Система управління акваріумом для тварин на основі мікроконтролера Arduino UNO

ПОЖАР, Сергій
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9409
Full metadata record
DC Field	Value	Language
dc.contributor.advisor	БАБЕНКО, Віра	-
dc.contributor.author	ПОЖАР, Сергій	-
dc.date.accessioned	2026-04-07T17:37:12Z	-
dc.date.available	2026-04-07T17:37:12Z	-
dc.date.issued	2022	-
dc.identifier.uri	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9409	-
dc.description.abstract	Досліджувана тема кваліфікаційної роботи бакалавра є актуальною через недостатню популяризацію і відповідно розвиток технологій та методів впровадження автоматизації в сфері догляду за тваринами, зокрема в невеликих штучних замкнених гідроекосистемах – акваріумах. Метою виконання кваліфікаційної роботи єдослідження та вдосконалення методів впровадження автоматичних систем в середовища існування тварин. Об’єктом дослідження є процес створення мікроконтролерної системи управління екосистемою побутових акваріумів. Предметомєметоди та засоби проектування мікроконтролерної системи управління екосистемою побутових акваріумів. Практичним результатом виконання даної кваліфікаційної роботи бакалавра є сформована методика проектування пристроїв автоматизації на основі мікроконтролерів, а також на основі нього реалізований прототип автоматизаційного пристрою керування на основі мікроконтролерної платформи Arduino та мови програмування С++. Розроблена експериментальна мікроконтролерна система є уніфікованим пристроєм і її ефективність чи зручність керування не залежить від форм-фактору, розмірів побутового акваріуму. Має систему простих налаштувань, що спрощує і піднімає ефективність керування системою. Реалізація проекту прототипу має модульну структуру, що означає, що будь- який структурний блок, що може вийти з ладу можна замінити аналогічних без руйнування загальної цілісності і функціональності системи. Загалом, в роботі наведено початкові етапи досліджень процесів удосконалення автоматичних систем керування, тож мають місце подальші дослідження з оптимізації ефективності процесів впровадження автоматизаційних систем керування. Загальний обсяг роботи становить 62 сторінки. У кваліфікаційній роботі 18 рисунків, 2 таблиці. Для виконання роботи використано 21 літературне джерело.	uk_UA
dc.subject	МІКРОКОНТРОЛЕРНІ СИСТЕМИ	uk_UA
dc.subject	АКВАРІУМ	uk_UA
dc.subject	АВТОМАТИЗАЦІЯ ПРОЦЕСІВ	uk_UA
dc.subject	МІКРОКОНТРОЛЕР	uk_UA
dc.subject	ВИМІРЮВАННЯ	uk_UA
dc.subject	ARDUINO	uk_UA
dc.title	Система управління акваріумом для тварин на основі мікроконтролера Arduino UNO	uk_UA
dc.type	Bachelor Thesis	uk_UA
Appears in Collections:	123 Комп’ютерна інженерія (Комп'ютерні системи та мережі)
Files in This Item:
File	Description	Size	Format
1_Титулка_Пожар_Друк-merged.pdf Restricted Access		2.41 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy
Show simple item record
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ
КАФЕДРА ІНФОРМАЦІЙНОЇ БЕЗПЕКИ ТА КОМП’ЮТЕРНОЇ ІНЖЕНЕРІЇ
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи бакалавра
на тему: «Система управління акваріумом для
тварин на основі мікроконтролера Arduino UNO»
ЧДТУ.222103.007 ПЗ
Виконав: студент 4 курсу, групи КМ-185
спеціальності 123 – Комп’ютерна інженерія
за освітньою програмою – Комп’ютерні системи
та мережі
Сергій ПОЖАР
Керівник
д.т.н., доцент Віра БАБЕНКО
Рецензент
к.т.н.,ст. викладач кафедри ІТ ЧНУ
ім. Б. Хмельницького Тетяна СТАБЕЦЬКА
«ЗАХИСТ ДОЗВОЛЯЮ»
Завідувач кафедри ІБ та КІ
д.т.н., професор _____ Володимир РУДНИЦЬКИЙ
Черкаси 2022 року
Форма № Н-9.01
Черкаський державний технологічний університет
Факультет інформаційних технологій і систем
Кафедра інформаційної безпеки та комп‘ютерної інженерії
Освітньо-кваліфікаційний рівень Бакалавр
Спеціальність 123 – Комп’ютерна інженерія
Освітня програма Комп’ютерні системи та мережі
«ЗАТВЕРДЖУЮ»
Завідувач кафедри ІБ та КІ
д.т.н., професор ________ Володимир РУДНИЦЬКИЙ
«11» лютого 2022 року
ЗАВДАННЯ
на кваліфікаційну роботу бакалавра студенту
Пожару Сергію Миколайовичу
(прізвище, ім‘я, по батькові)
1. Тема роботи Система управління акваріумом для тварин на основі
мікроконтролера Arduino UNO
Керівник роботи д.т.н., доцент Бабенко В.Г.
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
затверджені наказом університету від «07» лютого 2022 р. № 45/04
2. Строк подання студентом роботи
3. Вихідні дані до роботи:
1. Мікроконтролерна платформа Arduino UNO R3;
2. Реле SONGLE SRD-05VDC; фоторезистор; датчик температури DS18B20;
3. ІЧ-приймач VS1838B; дисплей LCD 1602 I2C;
4. Мова програмування: С++
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, що їх належить розробити):
Вступ
Розділ 1 Дослідження предметної області та проектування автоматизованої системи для
акваріума
Розділ 2 Створення мікроконтролерної системи управління для догляду за тваринами
Розділ 3 Дослідження та тестування автоматизованої системи для акваріума з тваринами
Висновки
Список використаних джерел
Додатки
5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень, плакатів):
Додаток А – Специфікація
Додаток Б – Текст програми
6. Консультанти розділів роботи
Підпис, дата
Розділ Прізвище, ініціали та
посада завдання видав завдання прийняв
консультанта
7. Дата видачі завдання 10 лютого 2022 року
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
Термін
№ з/п Назва етапів кваліфікаційної роботи бакалавра виконання Примітка
етапів роботи
1 Збір матеріалу 12.02 – 28.02 виконано
2 Обробка матеріалу 01.03 – 15.03 виконано
3 Обґрунтування актуальності виконання 16.03 – 20.03 виконано
досліджень
4 Оцінка стану проблеми, виокремлення виконано
дослідницьких задач, постановка задачі 21.03 – 26.03
дослідження
5 Покращення функціонування мережевих запитів виконано
та аналіз результатів 27.03 – 12.04
6 Програмна реалізація 13.04 – 01.05
7 Оформлення результатів в пояснювальну записку 02.05– 20.05 виконано
8 Подання роботи на відгук та рецензування 21.05.2022 виконано
9 Захист випускної роботи
Студент ____________________________ Сергій ПОЖАР
(підпис)
Керівник роботи ____________________________ Віра БАБЕНКО
(підпис)
АНОТАЦІЯ
Досліджувана тема кваліфікаційної роботи бакалавра є актуальною
через недостатню популяризацію і відповідно розвиток технологій та методів
впровадження автоматизації в сфері догляду за тваринами, зокрема в
невеликих штучних замкнених гідроекосистемах – акваріумах.
Метою виконання кваліфікаційної роботи єдослідження та
вдосконалення методів впровадження автоматичних систем в середовища
існування тварин.
Об’єктом дослідження є процес створення мікроконтролерної системи
управління екосистемою побутових акваріумів.
Предметомєметоди та засоби проектування мікроконтролерної
системи управління екосистемою побутових акваріумів.
Практичним результатом виконання даної кваліфікаційної роботи
бакалавра є сформована методика проектування пристроїв автоматизації на
основі мікроконтролерів, а також на основі нього реалізований прототип
автоматизаційного пристрою керування на основі мікроконтролерної
платформи Arduino та мови програмування С++.
Розроблена експериментальна мікроконтролерна система є
уніфікованим пристроєм і її ефективність чи зручність керування не залежить
від форм-фактору, розмірів побутового акваріуму. Має систему простих
налаштувань, що спрощує і піднімає ефективність керування системою.
Реалізація проекту прототипу має модульну структуру, що означає, що будь-
який структурний блок, що може вийти з ладу можна замінити аналогічних
без руйнування загальної цілісності і функціональності системи.
Загалом, в роботі наведено початкові етапи досліджень процесів
удосконалення автоматичних систем керування, тож мають місце подальші
дослідження з оптимізації ефективності процесів впровадження
автоматизаційних систем керування.
Загальний обсяг роботи становить 62 сторінки. У кваліфікаційній
роботі 18 рисунків, 2 таблиці. Для виконання роботи використано
21 літературне джерело.
Ключові слова: МІКРОКОНТРОЛЕРНІ СИСТЕМИ, АКВАРІУМ,
АВТОМАТИЗАЦІЯ ПРОЦЕСІВ, МІКРОКОНТРОЛЕР, ВИМІРЮВАННЯ,
ARDUINO.
ANNOTATION
The research topic of the bachelor's degree work is relevant because of the
lack of popularization and accordingly the development of technologies and
methods of implementation of automation in the field of animal care, in particular
in small artificial closed hydro-ecosystems - aquariums.
The purpose of graduation work is to study and improve the methods of
implementation of automatic systems in the habitat of animals.
The object of the study is the process of creating a microcontroller system for
managing the aquarium ecosystem.
The subject is the methods and means of designing a microcontroller system
for managing the aquarium ecosystem.
The practical result of this bachelor 's graduation work is a developed
methodology for designing automation devices based on microcontrollers, as well
as on the basis of it implemented a prototype of an automation control device
based on the microcontroller platform and the C ++ programming language.
The developed experimental microcontroller system is a unified device and
its efficiency or convenience of management does not depend on the form factor,
the size of the household aquarium. It has a simple set-up system that simplifies
and improves system management efficiency. The implementation of the prototype
project has a modular structure, which means that any structural block that can fail
can be replaced similar without destroying the overall integrity and functionality of
the system.
In general, the paper presents the initial stages of research on the processes
of improvement of automatic control systems, so further studies are carried out to
optimize the efficiency of the processes of implementation of automation control
systems.
The total volume of work is 62 pages. In the final work 18 figures, 2 tables.
21 literary sources were used to carry out the work.
Keywords: MICROCONTROLLER SYSTEMS, AQUARIUM, PROCESS
AUTOMATION, MEASUREMENT, ARDUINO.
