بخشی از مقاله

چکیده-

هدف این مقاله طراحی سیستم کنترل گلخانه با استفاده از میکروکنترلر AVR و کنترل، جمع آوری و نمایش عملکرد تجهیزات با استفاده از نرم افزار LabVIEW می باشد. در این پروژه از سنسور دیجیتال دما و رطوبت DH22، سنسور آنالوگ دما LM35، سنسور رطوبت خاک، سنسور نور و سنسور گاز برای اندازه گیری پارامترهای مهم گلخانه و از عملگرهای پمپ آب، شیر آب، فن و هیتر، استپر برای کنترل فرایند استفاده شده است. بررسی نتایج عملکرد سیستم نشان می دهد که با اتوماسیون فرایند کشت گلخانه ای علاوه بر افزایش سطح کیفی و کمی تولید می توان از صرفه جویی قابل ملاحظه ای در مصرف انرژی و آب نمود.

-1 مقدمه

کشت گلخانه ای نیاز به مراقبت دایمی دارد به طوری که حتی لحظه ای غفلت می تواند خسارت جبران ناپذیری وارد کند. بنابراین بدون داشتن اتوماسیون نیاز به کار شبانه روزی می باشد. سیستم کنترل هوشمند یک سیستم پیشرفته برای کنترل و مدیریت هر فرایندی از جمله گلخانه می باشد، که با هدف حداقل کردن مصرف انرژی، استفاده بهینه از تجهیزات و در نهایت ایجاد شرایط اقلیمی ایده آل برای کشت طراحی و ساخته می شود.

در این بین کنترل کامپیوتری گلخانه براساس تکنولوژی روز با توجه به شرایط آب و هوایی ایران و محصولات مورد نظر و افزایش سطح زیرکشت گلخانه ای یکی از مباحث مهم در کشور می باشد. اتوماسیون می تواند تمامی تجهیزات گلخانه را شامل شود. میکروکنترلر یک پل ارتباطی بین سنسورها و تجهیزات و عملگرهای گلخانه ای است که امکان دسترسی به بهترین شرایط اقلیمی را درون گلخانه مهیا می سازد.

با اندازه گیری پارامترهای مهم توسط تعداد زیادی سنسور در داخل و بیرون گلخانه، میکروکنترلر امکان تاثیر گذاری برشرایط و پارامترهای مهم تحت کنترل را دارد. اطلاعات دائما جمع آوری و آنالیز می شوند. کنترل تعداد زیادی عملیات از قبیل تهویه ، گرمایش ، سرمایش، آبیاری و تغذیه، نور و رطوبت می تواند به صورت همزمان انجام شود. درنتیجه باکاهش هزینه های کارگر، آب، انرژی و افزایش دقت در عملیات، افزایش بازدهی را خواهیم داشت. به علاوه تمام مراحل در گلخانه می تواند در یک مکان، توسط کامپیوتر مدیریت و ثبت شود 

در این مقاله هدف طراحی و اجرای یک سیستم کنترل هوشمند و جامع شامل نرم افزار و سخت افزار برای اتوماسیون گلخانه با استفاده از میکروکنترلر AVR و نرم افزار گرافیکی Labview می باشد.

-2 الگوریتم و نحوه عملکرد سیستم کنترل

در این سیستم تمامی اطلاعات مورد نیاز برای حفظ شرایط داخلی و تهویه مناسب و موثر توسط میکروکنترلر اندازه گیری و پردازش می شود، و سپس از طریق ارتباط سریال به کامپیوتر جهت نمایش ارسال می شوند. در این بین، کاربر با استفاده از نرم افزار Labview علاوه بر نظارت بر فرایند کنترل می تواند فرمان های لازم را برای تغییر وضعیت کنترل اعمال نماید. شکل 1 نمای کلی سیستم کنترل هوشمند گلخانه را نشان می دهد.

شکل :1 سیستم کنترل هوشمند گلخانه

در این نرم افزار می توان مد کاری سیستم کنترل را بصورت دستی یا اتوماتیک انتخاب نمود. در مد دستی انجام تنظیمات شرایط رشد گیاه شامل خاموش/روشن کردن دستی تجهیزات از راه دور، مشاهده وضعیت عملکرد تجهیزات و شرایط اقلیمی بدون نیاز به حضور در سالن ها، و همچنین نمایش گرافیکی هر گونه تغییر به صورت نمودار - مانند دما، رطوبت، عملکرد تجهیزات و.... - امکان پذیر می باشد.

در حالت اتوماتیک سیستم بطور خودکار براساس مقادیر اندازه گیری شده توسط سنسورها عمل کنترل را انجام می دهد. در این حالت کاربر مقادیر مرجع برای دما، رطوبت، و نور را تنظیم می کند. پس از آن سیستم در صورت انحراف مقدار اندازه گیری شده از مقدار مطلوب دستور لازم به عملگرهای مربوطه را ارسال می نماید. بعنوان مثال وقتی دما را 23 درجه سانتی گراد تنظیم کنیم اگر دمای محیط بالاتر از این مقدار باشد، میکروکنترلر به فن تا زمان صفر شدن خطا فرمان روشن شدن می دهد. همینطور سنسور رطوبت حداقل رطوبت خاک را می گیرد و بر اساس آن میزان دبی آب را با الگوریتم PID کنترل می کند.

