«АВТОНОМНОЕ УСТРОЙСТВО СБОРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ С ПОЛЕЙ АГРОПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ»
НАЗНАЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА
АВТОНОМНОЕ УСТРОЙСТВО СБОРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ С ПОЛЕЙ АГРОПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ (Аппаратно-программный комплекс сбора полевых метеоданных) предназначен для:
Измерения температуры, влажности воздуха и почвы. Беспроводной передачи полученных данных по радиоканалу с частотой 2.4 ГГц на расстояние не менее 1-2 км. Отображения данных на собственном OLED дисплее по нажатию кнопки. Обработки принятых данных на центральном узле с использованием различного программного обеспечения.Данное устройство обеспечивает сбор указанных данных с конкретного поля, участка агропромышленного предприятия. На каждом поле агропромышленного предприятия может быть установлено такое устройство, которое будет передавать данные в центр обработки. Таким образом у специалистов агрономической службы может быть представлена картина метеоданных по каждому отдельному полю.
Внешний вид устройства
СОСТАВ УСТРОЙСТВА
Микроконтроллер Arduino Uno . Радиомодуль NRF24L01+PA+LNA. Power Shield с аккумуляторной батареей 3,7В. Датчик температуры и влажности SHT10. Датчик температуры и влажности HTU21D. . OLED LCD LED Display Module 0.91 " Солнечная батарея 5V. Программное обеспечение обработки полученных данных на основе (Processing 3.1)КОНСТРУКЦИЯ УСТРОЙСТВА
Корпус прибора смоделирован самостоятельно и распечатан на 3D‑принтере.
Имеет защиту от проникновения влаги внутрь. Устанавливается в землю с помощью штыря измерителя, дополнительного крепления не требует.
Состав корпуса:
Верхняя крышка с закрепленной солнечной батареей, обеспечивающая, в том числе основной корпус устройства от попадания внутрь осадков.
Основание, в котором установлены электронные компоненты:
Снизу к основанию крепится щуп с датчиком температуры и влажности почвы, а также имеется отверстие с защитной решеткой для датчика температуры и влажности воздуха:
Средняя панель с дисплеем отображения параметров и кнопкой его включения, крепится к основанию с помощью 4-х винтов:
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ДАТЧИКОВ И МОДУЛЕЙ УСТРОЙСТВА
Основа устройства - микроконтроллер Arduino UNО.
Arduino UNО — аппаратная вычислительная платформа c микроконтроллером, основными компонентами которой являются микроконтроллер, устройство ввода-вывода и среда разработки. Arduino, применяется для создания электронных устройств с возможностью приема сигналов от различных цифровых и аналоговых датчиков, которые могут быть подключены к нему, и управления различными исполнительными устройствами.
Радиомодуль NRF24L01+PA+LNA
Модуль NRF24L01 позволяет связать приборы радиоканалом передачи данных. С помощью NRF24L01 до семи приборов объединяются в общую радиосеть топологии звезда на частоте 2,4 ГГц. Один прибор в радиосети ведущий, остальные ведомые. Содержит приемник, передатчик и антенну.
Основа модуля микросхема nRF24L01+ фирмы Nordic Semiconductor.
Радиомодуль NRF24L01+PA+LNA отличается повышенной чувствительностью приемника и увеличенной мощностью передатчика, что позволило передавать данные со скоростью передачи до 250Kb на расстояние до 1000 метров.
- Частота передачи/приема 2.4ГГц. Дальность до 100 м. В помещении - до 30 м. Скорость до 2 Мб. Возможные варианты: 250kbps, 1Mbps и 2Mbps. Интерфейс взаимодействия с микроконтроллером - SPI. Напряжение: 3-3.6В (рекомендуется 3,3) В. При попытке подключения 5 В вывод из строя маловероятен, но работать устройство отказывается.
Датчик относительной влажности и температурыSHT10
Датчик SHT10 простой в использовании, высокоточный, цифровой, с выводом температуры и влажности. Датчик хорошо откалиброван, что обеспечивает превосходную точность и стабильность показаний, и обеспечивает долговременность использования.
- Диапазон измеряемой влажности 0..100% Точность при 25°C 4,5% Время отклика 8с Напряжение питания 3В Рабочая температура-40…+125°С
Датчик SHT10 помещен в щуп устройства, в котором есть отверстия диаметром 1-2 мм, которое обеспечивает считывание величины температуры и влажности почвы.
Цифровой датчик влажности HTU21D
Датчик температуры и влажности
- Напряжение питания: 3,3 Вольта Интерфейс: I2C Диапазон измерения влажности: 0-100% Диапазон измерения температуры: от -40 до + 105°C Точность измерения влажности: ± 2% Точность измерения температуры: ± 0,3°C
АЛГОРИТМ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА
Измерение температуры и влажности почвы производится датчиками SHT10, а аналогичных параметров воздуха датчиком HTU21D. Периодичность измерения задается может быть следующей:
В автономном режиме задается программным путем каждые 10-20 минут.
