АВТОНОМНА СИСТЕМА ВИМІРЮВАННЯ КЛІМАТИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ

Анотація. У статті представлено розробку автономної системи для моніторингу кліматичних параметрів, таких як температура та відносна вологість повітря, а також рівень вуглекислого газу в повітрі. Розробка системи обумовлена високою вартістю та недостатньою автономністю наявних на ринку аналогів. У статті розглянуто структурну схему системи та описано принцип її роботи, а також описується розробка структури системи нечіткої логіки, яка використовується для прийняття рішення про комфортність мікроклімату на виробництві. Розглянуто вибір логіки, за якою побудована система нечіткої логіки.
Розроблена система дозволяє проводити точний моніторинг та вимірювання кліматичних параметрів. Автономність забезпечується наявністю акумулятора та сонячної панелі, а передача даних проводиться за допомогою технології Bluetooth.
Застосування методів опрацювання отриманих даних з використанням нечіткої логіки дозволяє класифікувати стан навколишнього середовища за рівнями комфортності.
У кінці статті наведені приклади можливих застосувань цієї системи моніторингу, зокрема розроблену систему можна використовувати на виробництвах для моніторингу допустимих кліматичних параметрів, що описані у відповідних нормативних документах. Також систему можна використовувати під час проведення польових вимірювань у процесі досліджень сучасних агротехнологій.

Ключові слова: кліматичні параметри, моніторинг, класи еквівалентності, комфортність середовища, система вимірювання, програмне забезпечення

Аннотация. В статье представлена разработка автономной системы для мониторинга климатических параметров, таких как температура и относительная влажность воздуха, а также уровень углекислого газа в воздухе. Разработка системы обусловлена высокой стоимостью и недостаточной автономностью имеющихся рынку аналогов. В статье рассмотрена структурная схема системы и описан принцип ее работы, а также описывается структура системы нечеткой логики, которая используется для принятия решения о комфортности микроклимата на производстве. Рассмотрен выбор логики, по которой построенная система нечеткой логики. Разработанная система позволяет проводить точный мониторинг и измерение климатических параметров.
Автономность обеспечивается наличием аккумулятора и солнечной панели, а передача данных проводится с помощью технологии Bluetooth.
Применение методов обработки полученных данных с использованием нечеткой логики позволяет классифицировать состояние окружающей среды за уровнями комфортности.
В конце статьи приведены примеры возможных применений данной системы мониторинга, в частности, разработанную систему можно использовать на производствах для мониторинга допустимых климатических параметров, которые описаны в соответствующих нормативных документах. Также систему можно использовать при проведении полевых измерений в процессе исследований современных агротехнологий.

Ключевые слова: климатические параметры, мониторинг, классы эквивалентности, комфортность среды, система измерения, программное обеспечение.

Summary. In the article development of the off-line system ispresented for monitoring of climatic parameters, such as atemperature and relative humidity of air, and also level of carbon dioxide in mid air. Development of the system is conditioned by a high cost and insufficient noninteraction ofpresent to the market analogues. In the article the flow diagram of the system is considered and principle of her workis described, and also development of structure of the system of fuzzy logic, that is used for a decision-making about the comfort of microclimate on a production, is described.
The choice of logic after that there is the built system of fuzzy logic is considered. The worked out system allows to conduct the exactmonitoring and measuring of climatic parameters. Anoninteraction is provided by a presence to the accumulatorand sunny panel, and communication of data is conducted by means of technology of Bluetooth.
Application of methods of working of the obtained data withthe use of fuzzy logic the state of environment allows to classify after the levels of comfort.
At the end of the article examples of possible applications ofthis system of monitoring are made, in particular the system can be used on productions for monitoring of possible climatic parameters that is described in corresponding normative documents. Also the system can be used for realization of the field measuring in the process of researches of modern agrarian technologies.

Keywords: climatic parameters, monitoring, classes of equivalence, comfort of environment, measuring system, software.

