Установка для разведения биологических объектов с функцией мониторинга и поддержания заданных абиотических параметров искусственной среды

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области сельского и лесного хозяйства и может быть применена для проведения научно-производственных работ, связанных с массовым разведением насекомых или других биологических объектов, для которых требуется поддержание особого режима условий среды.
Уровень техники
Известны изобретения для проведения работ с биологическими объектами в условиях искусственного климата с возможностью поддержания значений заданных параметров среды [1], [2], [3]. Для выполнения задач, аналоги в своей комплектации имеют следующие компоненты: металлический закрытый каркас с стеклянными вставками; блок подготовки воздуха, состоящий из кондиционера, увлажнителя воздуха и нагревателя; набор люминесцентных ламп; микропроцессорный программный модуль для поддержания необходимых параметров среды (влажность воздуха, температура воздуха, световой режим). Среди недостатков аналогов можно выделить ограниченность полезного пространства камеры, не позволяющее осуществить масштабирование работы, связанной со значительным увеличением популяции биологического объекта в рамках одного устройства. В аналогах предусмотрена установка фиксированных параметров условий среды, для поддержания которых необходимо постоянно находящийся в рабочем режиме блок подготовки воздуха. Контроль рабочей среды устройства можно осуществлять только за счет непосредственного присутствия оператора. Наиболее близким аналогом является промышленный образец - шкаф роста растений, предназначенный для осуществления научно-исследовательской работы с биологическими объектами в условиях искусственного климата, что позволяет также использовать его для выращивания насекомых [1]. Для решения научно-производственных задач по массовому разведению насекомых или других биологических объектов данный аналог не подходит, для этого необходимо устройство, имеющее возможность расширения рабочего пространства в рамках единой системы управления и поддержания в оптимальном диапазоне параметров среды с возможностью удаленного мониторинга и с наименьшими экономическими затратами на создание такого научно-производственного объекта.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническими проблемами, на решение которых, направлена полезная модель являются снижение экономических затрат при необходимости увеличения полезного рабочего объема, возможность в процессе эксплуатации устройства удаленного мониторинга и управления параметрами среды, а также регистрации показаний с автоматическим формированием электронной базы данных.
С учетом необходимости решения указанных технических проблем разработано устройство для биологических целей с функцией мониторинга и поддержания оптимальных абиотических параметров искусственной среды (фиг. 1), которое характеризуется следующими существенными признаками, находящимися в причинно-следственной взаимосвязи:
- открытый корпус модульно-стеллажного типа, позволяет оптимально использовать как вертикальное, так и горизонтальное пространство помещения, а также легко наращивать полезный объем среды за счет увеличения числа корпусов;
- в качестве источника света - светодиодные элементы, позволяют оснастить каждый этаж корпуса компактными источниками света имеющие низкое потребление электричества и минимальным выделением тепловой энергии;
- подготовка воздуха помещения типовыми бытовыми приборами (кондиционер воздуха, ультразвуковой увлажнитель воздуха) находящиеся вне корпуса установки;
- использование системы управления установкой, на базе микроконтроллера;
- программируемое поддержание условий среды (свет, влажность, температура) в диапазоне оптимальных значений для развития целевого биологического вида;
- подключение специально подобранных типовых устройств (сенсоры температуры и влажности, датчик освещения, модуль WiFi, модуль часов реального времени, двухканальный релейный модуль) к системе управления установкой особым образом (фиг. 2);
- организация обработки данных от модуля часов реального времени, датчика освещения, сенсоров, а также управления модулем WiFi и релейными модулями в соответствии с программой, реализуемой алгоритм, указанный на чертеже (фиг. 3, 4);
- использование в программе специально подобранных типовых библиотек.
Специфика цели устройства определяет в качестве исходных данных следующий перечень параметров:
- температура воздуха;
- относительная влажность воздуха;
- освещенность;
- расчетная полезная площадь среды.
