РОЗРОБКА СИСТЕМИ IOT РІШЕНЬ ДЛЯ КЛІМАТ КОНТРОЛЮ ПРОЦЕСУ ВИГОТОВЛЕННЯ МОЛОЧНОЇ ПРОДУКЦІЇ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

РОЗРОБКА СИСТЕМИ IOT Р1ШЕНЬ ДЛЯ КЛ1МАТ КОНТРОЛЮ ПРОЦЕСУ ВИГОТОВЛЕННЯ

МОЛОЧНОÏ ПРОДУКЦП

Кравченко О.В.

к.т.н., доцент

Кшвський нацгональний утверситет 1мет Тараса Шевченка,

Кучеренко Р.Ю. маггстрант

Кшвський нацгональний утверситет 1мет Тараса Шевченка,

Данченко О.Б. д.т.н., професор

Черкаський державний технологгчний унгверситет,

Беседша С.В. к.т.н., доцент

Черкаський нацгональний унгверситет 1мет Богдана Хмельницького,

DEVELOPMENT OF IOT SOLUTIONS FOR CLIMATE CONTROL OF DAIRY PRODUCTION

PROCESS

Kravchenko O.

Ph.D., Associate Professor Taras Shevchenko National University of Kyiv, Kyiv, Ukraine,

Kucherenko R.

Master

Taras Shevchenko National University of Kyiv, Kyiv, Ukraine,

Danchenko E.

Doctor of Technical Sciences, professor Cherkasy State Technological University, Cherkassy, Ukraine,

Besedina S.

Ph.D., Associate Professor Bohdan Khmelnytsky National University of Cherkasy, Cherkassy, Ukraine,

АНОТАЦ1Я

Об'ектом дослщження e системи промислового призначення, що мютять промисловий ктмат контроль процесу виготовлення рiзноl продукцп. Розроблялась система ктмат-контролю для молочного виро-бництва, а саме для сироваршня. Розглядаючи лггературу було виявлено, що розробка 1оТ ршень в молочному виробнищга мало представлена. Враховуючи видимi переваги, прийнято ршення обрати для роз-робки системи клiмат контролю камери дозрiвання сирiв Wi-Fi модуль ESP8266-01. Використано плату Arduino Nano V3 та рiзнi давачi, що забезпечуе автоматичне керування кл1матом.

Основними вимогами до системи IoT рiшень для ммат контролю процесу виготовлення молочно! продукцп e простота реалiзацi!, доступнiсть по апаратно-програмних технологiях та цiнi.

Наведено схему мереж1 зв'язку системи 1оТ для клiмат контролю процесу виготовлення молочно! продукцп та описано алгоритм роботи системи ктмат контролю для камери збертання сирiв. Робота системи ммат контролю для камери збертання сирiв, вiдбуваeться порiвняння номшальних та теперiшнiх значень. За результатом, подаеться сигнал для активаци потрiбного процесу. Для вiдображення усiх акти-вних процесiв використовуеться iндикацiя.

Проведено SWOT-аналiз результатiв дослiджень.

ABSTRACT

The object of the study is industrial systems that contain industrial climate control of the manufacturing process of various products. A climate control system was developed for dairy production, namely for cheese-making. Examining the literature, it was found that the development of IoT solutions in dairy production is poorly represented. Given the visible advantages, it was decided to choose for the development of climate control system cheese ripening chamber Wi-Fi module ESP8266-01. The Arduino Nano V3 board and various sensors are used, which provides automatic climate control.

The main requirements for the system of IoT solutions for climate control of the dairy production process are ease of implementation, availability of hardware and software technologies and price.

The scheme of the IoT communication network for climate control of the dairy production process is given and the algorithm of operation of the climate control system for the cheese storage chamber is described. Operation of the climate control system for the cheese storage chamber, there is a comparison of nominal and current values. As a result, a signal is given to activate the desired process. An indication is used to display all active processes.

A SWOT analysis of research results was conducted.

Ключовi слова: 1нформацшна система, 1оТ pe4i, технологiя зв'язку, промислове виробництво, структурна схема, схема мереж1.

Keywords: Information system, IoT things, communication technology, industrial production, block diagram, network diagram.

Постановка проблеми

Промисловий 1нтернет речей - це революция в технолопчнш галузг Основними наслщками е пов-нютю автоматичш обслуговування, д1агностика, кал1брування та шструменти. 1нтернет речей допо-магае створювати нов1 технологи для виршення проблем та тдвищення продуктивносп на виробництво

Незважаючи на високий р1вень впровадження 1нтернету речей на виробнищга, все ще не вистачае економ1чно ефективних тдход1в. На сьогодш особливо актуальною темою, на мою думку, е промис-ловий ктмат контроль процесу виготовлення р1зно! продукцп. Адже необхвдно вилучити можливють вщхилення ввд норм та вимог тд час виробничого процесу.

