Сравнительный эксперимент функционирования автоматизированной системы саморегулирования режима аквариума, созданной с помощью свободного программного обеспечения, и нагревателя, управляемого встроенным термостатом (Владимир Симонов, OSEDUCONF-2021)

Материал из 0x1.tv

Короткая ссылка: 20210616Q
Докладчик
Владимир Симонов.jpg
Владимир Симонов

В работе рассмотрен эксперимент, использующий платформу Arduino для управления системой регулирования температурным режимом аквариума. Приведено сравнение основных показателей, на основе данных сенсоров, необходимых для обеспечения автоматического регулирования. В разработке использовалось свободное программное обеспечение.

Видео

on youtube

Презентация

300px

Thesis

Факторы, влияющие на микроклимат, можно разделить на две группы: нерегулируемые (комплекс климатообразующих факторов) и регулируемые (интенсивность теплового излучения от нагревательных приборов, кратность воздухообмена, количество растений и животных в аквариуме).

Для проведения экспериментов была выбрана температура в качестве первого параметра, реализуемого автоматизированной системой. Температура, бесспорно, является самым важным параметром для каждого живого организма, это касается и аквариума. Кроме того, температура это однозначный параметр, относительно быстро меняющийся в течение дня (поэтому экспериментальное время не растягивается слишком долго), а приборы контроля и управления достаточно дёшевы, кроме того, имеется большое разнообразие датчиков и исполнительных устройств на рынке.

Микроконтроллерная платформа Arduino имеет много возможностей, с помощью которых можно реализовать функцию поддержания температуры. Плата Arduino Uno представляет собой открытую платформу, позволяющую собирать разнообразные устройства. Кроме того, Arduino Uno может работать как в связке с компьютером, так и автономно.

Основные достоинства указанной платформы — малый размер, низкое энергопотребление, свободное программное обеспечение, низкая цена: стоимость такого комплекса, как Arduino Uno можно приобрести за две-три тысячи рублей, дополнительные датчики — до двух тысяч рублей[1].

Для приёма данных об изменяющихся условиях необходимо использовать сенсоры[2][3].

Для водонагревателя, как исполнительного устройства, требуется механизм переключения (включение — выключение). В жёсткой автоматике электромеханическое реле является подходящим устройством для этой цели. Так как температура в помещении расположения объекта обычно немного ниже температуры аквариумной воды, то в имеющейся конфигурации охладитель воды (в виде вентилятора поверхности воды) установлен, но не используется регулярно, а только в критических (сезонных) временных промежутках. Добавление вентилятора необходимо, так как температура в помещении заранее неизвестна.

Алгоритм контроля и управления температурой аквариумного контроллера использует данные о требуемых параметрах среды, в качестве входных: минимальная, максимальная, слишком низкая и слишком высокая температура воды. Приемлемая температура для рыб составляет 24-25ºС, на контроллере и зафиксирован этот диапазон входных параметров. Нагреватель регулируется биметаллическим термостатом.

Алгоритм контроллера не обладает свойством самообучения, на этом этапе разумно жёстко закодировать желаемые значения параметров для текущего алгоритма. Для стабилизации температуры используется алгоритм управления — пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор.

Если температура приемлема, то измеряется потребляемая мощность нагревателя, и работа осуществляется на холостом ходу в течение 15 минут.

Результаты эксперимента показывают, что нагреватель, управляемый внутренним термостатом, невозможно настроить для поддержания стабильной температуры воды с точностью до 1ºС. Для демонстрации рабочего поведения нагревателя было проведено сравнение его с реализованным аквариумным контроллером, модуль датчика тока был добавлен для контроля энергопотребления нагревателя.

После сравнения контролирующих температуру воды и других, параметры, которые измеряются до и после того, как регулирование температуры активируется реализованным аквариумным контроллером, следует, что при низкой температуре воздуха в помещении, и при отсутствии фонового регулирования температуры воды, вода нагревается в контуре с фиксированным периодом. Без контроллера цикл нагрева и охлаждения составляет около 4 часов 30 минут. С помощью контроллера, когда диапазон активации нагревателя регулируется до изменения температуры 1ºC, средний цикл нагрева и охлаждения воды составляет 3 часа 15 минут.

Таким образом, результаты эксперимента положительные, и может осуществляться дальнейшее совершенствование системы.

Выбранная платформа обладает всеми ожидаемыми ресурсами для достижения большей стабильности параметров объекта, путём совершенствования системы управления аквариумом. Это важный шаг для повышения точности регулирования параметров воды и отправки предупреждений, когда некоторые параметры выходят за пределы ожидаемого диапазона.



640px

Примечания и ссылки

  1. ↑ Сафин И. Р., Краснов А. Н. Актуальность применения бюджетного программно-аппаратного комплекса в учебных заведениях / Сборник трудов IX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Информационные технологии в науке, бизнесе и образовании». Изд.: Московский государственный лингвистический университет (Москва). — 2017 г. — Стр. 79-83.
  2. ↑ Сайт, посвящённый разработке программно-аппаратных средств на платформе Arduino. URL: https://www.arduino.cc/en/Tutorial/LibraryExamples (дата обращения 14.05.2021)
  3. ↑ Сайт платформы Arduino. URL: https://create.arduino.cc/ (дата обращения 14.05.2021).



Plays:0   Comments:0

Источник — «https://0x1.tv/index.php?title=Сравнительный_эксперимент_функционирования_автоматизированной_системы_саморегулирования_режима_аквариума,_созданной_с_помощью_свободного_программного_обеспечения,_и_нагревателя,_управляемого_встроенным_термостатом_(Владимир_Симонов,_OSEDUCONF-2021)&oldid=188316»