CC BY
48АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 621.317
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ АГРОМЕТЕОСТАНЦИИ, ОСНОВАННОЙ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ ARDUINO
Вечерков В.В., младший научный сотрудник;
Абдураимов С.Р., инженер; Дунаева Е.А., кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, ФГБУН «Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Крыма».
Проведен анализ существующих метеостанций от различных производителей, рассмотрены некоторые их недостатки. В качестве альтернативного варианта приведена схема сборки агрометеостанции на базе Arduino с датчиками мониторинга погодных условий. Разработанная метеостанция является более компактной и бюджетной в сравнении с готовыми решениями, существующими на рынке.
Ключевые слова: автоматизированные метеостанции, метеоданные, Arduino, датчики, сельское хозяйство.
DEVELOPMENT OF COMPLEX AGROMETEO STATION BASED ON ARDUINO MICROCONTROLLER
Vecherkov V.V., Junior Researcher;
Abduraimov S.R., Engineer; Dunaieva Ie. A., Candidate of Technical Sciences, Leading Researcher, FSBSI «Research Institute of Agriculture of Crimea».
The analysis of existing weather stations from various manufacturers was carried out, some of their shortcomings were considered. As an alternative, a scheme for assembling an agrometeorological station based on Arduino with weather monitoring sensors is given. The developed weather station is more compact and cost-effective compared to ready-made solutions on the market.
Keywords: automated weather stations, weather data, Arduino, sensors, agriculture.
Введение. Метеостанции в сельском хозяйстве играют важнейшую роль. Доступ к климатическим данным позволяет планировать полевые работы, агротехнологические мероприятия, что способствует повышению эффективности работ, сокращению экономических затрат и повышению урожайности сельскохозяйственных культур. Решением доступности метеорологических данных выступает установка автоматизированных метеостанций в полях.
Наличие доступной как в плане установки на каждом поле, так и в эконо-
105
мическом аспекте, автоматизированной метеостанции для фермеров является одним из инструментов управления сельскохозяйственным производством. В настоящее время, как указывалось ранее [1], точность, сохранность и доступ к информации являются одними из ключевых факторов управления. Различные производители метеостанций предлагают разнообразные способы накопления и передачи метеоданных.
Автоматизированные метеостанции собирают климатические данные и дают прогнозы погоды, изменяющийся в зависимости от текущих показаний датчиков, на ближайшие 3 дня (в некоторых вариациях - на 10 дней). Радиус охвата наблюдений метеостанций за землями при этом составляет 25-30 км на равнинных территориях.
В большинстве своем метеостанции способны хранить в памяти данные за последние 2-3 месяца, после чего постепенно заменяются новыми поступающими данными (например, Sokol-M). При этом, данные параллельно передаются при помощи канала связи GSM на облачный сервер, с которого возможно их скачать путем запроса через сайт. Некоторые готовые решения предлагают выполнять запросы через мобильное приложение. Выполнение таких запросов возможно из любой точки мира и требует лишь наличия Интернет-соединения (например, Meteobot). Как правило, на сайте хранится архив метеоданных за полный период метеонаблюдений. Метеостанции, передающие данные на консоль, подключены через USB-порт к стационарному компьютеру и сохраняют метеоданные в виде txt-файлов непосредственно в памяти компьютера (например, Davis Instruments).
Стоит отметить, что при использовании автоматизированных метеостанций, находящихся в полях и не подключенных к компьютеру, существует риск столкновения с проблемой, когда метеостанция не может передать данные из-за потери сигнала GSM. В основном это связано с установкой метеостанций в локальных зонах, находящихся на значительном расстоянии от вышек связи, либо в низинных участках. Для территории Крыма такие «бессигнальные зоны» характерны не только ввиду географических особенностей. В таких случаях появляется необходимость выезда в поле непосредственно к станции и считывание данных на месте при помощи ноутбука или смартфона путем подключения через специальные переходники (для ноутбука) и через Bluetooth (для смартфона).
Еще одним критическим моментом в вопросе доступности автоматизированных метеостанций является стоимость готовых решений. Цена на стандартные метеостанции с базовым набором датчиков, таких как датчик температуры и влажности воздуха, скорости и направления ветра, атмосферного давления, солнечной радиации, а также осадкомерным ведром начинается от нескольких десятков тысяч рублей. Точность измерений таких метеостанций составляет до 1 % для показаний относительной влажности и до 0,1 °С для показаний температуры воздуха. Осадкомерное ведро предназначено для измерения
106
только жидких осадков [13]. Метеостанции с возможностью подключения беспроводных либо проводных датчиков температуры и влажности почвы (с шагом измерения 10 или 20 см) стоят значительно дороже и цены начинаются от 65 000 рублей [6] и могут доходить до нескольких сотен тысяч рублей [7; 9; 11]. Точность измерений в них составляет: от 0,1 °С (Meteobot® Pro) до 0,6 °С (WatchDog 2700) для показаний температуры воздуха и почвы; от 1 % (Sokol-M) до 3 % для показаний относительной влажности воздуха; от 0,20 л/м2 (Davis Vantage Pro 2) до 0,25 л/м2 для осадков; до 0,5 м/с для показаний скорости ветра. При этом, в различных вариациях могут измеряться как только жидкие осадки (например, Sokol-M), так и твердые (например, Davis Vantage Pro 2, где предусмотрен подогрев ведра для растопки снега или града). Цены на метеостанции, работающие в условиях отсутствия GSM-сигнала и передающие данные по радиоканалу, с возможностью прогноза заболеваний сельскохозяйственных растений начинаются от 350 000 рублей [10]. Точность измерений метеостанций составляет до 2 % для значений относительной влажности и до 0,1 °С для температуры воздуха.
Точность датчиков на метеостанциях соответствует международным стандартам. Получаемые данные можно использовать при агростаховании (страховании урожая), что соответствует требованиям Всемирной метеорологической организации [14].
Анализ современных источников показывает, что лучшей идеей создания автоматизированных метеостанций является их реализация на базе Arduino с использованием различных контроллеров. На базе Arduino возможно создать простую по своей структуре цифровую метеостанцию, способную решать задачи измерения параметров окружающей среды с помощью датчиков, сохранять, обрабатывать и передавать данные конечному пользователю. Такие метеостанции состоят из стационарного блока и блока выносных датчиков. Стационарный блок основывается на микроконтроллере и содержит блок индикации и вывода данных. Питание блоков осуществляется от аккумуляторных батарей (в зависимости от комплектации это могут быть батарейки тира АА или кроны 9 В) [3;12].
Разработанная в Казанском национальном исследовательском техническом университете портативная метеостанция на Arduino проводит метеорологический мониторинг на землях, используемых под посев сельскохозяйственных культур. Сформированные файлы с данными передаются по радиоканалу Wi-Fi на головной блок для их обработки [5]. В Вологодской области на сенокосах устанавливают мини-метеостанции на Arduino, т.к. сервисы погоды не могут предоставить актуальные локальные климатические данные из-за особенностей рельефа, расположенных поблизости лесов и водоемов. Покос травы производится при определенных температуре и влажности воздуха, поэтому внедренные в информационную систему метеостанции, будут способствовать соблюдению технологий заготовки кормов [2]. Таким же образом решили проблему нехватки актуальных данных, только ввиду непостоянства климата, в Индии [16].
107
Ученые из Марокко и Индонезии создали собственные метеостанции на базе Arduino со встроенными и беспроводными датчиками с целью мониторинга климата на сельскохозяйственных землях. Определяемые значения удаленно по радиоканалу передаются в приложение, где выводятся в виде графиков для удобства их интерпретации и сохраняются в базу данных метеорологических параметров [15;18]. Подобная метеостанция, ввиду ее бюджетности и компактности, была разработана для мониторинга и поддержания микроклимата в тепличных комплексах. Передача данных дистанционно основана посредством канала Bluetooth. Считывание показаний возможно, как с компьютера, так и со смартфона [8].
Иванченко Г.С. и Колобанов Р.В. разработали метеостанцию на микроконтроллере Arduino Mega, способном хранить и обрабатывать получаемые данные в памяти модуля SD-карты. Последующая передача данных осуществляется путем SMS-рассылок пользователю. Такое разработанное решение делает метеостанцию более мобильной и позволяет устанавливать ее на значительном расстоянии от базы [4]. Метеостанции с подобным функционалом размещены на сельскохозяйственных землях нигерийского штата Ошун и призваны восполнить нехватку климатических данных в регионе [17].
Цель статьи - создать комплексную метеостанцию на базе Arduino, работающую автономно и являющуюся экономически выгодной для сельскохозяйственных товаропроизводителей. Созданная метеостанция должна содержать стандартный набор датчиков, способных удовлетворить потребности фермеров в базовых климатических данных, и быть бюджетным вариантом уже имеющихся на рынке готовых решений.
Материалы и методы исследований. Метеостанция построена на микроконтроллере Arduino UNO R3, наиболее популярной плате для подобных целей, в качестве программатора, и состоит из двух основных частей - внутреннего и наружного блоков. Наружный блок состоит из набора датчиков и основан на контроллере ATmega 328P. Внутренний блок также основан на ATmega 328P и принимает информацию и отображает ее на ЖК-дисплее. Питание обоих блоков происходит за счет аккумуляторов 9 В (кроны). Метеостанция отвечает требованиям минимализма и в то же время является функциональной.
Плата Arduino UNO R3 выбрана в качестве базы, т.к. она довольно простая в использовании для задач программирования и более энергосберегающая относительно аналогов. Ее основные характеристики:
- рабочее напряжение - 5 В;
- цифровые входы/выходы - 14;
- аналоговые входы - 6;
- flash-память - 32 кб;
- тактовая частота - 16 МГц.
В качестве приемника входящих сигналов на базе установлен модуль связи LoRa Ra-01, модуль беспроводной передачи данных, основанный на приемопередатчике SEMTECH SX1278. Процессор с CRC до 256 байт. Он использует
108
технологию расширенного спектра LoRa с расстоянием связи 10 000 метров. Программируемая скорость передачи до 300 Кбит /сек. Обладает высокой помехоустойчивостью и имеет низкое энергопотребление. Для отображения входящей информации применяется ЖК-дисплей LCD1602A. Символьный дисплей способен отображать одновременно до 80 символов (20 столбцов, 4 строки). Подключение к Arduino осуществляется по синхронному 8-битному параллельному интерфейсу. Контроллер: HD44780. Напряжение питания 5 В. Кнопки на дисплее позволяют переключаться между различными типами принятых данных.
Наружный (выносной) блок, как указывалось выше, основан на контроллере ATmega 328P и включает в себя датчик температуры и влажности DHT11, датчик атмосферного давления BMP280, датчик дождя на LM393, датчик освещенности на LM393, датчик влажности почвы с кабелем. Сформированные пакеты данных на отправляются на базу посредством модуля-передатчика LoRa Ra-01. Для предотвращения негативного воздействия окружающей среды на наружный блок собрана защитная конструкция из пластмассовых и деревянных материалов.
Результаты и обсуждения. Собранная метеостанция подключена к компьютеру посредством порта USB. Для стабильной работы связи на ПК установлен драйвер USB-UART преобразователя на чипе CH340. Структура метеостанции с подключенными датчиками приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структура метеостанции на Arduino
Схема подключения датчиков (распиновка) приведена на рисунке 2.
Для настройки и написания программ (скетчей) для контроллера Arduino использована среда программирования Arduino IDE. В ней контроллер перепрограммирован в рабочий формат и сформированы управляющие команды. Благодаря этому блоки работают на одинаковых частотах и контроллер может «опрашивать» подключенные датчики.
109
Ж
0 0
J L ^ f
2 <
> с
Р <
> i
> i
5 с
\\ У
V
Ж [Ö
FC-28
О
vtcec saso* к в sdd
_ 1 ;
И 00 GND VC С
I
О о
GY-302
Ж GM SCL Ш*
V
IAHT d a: ъ cm
2 END J IE
] 1« * №1
i RESO > Б MOS)
innn 12 5(K
й CHI С л аш
7 0T2 га 13 DIOi
а 0H3 £ 1 DGIi
«□уг^^^^оо üüüqüqoü ^.ggüüüOt ii i AA
Arduino
UNO Rev 3
a
Ш„ . ou
iujC^ AA «л
99z w
tm
oqqqsi
ИТ i- -t Iii аз ь а. PO
АО pi
AI РЗ
A2 PI
SCI Pt
SDA PS
и rt
M P7
Рисунок 2. Схема подключения датчиков
Для настройки и написания программ (скетчей) для контроллера Arduino использована среда программирования Arduino IDE. В ней контроллер перепрограммирован в рабочий формат и сформированы управляющие команды. Благодаря этому блоки работают на одинаковых частотах и контроллер может «опрашивать» подключенные датчики.
Для хранения и визуализации данных используется простая Web-платформа. Создана она при помощи библиотеки Arduino Ethernet с расширением Arduino Ethernet Shield. Отображение данных на платформе осуществлено при помощи нескольких строк кода, по типу: float curHum = 0.0;
for (int i = 0; i < COUNT_MEASURE; i++) { curTemp = curTemp + dht.readTemperature(); curHum = curTemp + dht.readHumidity(); curHum = curHum + dht.readHumidity(); delay(50);
}
dhtData.temperature = round( curTemp / COUNT_MEASURE ); Точность измерений датчика температуры и влажности DHT11 составляет 2 % для температуры и 5 % для влажности; датчика атмосферного давления
110
BMP280 - до 0,16 Па.
Выводы. Создана автономная метеостанция на базе Arduino и контроллерах ATmega 328P в виде двух блоков - внутреннего (база) и наружного (выносной), подпитываемых аккумуляторами 9 В. Для получения метеоданных подключены датчик температуры и влажности DHT11, датчик атмосферного давления BMP280, датчик дождя на LM393, датчик освещенности на LM393, а также датчик влажности почвы с кабелем - для получения значений содержания влаги в почве. Собранная метеостанция является довольно компактной и, что более важно, бюджетной (относительно готовых решений от производителей) - стоимость сборки составила около 10 000 рублей вместе с расходными материалами. При положительных показателях работы станции в полевых условиях планируется сборка подобных станций с увеличением их функционала для создания сети мониторинга климатических данных с возможностью их реализации для нужд сельского хозяйства, тем самым удовлетворяя спрос на метеоданные сельхозтоваропроизводителей.
Список использованных источников:
1. Баденко В.Л. и др. Оценка продуктивности агроландшафтов в региональном масштабе на основе интеграции имитационной модели агроэкосистемы и ГИС // Таврический вестник аграрной науки. - Симферополь, 2019. - № 3. - С. 18-30.
2. Гайдидей С.В. Разработка конструкции мини-метеостанции // Наука сегодня: теория и практика. - Уфа,
2020. - С. 7-9.
3. Гороховатенко Е.С., Блажко-ва Е.Н. Разработка цифровой метеостанции на базе Arduino с измерением геомагнитного поля // Вестник молодёжной науки России. - Калининград,
2021. - № 1. - С. 3.
4. Иванченко Г.С. Мобильная метеостанция // Школа Науки. - Москва, 2020. - № 12. - С. 22-25.
5. Майоров А.А. и др. Разработка структурной схемы портативной метеостанции для нужд сельского хозяйства // XXIII туполевские чтения (школа молодых ученых). - Казань,
References:
1. Badenko V.L. Evaluation of the productivity of agricultural landscapes on a regional scale based on the integration of an agroecosystem simulation model and GIS // Tauride Bulletin of Agrarian Science. - Simferopol, 2019. - № 3. -P. 18-30.
2. Gaididey S.V. Development of the design of a mini-weather station // Science today: theory and practice. -Ufa, 2020. - P. 7-9.
3. Gorokhovatenko E.S., Blazhkova E.N. Development of a digital weather station based on Arduino with the measurement of the geomagnetic field // Bulletin of youth science of Russia. -Kaliningrad, 2021. - № 1. - P. 3.
4. Ivanchenko G.S. Mobile weather station // School of Science. - Moscow, 2020. - № 12. - P. 22-25.
5. Mayorov A.A. et al. Development of a block diagram of a portable weather station for the needs of agriculture // XXIII Tupolev Readings (School of Young Scientists). - Kazan, 2017. -
111
2017. - С. 71-73.
6. Метеостанция Meteobot® Pro [Электронный ресурс] URL: https:// meteobot.com/ru/meteostancii/.
7. Метеостанция Sokol-M [Электронный ресурс] URL: https:// sokolmeteo.ru/catalog/.
8. Николаенко С. А. и др. Метеостанция в тепличных условиях на базе ARDUINOUNO // Colloquium-journal. - Москва, 2018. - № 13-7. - С. 21-23.
9. Профессиональные метеостанции Davis Instruments [Электронный ресурс] URL: https://davis-meteo.ru/ meteostantsiya-professionalnaya-davis-instruments/.
10. Профессиональные Метеостанции SIAP [Электронный ресурс] URL: https://agroserver.ru/b/ professionalnye-meteostantsii-siap-italiya-755131.htm.
11. Станция WatchDog 2700 [Электронный ресурс] URL: https:// propribory.ru/product/6827?c=360.
12. Столяренко А.С. Цифровая метеостанция на основе микроконтроллера arduino // Техническое творчество молодежи. - Москва, 2018. -№4. - С. 34-37.
13. Техническое описание базовой станции KaipoMini [Электронный ресурс] URL: https://kaipos.ltd/ kaipomini/.
14. Толмачева Н.И. Методы и средства гидрометеорологических измерений (для метеорологов): учеб. пособие. - Пермь: Пермский университет, 2011. - 223 с.
15. Mabrouki J. IoT-based data logger for weather monitoring using arduino-based wireless sensor networks with remote graphical application and
P. 71-73.
6. Meteobot® Pro weather station [electronic resource] URL: https:// meteobot.com/ru/meteostancii/.
7. Sokol-M weather station [electronic resource] URL: https:// sokolmeteo.ru/catalog/.
8. Nikolaenko S. A. et al. Weather station in greenhouse conditions based on ARDUINOUNO // Colloquium-journal. - Moscow, 2018. - № 13-7. -P. 21-23.
9. Professional weather stations Davis Instruments [electronic resource] URL: https://davis-meteo.ru/ meteostantsiya-professionalnaya-davis-instruments/.
10. Professional Weather Stations SIAP [electronic resource] URL: https://agroserver.ru/b/professionalnye-meteostantsii-siap-italiya-755131.htm.
11. Station WatchDog 2700 [electronic resource] URL: https:// propribory.ru/product/6827?c=360.
12. Stolyarenko A.S. Digital weather station based on the arduino microcontroller // Technical creativity of youth. - Moscow,2018.- №4. - P. 34-37.
13. Technical description of the KaipoMini base station [electronic resource] URL: https://kaipos.ltd/ kaipomini/.
14. Tolmacheva N.I. Methods and means of hydrometeorological measurements (for meteorologists): training manual. - Perm: Perm University, 2011. - 223 p.
15. Mabrouki J. IoT-based data logger for weather monitoring using arduino-based wireless sensor networks with remote graphical application and alerts // Big Data Mining and Analytics.
112
alerts // Big Data Mining and Analytics. - 2021. - V. 4. - № 1. - PP. 25-32.
16. Math R. K. M. IoT Based low-cost weather station and monitoring system for precision agriculture in India // 2018 2nd international conference on I-SMAC (IoT in social, mobile, analytics and cloud). - 2018. - PP. 81-86.
17. Osinowo M. O. Preliminary results of measurements obtained from a low-cost arduino-based surface weather data acquisition system for radio meteorology // Journal of Physics: Conference Series. - 2021. - V. 2034. -№ 1. - P. 012005.
18. Sidqi R. Arduino based weather monitoring telemetry system using NRF24L01+ // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. -2018. - V. 336. - № 1. - P. 012024.
- 2021. - V. 4. - № 1. - PP. 25-32.
16. Math R. K. M. IoT Based low-cost weather station and monitoring system for precision agriculture in India // 2018 2nd international conference on I-SMAC (IoT in social, mobile, analytics and cloud). - 2018. - PP. 81-86.
17. Osinowo M. O. Preliminary results of measurements obtained from a low-cost arduino-based surface weather data acquisition system for radio meteorology // Journal of Physics: Conference Series. - 2021. - V. 2034. - № 1. - P. 012005.
18. Sidqi R. Arduino based weather monitoring telemetry system using NRF24L01+ // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. -2018. - V. 336. - № 1. - P. 012024.
Сведения об авторах:
Вечерков Валентин Валериевич - младший научный сотрудник отдела Цифрового мониторинга и моделирования агроэкосистем ФГБУН «Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Крыма», e-mail: v.valenteen11@yandex.ru, 295043, Республика Крым, г. Симферополь, ул. Киевская, д.150;
Абдураимов Сервер Ремзиевич -инженер отдела Цифрового мониторинга и моделирования агроэкосистем ФГБУН «Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Крыма», e-mail: AServer1617@gmail.com, 295043, Республика Крым, г. Симферополь, ул. Киевская, д.150;
Дунаева Елизавета Андреевна -
Information about the authors:
Vecherkov Valentin Valerievich -Junior Researcher of the Department of Digital Monitoring and Modeling of Agroecosystems FSBSI «Research Institute of Agriculture of Crimea», e-mail: v.valenteen11@yandex.ru, Kievskaya st., 150, Simferopol, Republic of Crimea, 295043, Russia;
Abduraimov Server Remzievich - Engineer of the Department of Digital Monitoring and Modeling of Agroecosystems FSBSI «Research Institute of Agriculture of Crimea», e-mail: AServer1617@gmail.com, Kievskaya st., 150, Simferopol, Republic of Crimea, 295043, Russia;
Dunaieva Ielizaveta Andreevna -Candidate of Technical Sciences,
113
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, заместитель директора по научно-инвестиционной и технологической деятельности, заведующая отделом Цифрового мониторинга и моделирования агроэкосистем ФГБУН «Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Крыма», e-mail: dunaeva_e@niishk.site, 295043, Республика Крым, г. Симферополь, ул. Киевская, д.150.
Leading Researcher, Deputy Director for Research, Investment and Technological Activities, Head of the Department of Digital Monitoring and Modeling of Agroecosystems FSBSI «Research Institute of Agriculture of Crimea», e-mail: dunaeva_e@niishk. site,Kievskaya st., 150, Simferopol, Republic of Crimea, 295043, Russia.
114
