DESIGN OF A MODULE FOR COLLECTING INFORMATION ABOUT MICROCLIMATE PARAMETERS IN AN ANIMAL HOUSE BASED ON ARDUINO UNO
DESIGN OF A MODULE FOR COLLECTING INFORMATION ABOUT MICROCLIMATE PARAMETERS IN AN ANIMAL HOUSE BASED ON ARDUINO UNO
Abstract
Modern progressive information and communication technologies (ICT) are rapidly being introduced into all areas of the agro-industrial complex (AIC). «Smart» agriculture makes it possible to significantly increase and intensify the production, processing and sale of crop and livestock products. This work discusses the development and creation of a module capable of collecting, storing and transmitting data on the main parameters of the microclimate in a livestock building based on Arduino UNO. It is proposed to use digital measuring modules (temperature and relative humidity sensor (DH22), light sensor (BH1750) and gas sensor (MQ-135)) to collect and store data adapted to all possible variations in temperature, air humidity and gas concentrations. The information obtained about microclimatic parameters will allow agricultural producers to take effective measures to keep animals in optimal conditions, which in turn will lead to an increase in their productivity and a reduction in costs.
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».