олег. ВР.pdf (2). 2 аннотация
 Скачать 3.7 Mb.
|
|
2.4 Тестирование резистивного датчика влажности почв Для каждой позиции были проведены контрольные замеры. Все измерения проводились в одинаковых условиях, а в виде измеряемой области выступал стакан с водой. Результаты данных замеров показаны на рисунке 17. Рисунок 17 – Результаты проведенных измерений резистивным датчиком Полученные значения с датчика в диапазоне от 100–720 условных единиц следует перевести в напряжение. Опорное напряжение на Arduino 5В. Т.к. АЦП 10 разрядное это 1024 единицы, 5В/1024 = 0,005мВ получаем значение напряжения на одну единицу и умножаем на количество полученных условных единиц. Соответственно, напряжение на датчике изменялось в диапазоне от 0,5В до 3,6В. 19 На графиках видны резкие скачки напряжения с 720 у.е. до 100 у.е., которые соответствуют моменту погружения датчика в стакан с водой. Затем, как видно из графиков, происходит небольшой рост параметров в течение минуты, и затем устанавливается действительное значение напряжения. Так же для сравнения на рисунке представлен график измерения при помощи датчика FC-28, напряжение на котором на порядок выше, чем напряжение на датчике ручного изготовления из никелированных гвоздей. 2.5 Тестирование ёмкостного датчика влажности Изготовленные датчики были протестированы в течение 7 дней. Датчик был погружен в горшок с землей. Правильность полученных датчиком показаний контролировалась заводским влагомером. График изменения влажности представлен на рисунке 18. Рисунок 18 – Результаты проведенных измерений ёмкостным датчиком На графике представлены результаты мониторинга влажности почвы в горшке с землей. Данное измерение проводилось при помощи датчика №2 с напылением лака. Начальной точкой измерения является значение ёмкости 547,35, что соответствует 80 % влажности почвы. За 7 дней значение ёмкости изменилось до величины 646,73, соответственно, влажность почвы по окончании эксперимента составляет 20 %. 20 Как видно на рисунке 19, датчик после недели нахождения во влажной почве и непрерывной работы не подвергся коррозионному воздействию, что говорит о положительном влиянии напыления лака на датчик. Рисунок 19 – Внешний вид датчика после 7 дней непрерывной работы 21 3. Модули беспроводной передачи данных В данный момент существует множество различных типов модулей для реализации механизма беспроводной передачи данных. У нас уже есть несколько беспроводных протоколов, таких как BLE, Wi-Fi, сотовая связь и т. д., но эти технологии не были идеальными, поскольку им необходимо было передавать информацию на большие расстояния без использования большого количества энергии. Это привело к появлению технологии LoRa, которая может выполнять передачу на очень большие расстояния с низким энергопотреблением [3]. В данной работе будет рассмотрен механизм передачи данных при помощи радио-модулей LoRa SX1278 v.1.0, которые изображены на рисунке 20. Сам по себе, термин LoRa означает Long Range (длинное расстояние). Это беспроводная технология радиочастот, представленная компанией Semtech. Технология LoRa может использоваться для передачи двунаправленной информации на большие расстояния без больших затрат энергии. Это свойство может использоваться удаленными датчиками, которые должны передавать свои данные, просто работая на одном заряде небольшой батареи. Сигналы LoRa при определенных условиях могут преодолевать расстояние 15–20 км и работать от батареи в течение многих лет [3]. Устройства стандарта LoRa представляют собой удобное и готовое решение для низкоскоростной передачи малых объемов данных на относительно большие (сотни метров-километры) расстояния. Устройства LoRa оптимизированы под низкое энергопотребление, что позволяет их использовать с питанием от батарей или аккумуляторов. К примеру, если фермер захочет выводить на домашний дисплей показания о степени влажности почвы, это будет практически идеальным применением для LoRa – малые объемы данных, большие расстояния и прямая видимость до объектов. Модемы также могут использоваться в больших помещениях – ангары, заводы, там, где тянуть провод до датчиков сложно или дорого, а объемы данных невелики. Возможно использование и в домашних условиях, высокая чувствительность модулей позволит использовать даже короткие антенны в виде “зигзага” на печатной плате. В городе же, качество связи будет сильно зависеть от наличия радиовидимости между антеннами, высоты размещения антенн и т.д. [4]. 