Аппаратно-программный комплекс контроля параметров в теплице

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Введение

Применение малообъемных технологий круглогодичного производства овощей является одним из перспективных направлений увеличения их урожайности и повышения экономической эффективности производства сельскохозяйственных культур.

Первым этапом развития технологии выращивания является использование автоматических систем капельного дождевого полива, что позволяет значительно поднять урожайность овощной продукции. Дальнейшими шагами развития данного процесса является внедрение и использование систем автоматического управления микроклиматом производственных помещений. В составе таких систем и комплексов при составлении технического задания предусматривают возможность использования не только возможности орошения, но и контроля температурно-влажностных параметров внутри производственного помещения. Эти параметры должны быть максимально приближены к физиологическим потребностям выращиваемых овощных культур, а мероприятия по их поддержанию использовать научно обоснованные приемы возделывания продукции растениеводства. Таким образом, для получения высокого урожая необходимо в производственном тепличном помещении необходимо создать оптимальные условия протекания процесса фотосинтеза, как основы роста и развития растительной клетки. Сущность процесса заключается в образовании органических веществ из углекислоты и воды с использованием световой энергии. При этом значащими факторами, оказывающими прямое влияние на данный процесс являются: температурные параметры окружающей среды, влажность воздуха и содержание в его составе СО2, а также освещенность.

Имея возможность определить влияние различных факторов на процесс выращивания овощной продукции встает вопрос о разработке систем контроля состояния параметров микроклимата внутри теплиц. Для этого необходимо применение аппаратно-программных комплексов автоматизированного управления технологическими параметрами производства продукции. Такие комплексы должны быть универсальными системами, обеспечивать надежность эксплуатации и реализовывать новейшие методы построения автоматических систем с использованием современных технических средств.

Технические решения по автоматизации технологических процессов обычно являются типовыми. Задачи таких систем и комплексов состоят в обеспечение эффективности управления и надежности работы технологического оборудования. В состав технических средств систем автоматики необходимо включать следующие компоненты:

- автоматические регуляторы, которые должны обеспечивать стабилизацию заданного значения контролируемой величины;

- средства автоматического контроля, выполняющие функции измерения и регистрации контролируемых параметров процесса,

- средства сигнализации, информирующие о достижении заданными параметрами установленных предельных значений;

- системы оптимизации, автоматически определяющие и поддерживающие оптимальный режим протекания технологического процесса.

Следует отметить, что увеличение объемов выпуска микро-ЭВМ и микроконтроллерной техники приводит к снижению их стоимости и совершенствует техническую базу автоматизации производства. Использование ЭВМ в системе управления расширяет возможности осуществления сложных алгоритмов управления при большом числе переменных величин, характеризующих ход технологического процесса.

Таким образом, данная выпускная квалификационная работа использует вышеизложенные предпосылки и посвящена разработке аппаратно-программного комплекса контроля параметров в теплице и состоит из следующих основных разделов:

- первой главы, в которой проводится анализ использования аппаратно-программных комплексов для автоматизации процесса выращивания овощной продукции. Описываются необходимые температурно-влажностные параметры для различных овощных культур, периоды их созревания и существующие схемные решения для поддержания этих параметров в заданных пределах. Изложены требования, предъявляемые к аппаратно-программному комплексу, определены цель и задачи проектирования;

- во второй главе разработана системно-алгоритмическая модель аппаратно - программного комплекса контроля параметров в теплице с определением логических связей между её компонентами и описанием процесса их взаимодействия. Произведён выбор аппаратных компонентов комплекса и разработана схема их подключения. Описаны алгоритмы поддержания температурных и влажностных параметров в заданных пределах. Также обоснован выбор средств разработки программного обеспечения;

- в третьей главе приведена реализация программной части комплекса, включающая в себя начальную инициализация при включении питания, реализацию поддержания заданной температуры и влажности, а также работу клавиатуры и отображение информации на LCD-индикаторе. В завершении приведена инструкция пользователю;

- в четвёртой главе приводятся организационно-экономические показатели оценки трудоёмкости программной разработки, обоснованием материальных затрат и расчетом себестоимости программной разработки.

- в пятой главе рассматриваются вопросы, связанные с ограничением воздействия вредных и опасных факторов при работе на ЭВМ, вопросы пожарной безопасности и методы организации рабочего мести оператора ЭВМ.

1. Современное состояние вопроса производства растениеводческой продукции в теплице

1.1 Характеристика условий окружающей среды при производстве

овощных культур

Овощи являются одним из важнейших компонентов в рационе людей. В своем составе они содержат белковые вещества, легкоусвояемые углеводы, органические кислоты. Овощи богаты витаминами и минеральными соединениями, что обуславливает необходимость их ежедневного присутствия на нашем столе.

Однако в большинстве районов нашей страны выращивание продукции в естественных климатических условиях возможно лишь в течение шести месяцев, а в остальное время осуществляется процесс производства овощной продукции в закрытом грунте.

В процессе производства растений в защищенном грунте необходимо учитывать следующие факторы, оказывающие непосредственное влияние на рост, развитие и урожайность овощных культур:

- температурные параметры микроклимата помещения;

- освещенность;

- влажность внутри помещения.

Требовательность возделываемых овощных культур к температурным параметрам окружающей среды зависит от периода их жизненного цикла. Семена, относящиеся к семействам тыквенных и пасленовых, (теплолюбивые растения) начинают давать входы при 13-14°С, а для их дальнейшего развития необходимо поддержание температуры окружающего воздуха в пределах 25-30 °С. Культуры, относящиеся к холодостойким - корнеплоды, капуста, лук, развитие семян начинается при температуре ниже 10°С, а оптимальная температура дальнейшего развития лежит в пределах 18-25 °С.

Одним из агротехнических приемов повышения устойчивость молодых растений к суточным перепадам температур является закаливание. Для этого на набухшие семена необходимо воздействовать пониженной температурой (около 0°С) в течении нескольких дней, или же варьировать температуру от 18-20°С днем до 5°С ночью в течении двух недель. Изменение температуры в режиме день-ночь в пределах 3 -7°С также способствует усилению развития растений.

