Розробка автономної системи збору та передачі метеорологічних даних (програмна частина)

Мишко, Артур Володимирович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7970

Title:	Розробка автономної системи збору та передачі метеорологічних даних (програмна частина)
Authors:	Палагін, Володимир Васильович Мишко, Артур Володимирович
Keywords:	автономна система предачі метрологічних даних;мікроконтролер stm32;моніторинг навколишнього середовища
Issue Date:	2021
Abstract:	Робота присвячена розробці програмної частини автономної системи для збору та передачі метеорологічних даних. У ході дослідження проведено аналіз існуючих метеорологічних комплексів, обґрунтовано вибір мікроконтролера STM32 F103 на базі ядра Cortex-M3 та розроблено алгоритм функціонування системи. Практична реалізація включає написання програмного коду на мові C++, який забезпечує отримання даних від сенсорів, їх обробку та передачу на сервер, а також передбачає використання інтерфейсу Bluetooth як резервного каналу зв’язку. Розроблена система спрямована на підвищення автономності та надійності моніторингу навколишнього середовища в автоматизованому режимі.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7970
Appears in Collections:	172 Електронні комунікації та радіотехніка (Радіотехніка та робототехнічні системи)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Б_172_Мишко_Палагін.pdf Restricted Access		2.77 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ І РОБОТОТЕХНІКИ
КАФЕДРА РАДІОТЕХНІКИ, ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ І РОБОТОТЕХНІЧНИХ
СИСТЕМ

До захисту допущено
завідувач кафедри РТРС
д.т.н., професор
_______________ В.В. Палагін
"_____" _____________ 2021 року

Пояснювальна записка
до дипломного проекту (роботи)
бакалавра

(освітньо-кваліфікаційний рівень)
на тему “Розробка автономної системи збору та передачі метеорологічних
даних (програмна частина)”

Виконав: студент 4 курсу, групи СКРТ-97
напряму підготовки (спеціальності)
172 – телекомунікації та радіотехніка
(шифр і назва напряму підготовки, спеціальності)

Мишко А.В.
(прізвище та ініціали)
Керівник Палагін В.В.
(прізвище та ініціали)
Рецензент Чепинога В.В
(прізвище та ініціали)

Черкаси – 2021 року

ЗМІСТ
ВСТУП ....................................................................................................................
РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ ФУНКЦІОНУВАННЯ СИСТЕМИ ПЕРЕДАЧІ
МЕТРОЛОГІЧНИХ ДАНИХ .................................................................................
1.1. Види метрологічних систем ......................................................................
1.2. Опис роботи та складу автономної системи реєстрації та передачі
метрологічних даних ...........................................................................................
1.3. Аналіз існуючих рішень ............................................................................
1.4. Постановка задачі ......................................................................................
РОЗДІЛ 2. РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ ПРИСТРОЮ ..........................
2.1. Обґрунтування вибору структурної схеми пристрою ..............................
2.2. Опис структури мікропроцесора ...............................................................
2.3. Вибір середовища програмування ............................................................
2.3.1. Середовище програмування STM32CubeMX. ....................................
2.3.2. Середовище програмування Arduino IDE...........................................
2.4. Висновки.....................................................................................................
РОЗДІЛ 3. РОЗРОБКА ПРОГРАМНОЇ ЧАСТИНИ ПРИСТРОЮ ......................
3.1. Наведення алгоритму роботи пристрою ...................................................
3.2. Обґрунтування роботи окремих вузлів системи ......................................
3.2.1. Обґрунтування роботи давача швидкості руху повітря з
інтерфейсом RS485 ..........................................................................................
3.2.2. Обґрунтування роботи з модулем GSM .............................................
3.2.3. Обґрунтування роботи з модулем Bluetooth ......................................

СКРТ97.021105.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Розроб. Мишко А.В. Розробка автономної Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Палагін В.В.
системи збору та передачі 3 67
Реценз.
метеорологічних даних
Н. Контр. Палагін В.В. ЧДТУ
(програмна частина)
Затверд.
3.3. Програмна реалізація проекту ...................................................................
3.4. Висновки по розділу ..................................................................................
РОЗДІЛ 4. ОХОРОНА ПРАЦІ ...............................................................................
4.1. Аналіз шкідливих та небезпечних факторів, які можуть впливати на
працівника інформаційно-технічної лабораторії...............................................
4.2. Розробка системи кондиціювання повітря лабораторії ..............................
ВИСНОВКИ ...........................................................................................................
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ.........................................................
ДОДАТКИ ............................................................................................................ 3

4

ВСТУП

Альтернативна енергія вітру використовується людством здавна,
прикладом чого є вітряки. Їх сучасний прообраз – вітрова енергетична
установка – використовує перетворення кінетичної енергії рухомих
повітряних мас в електричну енергію. Кілька десятків вітрогенераторів,
об’єднані в одну мережу, утворюють вітрову електростанцію. Це один з
найбільш дешевих видів альтернативної енергетики.
В представленому дипломному проекті розглянуто розробку програмної
частини автономної системи метрологічних даних. Представлена розробка
планується використовуватися в альтернативній енергетиці, в якості пристрою
збору метрологічних даних, але також може слугувати як платформа для
інших цілей. За допомогою цих даних, які він збирає, оприділити доцільність
встановлення вітрогенератора, з тими чи іншими параметрами.
В якості мікроконтролера обраний STM32 серії F103, на основі якого
планується побудувати систему. Даний мікроконтролер володіє високою
швидкодією та має низьке енергоспоживання з широким набором функцій. Це
дозволить системі бути достатньо швидкодійною та енергоефективною.
Завданням даного дипломного проекту є вдосконалення існуючих
прототипів, спрощення виготовлення, збільшення автономності та збільшення
дальності передачі даних.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис 5
Дата

РОЗДІЛ 1
АНАЛІЗ ФУНКЦІОНУВАННЯ СИСТЕМИ ПЕРЕДАЧІ
МЕТРОЛОГІЧНИХ ДАНИХ

1.1 Види метрологічних систем

Метрологічна станція — це пристрій, який збирає та реєструє дані про
атмосферні умови навколишнього середовища. Існує декілька видів
метрологічних станцій. Вони поділяються за представленням сигналу на такі
види:
 аналогові, приклад такої метеостанції наведено на (рис.1.1);
 цифрові, приклад наведено на (рис.1.2.).
В свою чергу також можна виділити їх за способом використання:
 домашні;
 професійні.
Аналогові метеостанції — це, в основному, набір механічних приладів і
аналогових інструментів, таких як :
 термометр - слугує для виміру температури навколишнього
середовища, в погодній станції, можуть використовуватися як:
спиртові, ртутні або механічні;
 гігрометр - в механічних пристроях контролю клімату, працює так
само як і механічний термометр, але відрізняється матеріалом.
Замість біметалічною пружини в сучасних приладах
використовується синтетичний гідрофобний матеріал, який
змінює свої розміри в залежності від вологості повітря;
 барометр - прилад, що вимірює атмосферний тиск.;
Це набір інструментів які використовуються в домашніх метрологічних
системах, так як аналогові метеостанції є досить громіздкими та

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис 6
Дата

дороговартісними , тому вони так обділені у порівняні з професійними. Але
для домашнього використання цілком досить цих трьох приладів.

Рисунок 1.1 Приклад аналогової метеостанції.

В основному аналогові метеостанції є професійними та володіють
більшим набором різних інструментів що значно розширює їхній спектр
вимірювання. Професійні аналогові системи виміру метрологічних даних є
стаціонарними і використовуються лише на спеціальних метрологічних
закладах, які спеціалізуються на погоді та її передбаченні.
Цифрові метеостанції — це прилади що фіксують дані про погодні та
кліматичні умови за допомогою електронних датчиків. Такі метеостанції є не
такими громіздкими як аналогові та більш мобільнішими у плані
повсемістного використання. Будуються такі прилади зазвичай з
використанням мікроконтролерів, які в свою чергу опрацьовують данні що
приходять до них з різних датчиків. Сфера використання таких метеостанцій
набагато більша, ніж у їх аналогових варіантів.
В домашньому використанні такі прилади займають набагато менше
місця та є більш кориснішими завдяки тому що, в них влаштовані також і
годинник і календар також вони можуть передбачати погодні умови на основі

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис 7
Дата

даних, які були зібрані з давачів інформації. Це є великим плюсом в порівнянні
з аналоговими метеостанціями. Також такі метеостанції укомплектовані
дисплеєм який і відображає данні, що приходять до головного блоку. Існують
як дротові так і бездротові домашні метеостанції. В дротових уся інформація з
давачів буде передаватися до головного блоку безпосередньо по дротам, в той
час як у бездротових станціях інформація передається за допомогою
бездротових засобів передачі. У таких метеостанціях також реалізоване
підключення до ПК.

Рисунок 1.2 Приклад цифрової метеостанції.

1.2 Опис роботи та складу автономної системи реєстрації та передачі
метрологічних даних

Будь яка система реєстрації та передачі метрологічних даних повинна
складатися з певного набору давачів, які і будуть реєструвати зміну
метрологічних елементів таких як атмосферний тиск, температура
навколишнього середовища, швидкість та напрям вітру, вологість повітря та
ще деякі величини, що пов’язані з процесами в атмосфері нашої планети. Це
такі величини як вологість та температура грунту, тривалість сонячного
випромінення.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
8
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Датчик температури. Датчик температури — це пристрій який збирає дані
про температуру на вулиці або в приміщенні та надсилає цю інформацію на
ваш дисплей або консоль. Це основний датчик який входить до складу всіх
метеостанцій. Ним можливо вимірювати як внутрішню так і зовнішню
температуру. Ці показники допомагають формувати інформацію про погоду.
Існує два основних типи термометрів:
 термістори - найпоширеніший тип датчиків що використовуються у
метеостанціях. Даний тип датчика є стійким до перепадів. Термістор
виготовлений з циліндричної трубки з оксидів металів. Усередині цього
циліндра знаходиться скло (а іноді і епоксидна смола). Коли
температура зростає, опір всередині циліндра зменшується. Якщо
температура падає, опір зростає. Головний пристрій(контролер)
відслідковує ці параметри і перетворює їх в дані. Потім ці дані
надсилаються в консоль або на дисплей. Вигляд такого датчика наведено
на (рис. 1.3 б).
 термопари виготовляються з двух різних дротів, виготовленими з двух
різних металів. Ці дроти з’єднані між собою на одному кінці. Це
називається вимірювальним переходом. Інший кінець проводів
використовується як еталон. Коли є різниця в температурі на обох
кінцях, напрузі або вихідному струмі. Ці дані передаються на консоль у
вигляді показника температури. Вигляд такого датчика наведено на (рис.
1.3 а).

