Система автоматизированного управления микроклиматом теплиц

Автоматизированная система микроклимата

Автоматизированная умная теплица на arduino. Система управления микроклиматом на ардуино

В современном мире очень важны инновационные автоматизированные системы производства в сельском хозяйстве. Обусловлено это необходимостью роста в производительности. причем производительность должна быть обеспечена за счет экологически чистых технологий. Такими технологиями являются автоматизированные системы управления микроклиматом в теплицах.
Такие системы в автоматическом режиме создают оптимальный микроклимат для выращивания сельхозкультур и кроме того позволяют существенно экономить на энергоресурсах.
Проблема в существующем направлении следующая. Существующие системы микроклимата разбиты на несвязанные системы. Отдельно система управления проветриванием (температурным режимом) и отдельно система полива. Т.е. нет комплексных решений для малых и средних предприятий. Только для крупных предприятий создаются уникальные дорогостоящие комплексные системы. Поэтому мы поставили задачу разработать автоматизированную систему управления микроклиматом для малых и средних предприятий растениеводства.
Система создана на базе программируемого микроконтроллера Arduino. Данный микроконтроллер достаточно дешев и удобен в программировании. Именно поэтому созданная система имеет цену ниже , чем у существующих аналогов, а кроме того она является гибкой и и легко настраиваемой под любые режимы.(т.е. под выращивание различных сельскохозяйственных культур).
Проблема нашего проекта состоит в создании прототипа автоматизированной системы управления микроклиматом для малых и средних теплиц на базе программируемого микроконтроллера Arduino. проведем анализ существующих систем их недостатки и преимущества.
Средняя рыночная цена на автомат проветривания для малых теплиц на рынке 2500 рбулей. Средняя рыночная цена полуавтоматических систем полива 3000 рублей. Как отмечалось данные системы работают независимо друг от друга и это существенный минус. Комплексная система управления микроклиматом на базе микроконтроллера Arduino позволит соединить показания датчиков освещенности, влажности и температуры для оптимального управления приводами систем полива и проветривания. Кроме того общую себестоимость такой системы можно свести до 4000 рублей. Причем один микроконтроллер может управлять двумя теплицами независимо. Т.е. для малых и средних хозяйств это оптимальное решение.
Цель проекта: создать макет, прототип автоматизированной системы управления микроклиматом для теплиц на базе микроконтроллера. Система должна содержать подсистему автоматического полива, проветривания, управления искусственным освещением.
Принципы работы автоматизированной системы управления микроклиматом теплиц.
Общая схема работы автоматизированной системы достаточно проста и наглядна.

Данные с датчиков передаются в микроконтроллер. Программа микроконтроллера сравнивает данные датчиков с заданными. Согласно алгоритму, заложенному в программе, микроконтроллер выдает управляющие сигналы на приводы, включает их
Простейший алгоритм работы программы можно задать следующим образом.
Цикл бесконечный
<
Если (температура датчика > заданной) , то включить привод проветривания на открытие;
Если (температура датчика

Устройство автоматизированной системы микроклимата.

Краткое описание основных узлов системы.

Микроконтроллер Arduino.

Arduino плата с микроконтроллером с помощью которой можно считывать данные с датчиков и управлять мотороми и дургими устройствами. Язык программирования Arduino по структуре и синатксису сход с языком си.

Аналоговый датчик света для ардуино
Для того, чтобы получить из исходного напряжения лишь его часть используется делитель напряжения (voltage divider).
Аналоговый датчик температуры
LM335 –температурный чувствительный элемент с диапазоном от -40 °C до +100°C и точностью в 1°C.
Сервопривод (следящий привод) — привод с управлением через отрицательную обратную связь, позволяющую точно управлять параметрами движения.
Сервоприводом является любой тип механического привода (устройства, рабочего органа), имеющий в составе датчик (положения, скорости, усилия и т. п.) и блок управления приводом (электронную схему или механическую систему тяг), автоматически поддерживающий необходимые параметры на датчике (и, соответственно, на устройстве) согласно заданному внешнему значению (положению ручки управления или численному значению от других систем).
Проще говоря, сервопривод является «автоматическим точным исполнителем» — получая на вход значение управляющего параметра (в режиме реального времени), он «своими силами» (основываясь на показаниях датчика) стремится создать и поддерживать это значение на выходе исполнительного элемента.