Проводить багато дослвджень, щоб зробити автономно самоконтрольоваш та енергоефективш си-стеми, що контролюватимуть прилади р1зного типу.

Анат останшх досл1джень та публiкацiй

Клаус Шваб пише у книз1 [1] : «Одним з голо-вних моств м1ж ф1зичною та цифровою реальш-стю, який створений четвертою промисловою рево-лющею, е 1нтернет речей». Дйсно, сьогодш вироб-нич1 системи перетворюються на цифров1 екосистеми. У цш трансформацп головну роль вщ-грають 1нтернет реч1 та Велиш даш. З щею метою промислов1 шдприемства вступають в нову еру «великих даних», де обсяг, швидшсть та р1зноман1т-шсть даних, якими вони керують, вибухають з дуже високими темпами [2]. 1нтернет реч1, що описують мережу взаемопов'язаних об'екпв за допомогою вбудованих технологш, безпосередньо поедну-ються з концепщею Великих даних, що дозволяе збирати ще бшьше шформацп [3]. Все бшьше при-стро!в, виробничого обладнання та шструменпв, транспортних засоб1в стае оснащене р1зними дава-чами.

У статл [4] стверджують, що 1нтернет Речей найбшьше розвиваеться завдяки складовш у сфер1 промисловост (Промисловий 1нтернет речей). Це суттево пвдвищуе ефектившсть виробництва завдяки вбудованим давачам з можливютю автомати-заци та вщдаленого контролю без учасл людського фактору. Одним з яскравих приклад1в е виробництво бритв Philips, що ввдбуваеться з використанням 128 роболв у темному примiщеннi [5]. 1нший приклад - виробництво мотоцимв Harley Davidson, на якому суттево скоротили час простою. Пюля реко-нструкцii виробничих майданчикiв час на виготовлення зменшився з 28 дшв до 16 годин [5]. Завдяки Промисловому 1нтернету речей у виробнишв з'яв-ляеться доступ до передових аналггичних шструме-нтiв, штучного штелекту та машинного навчання, що пришвидшуе прийняття рiшень та полшшуе ви-робничi показники.

У статл [6] приведено ochobhî принципи, що впливають на picT та розповсюдження 1нтернету Речей. Це дотримання безпеки та конфщенцшносл даних; головне - яшсть, а не кiлькicть даних; розви-ток розумних мicт i будинкiв та колабоpацiя з 6i3-несом. Прикладом пpовiдного розумного мюта мо-жна привести Барселону, що з 2012 року впрова-джуе IoT [7]. Встановлено pозумнi светильники, якi змiнюють яcкpавicть, коли шшохщ поруч, вимipю-ють тpафiк, яшсть повиря, piвень шуму та натовпу людей i навiть пропонують безкоштовний доступ до мicькоï Wi-Fi мережо Також вбудовано давачi в автомобшьш мicця для паркування, впроваджено цифpовi автобуcнi зупинки, pозумнi cмiтники та да-вачi для оптимiзацiï зрошення парково1 зони. За статистикою, що наведена у статл [7], близько 26% коpиcтувачiв в iнтеpнету в США володшть при-строем розумного будинку. Це cвiтильники, якi ввд-повiдно до вашого гpафiку роботи вмикають та ви-микають свгтло, холодильники, що аналiзують cвiй вмют i створюють список покупок, кавоварки, якi автоматично починають варити, коли ви прокидае-тесь та багато шшого. Технологiчне майбутне, яке нiхто не мш уявити, наступило вже сьогодш.

Рiзнi популяpнi та iнновацiйнi ршення 1нтер-нету речей, такi як переробка вiдходiв, монiтоpинг якоcтi повиря, розумне землеробство розглянуто в робот [8] в контекcтi прогресу технологш та перспектив промислового ринку. На Всесвпньому еко-номiчному фоpумi представлений звiт щодо наслщ-шв, можливостей, переваг та загроз Промислового 1нтернету речей [9]. Це спричинить нову тенденцш розвитку, що дозволить приймати автоматизованi piшення та вживати заходи в pежимi реального часу. У робот [10] автор представив piзнi аспекти та технологiчнi перспективи в промисловому засто-cуваннi 1нтернету речей. Рiзниця Промислового 1н-тернету речей ввд споживаного в створенш переваг для бiзнеcу за рахунок пiдключення розумних де-вайciв на виробництво

У pоботi [11] представлено систему розумного будинку, яка керуе побутовою техшкою будинку за допомогою комп'ютера. Приладами можна керу-вати голосовими командами або таймером. У робот [12] розроблено систему, де побутовi прилади керувалися через веб-сторшку або доданок для Android cмаpтфонiв. Проте у цих системах використо-вувалась технологiя Bluetooth, яка мае обмежену дальнicть (на той час максимум 10 м) та низьку швидшсть пеpедачi даних.

У робот [13] представлено доступну по цiнi систему екологiчного мониторингу. Використано вбудований мiкpо веб-сервер на базi мжроконтро-лера Arduino Mega 2560. Це дае змогу керування системою еко-монiтоpингу з можливютю тдклю-чення за IP-адресою для вщдаленого доступу.

У роботах [14-15] розроблено систему автома-тизацп будинку, впровадивши для керування побу-товою техшкою мiкроконтролер Arduino Due та модуль зв'язку ESP8266-01, що отримував данi 3i смартфону через мережу WI-FI. Серед можливос-тей представлено управлшня свiтлом, вентиляцieю та сигналiзацiя витоку газу за допомогою вщповвд-них давачiв. Модуль ESP8266-01 дозволяе переда-вати данi зi швидшстю до 11 Мбiт/с та дiапазоном зв'язку 150 метрiв, що значно бшьше за наявних конкурентiв [16].

Враховуючи видимi переваги, прийнято рь шення обрати для розробки системи ктмат контролю камери дозрiвання сирiв модуль ESP8266-01.

Мета та задачi дослiдження

Метою дослiдження е процес проектування та практично! реалiзацiï системи IoT рiшень для кль мат контролю процесу виготовлення молочно! продукцп на приклащ камери дозрiвання сирiв.

Для досягнення поставлено! мети необхвдно:

1. Виконати дослщження технологi! зв'язку системи 1оТ для клiмат контролю процесу виготовлення молочно! продукцп.

2. Описати лопчш зв'язки вузлiв системи на етат проектування системи.

3. Навести структурну схему роботи системи IoT ршень для клiмат контролю процесу виготовлення молочно!продукцп.

5. Виконати верифшацш даних.

Основними вимогами до системи IoT ршень для ктмат контролю процесу виготовлення молочно! продукцп е простота реалiзацiï, доступшсть по апаратно-програмних технологiях та щт.

Схемотехшчне проектування

Вiдповiдно до поставлено! мети, опишемо алгоритм роботи системи ктмат контролю для камери збертання сирiв.

1. Вказати номшальш значення температури та вологосп в залежностi ввд типу сиру. За нормами ДСТУ 6003:2008, сири зберiгають у примщенш за температури ввд мiнус 4 °С до 6 °С та вщносно! во-логостi повiтря - ввд 80 % до 90% [17].

2. Зняти показники, що характеризують навко-лишне середовище. Головними е температура та во-логiсть повггря. Додатково зчитуеться концентра-цiя CO2 в повiтрi та освiтленiсть.

3. Порiвняти значення номiнальнi та реальш. Вiдповiдно до результату, подати сигнал для вико-нання процесiв: обiгрiв, охолодження, зволоження, осушування повiтря, вентилящя, управлiння освiт-ленням.

Рисунок 1. Схема структурна пристрою

Зпдно з описаним алгоритмом, пристрш мае складатись з мжроконтролеру Arduino, давачу освь тленосп, давачу температури, давачу вологостi, давачу рiвня CO2, системи управлшня набором реле, модулю WI-FI.

Схема структурна для автоматизованого кль мат контролю камери збертання сирiв зображена на рисунку 1.

Виконаемо вибiр елементно! бази.

Мшроконтролер

Основнi вимоги для вибору моделi мшроконт-ролера Arduino е пвдтримка iнтерфейсiв UART для

«спшкування» з ПК, I2C для шдключення давача освгтленосп та наявнiсть достатньо! кшькосл виво-дiв.

Обрано мiкроконтролер iз серй' Arduino Nano V3 на базi ATmega328P [18].

Основними перевагами МК е:

- достатня к1льк1сть аналогових (8) та циф-рових (14) пiнiв;

- 32 кб 1^^пам'ятц

- 2 кб SRAM;

- тактова частота 16 МГц;

- наявшсть UART, I2C, SPI штерфейав;

- маленький розмф;

- доступна цша.

Давач освгтленосл

Давач GY-302 призначений для вимiрiв освгт-леностi та мае високу чутливють. Д1апазон вимiрю-ваних даних ввд 0 до 65535 Люкс. Дiапазон робочих температур - вiд -40°С до 85°С [19].

Давач температури та вологосп

Давач AM2320 призначений для вимiрювання температури та вологосп. Дiапазон вимiрюваних температур вiд -40 до 80°С та точнiсть ±0.5%. Ддапа-зон вимiру вологостi ввд 0 до 100 % та точшсть ±2% [20].

Давач рiвня СО2

Давач MQ-135 призначений для визначення вмiсту та кiлькостi шшдливих i небезпечних газiв в повг^ таких як: NH3, NOx, пари СО2, бензину, диму i т.д [21].

Wi-Fi модуль

Модуль ESP8266-01 - мжроконтролер з штер-фейсом Wi-Fi. Дозволяе передавати даш зi швидкь стю до 11 Мбiт/с та дiапазоном зв'язку 150 метрiв, що значно бiльше за конкуренпв [21].

Для клiмат контролю камери зберiгання сирiв мiкроконтролер Arduino Nano V3 зчитуе необхiднi данi про стан навколишнього середовища з вбудо-ваних давачiв (AM2320, GY-302, MQ-135) та пере-дае 1х на ПК користувача. Вiдповiдно до результату порiвняння зчитаних даних та номшальних (опти-мальнi данi для збер^ання сирiв, встановлюються на ПК в програмi керування), МК подае сигнал для активаци вiдповiдного реле для виконання певноi операцп вiдносно нормалiзацil навколишнього середовища. Схема мережi зображена на рисунку 2.

Рисунок 2.

Схема мереж! зв 'язку системи 1оТ для клгмат контролю процесу виготовлення молочног продукцП

Yci компоненти обрано у низькому цшовому сегменп та вцщовадають поставлешй метт

Рисунок 3. Зображення прототипу системи для клгмат контролю камери зберггання сиргв

Прототип системи зiбрано на обранш ранше елементнш базi (рисунок 3).

Да Hi з апаратно! системи перелагаться до шформацшно! системи, що iocpirae ïx та анал1зуе.

Рисунок 4. Блок схема роботи системи IoTршень для клшат контролю процесу виготовлення молоч-

hoï продукцИ'

Програмна реалЬацт системи IoT ршень для клiмат контролю процесу виготовлення мо-лочно'1 продукцп

Вiдповiдно до описаного алгоритму роботи системи ммат контролю для камери збер^ання сирiв створено програмний продукт. Блок схему роботи програми зображено на рисунку 3.

Робота системи ктмат контролю для камери збертання сирiв, ввдбуваеться порiвняння номша-льних та тепершшх значень. За результатом, пода-еться сигнал для активацй' потрiбного процесу. Для

ввдображення усiх активних процеав використову-еться iндикацiя.

Система IoT ршень для ктмат контролю процесу виготовлення молочно! продукцй' розроблена за допомогою середовища розробки Qt Creator (рисунок 4).

На рисунку 5 зображено приклад графiчного штерфейсу системи IoT ршень для ктмат контролю процесу виготовлення молочно! продукцй'.

Рисунок 5. Головна форма системи IoTршень для клшат контролю процесу виготовлення

молочно'1 продукцп

SWOT-aH&rn результат дослщжень

Strengths. Сильною стороною системи IoT ршень для ктмат контролю процесу виготовлення молочно! продукцп е !! структура. Завдяки розгалуженш структурi, в програм паралельно отримуються та обробляються даш з давачiв свь тла, тиску та вологостi.

Weaknesses. Недолiком створеного програм-ного продукту е початковий етап впровадження системи, що потребуватиме додаткових кошпв на закупiвлю давачiв та монтування мереж1 зв'язку як апаратно! частини забезпечення ро-боти системи IoT ршень для ммат контролю процесу виготовлення молочно! продукцп, але це окупиться в процеа експлуатаци.

Opportunities. В подальшому дана система дозволяе додавати модулi для аналiзу виготовле-но! продукцi!' або систему збертання.

Threats. Загрозами, що матимуть негативнi наслвдки для системи IoT ршень для ммат контролю процесу виготовлення молочно! продукцп можна вважати:

- недостатне фшансування;

- витрати на навчання персоналу;

- необхвдшсть введення до персоналу заводу фахiвця, що вiдповiдатиме за супрово-дження програмного продукту.

Розроблений програмний продукт враховуе переваги аналопв на ринку, але мае дешевшу ва-ртiсть та мае переваги в простои використання, що необхщно для виробництва сирiв.

Висновки

Отже, розроблено автоматизовану розумну ш-формацiйну систему клiмат контролю камери збе-рiгання сирiв на базi IoT рiшень. Використано плату Arduino Nano V3, Wi-Fi модуль ESP8266-01

та рiзнi давачi, що забезпечуе автоматичне керу-вання ктматом. Побудовано та описано структурну схему пристрою. Проведено вибiр елементно! бази та розроблено графiчний iнтерфейс користувача та проведено успiшне тестування працездатносл системи.

Плануеться впровадження системи на вироб-ництво.

Лiтература

1 Клаус Шваб. Четвертая промышленная революция. - Из-во: Эксмо, 2016, 208 с. ISBN: 978-5699-90556-0

2 D. Mourtzis, E.Vlachou, N.Milas. Industrial Big Data as a Result of IoT Adoption in Manufacturing // Procedia CIRP. - Volume 55, 2016, рр. 290-295. [Electronic resource] - Resource access mode: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S22 12827116307880

3 ICTC, Big Data & The Intelligence Economy [Electronic resource] - Resource access mode: https://www.ictc-ctic.ca/wp-content/up-loads/2015/12/BIG-DATA-2015.pdf

4 Промисловий штернет речей [Електрон-ний ресурс] - Режим доступу до ресурсу: https://cutt.ly/Rt2xC7i

5 Станок как сервис: от системы мониторинга к цифровой фабрике [Електронний ресурс] -Режим доступу до ресурсу: https://cutt.ly/pt2x6qC

6 How IoT and automation will transform how industries function [Electronic resource] - Resource access mode: https://cutt.ly/pt2crbj

7 How the Growing Impact of IoT Is Automating the World [Electronic resource] - Resource access mode: https://cutt.ly/et2coFF

8 Perera C., Chi H. L. M. A survey on internet of things from industrial market perspective // IEEE Access. - Volume 2, 2014, pp. 1660-1679.

9 O'Halloran D., Kvochko E. Industrial internet of things: Unleashing the potential of connected products and services// World Economic Forums IT Governors (2015) [Electronic resource] - Resource access mode:

http://www3.weforum.org/docs/WEFUSA_IndustrialI nternet_Report2015.pdf.

10 Debasish Mondal, The Internet of Thing (IOT) and Industrial Automation: a future perspective// World Journal of Modelling and Simulation (2019) [Electronic resource] - Resource access mode: https://www.researchgate.net/publication/336552020_ The_Internet_of_Thing_IOT_and_Industrial_Automat ion_a_future_perspective

11 Anamul Haque S. M., Kamruzzaman S. M., Md. Ashraful Islam . A System for Smart Home Control of Appliances based on Timer and Speech Interac-tion// Proc. 4th International Conference on Electrical Engineering, The Institution of Engineers, Dhaka, Bangladesh (2006), pp. 128-131

12 Deepali Javale, Mohd. Mohsin, Shreerang Nandanwar. Home Automation and Security System Using Android ADK.// International Journal of Electronics Communication and Computer Technology (IJECCT) . - Volume 3, Issue 2, 2013 [Electronic resource] - Resource access mode: https://www.aca-demia.edu/14501543/Home_Automation_and_Secu-rity_System_Using_Android_ADK

13 Nathan David, Abafor Chima, Aronu Ugo-chukwu, Edoga Obinna. Design of a Home Automation System Using Arduino// International Journal of Scientific & Engineering Research. (2015) - Volume 6, Issue 6, рр. 795. ISSN 2229-551

14 Shopan Dey, Ayon Roy and Sandip Das. Home Automation Using Internet of Thing// IRJET (2016), 2(3) рр. 1965-1970,

15 Dr. Saritha Namboodiri1, Varsha T. G. IOT Based System For Smart And Secured Home// IRJET, - (2018) [Electronic resource] - Resource access mode: http://irjet.blogspot.com/2018/

16 Lalit Mohan Satapathy. Arduino based home automation using Internet of things (IoT)// International Journal of Pure and Applied Mathematics. - Volume 118 No. 17, 2018, рр 769-778 [Electronic resource] -Resource access mode: https://acadpubl.eu/jsi/2018-118-16-17/articles/17/57.pdf

17 ДСТУ 6003:2008 Сири твердi [Електрон-ний ресурс] - Режим доступу до ресурсу: http://ukrapk.com/gosts/milk/dsty60032008siritverdi.h tml

18 Arduino nano v3 datasheet [Електронний ресурс] - Режим доступу до ресурсу: https://cutt.ly/4t2cjeu

19 GY-302 datasheet [Electronic resource] -Resource access mode: https://cutt.ly/Qt2czHG

20 AM2320 datasheet [Electronic resource] -Resource access mode: https://cutt.ly/Dt2cQq5

21 MQ-135 datasheet [Electronic resource] -Resource access mode: https://cutt.ly/Zt2cR1L