CC BY
24
УДК 681.677.11.021
АС. Т1ХОСОВ, Ф.М. ЦИВ1ЛЬСЬКИЙ, В.Г. ШЕРСТЮК
Херсонський нацюнальний техшчний унiверситет
РОЗРОБКА СИСТЕМИ КОНТРОЛЮ ВОЛОГОСТ1 НА БАЗ1 М1КРОКОМП'ЮТЕРА RASPBERRY PI B+
В po6omi запропоновано реалгзацт системи контролю вологостi лляно'1' сировини на 6a3i мiкрокомп'ютерa RASPBERRY PI B+ та датчика вологостi i температури HTU21. Представлено структурну схему системи, aрхiтектуру ii програмного забезпечення та схему орган1зацИ даних. Користувачу забезпечуеться онлайн доступ до результaтiв вимiрювaнь в 6удь-який момент часу за допомогою будь яких доступних пристро'1'в, в тому чи^i мобшьних. Запропонована система визначення i контролю вологостi мае невелику варткть та можливкть до подальшо'1' реконф^рацп в зaлежностi вiд поставлених завдань, наприклад, збшьшення ^bm^i датчиюв та точок контролю. Запропоноват техтчш ршення можна використовувати в системах автоматизацп технологiчного процесу з6ерiгaння сировини для керування процесом ii сушiння, змтюючи ттенсивтсть роботи нaгрiвaльних прилaдiв, а також для контролю часу висушування.
Ключовi слова: вологiсть, лляна сировина, система контролю, мжрокомп'ютер, датчики.
А.С. ТИХОСОВ, Ф.Н. ЦИВИЛЬСКИЙ, В.Г. ШЕРСТЮК
Херсонский национальный технический университет
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ НА БАЗЕ МИКРОКОМПЬЮТЕРА RASPBERRYPI B+
В работе предложена реализация системы контроля влажности льняного сырья на базе микрокомпьютера RASPBERRY PI B+ и датчика влажности и температуры HTU21. Представлена структурная схема системы, архитектура ее программного обеспечения и схема организации данных. Пользователю обеспечивается онлайн доступ к результатам измерений в любой момент времени с помощью любых доступных устройств, в том числе мобильных. Предложенная система определения и контроля влажности имеет небольшую стоимость, а также возможность к дальнейшей реконфигурации в зависимости от поставленных задач, например, увеличение числа датчиков и точек контроля. Предложенные технические решения можно использовать в системах автоматизации технологического процесса хранения сырья для управления процессом ее сушки, изменяя интенсивность работы нагревательных приборов, а также для контроля времени высушивания.
Ключевые слова: влажность, льняное сырье, система контроля, микрокомпьютер, датчики.
А.С. TIKHOSOV, F.N. TSIVILSKIY, V.G. SHERSTJUK
Kherson national technical university
THE DEVELOPMENT OF HUMIDITY CONTROL BASED ON MICROCOMPUTER RASPBERRYPI B +
The implementation of the moisture control system for linseed raw materials based on the microcomputer RASPBERRY PI B+ and the humidity and temperature sensor HTU21 is considered in the paper. The structural scheme of the system is presented as well as the architecture of its software and the scheme of data organization. The user is provided with online access to measurement results at any time with the help of any available devices, including mobile ones. The proposed moisture detection and control system has a low cost, as well as the possibility of further reconfiguration depending on the tasks assigned, for example, an increase the number of sensors and control points. The proposed technical solutions can be used in automation systems for the technological process of raw materials storage for controlling its drying process, changing the intensity of the work of heating devices, and also for monitoring the drying time.
Keywords: humidity, raw linen, control system, microcomputer, sensors.
Постановка проблеми
Волопсть e одним з найважливших показнишв якосп для багатьох вид1в сировини або продукцп. Не e виключенням i лляна сировина. Так, виробництво лляно! трести e можливим лише за оптимальних умов проходження технолопчного процесу розстилу, в першу чергу за умов тдтримання визначених значень вологосп та температури. Подальший процес збертання лляно! сировини також вимагае постшно! тдтримки визначено! вологосп, а рацюнальна переробка лляно! трести, що дозволяе
отримати волокно належно! якосп, можливе виключно лише за певних значень вологосп сировини. Саме завдяки пiдтриманню визначено! вологосп трести створюються так1 умови, при яких деревина луб'яних рослин стае ламкою, а волокно залишаеться еластичним, внаслiдок чого стае можливим легко вщокремити волокно вiд деревини шляхом мехашчно! обробки.
