-
Я - нейросеть а24+. Помогу с решением задачи
Часть выполненной работы
Практически за всю свою историю человечество придумывало пути по повышению производительности своего труда, своей производственной деятельности. Труд механизировался, путем использования источников энергии, заменяющих мускульную силу человека. Одновременно с этим, стало понятно, что несмотря на снижение затрат физического труда, во многих видах работ требовалось регулярное или постоянное вмешательство и внимание человека. Типичный пример таких видов работ – управление технологическим процессом по выращиванию овощных культур в теплице.
На весь период агротехнического цикла (от посадки до окончания сезона) требуется регулярный, а то и непрерывный процесс управления параметрами технологического процесса – влажностью почвы (растения надо поливать), температурой и влажностью окружающего воздуха и многими другими.
Поэтому применение одних только средств, обеспечивающих механизацию процесса поддержания этих параметров (электромагнитные клапана полива, приводы дверей и фрамуг теплицы и т.д.) явно недостаточно, да и не сильно применение подобных устройств уменьшает именно затраты физического труда на эти операции. Гораздо важнее здесь – применение устройств, способных автоматически в нужный момент включить и выключить эти приводы, чтобы обеспечить требуемый режим выращивания растений.
Прямой путь решения этой задачи, применение комплекта устройств, выполненных по схеме – чувствительный элемент – пороговое устройство – исполнительный механизм. В эту схему укладывается большое количество устройств, работающих на разных принципах. К ним можно, например, отнести и гидроцилиндры для открытия фрамуг, в которых никакой электроники и вовсе нет, а есть расширяющаяся под действием тепла жидкость, играющая роль и чувствительного элемента, и порогового устройства, и поршень со штоком, играющий роль исполнительного механизма. Соответственно, электронный аналог такого устройства – блок управления фрамугой, состоящий из датчика температуры, электронного реле и актуатора (привода) фрамуги. Применение именно электронных устройств дает то преимущество, что пороги срабатывания можно регулировать, а срабатывание добиваться более четким. Кроме того, для автоматизации ряда процессов возможно применение только электронных регуляторов – например, для включения автополива при недостаточной влажности почвы, либо искусственного освещения при недостаточной освещенности.
Прямой путь автоматизации работы теплицы, совершенно очевидно, имеет ряд недостатков:
• для получения качественного урожая требуется адаптивное (т.е. с учетом ряда дополнительных факторов, например, периода опыления растений) управление параметрами теплицы, т.е. приборы следует время от времени подстраивать вручную;
• оператору желательно дистанционно контролировать работу теплицы, простые средства автоматизации, как правило, не обеспечивают такой возможности;
• при увеличении количества контролируемых параметров сложность системы и количество однотипных элементов, дублирующих функции устройства (пороговые устройства, регуляторы), тем более, если параметры следует регулировать по времени (например, полив, в строго определенное время), катастрофически растет, причем не в пользу надежности системы в целом;
• сбои в электроснабжении могут нарушить работу автоматики и потребовать незамедлительного вмешательства человека, чтобы настроить все заново, причем человек это может сразу не понять, что приведет к неприятным последствиям для растений [11].
Эти четыре причины предопределяют необходимость применения централизованной системы автоматизации работы теплицы, которая по существу представляет собой специализированную ЭВМ со следующими функциями:
• возможность задания всех необходимых параметров работы теплицы с единого пульта;
• возможность применения адаптивных алгоритмов регулирования параметров (автополив по времени, по сигналу датчиков и т.д);
• возможность дистанционного контроля параметров работы теплицы;
• защищенность от факторов нестабильности питающего напряжения;
• сигнализация аварийных параметров работы теплицы, в том числе и дистанционная;
• просмотр статистики работы устройства (например, как менялась температура воздуха в теплице за неделю).
Именно создание системы автоматизации с таким функциональным набором является целью нашей работы.
