Исследование 1

Исследование 1

Для начала я решил исследовать саму тему интернета вещей.

IOT — концепция пространства, в котором все из аналогового и цифрового миров может быть совмещено – это переопределит наши отношения с объектами, а также свойства и суть самих объектов. © Роб Ван Краненбург. [1]

Тогда, если Интернет Вещей – сеть связанных между собой «вещей», нужно дать определение интернет «вещи».

«Вещь» – любой реальный или виртуальный объект, который существует и перемещается в пространстве и времени и может быть однозначно определен. [1]

Преимущество такой системы очевидно: взаимодействие разных «вещей» без контроля человека. Высокоскоростная беспроводная связь, высокие вычислительные мощности, повсеместное наличие интернет соединения и наличие облачных технологий обработки и накопления данных позволяют нам создавать объединения интернет вещей, которые могут  быть размером, как с холодильник, так и с целый город.

Уже сейчас мы можем автоматизировать свою жизнь дома и высвободить время для действительно интересных и важных дел: уход за растениями, присмотр за детьми и здоровое кормление питомцев, — всё это автоматизированно и с функцией удалённого управления. Многие заботы, которые ранее у нас на регулярной основе отнимали время, мы перепоручаем роботам и автоматам. [3]

Мы уже можем наблюдать появление умных городов, умных автомобилей, умных фабрик и многих других умных объектов. Мобильные телефоны и планшеты уже давно подключены к Сети – в них изначально были установлены все необходимые для этого микросхемы и модули – однако микроволновые печи, холодильники и даже одежда начинают «выходить» в интернет только сейчас. [4]

Как было написано в одном из источников [2] у интернета вещей есть 2 направления в разработке:

Удаленное управление “вещами”. Например, открытие/закрытие дверей, включение/выключение охранных систем или, в нашем случае, освещения. Сбор данных с удаленных датчиков, анализ этих данных, а также прогнозирование функционирования исследуемых систем, с возможным применением технологий машинного обучения.

       Моя теплица будет сразу захватывать оба этих направления, она будет отправлять данные на сайт для накопления статистики и управляться удалённо (открытие двери по RFID-пропуску, автоматическая регулировка освещённости, влажности и температуры в теплице). Для этого ей понадобится некий вычислительный центр, который у меня будет представлен одним или несколькими микроконтроллерами.

       Микроконтроллер — это дешевый и маленький компьютер на одной микросхеме, который содержит процессор, небольшой объем оперативной памяти и программируемого ввода-вывода периферийных устройств. [5]

       В моей теплице микроконтроллер будет выполнять функции считывания показаний датчиков, их анализа, управления исполнительными элементами теплицы и отправления данных на сайт. Я подобрал несколько микроконтроллеров и сравнил их эффективность в выполнении этих задач.

Название	Количество входов (аналг/цифр)	Тактовая частота процессора	Операти-вная /флэш память	Вид доступа в интернет	Под-держ-иваемые языки	Це-на
Arduino Uno	6/14	16Мгц	2Кб/32Кб	Нет	Arduino IDE	2000р.
Raspberry Pi	0/0	1200Мгц	1Гб/SD Card	Ethernet, Wi-Fi 100 Мбит/с	С++, Java Script, HTML5	3500р.
Intel Edison	0/0	500МГц+ 100МГц	1Гб/4Гб	Wi-Fi 100 Мбит/с	C++, Arduino, JavaScript, HTML5	7000р.

       

Для работы с датчиками и обработки их данных мне идеально подходит Ардуино, из-за своего количества выводов (позволит подключать больше датчиков), относительно небольшой цены и того, что я знаком с языком C++. Её минус в виде низкой частоты процессора не будет оказывать большого влияния на работу системы, ведь нам не нужна моментальная обработка полученных данных, а такой частоты нам хватит для того, чтобы предоставлять информацию о состоянии теплицы каждый небольшой участок времени. Также Ардуино имеет достаточно низкое энергопотребление, что поможет мне снизить затраты на электричество. Вопрос энергопотребления я рассмотрю позже. Языком программирования микроконтроллера Arduino является Arduino IDE – видоизменённая модификация языка программирования C, которым я владею на приемлемом для данного проекта уровне.

