Пояснительная записка к диплому

1.1.4 Стандарт 434/868 МГц

Помимо диапазонов 2,4 и 5 ГГц, в качестве беспроводной среды передачи может использоваться субгигагерцовый диапазон. В отличие от своих старших братьев он обладает такими достоинствами как большая дальность действия, энергоэффективность и меньшая стоимость при разработки различных систем, связанных с безопасностью, домашней автоматизации и устройств промышленной телеметрии.

Увеличенная дальность связи по сравнению с диапазоном 2,4 ГГц субгигагерцовыми системами достигается следующим образом. В диапазоне 434/868 используется более узкая полоса пропускания приемника, благодаря чему чувствительность достигает значений -125 дБм, по сравнению с -102 дБм для 2,4 ГГц. Кроме того, радиоволны субгигагерцового диапазона, когда проходят сквозь препятствия, ослабляются гораздо меньше. Особенно это заметно в железобетонных зданиях. Даже в открытом пространстве ослабление низкочастотного сигнала меньше, поскольку дальность распространения радиоволн прямо пропорциональна длине волны [7, с. 20]. Общие технические характеристики и условия использования устройств беспроводной передачи данных в диапазонах 433/868 МГц приведены в табл.1.1.4.

Таблица 1.1.4 – Условия использования устройств беспроводной передачи данных в диапазонах 433/868 МГц

Обобщим и выделим основные отличительные особенности стандарта

434/868 [4, с. 21].:

1.Скорость передачи гораздо ниже по сравнению с устройствами диапазона 2,4 ГГц;

2.Радиоволны субгигагерцового диапазона 434/868 менее интенсивно затухают при распространении в различных средах и лучше огибают физические препятствия;

3.Огромное разнообразие компонентов. Для любой системы всегда можно подобрать компоненты, которые будут оптимальным образом соответствующие требованиям проекта по цене, степени интеграции, способу монтажа и т. д.;

4.Отсутствие стандартизации. Для любой системы можно выбрать или создать свой способ связи и взаимодействия между устройствами.

1.2 Общие технические требования к проектируемой системе

Проектируемая беспроводная система должна отслеживать и контролировать работу автоматического инкубатора.

Автоматические инкубаторы – это устройства для искусственного выведения птицы из яиц без использования живой наседки. Системы автоматического управления создаются для того, чтобы автоматически, без непосредственного участия человека поддерживать необходимый режим работы различных обслуживаемых этими автоматами объектов. Системы автоматического управления самостоятельно, без вмешательства извне либо поддерживают постоянной, либо изменяют по заранее заданному закону одну или несколько физических величин, характеризующих процессы, происходящие в обслуживаемых объектах, или же сами определяют в зависимости от ряда условий нужный или оптимальный закон управления объектом.

Автоматический инкубатор должен:

1.Выполнять терморегулирующую функцию, т.е. поддерживать нужную температуру внутри инкубатора;

2.Поддерживать нужное значение влажности;

3.Автоматически поворачивать лоток с яйцами по сигналу с таймер. Теперь рассмотрим беспроводную систему контроля и управления.

Проектируемая система должна обеспечивать:

1.Отслеживание в реальном времени значения температуры и влажности внутри инкубатора;

2.Отслеживание дня инкубации и тип закладываемого яйца;

3.Возможность внесения корректив в условия инкубации;

4.Возможность уведомления в случае окончания инкубации, либо нарушения условий инкубации.