ЗМІСТ
ВСТУП........................................................................................................................4
1 ДОСЛІДЖЕННЯ ПРЕДМЕТНОЇ ОБЛАСТІ ТА ПРОЕКТУВАННЯ
АВТОМАТИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ ДЛЯ АКВАРІУМА......................................6
1.1Існуючі аналоги технологій для автоматизації штучних гідросфер на
основі мікроконтролерів...........................................................................................6
1.2Визначення напрямку досліджень предметної області..........................12
1.3Отримання способів проектування автоматизованого пристрою.........16
1.4Розробка алгоритму роботи для автоматизації системи акваріума.......22
2 СТВОРЕННЯ МІКРОКОНТРОЛЕРНОЇ СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ ДЛЯ
ДОГЛЯДУ ЗА ТВАРИНАМИ................................................................................27
2.1Обрання компонентів для мікроконтролерної системи ......................... 27
2.2Моделювання структурної схеми автоматизованої системи.................32
2.3Реалізація автоматизованої системи керування акваріумом..................36
2.4Поєднання та тестування компонентів системи......................................39
3 ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ТЕСТУВАННЯ АВТОМАТИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ
ДЛЯ АКВАРІУМА З ТВАРИНАМИ.....................................................................46
3.1Тестування системи згідно поставлених вимог ......................................46
3.2Основні компоненти та оптимальні значення для автоматизованої
системи акваріума...................................................................................................48
3.3Порівняння результатів про зміну стану середовища існування тварин
після застосування автоматизованої системи керування....................................52
ЧДТУ.222103.007 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дат
РозрКобив Пожар С.М. а Система управління акваріумом Літ. Лист Листів
Керівник Бабенко В.Г. для тварин на основі 2 64
Рецеанзент Стабецька Т.А мікроконтролера Arduino UNO
Н.Контроль Гресько С.О. Кафедра ІБ та КІ
ф Пояснювальна записка
Затвердив РудницькийВ.М гр. КМ-185
е
д
р
а
К
К
-
0
6
ВИСНОВКИ.............................................................................................................54
ДОДАТКИ:
А – 482.ЧДТУ.22103-01 Система управління акваріумом для тварин на
основі мікроконтролера Arduino UNO
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ………………………………………...63
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 3
а
ВСТУП
Сьогодні на розвиток всіх галузей господарства впливають динамічні
технології комп’ютеризації. Через розвиток теорій керування і логіки та
електронних технологій процеси автоматизації прогресували протягом
декількох сторіч. Тому, в сучасному світі майже усі процеси виробництва або
процеси у сферах діяльності людини, в яких досить сильно відчувається
вплив людського фактору, застосовують системи автоматизації, які основані
на інтегральних мікросхемах.
В різних галузях господарства, протягом тривалого часу керування тими
або іншими процесами зазвичай починалося з людини. Враховуючи той факт,
що людина є живим організмом, з певним типом психологічного мислення, то
при виконанні великого об’єму дій, що повторюються, кожного разу
ефективність її роботи зменшується, а також з’являється почуття втоми,
затримка реакції і т.п. Ще одним фактором є те, що під дією різноманітних
зовнішніх чинників людина може прийняти неправильне рішення в будь-
якому питанні. Таке явище носить назву людського фактору [1].
Ось тому з істотним розвитком високих технологій, робототехніки і
автоматизації різних сфер діяльності людини, дані технології направлені на
зниження відповідальності людей за велику кількість важкої монотонної
роботи, а в деяких випадках простої розумової.
Комп’ютеризовані системи управління в більшій мірі зосереджені на
покращенні процесів управління для великих промислових завдань, де
значний вплив має людський фактор. Саме такою галуззю є сфера догляду за
тваринами та сільське господарство. Значну роль в розвитку цих галузей
виробництва є процес автоматизації сфери догляду за тваринами. Відповідно
до того, що люди мають потребу в естетичному задоволенні, то автоматизація
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 4
а
процесу догляду за домашніми тваринами та середовищами їх існування
також є досить важливими [2].
Так, наприклад, ефективне керування процесами в замкнених штучних
водоймищах, таких як домашні акваріуми з популярністю екзотичних
гідробіонтів, сьогодні, є однією з важливих проблем, що досить сильно
впливає і на загальну популяризацію впровадження автоматизованих систем
на основі мікроконтролера в сфері аквакультури і розвитку рибних ферм [3].
В зв’язку з тим, що діяльність людини в цій сфері не досить досліджена і
тому не дає можливості сформулювати основні принципи та методики для
побудови автоматизованих систем на основі мікроконтролера, то тема
кваліфікаційної роботи бакалавра, що досліджується, є досить актуальною і
зосереджена на аналізі існуючих методів для проектування прототипу
автоматизованої системи управління акваріумами на основі мікроконтролера.
В процесі аналізу предметної області було сформульовано мету
кваліфікаційної роботи, суть якої полягає в проектуванні та реалізації
простого в налаштуванні і ефективного експериментального протопиту
системи на основі мікроконтролера для побутових акваріумів.
Для досягнення поставленої мети було сформульовано та вирішено такі
завдання:
- порівнявши переваги та недоліки готових рішень було проведено
дослідження актуальності проектування та розробки
автоматизованого пристрою;
- розглянуто існуючі автоматизовані системи на основі
мікроконтролера, їх методи проектування та розробки;
- на основі отриманих в процесі дослідження результатів, які було
отримано під час проведених експериментів, сконструювати та
розробити ефективну автономну мікроконтролерну систему
управління акваріумом для тварин.
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 5
а
1 ДОСЛІДЖЕННЯ ПРЕДМЕТНОЇ ОБЛАСТІ ТА ПРОЕКТУВАННЯ
АВТОМАТИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ ДЛЯ АКВАРІУМА
1.1 Існуючі аналоги технологій для автоматизації штучних
гідросфер на основі мікроконтролерів
Для кожної галузі людської діяльності існують своєрідні напрямки, що
по своїй суті у більшості випадків є складніші в управлінні за інших, що
визначається великою кількістю процесів та показників, які необхідно
враховувати та підтримувати в ідеальному стані. Для сфери догляду за
тваринами, такими специфічними напрямками являється догляд за
організмами, що існують у водному середовищі.
Своєрідним вони є тому, що при догляді за водними організмами
необхідно підтримувати в нормі велику кількість показників штучного
водного середовища, наприклад, таких як рівень pH, солоність води, чистота
води та кількість розчиненого кисню у воді. Такі компоненти, в природних
водоймищах, регулюються при допомозі різними хімічних та фізичних явищ,
які не потребують впливу людини, оскільки сформовані вони були, ще до
появи розумної людини.
Якщо говорити про штучні резервуари, то в них всі природні процеси,
що проходять в природних середовищах, необхідно досліджувати та
виконувати вручну. Яка ж відмінність сприйняття та дослідження норм
показників навколишнього середовища в процесі догляду за тваринами, які
існують на поверхні землі та тими, що існують в товщах води? Відповідь
визначається в їх сприйнятті людиною. Оскільки людина також живе на
поверхні землі, а тому такі процеси як дихання, сприйняття подразників
рецепторів (звуку, зору) спостерігаються і в організмах, які також проживають
на суші.
З жителями водних резервуарів трохи інша ситуація, яка мало відома
людині. Також штучні водні середовища на забезпечені циркуляцією води,
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 6
а
рівень кислотності чи лужності таких середовищ тяжко визначати звичайними
способами, оскільки даний чинник достатньо сильно впливає на всі види
організмів, що там мешкають. А з цього випливає, що автоматизація
керування штучними резервуарами являється важливим процесом для рибних
ферм, а також для домашніх акваріумів.
Найшвидшого розвитку в галузі автоматизації штучних водоймищ
набули сільськогосподарські підприємства, які займаються вирощуванням
риб. В Україні відомими автоматизованими рибними підприємствами є
OSERT, на якому в протоках річки Дніпро вирощують осетрових для
видобутку чорної ікри. Ще одним підприємством є VismarAqua, що досить
сильно популяризує аквакультуру вирощування рибних продуктів
інтенсивним шляхом. Результатом ведення господарства інтенсивним шляхом
включає:
 звільнення природних водних ресурсів, для можливості їх
використання для створення заповідників і національних парків;
 зниження кількості працівників в сільськогосподарському
виробництві;
 зменшення цін на харчові продукти;
 стійке постачання харчових продуктів.
Компанією VismarAqua було створено фреймворк, що надає можливість
швидко облаштувати нові аквакультурні виробництва. Пропагуючи серед
вітчизняних рибоводів поняття рециркуляційна аквакультурна система (РАС),
компанія робить спробу донести сучасний погляд на інтенсивний шлях
розвитку рибних господарств. РАС являє собою резервуари для гідробіонту, а
саме, водоростей, риб та молюсків, які поєднані із системою водопідготовки,
яка включає в себе підсистеми очистки води, підсистеми насичення киснем,
підсистеми температурної стабілізації [4]. На рисунку 1.1 наведено, як
виглядає рециркуляційна аквакультурна система від компанії VismarAqua.
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 7
а
Всі підсистеми водопідготовки такої системи працюють автоматично, та
керуються управляючими сигналами мікроконтролерної системи.
Підготовлені резервуари разом із системою водопідготовки працюють
автономно, за визначеною користувачем програмою, при цьому регулярно
циркулюючи воду в резервуарах, що має позитивний вплив на стан
гідробіонтів, які там вирощуються.
Рисунок 1.1 – Вигляд рециркуляційної аквакультурної системи (РАС)
Ще одна задача, яка при цьому виконується системою – це управління
різноманітними датчиками, які контролюють зміни у резервуарах і подають
спеціальні сигнали, які інтерпретуються операторами системи, які приймають
рішення, що необхідно зробити для того, щоб урівноважити компоненти
штучного водоймища.
При використанні на невеликій території автоматизованої системи
VismarAqua, що надає можливість роботизувати монотонні процеси
підприємства, вдається знизити собівартість продукції та разом з тим
отримати значні прибутки. Також при застосуванні даної системи у рибному
господарстві для процесів догляду за гідробіонтами необхідний лише один
працівник, що надає можливість зменшити затрати на робочу силу. Недоліком
таких систем є те, що для забезпечення відмовостійкості необхідні додаткові
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 8
а
облаштовування основних підсистем дублюючими пристроями, для того, щоб
виключать можливість загибелі стад вирощеної риби.
Ще одним прикладом є великі океанаріуми, де зосереджена велика
кількість різноманітних видів водних мешканців, що мають досить складні
процеси взаємодії живих організмів між собою і навколишнім штучним
середовищем, що лише однією людською працею підтримувати їх нормальну
роботу було б не реально. Тому для таких середовищ, на замовлення,
розробляють достатньо складні системи типу «розумне» середовище, які
містять безліч методів зв’язку підсистем, датчиків, автоматизованих
механічних систем (фільтрів, аераторів), а також пов’язаних з цією системою
підсистем керування. Всі ці складові дозволяють підтримувати в ідеальному
стані таку складну штучну екосистему.
Якщо говорити про автоматизовані системи для невеликих домашніх
акваріуми, або резервуарів, що розробляються для якоїсь установи, то тут не
існує якогось універсального рішення. З однієї сторони, любителі створюють
примітивними методами саморобні пристрої, що можуть бути використанні
лише в окремо взятих штучних резервуар та вирішувати тільки ті завдання
автоматизації, які були додані йому кожним окремим розробником. З іншої
сторони, системи автоматизації для невеликих акваріумів створюються тими ж
методиками, що і системи для автоматизації великих океанаріумів, тобто
виконуються на замовлення компаніями-підрядниками, які проектують
унікальну систему автоматизації, одночасно з проектуванням безпосередньо
самого акваріуму.
Проаналізувавши існуючі зразки систем для автоматизованого
керування водним середовищем існування тварин, було зроблено висновок,
що всі існуючі моделі було спроектовано з урахуванням особливостей
специфікацій того чи іншого акваріуму, а це означає, що серійний випуск
таких пристроїв є дещо складним. Наприклад, система AquaDigitalLife
виробництва компанії АкваКоралл – це потужна система з великою кількістю
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 9
а
налаштувань, пристроїв спостерігання за водними жителями і системами
аварійного перемикання дублюючих пристроїв [5]. На рисунку 1.2 наведено
вигляд цієї системи. Така система створюється на замовлення зоопарків і
океанаріумів, де велика кількість жителів.