Следует отметить, что на повышение урожайности овощных культур существенное влияние оказывает формирование корневой системы. При высокой температуре окружающей среды, особенно в ночное время, растения сильно вытягиваются и ослабевают, что приводит к их дальнейшему медленному развитию и снижению урожайности. При снижении температуры воздуха с 18-25°С днем до 8-12°С происходит ускоренный рост корней по сравнению с надземной частью. Этот агротехнический прием необходимо выполнять по появления нескольких листьев, после чего температуру окружающей среды можно повысить.

Требование растений к освещенности также необходимо учитывать при выращивании рассады овощных культур в закрытом грунте. Пасленовые, тыквенные и бобовые культуры следует размещать на наиболее освещенных участках. Корнеплодные овощные культуры, а также капустные и луковые менее требовательны к световой энергии, что следует учитывать при разработке схемы посева и выборе места их размещения. Это также важно при появлении всходов, когда большинство питательных элементов израсходовано и растения могут плохо развиваться вследствие затенения всходов из-за большой густоты насаждения.

Для максимального обеспечения ранних овощных культур солнечной энергией теплицы и парники необходимо размещать южных участках склонов, а стекла или полимерные покрытия содержать в чистом виде.

Параметры влажности внутри теплицы необходимо контролировать круглосуточно, поскольку у овощных культур разная потребность во влаге в зависимости от времени суток. Особое внимание этому параметру следует уделять в период прорастания семян, когда недостаточное увлажнение может стать причиной низкой всхожести растений. Влажность также оказывает значительное влияние на урожайность в период цветения. Пересохшая пыльца не может опыляться и как следствие - наличие пустых кистей без завязи, а пересушенный воздух способствует появлению насекомых-вредителей.

Для предотвращения данных проблем необходимо поддерживать влажность воздуха внутри теплицы в дневное время в пределах 60-75%, а влажность почвы - 65-80% ( в зависимости от выращиваемой культуры). В ночное время, когда температурные параметры микроклимата уменьшаются значение влажности следует минимизировать для предотвращения развития фитофторы.

Таким образом, нарушение параметров микроклимата при выращивании овощных культур в теплице приводит к снижению урожайности и ухудшению качества готовой продукции, что в свою очередь вызывает необходимость использования химических препаратов и влечет дополнительные денежные затраты.

1.2 Основы технологии выращивания огурцов в теплицах

Выращивание огурцов в теплицах является рентабельным производством этого вида сельскохозяйственной продукции, поскольку урожай созревает в более ранние сроки, а его количества в разы больше, чем при производстве в открытом грунте [24].

Для тепличного производства огурцов используют партенокарпические сорта и гибриды, которые не требуют опыления распустившихся цветков пчелами в отличие от пчелоопыляемых сортов. Также партенокарпические сорта огурцов менее трудоемки в уходе, имеют высокую степень облиственности и густоту размещения.

Технология выращивания огурцов в теплицах состоит из следующих этапов:

- обеззараживание семян огурцов;

- подготовка каркасной системы для укрепления и подвязки растений;

- поддержание заданных параметров микроклимата.

Обеззараживание семян огурцов для уничтожения плесени, грибков и бактерий необходимо осуществлять их нагреванием до заданной температуры. В течении первых трех суток температура нагрева составляет 50°С, а на четвертые сутки температуру поднимают до 75-78°С. Также рекомендуется обработка пестицидами в соответствии с инструкцией к препарату и предпосадочное замачивание семян в растворе микроэлементов. Кроме того необходимо выполнить обеззараживание почвы и воздуха внутри теплицы.

Подготовка каркасной системы для укрепления и подвязки растений является вторым технологическим этапом. Для этого необходимо укрепить вертикальные стойки высотой 1,5-2 метра высоты и связать их проволокой или шпагатом. Далее производится формирование грядок между стойками и последующая высадка подготовленной рассады.

Поддержание заданных параметров микроклимата является наиболее важной задачей производства огурцов в теплицах. Оптимальной температурой воздуха для получения всходов семян является 27-28°С. После появления всходов и до образования 4-5 листьев температурный режим необходимо изменить. Днем это 15-17 °С, а в ночное время 12-14 °С. Проросшие и закаленные растения высаживают в тепличный грунт с плотностью 3-4 растения на один квадратный метр. В период роста и плодоношения температура внутри помещения должна находиться в пределах 22-26 °С в дневное время и 18-20 °С в ночное, а влажность составлять 75-85%.

Температурные параметры в течение суток необходимо поддерживать в заданных пределах, поскольку резкие перепады температуры способствуют развитию различных заболеваний, самым распространенным из которых является корневая гниль, что ведет к снижению урожайности растений и их полной гибели.

1.3 Требования, предъявляемые к современным АСУМТ

Неотъемлемой частью современных тепличных комплексов по круглогодичному выращиванию овощеводческой продукции являются автоматизированные системы управления микроклиматом теплиц (АСУМТ). Это обусловлено наличием большого количества исполнительных механизмов, а также высокими требованиями, предъявляемыми к качеству их функционирования. При этом следует учесть влияние внешних параметров окружающей среды на внутренние параметры микроклимата.

Основные требования предъявляются к современным АСУМТ учитывают размер теплицы и функциональное назначение. Здесь можно выделить следующие группы:

1. Тепличные комплексы, обеспечивающие промышленное производство широкого ассортимента продукции в сочетании с высокой урожайностью и низкой себестоимостью. Размер комплекса может достигать нескольких гектар и разбиваться на блоки или сектора, отличающимися видами производимой продукции и технологическими схемами ее производства.

2. Фермерские теплицы, обеспечивающие небольшой ассортимент продукции в сочетании с высоким качеством и низкой себестоимостью. Площадь, занимаемая такой теплицей составляет менее 1 гектара.

3. Индивидуальные теплицы, обеспечивают производства овощной продукции для личного потребления и занимают площадь в несколько десятков или сотен квадратных метров.