       С другой стороны Intel Edison мог бы выполнять сразу обе поставленные задачи (обработку данных с датчиков и интернет соединение), а его встроенная память могла бы позволить сохранять копию данных о температуре, влажности и освещённости, отправляемых на сайт. Однако высокая цена (больше, чем два остальных микроконтроллера вместе взятых) является минусом, сдвигающий мой выбор в сторону другого варианта.

       Raspberry Pi позволит мне отправлять данные на сайт, при желании с помощью SD-карты можно будет расширить его память и сохранять данные, как это было описано при рассмотрении Intel Edison. Также Raspberry Pi поддерживает язык JavaScript, удобный для написание программы, удовлетворяющей нашим требованиям.

       Проанализировав всю эту информацию я решил использовать два микроконтроллера Arduino и Raspberry Pi, первый будет отвечать за работу с датчиками и исполнительными элементами, а второй за отправление данных на сайт.  Это решение было сделано в основном опираясь на цену, ведь, чем дешевле проект, тем в большое количество мест его можно будет внедрить.

Далее я начал изучать оба этих контроллера в отдельности. Микросхема Arduino, или просто Arduino, включает в себя 8-битный чип Atmel AVR или 32-битный Atmel ARM вместе с другими сопутствующими компонентами, смонтированными на одной печатной плате (PCB). [6].

количество цифровых входов и выходов составляет 14 (а шесть из них имеется возможность использовать как выходы ШИМ); число аналоговых входов составляет шесть 16 МГц – кварцевый резонатор; имеется разъём для питания; есть разъём, предназначенный для ICSP-программирования внутри самой схемы; присутствует кнопка для сброса.

Источник: [8]

Распиновка выглядит следующим образом:

Последовательный интерфейс использует шины №0 (RX – получение данных), №1 (TX – передача данных). Для внешнего прерывания используются выводы №2, №3. Для ШИМ используются выводы за номерами 3,5, 6, 9, 10, 11. Функция analog Write обеспечивает разрешение в 8 бит. Связь посредством SPI: контакты №10 (SS), №11 (MOSI), №12 (MISO), №13 (SCK). Вывод №13 запитывает светодиод, который загорается при высоком потенциале. Uno оснащена 6 аналоговыми входами (A0 – A5), которые имеют разрешение в 10 бит. Для изменения верхнего предела напряжения используется вывод AREF (функция analog Reference). Связь I2C (TWI, библиотека Wire) осуществляется через выводы №4 (SDA), №5 (SCL). Вывод Reset – перезагрузка микроконтроллера.

Источник: [8]

Я также узнал из источника [6] язык Arduino IDE является упрощённой модификацией языка программирования C со встроенными библиотеками для работы с микроконтроллером Arduino, его функционал я изучил, пользуясь информацией, предоставленной источником [7]. После этого я решил ограничить список нужных для отслеживания состояния теплицы датчиков и изучить их подключение к теплицы.

Теплица будет отслеживать влажность почвы, температуру воздуха и освещённость, количество воды в водосборнике.

Датчик влажности почвы:

Подобные датчики подключаются достаточно просто. Два из трех коннекторов - это питание (VCC) и земля (GND). При использовании датчик желательно периодически отключать от источника питания, чтобы избежать возможного окисления. Третий выход - сигнал (sig), с которого мы и будем снимать показания. Два контакта датчика работают по принципу переменного резистора - чем больше влаги в почве, тем лучше контакты проводят электричество, падает сопротивление, сигнал на контакте SIG растет. Аналоговые значения могут отличаться в зависимости от напряжения питания и разрешающей способности ваших аналоговых пинов микроконтроллера. [9]

Один из недостатков датчиков подобного типа - недолговечность их чувствительных элементов. К примеру, компания Sparkfun решает эту проблему, используя дополнительное покрытие (Electroless Nickel Immersion Gold). Второй вариант продления срока действия сенсора - подавать на него питание непосредственно при снятии показаний. При использовании Arduino, все ограничивается подачей сигнала HIGH на пин, к которому подключен датчик. Если вы хотите запитать датчик большим напряжением чем предоставляет Arduino, всегда можно использовать дополнительный транзистор. [9] Для решения этой проблемы есть 2 решения: Использовать более качественные датчики или заменять уже отработавшие. Изучив источник [10] я узнал, как можно самому сделать в кустарных условиях и соединить с Arduino датчик влажности. Это решение подходит для домашних условий (датчик в земле комнатного растения или в одном из небольшого количества модулей моей умной теплицы на крыше частного дома), но при применении моего проекта в больших масштабах, на большом количестве крыш домов или в целых тепличных комплексах такой кустарный способ создания датчиков влажности почвы будет занимать слишком много человеко-часов. Поэтому я решил, что в моём проекте в целях долговечности будет использоваться датчик, представленный в источнике [11].

