Комплексная интерактивная система по контролю и обеспечению жизнедеятельности растений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обозначения и сокращения

 
        Интернет - глобальная компьютерная сеть.

ОС – операционная система.

ПК – персональный компьютер, обычно IBM совместимый.

ПО – программное  обеспечение.

ЭВМ – электронно-вычислительная машина.

ИИ  – искусственный интеллект.

АЦП – аналого-цифровой преобразователь

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь

HTML (Hypertext Markup Language)- язык для написания гипертекстовых документов. Основная особенность - наличие гипертекстовых связей между документами находящимися в различных архивах сети; благодаря этим связям можно непосредственно во время просмотра одного документа переходить к другим документам.

           XHTML (англ. Extensible Hypertext Markup Language — Расширяемый язык разметки гипертекста) — язык разметки веб-страниц, по возможностям сопоставимый с HTML, однако является подмножеством XML.

Ajax — (от англ. Asynchronous JavaScript and XML — «асинхронный JavaScript и XML») — это подход к построению интерактивных пользовательских интерфейсов веб-приложений, заключающийся в «фоновом» обмене данными браузера с веб-сервером. В результате при обновлении данных веб-страница не перезагружается полностью, и веб-приложения могут быть сделаны более быстрыми и удобными..

РНР (Preprocessor Hypertext Preprocessor) – препроцессор гипертекстового препроцессора. Язык программирования, ориентированный на обработку гипертекстовой информации в рамках Интернет-технологий.

          CSS (англ. Cascading Style Sheets — каскадные таблицы стилей) — технология оформления веб-страниц.

XML (англ. eXtensible Markup Language — расширяемый язык разметки; произносится [экс-эм-э́л]) — рекомендованный Консорциумом Всемирной паутины язык разметки, фактически представляющий собой свод общих синтаксических правил. XML — текстовый формат, предназначенный для хранения структурированных данных (взамен существующих файлов баз данных), для обмена информацией между программами, а также для создания на его основе более специализированных языков разметки (например, XHTML), иногда называемых словарями. XML является упрощённым подмножеством языка SGML.

USB - (Universal Serial Bus) - универсальная последовательная  шина.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

      В течение более двадцати  последних лет происходит интенсивное развитие техники, связанное с внедрением новых технологий – интернет, мобильная связь, цифровое телевидение. Эти технологии имеют широкую сферу применения и могут быть использованы, в частности, в построении “умного дома” или даже, «умного производства». В данном дипломе основное внимание отводится системам автоматизации обеспечения жизнедеятельности растений. Дипломное проектирование облегчается наличием дешевых, доступных и универсальных компонентов,  выпускаемых промышленностью в настоящее время. Таким образом, в дипломе ставится задача разработать и создать комплекс соответствующего аппаратного и программного обеспечения.

 

Возможной областью внедрения создаваемого нового комплекса являются частные (домашние) оранжереи и производственные или декоративные оранжереи, например, оранжерея Ботанического Сада города Санкт-Петербурга. Предварительное исследование вопроса показывает целесообразность такого рода исследований, поскольку на настоящий момент в городской оранжерее из систем автоматизации присутствует только контроль температуры воздуха в устаревшем исполнении – термометр и вентиль на систему отопления. Детали будут рассмотрены ниже. Необходимо отметить, что разрабатываемый в дипломе комплекс прошел успешные испытания в частных оранжереях и в Ботаническом Саду. По итогам применения выдан акт о внедрении (копия в приложении Б).

 

Следует подчеркнуть  также, что в настоящее время всё большую популярность приобретают системы автоматизации с возможностью удаленного доступа к различным объектам и системам, которые ранее требовали непосредственного участия человека. Поэтому использование Интернета является обязательным в данном комплексе, что требует, в свою очередь, разработки соответствующего программного обеспечения. В выбранном варианте реализации сигналы с датчиков поступают в размещенный в Интернете пакет математического моделирования MatLab On Line, эксплуатирующий распространенный в инженерной и студенческой практике язык матричного исчисления. И кроме того, расчетные воздействия могут быть поданы из Интернет на исполнительные устройства, в данном случае – системы полива, увлажнения почвы и воздуха, регулирования освещенности и другие. 

