один из самых важных компонентов системы, связь устройств и передача команд происходят через нее.
Активаторы - исполнительные устройства, непосредственно исполняющие команды. Это самая многочисленная группа, в которую входят умные (автоматические) выключатели, умные (автоматические) розетки, умные (автоматические) клапаны для труб, климат-контроллеры. Служат для преобразования сигнальных команд в импульс, запускающий работу оборудования, приборов и устройств.
«Умный дом» подразделяют на отдельные подсистемы, основные из которых:
- освещение — оборудование «умного дома» позволяет создавать различные световые схемы, оптимально подстраивая их под потребности пользователя, а также обеспечивая удобное управление ими;
- климат — сюда входит не только отопление, но и системы вентиляции и кондиционирования. Используемые контроллеры не только подберут оптимальный температурный режим в помещении, но и позволят сэкономить значительную сумму;
- безопасность — на базе «умного дома» можно настроить не только оповещение о незаконном проникновении в жилище, но и использовать систему «присутствие в доме», а также проводить мониторинг за утечками газа, воды и задымленностью;
- мультирум — это подсистема «умного дома», позволяющая организовать аудио- и видеосигналы в пределах помещения. Система «умный дом» позволит управлять треками и видеозаписями со смартфона или планшета.
Но было бы неправильно не упомянуть и минусы «умного дома». Это, прежде всего, высокая цена: любая техника, даже самая современная, периодически ломается, и если в системе управления домом выйдет из строя что-то одно, то «полететь» может приличная часть всей системы. Полноценная система «умный дом» — это однозначно не та вещь, которая делается раз и навсегда. Через 5-10 лет технологии принципиально изменятся, и старая система потеряет свою актуальность.
1.2. Возможности платформы Arduino
Arduino представляет собой удобный электронный конструктор, понятную среду для программирования и в целом удобный инструмент для создания собственных разработок как новичкам, так и профессионалам. Она предназначена для художников, проектировщиков, радиолюбителей и всех, кто интересуется созданием интерактивных устройств.
Популярность платформе Arduino придает то, что она имеет простейшую среду разработки и язык программирования, представляющий собой вариант языка С/С++ для микроконтроллеров. В него добавлены элементы, позволяющие создавать программы без изучения аппаратной части. Так что для работы с Arduino практически достаточно знания только основ программирования на С/С++. На контроллер программы переносятся через USB (не нужен программатор, проще говоря, передатчик программы на нужное устройство). Arduino имеет открытый исходный код (та основа, на которой создается платформа, ее программное ядро, с помощью которого и создаются все нужные программы). Открытый код полезен для пользователей тем, что на основе него они могут создавать свои собственные самодельные программы, а не использовать только те, которые поставляются самим Arduino. Платформа Arduino постоянно развивается, и существует большое количество плат данной платформы.
То есть Arduino — это маленький компьютер, который можно запрограммировать для взаимодействия с различными физическими объектами с помощью входных и выходных сигналов разного вида. Основная модель Arduino Uno имеет небольшие размеры и легко умещается на ладони. Хотя на первый взгляд плата выглядит не очень внушительно, она позволяет создавать модели, взаимодействующие с окружающим миром. Используя практически неограниченный спектр устройств ввода и вывода, датчиков, индикаторов, дисплеев, электродвигателей и многих других, вы сможете запрограммировать любые взаимодействия, необходимые для создания функционального устройства. Например, художник может создать инсталляцию с множеством светодиодов, мигающих в такт движениям проходящих мимо посетителей, студенты — сконструировать автономного робота, который будет обнаруживать открытый огонь и гасить его, а cиноптики — спроектировать систему измерения температуры и влажности и передавать эти данные в свои системы в виде текстовых сообщений. С помощью простого поиска в Интернете вы найдете бесчисленное множество примеров применения платы Arduino.
1.3. Экономическая рентабельность проекта
На начальном этапе реализации проекта с целью оптимизации и введения новизны я провёл анализ предлагаемых современным рынком готовых наборов по поливу растений. Результаты данного анализа приведены в Приложении 1.
