олег. ВР.pdf (2). 2 аннотация
 Скачать 3.7 Mb.
|
|
2 АННОТАЦИЯ Отчет 57 с., 6 гл., 46 рис., 2 табл., 9 источников, 2 приложения. ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ, МОДУЛЬ, БЕСПРОВОДНАЯ ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ, РЕЗИСТИВНЫЕ ДАТЧИКИ, ЁМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ, ARDUINO, LORA, ВЛАЖНОСТЬ Объектом исследований являются различные модули сбора и беспроводной передачи данных о влажности почвы, актуальность применения которых в настоящее время очень высока. Область их применения определяется изначальной постановкой задачи и установлением необходимых требований к системе, поскольку система пригодна к использованию как в пределах домашних посадок, так и в сельском хозяйстве, на большой территории. В связи с этим перед данной работой поставлена задача разработать и провести апробацию системы мониторинга и сбора данных о влажности почв. В результате работы: а) Проведен обзор литературных источников. б) Изучены принципы работы различных датчиков влажности почв и управления ими. в) Проведено тестирование резистивного датчика на двух различных типах почвы. г) Проведено тестирование ёмкостного датчика на двух различных типах почвы. д) Изучены принципы работы модуля беспроводной передачи данных. е) Физически полностью собрана и подключена вся система. ж) Изготовлены собственные образцы резистивных и емкостных датчиков и проведена их апробация. з) Проведены анализ полученных результатов и оформление работы. 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ................................................................................................................................... 4 1 Общие сведения о датчиках влажности почвы ........................................................... 5 1.1 Резистивные датчики................................................................................................. 6 1.2 Ёмкостные датчики ................................................................................................... 7 1.3 Применение датчиков ................................................................................................ 9 2 Разработка датчиков влажности почв ............................................................................ 11 2.1 Схема кондуктометрического датчика влажности почв .................................... 12 2.2 Изготовление резистивного датчика влажности почв ........................................ 12 2.3 Изготовление ёмкостного датчика влажности почв ........................................... 14 2.4 Тестирование резистивного датчика влажности почв ........................................ 18 2.5 Тестирование ёмкостного датчика влажности .................................................... 19 3 Модули беспроводной передачи данных ......................................................................... 21 4 Общая структура системы ................................................................................................ 25 4.1 Алгоритм выполнения программы ....................................................................... 26 4.2 Итоговый вид системы ............................................................................................ 30 5 Результаты проведенных исследований ......................................................................... 35 6 Обеспечение безопасности труда...................................................................................... 42 Заключение ............................................................................................................................ 45 Список использованных источников и литературы ........................................................ 46 Приложение А (справочное) ................................................................................................ 47 Приложение Б (справочное) ................................................................................................ 50 4 ВВЕДЕНИЕ Во все времена люди старались улучшить и облегчить все процессы жизнедеятельности. Технологии точного земледелия в наше время являются основополагающими в сельскохозяйственной отрасли. Одним из немаловажных параметров для применения этих технологий является влажность. Прибор, которым измеряют уровень влажности, называется гигрометром или просто датчиком влажности. В повседневной жизни влажность так же выступает немаловажным параметром, и часто не только для самой обычной жизнедеятельности, но и для подбора условий применяемости различной техники в различных отраслях сельского хозяйства (влажность почвы). Так же нельзя не заметить, что в настоящее время набирает обороты популярность научных разработок в области микроэлектроники для решения сельскохозяйственных задач. Ввиду высоких темпов развития различных областей радиофизики и микроэлектроники, а также необходимости решения поставленных перед нами сельскохозяйственных задач, встала необходимость разработать и провести апробацию системы мониторинга и сбора информации с датчика влажности почвы. Целью данной научно-исследовательской работы является разработка и апробация системы мониторинга и сбора данных о влажности почв. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи: а) Обзор литературных источников и формирование структуры системы сбора информации с датчиков влажности почв; б) Изучение принципов работы различных датчиков влажности почв, модулей передачи данных и управления ими; в) Разработка системы сбора информации с датчиков влажности почв; г) Тестирование датчиков и разработанной системы для различных типов почв; д) Анализ полученных результатов и оформление работы. 5 1. Общие сведения о датчиках влажности почвы Датчики влажности – приборы, предназначенные для измерения мгновенного значения влажности в измеряемой области. В основном они выглядят так, как показано на рисунке 1. Существуют различные виды датчиков, которые, в свою очередь, имеют различные характеристики и могут быть применимы в различных областях измерений. Датчики влажности являются важной составляющей современного земледелия. На их основе, например, возможно создание систем автоматического полива. Рисунок 1 – Датчик влажности В ходе работы было рассмотрено несколько источников по данной теме и рассмотрены аналоги аппаратной платформы, их механические размеры и электрические свойства. Затем были определены основные этапы разработки и исследования различных свойств, влияющих на результаты, а именно: степень солености почвы, вид грунта, степень погружения датчика в измеряемую область. На первом этапе разработки прибора была поставлена задача создать алгоритм для управления процессом получения измерений, а также записи полученных данных на внешний носитель (в данном случае SD карта). Алгоритм составлялся на языке C++ и, по сути, представляет собой некий “сборник” из уже готовых 6 алгоритмов, местами измененный под необходимые нам условия. Подробнее данный алгоритм будет рассмотрен ниже. 1.1 Резистивные датчики Такой датчик включает в себя два электрода, которые нанесены на подложку (как показано на рисунке 2), а поверх самих электродов нанесен слой материала, который отличается достаточно малым сопротивлением, однако, сильно меняющимся в зависимости от влажности. Подходящим материалом в данном устройстве может выступать оксид алюминия. Данный материал хорошо поглощает из внешней среды воду, при этом удельное сопротивление его заметно изменяется. В результате, общее сопротивление цепи измерения такого датчика будет значительно зависеть от влажности. Так, об уровне влажности станет свидетельствовать величина протекающего тока. Достоинство датчиков такого типа – малая их цена [1]. Рисунок 2 – Принципиальная схема резистивного датчика Резистивные датчики производят измерение используя электрический ток, который проходя через электроды, погруженные в измеряемую область, изменяет свою величину, далее значение записывается на какой-либо носитель, будь то SD карта памяти или компьютер, на который данные попадают с использованием GSM или Wi-fi модуля. Так же самым простейшим из резистивных датчиков, и как 7 следствие, самым применяемым, является датчик FC-28 (показан на рисунке 3), подключаемый к платформе Arduino. Именно с помощью данной платформы производится управление датчиком, его калибровка и подключение к SD карте памяти или передающему GSM или Wi-fi модулю. Так же данный тип датчиков обладает большой инерционностью. Рисунок 3 – Резистивный датчик влажности FC-28 1.2 Ёмкостные датчики Ёмкостные датчики, в отличие от резистивных имеют значительно более высокие показатели износостойкости, в связи с тем, что через ёмкостные датчики не проходит электрический ток постоянно, т.к. определение степени влажности почвы происходит при помощи измерения ёмкости. Так же положительным моментом, располагающим к использованию ёмкостных датчиков, является то, что ёмкостные датчики охватывают большую площадь измеряемой области, чем резистивные [1]. Емкостные гигрометры (показан на рисунке 4), в самом простом случае, представляют собой конденсаторы с воздухом в качестве диэлектрика в зазоре. 8 Известно, что у воздуха диэлектрическая проницаемость непосредственно связана с влажностью, а изменения влажности диэлектрика приводят к изменениям в емкости воздушного конденсатора. Рисунок 4 – Принципиальная схема ёмкостного датчика Более сложный вариант емкостного датчика влажности в воздушном зазоре содержит диэлектрик, с диэлектрической проницаемостью, которая может сильно меняться под влиянием на него влажности. Данный подход делает качество датчика лучше, чем просто с воздухом между обкладками конденсатора. Такой вариант хорошо подходит для проведения измерений относительно содержания воды в твердых веществах. Исследуемый объект размещается между обкладками такого конденсатора, к примеру объектом может быть таблетка, а сам конденсатор присоединяется к колебательному контуру и к электронному генератору, при этом измеряется собственная частота полученного