 

В итоге, мы получаем интересную разработку, включающую в себя различные  методы по контролю и обеспечению  жизнедеятельности растений, которая позволяет управлять всеми процессами не только в непосредственной близости с объектом, но и удаленно, например, через интернет или мобильный телефон, что также не исключает использования данного метода для контроля за любыми другими объектами, требующими к себе повышенного внимания к процессу их жизнедеятельности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 КРАТКИЙ ОБЗОР  ОБЪЕКТОВ ПОДДЕРЖАНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ  ОБЪЕКТОВ

 

Остановимся на типичных объектах автоматизации. Разобьем эти  объекты на три группы.

К первой группе отнесем большие растения, такие, как деревья и кустарники Ботанического Сада. Они требуют специфического ухода. В  отношении их в оранжереях накоплен большой опыт по уходу за ними. И целью системы является, в частности,  формализация и систематизация этого опыта: определение типичных световых, влажностных и температурных режимов по имеющимся апробированным данным.

Ко второй группе отнесем  различное контейнерное садоводство, более типичное для частных оранжерей. Это выращивание овощей и фруктов  в контейнерах, выращивание цветов в небольших масштабах в домашних условиях. Следует отметить, что это вызывает  устойчивый интерес любителей, и в более широком смысле может включать в себя интересы пчеловодов,  небольших предприятий аграрной промышленности, связанных с разведением рыб, аквариумное хозяйство, и т.д. Данная тема в настоящее время широко обсуждается в Интернете как составная часть технологии построения “Умного Дома”.

К третьей группе относятся  экзотические растения, требующие особо  внимательного отношения к их выращиванию, и, в частности, это широкое направление, связанное с выращиванием орхидей. Для садоводов орхидеи отличаются повышенной трудностью их содержания и включают, в том числе, спортивный интерес по поддержанию красивых, но весьма требовательных растений, и комплекс в данном случае должен включать большее число датчиков, исполнительных контуров, и более аккуратно обходится с временными параметрами полива, увлажнения и т.д. ( т.е. не по заранее составленной программе, как в случае с контейнерными растениями, а с использованием управления с обратной связью).

Отличительной чертой данного  проекта является модульная технология разработки комплекса, что позволяет  переориентировать его в вышеперечисленные  области применения без трудоемких затрат. Основным средством реализации задачи являются  высокопроизводительные устройства ввода, вывода и цифровой обработки сигналов,  а также исполнительные устройства – водяные помпы, увлажнители воздуха, электрические шторы и т.д.

 

1.1  Оранжереи  Ботанического Сада Санкт Петербурга 

Содержание и уход за крупными редкими видами растений невозможны в домашних условиях. Как правило, необходимы специальные условия, создаваемые в ботанических садах. Цель нашего обзора – зафиксировать существующее положение дел с растениями и автоматизацией классического ботанического сада на примере оранжерей Санкт Петебурга.

Отметим, что ботаническая наука в Петербурге представлена на уровне ведущих научно-исследовательских учреждений. Этот список возглавляют:

 

1. Ботанический институт им. В.Л.Комарова Российской академии наук
2. Всероссийский институт растениеводства им. Н.И.Вавилова
3. Всероссийский институт защиты растений

 

Санкт-Петербургский  Ботанический Сад, созданный на базе Ботанического институт им. В.Л.Комарова, является одним из старейших в нашей стране. Основанием Саду послужил «Аптекарский огород», учрежденный Петром I в 1714 году для выращивания лекарственных трав, а также редких и интересных «заморских» растений. Рост коллекций и значимость работ по изучению растений привели к учреждению в 1823 году Императорского Ботанического Сада. За 1823-1824 годы построено каре оранжерей, планировка которых в основном сохранилась до наших дней. Одновременно создавался парк.

Ботанический Сад обладает богатыми коллекциями живых растений в оранжереях и в парке. В оранжереях Ботанического Сада, площадь которых составляет около 1 га, а общая протяженность 1 км, собраны коллекции живых растений, насчитывающие более 7,5 тыс. видов растений, в том числе из самых отдаленных и экзотических уголков планеты.

Здесь есть «висячие сады» из эпифитов, живущих высоко на ветвях тропических деревьев, видны листья папоротников. Ежегодно в оранжереях дают плоды манго, какао, кофе, флакуртия (тропическая слива), бананы, цитрусовые (лимон, мандарин, апельсин), японская мушмула, инжир, фейхоа, гранат и ряд других растений. Австралийские акации цветут начиная с февраля и цветение некоторых видов продолжается до июля; есть каллистемоны, пальмы, жасмины.