При выборе автоматизированных систем управления микроклиматом в теплицах также следует учитывать следующие факторы:

1. Стоимость системы управления, которая определяется индивидуально для каждой теплицы в зависимости от применяемых технологических систем и набора функциональных возможностей. Такая система включает в себя силовые, интеллектуальные и вспомогательные компоненты:

- силовые компоненты включают в свой состав блоки питания, коммутирующее и защитное оборудование, звуковую и световую сигнализацию и органы аварийного ручного управления;

- интеллектуальные компоненты состоят из основного и периферийного оборудования, которое включает в себя как аппаратную, так и программную части;

- вспомогательные компоненты, представленные линиями проводной или беспроводной связи с учетом распределительного, соединительного и согласующего оборудования.

2. Функциональные возможности системы, обеспечивающие регулирования параметров микроклимата в заданных пределах. Здесь следует учитывать наличие существующих исполнительных устройств и их согласованное управление в зависимости от заданных параметров производства продукции.

3. Степень автоматизации и методы управления, которые определяют степень участия оператора в технологическом процессе. Системы, функционирующие в автоматическом режиме, исключают участие оператора на всем цикле производства продукции. Автоматизированные системы предполагают наличие оператора и проведение текущих мероприятий оперативного контроля.

4. Техническую базу системы управления, включающую в себя средства ввода и контроля данных, их обработку и преобразование, а также управляющие воздействия на интеллектуальную и силовую составляющие. Основные характеристики технического обеспечения следующие:

- структура системы управления, учитывающая в своем централизованность технических средств, количество уровней управления и структуру построения сети передачи данных;

- надежность исполнительного оборудования и применяемой элементной базы;

- реализация возможности улучшения количественных показателей и увеличение набора функциональных возможностей.

5. Удобство эксплуатации и обслуживания, определяемое наличием паспортов оборудования, полных комплектов инструкций по эксплуатации, принципиальных электрических схем, иной технической и технологической документации.

1.4 Обобщенная архитектура автоматизированного комплекса поддержания параметров микроклимата

Обобщенная архитектура автоматизированного комплекса поддержания параметров микроклимата в теплице, представленная на рис. 1, представляет собой систему, состоящей из следующих уровней:

- нижний уровень;

- верхний уровень (серверная часть);

- клиентское устройство.

Нижний уровень выполнен на основе микропроцессорной платформы и обеспечивает реализацию следующих функций;

- сбор данных от датчиков, расположенных внутри помещения и передачу этой информации через верхний уровень клиентскому устройству в режиме реального времени;

- осуществление управляющих воздействий на исполнительные устройства обеспечения микроклимата.

Реализация программного обеспечения нижнего уровня может быть реализовано по двум направлениям:

- обеспечение контрольно-управляющих взаимодействий;

- обеспечение связи с верхним уровнем.

Верхний уровень представляет собой информационную систему, устанавливаемую на сервере и клиентских устройствах и обеспечивающую обратную связь между оператором и компонентами нижнего уровня используемого комплекса. Система реализована на клиент-серверной архитектуре.

Основные функции серверной части:

Рисунок 1.1 - Обобщенная архитектура поддержания параметров

микроклимата в теплицах

- прием и обработка информации нижнего уровня о текущем состоянии комплекса;

- хранение полученной информации;

- взаимодействие с клиентским программным обеспечением;

- транзит команд от оператора к микропроцессорному устройству нижнего уровня;

- хранение и передача оптимальных значений параметров микроклимата в зависимости от выращиваемой культуры и ее жизненного цикла;

- слежение за оптимальными показателями микроклимата в режиме реального времени и принятие мер оповещения в случае возникновения аварийных ситуаций.

Клиентское устройство может реализовываться на персональном компьютере, планшете или мобильном телефоне и взаимодействовать с сервером используя локальную сеть или Интернет. К основным функциям клиентской части можно отнести:

- запрос данных с сервера или передача команд нижнему уровню системы;

- визуализация данных;

- оповещение оператора в случае возникновения критической ситуации.

Данная архитектура наряду со многими преимуществами имеет высокую стоимость входящих в нее компонентов, что не может обеспечить ее применение в малых тепличных комплексах на основе существующего оборудования поддержания параметров микроклимата производственных помещений.

1.5 Функциональные возможности комплекса, цель и задачи работы

Для определения цели выпускной квалификационной работы необходимо сформулировать требования, предъявляемые к аппаратно-программному комплексу контроля параметров в теплице как к сложному технологическому объекту. Основной задачей, решаемой на объекте, является поддержание заданных параметров микроклимата при использовании интенсивных методов производства на основе современных компьютерных технологий управления. Такие методы выращивания овощной продукции включают следующие технологические элементы:

- специальное программное обеспечение для поддержания заданных параметров микроклимата;

- автоматизированные установки для подачи сбалансированных по микро- и макроэлементам водных растворов питательных веществ;

- системы капельного полива с определением рН в подаваемой воде и дренажах;

- искусственное освещение, компенсирующее недостаток естественного солнечного света;

- поддержание оптимальных температур в зависимости от возделываемой культуры, месяца и времени суток;

- использование современных методов вентиляции и углекислотных подкормок для повышения урожайности и качества готовой продукции

Рабочий процесс комплекса должен осуществляться в автоматическом режиме с периодическим контролем температурных и влажностных параметров внутри помещения, а также контроля параметров герметичности. При этом необходимо предусмотреть реализацию текущей (оперативной), автоматической коррекции, температурно-влажностных параметров внутри теплицы в случае их отклонения от заданных. В случае отсутствия герметичности помещения (открытые двери) необходимо подавать оповещающий сигнал. При этом следует предусмотреть возможность отключения датчиков герметичности (например, в случае проведения подготовительных мероприятий к очередному циклу производства продукции).

Данный аппаратно-программный комплекс должен обеспечивать возможность его использования при температуре окружающей среды от -40 до +50 оС, и предоставлять возможность поддержания внутренней температуры в пределах от +1 до +30оС. Так же в комплексе следует предусмотреть возможность автоматического поддержания параметров влажности воздуха в заданных пределах вне зависимости от параметров влажности наружного воздуха.

На основании вышеизложенных функциональных требований целью данной работы является разработка аппаратно-программного комплекса автоматического поддержания параметров микроклимата в теплице. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Разработать системно-алгоритмическую модель нижнего уровня комплекса с обоснованием её структуры и определением логических связей между блоками;

Выбрать аппаратные компоненты разработанной модели и привести алгоритмическую модель их взаимодействия;

Произвести программную реализацию взаимодействия аппаратных компонентов;

Провести экономическую оценку принятых решений и обосновать безопасные приемы работы на ЭВМ.