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис 9
Дата

Рисунок 1.3 Вигляд датчиків температури.
Датчик вологості(гігрометр). Гігрометри — це прилади що
використовуються для вимірювання вологості. При вимірюваннях вологості
також необхідно вимірювати і температуру, оскільки вона впливає на
калібрування електронних датчиків. Тому зазвичай метеостанції включають
датчик, який вимірює як температуру, так і вологість. Існує два основних типи
гігрометрів:
 в аналоговому гігрометрі використовується металева стрічка, з якої
виготовлена котушка. Ця котушка пов'язана з полімером, який поглинає
вологу. При поглинанні вологи полімер розширюється. Це розширення
змушує котушку повертатися. Коли котушка обертається, вона рухає
стрілку, яка показує кількість вологості в повітрі;
 в ємнісних датчиках на дві пластини подається змінна напруга. Залежно
від кількості водяної пари між пластинами, змінюється діелектрична
проникність і відповідно ємність, яка і впливає на реактивний опір
конденсатора.
Датчик тиску(барометр). Барометри використовуються для вимірювання
атмосферного тиску або барометричного тиску в повітрі. Нормальний
атмосферний тиск означає, що погода на вулиці буде приємною. Якщо тиск
падає це означає, що можна очікувати погіршення погодних умов.
Існує 2 типи барометрів:

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис 10
Дата

 ртутний барометр - найпоширеніший. Це скляна трубка з однією
відкритою та закритою стороною. Являє собою U-образно зігнуту
скляну трубку, в якій знаходиться ртуть. Атмосферний тиск визначають
по різниці рівнів ртуті в довгому і короткому відрізках трубки.
 анероїдні барометри безпечніші за ртутні. У такому барометрі
коливання атмосферного тиску сприймаються круглою металевою
коробкою з хвилястими стінками, з якої видалено повітря. Еластичні
стінки коробки при підвищенні тиску прогинаються, при зменшенні
випинаються. Системою передач стінки коробки пов'язані зі стрілкою
приладу. Остання вказує на шкалі приладу, градуйованою в міліметрах
ртутного стовпа, величину атмосферного тиску.
Датчик швидкості руху повітря(Анемометр). Анемометри вимірюють
швидкість вітру надворі. Більшість анемометрів встановлених на
метеостанціях, обладнані флюгером і можуть вказувати напрямок вітру.
Пристрій витримує дуже сильний вітер і може витримувати екстремальні
погодні умови. Існує 2 основних типи анемометрів:
 найбільш поширений тип датчиків анемометра(рис 1.4а), що входять
до комплекту метеостанцій, використовує вітрові чашки для
вимірювання швидкості вітру. Ці вітрові чашки прикріплені до
вертикальної щогли, яка сидить на горизонтальній щоглі. Коли вітер
починає обертає вітрові чашки, анемометр підрахує, скільки разів
вітрові чашки повністю обернуться. Це число обчислюється в дійсній
швидкості вітру, яка, як правило, базується на метрах за секунду.
 другий тип анемометрів практично схожий на попередній, але
використовує лопаті вітряка замість вітрових чашок. Це називається
пропелерним анемометром(рис.1.4б). Більшість портативних
анемометрів використовують лопаті вітряка. Замість того, щоб
рахувати обертання чашок вітру, він підраховує обертання лопатей
вітряка.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
11
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 1.4. Види анемометрів

Якщо система збору метрологічних даних являється цифровою, тоді
можуть використовуватися додаткові датчики в залежності від її призначення
та виробника їх може буди досить велика кількість.
Наведемо декілька їх прикладів .
GSM/WСDMА. GSM модуль зазвичай використовують в професійних
метеостанціях, які працюють віддалено. Він потрібен для зв’язку
метрологічної системи з сервером, для того щоб користувач(оператор)
метрологічної станції міг відслідковувати дані, які збирає станція в режимі
реального часу. В деяких випадках за допомогою GSM зв’язку можливо
здійснювати керування метеостанцією, тобто подавати їй команди на відстані.
WIFI. WIFI модуль частіше використовується в домашніх метеостанціях,
завдяки йому користувач такої метеостанції може керувати нею зі свого
смартфону. Завдяки WIFI можливе використання віддаленого модуля виміру
метрологічних даних, який буде використовуватись зовні, в той час як
головний модуль буде знаходитись всередині будинку.
Bluеtооth. Ще один модуль, який так само може застосовуватись для зв’язку
користувача з метрологічною системою, але уже в меншому радіусі дії. Більше
підходить для тих метрологічних станцій які знаходять поза зоною покриття
сотового зв’язку. Як правило, такі системи будуть записувати зібрані дані на

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис 12
Дата

SD карту, а за допомогою Bluеtооth модуля користувач може скачати їх не
перериваючи роботу метеостанції. Також можливо використовувати для
налаштування метеостанції.
SD-саrd. Модуль SD в метрологічних системах слугує для запису на нього
зібраної інформації про погодні умови. Зазвичай використовується на
віддалених системах збору метрологічної інформації, у яких є потреба в записі
даних як додаткова міра в разі неполадків у зв’язку з сервером.
Модуль реального часу. Модуль часу застосовується в метеостанціях для
того щоб відслідкувати час, в який були зняті ті чи інші дані. Також цей модуль
може застосовуватися в метеостанціях які можуть прогнозувати погодні
умови, та виводити данні на дисплей. Або по своєму прямому призначенні та
просто показувати час на дисплеї.
Дисплей. Дисплей в метеостанціях — це модуль що слугує для виведення на
нього даних, які були зібрані з датчиків. Може бути чорно-білим чи
кольоровим, сенсорним або звичайним та різного розміру. В деяких системах
збору метрологічних даних його може не бути, все залежить від моделі.
Датчик рівня осадків. Датчик рівня осадків це прилад для вимірювання
кількості опадів що випали: дощу, снігу, граду. Сучасні датчики визначають
кількість опадів за одиницю часу, їх інтенсивність, протоколюють і передають
дані вимірювань. Прилади розрізняються за принципом дії, діапазоном
вимірювань, способом установки, можливості вимірювання твердих (сніг,
град) або рідких (дощ) опадів.
Модуль датчика складається з двох частин:
«сенсорна» плата виявлення крапель. Вона відстежує яка кількість вологи
потрапила на неї. По суті, сенсор являє собою простий змінний резистор, який
замикаєтья водою в різних місцях, що викликає зміну опору.
Друга частина датчика - здвоєний компаратор на спеціалізованій
мікросхемі. Його головне завдання - перетворення значення з сенсора в
аналоговий від 0 до 5 вольт, або цифровий сигнал.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
13
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1.3 Аналіз існуючих рішень

Розглянемо декілька існуючих пристроїв, які в деякій мірі схожі на
запропоновану розробку.
Розглянемо метеостанцію під назвою TFА Nеxus(рис.1.5.) яка
позиціонується як домашня метеостанція. Особливостями такої метеостанції є
можливість підключення до 5 додаткових бездротових давачів до головного
блоку, на якому відображається інформація з підключених давачів стан погоди
та має можливість аналізувати тенденцію зміни тиску, фази місяця, як
додаткові функції є точний час та функція будильника. Також дана модель
оснащена USB інтерфейсом, що дозволяє підключити головний блок
метеостанції до ПК.

Рисунок 1.5.TFА Nеxus

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
14
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Характеристики TFА Nеxus
 діапазон температур – в кімнаті від -10 до 60 С та на вулиці від -40 до 80
С;
 вологість – від 1 до 95%;
 діапазон виміру тиску – від 500 до 1100 ГПа;
 швидкість вітру – від 0 да 50 м/с;
 частота зв’язку з блоком давачів– 433 МГЦ;
 дальність зв’язку – до 100 м прямої видимості;
 тип живлення – від адаптера живлення 7.5В та як резервне елементи
типу АА.
Основними перевагами цієї метеостанції є невелика ціна порівняно з
іншими метеостанціями такого класу, простота в налаштуванні та установці.
Мінусом є неможливість віддаленого відслідковування зібраних даних,
наприклад з телефону.
Ціна на таку метеостанцію починається від 360$.
Метеостанція Vаntаgе Prо2 6152СЕU (рис.1.6.)
Vаntаgе Prо2 6152СЕU — це кабельна професійна метеостанція для
прогнозування погоди та еко-моніторингу, що підтримує широкий вибір
вимірювань і сенсорів. Виріб являє собою блок датчиків з опадоміром і
пасивним радіаційним екраном, окремо закріплюється утримувач з датчиками
швидкості і напряму вітру, консоль, яка буде показувати дані вимірювань на
РК-дисплеї.
Ця метеостанція вироблена компанією Dаvis Instrumеnts - відомою
американською компанією ти одним з лідерів у виробництві метеорологічного
обладнання. У різних модифікаціях цього пристрою консоль є як з дротовим
підключенням, так і з бездротовим. В даному випадку консоль дротова, що

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис 15
Дата

підключається до блоку датчиків через стандартний 4-х жильний кабель, що
має в довжину 30 метрів.
Вона має власний архів, в якому може зберігати дані вимірів за тривалий
період часу. Також консоль можна підключити до комп'ютера через USB за
допомогою перехідника WеаthеrLink і через спеціальне програмне
забезпечення переглядати дані з сенсорів і вивантажувати архів вимірювань.
Налаштування також може бути проведена безпосередньо з комп'ютера.

Рисунок 1.6. Комплект поставки метеостанції 6152СЕU
Параметри метеостанції
 атмосферний тиск: від 540 до 1100гПа., з точністю в 1.0гПа.;
 температура повітря в приміщенні: від 0°С до 60°С з точністю в 0.3°С;
 температура повітря зовні: від -40°С до 65°С з точністю в 0.3°С;
 індекс спеки: від -40°С до 74°С з точністю в 1°С;
 відносна вологість повітря в приміщенні: від 1 до 100% з точністю в 2%;
 відносна вологість зовні приміщення: від 1 до 100% з точністю в 2%;
 швидкість вітру: від 1 до 89 м / сек з точністю в 5%.
Перевагою цієї метеостанції є висока точність виміру даних, можливість
встановлення додаткових давачів, та досить висока якість виготовлення.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
16
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Мінусами є висока ціна, складність встановлення та налаштування, так як усі
виміри відкалібровані для американських одиниць.
Ціна на таку метеостанцію починається від 875$.
PСЕ FWS-20N-2(рис 1.7)
Метеостанція PСЕ-FWS 20N є багатофункціональним професійним
приладом для проведення різних метеорологічних вимірювань. Її можна
використовувати вдома в якості побутової метеостанції. Дана метеостанція
дозволить вам виміряти напрямок, силу і швидкість вітру, температуру
повітря, відносну вологість і кількість опадів. Передача даних від датчиків на
метеостанцію виконується на відстані до 100 метрів. Станція оснащена
сучасними засобами для аналізу і прогнозування погоди. За допомогою USB
кабелю ви можете отриману інформацію вивести на комп'ютер.

Рисунок 1.7. Метеостанція PСЕ-FWS 20N

Технічні характеристики:
 швидкість повітря: від 0 до 50 м / с з точністю ± 1 м / с;

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
17
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

 атмосферний тиск: від 300 до 1100 hpа з точністю до ± 3 hPа;
 вологість повітря всередині приміщення: від 1 до 99% зовні: від 1 до
99% з точністю ± 4% (від 20 ... 80%), в інших випадках ± 6%;
 температура навколишнього середовища: зовні: від -40 до + 60°С;
всередині приміщення: від 0 до + 50 °С з точністю ± 1°С;
Превагами такої метеостанції є невисока ціна, стабільність роботи,
простота в налаштуванні та установці. Недоліком цієї метеостанції є
неможливість додаткового встановлення давачів, для розширення її
функціоналу.
Ціна такої метеостанції починається від 200$

1.4 Постановка задачі

В результаті огляду приведених аналогів, було виявлено що вони не
відповідають заданим вимогам.
Запропонована розробка передбачена для використання “зеленій
енергетиці” в якості пристрою за допомогою якого буде визначатися
доцільність встановлення вітрогенератора. На основі тих даних які було
зібрано пристроєм, та за допомогою обробки цих даних на сервері, буде
прийматися рішення про доцільність встановлення вітрогенератора з певними
параметрами.
В плані довготривалості автономної роботи, усі розглянуті вище
метеостанції живляться від адаптеру живлення і лише як запасний варіант
використовують акумуляторні батареї, також в плані передачі зібраних даних
в них обмежений радіус передачі зібраних даних.
Для вирішення цих задач в запропонованій системі, дані будуть
передаватися на сервер за допомогою радіоканалу GSM, а для підвищення
автономності було зменшено кількість функцій та використано сонячну
панель, яка буде заряджати акумуляторні батареї в денний час. Усі

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
18
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

представлені метеостанції є досить дороговартістні та з деякими функціями
які не потрібні в запропонованій специфічній задачі.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис 19
Дата

РОЗДІЛ 2

РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ ПРИСТРОЮ

Згідно до поставленої задачі метеостанція повинна мати можливості для
підключення таких давачів, як давач швидкості вітру, давач атмосферного
тиску, температури та вологості. Збирати дані без втручання користувача
протягом довгого періоду часу та мати вологозахищений корпус.
Всі давачі мають бути розміщенні поза головним блоком, який буде
складатися з мікроконтролера та таких модулів, як Bluеtооth, GSM та модуль
SD-саrd, які будуть розміщенні на одній друкованій платі.

2.1 Обґрунтування вибору структурної схеми пристрою

Опираючись на попередні дані побудуємо декілька структурних схем
пристрою, та зупинимся на тій, яка найбільше підходить. Перший варіант
структурної схеми представлено на рисунку 2.1.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
20
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 2.1. Перший варіант структурної схеми

В даному варіанті, живлення подається на всі блоки схеми не
стабілізованим, що є неправильно, так як кожен блок потребує певного рівня
напруги. Наприклад давач швидкості руху повітря потребує напругу 12В, а
інші блоки 3.3В та модуль GPS потребує від 3.5 до 4.4В. Тому така структурна
схема для запропонованого проекту не підійде.
Розглянемо наступну структурну схему побудовану з урахуванням
помилок попередньої, яку зображено на рисунку 2.2.

Рисунок 2.2. Перший варіант структурної схеми.

В даному варіанті пропонується використати джерело живлення з
напругою в 12В, так як така напруга потрібна для роботи анемометра. Це є
недоліком даної схеми тому що, при пониженні напруги з 12В до 3.3В, яка
потрібна іншим вузлам схеми, будуть вноситися втрати що негативно вплине
на автономність та енергоефективність системи.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
21
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Тому було запропоновано наступний варіант структурної схеми(рис 2.3.),
який враховує всі попередні недоліки.

Рисунок 2.3. Другий варіант структурної схеми

В даному варіанті напруга живлення використовує Li-iоn акумулятори з
напругою живлення 3.8В, далі вона стабілізується до 3.3В та 4В, також вона
подається на DС-DС перетворювач який підвищує її до 12В. Дана схема є
більш енергоефективною за рахунок того, що перетворювач DС-DС буде
працювати не завжди, а тільки тоді коли буде потреба у замірі швидкості руху.
Зібрані дані за допомогою модуля GSM будуть передаватися на сервер за
допомогою радіоканалу, для їх подальшого опрацювання.
Цей варіант і було обрано як фінальний для подальшої побудови системи.

2.2 Опис структури мікропроцесора

Розглянемо структуру таких мікроконтролерів як, STM32 серії F1. Вони
базуються на основі ядра АRM Соrtеx-M3, який характеризується широким

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
22
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

набором периферії та низькою ціною в порівнянні з конкурентами. Це 32-
бітний контролер який виконаний за Гарвардською архітектурою, тобто
пам’ять програм і даних розділено. Він має декілька окремих шин та більш ніж
10 регістрів загального призначення, що дозволяє виконувати декілька
операцій паралельно за один такт, що прискорює виконання програми.
Отже, для початку розглянемо архітектуру ядра Соrtеx-M3 приведену на
рис. 2.4. Його виконано по архітектурі АRMv7-M воно має ієрархічну
структуру.
Його основою є ЦПУ СM3Соrе, яке доповнене такими пристроями, як
контролер вкладених векторних переривань (КВВП), блок захисту пам'яті та
система налагодження і трасування. До складу ЦПУ входять такі блоки як,
АЛП з можливостями апаратного ділення і множенням даних, логіка
керування та інтерфейси для взаємодії з іншими компонентами процесора
Блок захисту пам'яті є опціональним компонентом ядра Соrtеx-M3. Він
дозволяє підвищити надійність вбудованих систем за рахунок захисту
критичної інформації, використовуваною операційною системою, від дії
користувача програм.
Відмінністю архітектури АRMv7-M від попередніх АRM є підтримка
нового набору інструкцій Thumb-2. Цей набір поєднує переваги 16- і 32-бітних
інструкцій, дозволяючи домогтися як продуктивності 32-бітних АRM-
інструкцій, так і високої щільності 16-бітних Thumb-інструкцій.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис 23
Дата

Рисунок 2.4 Структура ядра Соrtеx-M3

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис 24
Дата

Перейдемо до огляду мікроконтролерів сімейства STM32, які нам відомо
побудовані на АRM Соrtеx-M3. Мікроконтролери серії F1 поділяються на дві
групи: «Ассеss» та «Pеrfоrmаnсе».
Характеристики групи «Ассеss»:
 тактова частота ЦПУ 36 МГц;
 3 економічних режими роботи;
 схеми PОR, PDR і PVD;
 вбудований RС-генератор 8 МГц;
 вбудований RС-генератор 32 кГц;
 основний генератор 4 ... 16 МГц;
 спеціальний генератор 32 кГц;
 робочий температурний діапазон -40 ... 85 ° С.
Невисока вартість мікроконтролерів «Ассеss» робить їх ідеальними для
модернізації існуючих 8 або 16 бітних проектів з метою розширення
можливостей обробки інформації, передачі даних і управління.
Характеристики групи «Pеrfоrmаnсе»:
 тактова частота ЦПУ 72 МГц;
 3 економічних режиму роботи;
 схеми PОR, PDR і PVD;
 вбудований RС-генератор 8 МГц;
 вбудований RС-генератор 32 кГц;
 основний генератор 4 ... 16 МГц;
 спеціальний генератор 32 кГц;
 1x USАRT (4,5 Мбіт / сек);
 швидкодія перемикання ліній введення-виведення 18 МГц;
 ШІМ-контролер орієнтований на керування електроприводом;
 2x АЦП;
 робочий температурний діапазон -40 ... 85 ° С або -40 ... 105 ° С.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
25
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Мікроконтролери «Pеrfоrmаnсе» орієнтовані на застосування в
пристроях, які вимагають економічної роботи та підвищеної продуктивності,
а також використовують такі інтерфейси, як USB 2.0 або САN. Наявність у цих
мікроконтролерів 6-канального ШІМ-контролера з можливостями
синхронізації каналів зовнішнім сигналом також орієнтує ці мікроконтролери
на застосування в пристроях керування електроприводами.[4]
Перейдемо до структурної схеми мікроконтролерів STM32, яка
приведена на рисунку 2.5.

Рисунок 2.5. Структурна схема мікроконтролерів STM32 серії F1

Особливості мікроконтролерів STM32
Повністю 32-бітна архітектура: усі регістри 32-бітні, арифметичні
операції працюють із 32-бітними даними; множення 32 x 32 -> 32 виконується
за 1 такт, ділення — за 2-12 тактів. Завдяки цьому СM3 за той же час встигає
зробити більше, ніж 8-ми та 16-бітні МК.
Велика кількість (від 16) регістрів загального призначення. Оскільки
регістри працюють на частоті процесора, а RАM — на меншій, завжди

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
26
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

переважніше працювати з даними в регістрах, а чим їх більше, тим довше
можна обійтися без використання RАM. Тут змагатися з СM3 можуть хіба що
АVR.[5]
STM32 мають відмінну підтримку режимів енергозбереження. Можна
відправити в режим сну як увесь МК, так і окремі його підсистеми.
24-бітний таймер Systiсk. Цей таймер без ШИМ, зате 24-бітний: можна
задавати інтервал спрацьовування в широких межах.
Повноцінна відладка по JTАG або SWD навіть на молодших кристалах.
Повноцінна — означає, можна ставити точки зупинки, переглядати вміст
змінних і регістрів та виконувати програму покроково.
NVIС — Nеstеd Vесtоrеd Intеrrupt Соntrоllеr. Контролер переривань,
який підтримує до 240 переривань, до 256 їх пріоритетів, і забезпечує швидку
реакцію на переривання.
Контролери DMА — Dirесt Mеmоry Ассеss. Дозволяє периферії (UАRT,
SPI, I2С та ін.) читати/писати дані в RАM без участі МК. Тобто, можна дати
завдання контролеру DMА зчитати в зазначений буфер 100 байт по SPI, і це
завдання буде виконуватися в фоні, не завантажуючи МК.
Мікроконтролери мають досить високу щільність коду. Для більшості
нескладних проектів розмір коду буде меншим, чим для багатьох інших МК.
Це досягається за рахунок спеціально розробленого для цих цілей набору
інструкцій Thumb-2.
Загальна орієнтованість набору інструкцій на компілятори мови
програмування С наприклад, наявність команд для табличних переходів (для
swiсth/саsе), бітових маніпуляцій, умовного виконання інструкцій. Усе це
призводить до більш ефективної оптимізації коду компіляторами мови С, а
значить і до більш високої швидкості роботи.

