X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

В статье предлагается автоматическая система контроля конденсации влаги для поддержания необходимой влажности и температуры для сельскохозяйственных культур и предотвращения распространения заболеваний, которые могут возникнуть в результате образования росы на поверхности листа. Температура точки росы рассчитывается по формуле Баренбурга на сервере с использованием температуры окружающей среды и относительной влажности, а также данных о температуре листвы, собранных датчиками.

The article proposes an automatic moisture condensation control system to maintain the necessary humidity and temperature for crops and prevent the spread of diseases that may arise as a result of dew on the surface of the leaf. The dewpoint temperature is calculated from the Barenburg formula on the server using ambient temperature and relative humidity, as well as data on the temperature of the foliage collected by the sensors.

Мониторинг и контроль окружающей среды в парниках имеют важное значение для повышения продуктивности за счет профилактики заболеваний сельскохозяйственных культур. Явление конденсации росы происходит в теплице, когда температура точки росы выше, чем температура посевов, и она тесно связана с относительной влажностью. Особенно сильно это проявляется при восходе солнца, когда влажность внутри теплицы слишком высока, температура внутри теплицы растет быстрее чем температура растений. Таким образом, огромное различие между температурой окружающей среды и температурой урожая вызывает появление явления конденсации росы. Капли на листьях могут служить в качестве среды для развития такой болезни, как Мучнистая росса. Прогнозирование образования росы и удаление росы важно для выращивания сельскохозяйственных культур в теплице. Создание системы предотвращения конденсации росы, которая была бы способна прогнозировать условия генерации конденсата росы и удалять капли по данным температуры окружающей среды и влажности, а также по значениям температуры листвы станет еще одним шагом в развитии автоматизации тепличного хозяйства.

В состав автоматической системы контроля конденсации влаги входит три основных блока: сенсорный, управления и мониторинга. Узлы датчиков, установленные внутри теплицы, позволяют датчикам температуры окружающей среды и влажности и датчику температуры листа собирать данные об окружающей среде. Собранные данные передаются беспроводным способом на базовые узлы, а базовые узлы передают данные от каждого датчика к серверу среды посредством последовательной связи. Узлы датчиков и базовые узлы развертываются внутри теплицы для создания беспроводной сети датчиков. Сервер управляет всей системой, поэтому он должен получать данные от узлов ретранслятора, обрабатывать их и отправлять управляющие сигналы. Сервер также может оценить условия точки росы с формулой Баренбруга [2]. Узлы реле могут запускать такие устройства, как вентиляторы продувки, окна и внутренние циркуляционные вентиляторы, которые могут регулировать среду теплицы, посредством управляющих сигналов, отправленных с сервера теплицы. Данные, обработанные на сервере, хранятся в базе данных, а информация о состоянии телицы контролируется с любой платформы (портативный ПК, смартфон, настольный ПК), которая используется оператором через Интернет или веб-сервер.

Рисунок 1 – Модель современного тепличного хозяйства

Узлы датчиков, разработанные в предлагаемой системе, получают данные о температуре, влажности, температуре листвы и датчиков дождя. Обрабатывают данные с помощью микропроцессора (MSP430 [3]) после этого данные передаются на ПК и ретрансляционные узлы с помощью приемопередатчика (CC2420 RF chip). Узлы и датчики расположены отдельно друг от друга, чтобы свести к минимуму влияние тепла и влаги. Микропроцессор MSP430 имеет 16-битную структуру RISC и имеет 48 КБ программной памяти и 10 КБ оперативной памяти, которая может обрабатывать несколько данных датчиков одновременно с высокой скоростью. Приемопередатчик CC2420 [6] представляет собой RF-чип, поддерживающий Zigbee [4], который работает в полосе частот 2,400-2,483,5 МГц. Связь осуществляется методом DDDS, поддерживающей модуляцию O-QPSK и скоростью передачи данных 250 Кбит/с, что позволяет использовать беспроводную связь в режиме реального времени с малым энергопотреблением.