22 Рисунок 20 – Система беспроводной передачи данных на основе модуля LoRa [3] LoRa имеет и свои недостатки. Для достижения большого расстояния с низким энергопотреблением, LoRa минимизирует пропускную способность сети. Максимальная пропускная способность для LoRa составляет около 5,5 кбит/с, это означает, что представляется возможным отправлять только небольшое количество данных через LoRa. Невозможно отправлять аудио или видео с помощью этой технологии, она отлично работает только для передачи меньшего количества информации, например, показаний датчиков [3]. Многие сравнивают LoRa с Wi-Fi или Bluetooth, но эти два протокола не стоят рядом с LoRa. Bluetooth используется для передачи информации между двумя устройствами Bluetooth, а Wi-Fi используется для передачи информации между точкой доступа (маршрутизатором) и станцией (мобильной точкой). Но технология LoRa изначально не была изобретена для передачи данных между двумя модулями LoRa. Механизм передачи данных при помощи LoRa реализован следующим образом: сигнал от одного узла LoRa достигает другого узла через шлюз (Gateway) LoRa, как показано на рисунке 21. Затем эти шлюзы передают информацию в Интернет и, наконец, конечному пользователю через интерфейс приложения. Точно так же данные от пользователя достигнут узла через сетевой 23 сервер и шлюз. Узел LoRa обычно работает от батареи и состоит из радиомодуля и микропроцессора. Микропроцессор используется для считывания данных от датчика и отправки их в эфир через радиомодуль, который затем принимается шлюзом LoRa. Шлюз LoRa также имеет радиомодуль и микропроцессор, но обычно работает от сети переменного тока, так как им требуется больше энергии. Рисунок 21 – Способ организации связи при помощи модулей LoRa [3] Один шлюз LoRa может прослушивать несколько узлов LoRa, в то время как один узел LoRa также может отправлять информацию на несколько шлюзов, таким образом, информация от узла будет приниматься шлюзом без потери. Когда идентификатор информации отправляется от узла к шлюзу, он называется 24 восходящей линией связи, а когда он отправляется от шлюза к узлу, он называется нисходящей линией связи [3]. Используемый в данной работе модуль LoRa SX1278имеет 16 контактов с 8 контактами на каждой стороне. Из этих 16 контактов шесть используются выводами GPIO в диапазоне от DIO0 до DIO5, а четыре для заземления. Схема подключения наглядно изображена на рисунке 22. Модуль работает при напряжении 3,3В и, следовательно, контакт 3,3В на LoRa подключен к контакту 3,3В на плате Arduino UNO. Затем мы подключаем вывод SPI на LoRa к выводам SPI на плате Arduino. Так же необходимо было использовать соединительные провода, чтобы установить соединение между Arduino UNO и модулем LoRa. Вся установка может питаться от аккумулятора, чтобы сделать ее портативной [3]. Рисунок 22 – Схема подключения модуля LoRa c Arduino UNO [3] 25 4. Общая структура системы Система сбора информации с датчика влажности почвы состоит из 5 основных блоков: датчик влажности, блок обработки и преобразования информации (микроконтроллер AT Mega 328р на платформе Arduino), источник питания, приемо- передающий модуль, устройство вывода результатов, которые показаны на рисунке 23. Рисунок 23 – Блок-схема устройства Рассмотрим каждый из этих блоков подробнее. а) Датчик влажности – любой из возможных датчиков влажности. Подключение возможно 2-мя способами – при помощи шины I2C, либо стандартно, проводами “мама-папа” к выводам Arduino +5V, GND, A0. б) Arduino – платформа, включающая в себя блок обработки и преобразования информации - микроконтроллер AT Mega 328р на платформе Arduino. С его помощью происходит обработка всех операций, происходящих в системе, управление датчиком, режимами сна, модулем реального времени и т.д. в) Источник питания – источником питания для данной системы могут являться компьютер, либо автономный источник питания (аккумуляторные батареи). г) Приемо-передающий модуль – радио модуль LoRa SX1278, при помощи которого измеренные значения влажности передаются на приёмное устройство. д) Устройство вывода результатов – в качестве устройства для вывода результатов используется обычный компьютерный монитор. Данные можно видеть как в формате таблицы Excel – с указанием даты, времени, значения напряжения, так 26 и в формате графика, который можно открыть на сайте, в случае совместной работы зонда с системой УСКД-365. Также имеется возможность отображения полученных данных в системе LabVIEW. 