На данной принципиальной схеме датчики выделены цветом. Каждый датчик работает независимо друг от друга и подключены к аналоговым портам. Servo1 и Servo2- сервомоторы подсоединенные к ШИМ портам. Следует отметить, что несколько портов остаются свободными, что дает возможность расширить архитектуру схемы (добавить датчики, сервоприводы).

вления приводом (электронную схему или механическую систему тяг), автоматически поддерживающий необходимые параметры на датчике (и, соответственно, на устройстве) согласно заданному внешнему значению (положению ручки управления или численному значению от других систем).

Проще говоря, сервопривод является «автоматическим точным исполнителем» — получая на вход значение управляющего параметра (в режиме реального времени), он «своими силами» (основываясь на показаниях датчика) стремится создать и поддерживать это значение на выходе исполнительного элемента.

Заключение
Автоматизированные системы микроклимата наиболее актуальны для малых и средних теплиц. Система в течении недели будет автоматически поддерживать оптимальный климатический режим, без вмешательства человека. Кроме того данные системы позволят существенно экономить энергоресурсы и трудозатраты. Следует отметить. Что системы комплексные автоматизированные системы поддержания микроклимата, построенные на микроконтроллере Arduino в целом должны быть дешевле аналогичных существующих систем.
Поэтому работы по созданию дешевой, комплексной, автоматизированной системы микроклимата для теплиц являются очень актуальными и требуют продолжения вплоть до выпуска промышленных образцов и запуска в производство.
По результатам проведенного исследования можно сформулировать следующие выводы:
1 Создана принципиальная схема автоматической системы микроклимата для теплиц
2 Разработан алгоритм для микроконтроллера и написана программа для системы микроклимата
3 Создан макет автоматизированной системы микроклимата. Протестирована и отлажена его работа.
В качестве перспектив проекта можно рассмотреть создание полностью автономных автоматизированных систем микроклимата. Т.е. энергоснабжение для них будет осуществляться с помощью альтернативных источников энергии, солнечные батареи и ветряки. Данные системы способны длительно работать без вмешательства человека и полностью автоматизировать труд в растениеводстве.
Литература по робототехнике и ардуино
1. Энциклопедия начинающего радиолюбителя: Описания практических конструкций.Иванов Б. С. — М.: Патриот, 1992, 416 с.
2. Электроника шаг за шагом: Практическая энциклопедия юного радиолюбителя. Сворень P. А. / Рис. С. Величкина. — Изд. 3-е, дополн. и исправл. — М.: Дет. лит., 1991. — 446 с.: ил.
3. Микроэлектроника для всех. Введение в мир интегральных микросхем: основы функционирования, технология изготовления и применение: Эндерлайн P. Пер. с немец.- М.: Мир, 1989.- 192 с., ил.

Источник статьи: http://itrobo.ru/robototehnika/proekty/avtomatizirovannaja-sistema-mikroklimata.html

Системы для автоматизации теплиц

Автоматизированные «умные» теплицы снабжаются специальными датчиками и комплексными системами, которые обеспечивают регулировку микроклиматических параметров. Таким образом регулируется температура, уровень углекислого газа, процессы орошения и восстановления грунта.

Автоматизация микроклимата теплиц должна выполняться комплексно: если все системы будут функционировать согласованно, то можно будет снизить затраты на покупку электронного оборудования.

Разновидности систем автоматизации теплиц

Так, специальные гидравлические системы обеспечивают автоматическое проветривание. Вентиляция обеспечивается конструкциями с гидроцилиндрами и гибкими тягами. Открывание форточек происходит автоматически: гидросистемы срабатывают по принципу объемного расширения из-за повышения внутренней температуры.

