CC BY
15УДК 681.5
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ МОНИТОРИНГА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ С УДАЛЕННЫМ ДОСТУПОМ
Блазий Д. С., ассистент; Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского»
Для мониторинга параметров динамических сред предлагается использовать электронно-вычислительные системы на базе микроконтроллеров типа Arduino. Аппаратно-вычисли-тельная платформа Arduino применена в качестве системы, управляющей по заданному алгоритму с возможностью обработки внешних сигналов.
Ключевые слова: мониторинг параметров динамических сред, система управления по заданному алгоритму, задача обработки текущих и накопленных данных.
ELABORATION OF PROGRAMM-EQUIPMENT MEANS FOR AUTOMATIC MONITORING OF DYNAMICAL SYSTEMS PARAMETERS WITH DISTANT ACCESS
Blasiy D. S., assistant; Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»
To apply an Arduino type microcontroller as an electron-processing system for dynamical systems parameters monitoring is proposed here. Apparat-processing platform Arduino was used as the systemwhich controlled a process under the prescribed algorithm with anexternal signals processing possibility.
Keywords: dynamical environment parameters monitoring, control system under prescribed algorithm, current and accumulated data processing problem.
Введение. Известно, что в процессе функционирования различных динамических систем объекты управления претерпевают различные изменения, что приводит к различного рода отклонениям состояний этих объектов от равновесного. Такие отклонения оказывают влияние на поведение системы в целом. При этом, очевидно, для выработки управлений, приводящих систему в равновесие, важной составляющей является оперативность поступления мониторинговой информации, что, в свою очередь, обуславливает объективность и эффективность таких управленческих решений.
В настоящее время, особую актуальность приобрели автоматизированные методы замера показателей состояний удаленных динамических систем, которые должны обладать определенными характеристиками, а именно, быть объективными, точными и оперативными. Важным показателем здесь является доступность информации в режиме реального времени, оперативность ее получения, что позволяет эффективно анализировать и контролировать
поведение динамической системы, формировать механизм оперативной выработки управлений.
Материал и методы исследований. Для мониторинга параметров динамических сред предлагается использовать электронно-вычислительные системы на базе микроконтроллеров типа Arduino, которые являются аппаратно-вычис-лительными платформами. Данная плата (Arduino) позволяет управлять системой по заданному алгоритму с возможностью обработки внешних сигналов.
Arduino является инструментом для проектирования устройств, взаимодействующих с окружающей физической средой. Удобная среда разработки способствует написанию собственных алгоритмов для обработки сигналов от различных цифровых и аналоговых датчиков, а так же управления различными исполнительными устройствами. Кроме того программное обеспечение Arduino является кроссплатформенным, что позволяет работать под ОС Windows, MacintoshOSX и Linux. Заметим, что большинство микроконтроллеров ограничивается ОС Windows. Программное обеспечение является открытым исходным кодом, что позволяет его расширять под нужды исследования.
Модули Arduino основаны на микросхеме atmelAVR и имеют интегрированную среду разработки (IDE) на языке Wiring, легко программируются через USB-порт либо СОМ-порт при помощи бесплатного программного обеспечения. В микроконтроллер записан загрузчик, осуществляющий запись в программную память микроконтроллера программ без использования специального программатора. Таким образом, сфера применения платы довольно широка и её возможности можно использовать для мониторинга и автоматизации различных процессов.
Платы Arduino имеют ряд цифровых и аналоговых каналов ввода/вывода. Часть из них позволяет генерировать волну с заданной шириной импульса (ШИМ-сигнал), что расширяет возможности, к примеру, при управлении скоростью электродвигателя. Кроме того Arduino за счет микроконтроллера Atmega имеет 6-ти канальный аналого-цифровой преобразователь на 10 бит. Таким образом, имеет место возможность на выходах манипулировать значениями от 0 до 1023, что эквивалентно от 0 до 5 V. Так же на множестве платформ доступны интерфейсы UART, SPI, I2C.
К Arduino возможно подключать различные сенсоры. Данные устройства способны измерять определенные физические величины или реагировать на физические явления и поставлять информацию об этом в виде электрического сигнала.
Результаты и обсуждение. Основным применением аналоговых входов/выходов большинства платформ Arduino является чтение сигналов аналоговых датчиков, которые позволяют проводить мониторинг показателей динамической среды.
Датчики различаются по типу сигнала. Выделяют три большие группы, те, которые передают сигнал в виде переменного напряжения (аналоговые), в виде последовательности низкого и высокого напряжения (цифровые) и те, что меняют собственное сопротивление.
Датчики различаются по протоколу. Для одних сенсоров измеряемая величина прямо пропорциональна передаваемому напряжению, другие переда-
ют только «да/нет» с помощью двух величин напряжения, третьи передают свои показания в виде последовательности бит. Протокол определяется производителем датчика.