4.1 Алгоритм выполнения программы Для выполнения поставленной задачи и корректной работы датчика влажности некоторые куски программного кода были заимствованы из открытых источников, некоторые же, были написаны собственноручно, а затем в них были внесены необходимые изменения. Первая часть алгоритма показана на рисунке 24 и включает в себя работу с модулем SD карты памяти. Рисунок 24 – Блок-схема работы программного кода устройства Код программы состоит из нескольких блоков: 27 а) Запуск программы, подключение библиотек. В этом разделе работы программы происходит, собственно, сам запуск системы, подключение библиотек, необходимых для работы с навесным оборудованием и программной обработки некоторых стандартных функций микроконтроллера. б) Установка периода уходов в сон и пробуждений. В данном пункте пользователь собственноручно устанавливает длительность “сна” микроконтроллера. в) Установка реального времени. Пользователь устанавливает реальное время начала отсчета измерений. г) Проверка работоспособности SD модуля. Микроконтроллер посылает сигнал на SD карту, если ответа не приходит, то выдается сообщение об ошибке инициализации карты. Если же карта готова к записи, выдается сообщение – инициализация успешна. д) Проверка наличия предыдущего файла с результатами. Т.к. программа на данном этапе исследований самостоятельно не имеет возможности создавать файл с новым именем, она лишь проверяет, не остался ли файл с таким же именем, и если да, то стирает его, если нет, то просто записывается новый файл. е) Считывание показаний с датчика. В данный момент микроконтроллер проверяет значение напряжения на датчике и отправляет его для записи на карту памяти. ж) Открытие файла для записи/запись. В этот момент происходит открытие файла с заданным именем на карте памяти и запись в него значения, полученного с датчика, а также текущее время и дату. з) Закрытие файла. Для того, чтобы во время ухода в сон не повредились данные на карте памяти из-за влияния малого питания, приходящего на SD модуль, файл программным образом закрывается и сохраняются записанные в нем значения. и) Уход в сон. 28 Микроконтроллер отключает всю периферию, оставляя только счетчик времени, чтобы вовремя “проснуться”. к) Выход из режима сна. Микроконтроллер, по истечении периода, который пользователь задавал в самом начале исполнения программы подает питание на всю периферию и после этого запускается цикл действий, описанный в пунктах 6–9. Вторая часть алгоритма включает в себя работу с модулем LoRa SX1278. Само по себе, подключение и использование данного модуля не должно представлять сложностей, однако, с ним все же возникла проблема. Так как радио модуль и модуль SD карты памяти подключаются по одной шине, начинается конфликт на программном уровне. Конфликт заключается в том, что каждый из этих элементов в очереди обращения к нему микроконтроллера стоит как первый. Так, перед нами встала необходимость программным способом изменить эту настройку системы. Однако, сама по себе работоспособность модуля LoRa была проверена на отдельных платах Arduino. Проверка была произведена так: использовалось обычное подключения радио модуля к микроконтроллеру, как изображено на рисунке 25, были установлены приёмная и передающая стороны, налажен контакт между ними и передано короткое буквенное сообщение. Рисунок 25 – Подключение модуля LoRa SX1278 29 Алгоритм работы программы с использованием и радио модуля и модуля SD карты выглядит, как показано на рисунке 26. Рисунок 26 – Общий алгоритм работы программы а) Запуск программы, подключение библиотек. В этом разделе работы программы происходит, собственно, сам запуск системы, подключение библиотек, необходимых для работы с навесным оборудованием и программной обработки некоторых стандартных функций микроконтроллера. б) Установка периода уходов в сон и пробуждений. В данном пункте пользователь собственноручно устанавливает длительность “сна” микроконтроллера. в) Установка реального времени. Пользователь устанавливает реальное время начала отсчета измерений. г) Проверка работоспособности SD модуля. 