Отже, протягом усього технолопчного процесу первинно! обробки лляно! сировини необхiдно контролювати та тдтримувати !! вологiсть. Нажаль, на даний час випробуваш та поширенi методи визначення вологостi лляно! соломи, трести, довгого i короткого волокна, що рекомендованi для практичного використання дшчою нормативною документацiею для вищеназваних видiв сировини е доволi недосконалими. Деяш з цих методiв мають порiвняно високу трудомiсткiсть та вимагають багато часу для здшснення вимiрiв, в той час як шш1, бшьш швидш методи, не забезпечують можливють отримати результати вимiрювання з потрiбною точнiстю.
Отже, розробка нового методу та обладнання вимiрювання вологостi лляно! сировини, з використанням сучасних комп'ютерних технологш е важливим i актуальним завданням.
Аналiз останнiх дослiджень i публiкацiй
До теперiшнього часу визначення фактично! вологостi е трудомiстким i довготривалим процесом [1]. Вологiсть трести визначають за допомогою вологомiра ВЛК-1 або одного з сушильних пристро!в: ВСЛК-1. установки для сушки УС-4 або сушильного шафи типу СШ-1. При цьому вологiсть трести з вiдокремленою деревною частиною або волопстю бiльше 30% на вологомiрi ВЛК-1 не визначають.
При визначенш вологостi на вологомiрi ВЛК-1 стебла кожного навiшування вирiвнюють щодо паралельностi розташування стебел, тсля чого по черзi помщають в датчик приладу i за шкалою вологомiра фiксують значення вологосп.
При визначенш вологосп за допомогою ВСЛК-1 стебла кожного наышування розрiзають на вiдрiзки довжиною близько 2 см i пiсля !х перемiIпування з кожно! наважки видiляють по 25 ± 0,1 г. Навiшування масою по 25 ± 0,1 г закладають в сiтчастi бюкси, по черзi вставляють в сушильну камеру ВСЛК-1 i сушать протягом 15 хв при температурi 105 ± 2 С. Пiсля зашнчення сушiння проби зважують .
Волопсть трести в процентах обчислюють за формулою (1)
де m - маса наважки до висушування, г;
mi - маса наважки тсля висушування, г. При визначенш вологосп за допомогою сушильно! шафи типу СШ-1 [2] наважки масою по (50 ± 0,1) г закладають в попередньо зважену тару, кладуть до сушильно! шафи i висушують при температурi 100-105С до постшно! маси.
Перше зважування проводять через 2 години тсля початку висушування, наступш - через кожш 15-20 хв. до тих тр, поки маса буде вiдрiзнятися вiд попередньо! менш нiж на 0,1 г.
Таким чином, визначення фактично! вологосп лляно! сировини (трести i волокна) вщповщно до ДСТУ 4149:2003, яке проводиться за допомогою вагового методу, шляхом висушування матерiалу у сушильнш шафi до стабшьного значення вологосп, може займати 2 - 3 години часу, що викликае значш незручносп та завадить автоматизацi!' технолопчних процесiв зберiгання лляно! сировини.
З метою визначення вологосп лляно! соломи при !! розстиланш також використовуеться електронний вологомiр ВЛК-3, в основу роботи якого покладено емнiсний метод вимiру вологостi. Змiна вологостi льону в первинному вимiрювальному перетворюеться в зм^ електрично! емностi, ДС* i tg5 кута дiелектричних втрат Дtg5 [2]. Використання електронного вологомiру ВЛК-3 дозволяе значно прискорити визначення фактично! вологосп лляно! трести, але призводить до значних похибок у вимiрюваннi i не надае достовiрного значення фактично! вологосп [2].
Формування мети дослвдження Осшльки iснуючi методи визначення вологосп лляно! сировини е надзвичайно трудомюткими та займають багато часу для здшснення вимiрiв, або ж призводять до значно! похибки вимiрювання, на сьогоднi актуальною задачею е розробка нового методу визначення вологосп сировини з використанням сучасних комп'ютерних технологш. Метою те! статп е розробка сучасного методу визначення i контролю вологосп лляного волокна з використанням мiкрокомп'ютерiв. При забезпеченш належно! швидкодп вимiрювань пропонований метод можна буде використовувати в системах управлшня i контролю реального часу, в тому чи^ у польових до^дженнях.
Викладення основного матерiалу дослвдження У роботi пропонуеться використати для розробки системи визначення i контролю вологосп лляного волокна мшрокомп'ютер RASPBERRY PI B+ та датчик вологосп i температури GY-21 HTU21 (рис. 1) з дiапазоном визначення вологосп ввд 0 до 100% i температури вiд -40 до +125С [3].