Моя рабочая установка обладает невысокой стоимостью: требуются провода, шланги, емкость для воды, которые есть у всех. Достаточно приобрести контроллер, датчик влажности и помпу, что в общей сложности в текущих ценах составляет не более 700 рублей.
Глава 2. Практическая часть
Для реализации проекта я использовал:
1. Arduino Uno
2. Датчик влажности почвы
3. Силовое реле
4. Мембранный насос на 3-5 Вольт
5. Блок батареек AA (4 шт)
6. Макетная плата
7. Система инфузирования однократного применения (продается в любой аптеке)
8. Провода типа “папа – папа” и “папа – мама”
9. Источник питания для платы Arduino (Powerbank)
10. Мультиметр
2.1. Этап 1: Изучение литературных и электронных источников по изучению Arduino, языка программирования С#, пайке электрических элементов
В процессе изучения литературы я пришел к выводу, что из линейки плат Arduino самой оптимальной для моего проекта является модель Arduino Uno, т.к. она бюджетнее и компактнее, чем старшие модели линейки (Due Arduino, Arduino Mega), но при этом обладает большей гибкостью при изменении параметров, чем младшие модели (Arduino Nano, Arduino Micro).
На этом этапе я составил дорожную карту проекта для своевременного заказа необходимых деталей и сформировал предварительные схемы их компоновки.
Первоначальным решением был выбор безнасосной установки, когда вода подавалась растению за счёт перепада высот, а перекрывалась поворотным механизмом. Однако недостатками данного решения являлись ограниченность объема размещаемой жидкости на высоте и сильный износ водяной трубки в связи с её постоянным изгибом. Таким образом, я пришел к выводу, что необходимо включить насос в состав рабочей модели. При этом стоимость насоса не критично увеличивала стоимость всего проекта.
2.2. Этап 2: Подключение датчика влажности, проверка его работоспособности
Проблемой при подключении грунтового датчика влажности явилось то, что у разных производителей нет единой последовательности контактов. Для определения нужных подключений я использовал мультиметр (комбинированный электроизмерительный прибор, объединяющий в себе несколько функций, в минимальном наборе включает функции вольтметра, амперметра и омметра).
Рис.1 Схема подключения датчика влажности к плате Arduino
После определения контактов на датчике влажности, мною была собрана схема (рисунок 1) и написан код (рисунок 2).
Рис.2 Код для вывода результатов замеров
Этот код позволял выводить значение лишь на экран подключенного компьютера. В целях большей наглядности для пользователя я включил в схему красный и зеленый светодиоды (рисунок 3) и дополнил код (рисунок 4). В случае определения датчиком низкого уровня влажности почвы – загорается красный светодиод, в случае высокого уровня – зеленый. В качестве пограничного уровня влажности было выбрано значение в 400 единиц.
Рис.3 Схема с индикаторами
Рис.4 Код с учетом светодиодов
2.3. Этап 3: Пайка силовых элементов (реле, держателя батареек, насоса)
После проверки измерительной части, я начал сборку силовой. Для этого мне понадобились: паяльник, бокорезы, припой, канифоль и отвертка.
Моей доработкой в данной части было добавление в рабочую установку подходящего питающего элемента, т.к. у Arduino Uno недостаточно энергии для обеспечения большого количества элементов, предусмотрено только управление ими (рисунок 5).
Рис. 5 Силовая часть
Для схемы был написан проверочный код (рисунок 6).
Рис.6 Проверочный код для реле
2.4. Этап 4: Совмещение схем из этапов 1 и 2
С помощью макетной платы я совместил светодиоды, датчик, насос и остальные компоненты в единую схему (рисунок 7) и написал к ней код (рисунок 8).
Рис.7 Законченная схема
Рис.8 Полноценный код
2.5. Этап 5: Тестированиеработы системы в реальных условиях в течение двух недель
После проверки работоспособности системы я провел наблюдения за замером влажности почвы в течение 14 дней. Среднесуточные значения уровня влажности колебались от 385 до 470 единиц.
