Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

городского округа Балашиха «Лицей»

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ

СИСТЕМА КОНТРОЛЯ МИКРОКЛИМАТА КОМПЛЕКСА ТЕПЛИЦ

Авторы: Софья Косарева, Кристина Войцицкая, Мария Костяшина,                  Дмитрий Милютин, Павел Лункин, Андрей Задоркин,                  учащиеся 10 «А» и 10 «Б» классов

Научные руководители:

                 Татьяна Евгеньевна Иванова, учитель биологии высшей категории                  Михаил Юрьевич Иванов, ассистент кафедры «Вычислительная                  математика и математическая физика» МГТУ им. Н.Э. Баумана

Балашиха, 2013 г.

Содержание

1.   Вступительное слово руководителя проекта (Т.Е. Иванова).

2.   Доклады учащихся по тематическим разделам проекта.

2.1.   Раздел «Микроклимат теплиц» (Софья Косарева).

2.2.   Раздел «Стационарный робот» (Кристина Войцицкая).     2.3. Раздел «Программирование стационарного робота»            (Дмитрий Милютин).

2.4.   Раздел «Работа с датчиками температуры и температуры            поверхности» (Мария Костяшина).

2.5.   Раздел «Мобильный робот» (Павел Лункин).

2.6.   Раздел «Программирование мобильного робота» (Андрей Задоркин).     2.7. Раздел «Работа с датчиком относительной влажности»

           (Мария Костяшина).

3.   Запуск автоматизированной системы (Дмитрий Милютин,     Андрей Задоркин).

4.   Заключительное слово руководителя проекта (М.Ю. Иванов).

руководителя проекта (1/3)

руководителя проекта (2/3)

руководителя проекта (3/3)

Подробную информацию

о Международной конференции "Инженерная культура: от школы к производству» можно получить на сайте:  

http://www.ros-group.ru/static/materials/-rus-common-conferens

     Проект       лежит         на    стыке       трех дисциплин: биологии, информатики и робототехники.

     Этой работой   мы         продолжаем актуальную    тему         использования робототехнических         комплектов LEGO Mindstorms NXT и датчиков Vernier в рамках единых проектов по естественным наукам, которая была затронута на Международной конференции "Инженерная культура: от    школы     к         производству", проходившей 21 сентября 2012 года в Москве   на    базе         Национального исследовательского технологического

университета «Московский институт    http://www.ros-group.ru/ стали и сплавов».

2. Доклады учащихся      по тематическим разделам проекта

2.1. Раздел «Микроклимат теплиц» (1/7)

      Малогабаритное строение для защиты культурных растений от воздействия неблагоприятных погодных условий называется парником, который представляет собой небольшое культивационное сооружение, имеющее боковое ограждение и съёмную светопрозрачную кровлю, полностью или частично погруженное в почву.

      Теплица - это тип садового парника, отличающийся от него большими размерами. Теплицы применяются как для выращивания ранней рассады с последующим высаживанием ее в открытый грунт, так и для организации всего цикла выращивания той или иной культуры.

Под микроклиматом понимают искусственно создаваемые

климатические условия в закрытых помещениях (теплицах,

животноводческих помещениях и т.д.) для защиты от неблагоприятных

внешних воздействий и других целей.

В парниках и теплицах искусственный микроклимат обеспечивает

оптимальные условия для роста и развития сельскохозяйственных культур.

2.1. Раздел «Микроклимат теплиц» (2/7)

      Краткая характеристика микроклимата теплицы:

-   внутренняя температура воздуха выше, чем температура окружающей среды;

-   грунт в теплице не промерзает;

-   температура грунта значительно выше, чем температура грунта вне теплицы;

-  
уменьшается количество света, которое доходит до растений (во многом этот показатель зависит от выбранного покровного материала);

-   в теплицу попадает не весь спектр света;

-   полностью убирается воздействие ветра на растения;       - уменьшается воздухообмен с окружающей средой (может реализовываться недостаток углекислого газа (СО₂));

-   полная защита от дождя и необходимость внесения воды искусственно;

-   затрудняется доступ к растениям насекомых;

-   влажность воздуха регулируется в зависимости от выращиваемых растений;

-   воздух теплицы содержит большее количество кислорода (О₂).