контура, и по измеренной частоте «вычисляется» емкость, полученная при внесении исследуемого образца. Безусловно, данный метод обладает и некоторыми недостатками, например при влажности образца ниже 0.5 % он будет неточным, кроме того, измеряемый образец должен быть очищен от частиц, имеющих высокую диэлектрическую 9 проницаемость, к тому же важна и форма образца в процессе измерений, она не должна изменяться в ходе исследования [1]. Третий тип емкостного датчика влажности приведен на рисунке 5 – это ёмкостный тонкопленочный гигрометр. Он включает в себя подложку, на которую нанесены два гребенчатых электрода. Гребенчатые электроды играют в данном случае роль обкладок. С целью термокомпенсации в датчик дополнительно вводят еще и два термодатчика [1]. Рисунок 5 – Ёмкостный тонкопленочный гигрометр 1.3 Применение датчиков Рассмотрим систему автоматического полива на основе применения ёмкостного датчика. Для начала, необходимо задуматься о приобретении программируемого контроллера. Если участок небольшой, то достаточно установить 3–4 датчика влажности для разных типов полива. Например, сад нуждается в меньшем поливе, малина любит влагу, а для бахчи достаточно воды из почвы, за исключением чрезмерно засушливых периодов. На основании собственных наблюдений и измерений, проведенных при помощи датчиков влажности, можно приблизительно рассчитать экономичность и 10 эффективность подачи воды на участках. Процессоры позволяют вносить сезонные корректировки, могут использовать показания измерителей влажности, учитывают выпадение осадков, время года. Некоторые датчики влажности почвы оснащены интерфейсом RJ-45 для подключения к сети. Прошивка процессора позволяет настроить систему так, что она будет оповещать о необходимости полива через социальные сети или SMS-сообщением. Это удобно в тех случаях, когда невозможно подключить автоматизированную систему полива, например, для комнатных растений [2]. Для системы автоматизации полива удобно использовать контроллеры с аналоговыми и контактными входами, которые соединяют все датчики и передают их показания по единой шине к компьютеру, планшету или мобильному телефону. Управление исполнительными приборами происходит через WEB-интерфейс [2]. 11 2. Разработка датчиков влажности почв В виду низкой износостойкости датчика FC-28 возникла необходимость изготовить собственный датчик влажности, который будет менее подвержен воздействию коррозии. Щупы данного датчика легко подвергаются воздействию воды, солей и остальных примесей, находящихся в почве, а также других условий, вызывающих коррозию металла. Состояние датчика спустя 1 месяц его нахождения во влажной почве показано на рисунке 6. Рисунок 6 – Коррозия датчика влажности FC-28 Как можно видеть на рисунке 6, датчик практически приходит в негодность, поскольку контактные дорожки на щупах почти полностью съедены ржавчиной, и присутствуют наросты, что тоже накладывает свой отпечаток на правильность получаемых с датчика значений. В связи с этим, было принято решение изготовить свой собственный датчик, который будет более стойким к воздействию окружающей среды. Для простоты изготовления нового датчика был выбран простейший кондуктометрический тип сенсора. 12 2.1 Схема кондуктометрического датчика влажности почв Для создания кондуктометрического датчика влажности почв была выбрана схема, представленная на рисунке 7. Она представляет собой элементарную схему делителя напряжения. Питание в данном случае осуществляется от макетной платы Arduino напряжением 5 В. С верхнего плеча делителя снимается информационный сигнал. В качестве него был выбран резистор с сопротивлением 10 кОм. Когда щупы опущены в землю между ними образуется сопротивление (на схеме отображено условно R2), если почва сухая, то сопротивление бесконечно большое, а если влажная, то оно стремится к 0. Так как два сопротивления R1 и R2 образуют делитель напряжения, а средней точкой является выход (out a0), то от величины сопротивления R2 зависит напряжение на выходе. К примеру, если сопротивление R2=10 кОм, то напряжение будет 2,5В. Нижним плечом делителя непосредственно является активная часть датчика влажности почвы, состоящая из двух близкорасположенных проводящих отрезков линии. Рисунок 7 – Схема подключения датчика влажности [5] 2.2 Изготовление резистивного датчика влажности почв Первый образец датчика был изготовлен из двух отрезков проволоки длиной 10 см, к которым припаяны провода и к + входу питания так же был врезан резистор с сопротивлением 10 кОм, как показано на рисунке 7. Внешний вид первого варианта датчика показан на рисунке 8. 13 Рисунок 8 – Первый прототип датчика влажности После проведения первых измерений оказалось, что одним из параметров, влияющих на правильность проводимых измерений, является расстояние между электродами, которые погружаются в измеряемую область. После этого, было решено изготовить макет датчика с возможностью изменения расстояния между щупами и их четкой фиксацией. Расстояние между щупами изменялось в пределах от 1–5 сантиметров. Внешний вид системы изображен на рисунке 9. Рисунок 9 – Система для изменения расстояния между щупами 14 2.3 Изготовление ёмкостного датчика влажности почв При постановке задачи было решено самостоятельно изготовить и протестировать резистивные и ёмкостные датчики, определить наиболее износостойкую и точную конфигурацию для проведения измерений.