2.3 Вибір середовища програмування

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
27
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Даний розділ присвячено аналізу середовищ програмування, що надають
можливість створювати програмний код для мікроконтролерів STM32.
Основними критеріями буде: вільне поширення середовища, простота в
використанні та написанні коду.

2.3.1 Середовище програмування STM32CubeMX.

STM32CubeMX - це графічний генератор коду для мікроконтролерів STM32.
Графічні генератори коду дозволяють піти від рутинного написання
програм. Замість самостійного створення текстових файлів розробник
використовує графічні утиліти, які автоматично формують програмний код.
Прикладом такого підходу є кросплатформенних графічний редактор
STM32CubeMX (рисунок 2.6), що працює на всіх популярних ОС: Windows®,
Linux і OS X®.

Рисунок 2.6 Склад та можливості STM32CubeMX

STM32CubeMX дозволяє:

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
28
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

 створювати і редагувати проекти для мікроконтролерів STM32 з подальшою
генерацією коду для конкретних інтегрованих середовищ: IAR ™ EWARM,
Keil™ MDK-ARM, Atollic® TrueSTUDIO і AC6 System Workbench
(SW4STM32);
 виконувати пошук оптимального мікроконтролера або налагоджувальної
плати з урахуванням особливостей конкретного додатка. Фільтрація
проводиться по різних полях;
 виконувати візуальну настройку висновків мікроконтролера за допомогою
утиліти Pin Wizard з можливістю формування табличного файлу csv для
трасування друкованих плат;
 виконувати візуальну настройку дерева тактування за допомогою утиліти
Clock Wizard, в тому числі - глобальних тактових сигналів і тактових
сигналів периферійних пристроїв;
 виконувати візуальну настройку периферійних блоків і ПО проміжного
рівня, файлової системи, стеків протоколів, операційної системи і так далі за
допомогою утиліти Perepherial and middleware Wizard (вкладка
Configuration). При цьому для генерації коду можуть використовуватися
різні бібліотеки від ST: HAL або LL;
 здійснювати оцінку рівня споживання та тривалість роботи акумулятора при
заданих налаштуваннях мікроконтролера за допомогою утиліти Power
consumption Wizard;
 виконувати автоматичне оновлення як самого середовища STM32CubeMX,
так і використовуваних нею програмних бібліотек STM32Cube для різних
сімейств STM32;
 автоматизувати процес міграції проектів при переході від однієї моделі
мікроконтролера до іншого.
Програма STM32CubeMX значно спрощує роботу програмістів, однак її
можливості не безмежні. Перш ніж рухатися далі, варто відзначити існуючі
обмеження [6]:

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
29
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

 генерований С-код охоплює тільки настройку блоків і периферії
мікроконтролера. Це означає, що алгоритмічну частину програми
автоматично згенерувати не можна, її потрібно буде дописати вручну;
 STM32CubeMX допоможе створити тільки стартову конфігурацію. Іноді в
процесі роботи користувачу потрібно змінити частоту роботи
периферійного блоку або змінити конфігурацію виведення. Все це
доведеться прописувати самостійно;
 для генерації коду використовуються стандартні, розроблені ST,
бібліотеки нижнього рівня (HAL і LL) і проміжного рівня, наприклад,
StemWin або STM32_USB_Device_Library;
 в процесі генерації файл вибудовується таким чином, що для користувача
виділяються спеціальні секції, в які він може поміщати свій код. Якщо
користувальницький код виявиться поза цими рамками - він буде затертий
при наступних генераціях;
 існують і інші обмеження для окремих блоків, для більш детального
ознайомлення з якими слід звернутися до інструкції по STM32CubeMX.
Головною особливістю С-генератора в STM32CubeMX є можливість
використання як HAL-, так і LL-драйверів. HAL - набір абстрактних драйверів,
що забезпечують максимальну кроссплатформенність серед контролерів
STM32. При цьому деякі драйвери є абсолютно універсальними (підходять до
всіх контролерам STM32), а частина може бути застосована тільки до окремих
лінійок з відповідними периферійними блоками (наприклад, блоками
шифрування).
Головними перевагами HAL є [7]:
 максимальна кроссплатформенность;
 функціональна орієнтованість. Ці драйвери орієнтовані не на роботу з
окремими блоками контролера, а на виконання конкретних завдань. Це дає
можливість працювати не з регістрами, а з осмисленими функціями;
 не потрібно глибокого знання архітектури мікроконтролера.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
30
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Разом з тим, у HAL є і недоліки: значний обсяг коду, недостатня
оптимізація виконання завдань, порівняно мала швидкодія. Якщо ці недоліки
є критичними, то слід використовувати LL-драйвери.
Low Layer APIs (LL) - апаратно залежні драйвери, що дозволяють
безпосередньо працювати з периферією контролера, в тому числі
використовувати inline-функції і виконувати атомарний доступ до регістрів
[7]. Такий підхід не вимагає значних витрат пам'яті, функції виходять
максимально короткими і ефективними за швидкістю. Очевидними
недоліками LL-драйверів є зниження сумісності коду при переході від одного
контролера до іншого і необхідність глибокого знання особливостей
архітектури контролера.
В рамках одного і того ж проекту на STM32CubeMX можна одночасно
використовувати як HAL так і LL, але для різних периферійних блоків.

2.3.2. Середовище програмування Arduino IDE.

Arduino IDE - програмне забезпечення для користувачів, що дозволяє
писати свої програми (скетчі) для платформи Arduino. Ця платформа в першу
чергу орієнтується на конструкторів-любителів, які застосовують Arduino для
побудови простих систем автоматики і робототехніки.
Для програмування в Arduino IDE використовується спрощена версія мови
C ++ з зумовленими функціями. Як і в інших Сі-подібних мовах
програмування є ряд правил написання коду. Ось самі базові з них:
 після кожної інструкції необхідно ставити знак крапки з комою (;);
 перед оголошенням функції необхідно вказати тип даних, що
повертається функцією або void якщо функція не повертає значення;
 так само необхідно вказувати тип даних перед оголошенням змінної;
 коментарі позначаються: // Рядковий і / * блоковий * / ;
Як і у випадку з більшістю плат, випущених НЕ Arduino, необхідно
виконати невелике налаштування, перш ніж плату можна буде

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
31
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

використовувати з Arduino IDE. Це включає в себе установку файлу плати або
через менеджер плат Arduino, або завантаження з Інтернету і копіювання
файлів в папку обладнання. Маршрут до Board Manager є менш стомлюючим,
і оскільки STM32F1 входить в число перерахованих плат, ми підемо цим
шляхом. Потрібно перейти в Файл - Налаштування, (File - Preferences) і ввести
наступне посилання
(http://dan.drown.org/stm32duino/package_STM32duino_index.json) в поле, як
зазначено нижче, на рисунку 2.7.

Рисунок 2.7. Налаштування Arduino IDE для мікроконтролера STM32

Тепер потрібно зайдіти в Інструменти - Плата - Менеджер плат (Tools -
Board - Board manager), відкриється діалогове вікно з панеллю
пошуку(рис2.8.). Знайти STM32F1 і встановити відповідний пакет. Процедура

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
32
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

встановлення займе кілька секунд. Після цього плата повинна бути доступна
для вибору в списку плат Arduino IDE.
Код буде написаний так само, як будь-який інший скетч для проекту
Arduino, з тією лише різницею, що тут трохи інакше посилання на висновки
мікроконтролера. Перевагою використання Arduino IDE, є велика кількість
написаних бібліотек та підтримка багатьох плат.

.

Рисунок 2.8 Панель пошуку плати.

В якості програмування використовується такий фреймворк, як
stm32duino. Це спеціальний бутлоадер, який дозволяє заливати прошивку
через USB, без використання зовнішніх компонентів типу ST-Link або USB-
UART перехідника. Що є досить зручно.
Давайте подивимося як працює бутлоадер. Для початку на прикладі
контролерів AVR(рис 2.9.). У мікроконтролерах AVR ATMega під бутлоадер
можна зарезервувати деяку кількість пам'яті ближче до кінця флеша. За
допомогою fuse бітів можна регулювати з якої адреси стартуватиме програма.
Якщо бутлоадера немає - програма стартує з адреси 0x0000.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
33
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 2.9. Бутлоадер для AVR ATMega
Якщо бутлоадер є - він запускається з деякої іншої адреси (скажімо, в
ATMega32 з 0x3C00, якщо розмір бутлоадера обраний в 2к).
Коли бутлоадер зробив свої справи він передає управління основній
програмі з адреси 0x0000. Тобто програма завжди стартує з адреси 0x0000.
Компілятор і лінковщік працюють з урахуванням того, що код буде
знаходиться на початку адресного простору.
У мікроконтролерах STM32 все не так(рис.2.10.). Всі програми стартують з
адреси 0x0800000. Бутлоадер не є чимось особливим. Це така ж програма, яка
стартує з того ж самого початкового адреси. В процесі роботи бутлоадер може
прийняти прошивку (через USB або UART) і записати її за адресами вище ніж
знаходиться сам завантажувач. Ну і, звичайно ж, в кінці своєї роботи передати
управління основній програмі.

Рисунок 2.10. Бутлоадер для STM32

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
34
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Так ось при компіляції прошивки потрібно знати куди ж бутлоадер запише
прошивку і відповідним чином скорегувати адреси.

2.4 Висновки

В результаті написання цього розділу було вирішено такі проблеми, як
вибір структурної схеми за якою і буде побудовано пристрій, розглянуто
структурну схему мікроконтролера, який використовується в якості головного
блоку в запропонованому проекті та задає направлення в виборі основного
середовища для його програмування.
Для цього було обрано Arduino IDE, для якого встановлено фреймворк
stm32duino. В основному це середовище було обрано тому що, його
поширення відбувається безкоштовно, воно просте в використанні, має велику
кількість бібліотек для багатьох давачів та модулів, при написанні програми
код виходить не таким громіздким в порівнянні з тим же STM32CubeMX, хоча
і він має свої переваги.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
35
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

РОЗДІЛ 3
РОЗРОБКА ПРОГРАМНОЇ ЧАСТИНИ ПРИСТРОЮ

В цьому розділі займемося описом алгоритму роботи пристрою,
програмною реалізацією та питаннями які виникають в процесі написання
програмного коду, для даного дипломного проекту.

3.1 Наведення алгоритму роботи пристрою

Згідно тих даних, які було приведено в попередніх розділах був
розроблений наступний алгоритм роботи метеостанції. Основний цикл
алгоритму представлено на рисунку 3.1.
Робота метеостанції починається з ініціювання бібліотек, які було
підключено для використання в проекті. Далі йде перевірка та ініціювання
підключених давачів, тобто це налаштування швидкості роботи через
послідовний порт UART, пошук давачів або модулів, які підключені до шини
I2C та SPI. Після цього відбувається перевірка підключення користувача до
модуля Bluetooth, якщо підключення активне, тоді МК очікує команди на
передачу зібраних даних та передає їх, в разі відсутності такої команди МК
через деякий час, ще раз перевірить чи активне підключення. Якщо
підключення по Bluetooth немає, тоді МК відключає подачу живлення на цей
модуль, та переходить до основної програми. Далі йде збір даних з усіх
підключених давачів, запис зібраних даних на SD-карту в файл з назвою
“buffer”, перевірка можливості встановлення з’єднання з сервером на який
будуть передаватися дані, якщо з’єднання з сервером встановлено дані з файлу
“buffer” передаються на сервер стираються з нього та знову відбувається збір
даних, якщо ж підключення не виявлено відбувається перевірка часу, якщо час
буде дорівнювати 23:59, тоді дані з файлу “buffer” запишуться в інший файл
який в свої назві матиме день, місяць та рік, коли він був створений.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
36
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 3.1. Основний алгорим роботи метеостанції

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
37
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3.2. Обґрунтування роботи окремих вузлів системи

В результаті виконання роботи виникали питання, щодо реалізації функцій
для взаємодії з різними модулями системи. Розглянемо такі питання: як
працювати з давачем швидкості руху по інтерфейсу RS-485, та розглянемо як
налаштувати GSM та Bluetooth модулі.

3.2.1. Обґрунтування роботи давача швидкості руху повітря з
інтерфейсом RS485

RS-485 - це стандарт фізичного рівня. Він визначає наступні параметри
спілкування пристроїв:
 зв'язок кабелем «вита пара» по двох жилах;
 максимальна довжина кабелю 1200 метрів;
 дискретні сигнали (або 1, або 0);
 якщо напруга жили А більше напруги жили В більш, ніж на 200
мілівольт, то сигнал вважається одиницею. Якщо навпаки, то нулем;
 швидкість спілкування може бути до 1 мегабіта на секунду по одній парі
і до 10 мегабіт з двома крученим парам;
 максимальний струм в шині 250 міліампер;
 напруга від -7 до +12 вольт постійного струму;
 в один момент часу може передавати інформацію тільки один пристрій
в мережі.
Тобто, стандарт має на увазі, що на 2-дротову шину (одну виту пару) можна
підключити безліч пристроїв. Але він не описує жодної мову спілкування
устаткування.
Переходимо до більш цікавою речі. Modbus - це вже протокол . Він
визначає правила спілкування пристроїв. Наприклад, він говорить, що один

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис 38
Дата

пристрій має бути ведучим (master), а інші відомими (slave). Ведучий пристрій
посилає в шину зв'язку повідомлення певного формату, в якому або адреса
призначена для потрібного slave пристрою, або повідомлення призначене для
всіх пристроїв. Пристрій slave, на яке відправлено повідомлення, може
відповісти ведучому. Протокол регламентує формат повідомлення, його
довжину, можливі значення елементів повідомлення. Є також контрольна
сума, яка потрібна для перевірки того, що повідомлення дійшло
неспотвореним.

Таблиця 3.1 Параметри інтерфесу RS-485.
Стандартні параметри
RS-485
інтерфейсу
Допустима кількість передавачів
32/32
/ приймачів
Максимальна довжина кабелю 1200 м
Максимальна швидкість зв'язку 10 Мбіт / с
Діапазон напруг "1" передавача +1.5 ... + 6 У
Діапазон напруг "0" передавача -1.5 ...- 6 У
Діапазон синфазного напруги
-1 ... + 3 В
передавача
Допустимий діапазон напруг
-7 ... + 12 В
приймача
Граничний діапазон чутливості
± 200 мВ
приймача
Максимальний струм короткого
250 мА
замикання драйвера
Допустимий опір навантаження
54 Ом
передавача
Вхідний опір приймача 12 кОм
Максимальний час наростання
30% біта
сигналу передавача

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
39
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Але протокол Modbus не регламентує, якими можуть бути самі команди і
яке середовище передачі даних використовується. Є Modbus serial або Modbus
RTU - це робота по RS-485 або RS-232, тобто, по одній перевитій парі кабелів.
Є Modbus TCP - це робота в комп'ютерній мережі TCP / IP, де у кожного
пристрою є IP адреса і порт.
В нашому варіанті давач швидкості руху повітря працює з протоколом
Modbus RTU в напівдуплексному режимі, в такому разу він працює як
відомий, тобто щоб передати якість дані, ведучий пристрій, тобто МК повинен
сам ініціювати цю передачу та отримати відповідь на неї.
Підключатися цей давач буде через конвертер UART-RS485, спрощена
схема показана на рисунку 3.2.

Рисунок 3.2. Схема підключення давача швидкості руху повітря.

Цифровий вихід приймача (RO) підключається до порту приймача UART
(RX). Цифровий вхід передавача (DI) до порту передавача UART
(TX). Оскільки на диференціальної стороні приймач і передавач з'єднані, то
під час прийому потрібно відключати передавач, а під час передачі -
приймач. Для цього служать керуючі входи - дозвіл приймача (RE) і дозволу
передавача (DE). Так як вхід RE інверсний, то його можна з'єднати з DE і
переключати приймач і передавач одним сигналом з будь-якого порту
контролера. При рівні "0" - робота на прийом, при "1" - на передачу.
Приймач, отримуючи на диференційних входах (AB) різниця потенціалів
(U AB ) переводить їх у цифровий сигнал на виході RO. Чутливість приймача

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
40
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

може бути різною, але гарантований пороговий діапазон розпізнавання
сигналу виробники мікросхем приймачів пишуть в документації. Зазвичай ці
пороги становлять ± 200 мВ. Тобто, коли U AB > +200 мВ - приймач визначає
"1", коли U AB <-200 мВ - приймач визначає "0". Якщо різниця потенціалів в
лінії настільки мала, що не виходить за порогові значення - правильне
розпізнавання сигналу не гарантовано. Крім того, в лінії можуть бути і не
синфазні перешкоди, які спотворять настільки слабкий сигнал.
Запит Modbus складається з адреси пристрою (або трансляції), коду
функції, яkкий визначає будь-яку запитувану дію, даних, що повертаються
разом із запитом, та поля перевірки помилок.
Відповідь Modbus складається з полів, які підтверджують, що зроблена
запитувана дія, даних, надісланих разом із відповіддю, та поля перевірки
помилок. Ведений пристрій створить повідомлення про помилку як свою
відповідь, якщо він не зможе виконати запит або якщо помилки вплинули на
отримання повідомлення.

3.2.2. Обґрунтування роботи з модулем GSM

GSM-модуль (Global System for Mobile Communications) використовує
мережу телефонного зв'язку оператора, для отримання і передачі сигналу на
віддалений об'єкт.
За допомогою GPRS, який також підтримують GSM-модулі, можна
обробляти та відправляти дані через Internet. Взаємодія з модулем
здійснюється по інтерфейсу UART за допомогою спеціальних AT-команд.
Кожна AT-команда повинна починатися з двох букв AT , набраних в
будь-якому регістрі: AT , aT , At , at . Команда повинна починатися з нового
рядка. Всі AT-команди синтаксично діляться на 3 основні групи: базові, з
параметром S і розширені.
Базові команди мають наступний синтаксис: AT <x> <n> або AT & <x>
<n> , де <x> є командою, а <n> - переданим параметром (параметрами).

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
41
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Параметр (-и) <n> є необов'язковим і в разі його відсутності буде використано
значення за замовчуванням. Прикладами можуть служити команди наприклад,
ATI , яка повертає ідентифікаційні дані модуля, або команда AT & V повертає
поточну конфігурацію модуля.
Команди з параметром S виглядають наступним
чином: ATS <i> = <m> , де <i> - індекс S-регістра, а <m> - значення, яке
йому необхідно привласнити. У разі відсутності значення <m> , буде
присвоєно значення за замовчуванням. Наприклад, регістр ATS0 відповідає за
кількість гудків перед автоматичним відповіддю на вхідний дзвінок, і,
відповідно, команда ATS0 встановить значення за замовчуванням - 0 ( не
відповідати на виклик), а команда ATS0 = 2 змусить відповідати модуль
автоматично після 2 гудка.
Розширені команди можуть викликатися в декількох режимах:
режим довідки “AT + <x> =?” Модуль повертає список можливих
параметрів і діапазон, прийнятих ними значень;
режим читання стану “AT + <x>?” Модуль повертає поточний стан
параметра;
режим команда запису “AT + <x> = <...>” Команда встановлює значення
параметрів, що визначаються користувачем;
режим виконання команди “AT + <x>” виконання команди;
Як приклад даної групи команд, можна привести команду AT + IPR .
Командою AT + IPR =? можна дізнатися значення, які може приймати
параметр. Командою AT + IPR? можна дізнатися поточну швидкість обміну
даними з модулем, а командою AT + IPR = <...> - задати іншу швидкість.
В одному рядку можна вказувати декілька команд. Всі наступні команди
за виключенням прешої записуються без префікса AT . Після кожної
розширеної команди необхідно ставити крапку з комою. Після базових команд
або команд з параметром S, крапка з комою не потрібна.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
42
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Довжина всього рядка з декількома командами не повинна
перевищувати 556 символів, не рахуючи початкового префікса AT. AT-
командою A / можна повторити попередню команду.
За дублювання в терміналі відправленої команди відповідає параметр
Echo Mode . Для зміни значення цього параметра існує команда ATE <value> ,
де <value> - значення параметра, 0 - вимкнено, 1 – включений. Наприклад,
команда ATE0 відключить цей режим, а команда ATE1 включить.
Для налаштування модуля під наші потреби потрібно застосувати
наступні АТ команди.
"AT+CPIN=pin-code", ця команда розблокує SIM-карту шляхом
введення пін-коду. Щоб перевірити, чи потрібне введення пін-коду, можна
використовувати команду "AT+CPIN?".
"AT+CREG?" Ця команда повертає статус реєстрації модуля в мережі.
Потрібно виконувати її, поки модуль не відповість, що його зареєстровано в
мережі.
"AT+CGATT=1" Змушує модуль підключитися до GPRS. Перевірити, чи
підключений він, можна командою "AT+CGATT?".
"AT+CIPRXGET=1" Включає отримання даних, переданих через
з'єднання, вручну. За замовчуванням цей параметр відключений і дані
передаються в послідовний порт відразу після отримання. Це не дуже зручно,
хоча і не критично - можна налаштувати модуль так, щоб разом з даними він
передавав і заголовки IP, за якими можна визначити, від кого був отриманий
пакет.
"AT+CIPMUX=1" За замовчуванням модуль може встановлювати тільки
одне підключення. Цей параметр включає можливість створювати кілька
підключень. Відправлення та прийом даних будуть відрізнятися тільки на
один параметр - індекс підключення.
"AT+CSTT="internet"" APN - Access Point Name, ім'я точки доступу для
GPRS.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
43
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

"AT+CIICR" Встановлює бездротове підключення GPRS. Може зайняти
деякий час, так що її потрібно виконувати в циклі і перевіряти відповідь.
"AT+CDNSCFG="8.8.8.8","8.8.4.4"" Цією командою встановлюються
сервера DNS, які буде використовувати модуль.
"AT+CIPSTATUS" Крім даних про стан підключень ця команда дає
інформацію про те, чи готовий модуль до установки з'єднань. Так що потрібно
перевірити її відповідь.
Після виконання цих команд модуль буде готовий до роботи.
Встановлення і розрив підключень.
Створення підключення проводиться командою
"AT+CIPSTART=index,"mode","address","port"".
 index вказує порядковий номер підключення, може приймати значення
від 0 до 7.
 mode визначає протокол, який буде використовуватися з'єднанням.
Може бути «TCP» або «UDP».
 address задає адресу сервера. Якщо під час налаштування були вказані
DNS-сервера, то можна використовувати як IP-адреса, так і доменне ім'я.
 port задає порт сервера, з яким буде встановлюватися з'єднання.
Передача даних.
Дані передаються командою "AT+CIPSEND=index,length", де index вказує
підключення, за яким потрібно передати дані, а length задає довжину пакета
даних. Якщо все добре, то модуль у відповідь на команду видасть запрошення
">", після якого потрібно переслати в послідовний порт дані. Як тільки модуль
отримає кількість байт, рівне length, він скаже щось типу "index, SEND OK".
Взагалі, можна не використовувати параметр length, однак у такому випадку
закінчення пакета даних має бути зазначено явно за допомогою символу 0x1A.

3.2.3. Обґрунтування роботи з модулем Bluetooth

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
44
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Модуль працює по протоколу Bluetooth v4.0 BLE (Bluetooth Low Energy
- Bluetooth з низьким енергоспоживанням
Налаштування модуля проводиться передачею в HC-08 по шині UART
простих текстових AT команд. Будь-які зміни в параметрах допускається
виконувати тільки до моменту встановлення сеансу зв'язку з іншими
Bluetooth-пристроями. Протягом активного сеансу зв'язку і до його закінчення,
модуль входить в режим прозорою передачі, при цьому послідовний порт
ставати недоступним для прийому АТ команд. Що вносяться до налаштування
модуля зміни починають діяти моментально. Перебуваючи в відключеному від
харчування стані, все раніше виконані настройки зберігаються.
Успішно виконана команда повертає через послідовний порт відповідь
"ОК" (за винятком команд, службовців перевіркою технічної інформації
модуля. Наприклад, "AT + RX" або "AT + VERSION"). Невірна команда або
команда, яка містить в собі помилки, не буде прийнята модулем, відповідь на
таку команду не буде.
Детальний опис деяких АТ команд HC-08
1. Тестова команда
Команда: AT;
Відповідь: OK;
2. Перевірка основних функцій.
Відображає інформацію про основні параметри, таких як ім'я, роль, швидкість,
адреса, пароль.
Команда: AT + RX;
Відповідь:
name: HC-08 (ім'я bluetooth);
role: Slave (роль головний або другорядний);

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис 45
Дата

baud: 9600, NONE (характеристики UART);
addr: xx, xx, xx, xx, xx, xx (адреса bluetooth);
PIN: 0000000 ( пароль bluetooth);
3. Повернення до заводських налаштувань (за замовчуванням)
Команда: AT + DEFAULT;
Відповідь: OK;
Модуль автоматично увімкнеться знову, відновлюючи параметри
початкових налаштувань. Нова команда може бути прийнята через 200 мсек.
4. Скидання, перезапуск
Команда: AT + RESET;
Відповідь: OK.
Модуль автоматично увімкнеться знову зі збереженням поточних
налаштувань. Нова команда може бути прийнята через 200 мсек.
5. Перевірка версії і дати
Команда: AT + VERSION;
Відповідь: HC-08 V3.1,2017-07-07.
6. Вибір ролі головний / другорядний
Команда: AT + ROLE = x (M - головний, S - другорядний);
Відповідь: OK;
Команда: AT + ROLE =? (Запит поточного значення);
Відповідь: master або slave.
7. Зміна імені Bluetooth
Команда: AT + NAME = HCKJ;
Відповідь: OKsetNAME;
Команда: AT + NAME =? (Запит поточного значення);
Відповідь: HCKJ;
8. Зміна адреси Bluetooth

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
46
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

За замовчуванням, адресою Bluetooth присвоєно MAC-адресу модуля.
Ви можете встановити будь-який інший адресу, що складається максимум з 12
символів шестнадцатиричной системи числення - цифр і / або букв у
верхньому регістрі (числа 0-9, великі латинські A, B, C, D, E, F). Призначення
нового імені "000000000000" повертає значення за замовчуванням.
Команда: AT + ADDR = 1234567890AB;
Відповідь: OKsetADDR;
Команда: AT + ADDR =? (Запит поточного значення);
Відповідь: 12,34,56,78,90, AB;
9. Потужність сигналу передачі
Можливі параметри потужності сигналу:
4 дБм, значення 0 (за замовчуванням);
0 дБм, значення 1;
-6 дБм, значення 2;
-23 дБм, значення 3;
Команда: AT + RFPM = 2;
Відповідь: ОК;
Команда: AT + ADDR =? (Запит поточного значення);
Відповідь: -6dBm;
Струм сигналу потужністю 4 дБм більше 20 мА. У разі використання
мініатюрних "кнопкових" акумуляторів (струм менше 20 мА), при
необхідності їх підзарядки, рекомендується встановлювати параметр
потужності в значення 2 або 3.
10. Параметри послідовної передачі
Зміна тільки швидкості послідовної передачі
Команда: AT + BAUD = 19200
Відповідь: OK19200
Зміна швидкості послідовної передачі і біта парності
Команда: AT + BAUD = 4800, E
Відповідь: OK4800, EVEN

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис 47
Дата

Команда: AT + BAUD =? (Запит поточного значення)
Відповідь: 4800, EVEN
Можливі значення параметра швидкості (б / с): 1200, 2400, 4800, 9600 (за
замовчуванням), 19200, 38400, 57600, 115200.
Можливі значення параметра біта парності: N - без паритету, E - парний
паритет, O - непарний паритет.
Під час прозорої передачі між головним і другорядним модулями на
швидкості 9600 б / с або менше, кожен пакет не повинен перевищувати
максимальне число в 500 байт. Для швидкості 19200 і більше, максимальне
число байт в пакеті знижується.
11. Обмеження зв'язку
Функція може бути використана при побудові систем активних маячків
Команда: AT + CONT = x
Відповідь: OK
Команда: AT + CONT =? (Запит поточного значення)
Відповідь1: Connectable
Відповідь2: Non-Connectable
12. Режим енергоспоживання модуля
Головний (Master)
Струм без з'єднання - 21 мА, струм при з'єднанні - 9 мА.
Перебуваючи в головній ролі, змінювати режими енергоспоживання
неможливо.
Другорядний (Slave)
Команда: AT + MODE = x
Відповідь: OK
Команда: AT + MODE =? (Запит поточного значення)
Відповідь: 0 (1, 2, 3, в залежності від встановленого режиму)
Призначення параметра X:
0 - режим повної швидкості (за замовчуванням). Струм без з'єднання -
8.5 мА, струм при з'єднанні - 9 мА.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис 48
Дата

1 - перший режим енергозбереження. Струм без з'єднання - 340 мкА,
струм при з'єднанні - 1.6 мА.
2 - другий режим енергозбереження. Сплячий режим. Струм без
з'єднання - 0.4 мкА. Не може бути виявлений іншими пристроями. Чи не
встановлює прозору зв'язок без отримання команди пробудження. Струм при
з'єднанні - 1.6мА.
3 - режим змішаного живлення, який використовується для
односторонньої широкомовної передачі даних. Струм без з'єднання 1.2-160
мкА (32 мкА за замовчуванням), безпосередньо залежить від встановленого
інтервалу трансляції, що настроюється командою "AT + TIME".
Для коректного пробудження модуля, в уникненні можливих втрат або
спотворень даних, рекомендується передавати 10-байтовий шістнадцятковий
код "0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF".
Після команди пробудження, до встановлення прозорої передачі, модуль
знаходиться в активному стані 5 хвилин, після чого повертається в початковий
режим. Якщо на отримання даних через UART потрібно більше часу, таймер
модуля перезапускается ще на 5 хвилин.
13. Широкомовні дані (другорядний режим)
Команда: AT + AVDA = xxxxxxxxxxxx
Параметр "xxxxxxxxxxxx" - рядок призначених для користувача даних,
довжиною від 1 до 12 байт. UART-порт головного модуля, що знаходиться в
режимі AT + CONT = 1, в момент широкомовної трансляції виведе дані
"xxxxxxxxxxxx". Отримані дані зберігаються в головному модулі до його
перезапуску.
Команда: AT + AVDA = 1234567890AB
Відповідь: OK
У цей момент головний модуль виведе інформацію: "12345 67890AB".
14. Очищення адреси Bluetooth
Головний модуль, встановлюючи з'єднання з другорядним, отримує від нього
адресу Bluetooth і зберігає у своїй пам'яті. У разі необхідності встановлення

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
49
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

підключення з іншим другорядним модулем, Bluetooth-адреса попереднього
потрібно видалити з пам'яті головного.
Команда: AT + CLEAR
Відповідь: OK

3.3. Програмна реалізація проекту

Після того як було розроблено алгоритм роботи пристрою та розглянуті
деякі моменти з окремими модулями можна навести написаний програмний
код проекту, який буде записано в МК.

3.4. Висновки по розділу

В даному розділі було описано, на основі якого алгоритму буде працювати
наша система, також розглянуті деякі особливості окремих модулів системи, а
саме як налаштувати їх для правильної роботи в системі, або те яким чином
налагодити взаємодію з пристроєм на основі протоколу підключення Modbus.
Після цього на основі цих знань було написано програмну реалізацію
проекту в середовищі програмування Arduino IDE.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
50
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

РОЗДІЛ 4
ОХОРОНА ПРАЦІ

4.1 Аналіз шкідливих та небезпечних факторів, які можуть впливати на
працівника інформаційно-технічної лабораторії

В даному розділі бакалаврської роботи розглядаються можливі шкідливі
фактори які можуть впливати на проектувальника, що працює в інформаційно-
технічній лабораторії. В роботі розробляється проект системи збору та
передачі даних за допомогою комп’ютерних засобів моделювання. Тому,
виникає потреба у застосуванні сучасного персонального комп’ютера, як
невід’ємної складової для обрахунку і аналізу складних формул і алгоритмів в
даній роботі.
Робота з комп’ютером призводить до необхідності тривалого
споглядання за даними на моніторі, оскільки потрібно моделювати поставлені
задачі, сприймати отримані результати і правильно виконувати роботу. З цих
причин виникає гостра потреба в гігієнічній, раціональній та безпечній
організації праці інженера-проектувальника під час роботи з комп’ютерною
технікою. І для того щоб запобігти негативному впливові на працівника
потрібно звернути особливу увагу на фактори виробничого середовища, які
безпосередньо та побічно впливають на працюючого.
За рівнем фізичних навантажень робота за комп’ютером класифікується
як легка фізична робота (категорія І) – робота з витратою 120 – 150 ккал/год. –
категорія І а.
В лабораторії розташовані три робочих місця обладнані для
розташування на них комп’ютерів. Перед працівниками розміщені 24″
рідинно-кристалічні монітори, відстань від очей до монітора становить
близько 80 см, кут зору 35˚ у вертикальній та горизонтальній площині.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
51
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Розміри лабораторного приміщення становлять: довжина 6 м, ширина 4
м, висота від підлоги до стелі 3 метри, загальна площа аудиторії 24 м2, площа,
яка припадає на одну людину становить 8 м2. Об’єм приміщення складає: 72
м3, об’єм який припадає на одну людину становить 24 м3. Розміри приміщення
відповідають вимогам ДБН В.2.2.28-2010.
Світло займає одне з перших місць серед багатьох чинників зовнішнього
середовища, що впливають на організм людини під час праці. Воно має
властивість не лише впливати на органи зору, а й на організм в цілому, тому
при діяльності втомлюваність очей залежить в основному від характеристик
зорової праці. При роботі з комп’ютером використовувалося приміщення з
однобічним природним освітленням, з південно-східною орієнтацією
віконного отвору. Розмір вікна приміщення становить 2×1,5 м. Робочі столи
працівників розміщені так, що природне світло освітлює їх з лівої сторони.
Вікно завішене шторками, які запобігають виникненню відблисків,
затемнених плям на моніторах при попаданні прямого світла.
Важливе значення мають параметри мікроклімату в приміщенні,
оскільки безпосередньо впливають на роботу та здоров’я співробітника. Згідно
ДСН 3.3.6.042–99 «Санітарні норми мікроклімату виробничих приміщень»
нормативні значення основних факторів мікроклімату наступні:
1) Температура повітря:
- в теплий період року 22 - 28 ˚С допустима (оптимальна 23 - 25 ˚С);
- в холодний період року 21 - 25 ˚С допустима (оптимальна 22 - 24 ˚С);
2) Вологість повітря:
- в теплий період року 40 - 60 %;
- в холодний період року 40 - 60 %;
3) Швидкість руху:
- в теплий період року – 0,1 м/с (допустима – 0,1 - 0,2 м/с);
- в холодний період року – 0,1 м/с (допустима – менше 0,1 м/с).
Фактичні значення даних параметрів становлять відповідно:
1) Температура повітря:

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
52
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

- в теплий період року 31 - 32 ˚С;
- в холодний період року 23 - 25 ˚С;
2) Вологість повітря:
- в теплий період року 50 - 52 %;
- в холодний період року 55 - 57 %;
3) Швидкість руху повітря:
- в теплий період року – 0,1 - 0,15 м/с;
- в холодний період року – 0,1 - 0,2 м/с.
З вище наведених факторів мікроклімату можна зробити висновок, що
швидкість і вологість повітря знаходяться в нормі згідно ДСН 3.3.6.042 – 99,
крім температури повітря в теплий період року. Тому рекомендовано
встановити систему кондиціювання повітря для підтримання температури
повітря в теплий період року в межах норми.
Важливе значення на працюючих в лабораторії є шум, який випромінює
обладнання лабораторії. Персональні комп’ютери, які встановлені на робочих
місцях, створюють на робочих місцях працюючих шум, рівень якого досягає
40-45 дБА. Згідно ДСН 3.3.6.037-99 «Санітарні норми виробничого шуму,
ультразвуку та інфразвуку» цей рівень повністю відповідає нормативному
рівню який становить 50 дБА. Тому, фактичне значення шуму не перевищує
допустиме, а отже негативно не впливає на працівників.
Основними джерелами електромагнітного поля на робочих місцях є
монітори комп’ютерів, а також системні блоки. Найбільше впливає
електромагнітне поле на органи зі слабкою терморегуляцією, що мають
недостатню кількість кровоносних судин або слабкий кровообіг. До таких
органів відносяться: головний мозок, око (кришталик), шлунок, сечовий міхур
і т.п. Функціональні зміни виявляються в передчасній стомленості, млявості,
головному болі. При систематичному опроміненні спостерігається зміна
кров'яного тиску (гіпертонія, гіпотонія), уповільнення пульсу, трофічні явища
(випадіння волосся, ламкість нігтів, лущення шкірного покриву). Величина
напруженості, що випромінюється від комп’ютерного обладнання, не

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
53
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

перевищує нормативне значення, визначене в ДСН 239-96 «Державні санітарні
норми і правила захисту населення від впливу електромагнітних
випромінювань».
Під час роботи працівник в більшості випадків працює з даними, які
виводяться програмним забезпеченням, з результатами розрахунків на
екрані монітора. Тому недостатня освітленість буде негативно впливати не
тільки на сам процес роботи, а й на організм працівника в цілому.
Найменша розрізненість об’єкту (в даному випадку об’єктом розрізнення і
фоном є: текст на моніторі та власне фон монітора, текст на аркуші паперу та
аркуш, букви на клавіатурі і клавіатура) складає від 0,15 до 0,3 мм, це
відповідає високій точності зорової праці. Розряд зорової праці – ІІ,
підрозряд – Г. Контраст відмінності об’єкту з фоном - великий.
Згідно з нормами освітлення ДБН В.2.5.28–2018 «Природне і штучне
освітлення» коефіцієнт природного освітлення (КПО) для даного типу
зорової праці дорівнює 1,5%. Робоче місце розташоване на відстані 1м від
вікна і в цій точці значення КПО становить 28-35 %. Отже, рівень
природного освітлення є достатнім.
Для темного і світлого часу доби в приміщені передбачене штучне
освітлення. Нормативне значення штучного загального освітлення (лк)
вибирається в залежності від характеристик зорової праці з урахуванням
найменшого розміру об’єкту розрізнення, фону, контрасту об’єкта.
Кімната обладнана трьома світильниками, кожний з яких має дві
люмінесцентні лампи денного світла типу 1x36 Вт TL/TLD. Для даного типу
зорової праці нормативне значення штучного загального освітлення
складає 300 лк. Фактичне значення даного параметра складає 410-415 лк.
Отже, рівень штучного освітлення на робочому місці є достатнім
відповідно ДБН В.2.5.28-2018 «Норми проектування. Природне і штучне
освітлення».
Електропроводка мережі змінного струму в даному приміщенні
прихованого типу, що забезпечує захист працюючих в аудиторії від

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
54
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

доторкання до оголених проводів. Приміщення лабораторії відноситься до
приміщень без підвищеної небезпеки ураження працівників електричним
струмом. Обладнання встановлене в приміщенні живиться напругою 220В і
споживає потужність менше ніж 3000 Вт. Деяке обладнання, зокрема
системний блок персонального комп’ютера, має металевий корпус, тому
згідно з ДСТУ Б В.2.5-82:2016 в лабораторії передбачена система захисного
заземлення.
Інструктаж з техніки електробезпеки складений згідно НАОП 1.1.10-
4.09-87 «Програми навчання безпеки праці робітників, до професій яких
пред'являються підвищені вимоги з техніки безпеки». Вступний інструктаж
проводиться з усіма працівниками, які щойно прийняті на роботу (постійну
або тимчасову) незалежно від їх освіти, стажу роботи за цією професією або
посади. Первинний інструктаж проводиться на робочому місці до початку
роботи на робочому місці. Інструктаж проводить інженер по техніці безпеки,
відповідно до НПАОП 0.00-4.12-05 «Типове положення про порядок
проведення навчання і перевірки знань з питань охорони праці».
Лабораторія за вибухопожежонебезпекою відноситься до приміщень
типу В, згідно з ДСТУ Б В.1.1-36:2016. В даній лабораторії забезпечуються
необхідні заходи щодо протидії виникнення пожежно-небезпечних ситуацій
згідно з НАПБ А.01.001-2014 «Правила пожежної безпеки в Україні»:
- будівельні конструкції необхідного ступеня вогнестійкості. Стіни
виготовлені з цегли, оштукатурені та пофарбовані водоемульсійною фарбою.
Стеля виготовлена методом перекриття приміщення залізобетонними
плитами, а підлога з кахельної плитки. Всі матеріали застосовані для
будівництва та оздоблення лабораторії пройшли перевірку і були дозволенні
органами державного санітарно-епідеміологічного нагляду;
- приміщення обладнане порошковим вогнегасником ВП-5, який
знаходиться на стіні біля дверей з вільним доступом до нього;
- план евакуації розміщений на стіні з вільним доступом до неї (ДБН
В.1.1.7-2016). Для попередження пожежі в лабораторії використовується

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
55
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

електрична пожежна сигналізація «Оріон» променевого типу та теплові
датчики типу (ИП-105) у кількості 4 шт (ДБН В.2.5.56-2014).
Отже, після проведення детального аналізу та опису приміщення
лабораторії, можна зробити висновок, що всі фактори лабораторії, окрім
температури повітря в теплий період року, що перевищує норми відповідно
до ДСН 3.3.6.042-99, відповідають своїм нормативним значенням. Тому
пропонується встановити в приміщенні систему кондиціонування повітря.

