ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6409| Title: | Автоматизована система контролю зрошенням |
| Authors: | Міценко, Сергій Анатолійович Шавела, Ярослав Олександрович |
| Issue Date: | Jun-2024 |
| Abstract: | У даній роботі після проведення дослідження відповідно до поставлених цілей можна зробити наступні висновки. Досліджено загальні аспекти сучасних систем поливу рослин та їх застосування в різних сферах життя. Це включає аналіз різноманітних технологій та методів поливу, від традиційних систем зрошення до сучасних автоматизованих систем, які працюють на основі сенсорів та програмного забезпечення. Досліджено, як ці системи використовуються в сільському господарстві, садівництві, ландшафтному дизайні, а також у побуті та міському середовищі. Виявлено необхідність використання систем поливу для вирішення певних завдань. Це означає, що існують конкретні проблеми, для яких системи поливу є ефективними рішеннями. Наприклад, збереження води, забезпечення оптимального рівня зволоженості для рослин, збільшення врожайності у сільському господарстві, забезпечення красивого вигляду саду чи газону без великого зусилля від людини. Це дослідження дозволяє зрозуміти, які саме завдання можна вирішити за допомогою систем поливу та які переваги вони можуть принести у різних галузях та сферах життя. Проведено детальний аналіз систем контролю та поливу рослин в кімнатних умовах та їхній технологічний розвиток. Це включало вивчення різних типів систем поливу, від простих механічних до складних автоматизованих, що використовують сучасні технології. Аналіз також охоплював роль сенсорів, контролерів та програмного забезпечення у поливі рослин, а також огляд історії їхнього розвитку та поточних тенденцій. На основі проведеного аналізу було прийнято рішення розробити бюджетну систему поливу кімнатних рослин, яка працює від відновлюваного джерела енергії. Ця система має бути придатна для використання в побуті та на невеликих садибних ділянках, де доступ до традиційних джерел енергії може бути обмеженим або недоступним. Враховуючи зростаючий інтерес до екологічно чистих технологій та енергозбереження, використання відновлюваних джерел енергії для систем поливу може бути цікавим та перспективним напрямком розвитку. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6409 |
| Appears in Collections: | 174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані системи та компоненти) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Б_151_2024_Шавела.pdf Restricted Access | 2.79 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ Пояснювальна записка до кваліфікаційної роботи освітнього ступеня «бакалавр» на тему: АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА КОНТРОЛЮ ЗРОШЕННЯМ Виконав: здобувач вищої освіти 2 курсу, групи АКІТС-2299 спеціальності 151 Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології Ярослав ШАВЕЛА (ім'я та ПРІЗВИЩЕ) Керівник Сергій МІЦЕНКО (ім'я та ПРІЗВИЩЕ) Рецензент (ім'я та ПРІЗВИЩЕ) Черкаси 2024 року ЗМІСТ СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ .......................................... 3 ВСТУП .......................................................................................................................... 4 1 АНАЛІЗ АВТОМАТИЗОВАНИХ СИСТЕМ ЗРОШЕННЯ .................................. 6 1.1 Аналіз існуючих аналогів на ринку. ................................................................ 6 1.2 Аналіз наявних систем поливу ......................................................................... 9 1.3 Аналіз основних елементів автоматизованих систем поливу ..................... 18 1.4 Аналіз систем управління автоматичним поливом ...................................... 21 2 КОМПОНЕНТИ ДЛЯ СТВОРЕННЯ АВТОНОМНОГО КОНТРОЛЕРА ПОЛИВУ ..................................................................................................................... 24 2.1 Вибір платформи Arduino ............................................................................... 24 2.2 Вибір акумуляторної батареї для насоса поливу .......................................... 29 2.3 Вибір насоса для перекачування рідини ....................................................... 33 2.4 Вибір контролера для управління живленням .............................................. 34 2.5 Вибір контролера для управління навантаженням ....................................... 36 3 АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА КЕРУВАННЯ ЗРОШЕННЯМ .................... 42 3.1 Алгоритмічний підхід до роботи системи .................................................... 42 3.2 Структура автоматизованої системи керування ........................................... 45 3.3 Розробка структурної схеми ........................................................................... 47 ВИСНОВКИ ............................................................................................................... 55 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ .................................................................. 57 ЧДТУ.242271.001 ПЗ Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Розроб. Шавела Літ. Лист. Листів Перевір. Міценко Автоматизована система 2 60 контролю зрошенням. Реценз. Пояснювальна записка Н. Контр. ЧДТУ, АКІТС-2299 Затверд. Лукашенко СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ Bluetooth BR (Bluetooth Basic Rate) – Bluetooth з базовою швидкістю передачі даних. Bluetooth EDR (Bluetooth Enhanced Data Rate) – Bluetooth з підвищеною швидкістю передачі даних. ESP32 – серія мікроконтролерів типу «cистема на кристалі», що мають інтегровані контролери Wi-Fi і Bluetooth, низьке енергоспоживання і невисоку ціну. GND (ground) – заземлення, земля; позначення на устаткуванні. GSM/GPRS – стандарт, який використовує не зайняту голосовим зв'язком смугу частот для передачі інформації. I2C – послідовна шина даних для зв'язку інтегральних схем. SDIO (Secure Digital Input/Output) – стандарт, що дозволяє використовувати зі слотом розширення формату SD/MMS відповідну периферію. SPI (Serial Peripheral Interface) – послідовний периферійний інтерфейс. SRAM (Static Random Access Memory) – статична оперативна пам'ять з довільним доступом. UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) – універсальний асинхронний приймач/передавач. USB – універсальна послідовна шина. VCC (Voltage Collector-to-Collector) – живлення; позначення на устаткуванні. АСП – автоматизована система поливу. АЦП – аналого-цифровий перетворювач. ЦАП – цифро-аналоговий перетворювач. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 3 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата ВСТУП Актуальність теми. З часом, коли людство вступило в індустріальну епоху і машинні механізми почали заміняти людську працю, що частково або повністю витіснило ручну роботу, виник термін «автоматизація». Сьогодні цей напрямок активно розвивається. Автоматизація впроваджується у різні сфери діяльності, сприяючи прискоренню виробництва та забезпеченню високої якості результатів у промислових процесах, проєктуванні об'єктів, військовій сфері. Нинішні системи поливу застосовуються на великих полях, присадибних ділянках, садах та городах, проте вони потребують людського втручання для контролю рівня поливу. Автоматичні системи усувають необхідність постійного нагляду, дозволяють краще контролювати рівень поливу та зменшують витрати води. На українському ринку автоматичного поливу лідерами є дві американські компанії Hunter та Rain Bird, які орієнтуються на великі сільськогосподарські поля та газони. Проте, вартість цих систем залишається досить високою. Автоматична система поливу є сучасним підходом до раціонального та ефективного використання природних ресурсів. Це інженерно-технічна система, яка забезпечує безперебійне та автономне зрошення заданих ділянок. Для її роботи необхідний водозабір. Ефективне функціонування системи забезпечує електронний блок управління на основі плати Arduino. На сьогодні апаратна платформа Arduino є одним із найзручніших способів вивчення основ програмування пристроїв на мікроконтролерах, орієнтованих на взаємодію з навколишнім світом та користувачем. Arduino набирає популярності і застосовується в різних сферах діяльності. Мікроконтролерні системи присутні в автомобілях, пральних машинах, холодильниках та інших повсякденних речах, без яких важко уявити життя. Вони також використовуються в інноваційних пристроях, таких як квадрокоптери та системи "розумного дому", особливо в роботизованих системах. Сучасні системи зв’язку дозволяють керувати пристроями на великій відстані або в автономному режимі. Автономний контролер поливу кімнатних рослин – це один із багатьох приладів, який у поєднанні з Arduino полегшує догляд Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 4 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата за кімнатними рослинами, забезпечуючи повністю автоматизований процес поливу без участі людини. Використання таких приладів з додатковими платами контролю полегшує їх експлуатацію та зменшує витрати на електроенергію, що є актуальним завданням, оскільки виробники техніки прагнуть максимально знизити енергоспоживання та підвищити ефективність своїх приладів. Метою даної роботи є проектування, налаштування та програмування системи автономного контролера поливу рослин з використанням відновлюваного джерела енергії. Для досягнення цілі необхідно вирішити наступні завдання: 1. Провести аналіз відповідної науково-технічної та патентної літератури для детального вивчення технічних аспектів контролерів, особливостей їх програмування та експлуатації. 2. Вибрати модифікацію плати Arduino та конфігурацію з необхідними характеристиками. 3. Підібрати необхідну комплектацію для збирання автономного контролера, включаючи запчастини, датчики, акумулятори та інші деталі. 4. Здійснити збірку автономного контролера. 5. Провести налагодження та виправлення помилок, які виявляться під час роботи. Об'єктом дослідження є автономний контролер поливу кімнатних рослин, який живиться відновлювальним джерелом енергії, таким як сонячна батарея. Предметом дослідження є автоматизовані системи контролю зрошенням ефективність. Практичне значення – система автономного поливу, що оперує програмованими даними, індивідуально підібраними під кожну рослину, може знайти застосування у сільському господарстві, домашньому використанні, догляді за садовими та парковими територіями, поливі у зимових садах та теплицях, догляді за газонами та квітниками, дачних ділянках, на футбольних та гольф-полях, в котеджних містечках та інших подібних об'єктах. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 5 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 1 АНАЛІЗ АВТОМАТИЗОВАНИХ СИСТЕМ ЗРОШЕННЯ 1.1 Аналіз існуючих аналогів на ринку. Системи поливу представляють собою комплекси інженерно-технічних засобів, які забезпечують зрошення конкретної території. Серед провідних компаній у виробництві автоматизованих систем поливу наразі виділяються такі найбільш популярні: − «Hunter»; − «Rain Bird»; − «Irritec»; − «Полив-плюс" − "АкваБуд" «Hunter» пропонує автоматичні системи поливу для різних типів територій, включаючи прибудинкові, паркові та присадибні ділянки, особливо актуальні в теплий період року. На блоках управління можна налаштувати частоту поливу та тривалість його здійснення. Додатково, система має функцію автоматичного вимкнення у випадку дощу або спадання температури до критичного рівня. Для регулювання струменів води використовуються електромагнітні клапани, котрі керуються спеціальним контролером. Також система враховує погодні умови, використовуючи датчики дощу, температури, вітру та метеостанції. Управління системою може здійснюватися за допомогою пультів керування, що розташовані на корпусі контролера. Дротове або бездротове з'єднання між контролером, датчиками та клапанами може забезпечуватися за допомогою GPRS або GSM технологій зв'язку. Кожен контролер може керувати однією або кількома зонами поливу. Системи «Hunter» розроблені для використання на великих територіях з участю оператора. Вони забезпечують можливість управління з комп'ютера за допомогою спеціально розробленої програми, яка дозволяє налаштовувати контролер, отримувати інформацію про помилки, переглядати дані та статус обладнання, а також відображати зони поливу на схематичній карті місцевості. Використання GPRS або GSM може бути неефективним на невеликих територіях Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 6 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата та вимагати зайвих витрат на обслуговування. З цих підстав використання такої потужної системи може бути непрактичним у домашніх умовах. «Rain Bird» виробляє системи поливу для присадибних ділянок, спортивних майданчиків та сільськогосподарських полів. У їхньому асортименті представлено різноманіття контролерів та допоміжних систем. Керування струменями води може здійснюватися за допомогою електромагнітних клапанів або насосів, залежно від обраного варіанта встановлення. Для контролю погоди використовуються метеостанції або датчики дощу з термометром. Деякі моделі контролерів можуть керувати до 8 зонами поливу за допомогою чотирьох програм. Підключення всіх компонентів проводиться за допомогою дротів, а в налаштуваннях системи зазвичай можна використовувати панель керування на корпусі контролера. Деякі моделі контролерів також підтримують підключення через Wi-Fi для управління за допомогою смартфона. Система «Irritec» спрямована на використання на великих сільськогосподарських ділянках та фермерських теплицях, де потребується обробка великих площ. За допомогою насосів струмені поливу регулюються для ефективного використання води з природних джерел. Контроль погодних умов здійснюється за допомогою метеостанцій та термометрів. Контролери здатні керувати до 20 зонами поливу і мають можливість змішування добрив для поливу. Повне керування системою здійснюється через програмне забезпечення комп'ютера, що під'єднане до контролера радіохвилями або дротами. З цих підстав, система "Irritec" непридатна для домашнього використання через свою потужність і необхідність обробки великих територій. «Полив-плюс» спеціалізується на зрошенні газонів та присадибних ділянок, пропонуючи мінімальний функціонал для максимальної непомітності в ландшафтному дизайні. Управління струменями води здійснюється за допомогою електромагнітних клапанів. Для контролю погодних умов використовується датчик дощу, а кожен контролер розрахований на одну зону поливу і розміщений поруч із нею. Налаштування контролера проводиться безпосередньо з панелі керування на корпусі, забезпечуючи простоту налаштування та ефективне використання для Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 7 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата присадибних ділянок. Таким чином, система автоматизованого поливу від компанії «Полив-плюс» спеціалізується на догляді за газонами та невеликими садами. Оскільки температура поливу не може бути налаштована, корегування системи залежно від погодних умов потребує ручного втручання. Ця особливість, а також необхідність окремого контролера для кожної зони поливу та використання спеціальних зрошувачів, роблять системи автоматизованого поливу від "Полив- плюс" не дуже практичними для городів і садів з різноманітністю рослин. Компанія «АкваБуд» пропонує системи автополиву для садів та газонів з різними джерелами водопостачання. Управління водними струменями здійснюється за допомогою електромагнітних клапанів або насосів, в залежності від джерела води. Контроль погодних умов проводиться за допомогою термометрів та датчиків світла і дощу. Один контролер може керувати декількома зонами поливу, що вистачає для обробки газону та саду. Управління контролером здійснюється через панель керування на його корпусі, а всі з'єднання проводяться за допомогою дротів. Таким чином, «АкваБуд» спеціалізується на системах поливу для садів та галявин з газоном. Оскільки ці системи призначені для малих ділянок та використовують холодну воду зі свердловини без нагрівача, вони не дуже практичні для городів і фруктових садів. Серед виявлених недоліків у розглянутих автоматизованих системах поливу виявилися наступні: недостатня кількість використованих датчиків погоди у деяких системах (наприклад, у «Поливплюс» та «Rain Bird»), висока вартість обладнання управління у всіх компаній, і потреба у операторі для деяких систем (наприклад, у «Hunter» та «Irritec»). Враховуючи переваги та недоліки переглянутих автоматизованих систем поливу, було запропоновано власний проект – систему автоматизованого поливу для присадибної плодової ділянки. У такому випадку, використання лише статичного пульта або комп’ютера не є зручним, тому було вирішено впровадити можливість керування системою через переносний пристрій, а саме смартфон. Для цього доцільним буде використання технології Wi-Fi. Додаток на смартфоні повинен забезпечити повне налаштування системи та її управління. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 8 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата У запропонованій системі поливу будуть використані датчики температури та вологості грунту. Інформація, отримана з цих датчиків, буде достатньою для визначення необхідних погодних умов. Управління струменями води буде здійснюватися за допомогою насоса та електромагнітних клапанів. При налаштуванні системи будуть враховані дані про температуру, вологість грунту та час. 1.2 Аналіз наявних систем поливу Автоматизоване обладнання забезпечує ефективний полив із мінімальною участю користувача. Системи автоматичного поливу можуть функціонувати за попередньо встановленим графіком протягом тривалого періоду часу, що дозволяє змінювати програму відповідно до сезонних змін. Повітря складається з багатьох різних газів, одним з яких є водяна пара – газоподібна форма води. Кількість водяної пари в повітрі вимірюється у відносній вологості (RH). Простіше кажучи, це відсоток водяної пари в повітрі від максимальної кількості, яку повітря може вмістити. Відносна вологість залежить від двох факторів – кількості водяної пари та температури повітря. Розуміння цих факторів допомагає усвідомити важливість підтримки оптимальної відносної вологості в приміщеннях для вирощування рослин. Вологість є ключовим фактором при вирощуванні більшості овочів, трав і квітів. Вона є основною причиною гнилі, надзвичайно поширеної та руйнівної хвороби. Осушення повітря допомагає запобігти розвитку гнилі. Важливо відзначити, що справжню небезпеку становить рідка вода, яка схильна конденсуватися на холодних поверхнях. Зокрема, сама рослина може стати такою поверхнею, оскільки випромінює тепло і охолоджується, подібно до поту, що робить її холоднішою, ніж її оточення. Для кращого розуміння взаємозв'язку між вологістю і температурою слід звернути увагу на точку роси. Точка роси – це температура, при якій повітря насичується водяною парою, змушуючи воду конденсуватися з газоподібної форми Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 9 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата в рідину. Іншими словами, це температура, при якій починає утворюватися вода. На рисунку 1.1 представлена діаграма точки роси, також відома як психометрична таблиця. Це може бути не інтуїтивно зрозумілим, оскільки водяна пара невидима, тому скористаємося прикладом із повсякденного життя. Коли ви наливаєте холодний напій у склянку, ви помітите, що на її зовнішній поверхні утворюються краплі води. Це відбувається тому, що холодний напій знижує температуру склянки, роблячи її холоднішою за точку роси. Водяна пара з навколишнього повітря конденсується на холодній поверхні склянки, утворюючи краплі води. Рисунок 1.1 – Психрометрична таблиця для визначення точки роси Це основна концепція: точка роси — це температура, при якій вологість перетворюється на воду. Між температурою та відносною вологістю існує тісний зв’язок. Уявімо повітря як губку, яка може утримувати воду до певної межі; коли ця межа досягається, вода починає з’являтися. Якщо температура постійна, можна знизити відносну вологість, видаляючи водяну пару з повітря, що запобігає Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 10 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата утворенню води. Але коли температура змінюється, рівень відносної вологості також змінюється. Гаряче повітря може містити більше води, ніж холодне. При підвищенні температури відносна вологість падає, зменшуючи конденсацію. Контроль за конденсацією води можливий за допомогою управління вологістю та температурою, наприклад, за допомогою осушувачів. Важливо розуміти, що точка роси відіграє ключову роль у цьому процесі. На наступному графіку точка роси показана як функція відносної вологості при заданій температурі повітря (рисунок 1.2). Рисунок 1.2 – Точка роси як функція відносної вологості при даній температурі повітря Цей графік показує 70% відносної вологості (RH). Можна помітити, що за температури повітря 70°F (нижня вісь) графік вирівнюється з температурою точки роси 60°F (ліва вісь). Це означає, що якщо повітря у вашій теплиці має відносну вологість 70% при температурі 70°F, то зниження температури до 60°F призведе до появи рідкої води. Якщо будь-яка поверхня в приміщенні для вирощування досягає 60°F або нижче, на ній конденсуватиметься вода. Найчастіше холоднішими поверхнями є Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 11 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата стелі та стіни, що мають більший контакт із зовнішнім середовищем, а також металеві труби та поручні, або, як вже згадувалося раніше, самі рослини. Комбінований підхід, заснований на знаннях, дозволяє виробникам оптимізувати умови вирощування при мінімізації витрат. Розуміння точки роси та факторів, які на неї впливають, дає нам краще розуміння процесів, що відбуваються в теплиці. Це стосується не лише температури, а й вологості, і точка роси є ключовим показником цих взаємодій. Для оптимального вирощування рослин у теплиці фахівці рекомендують підтримувати такі умови: − Рівень відносної вологості близько 80%. − Діапазон температур від 18ºC до 24ºC (від 64ºF до 75ºF) протягом ночі та дня. Відносна вологість є критичним кліматичним параметром при вирощуванні будь-яких культур. Більшість виробників прагнуть підтримувати оптимальні діапазони вологості, що відповідають вимогам рослин, які вони вирощують. Оптимальна відносна вологість для більшості рослин становить близько 80%. На цьому рівні темпи росту є найвищими для звичайних тепличних рослин. Якщо рівень вологості перевищує або не досягає цього значення, фізіологічні процеси рослин можуть сповільнитися, що призводить до уповільнення росту та зниження якості продукції. Високі рівні відносної вологості також значно підвищують сприйнятливість рослин до звичайних захворювань, пов'язаних із вологістю, таких як гнійний гриб або борошниста роса. Таким чином, вологість є кліматичним параметром, який виробники повинні розуміти, контролювати та підтримувати відповідно до вимог своїх цільових культур, а не просто намагатися зменшити її до мінімуму. Для більшості звичайних тепличних культур необхідний температурний діапазон приблизно 18ºС-24ºC (64ºF – 75ºF). Ці температури вважаються оптимальними для більшості поширених культур, тому вони є стандартними в більшості теплиць у всьому світі. Температури за межами цього діапазону зазвичай Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 12 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата призводять до уповільнення або зупинки росту та зниження якості врожаю, тому виробники рідко відхиляються від цього. Контроль вологості в теплицях і кімнатних приміщеннях є необхідністю. Неконтрольована вологість у таких умовах призводить до серйозних проблем і неефективності. Коли посіви потрапляють в умови, які для них не є оптимальними, вони ростуть повільніше, дрібнішають, і їхня якість знижується. Неконтрольована вологість спричиняє утворення конденсату всередині приміщення. Наявність такої вільної води призводить до розвитку хвороб, які можуть швидко знищити велику кількість овочів чи інших культур. Багато факторів впливають на здатність рослин отримувати поживні речовини та поширювати їх до клітин. Один із найефективніших способів покращити транспорт поживних речовин – це контроль вологості. Відносна вологість безпосередньо впливає на швидкість транспірації рослин. Загалом, вища вологість уповільнює транспірацію, а нижча вологість прискорює її. Однак, якщо відносна вологість занадто низька або занадто висока, транспортування поживних речовин сповільниться або повністю припиниться. Важливо дотримуватися правильного балансу. Відносна вологість вимірює кількість водяної пари в повітрі у відсотках від того, скільки води може вмістити повітря. Отже, відносна вологість 100% означає, що повітря повністю насичене і більше не може утримувати воду. Для того щоб рослини могли транспірувати, повітря навколо них (прикордонний шар) повинне мати можливість приймати більше водяної пари. Якщо повітря вже досягло точки роси, як при 100% насиченні, водяній парі нікуди діватися, і випаровування води припиняється, що зупиняє притягування ксилеми та транспортування поживних речовин у рослині. Таким чином, для правильного розвитку рослинам потрібен рівень відносної вологості, комфортно нижче 100%. Але надзвичайно низька вологість також створює проблеми. Коли повітря занадто сухе, вода швидко випаровується, і рослини, намагаючись утримати вологу, закривають свої продихи. Це призводить до зупинки транспірації, що має подібні негативні наслідки, як і при високій вологості. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 13 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Оптимальний діапазон відносної вологості для більшості рослин становить 60-80%. Контроль вологості є одним із найефективніших способів покращити транспорт поживних речовин, підвищити врожайність і покращити якість продукції. Дефіцит тиску пари (VPD) є одним із кількох методів, які використовують виробники для вимірювання вологості в теплиці чи середовищі вирощування. Це дозволяє оцінити вплив вологості на ріст і розвиток рослин. VPD (Vapor Pressure Deficit) вимірює різницю між тиском водяної пари в повітрі та точкою насичення повітря, яка є максимальною кількістю водяної пари, що може містити повітря за поточної температури. Точка повного насичення також відома як точка роси. Багато виробників використовують RH (відносну вологість) для вимірювання рівня вологості в теплиці. Цей показник вказує на відсоток насиченості повітря водяною парою за певної температури. Хоча RH допомагає контролювати вологість, він мало що говорить про процеси транспірації рослин. VPD, навпаки, пов'язаний зі швидкістю транспірації рослин і використовується для оцінки впливу вологості на ріст і розвиток рослин. Це робить VPD важливим інструментом для максимізації потенціалу рослин, а не лише кліматичним показником. Ми можемо уявити вміст води в живому листі як 100% RH, що означає повну насиченість. Повітря, зазвичай, має нижчу насиченість, що дозволяє воді переходити з рослини у повітря. Коли VPD високий, що вказує на сухе повітря, транспірація збільшується. На відміну, при зниженні VPD транспірація може зменшуватись або навіть зупинятись. Між метаболізмом рослин і транспірацією існує прямий зв'язок. Під час випаровування води з листя вода, яка містить поживні речовини, "тягне" воду через коріння, що необхідно для росту та розвитку рослин. Низький VPD, що вказує на низьку транспірацію, може сповільнити метаболізм рослин, зупинити їхній розвиток та збільшити схильність до хвороб. Але високий VPD також може становити проблему. При сухому повітрі швидкість випаровування з листків може бути занадто високою, що може призвести до їхнього висихання. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 14 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Серед методів поливу можна виділити наступні: − Поверхневий полив: вода розподіляється по поверхні ґрунту окремими струменями або рівномірним шаром. − По проточним борознам: вода подається в борозни невеликими струменями, а основна її частина вбирається в стінки і дно борозен. − Затоплення: вода напускається шаром до 25 см і більше на горизонтальні ділянки, які оточені високими валиками для збереження вологості. − Напуск по смугах: вода рухається по спеціально розбитим смугам, які формуються за допомогою валів висотою 15-20 см. − Внутрішньоґрунтовий полив: вода подається по спеціальних трубках з отворами безпосередньо до кожної рослини, забезпечуючи рівномірне зволоження без проміжних місць між рядами. − Дощування: вода розбризкується над ґрунтом і рослинами за допомогою спеціальних дощувальних апаратів. «Аквадом» – це одна з найпопулярніших систем крапельного поливу, яка може бути підключена до центрального водопроводу або будь-якої ємності з достатнім обсягом води. Полив виконується кожні 40 хвилин, при цьому кількість охоплених системою кущів не перевищує 50 штук. Система автоматичного поливу від Hunter представлена системою трубопроводів і форсунок, завдяки яким забезпечується своєчасний, безперебійний та рівномірний полив визначених ландшафтних зон в автоматичному режимі. Система поливу коренів спроектована таким чином, щоб вода, кисень та поживні речовини проникали всередину ґрунту, навіть якщо він є густим, і забезпечували здоровий ріст коренів, як на поверхні, так і в глибині. Особливістю цієї системи є можливість цілеспрямованого подачі води. Доставка води в зону поливу контролюється за допомогою електромагнітних клапанів, які розміщені в спеціальних коробках з конструкціями розпилювачів різних типів, включаючи систему крапельного поливу. Вони групуються за робочими зонами. Кожна зона призначена для роботи однотипних груп розпилювачів, які ідеально підходять для конкретних видів рослин і активуються Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 15 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата контролером послідовно. В систему крапельного поливу встановлюється редуктор, який підтримує оптимальний тиск води в системі для утворення крапель. Автоматичні зливні клапани, розташовані в кінці головних ліній, виконують важливу функцію у системі поливу. Їх завдання полягає в запобіганні надмірному накопиченню води в трубопроводах та на поверхні ґрунту, що може призвести до заболочення або надмірної вологості. Детальна робота автоматичних зливних клапанів. Розташування та конструкція. Автоматичні зливні клапани зазвичай встановлюються в найнижчих точках трубопровідної системи. Це дозволяє їм ефективно зливати залишкову воду з труб після завершення поливу. Вони можуть мати різні конструкції, але основний принцип їх дії полягає в автоматичному відкриванні при зниженні тиску в системі, що дозволяє воді витікати. Запобігання накопиченню води. Після завершення циклу поливу, коли насос вимикається або клапани закриваються, тиск у системі знижується. У цей момент автоматичні зливні клапани відкриваються, дозволяючи залишковій воді витекти з трубопроводів. Це запобігає застою води в системі, що може призвести до підвищення вологості ґрунту навколо труб. Сприяння висушуванню ґрунту. Зливання залишкової води з трубопроводів допомагає уникнути перезволоження ґрунту, що є важливим для підтримання оптимального рівня вологості. Під час роботи системи, автоматичні зливні клапани дозволяють воді, яка залишається в кінцях трубопроводів після завершення поливу, витікати, забезпечуючи, щоб ґрунт не був надмірно вологим. Переваги для системи та рослин. Використання автоматичних зливних клапанів підвищує ефективність системи поливу, запобігаючи витоку води через мікротріщини та інші дефекти в трубопроводах, які можуть виникнути через залишковий тиск. Завдяки зливним клапанам, система підтримує оптимальний рівень вологості ґрунту, що сприяє здоровому росту рослин і запобігає їх перезволоженню.Місце для розміщення контролера обирається з урахуванням зручності обслуговування, легкого доступу та захисту від зовнішнього середовища. Контролер з'єднується з електричною мережею живлення, електромагнітними Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 16 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата клапанами, датчиками дощу за допомогою спеціальних кабелів і проводів, що стійкі до вологи. Рисунок 1.3 – Типова схема автоматизованого поливу Зазвичай електропостачання контролера здійснюється від домашньої мережі з напругою 220 Вольт через вбудований блок живлення. Для невеликих систем можна використовувати батарейки або акумулятори. Типову систему поливу зображено на рисунку 1.3. Основною метою такої системи є забезпечення рослин необхідною кількістю води з урахуванням фактичних атмосферних опадів. Наукові дослідження вже встановили оптимальні рівні вологості для здорового росту рослин у різні сезони. Наприклад, для газонної трави літнього місяця потрібно близько 120-150 мл води на квадратний метр, що в перерахунку на добову норму становить 4-5 мл. Встановлені в ґрунті датчики вологості постійно моніторять рівень вологості і передають цю інформацію на контролер. Контролер обробляє ці дані і регулює тривалість та обсяг поливу відповідно. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 17 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Вода для поливу може братися з централізованої системи водопостачання або використовуватися індивідуально. На вході в систему автоматичного поливу встановлюють лічильник води і електричний насос, а магістралі обладнують зворотними клапанами, що запобігають забрудненню системи. Для забезпечення нормальної роботи електромагнітних клапанів та видалення забруднень встановлюють фільтр. Керовані електромагнітні клапани монтується в пластикових корпусах всередині ґрунту по центру магістралей, кількість яких залежить від розгалуженості системи. Всередині магістралей завжди підтримується необхідний тиск води, що досягається за допомогою спеціальних конструкцій з поліетиленових труб, що витримують великий тиск. 1.3 Аналіз основних елементів автоматизованих систем поливу Основними компонентами систем поливу є: − Датчики: вони відслідковують рівень вологості ґрунту та інші показники, які впливають на потреби рослин у воді. − Електромагнітні клапани: ці клапани керують потоком води в системі, відкриваючись та закриваючись за допомогою електричного сигналу. − Дощувачі: вони відповідають за розподіл води на зазначену територію. Існують різні типи дощувачів, включаючи імпульсні, шлангові, віярні, роторні, осцилюючі та кругові. − Контролери: це пристрої, які керують режимом поливу на основі інформації від датчиків та програм, встановлених користувачем. − Форсунки: ці пристрої розпилюють воду на землю у вигляді струменів або розпилення. Вони можуть бути спреєвого або струменевого типу та регульованими за типом розпилення та сектором розпилення. Різноманітність дощувачів та форсунок дозволяє вибрати оптимальний варіант для конкретної території та потреб рослин. Електромагнітні клапани Електромагнітні клапани розміщуються на кожній зоні зрошення та, залежно від програми поливу, відкривають або закривають доступ води до зрошувачів. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 18 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Соленоїдний механізм на клапані реагує на подачу напруги, що діє на мембрану, відкриваючи або закриваючи клапан для води в системі автоматичного поливу. Регулятори тиску також встановлюються на клапанах, коли статичний тиск води занадто великий для ефективної роботи дощувачів. Електромагнітні клапани активуються контролером. Зазвичай напруга живлення клапанів становить 24 В. Вони встановлюються на кожну зону зрошення та, відповідно до програми поливу, відкривають доступ води безпосередньо до зрошувачів. Контролери Контролер, або блок управління, призначений для керування системою автоматичного поливу. Це пристрій, який відповідає за керування роботою клапанів. На один контролер можна підключити кілька клапанів, а також пускове реле насоса. У блоку управління реалізовані програми керування поливом, які визначають час включення поливу, його тривалість та витрату води для кожної зони ділянки. За допомогою блоку управління можна повністю автоматизувати систему поливу на ділянці на тривалий період. Згідно з програмами, мікропроцесор, що розташований всередині блоку управління, буде відправляти сигнали кожному клапану, включаючи і виключаючи по черзі зони поливу. При виборі контролера важливо враховувати необхідну максимальну тривалість поливу. Цей показник залежить від складності ландшафту ділянки і потреб культур, які вирощуються на ній. Для протяжних ділянок або місць зі складним ландшафтом, краще обрати контролери з максимальною тривалістю поливу понад 120 хвилин, щоб забезпечити якісний полив всіх зон. Для ділянок з більш відкритим простором і культурами, що не потребують значної кількості вологи, можна використовувати контролери з максимальним часом поливу від 60 до 120 хвилин. Під час вибору контролера слід враховувати його сумісність з іншими модулями автоматичної системи поливу. Найкраще обирати модулі та блоки одного виробника. Існують різні моделі контролерів, призначених для внутрішнього або зовнішнього монтажу. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 19 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата У сучасних системах автоматичного поливу використовуються дві основні схеми управління: сателітна і декодерна. У сателітній схемі електромагнітні клапани приєднуються безпосередньо до роз'ємів блоку управління за допомогою електропроводів. Контролери, що використовують цю схему, відрізняються простотою та невеликою вартістю. Такі схеми управління часто застосовуються на дачних ділянках. Загалом кількість клапанів, які можуть бути підключені до цієї системи, зазвичай не перевищує 25- 30 штук. У декодерній схемі підключення електромагнітних клапанів відбувається до загальної двухпроводної шини, причому кожен клапан підключається через спеціальний декодер. Управління здійснюється за допомогою цифрових адрес. Декодери розташовуються поруч з клапанами або роторними дощувачами. Кількість клапанів, які можна підключити до блоку управління за допомогою декодерної схеми, може досягати кількох десятків. При необхідності підключення різних датчиків, таких як метеостанції, датчики дощу або вологості ґрунту, їх також можна під'єднати до двухпроводної шини за допомогою декодера. Датчики кліматичних умов є ключовими складовими систем автоматичного поливу. Один з найважливіших датчиків - це датчик дощу, який може відключати систему поливу під час опадів. Крім того, до цієї системи підключаються датчики вітру, температури, витрати води, які можуть використовуватися окремо або в комплексі. Датчики дощу можуть бути дротовими або бездротовими за типом інтерфейсу та аналоговими або цифровими за принципом побудови. Під час дощу датчики передають сигнали на пульт управління, що призводить до вимкнення поливу. Датчик температури повітря може призупиняти роботу системи поливу або запобігати її включенню у разі, якщо температура навколишнього середовища опуститься нижче заданого значення. Датчик витрати води дозволяє вимкнути систему автоматичного поливу, якщо через трубопровід пройде вода більше заданого значення, наприклад, у разі пошкодження труби або розбризкуючої головки. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 20 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Датчик вологості ґрунту дозволяє економити воду і припиняти полив, коли це не потрібно. Якщо рівень вологості ґрунту нижче заданого значення, система може включити полив, а якщо вологість достатня, то зупинити цикл поливу для економії води. Використання датчиків вологості ґрунту дозволяє заощадити більше 40% води. Для підключення до систем автоматичного поливу також використовують метеостанції, які одночасно вимірюють різні параметри навколишнього середовища. Особливо корисними такі станції є в районах, де погодні умови часто змінюються. 1.4 Аналіз систем управління автоматичним поливом На ринку України доступні контролери системи поливу від двох виробників – Rain Bird та Hunter. Контролери Hunter Node представляють собою автономні контролери, призначені для автоматичного поливу. Вони працюють безпосередньо з електронними клапанами і можуть обслуговувати від 1 до 6 зон поливу одночасно. Корпус цих контролерів герметичний і надійно захищений від вологи. Серія контролерів Hunter Dual ідеально підходить для автоматичного поливу великих територій, таких як міські парки і гольфполя. Ця серія включає інноваційний модуль розширення для контролерів серії Hunter I-Core. За допомогою цього модуля можна розширити кількість зон автополиву на 48, додатково до зон, які вже може обслуговувати сам Hunter I-Core. Управління зонами відбувається за допомогою підключення декодерів, які можуть керувати одним або двома клапанами. Більшість функцій цих контролерів також доступні на інтегрованому модулі DUAL. Серія контролерів Hunter I-Core для автоматичного поливу належить до професійної лінійки обладнання. У стандартній комплектації цей програматор може керувати 6 зонами автополиву, але за допомогою модулів розширення може бути розширений до 42 зон поливу. Крім того, за підключенням пульта управління DUAL можна додати ще 42 зони. Ця серія контролерів володіє рядом переваг, таких як модуль SmartPort, підтримка 6 мов та рідкокристалічний дисплей з Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 21 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата підсвічуванням. Вони вважаються одними з найбільш функціональних в галузі систем автоматичного поливу. Контролери Hunter X-Core для автоматичного поливу відрізняються простотою в установці та монтажі. Вони мають зручне управління завдяки трьом вбудованим програмам, кожна з яких має по 4 різних алгоритми поливу. Ці контролери можуть керувати до 8 зонами зрошення і підходять для ділянок різних розмірів. Лінійка контролерів Hunter ELC, або Eco Logic, розроблена спеціально для невеликих систем автоматичного поливу з обмеженим бюджетом. Ці контролери мають базовий набір функцій програмування і призначені для монтажу всередині приміщень. Вони доступні в двох варіантах - для управління 4 або 6 зонами поливу. На основі оглядів систем поливу, їх складових та особливостей існуючих контролерів поливу можна визначити наступні властивості розроблених систем поливу: − Компактна та легка конструкція контролера, що дозволяє ефективно використовувати обмежений простір і спрощує процес монтажу. − Можливість реалізації як місцевого, так і віддаленого керування системою за допомогою веб-додатку, що дозволяє зручно контролювати полив з будь-якого місця, де є доступ до Інтернету. − Контроль температури та вологості повітря та ґрунту, що дозволяє оптимізувати полив в залежності від умов навколишнього середовища та потреб рослин. − Зручність при монтажі, що робить процес встановлення системи поливу простішим і ефективнішим для користувачів. − Можливість розширення кількості каналів керування електромагнітними клапанами для обслуговування більшої кількості зон поливу або для розширення системи в майбутньому. − Можливість враховувати сезонність при організації зрошення, що дозволяє автоматично адаптувати систему поливу до змінних умов у різні періоди року. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 22 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата − Можливість програмування різних алгоритмів керування поливом з встановленням кількості зон, часу початку поливу, тривалості поливу та часу відновлення поливу, що дозволяє налаштувати систему поливу для різних умов і потреб рослин. Потреба у розробці системи автономного контролера поливу для рослин. Рослини стали невід'ємною частиною багатьох будинків та офісів. У великих містах вони розташовуються в багатоповерхових будівлях, офісах та компаніях, створюючи комфортне середовище для людини. Проте, для забезпечення оптимальних умов для росту і розвитку рослин необхідний своєчасний полив та догляд. Система автоматичного регулювання поливу кімнатних рослин дозволяє автоматизувати цей процес, забезпечуючи рослини необхідною кількістю води, що допомагає заощадити час та водні ресурси. Однак, догляд за різними типами рослин вимагає вибору оптимального режиму поливу. Тому, розробка "розумних" систем поливу для кімнатних рослин стає актуальною задачею. У даному розділі проаналізовано предметну область дослідження, розглянуто призначення, область застосування та типи систем автоматизованого поливу рослин. Розглянуто схеми та складові частини зрошувальних пристроїв, а також оглянуто різні конструкції та області застосування автономних зрошувальних систем. Це дозволило зробити висновки щодо перспективності розробки таких систем у інженерній сфері. Визначено основну ідею системи управління, проведено огляд сучасного ринку мікроконтролерних систем поливу та проаналізовано можливі несправності та відхилення в ході розробки пристрою. Це дозволило чітко сформулювати завдання і вибрати необхідні технічні засоби для подальшої розробки САПР. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 23 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 2 КОМПОНЕНТИ ДЛЯ СТВОРЕННЯ АВТОНОМНОГО КОНТРОЛЕРА ПОЛИВУ 2.1 Вибір платформи Arduino В сучасному житті активно використовуються технології, які базуються на мікропроцесорах та штучному інтелекті. Це передусім системи контролю, моніторингу, захисту, передавання та обробки даних. Одним з найзручніших способів для вивчення програмування пристроїв на мікроконтролерах і взаємодії з навколишнім світом є платформа Arduino. Ця мініатюрна плата має власний процесор і пам'ять, а також декілька десятків контактів для підключення різноманітних компонентів, таких як датчики, лампочки, серводвигуни і т. д. Arduino підтримує мову програмування, яка є спрощеною версією C/C++, що полегшує її вивчення. Великий успіх Arduino порівняно з іншими мікроконтролерами полягає в тому, що як апаратне, так і програмне забезпечення доступні у відкритому безкоштовному доступі для усіх користувачів. На процесор Arduino можна завантажити програму, що виконує керування пристроями за певним алгоритмом. Таким чином, можна створити безліч унікальних гаджетів, які відповідають власним потребам і задумам. Наведено ілюстрацію на рис. 1.1, яка, хоч і не охоплює всі можливості, але дає загальне уявлення про можливості Arduino. Дизайн плат Arduino не зазнав значних змін у розмірах і формі, навіть при значному зменшенні розмірів мікроконтролерів. Ця незмінність розмірів плат надає перевагу, оскільки сторонні виробники можуть легко розробляти модулі, які розширюють функціональність будь-якої Arduino. Використання програмованих плат Arduino дозволяє навіть людям з мінімальними знаннями електроніки легко створювати комплексні електронні пристрої. Це можливо завдяки тому, що складні електричні зв'язки конвертуються в програмне забезпечення, що спрощує процес розробки проектів. Arduino приваблює початківців програмістів і тих, хто цікавиться Інтернетом речей. Навчальні матеріали по Arduino легко доступні в Інтернеті для вирішення різних завдань. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 24 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Рисунок 2.1 – Можливість підключення Arduino UNO Для зручності роботи з Arduino існує безкоштовне офіційне середовище програмування Arduino IDE, яке підтримується на різних операційних системах. Завантаження програми в Arduino стає дуже простим завдяки цьому середовищу. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 25 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Хоча для досвідчених користувачів можлива робота через Visual Studio, Eclipse та інші інтегровані середовища розробки, для початківців відмінно підходить візуальне середовище програмування XOD IDE. Для наших цілей доцільним буде вибрати плату Arduino з невеликими розмірами, мінімальною кількістю пінів для підключення модулів і мінімальним споживанням енергії. Для цього підходить плата Digispark, яка базується на мікроконт Рисунок 2.2 – Зовнішній вигляд плати Digispark Digispark – це плата, яка схожа на Arduino, але базується на мікроконтролері ATtiny85. Вона може бути менш функціональною у відношенні до периферії, ніж Arduino, але вона компактна і більш доступна за ціною. Що робить цю плату особливою, так це те, що для її програмування не потрібно спеціального програматора - достатньо просто підключити Digispark до комп'ютера і можна змінювати програмне забезпечення. Без спеціалізованих USB контролерів або перетворювачів, всі функції програмування через USB втілені в засобі завантаження. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 26 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата У контролера є 6 виходів, які можна використовувати. Два з них відведені для роботи з USB інтерфейсом, а на один підключений світлодіод. Для розробки можна використовувати середовище розробки Arduino IDE (OSX / Win / Linux). Пристрій живиться від USB інтерфейсу, зовнішнього джерела напругою 5 В або від внутрішнього стабілізатора напруги, який приймає напругу від 7 В до 12 В і надає стабільний струм 5 В з потужністю 500 мА. Перемикання між джерелами живлення відбувається автоматично. Розпіновка Digispark ATTINY85 Під час розробки прототипів на основі плати ATtiny85 20 SU важливо пам'ятати про її відмінності від Arduino. Нижче наведено фото з розпіновкою виходів на платі Digispark (див. рис. 1.4). Почнемо з першого піна (PIN 1): в ATtiny85 цей пін використовується для необхідного при прошивці сигналу скидання (Reset), і при копіюванні коду його краще не використовувати. Рисунок 2.3 – Розпіновка плати Digispark У разі, якщо цього не уникнути, необхідно мати великий високовольтний програматор. Наступні піни, на які варто звернути увагу, - це третій і четвертий (PIN Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 27 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 3, PIN 4). До PIN 3 підключається резистор 1,5 кОм, що призводить до інших значень, ніж 0. Цей пін, поряд з четвертим, використовується для підключення до USB-порту. Якщо планується використовувати ці піни для налагодження периферії, перед завантаженням програми їх потрібно відключити. Плата ATtiny85 20 SU має свої особливості порівняно з Arduino, зокрема, вона не підтримує всі команди та бібліотеки, і обладнана пам'яттю об'ємом 8К, що відрізняється від стандартної версії з обсягом 6К. При розробці пристроїв важливо враховувати крайні значення споживання енергії: мінімальне - близько 13,38 мА, а максимальне - приблизно 30 мА. Ймовірно, це пов'язано з високими значеннями тактової частоти, які, ймовірно, є основною причиною високого рівня енергоспоживання. Характеристики Digispark: − Пам'ять програм (FLASH): 8Кб, з них близько 2Кб займає завантажувач. − ОЗУ (SRAM): 512 байт. − Незалежна пам'ять (EEPROM): 512 байт. − Тактова частота: 16МГц / 16,5МГц. − Універсальний послідовний інтерфейс (USI): може використовуватися в двох провіднику (I2C / TWI) і трьох провіднику (SPI) режимі. − 4-канальний 10-розрядний аналого-цифровий перетворювач (АЦП). − Аналоговий компаратор. − 2 8-бітних таймера-лічильника. − Сторожовий таймер. − 8 виводів, 6 з яких доступні як лінії введення-виведення. − Живлення Digispark можливо від USB або від зовнішнього джерела 5В або 7-35В (рекомендується не більше 12В). На платі Digispark також присутній лінійний регулятор напруги 5В 500мА, USB обв'язка та пара світлодіодів, один з яких підключений до виводу PB1 або PB0 в залежності від модифікації, а інший служить індикатором. Плата оснащена USB роз'ємом типу А, що дозволяє підключати її до комп'ютера без використання додаткових дротів. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 28 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Плати Digispark працюють на частоті 16 або 16,5МГц. Системний тактовий сигнал генерується за допомогою PLL генератора, який подає тактовий сигнал від внутрішнього каліброваного RC-генератора (~ 8МГц) на вхід помножувача на 8. Вихідна частота складає 64МГц, яка поділяється на 4, щоб отримати системну частоту 16МГц. При підключенні Digispark до комп'ютера завантажувач калібрує RC-генератор для отримання системної частоти 16,5МГц. У версії завантажувача 1.0.6 калібрувальна інформація зберігається всередині мікроконтролера, тоді як у попередніх версіях цього не було, і плати, що живляться від зовнішнього джерела, працюють на частоті 16МГц. Також важливо відзначити одну особливість офіційних плат Digispark. Перший вихід мікроконтролера ATtiny85 може бути налаштований як звичайний вивід для введення-виведення або в якості входу для зовнішнього скидання (Reset). Призначення цього виходу визначається фьюзом RSTDISBL (External Reset Disable). Отже, на офіційних платах Digispark фьюз RSTDISBL встановлено, що перетворює перший вихід на звичайний вивід для введення-виведення. Це означає, що у нас доступні всі 6 ліній введення-виведення ATtiny85, але в той же час ми втрачаємо можливість використовувати вхід для зовнішнього скидання, що ускладнює взаємодію з мікроконтролером через ISP програматор. Щодо китайських копій, то вони можуть мати різні налаштування для цього фьюзу - він може бути встановлений або відключений. 2.2 Вибір акумуляторної батареї для насоса поливу Різноманітність акумуляторів, яку ми спостерігаємо на ринку, призводить до певної невизначеності при їх виборі. Давайте докладніше розглянемо деякі сучасні акумуляторні батареї (АКБ), які можуть бути використані для нашого автономного контролера поливу кімнатних рослин. Розглянемо основні характеристики цих акумуляторів, щоб допомогти зробити правильний вибір для наших потреб. Основні характеристики акумуляторів для наших потреб включають: 1. Хімічний склад: Він визначає всі основні параметри, такі як питома ємність, напруга одного елемента, максимальний робочий струм, «ефект Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 29 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата пам'яті» та кількість циклів заряду-розряду. Від цього параметра залежить тривалість роботи нашого пристрою. 2. Типорозмір: Це формат і розміри акумулятора, який має числове або числово-буквений код. Це один з перших параметрів, який ми враховуємо при виборі акумулятора. 3. Напруга: Різниця потенціалів між позитивним та негативним полюсами батарейки, вимірюється в Вольтах. Нам важливо використовувати акумуляторні елементи з напругою, яка відповідає нашим потребам та вимогам пристрою. 4. Ємність: Вона вказує на те, як довго акумулятор буде розряджатися при номінальному струмі, вимірюється в Ампер-годинах або міліампер- годинах. Реальна ємність може бути меншою, ніж заявлена, якщо робочий струм значно перевищує номінальний струм. 5. Робочий струм: Вимірюється в Амперах або міліамперах і вказує на те, яку енергію акумулятор може віддати протягом одиниці часу. 6. Ефект пам'яті: Характеризується зменшенням ємності акумулятора при неповному розряді перед початком зарядки. Цей ефект спостерігається у деяких типах акумуляторів та відсутній у інших. Зрозуміння цих характеристик допоможе нам зробити правильний вибір акумулятора для нашого контролера поливу. Для нашого проекту можна виділити кілька типів знімних акумуляторів, а саме: 1. Літій-іонні стандартні: Ці акумулятори є загальнопризначеними і використовуються широко у різних галузях. 2. Літій-іонні спеціалізовані: Цей тип акумуляторів має особливі характеристики, що роблять їх ідеальними для конкретних застосувань. 3. Нікель-метал-гідридні: Ці акумулятори також використовуються у багатьох пристроях і мають свої особливості. 4. Свинцево-кислотні: Цей тип акумуляторів характеризується своєю конструкцією та застосуванням. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 30 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Літій-іонні (Li-Ion) акумулятори вважаються найбільш перспективними, оскільки мають кращі параметри та широке застосування в різних галузях. Щодо різновидів літій-іонних акумуляторів, таких як 18650, хоча вони виробляються за однією загальною технологією, вони можуть різнитися за матеріалом катода, що призводить до певних відмінностей у їх характеристиках. Варто звернути увагу на такі різновиди: − Літій-кобальтові. − Літій-марганцеві. − Літій-марганець-нікелеві. − Літій-залізо-фосфатні. Кожен з цих типів має свої особливості, які потрібно враховувати при виборі акумулятора для конкретного проекту. Таблиця 2.1 – Переваги літій-іонних АКБ 18650 різних типів Хімічний тип АКБ 18650 Посилені корисні властивості Літій-кобальтові велика ємність (більша тривалість роботи пристрою) Літій-марганцеві, літій-марганець- збільшений розрядний струм нікелеві Літій-залізо-фосфатний найвищий розрядний струм, велике число циклів заряд-розряд Літій-іонні акумулятори 18650, 16340 (CR123A) і 14500 виявляються найкращими для нашого проекту (див. Рисунок). Їх переваги перед іншими типами акумуляторів включають: − Велика ємність. − Підвищена напруга. − Високий рівень видачі струму. − Відсутність ефекту пам'яті. Для нашого автономного контролера з поливом кімнатних рослин ми плануємо використовувати 2 Li-Ion акумулятори з наступними характеристиками, як зображено на рисунку 2.4. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 31 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Рисунок 2.4 – Li-Ion акумулятор 18650 Табляця 2.2 – Характеристики Li-Ion акумуляторів Модель 18650 Тип Li-Ion Постійний струм розряду 3А Максимальний струм розряду 5А Максимальний зарядний струм 2А Внутрішній опір 55mΩ Верхнє напруга 4.2V Робоча напруга 3.7V Нижня напруга 2.5V Номінальний зарядний струм 1А Кількість циклів 600 Термін зберігання до 5 років Діапазон робочих температур від -20 ° C до + 60 ° C (найбільш оптимальна +20 ° C) Габаритні розміри 65х18мм вага 46г Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 32 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 2.3 Вибір насоса для перекачування рідини На ділянках дач або в приватних будинках з автономним водопостачанням необхідно мати засоби для забору та переміщення води. Погружні насоси, порівняно з поверхневими, володіють кращими технічними характеристиками, оскільки мають більшу потужність і напір. Це пояснюється тим, що вони працюють на значній глибині, тому для виштовхування води потребують потужний двигун. Основна перевага погружного насоса полягає в його компактності та невеликій вазі, що дозволяє встановлювати його на дні свердловини. У нашому випадку, насос буде використовуватися для поливу кімнатних рослин та забезпечувати лише невеликий обсяг води. Оскільки він буде активуватися лише протягом декількох секунд щодня, ми вибираємо невеликий насос з мінімальною напругою живлення від 3 до 6 Вольт. Це повністю відповідає нашим потребам, оскільки він компактний і може живитися від акумуляторної батареї типу 18650. Потужність споживання такого мініатюрного насоса становить приблизно 340 мА. Рисунок 2.5 – Погружний міні насос (помпа) Водяна міні помпа – це невеликий погружний насос, спеціально розроблений для перекачування та додавання води в різні резервуари або ємності. Вона здатна перекачувати рідину з відмінною швидкістю і застосовується в різних сферах, таких як агротехніка для поливу рослин, утримання акваріумів, робота у фонтанах та інших водних структурах. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 33 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Використання різноманітних датчиків разом з такими помпами дозволяє створити автоматичну систему поливу та підтримки життєдіяльності рослин. Оскільки помпа працює при низькій напрузі, її можна підключити до сонячних батарей, що робить її енергоощадною та екологічною. Крім того, цю помпу можна використовувати для радіокерованих або автоматичних субмарин або кораблів з метою створення рушійної сили. Це дозволяє уникнути використання обертових гвинтів, які часто є дорогими та схильними до поломок. Нижче наведено основні характеристики водяної помпи у таблиці 2.3. Табляця 2.3 – Основні характеристики водяної помпи Напруга живлення 3 - 6 Вольт Потужність 0,4 – 1,5 Вт Швидкість перекачування До 2 л/хв або 120 л/год рідини Матеріал корпусу Пластик, загерметизований Максимальна висота водяного 0,4 – 1,1 м стовпа Зовнішній діаметр на виході 7,5 мм Внутрішній діаметр на виході 4,7 мм Розмір 24 мм х 45 мм х 33 мм Може перекачувати масло і воду Струм залежить від напруги живлення 2.4 Вибір контролера для управління живленням Контролер для заряду літій-іонних акумуляторів типу 18650 ідеально підходить для наших потреб. Оскільки він може заряджати акумулятори від сонячної панелі та постачати живлення всій нашій системі напругою 5 Вольт. Цей контролер чудово підходить для заряду або живлення портативних пристроїв з загальним споживанням струму до 2 А. Контролер широко використовується для створення Power Bank з літій- іонними акумуляторами (іншими сумісними за напругою), зокрема 18650, з напругою від 2,8 до 4,2 Вольт. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 34 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Конструкція контролера з двома USB-портами зображена на рисунку 2.6. Рисунок 2.6 – Контролер заряду Li-ion акумуляторів типу 18650 Для початку використання контролера, необхідно підключити Li-ion акумулятор (або сумісний за напругою) до клем, позначених як BAT+ і BAT-, дотримуючись полярності. Після цього п'ять світлодіодів на контролері за світитимуться, щоб сигналізувати про рівень заряду акумуляторів. Для заряду акумулятора контролер оснащений гніздом micro USB типу B. Оптимальні параметри заряду акумулятора: напруга від 3,7 до 5,5 В та струм 1 А. Під час заряджання акумулятора світлодіоди будуть поступово запалюватися, щоб показати рівень заряду. Зарядка акумулятора завершиться, коли напруга на ньому досягне 4,2 В. Для підключення споживачів контролер має два гнізда USB типу A. Одне гніздо надає вихідні параметри 5 В 2,1 А, а інше 5 В 1 А. Можна також підключити споживачі до обох гнізд одночасно, тоді сумарний вихідний струм складе 2 А. Подача енергії до споживачів припиниться, коли напруга акумулятора досягне 2,8 В. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 35 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Контролер рекомендується використовувати з мінімум двома акумуляторами, оскільки струм від одного акумулятора може бути недостатнім для правильної роботи контролера. Деякі характеристики контролера заряду: − Модель контролера: LDR5409; − Сумісний тип акумулятора: Li-ion або сумісний за напругою; − Типорозмір сумісного акумулятора: 18650 та інші; − Напруга сумісного акумулятора: від 2,8 до 4,2 В; − Параметри заряду: напруга від 3,7 до 5,5 В, струм 1 А; − Кількість USB-портів для споживачів: 2; − Вихідна напруга: 5 В; − Максимальний сумарний вихідний струм: 2 А; − Напруга зупинки заряду акумулятора: 4,2 В; − Напруга зупинки подачі енергії: 2,8 В; − Захист від: перезаряду, перевантаження за струмом; − Розміри: 57 x 28 x 8 мм; − Вага: 11 грам. 2.5 Вибір контролера для управління навантаженням Модуль управління навантаженням на основі транзистора IRF520 призначений для інтеграції з контролером Arduino або будь-яким іншим керуючим мікроконтролером, щоб керувати навантаженням постійного струму з потужністю до 120 Вт. Цей модуль, який показано на рисунку 1.8, здатний виконувати функцію перемикання та управління навантаженням. Використовуючи цей модуль, можна підключати до контролера різні пристрої, такі як світлодіодне освітлення, постійні струмові двигуни, невеликі компресори, електромагнітні пускачі тощо. Модуль має три роз'єми для підключення: один для контролера, один для навантаження і один для зовнішнього джерела живлення: − Штиреві контакти на платі модуля позначені як SIG, VCC і GND і призначені для підключення до контролера. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 36 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата − Клеми затискачі, позначені на платі модуля як V + і V-, використовуються для підключення керованих або комутованих пристроїв. − Клеми затискачі, позначені на платі модуля як VIN і GND, використовуються для підключення зовнішнього джерела живлення. Рисунок 2.7 – Драйвер MOSFET на транзисторі IRF520 Для використання модуля спочатку потрібно підключити контролер до контактів SIG і GND. Якщо потрібно керувати навантаженням, то до контакту SIG слід підключити ШИМ вихід контролера. Якщо потрібно керувати комутацією, то до контакту SIG слід підключити цифровий вихід контролера. Червоний світлодіод на контакті SIG світиться, коли на ньому є напруга. Контакт GND є загальним вихідом, контакт VCC не використовується. Потім до контактів V + і V- слід підключити керований або комутований пристрій з максимальною потужністю 120 Вт. Полярність потрібно дотримуватись, коли підключається керований пристрій. Якщо пристрій підключається для керування навантаженням, для нього потрібне зовнішнє живлення, яке підключається до контактів VIN і GND. Потужність зовнішнього блоку живлення слід підібрати залежно від потреби Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 37 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата підключеного пристрою. Максимальні вихідні параметри зовнішнього блоку живлення можуть досягати 24 В та 5 А постійного струму. Якщо комутаційний струм перевищує 1 А, на транзистор слід встановити радіатор. Таблиця 2.4 – Характеристики драйвера управління Характеристики драйвера IRF520 управління зібраний на польовому транзисторі використовується для комутації, управлінням навантаженням керуюча напруга 5 - 20 В напруга для керованих 24 В пристроїв максимальний струм для 5 А керованих пристроїв максимальна потужність 120 Вт комутації розміри 31 х 26 х 17 мм вага 6 гр У світі, де природні ресурси вичерпуються, альтернативні джерела енергії стають все більш актуальними. Одним з найпоширеніших та доступних варіантів є сонячна енергія, яку можна використовувати за допомогою сонячних панелей. Сонячні панелі – це екологічно чисті пристрої, безпечні для людей та довкілля. Вони перетворюють фотони сонячного світла на електричний струм, який може використовуватися для живлення різних пристроїв. Навіть невеликі сонячні панелі можуть генерувати достатньо енергії для зарядки ліхтариків, світлодіодів, електронних іграшок, зарядних пристроїв та інших приладів. У цьому проекті буде використовуватися сонячна панель для постійної підзарядки Li-ion акумуляторів, що дозволить повністю відмовитися від використання звичайної електроенергії. Характеристики сонячної панелі: − Матеріал: полікристалічний кремній. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 38 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата − Робоча напруга: 5 Вольт. − Максимальний струм: 65 мА. − Максимальна потужність: 0.3 Вт. − Розміри: 118 мм х 70 мм. − Вага: 15 г. Сонячні панелі – це ефективний та екологічно чистий спосіб отримання енергії. Їх можна використовувати для живлення різних пристроїв, що робить їх цінним інструментом для людей, які прагнуть до самозабезпечення та дбають про довкілля. Рисунок 2.8 – Сонячна панель потужністю – 0.З Bт В епоху стрімкого розвитку й зростаючої екологічної свідомості, пошук екологічно чистих та автономних рішень набуває все більшої актуальності. Ця тенденція не оминула й сферу садівництва, де традиційні методи поливу рослин часом стають не лише неефективними, але й шкідливими для довкілля. Саме тому розробка автономних систем поливу, що живляться від сонячної енергії, відкриває нові горизонти для екологічного та раціонального використання ресурсів. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 39 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Переваги сонячної енергії для поливу рослин: − Екологічність: Сонячна енергія є чистим та відновлюваним джерелом живлення, на відміну від викопного палива, яке забруднює атмосферу та шкодить довкіллю. Використання сонячних панелей для живлення системи поливу не лише зменшує вуглецевий слід, але й сприяє збереженню природних ресурсів. − Економічність: Після початкових інвестицій у сонячні панелі, користувач може отримувати безкоштовну енергію протягом багатьох років. Це робить сонячні системи економічно вигідними в довгостроковій перспективі, порівняно з традиційними методами поливу, які потребують постійних витрат на електроенергію або воду. − Простота обслуговування: Сонячні панелі не потребують складного обслуговування, що робить їх зручним та практичним рішенням. Їх можна легко встановити та експлуатувати, не потребуючи спеціальних знань чи навичок. − Надійність: Сонячні панелі мають тривалий термін служби та стійкі до несприятливих погодних умов. Це гарантує безперебійну роботу системи поливу протягом багатьох років, навіть у складних кліматичних умовах. Недоліки сонячного зарядного пристрою: − Складність: Для його роботи потрібна значна кількість додаткових схем керування, що робить конструкцію складнішою. − Вартість: У деяких випадках сонячні зарядні пристрої можуть бути дорожчими за альтернативні варіанти. Вибір компонентів для автономної системи поливу: Для створення ефективної та екологічної системи поливу, що живиться від сонячної енергії, необхідно ретельно підібрати компоненти, які найкраще відповідають потребам проекту. − Сонячна панель: Потужність сонячної панелі має відповідати потребам системи в енергії, враховуючи потужність насоса, частоту поливу та інші фактори. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 40 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата − Акумулятор: Акумулятор буде зберігати енергію, вироблену сонячною панеллю, щоб забезпечити роботу системи вночі або в похмуру погоду. − Контролер заряду: Контролер заряду буде регулювати потік енергії від сонячної панелі до акумулятора, захищаючи його від пошкоджень. − Насос: Насос буде подавати воду до рослин. − Датчики: Датчики вологості ґрунту та освітлення допоможуть контролеру визначити, коли і скільки води потрібно рослинам. Використання сонячної енергії для живлення автономних систем поливу рослин стає все більш популярним та доступним рішенням. Цей підхід не лише економить ресурси та кошти, але й робить значний внесок у збереження довкілля. Ретельний вибір компонентів та грамотне проектування системи дозволяють створити ефективну та екологічну систему поливу, яка буде служити протягом багатьох років, забезпечуючи оптимальне зволоження рослин без шкоди для довкілля. Впровадження сонячних систем поливу – це крок до екологічного та відповідального садівництва, яке відповідає потребам сучасного світу. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 41 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 3 АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА КЕРУВАННЯ ЗРОШЕННЯМ 3.1 Алгоритмічний підхід до роботи системи Для забезпечення ефективної роботи системи зрошення у промисловому приміщенні необхідно чітко розуміти її алгоритм функціонування. Це дозволяє належним чином налаштовувати параметри зрошення з необхідною точністю та ефективністю в потрібний момент. Розробка такого алгоритму залежить від технологічного процесу та специфікацій приміщення. Мета алгоритму функціонування системи полягає у підтримці заданих параметрів на сталому рівні навіть при виникненні різних збурень. Рисунок 3.1 – Блок-схема загального алгоритму роботи АСУ Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 42 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Початок роботи системи включає ініціалізацію, що переводить її у робочий стан. Потім проводиться опитування датчиків, під час якого формується база даних про стан системи. Якщо отримані дані відповідають заданим параметрам, система готова до роботи, в іншому випадку вона переходить у стан аварії. Після запуску системи відбувається налаштування параметрів управління та відображення поточної інформації. Найкраще алгоритм роботи системи можна представити у вигляді блок-схеми, що ілюструє послідовність кроків. Така блок-схема зображена на рисунку 3.1. Наступним кроком буде аналіз алгоритму роботи окремих підсистем у складі системи зрошення, зокрема, підсистеми вибору режиму роботи та контролю вмісту шкідливих речовин. Система контролю температури приміщення є частиною загальної системи вентиляції та кондиціонування повітря. Підсистема регулювання температури повітря в приміщенні автоматично контролює температурний режим та виконує необхідні дії для збереження встановленого режиму. Робота системи регулювання температури полягає у взаємодії з датчиком температури вуличного повітря, що постійно моніторить показники. За отриманою інформацією система визначає режим роботи відповідно до встановленої температури. У режимі «Зима» температура повітря в приміщенні має бути в межах 16-18°C. Після проходження через рекуператор повітря порівнюється з еталонним значенням. Якщо температура відповідає потрібній, повітря направляється у приміщення. У протилежному випадку вмикається водяний калорифер для нагріву припливного повітря. Показники температури постійно моніторяться системою і зберігаються для подальшого аналізу та управління. У режимі «Літо» температура повітря в цеху повинна перебувати в діапазоні 18-20°C. Після проходження через рекуператор повітря порівнюється з еталонним значенням. Якщо показники відповідають, повітря надходить до приміщення, інакше вмикається охолоджувач. Цей підхід дозволяє оператору системи в реальному часі контролювати роботу технологічного процесу та вчасно виявляти та усувати будь-які несправності. Блок-схема цього алгоритму роботи представлена на рисунку 3.2. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 43 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Рисунок 3.2 – Блок-схема системи вибору режиму роботи АСУ Під час технологічного процесу викид шкідливих речовин є поширеним явищем, і для збереження здоров'я необхідно постійно контролювати вміст цих речовин у повітрі. Алгоритм роботи підсистеми контролю вмісту шкідливих речовин представлений на рисунку 3.3. Початок алгоритму полягає в опитуванні датчиків. Інформація з датчиків порівнюється з ГДК (гранично допустимою концентрацією), і якщо рівень шкідливих речовин перебуває в межах допустимого, система працює у звичайному режимі. У випадку перевищення рівня шкідливих речовин порівняно з ГДК, включається витяжна загальнообмінна або місцева вентиляція, після чого проводиться порівняння даних з датчика з еталонними значеннями. Якщо значення відповідає потрібним, мікроконтролер надсилає сигнал на відключення вентиляторів. Уся ця інформація відображається на дисплеї оператора. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 44 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Рисунок 3.3 – Блок-схема системи контролю ГДК шкідливих речовин 3.2 Структура автоматизованої системи керування Функціональна схема автоматизації (ФСА) є ключовим документом, який надає упрощене зображення технологічної схеми процесу, який підлягає автоматизації. Цей документ сприяє розумінню та аналізу всіх етапів автоматизованого процесу, включаючи взаємодію між компонентами системи та контрольними сигналами. Функціональна схема детально описує функціональні блоки, сенсори, приводи, перетворювачі та інші елементи, які використовуються в автоматизованій системі. Вона встановлює послідовність операцій та зв'язки між компонентами для забезпечення ефективного функціонування процесу. ФСА є обов'язковим інструментом для проектування, впровадження та підтримки автоматизованих Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 45 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата систем, що допомагає інженерам та технічним спеціалістам уникнути непорозумінь та помилок у процесі розробки та експлуатації системи. Автоматизація системи виконана відповідно до технічного завдання. Функціональна схема наведена на рисунку 3.4. Вона послуговує для пояснення процесів, які відбуваються у системі, та розраховує всі необхідні сигнали для точного та правильного керування системою, включаючи шафу управління. Крім того, ці схеми допомагають визначити кількість дискретних або аналогових входів та виходів, необхідних для оптимального підбору контролера з використанням додаткових модулів. Рисунок 3.4 – Функціональна схема обладнання У систему входять такі компоненти: − Заслінки припливного і витяжного повітря з електроприводом. − Фільтр для очищення повітря. − Пластинчастий рекуператор. − Електропривод байпасного клапану з напругою 220 В та пружиною повернення. − Вентилятори припливного і витяжного повітря. − Водяний калорифер. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 46 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата − Водяний охолоджувач. − Змішувальний вузол для подачі гарячої та холодної води за допомогою насоса. − Циркуляційний насос з датчиком зворотної води. − Датчик температури повітря. − Автоматизований щит управління. − Датчики швидкості потоку повітря та концентрації газів. − Програмований логічний контролер (ПЛК). Рисунок 3.5 – Електрична принципова схема Розроблена принципова електрична схема силової частини (рисунок 3.5). Дана схема використовується для збирання щита управління та подальшого обслуговування. 3.3 Розробка структурної схеми В тепличних господарствах важливим завданням є стеження та регулювання мікроклімату. Це не лише впливає на високу урожайність, але й може призвести до Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 47 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата загрози втрати врожаю, особливо в холодну пору року. Тому системи моніторингу та регулювання мікроклімату є ключовим елементом в теплицях. Ефективне використання цих систем дозволяє досягати високої продуктивності протягом короткого періоду часу. Крім того, використання системи моніторингу дозволяє проводити дослідження ефективності роботи системи та виявляти фактори, що можуть сповільнювати зріст рослин. Це особливо важливо для комерційних теплиць, оскільки клієнти цих господарств очікують безперебійного та стабільного постачання якісної продукції. Систему моніторингу та регулювання мікроклімату можна розділити на дві частини: систему моніторингу та систему керування. Система моніторингу призначена для збору, аналізу, відображення та архівування даних з теплиці. Система керування відповідає за регулювання мікроклімату, використовуючи різні кліматичні установки, такі як системи охолодження, нагрівання та осушення повітря. З урахуванням того, що великі теплиці мають декілька незалежних кліматичних установок, кожна з яких відповідає за свою частину теплиці, система керування реагує на дані з системи моніторингу, щоб забезпечити оптимальний мікроклімат у кожній зоні теплиці. Наприклад, при холодному північному вітрі чи сильному південному сонці активуються лише ті установки, які відповідають за відповідний сегмент теплиці. Крім того, шляхом використання вентиляторів можна перемішувати повітря в теплиці для створення рівномірних температур по всьому об'єму. Враховуючи, що рослини потребують достатнього освітлення для ефективного росту, особливо в місяці з недостатньою сонячною активністю, системи освітлення виробляють значну кількість тепла. Регулюючи тривалість і періоди освітлення, можна впливати на температуру в теплиці. Також слід враховувати, що освітлення завжди впливає на температуру, тому раціональне управління цими системами може значно підвищити ефективність використання енергії. На рисунку 3.6 представлена структурна схема системи керування мікрокліматом. Під час розробки цієї схеми було враховано варіант теплиці, Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 48 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата розділеної на 4 сектори, кожен з яких обладнаний власною кліматичною установкою. Ці установки можуть працювати незалежно одна від одної. Рисунок 3.6 – Структурна схема системи керування мікрокліматом теплиці На цій структурній схемі можна виділити наступні компоненти: модулі збору даних (1); сенсори вологості та температури (2); головний контролер (3); модулі керування кліматичними установками (4); кліматичні установки (5). Сенсори (2), що представляють собою комбіновані датчики вологості та температури, збирають інформацію про температуру та вологість у визначеному секторі. Ця інформація перетворюється в цифровий формат за допомогою модуля збору даних і передається через інтерфейс RS485 до головного контролера (3). Команди керування від головного контролера передаються до модулів керування кліматичними установками (4) також через інтерфейс RS485, де формуються сигнали керування для кліматичних установок (5). Головний контролер (3), використовуючи зібрані дані та відповідно до заданого алгоритму, регулює мікроклімат у теплиці. Проте при великій площі Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 49 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата теплиці для отримання надійної інформації про стан мікроклімату кількість сенсорів повинна бути значною. Наприклад, за рахунок природньої конвекції температура на різних рівнях теплиці може значно відрізнятися, і при недостатній кількості сенсорів на сектор не вдасться адекватно оцінити ситуацію. Автономний контролер поливу кімнатних рослин представляє собою компактний пластмасовий корпус розміром 130х70х40 мм. У складі цього пристрою містяться 2 Li-Ion акумулятори, водяна помпа, плата контролю поливу Digispark, плата для заряду акумуляторів, 2 трубки на вхід і вихід, а також сонячна панель, яка кріпиться зверху корпуса. Використання такої системи поливу кімнатних рослин є зручним та економічним, оскільки вона споживає дуже мало електроенергії і живиться виключно від сонячної енергії. У системі також присутні індикатори заряду, які вказують залишковий рівень заряду акумуляторів, а також індикатор, що показує, чи йде заряд від сонячної панелі. Наявність спеціального додаткового обладнання та використання власних програмних бібліотек дозволяє постійно удосконалювати цей пристрій та надавати йому нові функціональні можливості, що робить його ще більш корисним для використання у побуті. У процесі розробки системи поливу використовувалися наступні пристрої та програмне забезпечення: − Паяльна станція; − Витратні матеріали; − Контролер Digispark ATtiny 85; − Акумуляторні батареї 18650 (2 шт.); − Контролер заряду для акумуляторів; − Драйвер MOSFET на транзисторі IRF520; − Сонячна панель; − Помпа для забору води; − Середовище розробки Arduino IDE; − Пластмасовий корпус; Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 50 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата − Дроти типу мама/папа. Процес створення макета складається з чотирьох етапів: 1. Розгляд окремих частин, що складатимуть макет. 2. Написання програми для функціонального блоку. 3. З'єднання всіх частин. 4. Написання програмного забезпечення та налагодження. Нижче наведена блок-схема (рис. 3.7), за якою будується система поливу кімнатних рослин. Оскільки обладнання обмежене та повинно поміщатися у невеликий корпус, всі модулі підключаються між собою та монтується в корпусі. Після цього розробляється програмне забезпечення для керування головною платою та його програмування. Рисунок 3.7 – Блок схема системи поливу Оскільки створення готової для використання системи автоматизованого поливу потребує значних фінансових вкладень, у роботі представлена лише початкова версія макета майбутньої системи. Це означає, що пристрій ще відкритий Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 51 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата для подальшого удосконалення та розширення функціональності. Хоча обрані рішення вже працюють, під час їх практичної реалізації можуть виявитися недоліки. Тому результати роботи слід розглядати як макет для демонстрації, який дозволяє перевірити працездатність системи як окремих компонентів, так і в комплексі з усіма датчиками. На основі результатів такого тестування буде зрозуміло, які зміни або доповнення необхідно внести до системи. Під час розробки прототипу майбутньої системи поливу, де ще не важливо остаточне розташування та приховання окремих компонентів, можна зосередитися на основних функціях та зв’язках між елементами. 1. Розташування елементів: У цій фазі можна не приділяти увагу точному розташуванню елементів у корпусі або на платі. Головна мета полягає в перевірці функціональності системи, а не в її зовнішньому вигляді. Тому можна залишити елементи розташованими так, як це зручно для підключення та налагодження. 2. Маскування елементів: Не потрібно витрачати час на маскування або обробку корпусу. Важливіше забезпечити легкий доступ до елементів для зміни та усунення неполадок під час розробки. 3. З'єднання провідниками: Для з'єднання між платами та елементами можна використовувати провідники, оскільки напруга не перевищує 5 В. Це дозволить просто та ефективно встановлювати та замінювати плати, а також забезпечить безпечну передачу даних у межах вказаного діапазону напруги. Враховуючи ці аспекти, розробник може швидше та ефективніше приступити до тестування та налагодження прототипу системи поливу, не витрачаючи зайвий час на деталі, які можуть бути змінені в майбутньому. Для розміщення мікроконтролера був спроектований спеціальний корпус з можливістю кріплення до стіни. Він складається з двох частин, що робить його зручним у використанні. В корпусі передбачені отвори для проводів живлення та для гофрованої труби для проводів, які з’єднують мікроконтролер із датчиками та клапанами. Модель корпусу без верхньої кришки зображено на рисунку 3.8. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 52 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Рисунок 3.8 – 3D модель корпусу без кришки Проводи, що з'єднані з платою з мікроконтролером, прокладаються через спеціальні отвори в корпусі, на якому плата закріплюється за допомогою чотирьох гвинтів. Сам корпус кріпиться до стіни чотирма саморізами або дюбелями. Проводи з'єднуються з датчиками та клапанами відповідно. Після запуску системи в тестовому режимі та перевірки на працездатність кришка корпусу закручується за допомогою двох гвинтів. Система готова до використання і почне працювати згідно з налаштуваннями, зробленими користувачем. Перевірка працездатності системи включає збір макета та завантаження програмного забезпечення на мікроконтролер. Після встановлення параметрів поливу, таких як тривалість та час запуску, необхідно перевірити роботу системи на відповідність цим налаштуванням. Для підтвердження її працездатності система повинна розпочати полив у встановлені години за умови відповідності всім параметрам (часу поливу, температурі повітря, вологості ґрунту) і зупинитися після закінчення заданого періоду. Оскільки це лише прототип, усі з'єднання будуть здійснюватися через роз'єми, які не закріплені жодним способом кріплення, тому необхідно постійно перевіряти надійність контактів. Згідно з бажанням користувача, можна закріпити з'єднувальні проводи паянням (що унеможливлює подальші зміни) або застосувати звичайні провідні з'єднання. Після налаштування всіх датчиків і проведення тестування була підтверджена працездатність системи за різних умов, що відповідає вимогам проекту. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 53 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Розширення можливостей системи поливу за допомогою встановлення панелі керування на корпусі та додавання автономного таймера може значно підвищити зручність та функціональність системи. Розглянемо ці можливості детальніше: 1. Панель керування на корпусі: − Можливості: Панель керування на корпусі дозволить оператору легко налаштовувати режими поливу, регулювати час та тривалість поливу, а також отримувати інформацію про стан системи без потреби підключення до зовнішнього пристрою. − Зручність: Це зробить процес налаштування та керування більш зручним та інтуїтивно зрозумілим для користувача, оскільки всі необхідні опції будуть доступні безпосередньо на корпусі системи. 2. Автономний таймер: − Регулярність поливу: Додавання автономного таймера дозволить програмувати систему для автоматичного поливу в певні дні тижня або в певний час, що забезпечить регулярний та систематичний полив рослин. − Ефективність використання води: Таймер може оптимізувати використання води, регулюючи тривалість та інтервали поливу в залежності від потреб кожного типу рослин або умов погоди. − Енергозбереження: Автономний таймер може включати та виключати систему поливу згідно з заданим розкладом, що дозволяє зберігати енергію та продовжувати роботу системи лише в потрібний час. Додавання панелі керування та автономного таймера до системи поливу робить її більш гнучкою, зручною та ефективною. Такі функції дозволять оптимізувати полив рослин, забезпечуючи їм необхідну кількість вологи в точно визначений час та сприяючи їхньому здоров’ю та зростанню. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 54 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата ВИСНОВКИ У даній роботі після проведення дослідження відповідно до поставлених цілей можна зробити наступні висновки. Досліджено загальні аспекти сучасних систем поливу рослин та їх застосування в різних сферах життя. Це включає аналіз різноманітних технологій та методів поливу, від традиційних систем зрошення до сучасних автоматизованих систем, які працюють на основі сенсорів та програмного забезпечення. Досліджено, як ці системи використовуються в сільському господарстві, садівництві, ландшафтному дизайні, а також у побуті та міському середовищі. Виявлено необхідність використання систем поливу для вирішення певних завдань. Це означає, що існують конкретні проблеми, для яких системи поливу є ефективними рішеннями. Наприклад, збереження води, забезпечення оптимального рівня зволоженості для рослин, збільшення врожайності у сільському господарстві, забезпечення красивого вигляду саду чи газону без великого зусилля від людини. Це дослідження дозволяє зрозуміти, які саме завдання можна вирішити за допомогою систем поливу та які переваги вони можуть принести у різних галузях та сферах життя. Проведено детальний аналіз систем контролю та поливу рослин в кімнатних умовах та їхній технологічний розвиток. Це включало вивчення різних типів систем поливу, від простих механічних до складних автоматизованих, що використовують сучасні технології. Аналіз також охоплював роль сенсорів, контролерів та програмного забезпечення у поливі рослин, а також огляд історії їхнього розвитку та поточних тенденцій. На основі проведеного аналізу було прийнято рішення розробити бюджетну систему поливу кімнатних рослин, яка працює від відновлюваного джерела енергії. Ця система має бути придатна для використання в побуті та на невеликих садибних ділянках, де доступ до традиційних джерел енергії може бути обмеженим або недоступним. Враховуючи зростаючий інтерес до екологічно чистих технологій та енергозбереження, використання відновлюваних джерел енергії для систем поливу може бути цікавим та перспективним напрямком розвитку. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 55 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Показано різноманітні варіанти реалізації головних компонентів системи поливу та проведено їх детальний аналіз. Наведено приклад побудови прототипу та результати практичних тестів. Встановлено, що система поливу може працювати тривалий час та використовувати енергію сонця для автономної роботи. Попри технічні складності та високу собівартість деяких систем поливу, розвиток у цій галузі має великий потенціал. Оптимальне налаштування та використання систем поливу дозволяють досягти найкращих результатів. Швидкий розвиток технологій передбачає подальше поліпшення пристроїв та їх більше широке використання при зменшенні собівартості. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 56 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 1. Adger N. Strategic Assessment of the Impacts, Damage Costs, and Adaptation Costs of Climate Change in Europe. Adaptation and Mitigation Strategies: Supporting European Climate Policy (ADAM project) / N. Adger, A. Wreford, M. Hulme // Tyndall Centre for Climate Change Research. – 2023. – Technical Report №7. – 20 p. 2. Bell S. Sustainability Indicators: Measuring the Immeasurable / S. Bell, S. Morse. – Earthscan, London. – 2019. – P. 407–412. 3. Carr E. Applying DPSIR to sustainable development. / E. Carr, P. Wingard, S. Yorty, M. Thompson, N. Jensen, J. Roberson // Sustain, Dev. World Ecol. – 2019. – № 12. – P. 543–555. 4. Dmytrenko V.P. Fruitfulness of Climate is the Basis of the General Concept of Agrometeorological Adaption Strategies to Climate Variability and Climate Change / V. P. Dmytrenko // Contributions from Members on Operational Applications in Agrometeorology and from Discussants: «Agrometeorology in the 21 st Century Needs». Commission for Agricultural Meteorology. CAgM Report No. 77b. – WMO/TD No. 1029. Geneva, Switzerland, May 2021. – P. 43–45. 5. Graedel T. E. Atmosphere, Climate and Change / T. E. Graedel, P. J. Crutzen. – New York: W.H. Freeman, 2020. – 208 p. 6. Агроекологічна стандартизація та нормування витрат ресурсів у зрошуваному землеробстві: монографія / Р.А. Вожегова, І.М. Біляєва, С.В. Коковіхін та ін. – Херсон: Грінь Д.С., 2020. – 220 с. 7. Алимов О.М. Економічний розвиток України: інституціональне та ресурсне забезпечення: монографія / О.М. Алимов, А.І. Даниленко, В.М. Трегобчук. – К.: Об’єднаний інститут економіки НАН України, 2019.– 540 с. 8. База даних об’єктів права інтелектуальної власності, створених в Інституті зрошуваного землеробства НААН для трансферу їх агропромислове виробництво / Вожегова Р.А., Лавриненко Ю.О., Малярчук М.П., Біляєва І.М. та ін. – Херсон: Айлант, 2022. – 33 с. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 57 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 9. Балабанова Л.В. SWOT–аналіз – основа формування маркетингових стратегій: Навчальний посібник / За ред. Л.В. Балабанової. – 2-ге вид., випр. і доп. (Вища освіта ХХІ ст.) – К.: Знання, 2020. – 301 с. 10. Балюк С.А Концепція екологічного ризику деградації ґрунтового покриву України / С.А. Балюк, Г.А. Верніченко // Вісник аграрної науки. – 2022. − № 6. − С. 5–11. 11. Біляєва І.М. Індексний аналіз теплоенергетичних чинників та продуктивності зрошення за різних схем технологічного процесу / І.М. Біляєва // Онтогенез – стан, проблеми та перспективи вивчення рослин в культурних та природних ценозах : Міжнар. конф., тези доп. : Присвячена 110 річчю від дня народження декана агрономічного факультету Ліпеса Веніаміна Ельєвича (10–11 червня 2019 р). – Херсон : РВЦ «Колос», 2019. – С. 77–78. 12. Біляєва І.М. Моделювання показників рухомих форм мікроелементів в темно–каштанових ґрунтах Південного Степу України за тривалого зрошення / І.М. Біляєва // Збірник тез Міжнародної наукової Інтернет– конференції «Олійні культури. Тенденції та перспективи» (1 листопада 2019 р.). – Запоріжжя: ІОК НААН, 2019. – С. 77–79. 13. Власова О.В. Отримання просторового розподілення даних для планування зрошення / О.В. Власова // Таврійський науковий вісник. – 2020. – Вип. 41. – С. 137–143. 14. Вожегова Р.А. Адаптування систем зрошуваного землеробства до локальних та регіональних умов Південного Степу України та глобальних змін клімату / Р.А. Вожегова, І.М. Біляєва // Таврійський науковий вісник: Науковий журнал. – Херсон : Грінь Д.С., 2019. – Вип. 97 – С. 32–37. 15. Вожегова Р.А. Актуальні проблеми та перспективні напрями розвитку зрошення в Україні та світі в умовах змін клімату / Р.А. Вожегова, І.М. Біляєва // Таврійський науковий вісник: Науковий журнал. – Херсон : Грінь Д.С., 2021. – Вип. 95 – С. 40–46. 16. Вожегова Р.А. Зрошення в Україні: реалії сьогодення та перспективи відродження / Р.А. Вожегова, С.П. Голобородько, Л.М. Грановська // Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 58 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Зрошуване землеробство: Міжвідомчий тематичний науковий збірник. – Херсон: Грінь Д.С., 2023. – № 60. – С. 3–12. 17. Вожегова Р.А. Інноваційні напрями розвитку зрошуваних меліорацій в умовах Південного Степу України / Р.А. Вожегова, І.М. Біляєва, С.В. Коковіхін // Таврійський науковий вісник: Науковий журнал. – Херсон: Грінь Д.С., 2020. – Вип. 96. – С. 31–40. 18. Геоінформаційні системи для управління зрошуваними землями. Навчальний посібник / В.О. Ушкаренко, В.В. Морозов, В.В. Колесніков, В.І. Ляшевський, О.П. Тищенко. – Херсон: ЛТ–Офіс, 2020. – 378 с. 19. Господаренко Г.М. Основи інтегрованого застосування добрив: монографія / Г.М. Господаренко – К.: Неглава, 2022. – 342 с. 20. Гудзь В.П. Адаптивні системи землеробства: Підручник / В.П. Гудзь, І.Д. Примак та ін. – К. : Центр учбової л–ри, 2019. – 334 с. 21. Єгоршин О.О. Методика статистичної обробки експериментальної інформації довгострокових стаціонарних польових дослідів з добривами / О.О. Єгоршин, М.В. Лісовий. – Харків: Друкарня № 14, 2020. – 45 с. 22. Жовтоног О.І. Алгоритм планування зрошення з використанням геоінформаційних технологій / О.І. Жовтоног, О.І. Кириєнко, І.К. Шостак // Меліорація і водне господарство. – 2023. – Вип. 91. – С. 33–41. 23. Жовтоног О.І. Використання інформаційної системи «ГІС Полив» та модулю IRRIMET інтернет–метеостанції для оперативного планування зрошення при дощуванні / О.І. Жовтоног, Л.А. Філіпенко, Т.Ф. Деменкова // Таврійський науковий вісник: Науковий журнал.– Херсон: Грінь Д.С., 2021. – Вип. 92. – С. 159–165 24. Коваленко П.І. Інтегроване управління водними і земельними ресурсами на зрошуваних системах / П.І. Коваленко, О.І. Жовтоног // Вісн. аграр. наук. – 2020. – №11. – С. 5–10. 25. Коковіхін С.В. Актуальні напрями використання інформаційних технологій в сучасному зрошуваному землеробстві / С.В. Коковіхін, К.С. Лисогоров, Л.В. Бояркіна // Зрошуване землеробство. – 2019. – Вип. 51. – С. 31–37. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 59 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 26. Коковіхін С.В. Проблеми інноваційного розвитку зрошуваного землеробства в умовах півдня України / С.В. Коковіхін, І.М. Біляєва, В.Г. Пілярський // Матеріали Всеукраїнської конференції молодих вчених та спеціалістів «Історія освіти, науки і техніки в Україні» присвяченій 130–річчю появи сільськогосподарської дослідної справи як організації та створення Полтавського дослідного поля (22 травня 2022 р.). – К.: Корзун, 222. – С. 259. 27. Микитенко В.В. Інноваційні підходи до оцінки прогнозування ефективності технологій / В.В. Микитенко // Проблеми науки. – 2022. – № 3. – С. 12–14. 28. Писаренко В.А. Ефективність водозберігаючих режимів зрошення сільськогосподарських культур у степовому регіоні / В.А. Писаренко // Наукові основи землеробства в умовах недостатнього зволоження: матеріали наук.–практ. конф. 21–23 лютого 2021 р. – К.: Аграрна наука, 2021. – С. 121– 131. 29. Ромащенко М.І. Управління краплинним зрошенням на основі використання інтернет–метеостанції i–Metos / М.І. Ромащенко, А.П. Шатковський, О.В. Журавльов, Ю.О. Черевичний // Матеріали науково–практичної конференції, присвяченої Всесвітньому дню води «Вода і сталий розвиток»). – К., 220. – С. 9–12. Лист ЧДТУ.242271.001 ПЗ 60 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата