Automated Complex for Monitoring and Controlling Water and Oxygen Levels in Fish Pond Farms

Full Text

Введение

За последние десятилетия запасы рыбного продовольствия сильно сократились. Это связано с нерациональным использованием природных ресурсов, браконьерством, техногенным и естественным обмелением рек. Для сохранения и приумножения рыбных запасов, появилась необходимость в создании рыборазводных хозяйств. Деятельность таких предприятий позволит обеспечить население нашей страны качественной и доступной продукцией и повысить импортозамещение.

Продолжительность роста рыбы напрямую зависит от температуры окружающей среды, уровня кислорода в воде и условий содержания. Из этого можно сделать вывод, что скорость выращивания рыбы в природных водоемах значительно ниже, чем в установках замкнутого водоснабжения (УЗВ). Однако существует вероятность возникновения нештатных ситуаций, зависящих как от человеческого фактора, так и от технического состояния системы контроля за жизненно важными параметрами для выращивания рыбы [1, 2].

В соответствии с Постановлением правительства РФ от 17 июня 2015 г. № 600 «Об утверждении перечня объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности» разрабатываемый программно-аппаратный комплекс (ПАК) решит проблему сокращения потребления электроэнергии при работе установки в определенном режиме, избегая бесконтрольной эксплуатации насосных установок. Это позволит увеличить срок работы оборудования и сократить дополнительные расходы на ремонт и покупку нового [3, 4].

Структурное и функциональное проектирование программно-аппаратного комплекса

Разработанный ПАК предназначен для непрерывной и автономной работы. Он берет на себя такие функции, как управление насосными установками, контроль оптимальной температуры воды, предоставление данных оператору с установленных датчиков и оповещение о возникновении аварийного состояния и низком уровне воды. Для нормальной работы ПАК необходимо удостовериться, что все датчики (кислорода, температуры, уровня воды) установлены в соответствии с их характеристиками и требованиями по эксплуатации.

Получение информации об уровне воды, концентрации кислорода и температуре происходит при помощи соответствующих датчиков и передается на автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора. Функция дополнительного оповещения об аварийных ситуациях в системе выполняется с помощью установки GSM/GPRS-модуля.

Рис. 1. Структурная схема программно-аппаратного комплекса

 

На рисунке 1 представлено взаимодействие микроконтроллера с комплектующими, входящими с состав ПАК. Микроконтроллер является главным элементом ПАК, используется для сбора данных с датчиков, приема и отправления sms-сообщений при помощи GSM/GPRS-модуля и осуществляет управление внешними устройствами.

Данные с датчиков (температуры, кислорода и уровня воды) передаются на микроконтроллер, затем на дисплей АРМ в целях отслеживания текущего состояния оператором. Микроконтроллер подает сигнал о работе насоса, аэратора и нагревательного элемента в зависимости от полученных данных. При отсутствии сигнала с какого-либо датчика включается аварийный режим системы управления.

 

Рис. 2. Функциональная схема программно-аппаратного комплекса

 

Общая функциональная схема ПАК, в которой продемонстрированы все основные блоки и протоколы передачи информации между ними, показана на рис. 2.

При разработке ПАК также учтены следующие программно-технические решения:

• – предельное время ожидания ответа оператора – не более 30 с;
• – вероятность потери информационного сообщения – не более 0,1 %;
• – устойчивость к сетевым перегрузкам;
• – возможность дальнейшего развития ПАК в направлении расширения функционала, производительности, масштабируемости существующих функций.

Срок эксплуатации ПАК определяется сроком устойчивой работы аппаратных средств вычислительных комплексов, своевременным проведением работ по замене (обновлении) аппаратных средств, сопровождению программного обеспечения ПАК и его модернизации.

Разработка программы и интерфейса для мониторинга системы

В основе программного обеспечения ПАК лежит следующий алгоритм работы микроконтроллера (рис. 3). На первом этапе контроллер опрашивает датчики и сравнивает их показания с допустимыми значениями. Если уровень воды ниже заданного значения, то контроллер подает сигнал на запуск водяного насоса, который работает до тех пор, пока резервуар не заполнится до рекомендованного объема. Если вода в резервуаре находится на достаточном уровне, тогда система проверяет значения кислорода в воде и температуры. В случае, когда кислород находится в нормально допустимом диапазоне (8,3…9,2 мг/л), аэратор выключен. При снижении уровня допустимой концентрации кислорода, контроллер запускает аэратор до тех пор, пока уровень кислорода в воде не придет в норму [5].

 

Рис. 3. Алгоритм работы программно-аппаратного комплекса

 

Если температура воды повышается до 26 °С, тогда в независимости от уровня кислорода включается аэратор, так как это позволят снизить ее показания на несколько градусов. Если температура достигает значений ниже 20 °С, то включается водонагреватель.

На автоматизированном рабочем месте оператора будет отображаться весь протекающий процесс в УЗВ, а также данные, полученные с датчиков. Программа АРМ использует библиотеки pySerial для работы с последовательным портом и Tkinter для создания интерфейса (рис. 4).

Код написан на языке Arduino C, который основан на C/C++, в среде разработки Arduino IDE. Программа представляет собой цельный скрипт, предназначенный для микроконтроллера на печатной плате. Для работы с датчиками и другими дополнительными модулями использованы соответствующие библиотеки: SoftwareSerial, Dallas Temperature, OneWire, LCD_1602_RUS. В качестве платформы для ПАК выбран контроллер Arduino UNO.

Для Arduino используем библиотеку SoftwareSerial, которая эмулирует программную работу последовательного порта для связи с модулем SIM900. На Arduino уже присутствует аппаратный последовательный порт, но он не доступен для обмена данными с компьютером.

Рис. 4. Фрагмент программного кода автоматизированного рабочего места оператора

 

Дополнительно используется библиотека для работы с датчиком температуры DallasTemperature. Она предполагает совместную работу с библиотекой OneWire, поэтому ее следует тоже подключить. Библиотека LCD_1602_RUS необходима для работы с дисплеем. Через данную библиотеку выводим полученную с датчиков информацию на дисплей.

Программа начинается с объявления переменных, инициализацией экземпляров и библиотек. Первая функция, которая запускается, – Setup. Здесь назначаются порты, настраивается последовательный порт и проводится проверка модуля связи, чтобы убедиться, что он подключен и исправен. Функция Loop – основное тело программы, она выполняется бесконечно, в ней постоянно идет опрос датчиков и обновление информации на дисплее.

Программа для микроконтроллера и АРМ связаны между собой, то есть при изменении параметров на микроконтроллере, это отобразится на АРМ и наоборот (рис. 5).

 

Рис. 5. Прототип интерфейса программно-аппаратного комплекса

 

Заключение

Введение в эксплуатацию разработанного программно-аппаратного комплекса позволит существенно снизить потребление электрической энергии, увеличить срок службы оборудования и минимизировать риски, связанные с гибелью рыбы из-за непредвиденных ситуаций, и, как следствие, уменьшить себестоимость продукции.

About the authors

Yu. A. Golovko

Astrakhan State University named after V.N. Tatishchev

Author for correspondence.
Email: pjulia2014@yandex.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры информационных технологий

Russian Federation, Astrakhan

S. V. Golovko

Astrakhan State Technical University

Email: pjulia2014@yandex.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрооборудование и автоматика судов»

Russian Federation, Astrakhan

References

Supplementary files