2.1. Раздел «Микроклимат теплиц» (3/7)

      Промышленные теплицы

      Современная промышленная теплица представляет собой сложный организм со множеством датчиков, отслеживающих температуру, влажность воздуха и почвы, освещенность, а также единого компьютерного центра управления, анализирующего поступающую информацию и подающего необходимые команды на исполнительные механизмы в автоматизированном или автоматическом режиме. 

В нужное время открываются фрамуги, жалюзи, включаются вентиляторы,

увлажнители воздуха, полив и т.д. В

зависимости от

культуры и цели её возделывания изменяют

режимы освещённости, температуры и

влажности, в некоторых случаях регулируют

газовый состав воздуха.

Растениям постоянно обеспечиваются

оптимальные условия для их роста и высокой

                                                                                             http://ru.wikipedia.org /                                                                                              урожайности.

2.1. Раздел «Микроклимат теплиц» (4/7)

2.1. Раздел «Микроклимат теплиц» (5/7)

      Цветковое растение «Декабрист»  

      Декабрист не любит ни чрезмерный полив, ни высушивание грунта. Летом растение необходимо поливать регулярно, а зимой – умеренно. С июня по сентябрь, а также во время цветения его следует поливать 1 раз каждые 3 – 5 дней, с октября по декабрь – еженедельно, а по окончании цветения и на протяжении всей весны – 1 раз в 15 дней. Чрезмерный полив, особенно при прохладном воздухе, грозит загниванием корней. Воду перед поливом необходимо отстаивать. Холодная вода опасна для растения даже в летний период. 

      Декабрист нуждается во влажном воздухе (влажность должна составлять от 40 %), поэтому зимой его следует опрыскивать. За месяцполтора до цветения опрыскивание можно прекратить. Летом опрыскивание растения также будет очень полезным. Наряду с опрыскиванием также можно применять теплый душ, позволяющий избавиться от пыли на листьях. При этом чтобы избежать попадания воды, землю следует накрыть полиэтиленовой пленкой.

      К температуре воздуха растение не слишком требовательно. Самая подходящая для него температура колеблется от 18 до 25°С, но расти он также может и при другой температуре в диапазоне от 2 до 37°С.

2.1. Раздел «Микроклимат теплиц» (6/7)

      Структура системы контроля микроклимата

      В нашем проекте предложен вариант роботизированной системы контроля микроклимата комплекса теплиц.

      Роботизированная система состоит из двух роботов: стационарного и мобильного.

      Стационарный робот предназначен для контроля температуры почвы и температуры поверхности почвы в соответствующих емкостях, а также для насосной подачи воды в накопители в автоматизированном режиме по сигналу с пульта управления роботом.

      Мобильный робот предназначен для автоматического перемещения между емкостями по заданной криволинейной траектории с целью выполнения замеров относительной влажности воздуха в емкостях.

2.1. Раздел «Микроклимат теплиц» (7/7)

2.2. Раздел «Стационарный робот» (1/8)

      Стационарный робот –  автоматизированный робототехнический комплекс, управляемый оператором с центрального пульта управления. Предназначен для регистрации и обработки информации о состоянии температурных параметров микроклимата в емкостях и для увлажнения воздуха в емкостях в случае необходимости.

      Конструктивно робот состоит из 5 основных элементов:

-             центрального компьютера (интеллектуальный блок NXT);       - системы форсунок (механическая система, обеспечивающая поступление воды к накопителям емкостей);

-             насосной системы (двигатель, резервуар с водой, пневматический насос и манометр);

-             системы регистрации данных (два аналоговых датчика Vernier);       - пульта управления (состоит из трех клавиш).