По нажатию кнопки на корпусе прибора.
По команде оператора центрального узла.
Данные полученные, с указанных датчиков передаются на компьютер центрального узла, где отображаются на экране и записываются в файл. Также эти данные могут экспортироваться в программу Microsoft Excel, для статистического анализа и обработки.
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА
Программное обеспечение реализует следующие функции:
Считывание сигналов с датчика SHT10. Считывание сигналов с датчика HTU21D. Передача данных с помощью модуля NRF24L01. Прием данных с помощью модуля NRF24L01. Удаленное управление считыванием данных с датчиков. Вывод полученных результатов на монитор ПК и запись в файл.Взаимодействие Arduino UNO и ПК на приемной стороне организовано:
На аппаратном уровне: через порт USB, с созданием виртуального COM_порта.
На программном уровне, путем опроса COM –порта программой созданной на языке PYTON.
ИНТЕРФЕЙС ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ПО
Графический интерфейс пользователя является частью пользовательского интерфейса и определяет взаимодействие с пользователем на уровне визуализированной информации.
Основные элементы GUI разрабатываемого программного обеспечения центра агрономического контроля и управления:
Графическое отображение принимаемых параметров посредством их визуализации в наглядном и цифровом виде.
Построение и ведение графика изменения параметров с отображением данных влажности и температуры в двух отдельных окнах за последние 10 точек регистрации.
В качестве средств визуализации принимаемых параметров используются условные изображения таких приборов как термометр и гигрометр.
Для отображения температуры используется классическая форма представления в виде изменяющегося по высоте столбика, для влажности - используется стрелочный индикатор. Показания в графическом виде дублируются точными цифровыми значениями.
При отображении критических значений (например заморозков на почве или низкая влажность) для отображения значений используется красный цвет шрифта цифровых значений.
Для реализации графического интерфейса мы использовали библиотеку для создания игр и приложений pygame версии 1.9.3. На наш взгляд она показалась самой оптимальной для решения поставленных задач
ПРОТОКОЛИРОВАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ
В целях дальнейшего анализа влияния погодных условий на процесс выращивания сельхозпродукции в данной местности программное обеспечение центра агрономического контроля и управления ведет сохранение получаемых данных в отдельном CSV-файле.
CSV (от англ. Comma-Separated Values — значения, разделённые запятыми) — текстовый формат, предназначенный для представления табличных данных. Основные свойства:
Каждая строка файла — это одна строка таблицы.
Разделителем значений колонок является символ точка с запятой (;).
Значения, содержащие зарезервированные символы обрамляются двойными кавычками ("). Если в значении встречаются кавычки — они представляются в файле в виде двух кавычек подряд.
Выбор указанного типа файла обусловлен тем, что его редактирование и обработка поддерживаются широко распространенными программами Microsoft Excel и свободно распространяемой LibreOffice Calc.
Для записи данных в файл используется библиотека csv, входящая в стандартный пакет библиотек Python 3.6.3
Пример файла csv:
temp_soil;temp_air;wet_soil;wet_air
0;0;0;0
58.0;39.0;73.0;-3.0
78.0;12.0;44.0;20.0
65.0;-1.0;40.0;13.0
3.0;32.0;87.0;32.0
12.0;19.0;40.0;17.0
57.0;9.0;9.0;-7.0
……………………………..
Как видно из примера, структура файла состоит из :
Первой строки, являющейся заголовками столбцов, и строк данных где каждое новое значение отделено точкой с запятой.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Аппаратно-программный комплекс сбора полевых метеоданных обеспечивает измерение температуры, влажности воздух и почвы. Эти данные являются основными для эффективного ведения сельского хозяйства.
Использование указанных данных с конкретного поля, участка позволит оптимизировать многие процессы выращивания и сбора сельхозпродукции и повысить урожайность сельскохозяйственных культур.
Сбор и статистический анализ данных за несколько лет обеспечит прогнозирование появления различных как благоприятных, так и неблагоприятных факторов влияющих на сельскохозяйственное производство.
Использование языка программирования общего назначения Python для разработки программного обеспечения позволило комплексно решить следующие задачи:
Обмена данными между персонального компьютером и микроконтроллерами.
В наглядной и доступной форме отображать получаемые данные с сигнализацией критических значений.
Вести протоколирование регистрируемых параметров с сохранением в отдельный файл.
Достигнута договоренность на сезон 2018 года с ИП , село Анновка об апробации двух данных устройств и программного обеспечения, в целях доработки и усовершенствования.
Направления дальнейшей работы:
Замену Arduino Uno на центральном узле на микроконтроллер ESP32, для организации беспроводного доступа работников данного агропромышленного предприятия к данным с полей в пределах офиса, территории, на которой поддерживается Wi-Fi.
Разработка локального WEB-сервера центра агрономического контроля и управления для обеспечения беспроводного доступа без ограничения времени и места.