Калибровка датчиков тоже немаловажный процесс. Показания датчика считываются вызовом функции analogRead(номер_вывода);
Функция возвращает число от 0 до 1023, где:

0...300 - сухая почва 300...500 - увлажнённая почва 500...800 - влажная почва

На показания датчика влияют следующие факторы:

степень погружения датчика в почву тип почвы, её химические и физические свойства наличие и количество примесей в воде

Так, как точной шкалы калибровки у меня нет мне нужно будет провести серию экспериментов с собранной установкой с конкретным типом почвы.

Датчик температуры:

Существует множество различных датчиков температуры и ещё больше датчиков с одновременным измерение температуры и давления, но т. к. в нашей теплице не предусмотрено способа регулировки давления и полностью герметичной мы  не сделаем (это означает, в теплице будет такое же давление, что и снаружи)

Название	Измерение давления	Диапазон	Погрешность	Цена
DS18B20	Нет	-55…125	5%	345
Trema-модуль v2.0	Нет	-55…125	0,5 оС	240
Trema-модуль	нет	-40…125	1оС	189
TMP36GT9Z	нет	-40…125	8%	90
DHT11	да	0…50	2 оС	47

Так, как в данном вопросе нам важна не максимальная точность, а пониженная стоимость (как самого датчика, так и стоимость потребляемой электроэнергии) я выбираю датчик DHT11 за его малую стоимость и распространённость на рынке датчиков (следовательно у нас будет возможность оптовой закупки).

Датчик освещённости:

Так, как нам не важна высокая точность я решил выбрать наиболее дешёвый и удобный датчик освещённости. Из всего списка датчиков освещённости и фоторезисторов я решил использовать селеновый фоторезистор из источника [13]. Его стоимость в разных источниках составляет всего 1,5р. за штуку.

Датчик расстояния:

Так, как бочку у водосборника мы будем делать наиболее высокой (для увеличения давления и следственно упрощения подачи воды в теплицу) нам нужен датчик с большим диапазоном измеряемых расстояний.

Название	Диапазон	Цена
HC-SR04+	3см … 4м	180р.
GP2Y0A21YK0F	10см … 80см	490р.
GP2Y0A02YK0F	20см … 150см	772р.

Как видно из таблицы датчик HC-SR04+ выигрывает по всем параметрам, поэтому я выбираю его для использования в проекте.

RFID-датчик:

       Из представленных датчиков RFID я выбрал набор, состоящий сразу из RFID-модуля RC522 и карты-пропуска для него. Также я рассмотрел разобранный пример взаимодействия сервопривода и RFID-датчика, представленный в примере [16].

Сервоприводы:

Сервоприводы понадобятся нам для разных задач: закрытие двери, открытие форточки, открытие шланга для подачи воды. Для запирания двери я выбрал электромагнитный замок из источника [17]. Для подъёма форточки я использовать такую схему: форточка через блок уравновешена с грузом. Для открытия форточки сервопривод вращает блок. Плюсом такой схемы является то, что сервоприводу нужно прикладывать только небольшие усилия для поворота блока, а удерживать её ему не надо, что позволяет мне расширить выбор сервоприводов, так как теперь большой момент силы не является критерием выбора. Поэтому я искал сервопривод с диапазоном обращения в 360 градусов и с невысокой ценой. Именно по эти критериям я выбрал сервопривод SG92R. Отдельным плюсом данного сервопривода является то, что он может быть непосредственно через Ардуино, а не через внешние источники питания.

Подача воды для полива:

Так, как насосы (помпы) потребляют достаточно большое количество электроэнергии (типичный мембранный насос потребляет 10 Вт, закачивая 2л/мин, т. е. 5вт/л, для перистальтического насоса 10Вт/л) я выбрал использовать для полива давление, создаваемое водой в бочке с водосборником, которая размещена выше уровня земли в теплице (гравитационный способ полива). Для контроля подачи воды я буду использовать такое устройство: гибка трубка зажата пружиной с железной пластинкой на конце, в момент подачи воды ардуино подаёт ток на электромагнит, закреплённый у основания пружины, пружина сжимается, открывая трубку (перистальтический нормальнозакрытй). Плюсом такой схемы является то, что мы подаём ток на электромагнит только в момент открытия, тем более, что электромагнит стоит дешевле помпы (и может быть запитан самой ардуино, в то время, как для подачи нужного напряжения на помпу нам понадобилось реле и внешний источник напряжения в 12В). В такой схеме я буду использовать электромагнит LS-P20/15, который я выбрал из-за его стоимости.