Для користувачів звичайних домашніх акваріумів таких серійних
пристроїв не випускається, а тому вони змушені використовувати примітивно
виготовлені на замовлення пристрої, або вручну сконструйовані
автоматизовані системи, що розроблені під окремо взяту гідросферу
акваріума. Основні проблеми з якими при цьому будуть стикатися звичайні
користувачі таких систем – це проблеми спеціального налагодження і
підтримки.
Рисунок 1.2 – Система керування AquaDigitalLife
Сьогодні багато любителів домашніх акваріумів майструють різні
системи, щоб перекласти керування водними екосистемами на автоматизовані
пристрої. Автоматизують зазвичай, подачу корму, контроль температури
водоймища, контроль вмісту кисню у воді і т.д. Розробляються в основному
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 10
а
спочатку такі пристрої автономного керування на базі систем спрощеного
проектування типу Arduino. Далі, за допомогою спеціалізованого програмного
забезпечення, проект поєднує всі підсистеми і мережі комунікацій переводячи
їх в принципову електричну схему, за принципом якої будується макет
друкованої плати, і в кінці виконуються завершальний етап конструювання
виробу, а саме збірка готового пристрою.
Нещодавно на широкому ринку з’явився проект «розумного» акваріуму
компанії Xiaomi – GeometryFishTankAquaponicsEcosystem, вигляд якого
наведено на рисунку 1.3.
Рисунок 1.3 – XiaomiGeometryFishTankAquaponicsEcosystem
Але автоматизовані процеси для цього акваріуму не є повними і
досконалими. Тільки система фільтрації води є інтелектуальною в даному
виробі. Суть фільтрації полягає в автоматичній викачці води і прогоні її через
систему природної фільтрації, що являє собою маси пористих камінців і
пористого матеріалу, після чого вода повертається в замкнуту екосистему
акваріуму.
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 11
а
Отже, можна зробити висновок, що стандартизація автоматизованих
пристроїв керування та популярність їх серед любителів акваріумістики
являється важливою проблемою в сфері догляду за водними тваринами.
1.2 Визначення напрямку досліджень предметної області
Під науковим напрямом розуміють сферу наукових досліджень
наукового колективу, яка спрямована на вивчення певних фундаментальних,
теоретичних і експериментальних завдань у відповідній галузі науки.
Деталізація напряму наукових досліджень виконувалася на базі вивчення
суспільних, виробничих потреб і стану досліджень. Розрізняють технічні,
соціальні, біологічні, економічні напрями з подальшою деталізацією.
Структурними одиницями наукового напряму є комплексні проблеми,
проблеми, теми і питання [6].
Для того, щоб повністю зрозуміти поняття мети дослідження необхідно
ввести наступні поняття, як предмет дослідження та об’єкт дослідження.
Предмет дослідження є теоретичне відтворення об'єктивної дійсності,
тих суттєвих зв'язків та відношень, які підлягають безпосередньому вивченню
в науковій роботі, являються головними та визначальними для конкретного
дослідження.
Об'єкт дослідження являється процес або явище, яке породжує
проблемну ситуацію і обране для вивчення. У випадку, коли ця частина
об'єктивної реальності була обрана темою дослідження, то вона стає
предметом дослідження. Предмет – це те, що міститься в межах об'єкта.
Об'єкт та предмет дослідження як категорії наукового процесу
співвідносяться між собою як загальне і часткове. В об'єкті виділяється та його
частина, яка є предметом дослідження.
Метою наукового дослідження є всебічне та достовірне вивчення
об`єкта, процесу або явища, їх структури, зв`язків та співвідношення на основі
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 12
а
наукових принципів і методів пізнання, а також отримання і впровадження
корисних результатів [6].
Загальною метою даної кваліфікаційної роботи бакалавра є всебічне
дослідження та огляд існуючих засобів для автоматизації процесів в
акваріумах, аналіз їх переваг і недоліків. Створення автономної уніфікованої
системи надасть можливість удосконалювати процес автоматизації, та
забезпечувати зручність використання таких пристроїв в сфері догляду за
штучними гідроекосистемами невеликих розмірів.
Мету можна визначити та розвинути у завданнях дослідження, які
повинні розглядатись як основні етапи. Основній меті підпорядковуються
завдання, які спрямовані на послідовне її досягнення. Завдання дослідження
визначають для того, щоб більш конкретно реалізувати його мету [6].
Завдання дослідження, зазвичай, полягають у:
 розробці нових критеріїв і показників, а саме, розробці принципів,
умов і факторів застосування окремих методів і методик;
 вирішенні теоретичних питань, що пов’язані з проблемою
дослідження. Наприклад, введення до наукового обігу нових понять, а також
розкриття їх сутності і змісту;
 виявленні закономірностей та тенденцій процесів;
 виявленні, поглибленні, уточненні, методологічному
обґрунтуванні суттєвості, структури об’єкта та природи, що вивчається;
 виявленні шляхів та засобів удосконалення процесу або явища,
що досліджується (практичні аспекти роботи);
 аналізі реального стану предмета дослідження, внутрішніх
протиріч розвитку, динаміки;
 експериментальній перевірці розроблених пропозицій щодо
розв’язання проблеми, підготовці методичних рекомендацій для їх
використання на практиці;
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 13
а
 обґрунтуванні системи заходів, необхідних для вирішення
прикладних завдань..
Отже, визначення мети і завдань дослідження – важливий етап
розв’язання наукової проблеми [6].
Для того, щоб досягти мету дослідження, необхідно використовувати
відповідні методи досліджень. Методи досліджень для розробки алгоритму
роботи грають роль інструменту.
Метод – це спосіб для досягнення поставленої мети. Метод об`єднує
об`єктивні та суб`єктивні аспекти пізнання. Метод є програмою побудови і
практичного застосування теорії.
Методи досліджень бувають [6]:
 загальнонаукові, тобто придатні для всіх наук;
 загальні, що діють у всіх галузях науки і на всіх етапах дослідження;
 спеціальні – для однієї специфічної науки;
 часткові – для певних наук.
Основними в практичних та наукових дослідженнях є зальнонаукові
методи [6]:
 методи, що можуть використовуватися як на емпіричному, так і на
теоретичному рівні дослідження. Такими процесами є абстрагування, індукція
та дедукція, аналіз і синтез, моделювання та ін.;
 методи емпіричного дослідження. Сюди можна віднести порівняння,
спостереження, експеримент та вимірювання;
 методи теоретичного дослідження, а саме, ідеалізація, сходження від
абстрактного до конкретного, аксіоматичний метод та формалізація.
Якщо розглядати поставлену мету дослідження для розроблюваного
проекту, а саме, процеси проектування та створення автоматизованої системи
керування акваріума для тварин, то було визначено наступні методи
досліджень:
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 14
а
 експериментальний, який включають в себе проведення експеременту
по впровадженню автоматизованої (роботизовано) системи керування
замкненим середовищем існування водних тварин;
 емпіричний, який являє собою вимірювання показників компонентів
штучної гідроекосистеми та спостереження за отриманими результатами
експеременту.
При дослідженні існуючих, на сьогоднішній день, зразків пристроїв
автоматизованих штучних гідроекосистем було визначено, що одні з них
автоматизують не всі необхідні процеси, що перебігають в замкнених
водоймищах та ще й при цьому виконані під окремий вид резервуару, а інші –
створені під окремо взяті акваріуми, хоча забезпечують автоматизацію всіх
необхідних процесів, при цьому розраховані під великі резервуари та
застосовуються тільки під їхні проекти.
Основною задачею проведених досліджень було саме отримання
необхідних даних, які визначають доцільність проектування уніфікованої
системи керування гідроекосистемою. Порівнявши переваги і недоліки
готових існуючих варіантів систем було визначено вектор подальших
проведень експерементів та спостережень для того, щоб довести доречність в
подальшій популяризації проектування пристроїв створеним методом для
автоматизації середовищ існування тварин.
Головними методами, що були використані при дослідженні стану
штучної гідросфери в процесі проведення експерименту із впровадження
спроектованої автоматизованої системи це:
 порівняння;
 спостереження;
 вимірювання.
За допомогою методу порівняння для акваріуму і гідро біонтів, що в
ньому проживають, будуть співставлятися зафіксовані показники, до та після
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 15
а
впровадження і запуску автоматизованої системи керування. Як результат,
будуть сформовані таблиці для порівняння цих параметрів.
За допомогою методу спостереження буде виконано спостереження за
загальним станом штучного резервуару, при цьому буде проводитися фіксація
ступеню чистоти водоймища та стан самопочуття тварин і водоростей.
В процесі використання методу вимірювання будуть виконуватися
заміри тих показників штучного водоймища, які не можна отримати при
наочному визначені, наприклад, рівень pH – лужності та кислотності, рівень
розчиненого кисню у воді або рівень температури,.
Для отриманих даних при аналізі готових рішень автоматизації
акваріумів, та для подальшого успішного проведення експеременту, необхідно
спроектувати пристрій, який буде ефективно керувати усіма необхідними
процесами та бути уніфікованим. Тобто бути таким, робота та налаштування
для якого не буде залежати від кожного окремого резервуару, що необхідно
автоматизувати.
Перед початком проектування визначеного пристрою необхідно
ознайомитися з існуючими методами проектування та обрати необхідний.
1.3 Отримання способів проектування автоматизованого
пристрою
Для проведення експериментального дослідження під час впровадження
автоматизованої системи керування середовищем існування тварин, іншими
словами, штучної гідроекосистеми – акваріума, було спроектовано та
реалізовано роботизації компонентів резервуару на основі мікроконтролеру,
як уніфіковану систему. В процесі дослідження методів для проектування
технологічних засобів було використано методику проектування пристрою,
що включає в себе використання декількох основних методів проектування. В
подальшому отримані результати розробки проекту було зіставлено з
готовими рішеннями, що існують на ринку сьогодні та першочерговими
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 16
а
вимогами до пристрою автоматизації. Розроблена методика включає наступні
загальні етапи:
 запропонування ідеї щодо доречності автоматизації акваріуму;
 аналіз функціональних складових готових рішень, що є на ринку;
 морфологічний розбір проектованого пристрою;
 шляхом використання ітераційного методу виконання «шліфування»
проекту на різних стадіях розробки.
На першому етапі було застосовано саме евристичні методи, що являли
собою спостереження за схожими процесами догляду за штучним
резервуаром, в якому проживають різні види гідробіонтів, та проведено
порівняння таких процесів з роботами, що виконуються на
сільськогосподарських підприємствах. Як результат, було висунуто ідею про
доцільність автоматизації процесів догляду за акваріумом. Ще одним
фактором доцільності автоматизації процесів в акваріумі був досвід заміни
ручної роботи сфері сільського господарства на автоматизовані системи, а
також швидке поширення «розумних» середовищ в сучасному світі. Тому,
після отримання в наслідок дослідження результатів була висунута ідея про
об’єднання цих понять, що надасть можливість вирішити проблему
автоматизації монотонних процесів догляду за акваріумом.
Також було проведено аналіз існуючих на ринку готових рішень в сфері
автоматизації та виявлено їх недоліки. Порівнявши поставлені вимоги для
автоматизації процесів в домашньому акваріуму, з характеристиками
існуючих пристроїв було прийнято рішення спроектувати окрему
роботизовану систему керування.
Наступним етапом став морфологічний аналіз проекту пристрою.
Перевагою такого методу є наочне представлення різних ознак майбутнього
проекту та можливість більш зручного та простого перебору для суміщення
окремих конкретних рішень в кожній окремо взятій ознаці та в цілому
проаналізувати отримані результати [7].
