CC BY
232
Мухаметзянов Э. В. Mukhametzyanov Е. V.
кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры «Общенаучные дисциплины», ФГБОУВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», филиал в г. Салават, г. Салават, Российская Федерация
УДК 654.9
Родионов А. С. Rodionov А. S.
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Общенаучные дисциплины», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», филиал в г. Салават, г. Салават, Российская Федерация
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА И АНАЛИЗА СОСТОЯНИЯ УЛЬЕВ НА ПАСЕКЕ
В статье рассматривается разработка многоканального цифрового регистрационного комплекса для мониторинга состояния пчелосемей, который облегчит и систематизирует работы, производимые пчеловодом на пасеке. Разработанный регистрационный комплекс состоит из таких элементов, как wi-fi модуль ESP 8266, который осуществляет сбор информации с датчиков веса, влажности и температуры и передачу на микрокомпьютер пасеки, в качестве которого выступает микрокомпьютер Raspberry Pi. Передача данных осуществляется методом Get запросов к серверу, установленному на микрокомпьютере, где данные обрабатываются и записываются в базу данных sqlite3. Данный многоканальный комплекс кроме пчеловодства может быть использован для удаленного предоставления производственной информации по запросу пользователя, в волоконно-оптических системах учета, мониторинга и прогнозирования работы высоковольтного оборудования, для управления и автоматизации и в диагностике других производственных процессов.
Ключевые слова: ESP 8266, регистрационный комплекс, автоматизация пчеловодства, тензодатчики, датчик температуры, контроль состояния улья.
AUTOMATED SYSTEM MONITORING AND ANALYSIS OF THE STATUS OF THE HIVES IN THE APIARY
The article discusses the development of multi-channel digital registration systems for monitoring the state of bee colonies which will facilitate and sistematizе work produced by the beekeeper in the apiary. Designed registration the complex consists of items such as wi-fi ESP 8266 module, which collects information from weight sensors, temperature and humidity and transfer to the apiary microcomputer which is a microcomputer the Raspberry Pi. Data transmission is done with the Get method requests to the server installed on the microcomputer where the data is processed and written to the database sqlite3. This multi-channel complex in addition to beekeeping can be used to remotely provide production information for a user's query, fiber-optic systems of accounting, monitoring and forecasting of work of high voltage equipment, for the control and automation and in the diagnosis of other manufacturing processes.
Key words: ESP 8266, registration complex, automation of beekeeping, strain gauges, temperature sensor, control the state of the hive.
Data PROCESSiNG FACiUTiES AND SYSTEMS
Процесс пчеловодства на сегодняшний день мало автоматизирован, по-прежнему надо наблюдать за каждым ульем вручную, чтобы предупредить ослабление семьи, роение и прочее.
Диагностика состояния ульев производится на основе достаточно разнородной информации: температура, уровень шума, влажность, вес и т.д. Оценка описанных параметров на сегодняшний день производится непосредственно самим пчеловодом. Причем такой подход имеет ряд недостатков: сложность контроля пасеки; сложность сбора статистики и предоставление результатов в удобном для анализа виде, например в виде графика с возможностью делать срезы по различным параметрам; значительные затраты времени на сбор этой статистики. Автоматизация данных процессов позволит пчеловоду проводить более эффективное управление пасекой.
Многоканальный цифровой регистрационный комплекс относится к системам сбора, обработки и передачи информации и может
быть использован в пчеловодстве на индивидуальных и коллективных пасеках. Устройство для контроля состояния пчелиных семей и процесса сбора меда в улье содержит размещенные в улье датчики температуры, уровня влажности и акустического шума, тензодатчики для контроля веса улья, подключенные к wi-fi модулю с микроконтроллером.
Данный многоканальный комплекс кроме пчеловодства может быть использован для удаленного предоставления производственной информации по запросу пользователя [1], в волоконно-оптических системах учета, мониторинга и прогнозирования работы высоковольтного оборудования [2], для управления и автоматизации [3, 4] и в диагностике других производственных процессов.
На рисунке 1 приведена блок-схема предлагаемого многоканального цифрового регистрационного комплекса «Устройство для контроля состояния пчелиных семей и процесса сбора меда», который содержит раз-
Рисунок 1. Регистрационный комплекс мониторинга, сохранения и аналитико-статистической обработки данных о состоянии пчелосемей и процессе медосбора
мещенные в улье 1 датчики: температуры 2, веса улья 8, влажности 6, акустических сигналов 7, подключенные к входу wi-fi модуля 3, данные с которого могут быть переданы непосредственно на мобильный телефон пасечника, на котором установлено программное обеспечение, или на микрокомпьютер пасеки 4 для сбора и дальнейшей передачи в единую базу данных 5.
Регистрационный комплекс мониторинга, сохранения и аналитико-статистической обработки данных о состоянии пчелосемей и процессе медосбора работает следующим образом.
