1.6.2. Архитектура системы

Архитектура разрабатываемой системы имеет два уровня: нижний – подсистема управления (датчики, микроконтроллер, исполнительные механизмы и оборудование) и верхний – пост оператора (персональный компьютер). Связь между уровнями осуществляется по интерфейсу RS-485. Реализация алгоритмов управления осуществляется с помощью автоматизированного модуля верхнего уровня (например, SCADA-система TRACE MODE), который также отвечает за интерфейс на посту оператора.

1.7. Экономическая обоснованность проекта

Вид	Единица измерения	Стоимость	Количество	Сумма
Датчик влажности воздуха	шт	940	25	23500
Датчик расхода воды на распыление	шт	35000	2	70000
Микроконтроллер	шт	450	1	450
Аналого-цифровой преобразователь	шт	31000	1	31000
Цифро-аналоговый преобразователь	шт	8000	1	8000
Миниспринклер	шт	35	40	1400
Всего			70	133 450

Таким образом, установка автоматизированных средств в данной теплице довольно затратно, но в итоге происходит увеличение роста продукции и экономически выгодно для предприятия в целом.

2.Проектная часть

2.1. Изготовление системы измерения влажности почвы

В современном сельском хозяйстве при выращивании растений с использованием автоматизированных систем полива, где количество полива растений очень важно и влияет на урожайность используют датчики влажности почвы. Эти датчики дают наиболее точную информацию о количестве влаги у корневой системы растений. Газон на даче конечно не заслуживает такого пристального внимания, тем более что в разных местах участка в зависимости от освещенности солнцем в течение дня, а также рельефа могут быть разная влажность. Однако, почему бы не попробовать применить датчики влажности для определения влажности почвы, чтобы иметь дополнительную информацию при включении автополива. Можно также использовать данную технологию и для других изощренных задач, типа мониторинг влажности почвы у стен подвала или грунтового пола в погребе. Описание недорогого способа изготовление системы измерения влажности почвы для 1-wire сетей описано в книге «Weather Toys». Один из способов определения влажности среды – это измерение ее электрического сопротивления. То есть в простейшем варианте для определения влажности почвы нам достаточно воткнуть в почву два электрода и замерить сопротивление между ними. Однако, полученные данные будут сильно разниться в зависимости от наличия солей и минералов в почве. В качестве простейшего решения используется гипсовый датчик влажности почвы, который представляет из себя гипсовый цилиндр с двумя электродами внутри. Гипсовый датчик дает стабильные показатели сопротивления зависящие от влажности среди и независящие от наличия в ней солей.

Изготовление датчика

Для изготовления датчика понадобится гипс, кабель медный ВВГ 2х1,5 и сердечник от туалетной бумаги. Провода в кабеле зачищаем от изоляции на 2 см и располагаем между собой на расстояние 1,5 -2,0 см. Сердечник от туалетной бумаги обрезаем на 5 см по высоте, вставляем внутрь зачищенные концы кабеля, так чтобы они расположились посредине и заливаем гипс. Пока гипс сохнет, надо жестко зафиксировать кабель. Если вы хотите сделать несколько датчиков, то желательно чтобы длина зачищенных концов и расстояние между ними были одинаковыми, чтобы они выдавали одинаковые показатели в одинаковых условиях. Для этого можно сделать пластиковые фиксаторы по 2 см с помощью которых можно зафиксировать расстояние между проводами.

Паяем электронику

Измерить сопротивление в гипсовом блоке на самом деле не так просто, как кажется. Если подать постоянный ток на электроды в соленой воде, то как известно начнется химическая реакция. Тоже происходит в гипсовом датчике и он через некоторое время начинает показывать неправильные результаты. Поэтому нужен переменный ток. Схема ниже представляет собой преобразователь частоты в вольты где частота зависит от уровня влажности. U1 – простой осциллятор. Сопротивление гипсового датчика определяет частоту осциллятора. Больше влаги в датчике – меньше сопротивление. Меньшее сопротивление позволяет С4 заряжаться быстрее повышая частоту. И наоборот. Чем меньше влаги в датчике, тем больше сопротивление и частота меньше. Гипсовый датчик защищен от любого постоянного тока конденсаторами С5 и С6. Для преобразования частоты в вольтаж, который может быть измерен в сети 1-wire измеряется ток осциллятора. Как и во многих CMOS ток пропорционален «активности» в цепи, которая в данном случае выражается в частоте. Большая частота – больший ток. Ток преобразуется в вольтаж через резистор R2. U2 – это микросхема мониторинга заряда батареи DS2760. В нашем случае он используется только как АЦП. Перепады вольтажа измеряются через резистор R2 и преобразовываются в микросхеме в значения, которые можно прочитать по сети 1-wire. Данная схема не работает на паразитном питании, и на нее нужно подавать отдельно от 7V до 18V как показано на рис.2

Рисунок 2- Подключение датчика к системе, калибровка

Здесь надо уже вам написать, как все это подключить к OWS. Основные мысли: Читаем показатели с DS2706. В данной реализации они всегда будут отрицательными в диапазоне от -2,56 вольт до 0. То есть для преобразования в проценты используем выражение dblMoisture = ((dblMoisure - MOIS_OFFSET) * MOIS_COEFF)/(-2.56)*100 Две константы используем при калибровке. Рекомендуется калибровка: 1. Снимаем гипсовый датчик. Это эмулирует состояние «0%-сухо». Снимаем показания вольт, преобразуем в проценты и присваиваем константе MOIS_OFFSET 2. Замыкаем вывода на датчик перемычкой. Это эмулирует состояние «100%-влажно». Делим 2,56 на полученное значение (по модулю) и записываем в константу MOIS_COEFF.

Установка датчика.

Обычно датчик влажности почвы устанавливается на глубине от 5 до 40 см от уровня земли в зависимости от растений, которые мы поливаем. В случае газона, глубже 5-10 см закапывать его не имеет смысла. Перед закапыванием в землю необходимо «замачивать» датчик. Для этого на ночь его погружают в чашку с обычной водой. При помещении датчика в землю также рекомендуется обильно полить почву вокруг, чтобы она была кашеобразной и плотно утрамбовать вокруг датчика. Цель данных манипуляций – обеспечить полный контакт датчика с почвой и исключить пустоты. Через несколько 2-3 дня датчик начнет выдавать правильные стабильные данные о влажности почвы на вашем участке. Некоторые замечания Гипс – достаточно нежный материал, и достаточно быстро разрушается. Нужно помнить что гипсовый датчик влажности, если его не выкапывать на зиму прослужит не более 2-х лет. Поэтому необходимо периодически их менять. Также очень не рекомендуется закапывать датчик влажности близко к контурам заземления вашего дома и контурам молниеотводов.

Передаточная функция ОУ определяется следующим выражением:

_где .

Y₁(t) – сигнал с датчика для регулируемой переменной ОУ;

Y₂(t) – сигнал с датчика по каналу контроля.

_{Расчёт параметров настройки регулятора}

_{Исходя из особенностей разрабатываемой системы, к которой предъявляется требование повышенной точности отработки заданных воздействий, регулятор должен реализовать пропорционально-интегральный закон управления. Параметры ПИ-регулятора определяются требованиями к качеству переходного процесса:}

_{нулевая статическая ошибка;}

_{величина перерегулирования не более 5%;}

_{длительность переходного процесса не более постоянной времени ОУ.}

_{С помощью моделирования системы в пакете Simulink определяем параметры настройки регулятора (см. табл.1).}

Таблица 1. Параметры дискретного ПИД регулятора.

Параметр	Значение
	0,3
	560