Также автоматизация управления микроклиматом в теплице предполагает использование таких систем:

1. Для обогрева и контроля температуры: электромагнитные реле, температурные датчики, нагреватели и электровентиляторы. Все устройства связаны с общим блоком управления, и при поступлении нужного сигнала внутрь подается воздух заданной температуры.
2. Автополив: от резервной емкости через распределительные трубки непосредственно к растениям. Наиболее выгодной с экономической точки зрения считается система капельного автополива. Она же дает отличный результат с точки зрения роста и развития растений. Такая система может работать с погружным насосом и автоматическими разбрызгивателями: все зависит от имеющегося технического оснащения. Этим же способом можно подавать и жидкие подкормки. Подача регулируется специальными датчиками, измеряющими влажность почвы.
3. Для контроля уровня освещенности. В этом случае регулируется работы экранов затенения и включение/выключение источников искусственного освещения. Особенно важно это для зимних теплиц, работающих в условиях короткого светового дня.
4. Для проверки уровня углекислого газа. Повышение концентрации углекислого газа мешает нормальному росту растений. Поэтому датчики либо сигнализируют оператору о необходимости проветривания, либо запускают систему воздухообмена.

Обычно все эти устройства сводятся к общему «экрану оператора», чем обеспечивается удобство управления.

Как работают автоматизированные системы?

Теплицы обеспечивают поддержание необходимых параметров искусственного климата для выращивания нужной сельскохозяйственной продукции (зелени, ранних овощей, фруктов зимой и так далее). Вся конструкция — довольно дорогая в обслуживании и эксплуатации. Чтобы обеспечить ее быструю окупаемость, важно гарантировать стабильную урожайность и высокое качество продукции. Именно для этого и используются современные системы автоматики.

Важно подобрать подходящее решение еще на этапе проектирования. Оптимизация управления микроклиматом не только позволяет поддерживать нужные показатели, но и помогает сократить энергопотребление, а значит, и снизить эксплуатационные затраты.

Комплекс автоматизированного регулирования микроклимата теплицы работает следующим образом:

• Датчики температуры контролируют прогрев воздуха и грунта. Поддержание стабильных температурных показателей ускоряет вегетативный период, обеспечивает быстрое развитие корневой системы и способствует повышению урожайности до 45%. Если в теплице предусмотрено многоярусное отопление, то датчики устанавливаются на каждом ярусе и работают независимо. Важно, чтобы вся система могла чутко реагировать на потребности растущих растений. Так, для некоторых культур обязательно выдерживать разницу между дневной и ночной температурой, а при солнечной погоде температура прогрева грунта должна снижаться, чтобы корневая система не пересушивалась. Температура должна стабилизироваться с высокой точностью, с колебаниями не более 1 градуса.
• Влажность должна регулироваться с учетом состояния наружного воздуха.
• Датчики, контролирующие уровень освещенности и обеспечивающие включение и выключение света в зависимости от уровня естественной (солнечной) освещенности, позволяют сэкономить до 25% электроэнергии. Кроме того, они включают механизмы затенения при необходимости. Таким образом обеспечивается регуляция облучения для правильного протекания процессов фотосинтеза
• При запуске системы вентиляции должны учитываться не только текущий уровень СО2 внутри теплицы, но и скорость и направление ветра снаружи.
• Процессы полива и удобрения запускаются специальными стартовыми программами. В них указывается время, объемы, промежуточные интервалы. В прогрессивных системах учитываются побочные влияния солнечной освещенности и температурного режима.

Специальные датчики

В системах автоматизации для парников используются первичные измерительные устройства. Это датчики, помогающие контролировать температуру, влажность, содержание углекислого газа, уровень воды в резервуарах (гидростатические датчики уровня), давление в отопительной системе. Тепличные хозяйства должны оснащаться долговечным оборудованием, невосприимчивым к высокой влажности и повышенной содержанию химических паров. Большинство датчиков имеют возможность калибровки непосредственно в месте установки.

Компания «Измеркон» предлагает датчики для систем автоматизации для теплиц. Это детекторы метана, аммиака, этилена, СО2, уровнемеры для топлива и жидкостей, гигрометры и термометры с функцией регистрации данных, а также сенсоры, логгеры и расходомеры. Здесь можно приобрести оборудование для частных тепличных хозяйств и сложных агропромышленных комплексов.

Источник статьи: http://izmerkon.ru/podderzhka/publikaczii/sistemy-avtomatizacii-teplic.html

Возможности современных автоматизированных систем в теплицах с инструкцией по внедрению

Искусственная среда для выращивания растений способствует круглогодичному снятию урожая. При создании микроклимата частным образом используются готовые проекты умной теплицы и самоделки. Среди систем автоматизации тепличных комплексов лидирует аппаратно-программное обеспечение Arduino, которое позволяет роботизировать домашнее хозяйство даже людям, малосведущим в электронике.

