ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ
Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение города
Москвы «Школа № 000»
124683, Москва, г. Зеленоград, Корпус 1556,
Тел.: (499)717-27-47 E-mail: *****@***mos. ru
Автоматизированная система полива, основанная на согласовании показаний влажности-температуры и потребностей культуры, указанной пользователем
Проект выполнила: ,
ученица 11 класса ГБОУ школы № 000
Руководитель:
Оглавление
Введение 3
Цели и задачи 3
Существующие системы автополива. 4
Система Hunter 4
Система GARDENA 4
Проблемы 5
Предварительные исследования, необходимые для моего проекта 6
Ботаническое описание, необходимое для создания системы автополива 6
Экономическое обоснование 6
Интернет вещей 8
MQTT протокол 8
Реализация MQTT протокола 8
Брокер данных 8
Платформа народного мониторинга 9
Программа математической модели 11
Структурная схема. 11
Заключение 12
Введение
В условиях шумного и пыльного города человек стремится к тишине и покою. С этой целью люди приобретают участки и загородные дома. На выходные многие уезжают на дачу, где разводят огород. Со временем этот отдых превращается в тяжкий труд: растения требуют тщательного ухода, хозяева теперь обязаны приезжать каждые выходные на свой дачный участок, а также поддержание жизни растений часто требует физических усилий. Таким образом, многие отказываются от содержания огородов.
Но в основном хозяевами огородных участков остаются пожилые люди, которые самозабвенно отдаются уходу за растениями. Однако такая деятельность ведет за собой тяжелую физическую работу: полив растений, борьба с сорняками, с вредителями. Однако чаще всего выделяют как самую затратную и неприятную работу ручной полив растений. К счастью, возможно создать технологии, призванные облегчить дачникам и садоводам полив растений.
Я решила создать систему автополива, которая должна избавить людей от этой тяжкой работы.
Цель:
Создать автоматизированную адаптивную систему полива, основанную на согласовании показаний датчиков влажности и почвы, а также ориентированную на указанные потребителем профили культуры, для садовых и дачных участков.
Задачи:
Изучить существующие системы автополива, выполнить их сравнительную характеристику Выполнить биологическое исследование вопроса Обосновать используемые технологии Выполнить чертежи, выделить основные части системы Разработка и реализация программной части ТестировкаРезультатом проекта будет являться собственная система автополива, исключающая недостатки и включающая в себя преимущества других систем.
Существующие системы автополива.
Система Hunter
Как и всякая система, система автоматизированного полива Hunter содержит множество элементов, выполняющих каждый свою функцию.
- электронный блок управления (контроллер, блок управления подачей воды) погодные датчики; электромагнитные клапаны; накопительная емкость для воды; насосная система; дождеватели; трубы и фитинги.
Система Hunter может работать в разных режимах. В зависимости от потребности пользователя закупаются и устанавливаются различные элементы системы, такие как датчики влажности почвы, погодные датчики, датчики дождя.
Контроллер системы запрограммирован на полив через определенные промежутки времени. Дополнительно установленные датчики корректируют время полива. Например, датчик дождя останавливает полив во время ливневых осадков, а если установить дополнительно датчик влажности почвы в контрольной точке, он будет корректировать возможность и интенсивность полива во время дождя, если уровень дождевых осадков недостаточный.
После того как программа высчитывает, что необходим полив, контроллер посылает сигнал на блок управления подачей воды, открываются электромагнитные клапаны - это своебразный кран, который регулирует подачу воды. Следующим звеном в системе является дождеватели или спринклеры, непосредственно выполняющие функцию орошения территории.
Система GARDENA
С помощью электромагнитных клапанов система GARDENA регулирует полив отдельных линий в нужном режиме независимо друг от друга. В сочетании с автоматическим распределителем воды таймер GARDENA MasterControl может управлять поливом до шести зон, автоматически организуя их последовательный полив. А датчики дождя и влажности почвы контролируют влажность почвы, прерывают или блокируют запрограммированный цикл полива при выпадении осадков и достаточном увлажнении почвы. Таким образом, через определенное время контроллер открывает электромагнитный клапан на определенной зоне.
Таким образом, изучив популярные системы автополива, можно заметить и выделить проблемы, которые должна решать моя система автоматизированного полива.
Проблемы
Экономичность – моя система полива не должна содержать много дорогостоящих деталей, для того чтобы для любого хозяина дачного участка данная система была по карману.
Автоматизация - система полива должна осуществлять орошение автоматически, не требуя усилий от пользователя.
Повышение урожайности за счет автоматического орошения - очевидна необходимость повышения урожайности, так как в периоды засухи система автополива должна возмещать недостаток воды. А эффективность ручного полива очень мала, в отличие от автоматического.
Однако, изучив принцип работы существующих систем автополива, я заметила, что такой принцип работы не решает очевидно важную проблему.
Существует оптимальный и критический уровень влажности почвы для разных видов растений. Этот показатель характеризует необходимый уровень влажности почвы для определенного растения, при котором культура будет давать наибольший урожай. Совершенно ясно, что нужно учитывать оптимальный уровень влажности почвы для каждой культуры, что сэкономит водные ресурсы и значительно повысит урожайность. Таким образом, можно выделить еще две проблемы: разделение участка на культурные зоны и контроль над влажностью почвы для повышения урожайности.