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 17
а
В процесі виділення функціональних ознак для розробки системи
автоматизації керування середовищем було сформовано таблицю 1.1 для
можливості перебору різних вдалих сполучень конкретних рішень задач.
Побудована таблиця носить назву морфологічного ящика (МЯ), що
вивчається, і при виявлені найбільш цікавих варіантів вони записуються.
В процесі складання морфологічного ящика необхідно знайти компроміс
між його компактністю та повнотою.
Таблиця 1.1 – Таблиця морфологічного аналізу
Варіант 1 2 3
A Управління Блок з кнопками Немає інфрачервоний-
інтерфейсом можливості пульт
налаштувань керувати
налаштуваннями
Б Керуюча Arduino RaspberryPi
(управляюча)
система
В Пристрій для Компресор Фільтр з насадкою
аерації
Г Реле для Електромагнітне Твердотільне
перемикання
підсистем
Д Освітлення Лампа Світлодіодна Галогенна лампа
розжарювання лампа
Це потрібно тому що в одному випадку при великій кількості
визначених ознак та конкретних способів рішення для цих ознак, перелік
можливих комбінованих пристроїв може бути наскільки великою, що
ефективно дослідити кожен варіант з перевіркою його можливих переваги і
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 18
а
недоліки буде неможливим, оскільки затрати на такий вид діяльності
визначається кількістю часу. З іншої сторони невелика кількість варіантів, що
визначається відношенням «ознака-рішення» приведе до втрати можливості
знайти унікальне та цікаве рішення. Відповідно до цих причин метод
морфологічного аналізу частіше використовують не для пошуку якогось
одного ефективного рішення, а при системному підході до розв'язування
творчих завдань загального плану [7]:
 для пошуку схемних або компонувальних рішень машин;
 для визначення простих винаходів, які до цього часу ніким не
помічались;
 для дослідження галузі можливого застосування технічних систем;
 при визначенні можливості патентування комбінацій основних
морфологічних ознак з метою «блокування можливих майбутніх винаходів»;
 для прогнозування розвитку технічних систем;
 при функціонально-вартісному аналізі.
Якщо повернутися до таблиці 1.1 можна побачити не велику кількість
варіатів відношення «ознака-рішення». Але для досліджуваного випадку такий
результат зумовлений специфікою реалізованого проекту, який не дозволяє
вийти за рамки визначених можливостей та функціоналу майбутньої системи.
Отож в результаті покрокового сполучення отриманих відношень, найбільш
вдалим варіантом було визначено саме варіант А3-Б1-В2-Г1-Д2. Тобто, це
система автоматизації керування акваріумом для тварин на основі
мікроконтролерної платформи Arduino, із підсистемою аерації з
використанням водного фільтру, що передбачає в своїй структурі спеціальне
пристосування для перемішування води, включає в себе підсистему освітлення
на основі світлодіодних ламп, а також пристрої керування навантаженням на
підсистемах у вигляді електромеханічних реле, контроль для яких система
налаштовується за допомогою інфрачервоного-датчика та пульта керування.
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 19
а
Наступним кроком проектування в отриманій методиці є процес для
наближення проекту реалізовуваної системи автоматизації до визначених
вимог ітераційним методом послідовного наближення. До початку процесу
проектування пристрою, до його продуктивності та функціональності було
сформовано певні вимоги:
 компактність системи;
 відмовостійкість;
 простота в налагоджені;
 легкість підключення до нового резервуару.
В процесі проходження деяких етапів для послідовного наближення
результатів проектованого пристрою до стану задоволення поставлених вимог,
було розроблено експериментальний зразок автоматизованого пристрою для
акваріуму. Відповідно до проекту пристрій складається з трьох основних
блоків:
 блоку керування, тобто мікроконтролера, що містить необхідну
розв’язку електронних пристроїв для коректної роботи;
 блок датчиків, що передбачає, набір потрібних датчиків для
вимірювання стану компонентів штучного водоймища та винесений за межі
блоку керування;
 блок керування живленням підсистем, що відповідає за управління
навантаженням електричних кіл підсистем пристроїв, при цьому, отримує
управляючі сигнали від блоку керування, а також, як і блок датчиків,
винесений за межі блоку керування.
Завершальним етапом при проектуванні експериментального зразка була
організація процесу розробки відповідно до основних та загальноприйнятих
підходів до реалізації технологічних засобів. Як правило, організація розробки
таких пристроїв включає повне задоволення розробленого технічного
завдання з покроковим додаванням та тестуванням потрібного функціоналу,
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 20
а
програмуванням та під’єднанням додаткових модулі та датчики до головного
керуючого блоку. Головним поняттям в такому підході є технічне завдання.
Технічне завдання (ТЗ) - вихідний документ для проектування споруди
чи промислового комплексу, конструювання технічного пристрою (приладу,
машини, системи керування тощо), розробки автоматизованої системи,
створення програмного продукту, або проведення науково-дослідних робіт
(НДР) у відповідності до якого проводиться виготовлення, приймання при
введенні в дію та експлуатація відповідного об'єкту [8].
Розробка високотехнологічного пристрою, як і розробка програмного
забезпечення та будь-якого автоматизованого винаходу, як правило,
проходить через кілька важливих етапів. Результатом чого, при правильному
процесі проведених робіт на таких етапах, зазвичай, приведуть до
запланованого та викладеного результату в технічному завданні. Розробка
технічного оснащення, що основана на керуванні мікроконтролером його
підсистем, повинна проходити наступні етапи:
1. Ідея, тобто, етап, що потребує визначення того, які функції буде
виконувати пристрій.
2. Умови реалізації. На даному етапі проводиться підрахунок часу та
ресурсів, що може витратити розробник на конструювання пристрою.
3. Вибір інструментів та компонентів. Етап на якому проходить
визначення та обрання необхідних компонентів та інструментів, що будуть
використані в процесі реалізації ідеї створення пристрою враховуючи умови
для реалізації.
4. Моделювання, тобто процес створення віртуальної моделі за
допомогою відповідного програмного забезпечення.
5. Програмування. Етап в процесі виконання якого, створюється скетч
роботи мікроконтролера та його тестування.
6. Збірка. Останній етап на якому відбувається під’єднання всіх
компонентів, для платформ проектування типу Arduino, обов’язкове
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 21
а
фіксування компонентів в корпусі, або ж створення відповідно до схеми
друкованої плати та прошивка мікроконтролера.
Відповідно до наведених вище етапів буде проходити конструювання
експериментального пристрою, що застосовується для автоматизації
середовища існування водних організмів.
В даному підрозділі були викладені процеси реалізації для першого та
частково другого етапі. Безпосереднє практичне конструювання технічного
пристрою відповідно до етапів 2-6 будуть наведені в наступних розділах.
1.4 Розробка алгоритму роботи для автоматизації системи
акваріума
Усі види автоматизації та автоматичного керування поділяються на два
загальних види: системи зі зворотним зв’язком та системи без зворотного
зв’язку. Простішим видом автоматизованих систем є системи без зворотного
зв’язку, так як в них відсутні так звані «давачі», тобто підсистеми отримання
даних про стан процесів на яких здійснюється вплив. Значним
удосконаленням таких систем автоматизації є автоматизаційні засоби зі
зворотним зв’язком. В таких системах на противагу системам без «давачів»
(сенсорів і датчиків), спираються саме на ефективне використання таких
сенсорів. Коригування і безпосереднє керування процесами, які
автоматизуються відбувається під впливом отриманих даних з датчиків, що
вимірюють потрібні параметри об’єктів і процесів. Системи автоматизації
замкненого контуру (зі зворотним зв’язком) зробили революцію у сфері
виробництва і надання послуг. Зокрема на підприємствах, де виробляють
велику кількість продукції, такі системи за допомогою великої кількості
різноманітних датчиків, що постійно контролюють якісь виробів, постійно
коригують процеси виробництва без втручання людини [9].
Автоматизація – є одним з напрямів науково-технічного прогресу, який
спрямовано на застосування саморегульованих технічних засобів, економіко-
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 22
а
математичних методів і систем керування, що звільняють людину від участі у
процесах отримання, перетворення, передачі і використання енергії,
матеріалів чи інформації, істотно зменшують міру цієї участі чи
трудомісткість виконуваних операцій [10].
«Розумні» середовища можна віднести також до систем автоматизації
замкненого контуру. Вимірювання стану процесів, що контролюється, як
правило, постійно виконується за допомогою різноманітних датчиків. Тому,
реалізовану в даній кваліфікаційній роботі систему автоматизації середовища
існування водних тварин, в штучному резервуарі, можна віднести до
пристроїв управління зі зворотним зв’язком.
Основні поняттям реалізації та роботи автоматизованих систем тісно
пов’язані з поняттям алгоритму.
Алгоритм являє собою набір інструкцій, що описують порядок дій
виконавця для досягнення результату розв'язання задачі за певну скінченну
кількість дій. Застосовує систему правил виконання дискретного процесу, яка
за скінченний час досягає поставленої мети. Для комп’ютерних систем дане
поняття є головним, так як вся суть роботи таких систем визначається в
обробці, наприклад, виконання арифметичних обчислень, великої кількості
вхідних даних відповідно до визначеної послідовності команд та логічних
інструкцій, тобто програми.
В процесі розробки різноманітного технологічного устаткування
особливим та важливим моментом є проектування та розробка ефективного
алгоритму роботи цих пристроїв. Оскільки, правильно розроблена інструкція
процесу роботи автоматизаційної системи є однією з основник ознак, яка в
подальшому буде відносити таку систему до високопродуктивних технічних
засобів роботизації.
Для того, щоб пристрій автоматизації акваріуму, що розробляється,
правильно працював необхідно було розробити алгоритм його роботи.
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 23
а
Алгоритм роботи пристрою спочатку було описано у вигляді словесних
інструкцій. Опис його має наступний вигляд:
1. Фіксація часу:
1.1 у випадку, якщо зафіксований час співпадає з налаштованим
часом для ввімкнення/вимкнення підсистеми освітлення, то
необхідно виконати процедуру ввімкнення/вимкнення її. Дана
процедура виконується за допомогою подачі керуючого сигналу
на реле ввімкнення лампи;
1.2 у випадку, якщо зафіксований час співпадає з налаштованим
часом ввімкнення/вимкнення підсистеми аерації, то необхідно
виконати процедуру ввімкнення/вимкнення її. Дана процедура
виконується за допомогою подачі керуючого сигналу на реле
ввімкнення фільтру;
1.3 у випадку, якщо зафіксований час співпадає з налаштованим
часом ввімкнення підсистеми подачі корму, то необхідно виконати
процедуру ввімкнення її. Дана процедура виконується за
допомогою подачі керуючого сигналу на серводвигун.
2. Процес вимірювання температури:
2.1 у випадку, якщо зафіксована температура води менша ніж
налаштована, то необхідно ввімкнути підігрівач;
2.2 у випадку, якщо зафіксована температура води більша ніж
налаштована, то необхідно вимкнути підігрівач.
3. Перевірка процесу подачі команди на інфрачервоний-порт з пульта
керування:
3.1 у випадку, якщо команду було отримано, то необхідно ввімкнути
дисплей і розпочати роботу з меню налаштування;
3.2 в іншому випадку повернутися до пункту 1.
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 24
а
Для наочного зображення алгоритму зазвичай використовують блок-
схему. На рисунку 1.4 у вигляді блок – схеми представлено описаний вище
словесний алгоритм роботи проекту.