2. Системно-алгоритмическая модель аппаратно-программного комплекса автоматического контроля параметров микроклимата теплицы

алгоритмический микроклимат контроль

2.1 Структурная схема АПК контроля параметров теплицы

Начальным этапом разработки системно-алгоритмической модели аппаратно-программного комплекса контроля параметров теплицы является определение количества функциональных блоков и разработка структурных связей между ними. Исходя из рекомендаций [23, 24] для надежного функционирования АПК необходимо иметь следующие группы оборудования:

- исполнительное оборудование, представленное осветительными приборами (для поддержания заданных параметров освещенности), нагревательными элементами (для поддержания заданных параметров температуры), вентиляционным оборудованием (для поддержания влажностных параметров и уровня углекислого газа), а также системы полива (для поддержания влажностного баланса как почвы, так и воздуха);

- измерительное оборудование, представленное датчиками для измерения освещенности, температуры и влажности воздуха, влажности почвы и содержания углекислого газа в составе воздуха;

- микроконтроллерного блока управления, считывающего текущие показания датчиков, расположенных внутри теплицы, производящего обработку этой информации и по её результатам производящего управление исполнительным оборудованием;

- оборудованием ввода и отображения информации, представленного клавиатурой и дисплеем и необходимого для задания параметров микроклимата (температуры, влажности, освещенности концентрации углекислого газа) и оперативного отображения текущей информации.

Для определения структурной организации комплекса рассмотренное оборудование необходимо скомпоновать в функциональные блоки по типу решаемых задач. Таким образом, структурную организацию системы можно представить в следующем функциональных блоков, которые выполняют однотипные задачи:

- блока управления исполнительным оборудованием (лампочками, нагревательными элементами, вентиляторами, водяным насосом, испарителями);

- блока датчиков (освещенности, температуры, влажности, содержания углекислого газа, закрытии дверей);

- блок управления;

- блок ввода и отображения информации;

Структурная организация комплекса представлена на рис. 2.1.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рисунок 2.1 - Структурная организация комплекса

Данный комплекс является самостоятельной системой и рассчитан на длительное, заранее заданное автоматическое управление процессом контроля параметров микроклимата в теплице и поддержания их в пределах заданных значений.

2.2 Логическая схема взаимодействия компонентов комплекса

Для разработки логической структуры взаимодействия компонентов комплекса необходимо определить перечень компонентов, входящих в каждый из блоков для реализации возложенных на них функций на основе структурной организации системы.

Для поддержания параметров микроклимата в теплице необходимо производить измерение данных параметров учитывая инерционность их изменения используя следующее оборудование, входящее в структуру комплекса в виде блока датчиков:

- датчик освещенности;

- датчик температуры внутри теплицы;

- датчик температуры снаружи теплицы;

- датчик влажности воздуха;

- датчик влажности почвы;

- датчик уровня СО2;

- датчик герметичности помещения.

Блок управления комплексом необходимо выполнить в виде центрального управляющего и контролирующего устройства на основе микроконтроллера. Данный блок, выполняющий функции по обработке информации и общим управлением системой должен иметь в своем составе порты ввода-вывода, Flash-память для хранения программы, EEPROM-память для длительного хранения настраиваемых значений, RAM-память для оперативного хранения переменных, АЦП для считывания сигналов с датчиков, таймеры.

Для управления исполнительным оборудованием, непосредственно осуществляющим поддержание заданных параметров микроклимата необходимо в блок управления исполнительным оборудованием включить блоки управления следующего назначения:

- включения искусственного освещения;

- выключения искусственного освещения;

- включения нагревательных элементов;

- выключения нагревательных элементов;

- включения водяного насоса;

- выключения водяного насоса;

- включения вентиляторов;

- выключения вентиляторов;

Для задания параметров микроклимата теплицы, необходимых для выращивания определенного вида овощной продукции в состав блока ввода и отображения информации необходимо включить следующее оборудование:

- клавиатуру, для ввода параметров или их изменения;

- дисплей, для отображения вводимых или контроля текущих параметров.

Таким образом, логическая схема взаимодействия компонентов комплекса с учетом рассмотренного оборудования представлена на рис. 2.2.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рисунок 2.2 - Логическая структура взаимодействия

компонентов комплекса

Рабочий процесс аппаратно-программного комплекса контроля параметров в теплице осуществляется следующим образом. При первичном включении электропитания микроконтроллер, проводит инициализацию системы и переводит её в рабочее состояние. На LCD-дисплее отображается текущее значение температуры воздуха внутри помещения теплицы. Следующим действием является задание необходимых параметров микроклимата, соответствующих выращиваемой овощной культуре. Данная операция выполняется посредством кнопок клавиатуры и отображается на экране дисплея. Данные параметры включают в себя следующие группы значений:

- температура воздуха внутри теплицы (оС);

- влажность воздуха внутри теплицы (%);

- влажность почвы (%);

- освещенность;

- продолжительность периода искусственного освещения (ч);

- содержание СО2 в воздухе;

- значения интервала времени выращивания продукции;

- текущее значение времени.

После получения корректных параметров необходимо задать условие «Старт». С этого момента начинается работа системы по переходу к заданным параметрам, их автоматического поддержания с отсчет времени протекания процесса выращивания овощей.

Таким образом, на данном этапе разработки определены логические связи между блоками комплекса и следующим этапом является выбор компонентов аппаратной части.

2.3 Выбор аппаратных компонентов комплекса

Для выполнения блоками вышеуказанных функций необходимо подобрать аппаратные компоненты комплекса.

В качестве блока управления комплексом, выполненного в виде центрального управляющего и контролирующего устройства выбираем микроконтроллер MSP430F1132, разработанный корпорацией TI (Texas Instruments) производства США. Данный микроконтроллер имеет в своем составе 16-ти битное ядро RISC-архитектуры, Flash-memory объёмом 8 Кбайт и 256 байт RAM. Также имеется 10-разрядный АЦП и 14 линий ввода-вывода. Диапазон питающего напряжения составляет 1,8…3,6 V, а потребление тока в активном режиме - 280 мкА. Кроме того имеется 16-битный таймер А с тремя регистрами захвата сравнения, встроенный отладочный интерфейс JTAG, а цикл выборки инструкций составляет 125 нсек.

Датчик температуры DS18B20 [20] представляет собой цифровой термометр с программируемым разрешением, от 9 до 12-bit, которое может сохраняться во внутренней энергонезависимой памяти EEPROM. Он обменивается данными по 1-Wire шине и при этом может быть как единственным устройством на линии, так и работать в группе. Все процессы на шине управляются встроенным микропроцессором. Диапазон измерений от -55°C до +125°C, а в диапазоне от -10°C до +85°C точность составляет 0.1°C. В дополнение, DS18B20 может питаться напряжением линии данных (“parasite power”), при отсутствии внешнего источника напряжения. Таким образом, данный датчик может применяться как внутри помещения, так и снаружи.

Датчик освещенности (солнечной радиации) ОС-100 [21] обеспечивает контроль интенсивности дневного света в теплицах. Для применения внутри помещения используется вторая модификация с диапазоном 500Вт/м2. Контролируемый спектр 400-1100нм, ток сигнала выхода 4-20мА, а длина кабеля до 500м. Датчик устойчив к воздействию воды и различных агрессивных сред, нечувствителен к конденсации влаги, обладает косинусная коррекция и имеет класс защиты IP65.

Датчик влажности Honeywell HIH-4000 [19] предназначен для измерения этого параметра в диапазоне от 0 - 100%, в диапазоне температур -40+85 °C и имеющий на выходе напряжение пропорциональное влажности окружающей среды.

Датчик влажности почвы 10HS [22] позволяет измерять объемное содержание влаги в большом объеме выборки почвы - 1 л. Он работает с точностью ±2,5% при температуре от 10 до50 С .

Датчик контроля СО2 СО100 [21] предназначен для применения в теплицах. В датчике используется сменный высокостабильный оптический газовый сенсор. Диапазон 0…2000ppm, с точностью ± 50ppm (2% от измеряемого значения). Выход: 0-10В / 4-20мА. Возможно применение датчика в условиях распыления воды.

LCD-индикатор на базе микроконтроллера PCF 8812, управляющий матрицей формата 65х102. имеющий последовательный интерфейс связи, производства фирмы Philips.

На этом компоновка системы на уровне аппаратной части завершена, и следующим этапом является выбор средств разработки программного обеспечения и определение алгоритмов работы системы в целом.

2.4 Командная архитектура комплекса

Командная архитектура аппаратно-программного комплекса контроля параметров в теплице на рис. 2.3.

Для выращивания овощной культуры необходимо задать оптимальные значения параметров. Для этого оператору в соответствии с инструкцией пользователя необходимо задать значения данных параметров. После запуска системы комплекс в автоматическом режиме будет контролировать введенные значения параметров посредством управляемых устройств.

Следует отметить, что в связи неоднородность промокания почвы во время полива используются удвоенное количество датчиков влажности почвы, что способствует более точному определению такого параметра как влажность почвы.

Рисунок 2.3 - Командная архитектура комплекса

2.5 Разработка алгоритмов взаимодействия компонентов комплекса

Основными параметрами, необходимыми для успешной реализации процесса выращивания овощной продукции являются температура и влажность, поэтому при разработке алгоритмов взаимодействия компонентов комплекса необходимо реализовать два основных алгоритма:

- алгоритм поддержания заданной температуры помещения;

- алгоритм поддержания заданной влажности почвы.

Алгоритм поддержания заданной температуры представляет собой последовательности выполняемых действий, направленных на поддержание заданного параметра температуры внутри помещения теплицы.

Данный алгоритм представлен на рис. 2.4. Он реализуется после проведения начальной инициализации и перехода системы в основной рабочий режим. Здесь необходимо задать рекомендуемую температуру внутри помещения (tзад), а также максимальную (tmax) и минимальную температуру (tmin), в пределах которых допускается рост и развитие растений. Если температурные параметры находятся вне этого интервала, то это может привести к гибели растений.

Процесс поддержания заданных параметров температуры вызывается часами реального времени с интервалом в 5 минут. Производится измерение текущего значения температуры внутри теплицы с отображением его на индикаторе. Результат измерения (tтек)сравнивается с заданными граничными (минимальным и максимальным) значениями. В случае, если температура лежит за пределами этого интервала, то на экран дисплея выводится сообщение об нештатной (аварийной) ситуации. При этом комплекс не прекращает процесс регулирования температуры и в автоматическом режиме пытается вернуть параметры температуры в заданный интервал. Такой вариант возможен при кратковременном сбое в электропитании комплекса.

Если текущее значение параметра лежит внутри разрешенного температурного интервала, то производится сравнение tтек с tзад. При совпадении данных параметров (регулирование не требуется) производится отображение текущего значения температуры на дисплее и завершается очередной цикл измерений.

В случае не совпадения текущей температуры с заданной, система выполняет ее коррекцию. При выполнении условия tтек < tзад производится включение нагревателя и передается управление подпрограмме отсчета времени. Данное действие необходимо выполнять в течении нескольких минут (в зависимости от объема теплицы и количества нагревательных элементов) поскольку нагрев воздуха является инерционным процессом.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рисунок 2.4 - Алгоритм поддержания заданной температуры

После отсчета времени работы нагревателя, он отключается и происходит повторный замер температуры в помещении. В случае недостаточной температуры воздуха производится повторный нагрев. Данные действия повторяются до тех пор, пока температура на достигнет оптимального (заданного) значения.

При выполнении условия tтек>tзад производится включение вентилятора, при работе которого происходит охлаждение помещения. Действия по регулированию процесса охлаждения аналогичны действиям по нагреву помещения.

