ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОДУЛЯ ДЛЯ СБОРА ИНФОРМАЦИИ О ПАРАМЕТРАХ МИКРОКЛИМАТА В ЖИВОТНОВОДЧЕСКОМ ПОМЕЩЕНИИ НА БАЗЕ ARDUINO UNO
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОДУЛЯ ДЛЯ СБОРА ИНФОРМАЦИИ О ПАРАМЕТРАХ МИКРОКЛИМАТА В ЖИВОТНОВОДЧЕСКОМ ПОМЕЩЕНИИ НА БАЗЕ ARDUINO UNO
Аннотация
Современные прогрессивные информационно-коммуникационные технологии (ИКТ) стремительно внедряются во все сферы агропромышленного комплекса (АПК). «Умное» сельское хозяйство позволяет в разы приумножать и интенсифицировать производство, переработку и реализацию продукции растениеводства и животноводства. В данной работе рассматривается разработка и создание модуля, способного собирать, хранить и передавать данные об основных параметрах микроклимата в животноводческом помещении на базе Arduino UNO. Предлагается использование цифровых измерительных модулей (датчик температуры и относительной влажности воздуха (DH22), датчик освещённости (BH1750) и датчик газа (MQ-135)) для сбора и хранения данных, адаптированных к всевозможным вариациям температуры, влажности воздуха и концентрации газов. Полученная информация о микроклиматических параметрах позволит принять действенные меры сельхозпроизводителям по содержанию животных в оптимальных условиях, что, в свою очередь, приведет к увеличению их продуктивности и сокращению издержек.
1. Введение
В настоящее время активно ведутся исследования, разрабатываются проекты, совершенствуются методы и подходы по внедрению автоматизированных и роботизированных комплексов в АПК . Информационно-коммуникационные технологии (ИКТ) динамично и достаточно быстрыми темпами интегрируются во все сектора сельского хозяйства . К примеру, внедрение ИКТ в растениеводство позволяет анализировать информацию о физических параметрах окружающей среды, таких как температура и влажность. Это ведет к улучшению качества и урожайности сельскохозяйственной продукции, соответственно, к увеличению рентабельности. «Умное» животноводство, подразумевает автоматизированное управление техническими системами на фермах с помощью смартфонов. Что также приводит к сокращению затрат и увеличению продуктивности животных , . Множество технологических проектов в сельском хозяйстве реализуются с помощью цифровых технологий «Интернет вещей» – Internet of Things – IoТ. Интернет вещей позволяет получать информацию о внешней среде при помощи различного рода средств измерения, состоящих из простых датчиков (температуры, влажности, давления), приборов учёта, а также интегрированных измерительных модулей. С помощью настоящих технологий появилась возможность собирать и накапливать данные больших объёмов с последующей их обработкой, а также передавать эти данные на различные интерактивные устройства (смартфоны, компьютеры) , . Быструю и одновременно качественную разработку интерактивных систем можно осуществить при помощи вычислительной платформы Arduino. Данная платформа включает в себя простую плату с микроконтроллером, а также специальную среду разработки для написания программного обеспечения (ПО). Популярность данной платформы связана с доступностью написания скетчей, исходного кода, отсутствием ограничений и возможностью независимого использования и распространения.
Сектор животноводства во многом зависит от условий содержания и разведения животных (птиц). В животноводческих помещениях сконцентрировано большое количество загрязнителей, переносимых по воздуху, вредных газов, пыли, микроорганизмов. Стремительное их образование определяется природно-климатическими условиями окружающей среды, плотностью размещения животных в помещении, типами кормов, а также площадью помещения, системой обработки, уровнем вентилирования воздуха, температурным режимом в помещении и т.д. В большей степени именно микроклиматические параметры (температура, влажность, газовый состав) напрямую влияют на производительность и продуктивность животных (птиц). Максимально допустимый уровень параметров микроклимата определен для каждой возрастной группы животных (птиц) и зависит как от продуктивных, так и физиологических способностей , , . Слишком высокие значения температуры и влажности окружающей среды могут спровоцировать тепловой стресс у животных, что вызовет снижение аппетита, проблемы с пищеварением, замедление прироста веса и снижение продуктивности. К примеру, содержание крупного рогатого скота (КРС) при температуре выше 24°С и влажности 59% приводит к нарушению их терморегуляции и как следствие происходят физиологические, поведенческие и продуктивные изменения. Снижается потребление корма на 10–30%, уменьшается двигательная активность на 20–50%, снижается молочная продуктивность до 35%, увеличивается падеж молодняка на 5–40%, а 10–15% рожденных при этом телят часто рождаются больными и имеют впоследствии пониженные продуктивные показатели. При беспривязном содержании на глубокой подстилке допускается содержание животных при температуре 6°С, что на 4°С ниже, чем при привязном содержании. Температура в родильном отделении должна поддерживаться на уровне 14–48°С .