Необходимость автоматизации теплицы

Жизнедеятельность растений напрямую связана с температурным режимом, влажностью, освещенностью и другими факторами. Малейшие отклонения в окружающей среде негативно сказываются на темпах роста и урожайности. Соблюдение строгих тепличных условий – кропотливый и трудоемкий процесс, который нуждается в постоянном контроле. Умная теплица своими руками сводит к минимуму человеческое участие, освобождает время и позволяет управлять ростом овощных и фруктовых культур на расстоянии.

Решаемые задачи

Автоматизация создания и поддержания необходимых условий окружающей среды подразумевает управление:

• температурным режимом;
• поливом и орошением;
• освещением;
• подогревом почвы;
• подкормкой CO₂.

Особая роль отводится мониторингу процессов, автономности и оперативной реакции на малейшие отклонения.

Возможности и оборудование

Считывание данных и изменение состояния окружающей среды производится с помощью датчиков и исполнительных устройств. Главенствующую роль играет контроллер, который сопряжен с системой дистанционного управления. Каждое устройство, входящее в робототехнический комплекс, выполняет определенные функции. Оборудование умной теплицы состоит из систем:

• поддержания оптимального температурного режима. Для понижения температуры применяются актуаторы. С помощью этих приспособлений регулируется воздухообмен между помещением и внешней средой. Получая сигнал извне, шаговый двигатель, пневматическое или гидравлическое устройство приводит форточку в необходимое положение. Соответствующие сигналы генерируются датчиками температуры и ветра;
• подогрева почвы. Оптимальная температура в теплице достигается с помощью терморегуляторов, ТЭНов, электрокабеля или других нагревательных приборов, интенсивность работы которых зависит от команд температурных датчиков;
• освещения. Система включает лампы и датчик освещенности, главной деталью которого является фоторезистор. Формирование управляющего сигнала происходит за счет изменения сопротивления в зависимости от интенсивности светового потока. Помимо осветительных приборов, в регулировании освещенности могут участвовать автоматические шторы;
• контроля уровня CO₂. Соответствующий датчик связан с вентиляторами, посредством которых помещение освобождается от выработанного растениями кислорода. Подкормка растений двуокисью углерода повышает урожайность на 30%;
• полива. Автоматизация полива обеспечивается сенсорами влажности (гигрометрами). Из экономических соображений система оборудуется датчиками расхода воды. Простейшие устройства представлены таймерами, которые включают и выключают орошение в заданные промежутки времени.

Расход воды – важный фактор, который напрямую связан с площадью тепличного помещения и особенностями выращивания конкретных растений. При оптимально заданных временных интервалах полива, датчики влажности выполняют функции аварийных сигнализаторов.

Преимущества перед обычной

В таблице №1 представлены преимущества и недостатки обыкновенной и умной теплиц.

Обычная		«Умная»
Плюсы	Минусы	Плюсы	Минусы
Независимость от источников энергии	Необходимость постоянного присутствия	Автоматический и удаленный контроль	Зависимость от источников питания
Низкая себестоимость	Повышенные трудоатраты	Точное соблюдение режимов	Затраты на приобретение оборудования
Простота в обслуживании	Минимальное участи человека	Выход из строя отдельных элементов

Недостатки с автономностью умной теплицы решаются с помощью аккумуляторов, генераторов и емкостей с водою.

Проекты и схемы умных теплиц

Среди почитателей роботизации дома и приусадебного хозяйства, наибольшим уважением пользуется умная теплица на ардуино. Главным компонентом платы-контроллера является процессор, снабженный микросхемой памяти. Используемые для умных теплиц схемы отличаются марками процессоров и функционалом.

Одна из простейших схем-проектов автоматической теплицы на Arduino Uno (мини) изображена на рисунке 1.

Освещенность оценивается фоторезистором. Температурный режим определяется датчиком TMP36. Интенсивность полива регулируется на основании данных с модуля влажности и датчика DHT11.

Расширенный вариант управления микроклиматом в теплице предполагает плата Arduino Mega. Схема-проект интеллектуального «овощевода» представлена на рисунке 2.

Сердцем аппаратной платформы является микроконтроллер ATmega1280. Для считывания/передачи цифровой информации используется 8 выходов. Для обработки аналоговых данных используется 10 портов.