2.2. Раздел «Стационарный робот» (2/8)

2.2. Раздел «Стационарный робот» (3/8)

2.2. Раздел «Стационарный робот» (4/8)

2.2. Раздел «Стационарный робот» (5/8)

2.2. Раздел «Стационарный робот» (6/8)

2.2. Раздел «Стационарный робот» (7/8)

2.2. Раздел «Стационарный робот» (8/8)

стационарного робота» (1/8)

стационарного робота» (2/8)

стационарного робота» (3/8)

стационарного робота» (4/8)

стационарного робота» (5/8)

 Настройки блоков "Переключатель" и "Движение" ветви № 2

      В цикле ветви № 2 присутствуют три блока: блок "Переключатель" и два блока "Движение«.

      Блок "Переключатель" анализирует состояние датчика освещенности, подключенного к порту 2 интеллектуального блока NXT. Датчик освещенности запрограммирован таким образом, что он представляет собой сенсорную клавишу пульта управления.

      Если чувствительный элемент датчика освещенности закрыт (реализуется освещенность меньше 20%, т.е. состояние "истина"), то исполняются действия, заложенные в верхний блок "Движение".

При этом двигатель насосной системы, подключенный к порту В, начинает работать, и пневматический насос будет выкачивать воду из резервуара. Если же освещенность больше 20% (реализуется состояние "ложь"), то исполняются действия, заложенные в нижний блок "Движение". При этом двигатель, подключенный к порту В, не вращается, пневматический насос не работает.

стационарного робота» (6/8)

стационарного робота» (7/8)

стационарного робота» (8/8)

и температуры поверхности» (1/5)

и температуры поверхности» (2/5)

и температуры поверхности» (3/5)

и температуры поверхности» (4/5)

2.5. Раздел «Мобильный робот» (1/8)

2.5. Раздел «Мобильный робот» (2/8)

2.5. Раздел «Мобильный робот» (3/8)

2.5. Раздел «Мобильный робот» (4/8)

2.5. Раздел «Мобильный робот» (5/8)

2.5. Раздел «Мобильный робот» (6/8)

2.5. Раздел «Мобильный робот» (7/8)

2.5. Раздел «Мобильный робот» (8/8)

мобильного робота» (1/8)

      Схема движения робота

мобильного робота» (2/8)

мобильного робота» (3/8)

мобильного робота» (4/8)

мобильного робота» (5/8)

мобильного робота» (6/8)

мобильного робота» (7/8)

мобильного робота» (8/8)

относительной влажности» (1/4)

относительной влажности» (2/4)

относительной влажности» (3/4)

относительной влажности» (4/4)

      Принцип работы датчика относительной влажности

      Внутри пластикового корпуса установлена специальная интегральная микросхема, в которой используется конденсатор с тонкой полимерной пленкой в качестве диэлектрика. Пленка очень чувствительна к изменению влажности окружающего воздуха. В зависимости от степени влажности воздуха пленка поглощает или выделяет молекулы воды. Это изменяет её диэлектрические свойства, а значит, и ёмкость конденсатора. Данная физическая величина преобразуется интегральной схемой в напряжение, а соответствующее программное обеспечение для сбора данных преобразует его в относительную влажность, выраженную в процентах.

      Емкостный датчик влажности воздуха очень быстро реагирует на ее изменение при интенсивном движении воздушных масс. Поэтому, если требуется измерить относительную влажность воздуха за короткий промежуток времени, необходимо привести датчик в движение или воспользоваться вентилятором.

      В наших демонстрационных экспериментах при измерением влажности воздуха в емкостях мы будем задействовать вентилятор (в течении 80 с) с целью получения адекватных значений измеряемого параметра. В емкость № 2 мы предварительно поместили стакан с горячей водой, чтобы намеренно обеспечить в ней высокую влажность воздуха.