Несмотря на значительное число фундаментальных и прикладных исследований, отсутствуют системные решения, учитывающие реакцию организма животного на тепловые стрессы и вызывающие их причины. Поэтому на сегодняшний день совершенствование методов и технических средств, которые позволят контролировать параметры микроклимата в животноводческих помещениях, является актуальной задачей. В данное время не все хозяйства имеют возможность отслеживать и управлять состоянием окружающей среды в животноводческом помещении из-за высокой стоимости технического оборудования. С помощью инновационных, адаптированных, цифровых технологий появляется возможность минимизировать затраты на получение оптимальной информации о температуре, влажности, химическом составе воздуха, освещённости и других факторах . В работе обсуждается создание прототипа модуля для сбора информации о микроклимате в животноводческом помещении на платформе Arduino, в состав которой входит среда разработки скетчей (программ) Arduino UNO. Рассматриваемая разработка содержит цифровые датчики температуры и влажности, газового состава воздуха, а также освещённости, интеллектуальные измерительные модули для сбора и хранения данных, адаптированные к всевозможным условиям окружающей среды животноводческого помещения. Научно-исследовательская цель работы состоит в поиске решения проблемы надежного сбора и хранения данных о микроклимате с помощью недорогих комплектующих и аппаратной платформы Arduino с открытым исходным кодом.
2. Методы и принципы исследования
Для реализации заявленной цели нами было решено использовать программируемую аппаратную платформу Arduino, с помощью которой можно программировать и подключать датчики к различным модулям, в том числе обеспечивающее подключение к интернету по Wi-Fi. В среде Arduino допускается использование совместимых с ней различных микроконтроллеров. Определены микроконтроллеры ESP8266 и ATmega328, обладающие высокой скоростью работы и доступностью в использовании. Микроконтроллер ESP8266 это одноядерный процессор с частотой 80 МГц, имеющий несколько входов/выходов (general-purpose input/output (GPIO)) прямого управления, поддерживающие различные протоколы (SPI, I2C, UART, ADC, DAC и PWM). Микроконтроллер ATmega328 оснащен 8-битным процессором AVR RISC, выполняющий сложные инструкции с огромной точностью, обладает увеличенной памятью – 32 КБ флэш-памяти и большим числом входов/выходов (54 цифровых и 16 аналоговых). Аппаратное обеспечение на кристалле включает в себя внутренние генераторы, таймеры, UART, SPI, USB, подтягивающие резисторы, широтно-импульсную модуляцию, АЦП, аналоговый компаратор, драйверы ЖК-дисплея до 4x40 и сторожевые таймеры. Для измерения параметров окружающей среды в животноводческом помещении выбраны специальные цифровые датчики, которые подключаются к портам ввода-вывода микроконтроллера (рис. 1). Датчик DH22 измеряет температуру в интервале от – 40°С до + 125°С и влажность воздуха в интервале от 0% до 100%. Датчик качества воздуха MQ-135 способен обнаруживать токсичные вещества в воздухе, такие как дым, углекислый газ, аммиак, бензин, спирты, оксид азота и т.д. Диапазон измерения концентрации в миллионных долях – ppm (Parts per million, 1 ppm = 0,0001%): аммиак 10 ppm – 300 ppm, бензин 10 ppm – 1000 ppm, спирт 10 ppm – 300 ppm. В первую очередь данный датчик измеряет в воздухе концентрацию СО2 (10 ppm – 1000 ppm). Также для измерения уровня освещённости в животноводческом помещении используется 16-битный датчик освещенности BH1750 с диапазоном измерения от 1 до 65535 лк. Данный датчик чувствителен к видимому свету и практически не подвержен влиянию инфракрасного излучения. Данные датчики доступны по цене, адаптированы к различным колебаниям окружающей и могут быть использованы для измерений параметров микроклимата в животноводческом помещении. Однако для получения достоверных значений параметров требуется калибровка средств измерения, произвести которую планируется в дальнейшем с преставлением результатов в следующей работе. Для защиты электронных компонентов устройства от влияния тяжёлых и неблагоприятных условий воздушной среды (повышенная влажность и концентрация аммиака, запыленность и др.) животноводческого помещения использованы заливочные компаунды, а также плотный корпус. Разработана функциональная схема модульного устройства для измерения основных параметров микроклимата в животноводческом помещении (рис. 1). Устройство подключается к сети с напряжением 220 В и с помощью блока питания преобразуется переменный ток из розетки в постоянный ток с напряжением 5 В. На мобильном устройстве (смартфон, ноутбук) подключается режим точки доступа с подключением Internet. Далее открывается веб-страница с графическим изображением основных параметров микроклимата. Если устройство не подключено к сети Wi-Fi, то после его включения все показания микроклиматических параметров записываются и сохраняются на microSD карте. Написан листинг программ контроллеров ATmega328p и ESP8266. Arduino UNO базе микроконтроллера ATmega328p ежесекундно проверяет показания с датчиков и отправляет их на ESP8266. ESP8266 обрабатывает данные и отсылает их на веб страницу.
Рисунок 1 - Функциональная схема модуля для сбора информации о параметрах микроклимата в животноводческом помещении
Рисунок 2 - Учебная ферма ФГБОУ ВО Иркутского ГАУ:
(а) план помещения для содержания КРС (левое крыло): 1) стойловое помещение; 2) тамбур; 3) помещение для хранения кормов; 4) помещение для приготовления влажного корма; 5) служебное помещение; 6) щитовая; 7) кладовая; 8) учебный доильный зал; 9) коридор; (б) расположение модуля для сбора информации о параметрах микроклимата
3. Основные результаты
В результате разработан модуль для сбора информации о параметрах микроклимата в животноводческом помещении. Созданное устройство реализует работу WEB сервера на базе кристаллов ESP8266, ATmega328 и позволяет передавать данные параметров окружающей среды на любые сетевые устройства. На рисунке 3 представлены первые некалиброванные результаты измерений температуры (t, °C), относительной влажности воздуха (φ, %), газового состава воздуха (h, ppm) и освещённости (Е, лк) на учебной ферме Иркутского ГАУ. Измерения проводились 21 ноября 2023 г. в дневное время продолжительностью около часа. В это время снаружи температура воздуха составила -6°C. По данным графика видно, что датчики реагируют на какие-либо изменения в окружающей среде. Например, зафиксировано изменение температуры и влажности, которое связано с тем, что в это время проводилась уборка навоза и в помещении были открыты двери.
На данном этапе работы формирование стоимости разрабатываемого модуля состоит из комплектующих частей, анализаторов параметров микроклимата и затрат на приобретение оборудования для сборки и отладки модуля. При этом оборудование может быть использовано в будущем для сборки аналогичных модулей. В связи с этим окончательная стоимость модуля мониторинга параметров микроклимата весьма условна.
Расчет окупаемости предлагаемой разработки возможен при составлении бизнес-плана и реализации проекта системы мониторинга микроклимата в животноводческих помещениях, куда будет входить разработанный модуль.
Непрерывный мониторинг основных параметров микроклимата позволит детально проанализировать условия содержания животных на ферме, выявить проблемы и принять действенные меры по их устранению.
Рисунок 3 - Данные температуры, относительной влажности, газового состава и освещённости в животноводческом помещении (учебная ферма ФГБОУ ВО Иркутского ГАУ)
4. Заключение
Разработан и создан модуль для сбора информации о параметрах микроклимата в животноводческом помещении на базе Arduino UNO. Разработанный автоматизированный модуль позволяет наблюдать в режиме реального времени основные параметры микроклимата в помещении для содержания животных (птиц) разного вида. Кроме того, накопленные данные будут полезны для научных исследований в области животноводства, а также для моделирования системы управления микроклиматом в животноводческом помещении для каждой возрастной группы животных (птиц) с учетом их физиологических и продуктивных способностей. Данный модуль относительно недорого стоит и может быть доступен небольшим крестьянско-фермерским хозяйствам, семейным фермам, а также различным сельскохозяйственным предприятиям.
Работа выполнена в рамках конкурса «Студенческий стартап» Фонда содействия инновациям (https://fasie.ru/), а также в рамках конкурса НИОКР молодых ученых на соискание гранта ФГБОУ ВО «Иркутский государственный университет имени А. А. Ежевского».