Для выполнения функции мониторинга и поддержания оптимальных абиотических параметров искусственной среды, осуществляются следующие функциональные действия:
- мониторинг температуры в рабочей среде (не менее двух датчиков);
- мониторинг относительной влажности воздуха в рабочей среде (не менее двух датчиков);
- контроль уровня освещенности в зоне полезного пространства устройства;
- управление питанием оборудования по подготовке воздуха (увлажнитель воздуха, кондиционер воздуха) в трех режимах (принудительно отключение, принудительное включение, работа в автоматическом режиме при температуре, влажности в пределах допустимых показаний);
- управление освещением рабочей среды установки в трех режимах (принудительное отключение, принудительное включение, работа в автоматическом режиме по заданному времени);
- отображение результатов мониторинга и управление кондиционированием воздуха и освещением дистанционно через специальное приложение на устройстве имеющего выход в Интернет с операционной системой Андроид;
- регистрация результатов мониторинга с формированием электронной базы данных (на Micro SD-накопителе) условий среды в установке.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - Прототип установки для разведения биологических объектов с функцией мониторинга и поддержания заданных абиотических параметров искусственной среды в рабочем процессе (выращивание сибирского коконопряда)
На рисунке изображен внешний вид установки (3), система управления установкой с открытой крышкой (2), а также интерфейс рабочего окна контроля состояния среды. Также на рисунке изображены места установок датчиков регистрации состояния среды.
Фиг. 2 - Система управления установкой для разведения биологических объектов с функцией мониторинга и поддержания заданных абиотических параметров искусственной среды
На чертеже изображена электронная схема Системы управления установкой для разведения биологических объектов с функцией мониторинга и поддержания заданных абиотических параметров искусственной среды.
Спецификация применяемых электронных компонентов и моделей указана в таблице (Таблица 1).
Напряжение питания (5V от стандартного телефонного зарядного устройства) через штатный разъем Micro USB платы Arduino Pro Micro (разъем на схеме не указан) подается на следующие блоки и узлы:
M1 (модуль часов реального времени) [4];
S1 и S2 (сенсоры температуры и влажности) [5];
М4 (модуль записи данных на MicroSD [6] по протоколу SPI [7]);
В случае использования в качестве реле двухканального релейного модуля [8], то питание подается через разъемы J2.2 - J1.2 (на схеме не указано).
Для питания Wi-Fi модуля ESP-01 [9], используется Модуль конвертора напряжения, так как необходимо напряжение 3.3V.
Информация с сенсоров [5] (датчики) S1 и S2 передается по стандартному протоколу [5] на цифровые входы микроконтроллера «А2» и «4». Подтягивающие резисторы R7 и R5 служат для повышения устойчивости сигнала к помехам (так как в сенсорах используется схема с открытым коллектором). Фоторезистор R4 и вспомогательный резистор R3 вместе образуют делитель напряжения. При изменении освещенности меняется уровень напряжения на аналоговом входе микроконтроллера «A3». Информация от модуля реального времени поступает по протоколу I2C [10] на выводы 2 и 3 микроконтроллера.
Передача информации на телефон осуществляется через модуль М2. Данные в модуль поступают по протоколу UART [11]. Так как модуль работает на «трехвольтовой логике», используется делитель напряжения на R1 и R2. Передача информации на модуль записи данных происходит по протоколу SPI [7].
Сигнал управления внешними устройствами, розетками на 220 V, для подключения увлажнителя (U1) и ламп освящения (U2) подается соответственно через порты «А1» и «А0».
Фиг. 3 - Алгоритм программы микроконтроллера в системе управления установкой для разведения биологических объектов с функцией мониторинга и поддержания заданных абиотических параметров искусственной среды
Алгоритм программы микроконтроллера следующий. 1. Подготовка переменных (Таблица 2)
2. Подключение следующих стандартных библиотек (драйверов внешних устройств):
- SPI.h [13];
- SD.h[14];
- DS3231.h [15];
- EEPROM.h [16];
- RemoteXY.h [17];
- Adafruit_Sensor.h [18];
- DHT_U.h [19];
- DHT.h [19].