1.3 Выбор стандарта для проектируемой системы

На основание всей информации, представленной выше, можно сделать заключение, что на практике разделение между стандартами беспроводной связи носит условный характер. Стандарты перекрываются друг другом и могут конкурировать в одних и тех же проектах. Каждый из рассмотренных стандартов имеет свои преимущества. Однако они не столь серьезны, поэтому часто выбор той или иной технологии беспроводной связи зависит от субъективных предпочтений разработчика или определяется какими-либо внешними специфическими условиями [6, с. 50]:

1.Наличие развитой инфраструктуры. В крупных городах в данный момент существует и активно развивается сеть точек доступа Wi-Fi. Понятно, что в данной ситуации разработчику наиболее целесообразно использовать в своей разработке модули стандарта

Wi-Fi;

2.Наличие высокого уровня стандартизации и широкая поддержка стандарта множеством устройств различных производителей. В этом случае абсолютными лидерами будут являться стандарты Bluetooth

и Wi-Fi;

3.Возможность покрытия беспроводной сетью обширных территорий при сохранении низкого энергопотребления. С этой точки зрения наиболее перспективными являются стандарты ZigBee и 434/868.

В разрабатываемой беспроводной системы управления и контроля сельскохозяйственной техники будет использоваться стандарт Wi-Fi 802.11n с центральной частотой 2,448 ГГц. Выбор аргументируется тем, что беспроводная связь Wi-Fi широко используется и применяется для создания беспроводных сетей промышленного использования (IWLAN). К примеру, промышленная беспроводная связь может использоваться в качестве беспроводного доступа к приборам полевого управления, интерактивного выполнения сервисных операций, обмена данными с аппаратурой, расположенной на подвижных станциях. Такие системы обладают высокой помехоустойчивостью и сами при этом не создают существенных помех для узкополосных радиосигналов. Выбор верхней частоты 2,448 Гц соответствует 6 каналу, который считается оптимальным, поскольку данный канал относится к «неперекрывающимся».

ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

2.1 Требование к оборудованию

Согласно техническому заданию, необходимо подобрать комплектующие для проектируемой беспроводной системы и автоматического инкубатора.

Для поставленных ранее задач приняты следующие решения:

1.Подобрать микроконтроллер, который будет управлять автоматизированной системой;

2.Подобрать элемент нагревания и элемент контроля влажностью;

3.Подобрать элемент, осуществляющий поворот лотка в заданный интервал;

4.Подобрать приемопередатчик;

5.Подобрать маршрутизатор;

6.Разработать алгоритм управления проектируемой системой;

7.Разработать структурную и принципиальную схемы проектируемой системы;

8.Разработать макет проектируемой системы;

9.Отладить программное обеспечение и разработать беспроводной веб-интерфейс.

В качестве компонентов проектируемой системы будут использоваться:

1.Микроконтроллер с достаточной производительностью, малым энергопотреблением и гибкой системой команд;

2.Нагреватель, способный удерживать нужное значение температуры;

3.Диммер для изменения электрической мощности нагревателя;

4.Увлажнитель, способный поддерживать нужное значение влажности;

5.Датчики температуры и влажности с высокой частотой опроса и малой погрешностью;

6.Механизм, способный наклонять лоток с яйцами на 45°;

7.Часы реального времени для учета хронометрических данных;

8.Приемопередатчик, способный принимать и передавать сигнал по стандарту Wi-Fi 802.11n;

9.Маршрутизатор для приема и передачи в обе стороны;

10.Блок питания с входным напряжением 220 В и выходным напряжением 12 В и током не меньше 1 А;

11.Сетевой клиент с оборудованным приемником Wi-Fi.

2.2 Компоненты системы

Для реализации возложенных на систему задач, исходя из соотношения цена/качество, анализа рынка аналогичного оборудования принято решение использовать следующие компоненты:

1. Микроконтроллер ESP32

При выборе микроконтроллера помимо экономической и технической эффективности необходимо руководствоваться следующими соображениями:

1.Время обработки информации;

2.Наличие встроенных ЦАП и АЦП;

3.Возможность программной коррекции;

4.Совместимость с другими модулями;

5.Энергоэффективность;

6.Мощная и гибкая система команд;

7.Достаточно высокий уровень выходного сигнала ЦАП, для дальнейшего его использования без необходимости предварительного усиления.

Этим критерием полностью удовлетворяет микроконтроллер ESP32, специально разработанный для создания IoT-систем. Основные технические характеристики микроконтроллера приведены в табл.2.2.1.