В оранжерее  № 6 существует редкая коллекция вересковых, представленная более чем 50 видами азалий и рододендронов. Рододендроны родом из Индии, Китая, Японии, Северной Америки, с гор до 3000-45000 метров над уровнем моря. Естественно, нужны соответствующие условия. В коллекции около 100 гибридных сортов листопадных рододендронов, известных в садоводстве под названием азалий.

В оранжерее № 15  находится  коллекция тропических и субтропических папоротников, представленная 500 видами и сортами этих растений. Папоротники  широко распространены по всему земному  шару, наибольшее их разнообразие наблюдается во влажных тропических лесах, где они произрастают не только на почве, но и как эпифиты на стволах деревьев. Поэтому прохладное отделение оранжереи занимают древовидные папоротники – обитатели горных районов тропиков. Во втором отделении оранжереи расположены эпифиты, среди них миниатюрные папоротники – хейлантесы, хемионитисы, актиниоптерисы.

Коллекция суккулентных и ксерофитных растений собрана  в двух оранжереях – фондовой и  демонстрационной (оранжерея № 16).

Для содержания уникальной коллекции редких растений необходим профессионализм и опыт, наработанный годами. Еще совсем недавно, людям приходилось выполнять практически всю работу самим и контролировать множество параметров микроклимата с помощью давно устаревших приборов. В ходе недавней реконструкции оранжерей, ситуация с автоматизацией несколько улучшилась. Появились средства регулировки температуры, представленные на рисунках 1 и 2, подключенные к отопительной системе. Это позволило автоматически регулировать температуры внутри оранжерей.

 

Рисунок 1 – Датчик температуры

Рисунок 2 – Управляющий  клапан 

Безусловно, внедренные нововведения, облегчили труд сотрудников  ботанического сада и упростили  процесс содержания растений. Однако, очевидно, процесс содержания автоматизирован лишь частично.

Коллекция особо редких и нуждающихся в особых условиях растений начала создаваться еще в 30-е годы XVIII века, когда в Ботаническом саду выращивались опунции, цереусы и алоэ. В настоящее время она насчитывает около 1600 видов этих растений, отдельные особо редкие экземпляры которых имеют возраст 50-100 и более лет. Кроме кактусов здесь представлены эндемики острова Мадагаскар – дидиорея Тролля и пахиподиумы, южно-африканские литопсы, растение пустыни Намиб – вельвичия удивительная (на родине ее возраст достигает 2000 лет).

Уже в момент проектирования такой редкой и дорогой по составу  оранжереи инженеры задумывались о режимах ухода за растениями. Поскольку технологии, доступные на момент постройки не могли позволить сделать многое, научным сотрудникам и работникам ботанического сада основную часть работы приходилось делать вручную. Несмотря на то, что с момента основания сада прошло практически 300 лет, сейчас мало что изменилось в самом процесса ухода за растениями, но зато накоплен весьма ценный опыт, который можно заложить в автоматизированную систему.

 

1.2 Контейнерное  садоводство 

Контейнерное садоводство  подходит для жителей городских  квартир и таунхаузов. В контейнерах  легко вырастить томаты, перец, лук-порей, бобы, морковь, редис, зеленные и ягодные культуры. Контейнером для овощей и фруктов может стать любая емкость с отверстиями для слива воды: кадка, горшок, ящик, подвесная корзина. Распространенное решение – специальные пластиковые контейнеры, которые и дали название популярному ныне направлению. Пример пластиковых контейнеров изображен на рисунке 3.

 

 
Рисунок 3 – Помидоры

 

Контейнеры должны быть наполнены грунтовой смесью, на дно  уложен слой дренажного материала. Для  наземных горшков используется гравий или осколки терракоты – они сделают контейнеры более тяжелыми, устойчивыми. Для подвесных корзин подойдут легкие прокладки из джута, полиэтилена, скорлупы кокосового ореха, мха (красивый, но дорогой материал), а также из картона. Контейнеры темных цветов будут больше нагреваться на солнце, поэтому в них не выращивается редис, репа, пастернак и другие культуры, предпочитающие прохладу.

Преимущества контейнерного  садоводства:

-  Удобный «мобильный» огород (можно передвинуть горшки туда, где больше солнца или насекомых-опылителей).

-   Экономия труда и времени (не надо заниматься перекапыванием почвы).

-  «Работает» на бедных почвах и ограниченном пространстве городской квартиры.

-   Заполняет некрасивые пустоты в саду и сезонные «залысины» в цветниках