Таким образом рабочая система реализовала задуманную цель проекта и до сих пор снабжает тестируемое растение водой!
Заключение
Проведенная мною работа позволила понять, что «Умный дом» и его компоненты – это не отдаленное будущее, а реальность, которая может быть воплощена новичком с использованием доступных компонентов, и позволяет уже сегодня получить результат, продемонстрированный в моей работе. А именно – мной разработан и практически реализован автоматизированный регулятор полива растений с учетом влажности окружающей среды на платформе Arduino.
Рабочая установка в настоящее время эксплуатируется в реальных условиях и является неотъемлемой частью обеспечения благоприятного климата моего дома. В случае принятия соответствующего решения администрацией школы я мог бы масштабировать проект и в рамках нашей школы. Неоспоримо, что большое количество зеленых растений делает учебное пространство комфортным для учеников и учителей.
В исследовательском проекте мной были решены все поставленные задачи:
Выбрана технологическая платформа для реализации проекта.
Изучен язык программирования С для контроллера Arduino.
Обеспечена доступная стоимость и простота изготовления рабочей установки.
Моя рабочая установка обладает несомненными преимуществами на фоне предлагаемых рынком моделей:
Система замеряет влажность почвы, вследствие чего её можно оставить работать без участия человека, например, во время каникул.
Настройка времени и периодичности полива задаётся программным путем и производится индивидуально в зависимости от факторов внешней среды и потребности конкретного растения.
Независимость установки от подключения к центральному водопроводу - система полностью автономна и мобильна.
Невысокая стоимость установки, которая не увеличивается в зависимости от размеров растения или изменения факторов внешней среды.
И даже недостаток моей установки, заключающийся в том, что пока в ней не предусмотрена возможность одновременного полива нескольких растений, является для меня стимулом продолжения работы над усовершенствованием проекта.
Список использованной литературы и электронных источников
1. Блум Джереми Изучаем Arduino: инструменты и методы технического волшебства: Пер. с англ. — СПб.: БХВ-Петербург, 2015. —336 с.
2. Бокселл Дж. Изучаем Arduino. 65 проектов своими руками. — СПб.: Питер, 2017. — 400 с.
3. Кармалит И. И., Гриманов К. А., Гриманов А.А. «КОНЦЕПЦИЯ СИСТЕМЫ «УМНЫЙ ДОМ» В СОВРЕМЕННОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ» Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, Украина. Материалы XI Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум 2019»
4. Петин В. А. Создание умного дома на базе Arduino. – М.: ДМК Пресс, 2018. – 180 с.
5. Пeтин В. А., Биняковский А.А. Практическая энциклопедия Arduino. - М.: ДМКПресс, 2017. - 152 с.
6. Beginning C for Arduino Copyright © 2012 by Jack Purdum ISBN-13 (pbk): 978-1-4302-4776-0, ISBN-13 (electronic): 978-1-4302-4777-7 - p.276
7. Brock Craft Arduino Projects For Dummies John Wiley & Sons, 2013 - p.334
8. Exploring Arduino®: Tools and Techniques for Engineering John Wiley & Sons, 2013 - p.385
9.Сайт «Блог-сообщество радиолюбителей» https://radio-blogs.ru/blog/arduino/avtomaticheskiy-poliv-rasteniy-arduino, дата обращения - 01.05.2020г.
10. Сайт «Arduino» http://www.arduino.cc, дата обращения - 01.05.2020г.
11. Сайт «Wiki - Ваш путеводитель в робототехнике и электронике» https://wiki.iarduino.ru, дата обращения – 01.05.2020г.
1 Но́рберт Ви́нер (англ. Norbert Wiener; 26 ноября 1894, Колумбия, штат Миссури, США — 18 марта 1964, Стокгольм, Швеция) — американский учёный, выдающийся математик, основоположник кибернетики и теории искусственного интеллекта.