Датчики изготавливались подобными по форме и размеру электродов, датчикам, изготовленным на заводе в Китае для проектов на Arduino. Для изготовления датчиков была применена технология травления печатных плат при помощи хлорного железа (FeCl3). Сухое хлорное железо растворяется в воде до тех пор, пока не будет получен раствор золотисто-желтого цвета. Сам процесс травления занимает от 10 минут до целого часа. Продолжительность данного процесса зависит от концентрации хлорного железа и температуры раствора. По окончании травления датчик необходимо промыть большим количеством воды с мылом для нейтрализации остатков кислоты. В процессе изготовления на куски текстолита был перенесен рисунок с расположением электродов путем нагревания листа бумаги с рисунком. Затем при помощи раствора хлорного железа были вытравлены лишние элементы проводящей подложки, как показано на рисунке 10. Рисунок 10 – Процесс изготовления ёмкостных датчиков Было изготовлено 3 образца ёмкостных датчиков влажности почвы. Первый – обработан лаком марки “НЦ-62Б” (Рисунок 11). Лак нанесен на поверхность датчика специальной кистью. 15 Рисунок 11 – Образец №1, обработанный лаком марки “НЦ-62Б” Второй датчик обработан термостойким лаком “KUDO” и изображен на рисунке 12. Лак нанесен путем распыления на обрабатываемую область при помощи специального баллона. Рисунок 12 – Образец №2, обработанный лаком марки “KUDO” Третий образец был оставлен без обработки (Рисунок 13). Рисунок 13 – Образец №3 без дополнительной обработки поверхности Далее, для датчиков была собрана схема обвязки, которая показана на рисунке 14. Данная схема включает в себя резистор R2 сопротивлением 10 кОм, на который с выхода D9 микроконтроллера подается ШИМ сигнал с частотой 4 МГц, который затем проходит через цепь R2 – C3, которая является фильтром нижних частот. 16 После чего сигнал с ФНЧ проходит через делитель напряжения с ёмкостью конденсатора 0,1 мкФ, и сопротивлением резистора 100 кОм, после которого снимается выходной сигнал. Рисунок 14 – Схема обвязки для ёмкостных датчиков SC – это один из выходов самого ёмкостного датчика влажности, т.е. одна из подложек. Вторая подключена на заземление. Выход, подписанный на схеме ADC2 – является выходной точкой, с которой и снимается итоговое значение напряжения в измеряемой среде. После изготовления была проведена первичная калибровка датчиков, путем подбора частоты сигнала, который подается в датчик. Подбор частоты был организован при помощи специальной программы на Arduino, при работе которой подавались различные частоты и записывались показания датчика во влажной и сухой средах. В ходе калибровки экспериментальным путём было определено что наиболее пригодной для измерения (ввиду наибольшей разницы между значениями в сухой и влажной среде) является частота 4 МГц. Далее датчики были откалиброваны путем проведения измерений ёмкости в 4 точках измеряемого диапазона: 0, 30, 80, 100 % влажности. Затем, при помощи программы Origin был построен график изменения влажности. По общему виду была подобрана функция (из списка заранее заложенных в программе), которая наиболее точно описывает вид кривой, получающейся при построении графика с реальными показаниями датчика. Данное уравнение затем было заложено в программный код системы сбора информации с датчиков влажности почв, и при каждом измерении программа 17 проверяет, к какому диапазону 0–100 % принадлежит получившееся значение и выдает результат измерения влажности в процентах. Для выявления ошибок в полученных данных, которые выводятся в процентах, помимо них выводится реальная величина, получаемая с датчика, что позволяет “вручную” следить за правильностью калибровки датчиков. Отдельным предметом изучения стала чувствительность датчиков при обработке двумя различными типами лаков. Для этого были проведены измерения в трех точках и получены значения ёмкости в трех различных средах: вода, почва и воздух. Результаты данных измерений представлены на рисунках 15 и 16. Рисунок 15 – Результаты проведенных измерений ёмкостным датчиком Рисунок 16 – График калибровки датчиков влажности почв 18 Как видно из графика, датчик, который ничем не обработан, в 2 раза более чувствительный, чем датчики с нанесением лака. При одинаковой толщине изготовленных датчиков наиболее чувствительным (из обработанных лаком) проявил себя образец №2. Разница в чувствительности между образцами №1 и №2 обусловлена различной диэлектрической проницаемостью лаков. Ввиду наибольшей чувствительности датчика №2, он является наиболее пригодным для использования, следовательно, наиболее пригодным способом обработки является напыление лака. |