Для того, щоб довести ефективність проведення експерименту по
впровадженню розробленої автоматизованої системи управління для
акваріуму, необхідно застосувати емпіричні методи. Суть даних методів
полягає в спостережені за середовищем існування тварин до та після
застосування автоматизованої системи.
Рисунок 1.4 – Блок-схема алгоритму роботи автоматизованого пристрою
для акваріуму
Як результат, отримаємо наочні дані, щодо доречності подальшої
популяризації системи, а також потенціалу щодо виготовлення таких
пристроїв в промислових масштабах. Для отримання результату було
прийнято рішення щодо вимірювання наступних показників штучного
резервуару:
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 25
а
 середній рівень температури протягом певного проміжку часу;
 рівень pH, а саме, лужності та кислотності середовища;
 рівень забрудненості води в резервуарі;
 середній рівень розчиненого кисню протягом певного проміжку часу;
 загальний стан гідроекоситеми, що було визначено при наочному
способі.
Спостереження, а також вимірювання виконувалося для двох способів
процесу догляду за акваріумом. Перший спосіб - до введення в
експериментальну експлуатацію пристрою для автоматизації. При такому
способі всі роботи по догляду за тваринами проводилися вручну людиною, а
тому був помітний вплив людського фактору. При другому способі
спостереження та вимірювання проходили після впровадження системи
автоматизованого керування підсистемами підтримки стану гідробіонтів та
резервуару. Як в першому, так і другому випадку визначені результати
заносилися в таблиці для подальшого їх аналізу та порівняння отриманих
результатів дослідів.
Крім дослідження стану водного середовища та тварин, що в ньому
знаходяться було також проведено тестування самої автоматизованої системи
керування за допомогою експериментальних тестів, а саме, на правильність
роботи за розробленим алгоритмом та на відмовостійкість. Тестування
системи проводилися за допомогою наступних методик:
 стресове тестування суть якого полягає в перевірці системи, тобто, як
поводитиме себе автоматизований програмно-апаратний комплекс при
невідповідних для нього вхідних даних;
 тестування продуктивності суть якого полягає в цілях визначення, а
саме, як швидко працює програмно-апаратний комплекс.
В процесі тестування систему цілком та її окремі підсистеми необхідно
перевіряти на відмовостійкість застосовуючи при цьому різноманітні
неочікувані робочі ситуації. Це надасть можливість визнати як система буде
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 26
а
себе поводити у випадку, якщо такі помилки виникнуть в процесі введення
технічного засобу в повну експлуатацію.
У випадку, якщо система не задовольняє якихось вимог визначених до
моменту початку процесу тестування, тоді систему відправляють на
доопрацювання, для виправлення помилок проектування або самої реалізації.
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 27
а
2 СТВОРЕННЯМІКРОКОНТРОЛЕРНОЇ СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ
ДЛЯ ДОГЛЯДУ ЗА ТВАРИНАМИ
2.1Обрання компонентів для мікроконтролерної системи
Відповідно до розробленого в попередньому розділі проекту
технологічного пристрою для автоматизації середовища перебування тварин
та складеного алгоритму дії для такого засобу з’являється можливість його
практичної реалізувати. Модель для експериментального пристрою
автоматизації складається з трьома логічно розділених блоків:
 блоку керування (у вигляді мікроконтролерної платформи);
 блоку датчиків;
 блоку керування навантаженням підсистем.
Для розроблюваної автоматизованої системи блок керування є саме
«мозком» системи і являє собою мікроконтролерну платформу. Перед тим як
було спроектовано пристрій, проведено дослідження з обрання основи
платформи. Сьогодні найпопулярнішими мініатюрними мікропроцесорними
системами є, Arduino, STM32, RasperryPi та BeagleBoard. Останні дві
являються мікрокомп’ютерами, тому як мають потужніші процесори і великий
об’єм оперативної пам’яті в порівнянні з Arduino. Ці системи працюють під
управлінням ОС Linux, Android або Windows CE та володіють всима
основними інтерфейсами, що має звичайний комп’ютер. Але для побудови та
проектування системи, що реалізується в даній роботі, достатньо буде
апаратно-програмної платформа Arduino.
Чому саме було обрано дану платформу для автоматизації системи?
Arduino розроблено спеціально як мініатюрну та просту платформу для
прототипування пристроїв типу «розумний дім» або робототехніки. Сама
плата не вміщує зайвих і не потрібних інтерфейсів та модулів, що впливає на її
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 28
а
ціну та розміри. В серії Arduino існує близько 15 видів мікроконтролерів, що
відрізняються розмірами, наявністю тих чи інших інтерфейсів тощо [9].
В процесі дослідження кожної моделі платформ було вибрано
мікроконтролерну платформу Arduino UNO, як одну з найпопулярніших, яка
містить потрібну потужність та всі необхідні інтерфейси.
Дану платформу зображена на рисунку 2.1.
Рисунок 2.1 – Платформа Arduino UNO та основні її елементи
Arduino UNO – це мікроконтролерна платформа, що створена на основі
мікроконтролера ATmega328. Вона розміщена на друкованій платі, де
розміщені інші допоміжні електронні пристрої, а саме:
 програматор;
 14 цифрових та 6 аналогових виходів;
 кварцевий резонатор;
 роз’ємом живлення від 7-12 В;
 порт USB, для живлення чи завантаження прошивки.
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 29
а
Базові електронні компоненти в розв’язці платформи та всі допоміжні
пристрої надають можливість спростити процес розробки проектів, за рахунок
розробки в короткий проміжок часу експериментального прототипу пристрою.
В реалізованому експериментальному прототипі пристрої є можливість
налаштовувати для побудованого пристрою окремі підсистеми, а саме,
налаштовувати систему під потрібні значення використовуючи пульт
віддаленого керування. Налаштовувати можна наступні процеси в системі:
 вмикати/вимикати світло в установлений час доби;
 вмикати/вимикати аератора у зазначений час доби;
 подачу корму у зазначений час доби
 встановити граничний рівень температури води при якому необхідне
ввімкнення обігрівача.
Для того, щоб зручніше було налаштовувати визначені підсистем в
блоці керування було передбачено модуль рідкокристалічного дисплею I2C
1602, де відображається запрограмоване меню для налаштувань пристрою та
модуль інфрачервоного-порту, куди буде приходити сигнал керування з
пульта.
Інфрачервоний-приймач – це фотодіод, у якому починає йти струм під
дією інфрачервоного випромінювання, яке надходить від пульту керування.
Отриманий струм у вигляді сигналу надходить на головну плату, де
закладеною в мікроконтролер програмою і буде оброблятися.
Для відображення меню налаштувань системи буде використано LCD
дисплей. Рідкокристалічний дисплей має багато виходів для виведення
символів на екрані (8 виходів для даних, виходи вибору режиму роботи, 2
виходи для керування підсвіткою, живлення). Якщо його підключати напряму
до мікроконтролера, для підключення інших пристроїв до плати Arduino не
залишиться вільних входів (за умовою, якщо модулів в системі багато). Для
управління строковим рідкокристалічними екранами та для полегшення
роботи з ним використовують протокол I2C [11].
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 30
а
Протокол розроблений Philips проектувався для обміну даними між
двома інтегральними схемами в одному електронному пристрої. Тому для
коректної роботи LCD дисплею, що управляється інтегральною схемою
(контролером) HD44780, необхідне встановлення зв’язку із контролером
ATmega328, що являється головним контролером платформи Arduino. Це
можна отримати застосувавши модуль, що реалізує протокол I2C. Даний
модуль під’єднують до виходів дисплея, а потім підключають до виведень
платформи Arduino.
Вид розглянутої вище системи, наведено на рисунку 2.2.
Рисунок 2.2 – 1602 LCD дисплей з I2C інтегрованим модулем
При розробці блоку датчиків автоматизованої системи управління
акваріумом для тварин було обрано такі пристрої-давачі:
 датчик освітлення на базі фото резистора;
 датчик температури DS18B20.
Датчик освітлення. Даний датчик побудовано на основі фоторезистора,
основною характеристикою якого є те, що він має опір провідника. Свій
питомий опір фоторезистординамічно міняє в залежності від освітлення. В
розробленому та спроектованому пристрої, датчик освітлення буде
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 31
а
спрацьовувати та подавати сигнал тоді, коли світло лампи тускнітиме до
певного рівня, що викликатиме певні труднощі для мешканців акваріума [12].
Датчик температури. Даний датчик є звичайним терморезистором, опір
якого змінюється зі зміною його температури. Такі датчики поширені всюди,
від систем протипожежної безпеки до систем, які у зв’язці з датчиками
вологості та тиску використовуються для отримання даних, що
використовуються на метереологічних станціях. В спроектованій системі
управління використовується датчик з маркуванням DS18B20, що знаходиться
у вологозахищеному корпусі, що дозволяє йому працювати навіть в рідині
[12].
Для контролю навантаження підсистем спроектованої автоматизованої
системи керування було обрано елементи двох типів реле, що є основою блоку
керування навантаженням.
Реле являє собою елемент автоматичних пристроїв, який стрибкоподібно
приймає кінцеве число значень вихідної величини, при впливі на нього
зовнішніх фізичних явищ. Воно складається з релейного елементу і групи
електричних контактів, що замикаються/розмикаються у випадку зміни стану
релейного елементу. Реле на базі магнітних, електронних, оптичних або інших
складників без механічно рухомих частин, називають твердотілим реле [12].
Вигляд двох типів реле наведено на рисунках 2.3 та 2.4.
Рисунок 2.3 – Модуль електромеханічного реле
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 32
а
Рисунок 2.4 – Модуль твердотілого реле
2.2Моделювання структурної схеми автоматизованої системи
Моделювання являється одним з найефективніших способів
дослідження складних систем різного призначення, наприклад, екологічних,
технічних, інформаційних, економічних, соціальних, як на етапі проектування,
так і в під час експлуатації [13].
Модель – це деякий об’єкт-замінник об’єкта-оригіналу, що забезпечує
вивчення деяких істотних, з погляду дослідника, властивостей оригіналу.
Заміщення одного об’єкта іншим із метою здобуття інформації про
найважливіші властивості об’єкта-оригіналу за допомогою об’єкта-моделі
називається моделюванням. Таким чином, моделювання полягає в заміні
об’єкта моделлю з метою дістати інформацію про цей об’єкт, виконуючи
експерименти з його моделлю. Теорія заміщення одних об’єктів (оригіналів)
іншими (моделями) і дослідження властивостей об’єктів на їхніх моделях
називається теорією моделювання.
Прототипом для технічного пристрою є схема. Тому перед створенням
технологічного пристрою (гідравлічного, електричного, тощо) будують його
модель – схему.
Схема – це графічний конструкторський документ, на якому у вигляді
умовних познак і зображень показані складові частини виробу, їх взаємне
розташування і зв'язки між ними [14].
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 33
а
Технічні схеми будують при проектуванні технологічних пристроїв, для
наочного представлення результату проектування та віртуальної перевірки
роботи модулів та всієї системи в цілому [14].
Залежно від свого призначення схеми поділяють на:
 структурні – схеми, що визначають призначення і взаємозв'язки
основних функціональних частин виробу;
 принципові – схеми, що дають детальне уявлення про принципи
роботи виробу та визначають повний склад елементів і зв'язків між ними;
 функціональні – схеми, що дають пояснення певним процесам, що
здійснюються в окремих функціональних колах виробу;
 підключення – схеми, що показують зовнішні підключення виробу,
наприклад, електрична схема підключення;
 розташування – схема, яка визначає відносне розташування складових
частин виробу;
 об'єднані – документи, що випущений на один виріб, на яких
виконують схеми двох або декількох типів;
 з'єднань (монтажні) – схеми, на яких зображено з'єднання складових
частин виробу, а також визначають типи проводів, джгутів та кабелів;
 загальні – схеми, що показують складові частини комплексу та як
вони з'єднанні між собою.
Присутнє також створення комбінованих схем, де можуть бути наявні
головні пристрої і елементи, наприклад, за сферою призначення пристрою, та
елементи з інших сфер техніки, якщо потрібне їх позначення на схемі.
На сьогоднішній день моделювання і проектування розробки технічних
систем майже всюди відбувається з використанням спеціалізованих
програмних комплексів для проектування електронних схем. Існуюче
програмне забезпечення називають EDA (англ. ElectronicDesignAutomation).
Програмний комплекс дозволяє проектувати принципову електричну схему
створюваного пристрою використовуючи засоби графічного інтерфейсу,
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 34
а
створювати і змінювати базу радіоелектронних компонентів, інспектувати
цілісність ланок передачі сигналів на ній. Такі системи автоматизації для
проектування електроніки надають можливість моделювати розроблений
пристрой і досліджувати його роботи до того, як його буде застосовано в
апаратурі [15].
Програмний комплекс під назвою Fritzing використовується для
моделювання схем, створених на основі мікроконтролерної платформи
Arduino. А отже в даній кваліфікаційній роботі бакалавра було використано
даний програмний комплекс для проектування автоматизаційної схеми для
системи керування акваріума для тварин.
Схематичну модель реалізованого пристрою з позначенням структурних
блоків наведено на рисунку 2.5.
1 – Мікроконтролерна платформа Arduino UNO, 2 – рідкокристалічний дисплей, 3 –
інфрачервоний-приймач, 4 – датчик вимірювання температури, 5 – фоторезистор, 6 –
електрична лампа, 7 – електромеханічне реле, 8 – роз’єми для підключення навантаження, 9
–плата-макет.
Рисунок 2.5 – Схема підключення модулів і блоків для автоматизованої
системи керування акваріумом
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 35
а
Як видно зі схеми, через допоміжний інструмент, а саме, макетну плату
виконується компонування і підключення усіх пристроїв до головної
платформи Arduino UNO.
Бредборд (англ. Breadboard), або «макетна плата» - плата, яка
використовується для швидкого прототипування розроблюваних пристроїв.
Використовуючи плати в процесі збору прототипу розроблюваного пристрою,
надає можливість не використовувати паяльник і при цьому скоротити час при
прототипуванні. Плата являє собою деяку кількість «рельсів» з отворами, які
служать для приєднання електронних елементів. Основною перевагою
використання макетної плати є зручність використання ліній живлення,
особливо при конструюванні приладів на основі мікроконтролерної
платформи Arduino. Знаючи той факт, що для підключення кожного окремо
взятого модуля потрібно надати йому живлення, а на платах Arduino зазвичай
по два виходи 5V та «землі», то без використання «бредборда», до платформи
не можливо буде підключити більше двох модулів.
Інтерфейс (від англ. interface- поверхня розділу, перегородка) являє
собою певну сукупність засобів, правил взаємодії та методів. Цей термін
застосовується у багатьох галузях науки й техніки. Під інтерфейсом
розуміється не тільки поняття пристрою, але й правила взаємодії цих
пристроїв. Тому при дотриманні головних принципів поняття «розділення
відповідальності», зокрема, при реалізації розроблених інтерфейсів
взаємозв’язку між блоками, може виникнути ситуація, коли, якийсь модуль
при виході його з ладу, або при застарілій технології можна з легкістю
замінити іншим, який підтримує розроблений інтерфейс [15].
На наведеній на рисунку 2.5 схемі пристрою можна побачити виділені
групи пристроїв в окремі функціональні блоки. Дане розділення
використовуються для задоволення одного з основоположних принципів
інженерної справи – «розділення відповідальності». Суть такого принципу
заключається в діленні цілого програмного чи апаратного комплексу на менші
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 36
а
слабо залежні однин від одного модулі. При використанні методики
«розділення відповідальності» постає питання в правильності розробки
стандартизованих інтерфейсів для кожного окремого блоку [16].
В спроектованій системі автоматизації для керування акваріумом,
наприклад, блок керування може бути замінений іншим, наприклад, можна
замінити дисплей або ж мікроконтролерну платформу; чи наприклад, в блоці
керування колами навантаження на підсистеми, тобто цілий блок, який
містить електромеханічні реле, може бути замінений аналогічним блоком, але
тільки з основою на твердотілих реле. Тобто, додержуючись правильного
використання методики «розділення відповідальності» та поняття
«інтерфейсу», процедура заміни складових структурних блоків пристрою буде
виглядати, як заміна звичайної лампочки.
2.3Реалізація автоматизованої системи керування акваріумом
Програмування апаратного забезпечення є реалізацією алгоритмічних
інструкцій програмно-апаратного комплексу та основою технічних засобів
автоматизації. Низькорівневе програмування мікроконтролерів, взагалі дуже
відрізняється від прикладного програмування. Тому як в другому випадку,
вихідний код програми побудований над уже готовим шаром системних
програм, що реалізують функції роботи з апаратним забезпеченням та надають
інтерфейси до таких функцій. Отже, програміст прикладного рівня, може не
замислюватись над внутрішньою реалізацією системних викликів, а просто
користуватися розробками інших програмістів, які написали ці системні
утиліти чи операційні системи. У випадку ж з програмуванням
мікроконтролерів, контроль над апаратним забезпеченням, так і
відповідальність за правильно розроблений алгоритм роботи мікроконтролера
покладається на розробника системи. З одного боку такий підхід надає більше
повноважень при вирішенні складних задач, тому що базовими елементами
мікроконтролера, такими як таймери, порти, регістри, можна керувати шляхом
виконання команд програми. Для того, щоб управління було коректним, такі
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 37
а
програми повинні бути написані з урахуванням специфіки мікроконтролера, а
саме, його архітектури, ядра і системи команд, що є складним процесом [17].
Натомість, розробники мікроконтролерної платформи Arduino пішли
іншим шляхом. Не зважаючи на те, що основним обчислювальним центром
системи є мікроконтролер, а це означає, що його правильне програмування
передбачає вивчення його архітектури та системи команд. Розробники
платформи завдяки деяким інженерним рішенням, використовуючи спеціальні
програматори та компілятори, а також використовуючи спрощення мови
програмування С++ разом з бібліотекою мови Wiring, яка являється
попередньою розробкою схожої програмно- апаратної платформи, вийшло в
кілька разів спростити процес реалізації програмного забезпечення для
розроблених під керуванням Arduino пристроїв.
За допомогою бібліотеки Wiring в кілька рядків можна розробити
керування цифровими та аналоговими виводами системи, налагодити їх на
вхід/вихід, включати вбудований світлодіод, що являється звичайною
практикою при перевірці працездатності мікроконтролерної системи [17].
Структурно програмне забезпечення для платформи Arduino складається
з наступних розділів:
 частина, що відповідає за визначення змінних та констант;
 частина циклічного виконання команд (функція loop);
 частина попереднього налаштування платформи (функція setup).
В першій секції програми ініціалізуються константи, що дадуть змогу
зручніше користуватися сталими значеннями та змінні, які в процесі реалізації
алгоритму будуть використовуватися для збереження необхідних в подальшій
роботі значень (наприклад дані, які надходять з фоторезистора та датчиків
температури).
В наступній частині програми, яка є головною в процесі роботи,
реалізується функція loop(). Тіло цієї функції виконується циклічно, до тих
пір, поки на платформу подається живлення. Як правило, основний код
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 38
а
реалізованого програмного забезпечення для проекту описується в тілі функції
loop().
В частині попереднього налагодження платформи реалізують функцію
setup(). Дана функція виконується кожен раз коли на платформу подається
живлення, або натискається кнопка Reset. Функція викликається одноразово
при розглянутих вище умовах. Як правило, реалізацією цієї функції є базове
налагодження виходів платформи на видачу сигналу або на отримання, для
ефективнішої відладки програми на відкриття COM-порту для його
прослуховування.
Для того, щоб зрозуміти структуру програми на платформі Arduino, було
створено найпростіший алгоритм для управління світлодіодом вбудованим в
плату:
#define LED_PIN 13
voidsetup () {
pinMode (LED_PIN, OUTPUT); // для цифрового виводу було ввімкнено
контакт 13
}
voidloop () {
digitalWrite (LED_PIN, HIGH); // Ввімкнено світлодіод
delay (1000); // Установка затримки в одну секунду (1000 мілісекунд)
digitalWrite (LED_PIN, LOW); // Вимкнення світлодіоду
delay (1000); // Затримка в одну секунду
}
При програмуванні різноманітних датчиків та підключенні
мікроконтролерної платформи Arduino, а також реалізований її програмний
комплекс, надає можливість розробникам витрачати менше часу для
налагодження правильної їх роботи. Як результат для найпопулярніших і
найвикористовуваніших модулів платформи Arduino було створено бібліотеки
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 39
а
функцій, що дозволяють не міркувати щодо правильної програмної реалізації
взаємодії модуля та мікроконтролера, а сконцентруватися на розробці
алгоритму реалізуючого проекту. Так, наприклад, підключивши бібліотеку
DallasTemperature та викликавши функцію dallasSensors.requestTemperatures().
Дана бібліотечна функція визначає показник датчика температури та наводить
їх в людино-зрозумілі значення.
2.4Поєднання та тестування компонентів системи
Отже, реалізувавши проект автоматизованої системи для аваріума,
розробивши алгоритм її роботи, провівши вибір інструментів та потрібних
технічних електронних елементі можна було отримано можливість перейти до
останнього етапу конструювання експериментального пристрою для
автоматизації роботи акваріуму для тварин.
Перший етап збірки прототипу буде виконуватися за допомогою
бредборду, як це зображено на рисунку 2.6.
Рисунок 2.6 – Макетна плата та схема сполучень комірок
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 40
а
Така побудова проекту зумовлена тим, що в процесі можуть виникнути
недоречності, наприклад, у вигляді людського фактору або непрацюючих
окремих компонентів, а тому на початковому етапі створення прототипу міцно
фіксувати елементи не потрібно. Як відомо, для кожного готового
реалізованого модуля або електронного елементу необхідне живлення. На
платформі Arduino є по два роз’єми виходи 5V і GND (земля); один з виходів
на 3.3V та один вихід з написом VIN, до якого підключається живлення
використовуваної плати з навантаженням в 7-12В та проходить через
вбудований стабілізатор напруги. Як правило, розроблені модулі та датчики
отримують живлення від 5V. Отже, при більшій їх кількості, понад два, на
один з виходів живлення підключено саму плату, а для іншого виходу на 5V
необхідно всі проводи модулів та датчиків спаювати для того, щоб мати
можливість підключити живлення до всіх пристроїв. В такому випадку
використовується «макетна плата», що має спеціальні рейки за допомогою
яких можна збільшити кількість виходів живлення для додаткових модулів
системи.
Метод для підключення рейок живлення бредборда для плати Arduino, а
саме, до її виходів живлення полягає в наступному – при допомозі конекторів
до однієї з позитивних рейок підключається вихід 5V, а до іншої – вихід
заземлення GND. Після підключення від рейок з одної сторони бредборда за
допомогою конекторів подається напруга на рейки з іншої сторони макетної
плати.
На рисунку 2.7 наведено спосіб для підключення рейок напруги до
виходів плати.
Використовуючи такий спосіб підключення для додаткових виходів під
живлення, розробник отримує можливість підключати більшу кількість
модулів та датчиків на етапі збірки прототипу пристрою. Але при цьому,
необхідним є розрахунок значення сили струму, який необхідний для роботи
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 41
а
усіх модулів та датчиків, та такий, щоб не перевищував допустимого для
певного способу живлення.
Рисунок 2.7 – Спосіб для підключення рейок напруги до виходів плати
Наприклад, для живлення через порт USB, сила струму, яка буде
використана підсистемами, не повинна перевищувати 500мА, тому як напруга
через захисний діод впаде наскільки, що пристрій буде вимкнено. Реалізовану
схему на платформі Arduino найкраще живити напряму через вихід 5V. Але
при цьому виникають деякі умов, яких необхідно дотримуватися для
стабільності роботи пристрою:
 на вихід для мікроконтролера, який працює на певній частоті,
необхідно подавати більшу напругу ніж мінімально дозволена для нього.
Наприклад, для платформи Arduino UNO з частотою роботи мікроконтролера
16МГц, така мінімальна напруга буде рівна приблизно 4В;
 на виході при подачі напруги більше 5.5В виникає велика вірогідність
вивести мікроконтролер з ладу.
Дотримуючись визначених правил, відповідно до побудованої схеми
наведеною на рисунку 2.5 було проведено підключення датчиків та окремих
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 42
а
модулів, як це зображено на рисунказ 2.8 та 2.9, а також виконано перевірку
схем на працездатність.
Рисунок 2.8 – Спосіб підключення LCD I2C дисплею
Рисунок 2.9 – Спосіб підключення інфрачервоного-датчика для
приймання сигналу з пульта
На рисунках 2.8 та 2.9 наведено приклад підключення елементів блоку
керування через допоміжну макетну плату. В результаті проведення
тестування системи було поміщено блок керування в корпус, що надасть
можливість захищати елементи блоку від зовнішнього впливу середовища та
пошкоджень.
На рисунках 2.10 та 2.11 наведено можливий спосіб підключення
датчиків освітлення та температури.
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 43
а
Рисунок 2.10 – Спосіб підключення датчика температури
Рисунок 2.11 – Спосіб підключення фоторезистора (датчика
освітленості)
Елементи підключення наведені на рисунках 2.10 та 2.11 відносяться до
блоку датчиків. На пластині довжиною 10см планується фіксація елементів
даного блоку. Вона матиме клейкі елементи з другої сторони від місця фіксації
датчиків, для можливості закріпитися на стінці акваріуму. На внутрішній
стінці резервуару, без занурення його у воду, звичайно, крім фіксуючої
частини датчика температури, фіксується блок датчиків, який виноситься
окремо від блоку керування. В процесі ввімкнення пристрою, датчики
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 44
а
розпочинають вимірювати стан компонентів акваріуму для тварин та
відправляти отримані дані на блок керування автоматизованою системою, яка
відповідно до алгоритму роботи використовує отримані дані та виконує
потрібні операції.
Підсистем блоку керування навантаженням кіл складається з ряду
електромеханічних реле, що під’єднанні до розеток електричного
подовжувача. Як результат, кожна окрема підсистема, а саме, освітлення,
фільтр, обігрівач, відповідно до моделі керування елементами через систему
Arduino, являють собою лише стани зімкнення чи розімкнення кіл, які
контролюються реле. Приклад, на рисунку 2.12 наведено підключення
електромеханічного реле.
Рисунок 2.12 – Схема підключення до Arduino електромеханічного реле
Результатом виконання кваліфікаційної роботи бакалавра є розробка
автоматизованої системи керування, в замкненому штучному резервуварі,
середовищем існування тварин. Отже, було розроблено проект такої системи
та спроектовано ефективний алгоритм роботи системи. Після етапу
проектування функціональних елементів системи було реалізовано алгоритм з
використанням інструментів Arduino IDE та мови програмування С++, яка
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 45
а
включає в себе конструкції бібліотеки Wiring.. Останнім етапом моделювання
реалізованого пристрою стала збірка, в окремі структурні блоки, компонентів
системи та виконано завантажування прошивки. Після завершальної стадії
реалізації системи було виконано ряд функціональних тестів, результат яких
показав правильність компонування пристрою, а також працездатність
використаних датчиків та окремих модулів.
Результати первинних функціональних тестів показали, що створений
прототип експериментальної автоматизованої системи керування акваріумом є
повністю працездатною і такою, що готова до впровадження автоматизаційної
систем в сферу догляду за тваринами.
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 46
а
3 ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ТЕСТУВАННЯ АВТОМАТИЗОВАНОЇ
СИСТЕМИ ДЛЯ АКВАРІУМА З ТВАРИНАМИ
3.1 Тестування системи згідно поставлених вимог
При реалізації різного виду програмного забезпечення чи технологічних
пристроїв заключним етапом є перевірка його на правильність
функціонування. Такий процес має назву тестування. Перед початком
розробки проекту до нього формуються певні вимоги продуктивності та
надійності відповідно до яких розроблений проект повинен повністю
підпадати [18].
Тестування застосовується для визначення відповідності предмету, що
тестується заданим специфікаціям. Завданням тестування не є визначення
причин невідповідності заданим вимогам. Тобто процес тестування тільки
показує, що розроблюваний технічний засіб пройшов чи не прийшов
випробування, а аналіз результатів тестування зазвичай називають
відладкою [18].
В процесі технічного тестування застосовуються формалізовані методи
розробки необхідних, мінімальних та достатніх тестів перевірки
працездатності, що відповідають специфікаціям. Як приклад, можна
розглянути формалізовані методи розробки тестів цифрових пристроїв, що
можуть базуватись на моделях статичних несправностей, таких як розрив або
коротке замикання, та статистичних даних про несправності в електронній
промисловості.
Вимоги, що було висунуто в проекту, реалізуються в кваліфікаційній
роботі бакалавра щодо автоматизованої системи керування середовищем
життєдіяльності тварин в акваріумі, наступні:
 простота в налаштуванні;
 компактність системи;
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 47
а
 легкість підключення до нового резервуару;
 відмовостійкість.
Простота в налаштуванні. Розроблювана автоматизована система
повинна мати зручний інтерфейс для взаємодії із користувачем разом зі
зменшенням розмірів. Сюди також можна віднести реалізацію зрозумілого
меню налаштувань системи як в процесі початкового налагодження системи,
так і в процесі роботи. Порівнявши характеристик реалізованої системи
відповідно до висунутих до неї вимог та дослідивши поведінку прототипу
системи протягом деякого часу, було визначено, що керування налагодженням
автоматизаційної системи за допомогою пульта керування є задовільним як
при початковому налаштуванні, так в процесі.
Компактність системи. Реалізований технічний проект автоматизації
управління акваріумів повинен дотримуватися поставленим вимогам щодо
розмірів та зручності користування. Оскільки, дана система проектується для
подальшого використання в домашніх умовах, відповідно вона повинна не
займати багато місця і не бути громіздкою. Проаналізувавши реалізовану
автоматизовану систему та складеність окремих структурних блоків, що були
змонтовані або знаходилися в невеликому захисному корпусі, або на
спеціальних монтажних рейках, можна зробити висновок, що вимогу
компактності було дотримано.
Легкість підключення до нового резервуару. Уніфікації – це головна
умова сучасного стандартизованого виробництва, якій повинна відповідати
розроблювана. Вона передбачає врахування основних конструктивних
особливостей домашніх акваріумів для введення системи в роботу на
різноманітних штучних резервуарах та подальшого його простого монтажу. В
розроблюваному проекті майбутньої автоматизаційної системи керування
штучною гідроекосистемою були включені конструктивні особливості, а саме,
задовольняти вимогу щодо спрощеного монтажу пристрою на окремо взятий
домашній акваріум. Дана особливість була реалізована шляхом винесення
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 48
а
блоку головного керування та керування навантаженням в корпусах та
розміщення їх на плоских поверхнях біля резервуару. Для того, щоб виконати
монтаж блоку датчиків не потрібно багато місця на внутрішній стінці
акваріума, сам він закріпляється клейкими елементами, що робить його
установку досить легкою.
Відмовостійкість. Розроблена система повинна володіти властивістю
продовжувати працювати правильно, навіть у випадку коли виникають
помилки в деяких її частинах. Рівень серйозності помилок повинен бути
пропорційним до зниження продуктивності роботи системи. В спроектованій
системі для задоволення вимоги відмово стійкості в системі передбачено
модуль безперебійного живлення WemosBatteryShield V3 UPS, що
розрахований на роботу разом з батареєю 18650 форм-фактора. Як результат,
навіть у випадку втрати системою основного джерела живлення, то вона все
одно буде працювати. Було проведено ряд стресових тестувань для визначення
ступеню відмовостійкості. Наприклад, для тестування датчиків було
проведено різку зміну температури води та рівня освітленості. Результат, що
було отримано хоча і не є відмінним, але у цілому система виконує вимоги
відмовостійкості.
Отже, відповідно до отриманих результатів можна зробити висновок, що
спроектована і реалізована, відповідно до проекту, автоматизована система
повністю (з деякими незначними відхиленнями у вимогах відмово стійкості),
відповідає поставленим на початку проектування вимогам.
3.2 Основні компоненти та оптимальні значення для
автоматизованої системи акваріума
Крім тестування та експертизи системи на відповідність поставленим
конструкторським вимогам, необхідно провести експеримент, що надасть
можливість довести масштабно доцільність побудови такого виду пристроїв.
В такому випадку необхідно провести дослідження шляхом впровадження
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 49
а
реалізованого прототипу автоматизаційної системи життєдіяльності тварин в
процеси керування середовищем існування у звичайному домашньому
акваріумі. Для проведення експерименту необхідно визначитися з тими
складовими аквасистеми, які будуть досліджуватись в процесі роботи.
Головними компонентами водного середовища існування тварин, які
являються життєво важливими є:
 рівень pH води;
 рівень розчиненого у воді кисню;
 середня температура води;
Рівень pH або водневий показник являється величиною, яка показує міру
активності іонів водню (Н+) в розчині, а саме, ступінь кислотності або
лужності цього розчину. Майже всі хімічні реакції, що відбуваються в живих
клітинах, суттєво залежать від pH. Навіть невелика зміна кислотності може
призвести до сильно виражених змін в цих процесах. Варто пам’ятати, що
значення рН води в одному й тому ж акваріумі може значно змінюватися,
причому при слабкій аерації та фільтрації води суттєві коливання рН можуть
відбуватися протягом доби [19]. Зазвичай, вода в акваріумі протягом певного
часу потроху кисне, тобто рН при цьому знижується. Водні тварини, риби та
акваріумні рослини можуть жити в діапазоні значень рН 5-9,5, але, щоб
почувати себе досить комфортно, цей показник повинен бути в інтервалі 6-8.
Для того, щоб ефективно вимірювати рівні кислотності або лужності води
використовують – pH-метри.
Як виглядає pH-метр наведено на рисунку 3.1.
По суті, pH-метр - це вольтметр, який адаптований до виконання
певного завдання. Позначки на шкалі – не у вольтах, а в величинах рН. Один з
електродів (основний) виконаний з електропровідного боросилікатного скла,
має форму трубки, комплектується на закінченні кулькою з тонкими стінками
і характеризується досить значним опором. Другий – хлорсрібний,
використовується як додатковий (для його створення в трубку заливають
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 50
а
хлористе срібло, розчинене в соляній кислоті, і доповнюють його срібним
дротом) [20].