Актуальность дипломной работы состоит в том, что существующие варианты реализации такой «правильной» системы основаны на применении либо специализированных промышленных контроллеров автоматизации, либо создаются «с нуля» – как устройство на каком-либо микроконтроллере. Поэтому они получаются неоправданно сложными и дорогими, либо все перечисленные функции реализовать при разумных аппаратных и финансовых затратах не удается.
Между тем, существует сравнительно недорогой аналог промышленного контроллера автоматизации. Это платформа Arduino. Она представляет собой плату с предустановленным микроконтроллером семейства Atmel, линиями ввода вывода и средствами программирования и отладки через кабель USB.
Преимущество его применения перед вариантом «с нуля» состоит в том, что дополнить контроллер всеми необходимыми функциями зачастую можно даже ничего не паяя – просто подключив готовые функциональные блоки – этот процесс чем-то сроднен сборке персонального компьютера из комплектующих, купленных в магазине.
Однако, под конкретную нашу задачу автоматизации теплицы, следует все же разработать некоторые функциональные блоки.
Тому есть следующие причины:
• необходимость уменьшить по максимуму количество разъемных соединений и заменить их паяными для повышения надежности системы;
• необходимость «вписаться» в форм-фактор, предопределенный заданием (единая плата определенной площади и высоты);
• отсутствие некоторых стандартных блоков, необходимых для решения нашей задачи, определенной техническим заданием.
Программирование платформы Arduino ведется на языке wiring, который чем-то напоминает по своей идеологии язык программирования Java. Это еще один плюс разработки системы автоматизации именно на Arduino, так как технология создания программного обеспечения на Wiring существенно проще, чем на языке C++ for AVR и тем более на языке команд микропроцессора Assembler for AVR.
Таким образом, для достижения поставленной цели следует решить следующие задачи:
• рассмотреть существующие системы автоматизации работы тепличного хозяйства и обосновать функции, подлежащие реализации в нашей системе;
• cоставить и обосновать структурную схему разрабатываемой системы;
• синтезировать схему электрическую принципиальную;
• разработать программное обеспечение системы;
• рассчитать показатели надежности проектируемой системы.
Помимо этого, требуется решить задачи, общие для разработки любых технических систем, а именно:
• провести экономическое обоснование разработки системы;
• рассмотреть вопросы безопасности труда и производственной санитарии при изготовлении устройства….
На весь период агротехнического цикла (от посадки до окончания сезона) требуется регулярный, а то и непрерывный процесс управления параметрами технологического процесса – влажностью почвы (растения надо поливать), температурой и влажностью окружающего воздуха и многими другими.
Поэтому применение одних только средств, обеспечивающих механизацию процесса поддержания этих параметров (электромагнитные клапана полива, приводы дверей и фрамуг теплицы и т.д.) явно недостаточно, да и не сильно применение подобных устройств уменьшает именно затраты физического труда на эти операции. Гораздо важнее здесь – применение устройств, способных автоматически в нужный момент включить и выключить эти приводы, чтобы обеспечить требуемый режим выращивания растений.
Прямой путь решения этой задачи, применение комплекта устройств, выполненных по схеме – чувствительный элемент – пороговое устройство – исполнительный механизм. В эту схему укладывается большое количество устройств, работающих на разных принципах. К ним можно, например, отнести и гидроцилиндры для открытия фрамуг, в которых никакой электроники и вовсе нет, а есть расширяющаяся под действием тепла жидкость, играющая роль и чувствительного элемента, и порогового устройства, и поршень со штоком, играющий роль исполнительного механизма. Соответственно, электронный аналог такого устройства – блок управления фрамугой, состоящий из датчика температуры, электронного реле и актуатора (привода) фрамуги. Применение именно электронных устройств дает то преимущество, что пороги срабатывания можно регулировать, а срабатывание добиваться более четким. Кроме того, для автоматизации ряда процессов возможно применение только электронных регуляторов – например, для включения автополива при недостаточной влажности почвы, либо искусственного освещения при недостаточной освещенности.