4.2 Розробка системи кондиціювання повітря лабораторії

Щоб правильно підібрати кондиціонер для будь-якого приміщення або
офісу, потрібно для початку визначитися: який тип кондиціонерів необхідний.
Саме від цього залежатиме комфорт у лабораторії. Щоб визначитися з
вибором, важливо розуміти призначення кожного виду кондиціонерів.
Розглянемо коротко основні види систем кондиціонування.
Настінні кондиціонери. Це найпоширеніший тип, також мають назву
«спліт-системи», «мультиспліт-системи». Вони мають найбільші
функціональні можливості і оснащені різними антибактеріальними фільтрами,
працюють практично безшумно, збагачують повітря киснем або озоном і т.п.
Настінні системи представлені багатьма виробниками, наприклад,
кондиціонери мультіспліти Panasonic, LG, Toshiba, General Climate та інші.
Мають доцільність у виборі, якщо досить часто знаходиться і працювати
в даному приміщенні. Призначені для приміщень невеликого обсягу, у
перерахунку на площу приблизно від 15 до 100 м2. Можливість їх застосування
обмежується практично лише потужністю та умовами для установки. Всі ці
характеристики свідчать про те, що даний тип кондиціонерів являється
оптимальним рішенням для створення комфортного середовища у лабораторії.
Мобільні кондиціонери. Цей вид кондиціонера не вимагає монтажу,
тому його можна порекомендувати орендарям приміщень і офісів. Мобільна
система просто ставиться на підлогу і працює від мережі. Такі кондиціонери

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
56
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

зазвичай мають потужність до 5,5 кВт і дуже зручні у випадках, коли потрібно
швидко охолодити приміщення (у літню спеку).
Канальні кондиціонери. Цей вид кондиціонерів практично непомітний
в приміщенні: він роздає повітря за системою повітроводів, а в кімнаті
розташовуються лише кілька отворів. Канальні кондиціонери можуть
домішувати свіже повітря з вулиці або просто забирати, кондиціонувати і
роздавати його по системах вентиляції.
Віконні кондиціонери. Це найбільш економний вид кондиціонерів і
одночасно найбільш шумний. Вони врізаються у вікно і не вимагають
особливих навичок для установки, при цьому віконні кондиціонери Samsung,
Lg, Toshiba дуже надійні і довговічні, хоча й забирають сонячне світло в
приміщенні. Такий вид кондиціонерів оптимальний, якщо вас не турбує зайва
шумність в офісі або будинку. До того ж, можна ці кондиціонери недорого
купити і експлуатувати так само довго, як і інші види систем охолодження.
Касетні кондиціонери. Такий кондиціонер ідеально підійде, якщо у
будинку або офісі є підвісна стеля. Касетні системи вбудовуються в клітинку
стелі і зовні видно тільки декоративні грати. Для даних кондиціонерів важливо
враховувати висоту підвісного покриття – але вони монтуються не в кожну
стелю.
Підлогово-стельовий кондиціонер. Для нього, навпаки, підвісна стеля
буде тільки заважати. Підлогово-стельові кондиціонери Panasonic, LG або інші
бренди нагадують за будовою настінні, але кріпляться до стелі або
встановлюються біля стіни і мають велику потужність (розраховані на
приміщення понад 150 м2).
Колонні кондиціонери. Мають саму велику потужність і можуть
обігрівати або охолоджувати приміщення до 300 м2 . Вони вбудовуються в
холи готелів, ресторанів, супермаркетів і направляють в зал потужний потік
повітря.
Розрахунок проводиться для теплого періоду року на охолодження.
Розрахунок необхідно провести для приміщення з розмірами: довжина 6 м,

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
57
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ширина 4 м, висота 3 м, і наступними кліматичними умовами: температура
повітря в середині приміщення 31 ºС, вологість повітря 50%, кількість
працюючих - 3 особи, категорія робіт - легка, швидкість руху повітря не
більше 0,1 м/с. Максимальна температура зовнішнього повітря 35 ºС.
Теплонадходження в приміщення
Теплонадходження від сонячної радіації через вікно:
Q1  SВ QВ , (7.1)
де SВ  2 1,5  3,0 - площа вікна, м2,
QВ - теплонадходження через вікно (південно-східна орієнтація) - 440
Вт/м2,
Q1  SВ QВ  2 1,5440 1320Вт.
Теплонадходження через зовнішню стіну:
Q  S  S Q ,
2 В C (7.2)
Q2  4 3 2 1,558  522 Вт.
де S - площа конструкції (зовнішньої стіни), м2,
SВ - площа вікна, м2,
Qc - теплонадходження від стіни (південно-східна орієнтація) - 58
Вт/м2.
Теплонадходження від штучного освітлення:
N  n  P
Q3  ,
k (7.3)
де k - коефіцієнт для люмінесцентних ламп,
N - кількість світильників,
n - кількість ламп,
P - потужність лампи,
3 2 36 216
Q3   186Вт.
1,16 1,16
Так як теплонадходження від штучного освітлення нижчі за
теплонадходження від сонячної радіації, то ми їх не враховуємо.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
58
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Теплоємність повітря:
Q4  V VМ k, (7.4)
де V - об’єм приміщення, м3,
Vм - об’єм, який займають меблі, м3,
k - на 1 м3 - 6 Вт,
Q4  6 4 36 136  324Вт.
Теплонадходження від людей:
Q5 1303  390Вт.
Теплонадходження від техніки:
Комп’ютери (3 шт) - Q6  3  400 1200 Вт,
Лазерний принтер (2 шт) - Q7  2 350  700 Вт.
Загальне теплонадходження:
Qзаг  Q1 Q2 Q4 Q5 Q6 Q7 1320 522 324 3901200 700  4456
Вт (7.5)
Для підтримки оптимальної температури необхідний кондиціонер
потужністю не менше 4,5 кВт. Згідно отриманих за розрахунками даних
обираємо кондиціонер MITSUBISHI ELECTRIC MSZ-EF50VE3S/MUZ-
EF50VE.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
59
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 4.1 - Кондиціонер MITSUBISHI ELECTRIC MSZ-EF50VE3S/MUZ-
EF50VE

Загальні характеристики кондиціонеру MITSUBISHI ELECTRIC
MSZ-EF50VE3S/MUZ-EF50VE
1. Тип - настінна спліт-система;
2. Робоча площа – до 50 м2;
3. Максимальна довжина комунікацій -15 м;
4. Основні режими: охолодження / обігрів;
5. Максимальний повітряний потік – 10,5 куб. м/хв.;
6. Потужність в режимі охолодження - 5000 Вт;
7. Потужність в режимі обігріву - 5800 Вт;
8. Електрична потужність при обігріві - 1580 Вт;
9. Електрична потужність при охолодженні - 1560 Вт.
Керування
1. Пульт дистанційного керування;
2. Таймер включення/вимкнення.
Габарити
1. Габаритні розміри внутрішнього блоку (ШхВхГ): 89,5x29,9x19,5 см;
2. Габаритні розміри зовнішнього блоку (ШхВхГ): 88x84x33 см.
Загальне
1. Рівень шуму внутрішнього блока (хв/макс) - 30 дБ / 52 дБ;
2. Тип холодоагенту - R 410А;
3. Фаза – однофазний;
4. Фільтри тонкого очищення повітря (бактерицидний з іонами срібла);
5. Регулювання швидкості повертання вентилятора, кількість
швидкостей – 3.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
60
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ВИСНОВКИ

В результаті виконання дипломного проекту було сформовано описано
та реалізовано автономну систему передачі метрологічних даних, яка
розрахована на використання в “зеленій енергетиці”, а саме на основі даних
зібраних цією системою буде визначатися доцільність встановлення
вітрогенераторів. Дана система збирає такі дані як, швидкість руху повітряних
мас, температуру навколишнього середовища, атмосферний тиск та відносну
вологість повітря та передає їх для опрацювання на сервер, якщо з ним
встановлено з’єднання, або записує їх на SD-карту пам’яті, в разі його
відсутності.
Розробку цієї системи було поділено на декілька етапів, а саме перш за
все це огляд існуючих рішень. При проведенні аналізу було виявлено ряд
недоліків у представлених рішеннях. Тому при проектуванні системи було
враховані ці недоліки.
Після формулювання задач, які слід врахувати при проектуванні
системи було розроблено структурну схему, яка вказує з яких функціональних
блоків буде складатися система. Обрано середовище програмування Arduino
IDE.
На заключному етапі проектування були розглянуті особливості роботи
з інтерфейсом RS-485 та налаштування окремих блоків системи таких як
модуль GSM за допомогою якого і реалізовано передачу даних на сервер, і
модуль Bluetooth який є запобіжною системою коли немає можливості зв’язку
з сервером. На основі усього вище розглянутого було розроблено алгоритм
роботи системи опираючись на який розроблено програмний код на мові
програмування C++ для подальшої прошивки мікроконтролера.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
61
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Колесник П.И. Метеорология. Практикум. — Киев : Высшая школа.
Главное изд-во, 1986.— 175 с.
2. Моргунов В.К. Основы метеорологии, климатологии. Метеорологические
приборы и методы наблюдений. — Учебник. — Ростов н/Д.: Феникс. —
Новосибирск: Сибирское соглашение, 2005. — 331 с.
3. Дэвид М. Харрис, Сара Л. Харрис. Цифровая схемотехника и архитектура
компьютера. Дополнение по архитектуре ARM / пер. с англ. Слинкин А. А.
науч. ред. Косолобов Д. А. – М.: ДМК Пресс, 2019. – 356 с.
4. ARM. STM32 быстрый старт. [Електронний ресурс] —
https://cxem.net/mc/mc143.php
5. Микроконтроллеры на базе архитектуры Cortex. [Електронний ресурс] —
https://kit-e.ru/micro/mikrokontrollery-nxp-semiconductors-na-baze-
arhitektury-cortex/
6. UM1718. User manual. STM32CubeMX for STM32 configuration and
initialization C code generation. Rev 18. ST Microelectronics 2017.
7. UM1884. User manual. Description of STM32F1 HAL and Low-layer
drivers. Rev 5. ST Microelectronics, 2016.

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
62
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ДОДАТКИ

Арк.
СКРТ97.021105.248 ПЗ
63
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

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