در این سیستم با توجه به متغیرهای تحت کنترل می توان چندین سیستم کنترل مستقل را طراحی نمود که می توانند بطور همزمان عمل نمایند.

سیستم کنترل گرمایش/سرمایش: دما یکی از اصلی ترین متغیرهای در گلخانه است که می تواند با استفاده از روشن یا خاموش کردن فن/هیتر یا باز و بسته کردن دریچه ها کنترل شود. بمنظور دستیابی به تهویه مطلوب با حداقل مصرف انرژی بایستی الگوریتم مناسب جهت عملکرد دریچه های تهویه، روشن و خاموش شدن فن/هیتر با توجه به اندازه گیری دمای خارج - با سنسور - LM35 و داخل گلخانه - با سنسور - DHT22 صورت پذیرد. در شکل 2 نمای کلی سیستم کنترل دما با استفاده از فن در محیط Labview نمایش داده شده است.

شکل :2 سیستم کنترل دما در محیط Labview

سیستم کنترل رطوبت:رطوبت یکی از مولفه های مهم در گلخانه است که تاثیر مستقیم در میزان آب آبیاری در گلخانه دارد. اندازه گیری میزان رطوبت در گلخانه از دو منظر مورد توجه است. یکی رطوبت خاک یا محیط کشت و دیگر رطوبت هوای گلخانه. رطوبت زیاد باعث عرق کردن پوشش گلخانه شده و قطرات آب حاصله روی شاخ و برگ گیاه می ریزد. لذا بایستی کنترل با مه پاش برای رسیدن به رطوبت مطلوب در خاک و هوا انجام می شود. در شکل 3 نمای کلی سیستم کنترل رطوبت خاک با سنسور yl-69 در محیط Labview نمایش داده شده است.

شکل :3 سیستم کنترل رطوبت خاک در محیط Labview

سیستم کنترل نور: نور گلخانه در عمل سنتز و رشد گیاهان نقش بسزایی دارد که می توان آن را با تنظیم دریچه ها در تابستان جهت جلوگیری از نور اضافی و لامپ سدیمی در زمستان فراهم نمود. نمای کلی سیستم کنترل نور با استفاده از سنسور LDR در محیط Labview در شکل 4 نمایش داده شده است.

شکل :4 سیستم کنترل نور در محیط Labview

همچنین این سیستم با توجه به فصل، و همچنین دما و رطوبت، میزان آب مصرفی برای آبیاری و تعداد دفعات آبیاری را تنظیم کنترل می کند. علاوه براین، این سیستم مجهز به سیستم اعلام هشدار می باشند که در صورت افزایش یا کاهش هر یک از پارامترها از حد تعریف شده هشدار لازم را به کاربر داده و آن را در حافظه کامپیوتر ذخیره می کند.

-3 ساختار و اجزای اصلی سیستم کنترل

سیستم کنترلی از دو بخش سخت افزاری و نرم افزاری تشکیل شده است که در کنار یکدیگر قابلیت کنترل گلخانه در محل و از راه دور را فراهم می آورند. نمودار بلوکی اجزای سیستم کنترل گلخانه در شکل 5 نشان داده شده است.

شکل :5 نمودار بلوکی سیستم کنترل گلخانه

در این ادامه برخی از اجزای اصلی سیستم کنترل گلخانه را بررسی می کنیم:

میکرو کنترلر - وظیفه دریافت تنظیمات کاربر و همچنین مقادیر اندازه گیری شده توسط سنسورها، پردازش آنها و در نهایت کنترل و فرمان به عملگرها بر عهده میکروکنترلر می باشد. در این دستگاه از برد میکروکنترلر atmega16 استفاده شده است که دارای چهار پورت 8 بیتی است،که علاوه بر اینکه به عنوان یک پورت معمولی می توانند باشند، کاربرد های دیگر نیز دارند، به عنوان مثال پورتA می تواند به عنوان ورودی ADC - تبدیل ولتاژ آنالوگ به کد دیجیتال - استفاده شود،که این خاصیت های مختلف پورت، در برنامه تعیین می شود . ولتاژ کاری این آی سی از 4.5 تا 5.5 ولت می تواند باشد. فرکانس کار هم تا 16 MHz می تواند انتخاب شود که تا 8MGz نیاز به کریستال خارجی نیست. در شکل 6 پایه های میکروکنترلر atmega16 نمایش داده شده است

شکل :6 پایه های میکروکنترلر atmega16

موتور پله ای - از موتورهای پله ای می توان برای کنترل دریچه های نور و تهویه استفاده نمود. یک موتور پله ای متداول دارای شش سیم می باشد که 4 سیم برای چهار سیم استاتور و دو سر مشترک برای سیم های سر وسط است، که در اکثر موتورها این دو سر وسط از داخل بهم وصل می شوند و در نتیجه موتور دارای 5 سیم می شود. با اعمال پالس هایی به هریک از سیم پیچ ها موتور شروع به حرکت می کند. در جدول 1 نحوه اعمال پالس ها جهت راه اندازی استپر موتور بصورت تمام پله تمام نشان داده شده است.

جدول -1 پالسهای اعمالی به هر یک از سیم پیچ ها

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید