CC BY
17
fl A
Салихов Р. Б. Salikhov Я. B.
доктор физико-математических наук,
профессор, заведующий кафедрой инфокоммуникационных технологий и наноэлектроники Физико-технический институт, ФГБОУВО «Башкирский государственный университет», г. Уфа, Российская Федерация
Зиннатулина А. А. Zinnatulina А. А.
студент кафедры инфокоммуникационных технологий и наноэлектроники Физико-технический институт, ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет», г. Уфа, Российская Федерация
Павлов А. В. Pavlov A. V.
магистрант кафедры инфокоммуникационных технологий и наноэлектроники Физико-технический институт, ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 681.518.5 DOI: 10.17122/1999-5458-2020-16-2-112-117
СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ АММИАКА В ВОЗДУХЕ НА АГРОПРОМЫШЛЕННЫХ КОМПЛЕКСАХ
На сегодняшний день сельское хозяйство России развивается достаточно быстро, особенно в отраслях животноводства и птицеводства. Несмотря на стабильное насыщение этими отраслями потребительского рынка продуктами питания имеется ряд проблем, напрямую связанных с развитием этих направлений, например неудовлетворительное качество воздуха в помещениях и вне предприятия, которое соответствующе влияет на животных, птиц и людей.
В современном производстве почти в каждом технологическом процессе используется какая-либо система контроля. Огромное количество различных систем разрабатывается и используется в сельскохозяйственных отраслях производства. В данной работе рассматривается система контроля для небольших птицеферм. В разрабатываемой системе планируется осуществить возможность контролировать содержание аммиака и отображать текущие показания концентрации, реализовать передачу данных удаленному пользователю. Рассматривается возможность интеграции в существующие системы мониторинга и контроля, кроме того, система должна быть простой в обслуживании, удобной и, что немаловажно, дешевой.
Разработка системы производилась на базе микрoконтроллерной платы Arduino / GenuinoUno с микроконтроллером ATMega328. Выбранная база является электронным конструктором и комфортной платформой для разработки электронных устройств. Платформа пользуется большой популярностью во всем мире благодаря удобству и простоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду.
Система соответствует широкому кругу требований и обладает следующим функционалом: устройство осуществляет автоматический контроль над уровнем загазованности, оповещает об аварийных утечках аммиака и независимо архивирует все случаи аварийного срабатывания датчиков и изменения блокировок, имеет возможность передавать эти данные удаленно.
Разработанная система для контроля содержания аммиака дает возможность полностью исключить пагубное влияние газа на здоровье птиц и позволяет создать безопасную и комфортную среду.
Ключевые слова: система контроля, датчики, микроконтроллер, мониторинг, модуль, дисплей, интерфейс.
AMMONIA CONTROL SYSTEM IN AGRO-INDUSTRIAL COMPLEXES
Today, Russian agriculture is developing quite rapidly, especially in the livestock and poultry industries. Despite the stable saturation of food products with these sectors of the consumer market, there are a number of problems directly related to the development of these areas, for example, unsatisfactory in-door and outdoor air quality, which affects animals, birds and people accordingly.
In modern production, almost every technological process uses some kind of control system. A huge number of different systems are developed and used in agricultural industries. In this paper, we consider a control system for small poultry farms. In the developed system, it is planned to realize the ability to control the ammonia content and display the current concentration readings, to implement data transfer to a remote user. The possibility of integration into existing monitoring and control systems is being considered, in addition, the system should be easy to maintain, convenient and, importantly, cheap.
The development of the system was carried out on the basis of an Arduino / GenuinoUno microcontroller board with an ATMega328 microcontroller. The chosen base is an electronic designer and a comfortable platform for the development of electronic devices. The platform is very popular all over the world due to the convenience and simplicity of the programming language, as well as open architecture and program code.
The system meets a wide range of requirements and has the following functionality: the device automatically monitors the gas level, notifies about emergency ammonia leaks and independently archives all cases of emergency operation of sensors and changes in interlocks, and has the ability to transmit this data remotely.
The developed system for monitoring the ammonia content makes it possible to completely eliminate the harmful effect of gas on the health of birds and create a safe and comfortable environment.
Key words: control system, sensors, microcontroller, monitor ring, module, display, interface.
Введение
Системы разрабатываются для того сегмента, который может обеспечить достаточное вливание финансовых средств. Крупные предприятия способны финансировать ежемесячное обслуживание системы, приобретать дорогостоящее оборудование, оплачивать работу высококвалифицированных специалистов для настройки всей системы. Такие компании имеют большие вычислительные мощности для обработки информации и содержания информационных баз, специалистов, которые способны поддержать системы в должной работоспособности.