Таблица 2.2.1 – Технические характеристики МК ESP32

2. Нагреватель В качестве нагревателя будет использована лампа накаливания

мощностью 60 Вт. В зависимости от конструкции инкубатора, нагреватель обычно располагается сбоку по периметру инкубатора, либо наверху над

лотками. В данном случае лампа накаливания будет находиться сверху, потому что так достигается наиболее равномерное распределение температуры по площади лотка [15]. Кроме того, при таком расположении будет достигаться и максимальная теплоотдача, ведь теплый воздух не успеет перемешаться с поступающим холодным воздухом через вентиляционные отверстия.

3. Диммер Лампы накаливания имеют недостаток. При включении через нить

накала кратковременно проходит очень большой ток, который в десять раз выше рабочего тока, и лампа накаливания излучает больше тепла. По мере нагревания сопротивление нити накаливания повышается, ток понижается, и лампа накаливания начинает излучать тепло в заявленных значений.

На основе этой информации регулирование температуры методом включения и выключение лампы накаливания нежелательно, поэтому будет использован диммер для плавного регулирования электрической мощности.

Для регулирования яркости света лампы накаливания будет задействован AC Light Dimmer Module. В основе этого диммера лежит схемотехническое исполнение MOC3021, которое представляет из себя оптопару тиристорного типа, состоящую из инфракрасного излучающего диода из арсенида-галлия и кремниевого двунаправленного переключателя, который работает по симисторным принципам. Основные технические характеристики приведены в табл.2.2.2.

Таблица 2.2.2 – Технические характеристики AC Light Dimmer Module

4. Увлажнитель

Вкачестве увлажнителя будет использован ультразвуковой увлажнитель воздуха. Принцип его работы основан на том, что когда на металлическую мембрану попадает вода, то под действием ультразвука она распадается на мельчайшие капли и с помощью вибрации выгоняются наружу.

Вработе будет использован Portable Mini UFO. Основные технические характеристики приведены в табл.2.2.3.

Таблица 2.2.3 – Технические характеристики Portable Mini UFO

5. Датчик температуры и влажности Для корректной работы инкубатора и поддержания заданных значений

температуры и важности, необходимы соответствующие датчики. Проектируемая система работает в нормальных условиях, поэтому

измерения большого перепада температуры не потребуется. На основе этого выберем первый датчик DS18B20.

Датчик DS18B20 выполнен в герметичном исполнение, поэтому ему не страшна влага. Он способен определять температуру окружающей среды в диапазоне от -55 °C до +125 °C. В своем исполнении он имеет встроенный АЦП, поэтому данные передаются в виде цифрового сигнала с 12-битным разрешением по протоколу 1-Wire. Основные технические характеристики DS18B20 приведены в табл.2.2.4.

Таблица 2.2.4 – Технические характеристики DS18B20

В качестве второго датчика возьмем DHT22. Помимо термистора, он имеет емкостной датчик влажности с погрешностью измерения ±2%. Как и DS18B20 на своем борту он имеет АЦП, поэтому данные передаются в виде цифрового сигнала с 8-битным разрешением. Основные технические характеристики DHT22 приведены в табл.2.2.5.

Таблица 2.2.5 – Технические характеристики DHT22

6. Механизм поворота лотка В качестве механизма поворота лотка будет использован сервопривод

MG90S. Основные технические характеристики MG90S приведены в табл.2.2.6.

Таблица 2.2.6 – Технические характеристики MG90S

7. Часы реального времени Для учета хронометрических данных, которые понадобятся в процессе

контроля за днем, будут использованы часы реального времени DS3231. Внутри данного модуля установлен кварцевый генератор и датчик температуры, для компенсации изменения температуры. Кроме того, в схематическом исполнении реализовано внешнее питание от батарейки на 3,3 В. Основные технические характеристики приведены в табл.2.2.7.

Таблица 2.2.7 – Технические характеристики DS3231