3. Запуск автоматизированной

     системы (1/1)

      Мобильный и стационарный роботы приводятся в рабочее состояние операторами 1 и 2 соответственно. Оператор 2 включает вентилятор и инициирует циркуляцию воздуха в емкости № 1, мобильный робот движется по заданной траектории к емкости № 1.     Датчик относительной влажности помещается внутрь емкости № 1 и происходит регистрация относительной влажности воздуха (~ 80 с), стационарным роботом измеряется численное значение температуры почвы, результат выводится на ЖК-экран стационарного робота, оператор 2 фиксирует измеренное значение.

      Оператор 2 переставляет вентилятор и инициирует циркуляцию воздуха в емкости № 2. Мобильный робот движется по заданной траектории к емкости № 2, согласно своей программе. Датчик относительной влажности помещается внутрь емкости № 2 и происходит регистрация относительной влажности воздуха (~ 80 с), стационарным роботом измеряется температура поверхности почвы, оператор 2 строит графическую зависимость температуры поверхности почвы от времени на экране компьютера.

      Оператор 2 выключает вентилятор. Мобильный робот возвращается к оператору 1, который фиксирует измеренные показания относительной влажности воздуха в емкостях № 1 и № 2.

      По показаниям датчиков относительной влажности и температуры оператор 2 принимает решение о необходимости увлажнения воздуха в емкости № 1 или № 2. В случае положительного решения оператор 2 стационарного робота перемещает механическую руку к накопителю емкости № 1 или № 2 и включает насосную систему на заданное время, по истечении которого подача воды прекращается.

      По результатам эксперимента делаются выводы и даются рекомендации по повторному запуску автоматизированной системы с целью обеспечения требуемых численных значений указанных параметров микроклимата модельного комплекса теплиц.

4. Заключительное слово       руководителя проекта (1/2)

4. Заключительное слово       руководителя проекта (2/2)

      Выводы:

-   на основе анализа литературных источников, посвященных теплицам и их микроклимату, определен внешний вид модельного комплекса теплиц и выбраны контролируемые параметры;

-  
обозначена структура автоматизированной системы - стационарный и мобильный LEGO-роботы, определена их конструкция и функциональные особенности;

-   выбраны датчики Vernier, изучены особенности их функционирования и приемы работы с ними в специализированной программе для сбора данных;

-   определена логика функционирования LEGO-роботов и выполнено их программирование в специальной программной среде на графическом языке;

-   выполнен демонстрационный эксперимент, показавший возможности спроектированной системы, намечены перспективы дальнейшего развития проекта.

При подготовке презентации использовались следующие материалы:

1.      Исследование окружающей среды с Vernier и LEGO MINDSTORMS NXT. Перевод с английского. Серия «Научно-техническое творчество учащихся. Робототехника». Научный редактор книги А.Я. Суранов. – М.: ПКГ «Развитие образовательных систем», 2012.

2.      Vernier. Product Manuals and Reference Guides. Sensor Booklets: [Электронный ресурс]. (http://www.vernier.com/support/manuals/). Проверено 14.06.2013.

3.      Vernier.      Plant        Waterer   Project:    [Электронный         ресурс].

(http://www.vernier.com/experiments/stem/7/plant_waterer_project/).   Проверено 14.06.2013.

4.      Новая иллюстрированная энциклопедия в 20 томах. – М.: Большая Российская энциклопедия, 2000.

5.      Большая энциклопедия природы в 16 томах. – М.: ООО «Мир книги», 2002.

6.      LEGO Digital Designer: [Электронный ресурс]. (http://ldd.lego.com/ru-ru/download/). Проверено 14.06.2013.

7.      Свободная        Интернет-энциклопедия        Википедия:   [Электронный         ресурс].

(http://ru.wikipedia.org). Проверено 14.06.2013.

8.      Учебное пособие научно-технической конференции LEGO «Инженерная культура:

от школы к производству». Вводный курс по программированию NXT. В 2-х частях.

Научно-методический центр Университета Тафтса, 2009.