В то же время для малых предприятий количество систем либо очень ограничено как по количеству, так и по функционалу, либо просто отсутствует. Особенно остро это ощущается в сельскохозяйственном секторе,
а именно на птицефермах. Для них есть хоть какие-то системы контроля за влажностью воздуха, температурой, даже есть системы контроля вентиляции. Но нет ни одной специализированной системы для контроля за содержанием аммиака.
Разработка системы
Как правило, выращивание животных и птиц производится в закрытых помещениях, состав воздуха в которых значительно отличается от того, что снаружи. К примеру, воздух в птичнике содержит такие газообразные вещества, как аммиак от подстилки, окись углерода от плохо вентилируемых газовых нагревателей и сероводород. Ещё одной не менее важной проблемой на птицефабриках является экологическое загрязнение атмосферного воздуха. Недостаточно развитые технологии на про-мышленно-животноводческих комплексах в
-121
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 16, 2020
большой степени химически и биологически загрязняют атмосферный воздух [1-4].
Лучшим способом защиты от воздействий загрязнения воздуха считаются эффективные технические разработки, позволяющие остановить вероятные загрязнители ещё у их источника до попадания в воздух. В наиболее насыщенных промышленных комплексах количество загрязнителей воздуха можно снизить до безопасных значений ещё у их источника благодаря установке эффективных технических средств контроля.
Система контроля уровня загазованности в автоматическом режиме должна собирать и обрабатывать информацию о концентрации аммиака в воздухе в таком объеме, которого будет достаточно для разработки надлежащих управляющих действий.
Разработка системы будет производиться на базе микрoконтроллерной платы Arduino / GenuinoUno с микроконтроллером ATMega328. Выбранная база, по сути, является электронным конструктором и комфортной платформой для разработки электронных устройств. Платформа пользуется большой популярностью во всем мире благодаря удобству и простоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду.
Перспективным электронным блоком управления системы контроля является программно-аппаратная платформа под торговой маркой Arduino. Это электронный конструктор и удобная платформа для быстрой разработки электронных устройств для начинающих и профессионалов (рисунок 1). Платформа всемирно популярна благодаря удобству и простоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду. Устройство программируется через USB без программаторов. Arduino даёт
Рисунок 1. Arduino Mega
возможность компьютеру выходить из виртуального мира в физический мир, а после и взаимодействовать с ним. Устройства на базе Arduino могут получать информацию об окружающей среде через различные датчики, а также могут управлять различными исполнительными механизмами.
Система должна соответствовать широкому кругу требований и обладать следующим функционалом: устройство должно осуществлять автоматический контроль над уровнем загазованности, оповещать об аварийных утечках аммиака и независимо архивировать все случаи срабатывания датчиков и изменения блокировок, иметь возможность передавать эти данные удаленно [3].
Задача проектируемой системы заключается в осуществлении контроля над уровнем аммиака в воздухе:
1) чтобы обработать показания датчиков и контролировать функциональность, нужно выбрать микроконтроллер. Все показания датчиков будут обрабатываться им и благодаря написанной программе смогут повлиять на функциональность устройства;
2) для визуальной информации ввода / вывода потребуется дисплей, где можно увидеть все непосредственные параметры устройства;
3) для регулирования содержания аммиака в воздухе нужны устройства, которые помогут узнать текущую концентрацию аммиака, поэтому в этой работе используется устройство с датчиком газа, который имеет достаточную для задачи чувствительность;
4) удаленный мониторинг и управление будут осуществляться с использованием коммуникационного модуля, например модуля Wi-Fi.
Рассмотрев основное аппаратное и программное обеспечения, используемое в современных системах автоматизации для подключения к Интернету, выбраны оптимальные методы решения проблемы: для проекта выбран Микроконтроллер ATMega328 (рисунок 2). Данный микроконтроллер — изящное решение. Имеет низкую стоимость, весьма распространён, легко программируется. Имеет внушительный список характеристик.
Рисунок 2. Внешний вид микроконтроллера
Этот контроллер выбран по нескольким причинам:
— низкое энергопотребление;
— основан на усовершенствованной AVR RISC архитектуре;
— ATMega328 является 8-ми разрядным CM.
Специальные функции микроконтроллера ATmega328:
— сброс при включении питания и программное распознавание снижения напряжения питания;
— внутренний калибруемый генератор тактовых импульсов;
— обработка внутренних и внешних прерываний;
— 6 режимов сна (пониженное энергопотребление и снижение шумов для более точного преобразования АЦП);
— микроконтроллерная плата.