30 Микроконтроллер посылает сигнал на SD карту, если ответа не приходит, то выдается сообщение об ошибке инициализации карты. Если же карта готова к записи, выдается сообщение – инициализация успешна. д) Проверка работоспособности модуля LoRa. Данный пункт программного кода включает в себя проверку работоспособности радио модуля, путем отправки короткого сообщения на приёмник и получения от него контрольной суммы (CRC). Затем выдается сообщение об удачном завершении проверки, либо неудачном. Если проверка неудачна, данные записываются в файл и цикл продолжается. е) Установка очередности использования модулей SD и LoRa. На данном этапе на первое место в очереди становится модуль LoRa, именно с его помощью микроконтроллер посылает результаты измерений на приёмник. ж) Отправка пакета информации на приёмник. з) Отключение модуля LoRa. На данном этапе на первое место в очереди становится модуль SD карты памяти. и) Включение модуля SD и запись в файл. Происходит запись результатов измерений в файл, для верности сохранения данных, в виде подстраховки от сбоев в передаче данных при помощи радио модуля. к) Уход в сон до следующего сигнала прерывания. Микроконтроллер отключает всю периферию, оставляя только счетчик времени, чтобы вовремя “проснуться”. 4.2 Итоговый вид системы Итоговый вид системы сбора, обработки и передачи данных с датчиков влажности почвы включает в себя два основных модуля: передающий и приёмный. Внутренняя часть передающего модуля изображена на рисунке 27 и включает в себя: источник питания (переносная батарея), микроконтроллер на базе Arduino Uno, макетную плату (для удобства сборки системы), модуль часов реального времени DS1302, модуль беспроводной передачи данных LoRa SX 1278, датчик влажности, модуль SD карты памяти. 31 Рисунок 27 – Передатчик В конечном итоге некоторые из элементов, представленных выше, были собраны навесным монтажом, от макетной платы пришлось отказаться в угоду сохранения места внутри корпуса передающей части системы. На рисунке 28 изображен итоговый вид передатчика, при помощи которого проводятся измерения влажности почвы в Сибирском ботаническом саду НИ ТГУ. В данном варианте реализован алгоритм передачи данных на базовую станцию УСКД-365, с которой данные передаются на сайт “ускд.рф”. Рисунок 28 – Корпус передатчика 32 На данном корпусе выведены разъемы для извлечения карты памяти, а также для подключения к микроконтроллеру для его питания и возможной перепрошивки микроконтроллера в случае возникновения неполадок. На рисунке 29 изображено окно вывода результатов работы программы, так называемый Serial port. Он позволяет в режиме реального времени контролировать правильность работы программы, отслеживать полученные при измерении значения и контролировать исполнение процесса записи данных на карту памяти, а также отправку пакетов информации на приёмный модуль. Рисунок 29 – Окно вывода (COM-порт) работы программы передатчика Приёмная часть системы включает в себя: источник питания (компьютер), микроконтроллер на базе Arduino Uno, модуль беспроводной передачи данных LoRa SX 1278. Приемник изображен на рисунке 30. Рисунок 30 – Приёмник 33 На рисунке 31 изображено окно вывода результатов работы программы по приёму сообщения при помощи радио модуля на частоте 433МГц. Рисунок 31 – Окно вывода результатов работы приёмника В данной части системы компьютер играет роль устройства вывода результатов. В итоговом исполнении, вывод полученной информации может осуществляться двумя различными способами: при помощи программного интерфейса на основе LabVIEW, которая показана на рисунке 32. Рисунок 32 – Лицевая панель программы в LabVIEW Вторым способом вывода информации является система вывода результатов измерений на сайт ускд.рф с базовой станции УСКД-365, данный вариант изображен на рисунке 33. 34 Рисунок 33 – Окна вывода информации с датчиков на сайте ускд.рф В ходе проведения работ, был изготовлен итоговый вариант системы сбора и передачи информации с датчика влажности почвы с реализацией передачи полученных результатов по радиоканалу на базовую станцию проекта УСКД-365. Затем полученные результаты с базовой станции отправляются на сайт ускд.рф при помощи Wi-Fi. 35 5. Результаты проведенных исследований Основной задачей, при проведении измерений, было определить влажность двух различных типов почвы, а затем сравнить данные, полученные с двух разных датчиков заводского изготовления – ёмкостного и резистивного. Для наглядности построены графики, на которых отражено изменение влажности почвы в течении периода измерения – 24 часа. На рисунках 34, 35 изображены изменения влажности чернозёма, значения получены с резистивного и ёмкостного датчиков влажности почвы. На рисунке 34 значение U = 670 мВ соответствует абсолютно сухой почве, а значение U = 260 мВ соответствует моменту, когда в почву была долита вода в объеме около 50 мл. На рисунке 35 значение U = 575 мВ соответствует абсолютно сухой почве, природа