— Производится контроль через определенные промежутки времени следующих параметров:
1. датчик температуры 2 измеряет температуру воздуха в районе рамок улья;
2. датчик веса улья 8 измеряет вес улья в процессах развития пчелосемьи и сбора меда;
3. датчик акустических сигналов 7 фиксирует уровень акустического шума в улье;
4. датчик влажности 6 фиксирует уровень влажности в улье.
— Данные о температуре воздуха в районе рамок улья, весе улья и уровне акустического шума и влажности в улье передаются через wi-fi модуль 3, смартфон пчеловода на базе android или на микрокомпьютер пасеки, где накапливаются и обрабатываются для дальнейшей передачи в единую базу данных. Аналогично фиксируется температура наружного воздуха, измеряемая датчиком температуры наружного воздуха.
Регистрационный комплекс позволяет следить за жизнедеятельностью пчелиной семьи, а также анализировать влияние погодных условий на процесс сбора меда.
В экстренной ситуации, например, при скачкообразном уменьшении веса улья или резком возрастании акустического шума, что может свидетельствовать о попытке хищения меда, через wi-fi модуль 3 передается информация о вскрытии улья.
Контроль состояния пчелиных семей и процесса сбора меда осуществляется на каждом улье пасеки.
Многоканальный регистрационный комплекс обеспечивает дистанционный контроль состояния пчелиной семьи и процесса сбора меда.
В качестве wi-fi модуля был выбран микроконтроллер ESP8266, разработанный компанией Espressif Systems.
Анализ разных способов программирования ESP8266 с учетом возможности расширения и создания собственных алгоритмов работы [5] показал, что оптимальной средой программирования ESP8266 в данном случае является Arduino IDE.
Для организации работы многоканального цифрового регистрационного комплекса к ESP-модулю подключены датчики температуры, веса, влажности и акустических сигналов.
Рассмотрим подробнее эти датчики и схемы их подключения к ESP-модулю.
В качестве датчика температуры используется датчик DS18B20 — это цифровой измеритель температуры. DS18B20 обменивается данными с микроконтроллером по однопроводной линии связи, используя протокол интерфейса 1-Wire. Диапазон измерения температуры составляет от минус 55 °C до 125 °C. Для диапазона от минус 10 °C до 85 °C погрешность не превышает 0,5 °C.
У каждой микросхемы DS18B20 есть уникальный серийный код длиной 64 разряда, который позволяет нескольким датчикам подключаться к одной общей линии связи, т.е. через один порт микроконтроллера можно обмениваться данными с несколькими датчиками, распределенными на значительном расстоянии. Режим позволяет подключать несколько датчиков и крайне удобен для мониторинга температуры в нескольких зонах улья.
Датчик имеет следующие выводы: GND — общий провод или по-другому земля подключается к пину ESP-модуля с таким же названием, DQ — с этого вывода считыва-ются данные, он может быть подключен к одному из пинов GPIO ESP-модуля, информация с которого в дальнейшем будет считы-ваться программой, VDD - питание. Питание может быть использовано внешнее, но в
Data processing facilmes and systems
нашем случае питание берется из вывода 3^ ESP-модуля.
Для измерения веса использовались тен-зодатчики давления, которые помогают преобразовать уровень деформации в электрические сигналы. В нашем случае использовались четыре тензодатчика, соединенные мостовой схемой. Тензодатчики, соединенные мостовой схемой, работают следующим образом: на выводы Е- и Е+ подается напряжение, показания о весе получаются из анализа напряжения на выводах S- и S+, которое меняется в зависимости от давления, оказываемого на датчики.
При подключении тензодатчиков к Е$Р-модулю используется НХ711 модуль, 24-битный АЦП с усилителем.
АЦП НХ711 имеет два разъема: для подключения к тензодатчикам и для подключения к контроллеру с подачей питания:
— разъем, обозначенный на плате Л, используется для подключения тензодатчиков. Обозначение контактов: Е+, Е- (питание тензодатчиков); А-, А+ (канал А); В-, В+ (канал В);
— разъем, обозначенный на плате !Р2, используется для подключения к контроллеру и для подачи питания. Обозначение контактов: VCC (напряжение питания), GND (общий контакт), DT (данные), БСК (частота) — интерфейс ПС (12С).
АЦП НХ711 может питаться как от контроллера, так и от внешнего источника питания. Напряжение питания 2,6-5,5 вольт постоянного тока.
Показания влажности определяются датчиком БНТ22.
Датчик DHT11 и его собратья DHT21, DHT22, АМ2301, АМ2302 измеряют относительную влажность воздуха и температуру.
Список литературы
1. Левина Т.М., Бажанова Т.В. Удаленное предоставление производственной информации по запросу пользователя // Сб. тез. докл. VI науч.-техн. конф. молодых специалистов ООО «БашНИПИнефть». 2016. С. 115-116.