3. Настройка выводов контроллера для работы в режиме входа или выхода:
- А0, А1, Ф10 цифровые выводы;
- A3 - аналоговый вход.
4. Из долговременной памяти микроконтроллера считываются значения переменных gadget_mode1 и gadget_mode2 (0 - принудительно выключено, 1 - принудительно включено, 2 - автоматическое управление).
5. Проверяется, было ли изменение заданного режима работы устройства 1 (в приложении на смартфоне [20]). Если нет, то перейти к 8.
6. Получить новое значение и сохранить его в gadget_mode1 и в долговременную память микроконтроллера.
7. Запустить подпрограмму обработки изменения состояния (фиг. 4).
8. Проверяется, было ли изменение заданного режима работы устройства 2 (в приложении на смартфоне [20]). Если нет, то перейти к 11.
9. Получить новое значение, сохранить его в gadget_mode2 и в долговременную память микроконтроллера.
10. Запустить подпрограмму обработки изменения состояния (фиг. 4).
11. Считать состояние температуры воздуха и влажности с сенсора S1 и S2.
12. Если состояние датчиков не изменились, то перейти к 15.
13. Вывести значения показателей на экран.
14. Сохранить значение показателей в долговременной памяти микроконтроллера.
15. Если устройство 1 (Увлажнитель) не в режиме «Автомат» (gadget_mode1<2), то перейти к 20.
16. Если влажность в норме, то перейти к 18.
17. Установить флаг flagh = true (т.е. указать необходимость включить увлажнитель), и перейти к 19.
18. Сбросить флаг flagh = false.
19. Перейти на подпрограмму обработки изменения показателей (фиг. 4).
20. Если устройство 2 (Лампы освещения) не в режиме «Автомат» (gadget_mode2<2), то перейти к 25.
21. Если сейчас время за рамками заданного интервала включения, то перейти к 23.
22. Установить флаг flagt = true (т.е. указать необходимость включить освещение), и перейти к 24.
23. Сбросить флаг flagt = false (т.е. указать необходимость выключить освещение).
24. Перейти на подпрограмму обработки изменения показателей (фиг. 4).
25. Если устройство еще включено, то перейти 5
26. Конец
Фиг. 4 - Алгоритм подпрограммы обработки изменения состояния устройств, в рамках программы микроконтроллера в системе управления установкой для разведения биологических объектов с функцией мониторинга и поддержания оптимальных абиотических параметров искусственной среды
Алгоритм подпрограммы обработки изменения состояния устройств микроконтроллера следующий.
1. Если режим gadget_mode1=0 устройство 1 выключить.
2. Если режим gadget_mode1=1 устройство 1 включить.
3. Если режим gadget_mode1=2 статус устройства 1 установить в соответствии со значением флага flagh (если flagh = true, то включить, в противном случае выключить).
4. Если режим gadget_mode2=0 устройство 2 выключить.
5. Если режим gadget_mode2=1 устройство 2 включить.
6. Если режим gadget_mode2=2 статус устройства 2 установить в соответствии со значением флага flagt (если flagt = true, то включить, в противном случае выключить).
7. Вернутся (к пункту, следующему за пунктом, из которого поступил вызов подпрограммы).
Фиг. 5 - Калибровка показаний электронных датчиков влажности DHT22 с помощью программы Statistica
На рисунке изображен график результатов измерений показания настраиваемого датчика влажности и контрольного гигрометру психометрическому ВИТ-2. Также на рисунке приведен результат аппроксимации показаний в виде формулы, которая в дальнейшем использовалась для корректировки показаний.