Использовать вместе с Raspberry Pi я решил язык программирования JavaScript, т. к. на этом языке можно легко поставить свой сервер, один из способов сделать это описан в источнике [14]. Через сайт, находящийся на этом сервере можно будет в реальном времени наблюдать за растением через находящуюся в теплице камеру и смотреть за динамикой показателей датчиков. Подключение Arduino Uno к RaspberryPi описано в источниках [18] и [19].

Энерго и ресурсопотребление:

Так, как моя теплица обладает поддержкой модулей она будет состоять из основного состава (корпус, контроллеры, базовые датчики), главной целью которого является поддержание жизни простых растений, не требующих спецефического ухода, при наименьшем энергопотреблении. Другие задачи такие, как поддержание оптимальной температуры в условиях пониженной температуры окружающей среды, обеспечение теплицы дополнительным освещением, обеспечением системы приватного доступа (Rfid карты и электрозамок) будут выполняться подключенными к основе дополнительными модуляими. А, так как для нашей основы будет вожно снижение электропотребления я решил проработать этот вопрос.

Для контроля температуры, влажности почвы и воздуха я использую метод ШИМ (источник [22]). Плата ардуино считывает показания с датчиков, сверяет их с заданными параметрами и решает, нужно ли изменять какой-либо из них. После этого она даёт команду на изменение (открыть окно/шланг) и на короткое время уходит в сон. После истечения таймера сна она просыпается, выключает средства изменения состояния (закрывает окно/клапан) и снова проверяет показатели датчиков. Используя такой метод м ыжертвуем быстродействием и многозадачностью, которые может нам предоставить Arduino Uno, однако приобретаем экономию ресурсов (электроэнергия и вода) и постепенное изменение параметров, а также упрощаем работу системы (ведь для тепличных растений нам и не нужна молниеносная реакция теплицы и одновременное решение сразу нескольких задач).

Электропотребление:

Название	Мощность, Вт
Arduino Uno	0,22
Raspberry Pi	0,75
Электромагнит	1.75
Сервопривод	1,02
Датчики	Потребление почти всехдатчиков очень мало, а в режиме покоя они почти не потребляет
Датчик расстояния	0,01
Общая потребляемая мощность	3,75

2)Потребление воды:

Перцу для нормального роста нужна влажность почвы около 60%. Для этого нужно расходовать 1-2 литра в день на квадратный метр почвы. Как нам показывает источник [20], в котором указаны данные осадков в Москве и области (данные указаны в мм на, чтобы получить л на нам нужно эти данные умножить на 1). Как мы видим 1  крыши с водосборником может почти во всех месяцах обеспечить 1  земли, но для запаса крыша должна быть 2. Это обеспечит наиболее благоприятные условия для перца, а также уменьшит вероятность отсутствия воды для полива из-за неравномерности осадков. Будет реализовано измерение уровня жидкости в бочке сбора воды с помощью ультразвукового датчика расстояния и сигнализация через сайт хозяину теплицы о низком уровне воды. Поливать почву я буду импульсным способом с определением необходимости полива на каждом цикле работы: ардуино сравнивает показания датчиков с заданными параметрами, решает, что нужно начать полив, открывает шланг и на 10 секунд уходит в сон, закрывает шланг, на 50 секунд уходит в сон, повторяет алгоритм. Такой метод предотвратит переливание (за 50 секунд вода рассосётся по почве и показания датчика влажности почвы изменится, а если бы я поливал без остановки вода не успела бы рассосаться и не достигла бы датчика влажности и я бы полил слишком много).

Потребление тепла:

Даже в основном модуле теплицы мне нужно проработать сохранение тепла.

Днём проросший перец требует температуру 22-24 градусов, а ночью 16-18 градусов (12 градусов - экстремально низкая температура для перца).