Агёшпо / Оепшпоипо — это микроконтроллерная плата, которая основана ATmega328P (рисунок 3). Он имеет 14 цифровых входов / выходов (из которых 6 могут использоваться как выходы широтно-импульсной модуляции), 6 аналоговых входов, кварцевый кристалл 16 МГц, и^В-соединение, разъем питания, заголовок ГСБР и кнопку сброса. Он содержит все необходи-
Genuino
ИШ1 U NWf
<4 < < 4 4
1 — цифровые контакты. Применяются с функциями digitalRead, digitalWrite, а также analogWrite, analogWrite функционирует лишь на контактах с символом «PWM»; 2 — светодиод, подсоединённый к контакту 13. Единственный элемент вывода данных, встроенный в плату по умолчанию. Он применяется не только для скетча Blink, но и потому, что очень полезен для отладки; 3 — светодиод, извещающий о питании. Демонстрирует, приобретает ли Arduino / Genuino питание, нужен для отладки; 4 — микроконтроллер ATmega. «Сердце» платы; 5 — входные аналоговые контакты. Они используются с функцией analogRead; 6 — контакты GND и 5V. Используются с целью предоставления питания и заземления цепей 5-вольтовым; 7 — уоннектор для питания. Посредством него Arduino / Genuino насыщается, когда не подключена к USB-порту. Может принимать напряжение в диапазоне от 7 до 12 В;
8 — светодиоды RX и TX. Эти светодиоды информируют о коммуникации между Arduino / Genuino и компьютером. Они быстро мигают, если на плату загружается скетч или в момент последовательной коммуникации между устройствами, использу-ются для отладки; 9 — USB-порт. Он применяется с целью питания Arduino / Genuino, с целью загрузки скетчей на Arduino / Genuino и с целью коммуникации с загруженным скетчем, к при-меру через функцию Serial println и т.д.; 10 — кнопка сброса. Она сбрасывает
микроконтроллер Arduino. Рисунок 3. Общий вид микроконтроллерной платы
-123
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 16, 2020
мое для поддержки микроконтроллера. Для начала работы подключается к компьютеру с помощью иБВ-кабеля или с помощью адаптера переменного тока или аккумулятора.
Очень дешевая и функциональная плата. Имеет готовый ИБВ-порт, который в разы облегчает программирование установленного микрокон-троллера, так как не требует специального программатора.
Для отображения информации с контролера выбран дисплей 2 х 16 - 1602А (рисунок 4).
Рисунок 4. Внешний вид дисплея
Модель выбрана по следующим причинам: простота работы с ней, низкая цена, библиотеки готовы.
Места на экране достаточно, чтобы написать меню. Чтобы подключить дисплей к последовательному интерфейсу, используется простая 8-битная микросхема PCF8574. Она одновременно реализует шину 12С и расширитель параллельных портов ввода / вывода. К PCF8574 (модуль i2c) можно подключить до 8 параллельных линий [5]. Будет использоваться только 7, потому что подключён OLED-дисплей в 4-битном режиме.
Поскольку нужно измерять концентрацию аммиака в воздухе, необходим дешевый, но достаточно точный датчик. Такой датчик — MQ-135 (рисунок 5). Его преимущества: низкая цена, высокая чувствительность и надёжность.
Напряжение питания 5 В. Этот датчик имеет цифровой сигнал. Аммиак задаётся одним сигнальным проводом (Б). М^135 связывается с хостом, таким как АМшпо, используя свой собственный протокол. Благодаря тому, что датчик выполняет измерения только по запросу, достигается энергоэффективность: при отсутствии связи датчик потребляет очень мало тока.
G □ H о Е О Н = V
О 1S-3 с X? > let J£J
Э 0 МО» U1 XI С О LS-J 9 У
о о □
01 __л_J s V G i ты
б)
а) внешний вид платы; б) общий вид платы Рисунок 5. Датчик газа
Модуль Wi-Fi реализует функции мониторинга и удаленного управления через сеть. Выбран модуль ESP8266 (рисунок 6).
По умолчанию модуль настроен на работу через AT-команды. Управляющая плата посылает команды — Wi-Fi модуль выполняет соответствующую операцию. Внутри чипа ESP8266 находится целый микроконтроллер, который является самодостаточным устройством. Прошивать модуль можно на разных языках программирования.
Рисунок 6. Внешний вид модуля Wi-Fi ESP8266
Модуль ESP8266 подключен к Arduino через последовательный интерфейс. Можно использовать как Software Serial, так и Hardware Hardware Serial. Вариант подключения модуля выбирается в панели настроек модуля. Модуль управляется AT-командами [2, 6].
Для моделирования электрической цепи выбрана программа Proteus (компьютерный дизайн), версия 8.6. Она используется из-за удобства и для того, чтобы правильно понять,
будет ли работать стенд, когда будет сшит оригинальный проект. Окончательный модуль Wi-Fi также будет прикреплен к финальной работе, что позволит контролировать устройство на расстоянии, но, поскольку у программы Proteus нет его модели, можно поставить порты для его реализации.