Еще один вариант теплицы с Арудино изображен на рисунке 3.

В качестве универсального таймера-контроллера умной теплицы также можно использовать GyverControl (Рисунок 3).

Интеллектуальное устройство оборудовано семью логическими выходами с напряжением 5В. Для управления серво- и линейными приводами предусмотрены 3 отдельных канала.

Вышеуказанные схемы не являются окончательным решением роботизации теплицы. Появление новых, более совершенных контроллеров, расширяет возможности автоматики и придает ей большую эффективность.

Возможности удаленного контроля и регулирования

Помимо местного управления, умная теплица на Ардуино предоставляет возможность дистанционного контроля оборудования и обмена данными посредством пульта, мобильных гаджетов и персональных компьютеров. В качестве интерфейса может использоваться USB, Bluetooth, Wi-Fi, GSM и интернет. Посредниками в данном процессе служат соответствующие модули и приложения, которые представлены:

• RemoteXY;
• Blynk;
• Virtuino;
• Bluino Loader;
• Arduino Bluetooth Control и пр.

Особого внимания заслуживает софт BT Voice Control for Arduino, которое обеспечивает управление тепличным оборудованием с помощью голосовых команд. При синхронизации с «Алисой» это приложение предполагает массу удобств.

Основные критерии выбора систем для автоматизации теплиц

При кажущейся простоте, выбор оборудования для автоматизации тепличного хозяйства затрудняет даже специалистов. Идеальным условием считается подбор автоматики одного производителя. Поскольку данный критерий труднодоступен, перед тем, как автоматизировать теплицу необходимо:

• определиться с ее площадью и назначением (выращиваемые культуры);
• высчитать количество датчиков и исполнительных устройств;
• в зависимости от предыдущего пункта подобрать контроллер или использовать конструктор;
• решить вопрос с управлением и контролем.

С развитием научно-технического прогресса, готовые проекты умных теплиц быстро устаревают. Поэтому при выборе автоматики для искусственного выращивания овощей и фруктов необходимо опираться на новейшие технологии и оборудование.

Приборы для автоматизации теплиц за 2020 год

Чтобы автоматизировать теплицу, необходимо обзавестись соответствующим оборудованием, примерами которого в 2020 году являются:

• Контроллер для умной теплицы серии «iТеплица -малый контроллер». Гарантирует комплексный контроль микроклимата в помещении с ограниченной площадью. Обеспечивает поддержание температуры, проветривание, подкормку и полив растений. Предполагает управление вспомогательными механизмами. Рассчитан на длительное хранение данных обо всех изменениях окружающей среды. Оснащен продвинутой системой визуализации SCADA. Комплектуется датчиками влажности, освещенности и программным обеспечением. Цена от 17 тыс. рублей.

• SMART STANDARD VENT «УМНАЯ ТЕПЛИЦА» — набор для автоматизации теплицы. Обладает богатым функционалом, охватывающим практически все сегменты поддержания заданного микроклимата. Для контроля и обмена данными используются гаджеты, связанные с интернетом. Цена от 47,9 тыс. рублей.

• «Умница lite» – бюджетный вариант умной теплицы. Помимо блока управления комплектуется картой памяти micro SD, USB-адаптером, датчиками температуры, влажности, освещенности, уровня воды и пр. Цена от 9,9 тыс. рублей.

• Смарт-теплица на базе контроллера Терраформ. Обеспечивает контроль пяти параметров микроклимата. Комплектуется датчиками температуры, влажности, освещенности, температуры почвы. Предполагает подключение сенсоров CO₂ и pH.

Пошаговая инструкция создания умной теплицы

Наделить «интеллектом» можно практически каждую теплицу, которая отвечает стандартам выращивания овощей, фруктов и цветов в искусственных условиях. Для этого необходимо:

1. Приобрести готовый комплект автоматики или подобрать оборудование, которые соответствуют созданию необходимого микроклимата и площади помещения.
2. Оптимально разместить датчики и исполнительные устройства.
3. Соединить все элементы с контроллером.
4. Установить необходимое программное обеспечение.
5. Предусмотреть дистанционное управление.
6. Организовать автономное питание.

Один из вариантов создания умной теплицы представлен в видео:

Источник статьи: http://datchikidoma.ru/ylichniye-datchiki/ymniye-teplitsy