2. Ураксеев М.А., Левина Т.М., Шамаев Ф.Ф., Кулябин А.С. Разработка
Датчики достаточно точные и дешевые, имеют цифровой выход.
Для регистрации уровня шума использован модуль микрофона AVR PIC KY-037 высокой чувствительности
В качестве центрального микрокомпьютера был выбран Raspberry Pi 3 B — одноплатный компьютер размером с банковскую карту [6].
Программный комплекс для центрального микрокомпьютера включает в себя сервер lighttpd с PHP5, необходимый для работы с базой данных на sqlite3. Программный комплекс «Пасечный учет» представляет собой базу данных SQLite с программной оболочкой на PHP [7] для редактирования и внесения изменений.
Регистрация данных с датчиков осуществляется следующим образом: ESP-модуль три раза в день принимает данные с датчиков и отправляет их по беспроводной линии связи на микрокомпьютер, на микрокомпьютере php-скрипт обрабатывает эти данные и заносит в базу данных в таблицу параметры улья. Другие данные в таблицы заносятся непосредственно пчеловодом через web-интерфейс.
Вывод
Многоканальный цифровой регистрационный комплекс позволяет в полной мере получать информацию о состоянии пчелосемей на пасеке, что намного облегчает работу пчеловода на пасеке. Модуль ESP 8266, перепрошиваемый с использованием среды разработки Arduino IDE [8], обеспечивает сбор информации с датчиков и ее отправку по линиям беспроводной связи на микрокомпьютер.
волоконно-оптических систем для учета, мониторинга и прогнозирования работы высоковольтного оборудования в субд с web-интерфейсом // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2015. Т. 11. № 1. С. 97-103.
3. Родионов А.С., Ефимова Д.А. Разработка системы управления промышленными данными // Естественные и математические
науки в современном мире. 2015. № 36-37. С. 41-46.
4. Родионов А.С., Юсупова Л.Р. Автоматизация процесса создания и обработки заявок, связанных с отказом оборудования в нефтегазовых предприятиях // Сб. тез. докл. VI науч.-техн. конф. молодых специалистов ООО «БашНИПИнефть». 2016. С. 133-134.
5. Мухаметзянов Э.В., Насырова Р.Т., Курбангалиев А.М., Исламгулов Р.Р. Применение Wi-Fi ESP8266 в ходе проведения лабораторных работ по физике // Информационные технологии. Проблемы и решения. 2016. № 1 (3). С. 95-98.
6. Петин В. Микрокомпьютеры Raspberry Pi: практическое руководство. СПб.: БХВ-Петербург, 2015. 240 с.
7. Колисниченко Д. PHP и MySQL. Разработка Web-приложений. СПб.: БХВ-Петербург, 2015. 593 с.
8. Соммер У Программирование микроконтроллерных плат Arduino/Freeduino. СПб.: БХВ-Петербург, 2012. 256 с.
References
1. Levina T.M., Bazhanova T.V. Remote Provision of Production Information upon User Request // Collection of Thesis of Reports of VI Scientific-Technical Conference of Young Specialists of OOO «BashNIPIneft». 2016. P. 115-116.
2. Urakseev M.A., Levina T.M., Sha-maev F.F., Kuljabin A.S. Development of Fiber-
Optic Systems for Recording, Monitoring and Forecast of High-Voltage Equipment Operation in DBMS with Web-Interface // Electrical and Data Processing Facilities and Systems. 2015. T. 11. No. 1. P. 97-103.
3. Rodionov A.S., Efimova D.A. Development of Industrial Data Management System // Natural and Mathematical Sciences in the Modern World. 2015. No. 36-37. P. 41-46.
4. Rodionov A.S., Jusupova L.R. Automation of the Process of Creating and Processing Applications Related to Equipment Failure in Oil and Gas Enterprises // Collection of Thesis of Reports of VI Scientific-Technical Conference of Young Specialists of OOO «BashNIPIneft». 2016. P. 133-134.
5. Muhametzjanov Je.V., Nasyrova R.T., Kurbangaliev A.M., Islamgulov R.R. Application of Wi-Fi ESP8266 in the Course of Laboratory Work on Physics // Information Technologies. Problems and Solutions. 2016. No. 1 (3). P. 95-98.
6. Petin V. Microcomputers Raspberry Pi: Practical Guide. Saint-Petersburg: BHV-Peterburg, 2015. 240 p.
7. Kolisnichenko D. PHP and MySQL. Web Application Development. Saint-Petersburg: BHV-Peterburg, 2015. 593 p.
8. Sommer U. Programming of Microcontroller Cards Arduino/Freeduino. Saint-Petersburg: BHV-Peterburg, 2012. 256 p.