По структурной схеме с подобранными компонентами собирается электрическая схема (рисунок 7).
Рисунок 7. Электрическая схема
Выводы
Разработанная система реализована на самой современной элементной базе, используемой для построения устройств с интерфейсом Ethernet, многофункциональной, легко перестраиваемой для конкретных приложений, и является оптимальной с точки зрения затрат на внедрение.
Ожидаемым результатом проекта является создание системы контроля над содержанием аммиака для птицеферм. Разработанная система может быть объединена с другими системами контроля, такими как система вентиляции, контроль температуры, контроль влажности.
Список литературы
1. Salikhov R.B., Yusupov A.R., Lachi-nov A.N., Rakhmeev R.G., Gadiev R.M., Sala-zkin S.N. Chemical Sensors Based on Nano-Polymer Films // Measurement Techniques. 2009. Vol. 52. No. 4. P. 427-431.
Также система имеет низкую стоимость компонентов. Все компоненты продаются в крупных радиоэлектронных магазинах, что позволяет без особых усилий, затрат времени заменить компонент, вышедший из строя. Все компоненты системы можно заказать в Китае, что понизит общую стоимость системы в 2-2,5 раза.
Разработанная система для контроля содержания аммиака дает возможность полностью исключить пагубное влияние газа на здоровье птиц и позволяет создать безопасную и комфортную среду.
2. Salikhov T.R., Yumaguzin Y.M., Sali-khov R.B. Electronics Applications Based on Thin Polyaniline Films // International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2015 — Proceedings. 2015. P. 7147207.
3. Важдаев К.В., Абдрахманов В.Х., Са-лихов Р.Б. Интеллектуальная система жилых
-125
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 16, 2020
зон на основе информационно-измерительных систем управления // Электротехнические и информационные комплексы и системы.
2016. Т. 12. № 2. С. 70-75.
4. Salikhov R.B., Abdrakhmanov V.Kh., Vazhdaev K. System of Monitoring and Remote Control of Temperature Conditions, Climate and Heat Consumption // 13 th International Scientific Technical Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE — 2016). Proceedings: in 12 vol. 2016. P. 171-174.
5. Bailey R.A., Persaud K.C. Sensing Volatile Chemicals Using Conducting Polymer Arrays // Polymer Sensors and Actuators Y. Osada, D. E. De Rossi, (Eds), Berlin, Springer. 2000. P. 149-181.
6. Абдрахманов В.Х., Важдаев К.В., Салихов Р.Б. Разработка средств автоматизации с использованием Wi-Fi модулей esp8266 и lpwan технологий // Электротехнические и информационные комплексы и системы.
2017. Т. 13. № 4. С. 98-108.
References
1. Salikhov R.B., Yusupov A.R., Lachi-nov A.N., Rakhmeev R.G., Gadiev R.M., Sala-zkin S.N. Chemical Sensors Based on Nano-Polymer Films. Measurement Techniques, 2009, Vol. 52, No. 4, pp. 427-431.
2. Salikhov T.R., Yumaguzin Y.M., Salikhov R.B. Electronics Applications Based on Thin Polyaniline Films. International Siberian
Conference on Control and Communications, SIBCON2015—Proceedings, 2015, P. 7147207.
3. Vazhdaev K.V., Abdrakhmanov V.Kh., Salikhov R.B. Intellektual'naya sistema zhilykh zon na osnove informatsionno-izmeritel'nykh sistem upravleniya [Intelligent System of Living Areas on the Basis of Information-Measuring Control Systems]. Elektrotekhnicheskie i infor-matsionnye kompleksy i sistemy — Electrical and Data Processing Facilities and Systems, 2016, Vol. 12, No. 2, pp. 70-75. [in Russian].
4. Salikhov R.B., Abdrakhmanov V.Kh., Vazhdaev K. System of Monitoring and Remote Control of Temperature Conditions, Climate and Heat Consumption. 13th International Scientific Technical Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE — 2016). Proceedings: in 12 vol. 2016, P. 171-174.
5. Bailey R.A., Persaud K.C. Sensing Volatile Chemicals Using Conducting Polymer Arrays. Polymer Sensors and Actuators Y. Osada, D. E. De Rossi, (Eds), Berlin, Springer, 2000, P. 149-181.
6. Abdrakhmanov V.Kh., Vazhdaev K.V., Salikhov R.B. Razrabotka sredstv avtomatizatsii s ispol'zovaniem Wi-Fi modulei esp8266 i lpwan tekhnologii [Development of Automation Facilities Using Wi-Fi Modules ESP8266 and LPWAN Technologies]. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy — Electrical and Data Processing Facilities and Systems, 2017, Vol. 13, No. 4, pp. 98-108. [in Russian].