Как мы видим в источнике [21] такая температура в москве есть только в нескольких летних месяцах. Для сохранения температуры я буду использовать теплосохраняющие материалы для стенок теплицы и примитивный теплоаккумулятор. Роль теплоаккумулятора будет играть бак водосборника. Если его расположить внутри теплицы, то тепло, которое будет накапливать этот бак днём будет постепенно отдаваться теплице ночью, когда температура упадёт.

Теплопотери: Данные в таблицы взяты средние для материала

Название	Сопротивление теплопередаче, ℃*	Цена, р./
Стеклопакет	0,48	1500
Стекло	0,17	1000
Поликарбонат	0,28	150

Из-за высокой цены, сложности установки, трудности покупки листов малого размера стеклопакет нам не подходит. Хрупкое, теплопроводящее стекло тоже не вариант. Поэтому дешёвый и не самый плохой по теплоизоляции сотовый поликарбонат (именно эти полые соты обеспечивают ему дополнительную теплоизоляцию и прочность) становится оптимальным выбором для нашей теплицы.

Так, как моя теплица имеет форму параллелипипеда 1х1х1,2 площадь стенок и крыши будет 5,8 . А средняя разность между тумпературой в теплице (20℃) и температурой улицы составляет 18℃. Из формулы расчёта мощности потерь S*T/R=P, где T – разница температур, P – мощность, S – площадь стенок, R – сопротивление теплопередаче, средняя мощность для поддержания температуры целый год будет 372Вт, что, ссылаясь на дополнительное рассеивание тепла и перепады температуры, можно округлить до 400Вт.

Обеспечивать такую тепловую мощность нам поможет солнечная энергия, которую теплица и тепловой резервуар вбирают днём и (в специальном модуле подогрема) лампы досвета или нагревательные элементы, которые также должны работать по ШИМ (так, как наша программа уже и так его поддерживает). В основной модуль они не включены, так как критерием основного модуля являются низкие затраты электроэнергии.

Список ссылок, Шаров Илья:

[1] https://geektimes. ru/post/149593/

[2] https://habrahabr. ru/company/eastbanctech/blog/281238/

[3] https://habrahabr. ru/post/337456/

[4] https://geektimes. ru/company/friifond/blog/275486/

[5] http://radioschema. ru/tehnicheskaya-informatsiya/chto-takoe-mikrokontroller. html

[6] http://solint. ru/arduino/6

[7] https://all-arduino. ru/programmirovanie-arduino/

[8] http://arduinoplus. ru/arduino-raspinovka/

[9] http:///arduino-datchik-urovnya-vlazhnosti-pochvy-i-avtomaticheskiy-poliv

[10] http://radio-blogs. ru/blog/arduino/datchik-vlazhnosti-pochvy-svoimi-rukami

[11] http://iarduino. ru/shop/Sensory-Datchiki/datchik-vlazhnosti-pochvy. html

[12] http://iarduino. ru/shop/Expansion-payments/cifrovoy-termometr-trema-modul. html

[13] https://ru. /item/50-LDR/32668713683.html? spm=a2g0v. search0104.3.1.117a21bbsim0To&ws_ab_test=searchweb0_0%2Csearchweb201602_1_10152_10151_10065_10344_10068_10342_10343_10340_10341_10543_10084_10083_10618_10307_10301_5711211_10313_10059_5722311_10534_100031_10629_10103_10626_10625_10624_10623_10622_10621_10620_5711111_10142_10125%2Csearchweb201603_38%2CppcSwitch_5&algo_expid=431f127b-9bc5-4c37-b7c4-d7710e65d7b1-0&algo_pvid=431f127b-9bc5-4c37-b7c4-d7710e65d7b1&priceBeautifyAB=0

[14] https://habrahabr.ru/post/327440/

[15] http://iarduino.ru/shop/Expansion-payments/rfid-modul-rc522.html

[16] http://lesson. iarduino. ru/page/kontrol-dostupa-rfid-rc522-servo-arduino/

[17] http://iarduino. ru/shop/Mehanika/zamok-elektromagnitnyy. html

[18]  https://blogs.msdn.microsoft.com/sos/2015/07/01/arduino-raspberry-pi/

[19] http://www. /article/8104171/2013-07-09/

[20] http://www. aif. ru/dontknows/actual/

kakovy_mesyachnye_normy_osadkov_v_moskve

[21] https://pogoda. turtella. ru/Russia/Moscow/monthly

[22] http://ledjournal. info/spravochnik/shirotno-impulsnaya-modulyaciya. html