Прямой путь автоматизации работы теплицы, совершенно очевидно, имеет ряд недостатков:
• для получения качественного урожая требуется адаптивное (т.е. с учетом ряда дополнительных факторов, например, периода опыления растений) управление параметрами теплицы, т.е. приборы следует время от времени подстраивать вручную;
• оператору желательно дистанционно контролировать работу теплицы, простые средства автоматизации, как правило, не обеспечивают такой возможности;
• при увеличении количества контролируемых параметров сложность системы и количество однотипных элементов, дублирующих функции устройства (пороговые устройства, регуляторы), тем более, если параметры следует регулировать по времени (например, полив, в строго определенное время), катастрофически растет, причем не в пользу надежности системы в целом;
• сбои в электроснабжении могут нарушить работу автоматики и потребовать незамедлительного вмешательства человека, чтобы настроить все заново, причем человек это может сразу не понять, что приведет к неприятным последствиям для растений [11].
Эти четыре причины предопределяют необходимость применения централизованной системы автоматизации работы теплицы, которая по существу представляет собой специализированную ЭВМ со следующими функциями:
• возможность задания всех необходимых параметров работы теплицы с единого пульта;
• возможность применения адаптивных алгоритмов регулирования параметров (автополив по времени, по сигналу датчиков и т.д);
• возможность дистанционного контроля параметров работы теплицы;
• защищенность от факторов нестабильности питающего напряжения;
• сигнализация аварийных параметров работы теплицы, в том числе и дистанционная;
• просмотр статистики работы устройства (например, как менялась температура воздуха в теплице за неделю).
Именно создание системы автоматизации с таким функциональным набором является целью нашей работы.
Актуальность дипломной работы состоит в том, что существующие варианты реализации такой «правильной» системы основаны на применении либо специализированных промышленных контроллеров автоматизации, либо создаются «с нуля» – как устройство на каком-либо микроконтроллере. Поэтому они получаются неоправданно сложными и дорогими, либо все перечисленные функции реализовать при разумных аппаратных и финансовых затратах не удается.
Между тем, существует сравнительно недорогой аналог промышленного контроллера автоматизации. Это платформа Arduino. Она представляет собой плату с предустановленным микроконтроллером семейства Atmel, линиями ввода вывода и средствами программирования и отладки через кабель USB.
Преимущество его применения перед вариантом «с нуля» состоит в том, что дополнить контроллер всеми необходимыми функциями зачастую можно даже ничего не паяя – просто подключив готовые функциональные блоки – этот процесс чем-то сроднен сборке персонального компьютера из комплектующих, купленных в магазине.
Однако, под конкретную нашу задачу автоматизации теплицы, следует все же разработать некоторые функциональные блоки.
Тому есть следующие причины:
• необходимость уменьшить по максимуму количество разъемных соединений и заменить их паяными для повышения надежности системы;
• необходимость «вписаться» в форм-фактор, предопределенный заданием (единая плата определенной площади и высоты);
• отсутствие некоторых стандартных блоков, необходимых для решения нашей задачи, определенной техническим заданием.
Программирование платформы Arduino ведется на языке wiring, который чем-то напоминает по своей идеологии язык программирования Java. Это еще один плюс разработки системы автоматизации именно на Arduino, так как технология создания программного обеспечения на Wiring существенно проще, чем на языке C++ for AVR и тем более на языке команд микропроцессора Assembler for AVR.
Таким образом, для достижения поставленной цели следует решить следующие задачи:
• рассмотреть существующие системы автоматизации работы тепличного хозяйства и обосновать функции, подлежащие реализации в нашей системе;
• cоставить и обосновать структурную схему разрабатываемой системы;
• синтезировать схему электрическую принципиальную;
• разработать программное обеспечение системы;
• рассчитать показатели надежности проектируемой системы.
Помимо этого, требуется решить задачи, общие для разработки любых технических систем, а именно:
• провести экономическое обоснование разработки системы;
• рассмотреть вопросы безопасности труда и производственной санитарии при изготовлении устройства….