WlFi
Сушильна шафа
М
Пристр|й управлжня
ПК оператор
HTU21 I
Raspberry PI В+
Рис. 1. Структурна схема системи визначення та контролю вологост лляноТ сировини
Датчик GY-21 HTU21 мае похибку при визначенш вологостi ±3% i температури ±0,4С, тобто вш е одним з найбiльш точних i вигвдних серед iнших представлених на ринку датчиков на даний момент часу. Крiм того, цей датчик може бути використаний разом з мжрокомп'ютерами типу Arduino, Raspberry та ш. [4]. Вiн дозволяе вимiрювати показники вологостi i температури в даний момент часу i передавати !х на мiнi-комп'ютер, а також в свою чергу може передавати даш на вiддалений комп'ютер.
Загальний вигляд датчика представлено на рис. 2.
Модуль датчика призначений для точного вимiрювання вологостi i температури. У датчику застосовано мшросхему HTU21 з штерфейсом I2C, що забезпечуе промислову точнiсть вимiрювань. На кристалi розмщено аналого-цифровий конвертер обробки сигналу, даш калiбрування i I2C iнтерфейс. Датчика мае монолггш CMOS, систему управлшня з низьким дрейфом, прийнятний пстерезис, чудову довгострокову стабiльнiсть i наднизьке споживання енергп.
Iнформацiю калiбрування записано для збереження в енергонезалежну пам'ять заводом-виробником. Це гарантуе, що датчики е повшстю взаемозамiнними, без необхщносл !х подальшого калiбрування або змши програмного забезпечення.
Датчик GY-21 HTU21 мае наступш характеристики:
- вщносна точнiсть датчика вологостi: ± 3% RH (макс.), 0-80% RH;
- точнiсть датчика температури: ± 0.4 °C (макс), 10-85 °С;
- робочий дiапазон вологосп: вiд 0 до 100% RH;
- робочий дiапазон температур: вщ -40 до +125 °C;
- дiапазон робочо! напруги датчика 1.9-3.6 В;
- напруга живлення модуля: 5-6 В;
- струм в активному режима 150 дА;
- струм в режимi очiкування: 60 пА;
- iнтерфейс: I2C;
- на^вач: iнтегрований на чiпi;
- корпус: 3x3 мм DFN.
Таким чином, датчик GY-21 HTU21 щеально тдходить для вимiрювання вологостi, точки роси i температури.
Рис. 2. Датчик GY-21 HTU21
Запатентовано технолопю застосування модуля датчика в промисловосп.
При розробщ системи в якосп активного пристрою було обрано мжрокомп'ютер типу RUSPBERRY PI, що мае потужнш процесор, достатнiй обсяг оперативно! пам'яп та зрозумiлий i простий штерфейс. Цей мiкрокомп'ютер мае вбудовану верйю операцiйно! системи Linux, що надае можливiсть використовувати широкий спектр доступного програмного забезпечення та драйверiв пристро!в.
Мжрокомп'ютер RASPBERRY PI B+ дозволяе передавати отримаш з датчишв данi по каналах Ethernet, Bluetooth, 3G та WiFi. Тож RASPBERRY PI B+ не обов'язково шдключати як зовшшнш пристрш до звичайного комп'ютера або ноутбука, адже вiн може автономно функцюнувати, збираючи данi з шдключених датчиков, обробляючи !х та надсилаючи безпосередньо на сервер з самого мжрокомп'ютера. £ можливiсть пiдключення i до мереж1 1нтернет, оск1льки мжрокомп'ютер мае штерфейси й порти Ethernet та WiFi.
В розробленш системi визначення та контролю вологостi лляно! сировини даш вимiрiв передаються саме за допомогою каналу Ethernet.
Застосування датчика GY-21 HTU21 та мжрокомп'ютера RASPBERRY PI B+ в системi визначення та контролю вологосп лляно! сировини засновано на припущенш, що на розстилах в певних точках вимiрювання встановлено датчики, як з визначеною перюдичшстю роблять замiри, а результати цих замiрiв за допомогою мжрокомп'ютера RASPBERRY PI надсилаються на сервер.
На серверi отриманi даш вимiрювань записуються в базу даних MySQL, звщки за допомогою серверного коду, що створений авторами за допомогою мови програмування PHP та фреймворку laravel, надаються користувачу у нагляднш формi через технологiю стандартних запитiв у веб-середовищi.
Схему взаемодп елементiв системи представлено на рис. 3.
Рис. 3. Схема взаемодп елеменив системи
Центральними архiтектурними елементами розроблено! системи е об'екти «Компани», «Розстили», «Датчики» та «Данi, отримаш з датчишв». На !х основi було побудовано схему даних, що представлена на рис. 4. Результати вимiрювань подаються користувачу через веб-штерфейс у графiчному виглядi за окремими датчиками або в усередненому вигляд^ як показано на рис. 5, 6.