Для решения этой проблемы установим контроль над влажностью почвы – на каждые 5 квадратных метров поставим датчик влажности почвы, который будет отправлять информацию контроллеру, а он, в свою очередь, в соответствии с указанной культурой определяет оптимальный уровень влажности почвы и решает, необходим ли полив. А также, разделим участок на культурные зоны, в них будут входить группы датчиков почвы.
Так, моя система включит в себя некоторые преимущества других автоматических систем полива и новый, не везде рассмотренный аспект урожайности растений - оптимальный и критический уровень влажности почвы для разных видов растений.
Предварительные исследования, необходимые для моего проекта
Сравнительная характеристика дождевального и капельного полива
Виды полива | Дождевальный | Капельный |
Основные компоненты | Веерные головки, роторный спринклер, электромагнитные клапана | Старт-конектор, концевая заглушка, капельный шланг |
Преимущества | Возможность применения на полях со сложной топографией Большой выбор размеров сопла Мобильность Большая площадь орошения одним сплинклером возможность достижения точной и одинаковой интенсивности полива на поливаемом участке большой площади | исключено искажение сектора полива обеспечен полив конкретного прикорневого участка растения; вода не поступает в соседние ландшафтные зоны; полив равномерно распределяется по всей площади участка; установка системы не требует земляных работ, занимает мало времени; существует возможность подкормки растений минеральными удобрениями; |
Недостатки | Большая стоимость установки Затраты на электроэнергию Искажение сектора полива ветром Образование корки на поверхности почвы Усложняет проведение сельскохозяйственных работ | небольшой срок службы (от 2 до 5 лет) – а это значит, что по мере изнашивания детали системы необходимо будет заменять новыми; возможность повреждения капельницы (шлангов) грызунами или домашними животными. |
Сравнив данные способы полива я выбрала капельный полив, так как он позволит удобно контролировать уровень влажности почвы и более точно разделит участки на зоны.
Ботаническое описание, необходимое для создания системы автополива
Для того чтобы составить программно-алгоритмическую часть проекта нужно составить перечень условий и таблицу значений оптимальных показаний влажности почвы.
В данной таблице представлены показатели влажности почвы для основных культур по нижней границе нормы.
Растения | Оптимальная влажность почвы |
Картофель | 60-75% |
Люцерна | 75-80% |
Кукуруза | 75% |
Капуста | 75-80% |
Огурцы и томаты | 70-75% |
Морковь и свекла | 60-70% |
Травы (укроп, петрушка, кинза) | 80-85% |
Др. овощи | 60-70% |
Помимо контроля над влажностью почвы необходимо выполнять еще некоторые условия:
Огурцы и томаты в прохладную погоду с высокой влажностью воздуха не следует поливать в связи с опасностью поражения их грибковыми и бактериальными заболеваниями. Нельзя поливать растения в жаркое время дня (кроме огурцов), а также большими нормами после значительного иссушения почвы Поливать следует равномерно и не слишком большими объемами.Экономическое обоснование
Моя система автоматизированного полива подразумевает большое количество элементов, отсутствующих в других, уже существующих системах. И возникает разумный вопрос: оправдана ли необходимость контроля над влажностью почвы, или же затраты на новые элементы сильно повысят цену общей стоимости моей системы?
Элементы, отсутствующие в существующих системах и предусмотренные в моей системе автополива – это датчики влажности почвы.
Таких датчиков нужно поставить по датчику на 5 квадратных метров. Насколько сильно они повысят общую стоимость?
Один датчик влажности почвы стоит не больше 300 рублей. Мне необходимы наиболее качественные датчики, для долговечной работы системы. Возьмем участок площадью 300 квадратных метров
Таким образом, стоимость системы повысится на 18000 рублей. Выясним, сколько процентов составляет эти затраты от общей стоимости системы и ее установки.
С помощью онлайн калькулятора группы компаний «ИПААР полив», я рассчитала стоимость оборудования и монтажа на земельный участок площадью 300 квадратных метров. (ссылка на сайт)
Расчет включает в себя стоимость оборудования, емкости и насосного оборудования и монтажных работ
Стоимость оборудования – 85 958 рублей
Монтажные работы – 34 383 рублей
Общая стоимость – 120 341 рублей
Рассчитаем на сколько процентов повысится общая системы:
Это допустимый процент от стоимости, а значит моя система оправдывает затраты, в связи с повышением эффективности работы системы автополива, которая повышает урожайность культур.
Интернет вещей
Мою систему точно описывают современные технологии «Интернет вещей» - The Internet of Things. Так называемые «вещи» - физические элементы, оснащённые встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой. В моем случае «вещами» будут именоваться датчики влажности почвы и главный контроллер (+блок управления поливом). Обмен информацией между ними и пользователем позволяет указать на необходимость использования разработок технологий «интернета вещей».