Условно все датчики можно разделить на тактильные (кнопки, клавиатуры, датчик пульса и т. д.), механического воздействия (резистор давления, изгиба, вибрации), положения (определения положения в пространстве, гироскоп и пространства (датчик движения, инфракрасный дальномер), газа (угарный газ, этилен, пропан, пары спирта), климатические (анемометр, барометр, датчик температуры, влажности), света и цвета (датчик линии, фоторезистор), аудио (уровень шума, распознавания голосовых команд) и другие (сенсор для измерения рН-уровня жидкостей, RFID-сканер).
Гибкость в наборе датчиков, возможность написания собственных алгоритмов обработки информации позволяет применять данную систему для мониторинга различных динамических сред. Arduino-системы могут быть использованы в тепличных комплексах, парниках, инкубаторах для контроля физических показателей, в складских помещениях и т. д.
Забор показателей температуры и влажности может осуществляться путем подключения к плате датчика DHT22. Рабочий диапазон данного датчика:
- влажность: 0-100%;
- температура от -40 оС до +125 оС;
Частота опроса 1 раз в 2 с, погрешность замера влажности ±2%, температуры ±0,5 оС.
Датчик DHT имеет 4 вывода:
- Питание (3.3 - 6 V);
- Вывод данных;
- Не используется;
- GND (земля).
Данные о температуре и влажности передаются в виде цифрового сигнала. Датчик устанавливает с микроконтроллером сигнальную линию. Микроконтроллер посылает запрос о готовности принять данные, в свою очередь DHT подтверждает готовность передать данные. После этого данные передаются в виде 5-ти байтов, первые два байта передают показания влажности, вторые два байта -температуры и 1 байт - CRC. После передачи данных датчик закрывает линию.
Схема подключения датчика представлена на рисунке 1.
Arduino 5v Pin2
DHT22 12 3 4
GND
Рис. 1. Схема подключения датчика DHT22
Между выводами 1 и 2 необходимо поместить резистор номиналом 10 кОм.
Для снятия показаний с датчика необходимо загрузить библиотеку DHT.h, предназначенную для работы с датчиками семейства DHT. Исходный файл библиотеки помещается в папку /libraries, затем в скетче программы необходимо подключить библиотеку с помощью директивы #include "DHT.h". Считывание показателей состояния окружающей среды (температуры и влажности) производится путем использования экземпляра класса DHT и соответствующих функций: dht.readTemperature() и dht.readHumidity(). После этого необходимо проверить качество считывания, и при положительном ответе, данные с заданным интервалом времени могут быть выведены на виртуальный COM-порт компьютера с помощью класса функций Serial. Входной поток данных, поступивший на COM-порт, может быть записан в текстовый файл для дальнейшей статистической/математической обработки, либо передан в специализированную программу, к примеру, MATLAB, StampPlot и д.р.
Другим способом записи данных является подключение к Arduino платы расширения SD CardShield, которая позволяет организовать хранения больших массивов информации с помощью SD, SDHC и microSD карт.
Схема подключения SD CardShield приведена на рисунке 2.
SD Card Shield Arduino
MOSI 11
MISO 12
CLK 13
SS 10
GND GND
5V 5V
Рис. 2. Схема подключения SD CardShield
Связь между микроконтроллером и платой расширения осуществляется по интерфейсу SPI. На некоторых моделях Arduino SPI пины продублированы на цифровых пинах платы. Данная плата расширения поддерживает карты объемом до 16 Гб в файловой системе FAT16 и FAT32.
Для работы с SD-картой необходимо загрузить стандартную библиотеку SD, основанную на библиотеке sdfatlib. Работа с данной библиотекой основана на использовании класса SD с его функциями доступа к карте манипулирования файлами и каталогами.
Выводы. Микропроцессор Arduino представляет собой достаточно гибкий, многофункциональный инструмент для мониторинга показателей динамической среды, который дает возможности оперативно в режиме реального времени получать массивы информации о состоянии исследуемого объекта.
Список использованных источников: References:
1. Давенпорт В. В., Рут В. Л. Вве- 1. Davenport V. V., Root V. L. дение в теорию случайных сигналов и Introduction in Theory of random signals
шумов. - М.: Иностранная литература, 1960. - 468 с.
2. Аведьян Э. Д., Цыпкин Я. З. Оптимальные методы обработки текущих и накопленных данных // Техническая кибернетика, 1987, № 1. -с. 140- 150.
3. Classen T. A., Mecklanbrauker W. F. Adaptive Techniques for Signal Processing in Communications. IEEE Communications, 23, 1985. - p. 8-19.
and noises. - M.: Inostrannayalit-eratura, 1960. - 468 p.
2. Avedjan E. D., Tsypkin Y. Z. The optimal methods of current and accumulated data processing // Technical cybernetics, 1987, J№ 1. - p. 140-150.
3. Classen T. A., Mecklanbrauker W. F. Adaptive Techniques for Signal Processing in Communications. IEEE Communications, 23, 1985. - p. 8-19.
Сведения об авторе:
Блазий Дмитрий Сергеевич -ассистент кафедры системного анализа и информатизации Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского», e-mail: dmi-blaszij@yandex.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».
Information about authors:
Blasiy Dmitry Sergejevich -assistant of System analysis and informatization departmentof Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», e-mail: dmi-blazij@yandex.ru, 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