Алгоритм поддержания заданной влажности представляет собой последовательности выполняемых действий, направленных на поддержание заданного параметра влажности внутри теплицы и представлен на рис. 2.5. Данный алгоритм также реализуется после проведения начальной инициализации и перехода системы в основной рабочий режим. Здесь необходимо задать рекомендуемую влажность почвы (wзад), а также максимальную (wmax) и минимальную влажность (wmin), в пределах которых допускается рост и развитие растений. Если параметры влажности находятся вне этого интервала, то растения могут засохнуть , или наоборот сгнить.

Для регулирования параметров влажности блок микроконтроллерного управления производится измерение с помощью соответствующего датчика. В случае, если измеряемый параметр меньше минимального порогового значения, то включается насос подачи воды на заранее запрограммированное время. После процесса воздушно-капельного распыления воды насос выключается и повторное измерение влажности происходит через 12 часов.

В случае, если влажность больше заданной, то включается система вентиляции на заданное время. Это приводит к улучшению естественной циркуляции воздуха внутри помещения.

Следует отметить, что периодическое включение системы вентиляции как для регулирования температурных параметров, так и параметров влажности обеспечивает циркуляцию воздуха. Такая принудительная циркуляция осуществляет балансирование содержания углекислого газа внутри помещения и приближает этот параметр к естественному значению в составе воздуха.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис 2.5. - Алгоритм поддержания заданной влажности

Таким образом, на данном этапе проектирования разработка системно-алгоритмической модели аппаратно-программного комплекса автоматического контроля параметров микроклимата теплицы завершена и дальнейшими шагами является программная реализации разработанных алгоритмов.

3. Реализация программой части аппаратно-программного комплекса

3.1 Выбор средств разработки

Для разработки ПО микроконтроллера MSP430F1132 был выбран язык Си, как наиболее универсальный язык для программирования встроенных систем. Код на Си может быть скомпилирован без изменений практически на любой модели компьютера, но он имеет некоторую избыточность, поэтому для написания ответственных фрагментов был использован ассемблер.

Си позволяет написать большие программы с минимумом ошибок по правилам процедурного программирования и имеет следующие особенности:

- простую языковую базу, из которой вынесены в библиотеки многие существенные возможности, вроде математических функций или функций управления файлами;

- ориентацию на процедурное программирование, обеспечивающую удобство применения структурного стиля программирования;

- систему типов, уменьшающую набор операций;

- использование препроцессора для, например, определения макросов и включения файлов с исходным кодом;

- непосредственный доступ к памяти компьютера через использование указателей;

- минимальное число ключевых слов;

- передачу параметров в функцию по значению, а не по ссылке (при этом передача по ссылке выполняется с помощью указателей);

3.2 Программная реализация секции инициализации комплекса

Инициализация комплекса необходима для настройки встроенного оборудования микроконтроллера согласно его техническому описанию путем записи данных в регистры управления.

int main( void )

{

// установка внешнего резонатора 8MHz

BCSCTL1 = XT2OFF + XTS; // внешний резонатор на XT1

unsigned int i;

do

{

IFG1 disable OFIFG; // очистить флаг ошибки резонатора

for (i = 0xFF; i > 0; i--); // ждем устойчивой работы резонатора

}

while ((IFG1 & OFIFG)); // резонатор работает устойчиво ?

BCSCTL2 = SELM_3 + SELS + DIVS_3; // включить тактирование от XT1, SMCLK = OSC / 8

IE1 = WDTIE; // разрешить прерывание WDT

// настройка таймера A0

TACTL = TIMERA;

TACCR0 = TCOMP(50000); // 50 ms

TACCTL0 = CCIE; // разрешить прерывание таймера А0

// настройка портов в/в

P1DIR = 0xE0; // биты 7,6,5 выход, остальные вход

P2SEL = BIT0; // выбрать функцию АЦП

P2OUT = BIT0; // все выходы = 0

P2DIR = 0xFE; // бит 0 вход АЦП, остальные выход

ADC10CTL0 = ADC10SHT_2 + ADC10ON + ADC10IE; // включить АЦП и разрешить прерывания

ADC10AE |= BIT0; // P2.0 выбрать вход АЦП

а также необходимо произвести начальную инициализацию LCD-индикатора записью настраиваемых параметров в контроллер PCF8812 (согласно техническому описанию)

// коды инициализации контроллера LCD (PCF8812)

const unsigned char InitCode[]= {0x21,0x80,0x09,0x15,0x07,0x20,0x0C,0x11};

// инициализация контроллера LCD

void Init_PCF8812(void)

{

int i;

for (i = 0 ;i < 8; i++)

{

set(LCDDC);

SPI_OUT_LCD(InitCode[i]);

res(LCDDC); }

ClearLCD();}

Для обмена информацией с контроллером PCF8812 используется программно реализованный последовательный SPI-интерфейс.

void SPI_OUT_LCD(unsigned char Data)

{

unsigned char i;

PORTLCD disable LCDSCLK;

for(i=8; i >= 1; i--)

{

PORTLCD disable LCDSDA;

if(Data & 0x80)

{

PORTLCD enable LCDSDA;

}

Data = Data<<1;

PORTLCD enable LCDSCLK;

PORTLCD disable LCDSCLK;

}}

3.3 Программная реализация работы клавиатурной матрицы

Модуль работы с клавиатурной матрицей реализован на языке ассемблера и использует аппаратные особенности микроконтроллера. Для опроса кнопок на линии столбцов матрицы выставляется нулевой уровень сигнала, и разрешаются прерывания по входам, закрепленными за строками матрицы на порту микроконтроллера. Нажатые кнопки вызовут аппаратные прерывания порта. В процессе обработки прерываний будет запрограммирован таймер, который создаст аппаратную задержку длинной 50 мс, для устранения эффекта дребезга механического контакта. После этого в обработчике прерывания по таймеру будет вычислен код нажатой клавиши и передан в основной модуль программы. Таким образом, достаточно короткого программного обращения для инициирования опроса матрицы.

TEST_KEY:

mov.b &PORTMV,R4; сохранить состояние порта

push R4;

bic.b #MV_1+MV_0,&PORTMV; низкий уровень на столбцы матрицы

bis.b #MH_1+MH_0,&INTKEYSIGNAL; разрешить прерывание для строк матрицы

pop R4;

mov.b R4,&PORTMV; восстановить состояние порта

ret

ISR_TimerA1:

// окончание задержки антидребезга контактов

// проверить нажатые клавиши

bic.w #CCIE,&TACCTL1; запретить прерывания TimerA1

push R4

mov.b &PORTMV,R4; сохранить состояние порта

push R4

bis.b #MV_0,&PORTMV;

bic.b #MV_1,&PORTMV; установить один активный столбец

bit.b #MH_1+MH_0,&PORTMH; проверить все строки

jz Press_Left_and_Right_key; ошибка, если нажаты две клавиши

bit.b #MH_1,&PORTMH; проверить одну строку

jz Press_Right_key; переход, если нажата клавиша

bit.b #MH_0,&PORTMH; проверить следующую

jz Press_Left_key; переход, если нажата клавиша

bic.b #MV_0,&PORTMV; поменять активный столбец

bis.b #MV_1,&PORTMV;

bit.b #MH_1,&PORTMH; проверить строку

jz Press_Enter_key; переход, если нажата клавиша

Press_Left_and_Right_key

mov.b #0x00,&KEYCODE; код клавиши в буфер

jmp TimerEndKey

Press_Right_key

mov.b #0x01,&KEYCODE;

jmp TimerEndKey

Press_Left_key

mov.b #0x02,&KEYCODE;

jmp TimerEndKey

Press_Enter_key

mov.b #0x03,&KEYCODE;

TimerEndKey

pop R4

mov.b R4,&PORTMV; восстановить состояние порта

pop R4

ret

ISR_Port_Key:

// прерывание вызвано нажатыми клавишами

// запрограммировать таймер задержки

// и проверить состояние клавиш в прерывании таймера

push R4

bic.b #MH_1+MH_0,&INTKEYSIGNAL; запрет прерываний от строк матрицы

mov &TAR,R4; текущее значение таймера

add.w #TCOMP(50000),R4; добавить время на дребезг контактов

mov R4,TACCR1; в регистр сравнения новый интервал

pop R4;

bic.b #MH_1+MH_0,&INTKEYFLAGS; сбросить флаги запроса

bis.w #CCIE,&TACCTL1; разрешить прерывание от таймера

ret

3.4 Программная реализация 1-Wire интерфейса для связи с цифровым термометром

Фрагмент программы управления цифровым термометром DS-1820 взят из примеров применения микроконтроллеров MSP 430 фирмы TI, имеющихся на сайте производителя в свободном доступе. И реализован на языке ассемблера в связи с тем, что 1-Wire интерфейс чувствителен к изменению временных характеристик. Ассемблер предоставляет возможность учесть длительность циклов используемых команд. В связи с этим, перед использованием цикла обмена информацией, необходимо запретить все аппаратные прерывания и разрешить их на выходе из программы.

Rout_DS1820:

// на время обмена информацией по 1-wire запретить все прерывания

dint;

push R4

push R5

push R15

call #Reset_1W; DS1820 Reset

mov.b #0CCh,DATA1W; DS1820 command to skip ROM

call #Write_1W

mov.b #044h,DATA1W; DS1820 comand to convert temp

call #Write_1W

call #Reset_1W; DS1820 Reset

mov.b #0CCh,DATA1W; DS1820 command to skip ROM

call #Write_1W

mov.b #0BEh,DATA1W; DS1820 command to read scratchpad

call #Write_1W

call #Read_1W; DS1820 LSB read

push.w DATA1W; TOS = 00|LSB

call #Read_1W; DS1820 LSB read

swpb DATA1W; DATA1W = MSB|00

add.w @SP+,DATA1W; DATA1W = MSB|LSB

mov.w DATA1W,&Cur_Termo_Data

pop R15

pop R5

pop R4

eint;

ret;

;------------------------------------------------------------------------------

Reset_1W; Subroutine to Reset 1-wire device and detect presence

;------------------------------------------------------------------------------

bis.b #DQ,&PDIR;

mov #mks(720),R15; ~ 720us delay

call #Delay_R15

bic.b #DQ,&PDIR

call #Delay_60us; ~ 60us delay subroutine

Rxx bit.b #DQ,&PIN; Check for presence

jc Rxx

mov #mks(480),R15; ~ 480us Delay

call #Delay_R15

ret

;------------------------------------------------------------------------------

Write_1W; enter DATA1W = 00 - FF 1-wire data to write

; BIT1W = xx

;------------------------------------------------------------------------------

mov.w #08h,BIT1W

TX_1W_Bit rrc.b DATA1W

jc TX_1W_1

TX_1W_0 bis.b #DQ,&PDIR

call #Delay_60us; ~ 60us delay subroutine

bic.b #DQ,&PDIR

jmp TX_1W_x

TX_1W_1 bis.b #DQ,&PDIR

bic.b #DQ,&PDIR

call #Delay_60us; ~ 60us delay subroutine

TX_1W_x dec.w BIT1W

jnz TX_1W_Bit

ret

;------------------------------------------------------------------------------

Read_1W; enter DATA1W = xx

; BIT1W = xx

; exit DATA1W = 00 - FF 1-wire data read

; BIT1W = xx

;------------------------------------------------------------------------------

mov.w #08h,BIT1W

RX_1W_Bit bis.b #DQ,&PDIR

bic.b #DQ,&PDIR

nop

nop

bit.b #DQ,&PIN

rrc.b DATA1W

call #Delay_60us; ~ 60us delay subroutine

dec.w BIT1W

jnz RX_1W_Bit

ret

;------------------------------------------------------------------------------

Delay_60us mov.w #mks(60),R15

;------------------------------------------------------------------------------

Delay_R15 dec.w R15

jnz Delay_R15

ret

После считывания данных с цифрового термометра их необходимо преобразовать в десятичную систему счисления для вывода на индикатор.

3.5 Программная реализация измерения влажности

Для поддержания заданной влажности внутри камеры необходимо считать информацию с датчика влажности. Поскольку данная информация представлена в аналоговом виде, ее необходимо преобразовать в цифровой код для дальнейшей обработки. Для этого воспользуемся встроенным АЦП. Полученное цифровое значение необходимо сравнить с заданным, и предпринять действие по результатам сравнения.

void Moisture(void)

{

unsigned long Temp;

ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC; // старт выборки и преобразования

_BIS_SR(CPUOFF + GIE); // ожидание окончания преобразования

Temp = ADC10MEM;

Temp = (Temp * 100) / 0x3FF; // измеренное значение в процентах

Cur_Water_Data = Temp & 0x00FF;

if (Set_Water_Data >= 5){

if (Cur_Water_Data < Set_Water_Data - 4){// сигнал

Setsignal();

}else Stopsignal();

if (Cur_Water_Data > Set_Water_Data + 4){// сигнал

Setsignal();

}else Stopsignal();

if (Cur_Water_Data < Set_Water_Data){// если влажность мала

controller enable vaporizer; // включить испаритель

}else{ // если велика

controller disable vaporizer; // выключить

}

}

}

3.6 Программная реализация отображения информации на LCD-индикаторе

Микроконтроллер графического индикатора имеет организацию 102х65 пикселей, при этом видимых на экране 96х64 пикселя. Для удобства использования экран условно разделен на две части. В нижней части реализовано отображение цифровых значений измеряемых параметров, а в верхней - название данных параметров. Для наглядности изображения цифровой информации необходимо использовать матрицу с размером символа 15х32 пикселя, что может быть программно реализовано из стандартной цифровой матрицы 5х7.

void GraphDigit(unsigned char digit)

{

unsigned char sty,i,j,s;

unsigned char copy_axis_y;

uint32_t move;

digit *= 5;

for (i=0;i<5;i++)

{

sty = Table_Digit[digit+i];

for (j=8;j>0;j--)

{

if ((sty & 0x80)== 0)

{

move = move << 4;

move &=~0x0F;

}

else

{

move = move << 4;

move |= 0x0F;

}

sty = sty << 1;

}

copy_axis_y = axis_Y;

for (j=4;j>0;j--)

{

s = move & 0x000000FF;

SPI_OUT_LCD(s);

SPI_OUT_LCD(s);

SPI_OUT_LCD(s);

axis_Y++;

SetXYLCD();

move = move >> 8;

}

axis_Y = copy_axis_y;

axis_X = axis_X + 3;

SetXYLCD();

}

}

Для отображения названия режимов работы возможно использование матрицы с размером символа 6х16 пикселя, реализовано программно из матрицы 6х8.

void GraphSymb(unsigned char symb)

{

unsigned char sty,i,j,s;

unsigned char copy_axis_y;

uint16_t move;

symb = ((symb - 0xC0)*6);// русские буквы начинаются с кода 192,а в таблице с 0

for (i=0;i<6;i++)

{

sty = Table_Symb[symb+i];

for (j=8;j>0;j--)

{

if ((sty & 0x80)== 0)

{

move = move << 2;

move &=~0x03;

}

else

{

move = move << 2;

move |= 0x03;

}

sty = sty << 1;

}

copy_axis_y = axis_Y;

for (j=2;j>0;j--)

{

s = move & 0x00FF;

SPI_OUT_LCD(s);

axis_Y++;

SetXYLCD();

move = move >> 8;

}

axis_Y = copy_axis_y;

axis_X = axis_X + 1;

SetXYLCD();

}}

3.7 Инструкция пользователю

При первичном включении устройства запрограммированы следующие начальные параметры: температура - 20оС, влажность - 75%, автоматическое поддержание температуры - выключено. Комплекс находится в состоянии измерения и индикации текущей температуры внутри помещения. Просмотр и программирование параметров осуществляют с помощью трехкнопочной клавиатуры. Кнопки имеют аббревиатуру: «влево», «вправо» и «ввод». При помощи кнопок «влево» или «вправо» в режиме индикации текущей температуры возможен просмотр параметров в виде однострочного меню: текущая температура, текущая влажность, и текущий день выращивания продукции. Отображение значения запрограммированного параметра выбранного пункта на экране осуществляется нажатием кнопки «ввод». Если запрограммированное значение менять не нужно, то повторным нажатием кнопки «ввод» возвращаемся в предыдущее состояние. При необходимости изменения значения выбранного параметра необходимо воспользоваться кнопками «влево» или «вправо».

В каждом пункте меню в режиме программирования кнопки «влево» и «вправо» имеют свои функции:

- при изменении температуры кнопка «влево» позволяет прибавлять целую часть значения (единицы градусов). Дойдя до значения 35 происходит переход на значение 01, таким образом, перебор значений осуществляется по кругу, от меньшего к большему. Кнопка «вправо» аналогично изменяет десятые доли градуса от 0 до 9.

- при изменении влажности кнопка «влево» уменьшает, а кнопка «вправо» увеличивает значения программируемой влажности с дискретностью 5% в диапазоне от 0 до 100%.

- при изменении времени выращивания овощей (посуточно) кнопка «влево» уменьшает, а «вправо» - увеличивает количество суток в интервале 0 - 290 с шагом 1 сутки. Состояние «0» символизирует отказ от автоматического процесса выращивания.

После изменения выбранных значений для их сохранения необходимо нажать кнопку «ввод». При отказе от выбранных действий (не завершенных кнопкой «ввод») система через 30 сек перейдет в состояние показаний текущей температуры без сохранения программируемого параметра.

Старт автоматического поддержания параметров хранения овощей осуществляется только при условии задания хотя бы одних суток времени хранения.

При изменении значения программируемого параметра времени выращивания продукции, отсчет показаний текущего значения начинается с нуля.

По окончании периода возделывания овощей система автоматически отключается и переходит в состоянии индикации текущей температуры внутри камеры. Запрограммированное значение периода выращивания становится равным нулю.

4. Организационно-экономическая часть

4.1 Оценка трудоёмкости программной разработки

Оценка программных продуктов преимущественно проводится на основе учета трудоемкости и затрат на ее создание. Применяемый аналитический подход к получению оценки связан с определением коэффициентов расчетных формул, которые меняются во времени и требуют непрерывной корректировки. Рынок предъявляет к программным продуктам такие требования, как удобство пользования, компактность и многофункциональность, быстрота доступа к нужной информации, взаимосвязь и легкий переход на другие программы, совместимость, доступная цена. Необходимо учесть влияние многочисленных факторов, определяющих стоимость программного обеспечения.