Запропонована система визначення та контролю вологосп лляно! сировини дозволяе значно спростити процес сушшня. Так, стае можливим слiдкувати за значеннями вологостi i температури сировини тд час сушiння в реальному чай, завдяки чому не треба зважувати матерiал кожнi 20 хвилин, що значно спрощуе процес, який тепер буде займати значно менше часу.
При досягненш визначеного користувачем значения вологосп система мае можливють вщключати нагрiвальнi прилади i виводити повщомлення про завершення сушiння. Оск1льки контроль вщбуваеться безперервно пiд час процесу сушшня, це значно спрощуе алгоритм управлшня цим процесом, що дозволяе контролювати час, а це спрощуе i здешевлюе процес зберiгання сировини.
За допомогою розроблено! програми користувач може керувати процесом сушшня, змiнюючи штенсившсть роботи нагрiвальних приладiв, а також контролюючи час висушування. Надалi можливо створити веб-сервiс, який буде збержати отриманi з датчиков в рiзних точках вимiрювання данi в хмарному сховищi на кшталт Google Cloud. Завдяки цьому, користувач буде мати доступ до результапв вимiрiв в будь який момент часу та за допомогою будь якого мобшьного пристрою - ноутбуку, планшету, смартфону тощо.
users
PK] id
name
password
companies
[pk] id
name
adress
owner_id
PHC. 4. CxeMa gaMHx CHCTeMH
Pmc. 5. nominm pe3y^fcTaTÍB BiiMÍpioBiiinm TeMnepaTypM ciipOBiiiiii
Humidity:
1 I Humidity
90 .
Рис. 6. Подання результат втпркшамия вологосп сировини
Висновки
Присутнiсть на ринку значно! pi3HOMamTHOcri мiкрокомп'ютерiв сiмейств Raspberry, Arduino, Android та датчиков, а також ïx тенденцiя до здешевлення дозволяють використовувати ïx при побудовi недорогих сучасних комп'ютерних систем визначення i контролю вологосп.
В результатi проведеноï роботи запропоновано новий метод визначення вологосп лляно! сировини з використанням сучасних комп'ютерних теxнологiй. Запропоновано систему визначення та контролю вологосп лляно!' сировини базi мiкрокомп'ютера RASPBERRY PI B+ та датчик вологосп i температури GY-21 HTU21. Вона дозволяе миттево визначати температуру та волопсть лляно!' сировини в будь-який момент часу, при цьому на вiдмiну вщ шших методiв дае достатньо точш результати вимiрювання та е легким i зручним у використанш.
Користувачу забезпечуеться онлайн доступ до результапв вимiрювань в будь-який момент часу за допомогою будь яких доступних пристро!в, в тому чи^ мобiльниx. Результати вимiрювань подаються користувачу наглядно через веб-штерфейс у виглядi графЫв.
Запропонована система визначення i контролю вологосп мае невелику варпсть та можливють подальшо! реконфiгурацiï' в залежносп вiд поставлених завдань, наприклад збiльшення кiлькостi датчиков та/або точок контролю. Запропоноваш теxнiчнi рiшення можна використовувати в системах автоматизацiï технолопчного процесу зберiгання сировини для керування процесом ïï сушiння, змiнюючи штенсившсть роботи нагрiвальниx приладiв, а також для контролю часу висушування, що значно спрощуе i здешевлюе процес визначення вологосп. Крiм того, запропоноваш в робоп рiшення можуть бути устшно використанi при вирiшеннi задач автоматизацп iншиx теxнологiчниx процесiв, що потребують безперервного контролю температури i вологосп в реальному чай.
Список використано!' л^ератури
1. ДСТУ 4149:2003 Треста лляна. - К: Держспоживстандарт, 2004.
2. Круглий Д.Г. Проблеми збертання продукцп рослинництва / Д.Г. Круглий, А.П. Храпливий, Г.А. ^хосова // Проблемы лёгкой и текстильной промышленности на пороге нового века: сб. тр. ХГТУ. - 1999. - №1. - С.152-154.
3. Anavi L. Detect Temperature and Humidity With Raspberry Pi and HTU21 / SHT21: [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.instructables.com/id/Detect-Temperature-and-Humidity-With-Raspberry-Pi
4. Датчик влажности и температуры HTU21: [Електронний ресурс]. - Режим доступу: https ://arduino-ua. com/prod1222-datchik-vlajnosti-i-temperatyri
5. Петин В.А. Микрокомпьютеры Raspberry Pi: Практическое руководство / В.А. Петин. - С.-Пб.: БХВ-Петербург, 2015. - 240 с.