Рисунок 2 – Блок-схема системы Рисунок 3 – Блок СС2420

Особенность данной разработки состоит в подборе датчиков, которые смогут выдерживать высокие температуры и высокую влажность в тепличной среде и имеющие высокую чувствительность и надежность в подходящем диапазоне роста растений. SHT71 используется как датчик температуры/влажности. Он оснащен комбинированным датчиком температуры и датчиком влажности. У него низкое энергопотребление 2,4 В ~ 5,5 В и 28 мкА/ч. Диапазон измерения температуры составляет от -40 ° C до 120 ° C, погрешность измерения равна 0,5%, а диапазон измерения влажности - от 0% до 100%, с допуском 3,5%. Бесконтактный инфракрасный датчик используется в качестве датчика температуры листвы, но его показания не очень точны. Доступен датчик температуры, разработанный PhyTech Ltd., но у него есть недостатки, они очень дороги и сложны в покупке в России. Датчик температуры листвы, использующий RTD (датчик температуры сопротивления), был разработан для точного измерения температуры путем преобразования изменения значения сопротивления датчика RTD (PT1000) в соответствии с изменением температуры в значение температуры. Датчик RTD (PT1000) может измерять температуру листа в диапазоне от -50 ° C до 50 ° C. Датчик RTD (PT1000) имеет погрешность ± 0,3 ° C. На рисунке 4 показан характерный температурный график датчика PT1000 и разработанный датчик температуры листа. График температурной характеристики был получен с помощью Matlab [5], используя зависимость (1).

-50 ° C ~ 0 ° C : R(t ) = R 0 (1 + At + Bt 2 + C(t - 100) × t 3 ) 0 ° C ~ 50 ° C : R(t ) = R 0 (1 + At + Bt 2 )

(1)

где: A= 3,9083 × 10 ^-3 ° C ^-1 ,

B= -5,775 × 10 ^-7 ° C ^-2 ,

C= -4,183 × 10 ^-12 ° C ^-4

R0 - значение сопротивления в оме при 0 ° C,

T – температура.

Рисунок 4 – Температурный график и внешний вид датчика PT1000

Модуль беспроводной связи (CC2420, Chipcon) представляет собой чип Zigbee 2,4 ГГц, который подходит для построения сетей с низким энергопотреблением и низкой стоимостью. Он использует модуляцию O-QPSK с использованием метода DSSS (Прямой последовательности с расширенным спектром). Он имеет максимальную скорость передачи 250 Кбит / с.

Температура окружающей среды и влажности, а также значения температуры листвы, собранные с помощью датчиков окружающей среды, используются для расчета точки росы. Собранные данные подставляются в формулу точки росы Баренбруга. Это уравнение (2) имеет погрешность ± 0,4 ° C, и оно, справедливо для:

0 ° C < T < 60 ° C  1 % < RH < 100 %0 ° C < Td < 50 ° C

где: T: Температура в градусах Цельсия,

RH: Относительная влажность,

Td: температура точки росы.

Td= b ⋅ α ( T, R H )a - α ( T, R H )

(2)

где: α ( T, R H ) = a ⋅ Tb + T+ ln ( R H / 100 ),

a = 17,27,

b = 237,3 ° C.

На рисунке 5 показана блок-схема предлагаемой автоматической системы контроля конденсации влаги. Сервер вычисляет температуру точки росы и сравнивает ее с температурой листа на основе данных, собранных с датчика. В это время, когда температура точки росы выше, чем температура листа, будет оценено появление благоприятной среды конденсации росы.

Рисунок 5 – Блок-схема автоматической системы контроля конденсации влаги

Предлагаемая система сможет проанализировать атмосферу теплицы и состояние посевов с помощью датчиков и оптимизировать условия роста урожая с упором на условие точки росы. Данная направление исследований, при кажущейся простоте и распространённости, все ещё содержит ряд вопросов, требующие подробного исследования. Например, оптимальное размещение датчиков в реальной теплице, расширение элементов системы автоматического управления, с целью расширения случаев применения системы в различных ситуациях, которые возникают в реальной тепличной среде.

Список используемых источников

Гриценко В.В., Стройков Ю.М., Третьяков Н.Н. Вредители и болезни сельскохозяйственных культур. – М.: ИЦ «Академия», 2008.

Баренбруг А.В. Психометрические и психрометрические диаграммы. 3-е изд. - Кейптаун, Южная Африка, 1974.

Семенов Б. Ю. Микроконтроллеры MSP430: первое знакомство. – М.: Солон-Пресс, 2010.

Шахнович И.В. Современные технологии беспроводной связи. – М.: Техносфера, 2006.

Потемкин В.Г. Введение в MATLAB. – М.: ДИАЛОГ - МИФИ, 2000. -247с.

CC2520 Development Kit User’s Guide [Электронный ресурс]. Систем. требования: Adobe Acrobat Reader. — URL: http://www.ti.com/lit/ug/swru138/swru138.pdf (дата обращения: 10.9.2017).

Код для цитирования: Скопировать