Рисунок 3.1 – Вигляд PH-метр PH-602L
Скляний електрод, що входить до його складу включається в
електроколо. Всередині електрода переміщуються позитивні іони Н+. До
замикання електричного кола приводить опускання двох електродів у
середовище, що піддається вивченню. Створюється гальваноелемент, який
складається не тільки з 2-х електродів, а й з провідної плівки скла і
досліджуваного матеріалу [20]. Головна особливістю, якій має відповідати
будь-який рН-метр, якщо точніше говорити, то його схема – це великий
внутрішній опір електрода, що виконує роль зонда. Такий показник
обов’язково має бути не менше ніж 1011 Ом.
Кисень в акваріумі необхідний для дихання водних тварин, рослин,
безхребетних, а також процесів окислення органіки. Як відомо, що головним
джерелом надходження кисню у природі є атмосферне повітря, а також
фотосинтез водних рослин. Між атмосферою та водним середовищем через
поверхню води відбувається обмін киснем. При невеликій площі водної гладі,
а саме, в спокійному стані, обмін киснем проходить повільно. В такому
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 51
а
випадку, для пришвидшення реакції для обміну використовують процес
аерації, який надає можливість насичувати воду киснем швидше, за рахунок
перемішування води потоком повітря за допомогою компресора або потоками
води, у вигляді, наприклад, штучних водопадів. Ідея кисню в акваріумі, як у
штучній водоймі, обумовлена саме заселеністю акваріума, співвідношенням
площі водної поверхні до глибини, режимом освітленості, забрудненняи,
температурою води, тощо [19]. Розчинений у воді кисень сьогодні вимірюють
оксиметром, вигляд для якого наведено на рисунку 3.2.
Рисунок 3.2 – Вигляд оксиметра WaterLiner-WDO-74
Найоптимальніше значення рівня розчиненого кисню у воді акваріуму
становить від 5 мг/л вранці та 8-10 мг/л ввечері. А отже, розподілення процесу
насичення води киснем потрібно проводити згідно розкладу.
При вимірюванні середньої температури води як одного з головних
показників стану водного середовища існування риб та інших водних
організмів, потрібно враховувати те, що для кожного окремого виду водних
організмів, температура, при якій вони себе комфортно почувають може
відрізнятися. Тому для того, щоб усім жителям штучних резервуарів було
добре, зазвичай в одне водоймище селять риб та тварин, прийнятною
температурою для життя яких є приблизно однаковою [21]. Наприклад, для
найпопулярніших екзотичних акваріумних тварин та риб температура, яка є
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 52
а
найоптимальнішою, лежить в діапазоні 20-25 градусів за Цельсієм. Для
визначення середнього значення температури резервуару вимірювання
звичайним термометром виконувалося з кроком в одну годину.
3.3 Порівняння результатів про зміну стану середовища існування
тварин після застосування автоматизованої системи керування
Дослідження результатів після застосування автоматизованої системи
керування середовищем існування тварин проводилося на вже
використовуваному домашньому акваріумі, на якому процеси догляду
проводилися вручну людьми. Під час виконання робіт вручну по догляду за
гідробіонтами, спостерігався значний вплив людського фактору. Такими
проблемами було невчасне ввікнення/вимкнення приладів освітлення або
приладів аерації, що іноді призводило до хвороб флори і фауни підводного
світу. Для того, щоб знизити впливу людського фактору на процеси догляду за
тваринами були прийнято рішення спроектувати та розробити
експериментальну автоматизаційну систему на основі мікроконтролера.
Дослідження після впровадження пристрою автоматизації виконувалося
до введення в експлуатацію експериментального засобу протягом одного
тижня, а також протягом тижня після його введення в експлуатацію. Кожного
дня виконувалися наступні вимірювання з певним інтервалом:
 вимірювання рівня pH. Вимірювання виконувалося 2 рази в день;
 вимірювання рівня розчиненого кисню у воді з використанням
оксиметра. Вимірювання проводилися 2 рази в день;
 вимірювання температури води, які проводилися кожну годину.
Результати вимірювання фіксувалися в нотатник. Отримані результати
досліджень щовечора було зведено до середнього значення за день та
занесено в таблицю. В таблиці наочно можна було більш детально дослідити
та проаналізувати ефективність проведених процесів різними способами, а
саме, при допомозі автоматизованої системи та ручним. Результати
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 53
а
вимірювань та відношення отриманих результатів в порівнянні з
оптимальними результатами наведено в таблиці 3.1.
Таблиця 3.1 – Результати дослідження середовища для тварин
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Н Середнє Оптимальне Ефективність
pH-рівень до 5,1 5,3 5 5,6 6 6 6,1 5,6 7 80%
pH - р і в е н ь 6 6,1 6 6,2 6,2 6 6,3 6,1 7 87%
після
Температура 19 22 19 18 23 19 21 17,4 23,5 74%
до
Температура 23 22 23 21 22 23 23 22,4 23,5 95%
після
Рівень 7 6,8 7 6,5 6 6,2 6,5 6,6 7,5 88%
кисню до,
мг/л
Рівень 7,5 8 7 7,2 6,9 7,1 7 7,2 7,5 96%
кисню після,
мг/л
Ефективність проведених процесів визначалася шляхом відношення
фактичних показників стану компонент середовища з середніми
оптимальними значеннями таких характеристик.
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 54
а
ВИСНОВКИ
В процесі дослідження тематики кваліфікаційної роботи бакалавра було
проведено аналіз існуючих систем управління акваріумом для тварин на
основі мікроконтролера.
Проаналізувавши існуючі, на сьогоднішній день, методи впроваджень
автоматизованих систем на основі мікроконтролера було отримано їх переваги
та недоліки.
Відповідно до отриманих результатів було визначено мету
кваліфікаційної роботи бакалавра, що полягає у вдосконалені цих методів, за
рахунок розробки експериментального пристрою на основі мікроконтролерної
платформи Arduino для автоматизації штучної гідроекосистеми.
В першому розділі було проведено аналіз новітніх розробок
закордонних та вітчизняних технологічних підприємств, які зосереджені на
проектуванні та реалізації різноманітних технічних засобів для автоматизації
процесів догляду за тваринами. Також було визначено основні напрямки
досліджень для обраної предметної області. Як результат, було визначено та
вибрано спосіб для проектування прототипу пристрою та розроблено
ефективний словесний та у вигляді блок-схеми алгоритм його роботи.
В другому розділу надано опис послідовної розробки реалізованого
проекту прототипу експериментальної автоматизованої системи. Було
проведено вибір електронних інструментів та компонентів, наведено
реалізацію програмного забезпечення відповідно до розробленого в першому
розділі алгоритму. Як результат, було надано опис процесу збірки пристрою в
окремі функціональні модульні блоки, а також як виконується прошивка
мікроконтролера та проведено первинне тестування системи на
працездатність.
Одним із завдань, що було досліджено в третьому розділі
кваліфікаційної роботи бакалавра – це проведення тестування системи на
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 55
а
відповідність поставлених під час проектування системи вимогам. Основні
результати було отримано в процесі введення прототипу пристрою в
експлуатацію на наявному домашньому акваріумі. Процеси до впровадження
автоматизованої системи виконувалися людьми.
Під час двотижневих спостережень та вимірів даних, що було отримано
до введення прототипу пристрою в експлуатацію та після його введення було
занотовано та в подальшому відображено у вигляді таблиці, з наступними
показниками: показник за кожен день та визначені середні значення
показників. Ефективність розробленого прототипу було визначено в
результаті порівняння отриманих в процесі експлуатації автоматизованої
системи результатів відповідно до оптимальних.
Отже, проаналізувавши пророблену в процесі дослідження роботу на
прикладі акваріуму для тварин було доведено доречність подальшого розвитку
та популяризації спроектованих способів та алгоритмів для реалізації
автоматизованих систем у вигляді акваріумів.
Лист
ЧДТУ.222103.007 ПЗ т
Зм. Лист № докум. Підпис Дат 56
а
ДОДАТОК А
«ЗАТВЕРДЖУЮ»
Завідувач кафедри ІБ та КІ
д.т.н., професор Володимир РУДНИЦЬКИЙ
__________________
«___» ____________ 2022 року
Система управління акваріумом для тварин на основі
мікроконтролера Arduino UNO
Специфікація
482.ЧДТУ.22103-01
Листів 2
Розробник _______________ Сергій ПОЖАР
Керівник _______________ Віра БАБЕНКО
Черкаси 2022
2
482.ЧДТУ.22103-01
Позначення Найменування Примітка
Документація
482.ЧДТУ.22103-01 12 01 Текст програми
ДОДАТОК Б
Система управління акваріумом для тварин на основі
мікроконтролера Arduino UNO
Текст програми
482.ЧДТУ.22103-01 12 01
Листів 3
Розробник: Сергій ПОЖАР
Черкаси 2022
2
482.ЧДТУ.22103-01 12 01
//<--підключення бібліотек-->
#include <boarddefs.h>
#include <IRremote.h>
#include <IRremoteInt.h>
#include <ir_Lego_PF_BitStreamEncoder.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include <Wire.h>
//<--підключення бібліотек-->
IRrecv irrecv(4); // налаштування виходу, до якого підключено ІЧ приймач
decode_results results;
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2);
//<--ініціалізація змінних-->
int raw_temp_sens = 0; //вихідна напруга з датчика температури
float temp = 0; //значення температури переведене з напруги
int photoresist_raw; //вихідна напруга з фоторезистора
unsigned long temp_sens; //останній час опитування датчика температури
//<--ініціалізація змінних-->
void setup() {
pinMode(2, OUTPUT);//встановлення виходу на видачу сигналу на реле обігрівача
pinMode(3, OUTPUT);//встановлення виходу на видачу сигналу на зумер
pinMode(4, OUTPUT);//встановлення виходу на видачу сигналу на реле фільтра
pinMode(A0, INPUT); //встановлення виходу на прийом сигналу з датчика температури
pinMode(A1, INPUT); //встановлення виходу на прийом сигналу з фоторезистора
digitalWrite(2, HIGH);//встановлення початкового сигналу виходу у високе положення
irrecv.enableIRIn();//вмикаємо прийом сигналу на ІЧ-порт
lcd.init(); //ініціалізація дисплея
lcd.backlight(); //підключення підствітки
lcd.setCursor(0,0); //встановлення курсора в початкове положення
lcd.print("Start menu"); //вивід тексту в першому рядку
}
void loop() {
raw = analogRead(A0);
photoresist_raw = analogRead(A1);
temp = ( raw/1023.0 )*5.0*1000/10;
if (millis() - temp_sens > 1000) {
3
482.ЧДТУ.22103-01 12 01
if (temp < 22) {
digitalWrite(2, LOW);
} else {
digitalWrite(2, HIGH);
}
temp_sens = millis();
}
if (val < 700) {
digitalWrite(3, HIGH);
} else {
digitalWrite(3, LOW);
}
if ( irrecv.decode( &results )) { //перевірка на те чи прийшли дані на ІЧ-порт
switch ( results.value ) {
case 0xFFA857:
digitalWrite(4, LOW);
break;
case 0xFFE01F:
digitalWrite(4, HIGH);
break;
}
irrecv.resume(); //продовжуємо отримання команд з пульта
}
}
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