скачка до 675 мВ точно не определена, предполагается, что данный скачок обоснован реакцией датчика на резкое изменение влажности, затем U = 260 мВ соответствует моменту, когда было долито 50 мл воды. На данных рисунках видно, что оба датчика показывают приблизительно одинаковое состояние влажности почвы, однако, ёмкостный датчик в данном случае наиболее точно отражает состояние почвы, поскольку процесс изменения влажности на рисунке 34 происходит более плавно. Рисунок 34 – График изменения влажности почвы в течении 24ч с датчика FC-28 Рисунок 35 – График изменения влажности почвы в течении 24ч с ёмкостного датчика 36 На рисунке 36 значение U = 250 мВ соответствует абсолютной влажности, в этот момент датчик был опущен в стакан с водой, а значение U = 675 мВ соответствует абсолютно сухому песку. Значение U = 375 мВ соответствует моменту, когда в почву была долита вода в объеме около 50 мл. На рисунке 37 значение U = 560 мВ соответствует абсолютно сухой почве, затем U = 260 мВ соответствует моменту, когда было долито 50 мл воды. Рисунок 36 – График изменения влажности песка в течении 24ч с датчика FC-28 Рисунок 37 – График изменения влажности песка в течении 24ч с ёмкостного датчика На данных рисунках так же видно, что оба датчика показывают приблизительно одинаковое состояние влажности почвы, однако, ёмкостный датчик и в этом случае наиболее точно отражает состояние почвы, поскольку процесс изменения влажности на рисунке 36 происходит более плавно. В связи с полученными результатами было принято решение отдать наибольший приоритет работе с ёмкостными датчиками влажности. В ходе работы было изготовлено три образца датчика влажности почвы, которые были откалиброваны. 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 38 и 39. 37 Рисунок 38 – Результаты проведенных измерений ёмкостным датчиком Рисунок 39 – График калибровки датчиков влажности почв 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. Далее в ходе работы возникала проблема работоспособности модулей передачи данных, которая была устранена путем установки новых модулей и переработки программного кода. Для упрощения работы пользователя с приемной частью системы была создана программа в системе LabVIEW, при помощи которой происходит сохранение принятых пакетов информации в файл на компьютере и отображение 38 результатов проводимых измерений в режиме реального времени на графике, который выведен на лицевую панель ВП, она показана на рисунке 40. Рисунок 40 – Лицевая панель программы в LabVIEW Работоспособность передающей части системы была проверена при помощи SDR приёмника. Как видно на рисунке 41, на заданной частоте 433 МГц происходит передача пакета информации. Рисунок 41 – Проверка передатчика при помощи SDR приёмника 39 Работоспособность приёмной части системы подтверждает прием пакетов информации с действительными значениями влажности, времени и контрольных номеров измерений, как изображено на рисунке 42. Рисунок 42 – Окно вывода принятой информации Итоговым результатом выполненных работ является измерение и передача полученных данных в Сибирском ботаническом саду. Общий вид установки показан на рисунке 43. Рисунок 43 – Передающая часть системы в ботаническом саду 40 Передатчик установлен на некотором удалении от базовой станции. В ходе проведения измерений, полученные данные сохраняются на карту памяти и передаются на базовую станцию проекта УСКД-365, которая в свою очередь передает эти данные на сайт ускд.рф. Данный вид вывода информации более удобен ввиду того, что для приема и обработки информации не требуется установки дополнительного ПО. Формат отображения полученных данных изображен на рисунке 44. Рисунок 44 – Вкладка “зонд 20” на сайте ускд.рф Так же на данном сайте есть возможность отображения графика изменения измеряемого параметра при нажатии на кнопку с обозначением измеряемого параметра. Вариант отображаемого графика изображен на рисунке 45. В ходе проведения измерений в Сибирском ботаническом саду были получены значения влажности, отображенные на рисунке 46. В ходе мониторинга влажности почвы на территории Сибирского ботанического сада было выявлено, что на исследуемой местности при помощи автоматической системы полива постоянно поддерживается влажность почвы 70– 80%. Контроль за правильностью измерений проводился при помощи заводского влагомера, используемого постоянно на территории Сибирского ботанического сада. 41 Рисунок 45 – Вариант графика влажности на сайте Рисунок 46 – Изменение влажности |