В первую очередь обозначим средства идентификации: в данной системе автополива, которая подразумевает неразрывную связь между множественными объектами, каждый физический объект будет выходить в сеть, и в таком случае, идентификатором будет являться MAC-адрес сетевого адаптера, позволяющий идентифицировать устройство на канальном уровне.
Для демонстрации системы сервером объединенных в сеть вещей будет являться платформа народного мониторинга, которая обработает данные датчиков и наглядно охарактеризует их.
Для обмена информацией между датчиками и контроллером я буду использовать MQTT протокол. Это наиболее удобный и безопасный способ передачи информации в «интернете вещей».
MQTT протокол
MQTT протокол часто используют для обмена данными. Использование этого протокола позволяет упростить передачу информации и снизить нагрузку на канал связи, обеспечить безопасный обмен данными без риска потери информации. Протокол не накладывает ограничений на структуру, кодирование или схему данных – это делает его простым в использовании. Именно поэтому я выбрала этот протокол для обмена информацией между датчиками и контроллером.
Реализация MQTT протокола
Брокер данных
Брокер — это программа, выполняющая функции TCP сервера с динамической базой данных.
Датчики будут публиковать информацию через брокер данных, через него же контроллер или платформа народного мониторинга будут принимать ее– обмен данными происходит по принципу издатель-подписчик. Издатель публикует информацию под определенным заголовком (топиком), а подписчик забирает информацию, указав необходимый заголовок. Данные передаются пакетом поверх протокола TCP/IP. Получив пакет, брокер рассылает его всем устройствам в сети согласно их подписке. Чтобы устройство что-то получило от брокера оно должно подписаться на топик. Контроль передачи информации осуществляется по трем уровням обслуживания (QoS). Таким образом топики представляют собой удобный механизм организации связей разных видов: один ко многим, многие к одному и многие ко многим.
Платформа народного мониторинга -
Геоинформационный сервис по отображению на карте мира и контролю (на ПК, смартфонах и других гаджетах) показаний датчиков своих участников (температуры, влажности, атм. давления, скорости и направления ветра, радиации, энергопотребления и многих других), а также частных и городских веб-камер для публичного или частного(приватного) просмотра.
Для передачи показаний с датчиков на сервер платформы используется устройство мониторинга, которое собирает показания и отправляет их по сети интернет через MQTT протокол поверх TCP/IP. В моем случае устройством мониторинга будет являться контроллер, обрабатывающий математическую модель показаний датчиков, то есть моделируя показания по определенному математическому закону.
Платформа народного мониторинга удобна в предоставлении и демонстрации информации на интерактивной карте, основанной на картах Google. Возможна публикация данных для общего доступа, при условии наблюдения за температурой и влажностью воздуха внешней среды. В другом случае публикация данных возможна только для автора публикации либо по подписке на него. Уровень влажности почвы не входит в условия общей публикации, поэтому мне удалось вывести данные только через собственный кабинет.
Платформа народного мониторинга предоставляет широкий сервис. Она предоставляет услуги по отслеживанию работы датчиков, наглядной демонстрации показаний за период работы датчика, возможность отслеживания работы датчика в реальном времени, обратной связи с пользователем по смс и эл. почте.
Рис.1 Письмо от народного мониторинга, при отключении контроллера после разрядки.
Рис.2 Инструкция по подключению датчика.
Рис.3 Показания датчика
Рис.4 График показаний.
Программа математической модели
Математическая модель, обрабатываемая контроллером приведена в файле.
Структурная и функциональная схема, схема расположения системы на участке
Для облегчения демонстрации работы системы и для более легкого понимания сторонними людьми принципа ее работы, а также упрощения задач программирования, разделим систему на три части по общему функциональному и смыслового значению. Получится такая схема:
Рис.5 Структурная и функциональная схема.
Рис.6 Схема расположения систем на участке
Верхняя схема демонстрирует необходимость прочной связи между «многим и одним» и между «одним и многим». Маленькими кругами на схеме обозначены датчики влажности почвы, в круглых объектах действующие элементы, в квадратных – осуществляемые действия.
Таким образом, я разделила систему на такие части: датчики, главный контроллер и блок управления поливом.
Нижняя схема показывает возможный способ размещения системы автополива.
Заключение
Я создала математическую модель полива, проиллюстрировав ее на платформе народного мониторинга вывела общий принцип работы системы автополива. В будущем я создам датчик влажности почвы, который будет передавать реальные показания на контроллер, который в свою очередь будет принимать решения о необходимости полива. Так я создам собственную систему автополива, готовую к демонстрации.
Литература
Интернет-журнал ландшафтного дизайна
Умныйполив. рфМонтаж систем автоматического полива
Moezerno. ruОсобенности заводских и самодельных систем автополива
Smart-poliv. ruУстройство системы автоматического полива
www.Система GARDENA
С. А. Дагаргулия «Опытническая работа школьников с растениями» Повышение эффективности орошаемого земледелия в засушливых условиях юго-востока России www. tssonline. ruТехнологии и средства связи. Протокол MQTT. Особенности, варианты применения, основные процедуры MQTT Protocol.
https://narodmon. ruПлатформа народного мониторинга
Онлайн калькулятор группы компаний «ИПААР полив»