Осуществление полезной модели
В соответствии с описанием, указанным выше, собран действующий прототип устройства (фиг. 1). Корпус, открытый модульно-стеллажного типа имеющий следующие габаритные показатели: 2400×1000×600 мм. Корпус выполнен из металла, покрыт краской. Имеет регулируемые по высоте полки. В верхней части потолочной крышки закреплены светодиодные элементы, дающие освещенность в рабочем пространстве 10000 люкс. На внешней стороне корпуса закреплен микроконтроллер, от которого по зонам (верх, центр, низ) расходятся три комплекта датчиков регистрации параметров среды (температура, влажность, освещенность). Также из контролера выведено реле управления розетками на 220 v, предназначенные для подключения внешних устройств регулирования среды (освещение, увлажнитель воздуха). Управление включением/выключением внешних устройств осуществляется раздельно. Внешние устройства не скомплектованы в единый моноблок с корпусом, создавая необходимые условия среды в самом помещении.
В качестве сенсоров использовались бытовые датчики (DHT22), изначально предназначенные для систем «умный дом». С целью повышения точности, необходимой для научных исследований была произведена индивидуальная калибровка датчиков по гигрометру психометрическому ВИТ-2 [21]. Данные были обработаны в программе Statistica и получена формула для определения скорректированного значения. Пример, результатов обработки показан на рисунке (фиг. 5).
Данные записываются на стандартную SD карту памяти в формате текстового файла («DL.TXT»), в котором значения разделены разделителем (точка с запятой). По завершению строки записывается знак «перевод строки».
I
Указанная структура формируемого файла позволяет открыть полученные значения в программе MS Excel для дальнейшего использования научной интерпретации полученных сведений.
Источники информации
1. Альт В.В. Шкаф роста растений. - URL: http://www.findpatent.ru/patent/244/2446673.html.
2. Минеев В.В. Шкаф с регулируемым микроклиматом. - URL: http://www.findpatent.ru/patent/260/2603910.html.
3. Минеев В.В. Шкаф искусственного климата. - URL: http://www.findpatent.ru/patent/254/2546221. html.
4. Часы реального времени DS3231. - URL: https://3d-diy.ru/wiki/arduino-moduli/chasy-realnogo-vremeni-ds3231/.
5. Digital-output relative humidity & temperature sensor/module DHT22 (DHT22 also named as AM2302). - URL: https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Temperature/DHT22.pdf.
6. Подключение sd карты к ардуино. - URL: https://arduinomaster.ru/datchiki-arduino/podklyuchenie-sd-karty-k-arduino/.
7. Serial Peripheral Interface. - URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface.
8. RDC1-2RA Relay, Двухканальный релейный модуль для Arduino, Raspberry Pi проектов. - URL: https://www.chipdip.ru/product/rdc1-2ra-relay.
9. Wi-Fi модуль ESP-01. - URL: https://3d-diy.ru/wiki/arduino-moduli/wi-fi-modul-esp-01/.
2
10. I2C. - URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/IC.
11. Универсальный асинхронный приемопередатчик. - URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Универсальный_асинхронный_приемопередатчик.
12. Pro Micro - 5V/16MHz. - URL: https://www.sparkfun.com/products/12640.
13. SPI library. - URL: https://www.arduino.cc/en/Reference/SPI.
14. SD Library. - URL: https://www.arduino.cc/en/reference/SD.
15. Arduino library for DS3231 RTC. - URL: https://github.com/rodan/ds3231.
16. EEPROM Library. - URL: https://www.arduino.cc/en/Reference/EEPROM.
17. Страница загрузки библиотек RemoteXY. - URL: http://remotexy.com/ru/library/.
18. Common sensor library. - URL: https://github.com/adafruit/Adafruit_Sensor.
19. Arduino library for DHT11, DHT22, etc Temperature & Humidity Sensors. - URL: https://github.com/adafruit/DHT-sensor-library.
20. Как это работает.- URL: http://remotexy.com/ru/help/.
21. ТУ25-11.1645-84 «Гигрометр психометрический типа ВИТ. Техничекские условия».