 

Вступ. Зараз багато галузей промисловості та наукових досліджень, зокрема в галузі сільськогосподарського виробництва, потребують моніторингу таких факторів як температура, відносна вологість повітря та рівень вуглекислого газу в повітрі [1]. Від цих параметрів залежить працездатність людини та її самопочуття. Надмірний рівень вуглекислого газу в повітрі може стати причиною головних болів, запаморочень, сонливості і т. д. Особливу увагу слід приділити школам та дитячим садкам, де рівень вуглекислого газу в повітрі значно перевищує допустимі норми, приміщення не завжди провітрюються, що призводить до негативних наслідків. Також на людину негативно впливає надмірна температура, або навпаки понижена. Зазначені характеристики повітря пронормовані в державних санітарних та державних будівельних нормах, однак їх моніторинг не завжди є можливим.
Система моніторингу потребує джерела живлення, яке не завжди може бути наявним у польових умовах у процесі досліджень сучасних агротехнологій. До того ж, більшість таких систем під’єднуються за допомогою дротів, що не завжди є зручним для тих вимірювань, які потрібно проводити на відстані.
Для вирішення цих проблем запропонована автономна система вимірювання кліматичних параметрів, таких як температура, відносна вологість повітря та рівень вуглекислого газу в повітрі. Для забезпечення автономності роботи системи було вирішено використовувати джерелом живлення сонячну батарею з акумулятором.
Сонце є майже невичерпним джерелом енергії, яке нам доступне майже в необмеженій кількості - екологічно чиста і безкоштовна енергія. Зараз сонячна енергетика – один з найперспективніших напрямів  енергозабезпечення людини. З кожним роком вартість сонячних батарей зменшується, а їх якість та продуктивність зростає.
Постановка проблеми. Проаналізувавши наявні рішення, було зроблено висновок, що вони мають певні недоліки, а саме: висока вартість, недостатня мобільність, відсутність передачі даних про вимірювання на відстань. Розроблена система не повинна мати цих недоліків.
Метою досліджень є створення автономної системи для моніторингу кліматичних параметрів, таких як температура та відносна вологість повітря, а також рівень вуглекислого газу в повітрі.
Автономність системи забезпечується наявністю акумулятора та сонячної панелі для заряджання акумулятора. Передача даних відбувається технологією бездротового зв’язку Bluetooth. Уся система побудована на недорогих, легкозамінних компонентах, що забезпечує невисоку ціну всієї системи.
Викладення основного матеріалу.
Структурна схема системи. Структурна схема системи автономного моніторингу кліматичних параметрів зображена на рис. 1. Розроблена система складається з датчика температури повітря, датчика відносної вологості повітря, датчика якості повітря, датчика швидкості руху повітря, мікроконтролера, Bluetooth – модуля, акумулятора та сонячної панелі. Мікроконтролером слугує мікроконтролерна плата Arduino Uno R3, а як Bluetooth-модуль – модель HC-05, яка з’єднана з мікроконтролером  послідовним інтерфейсом.
Для вимірювання температури повітря та відносної вологості повітря було обрано датчик DHT22, який поєднує в собі датчики відносної вологості та температури, та має в своєму складі захисний корпус, що дозволяє використовувати датчик у польових умовах.

 

 Рисунок 1 - Структурна схема автономної  системи вимірювання кліматичних параметрів

 

Датчиком якості повітря обрано датчик MQ-135. Датчик калібрується за значеннями температури та відносної вологості повітря. Ці значення знімаються датчиком DHT22. Для вимірювання швидкості руху повітря використано датчик WindSensorRev. C.
Підбираючи сонячну батарею, яка буде живити всю систему, слід відштовхуватись від її головної характеристики – напруги. Напруга сонячної батареї обирається залежно від ємності акумулятора  та напруги живлення основних компонентів системи. Заряд із сонячної батареї накопичується та зберігається в акумуляторі, який використовується як джерело живлення для роботи приладу. Сигнали з датчиків опрацьовуються в мікроконтролері та за допомогою Bluetooth-модуля передаються на мобільний телефон.
Програмне забезпечення. Система також повинна забезпечувати передачу даних на мобільний телефон або планшет за допомогою технології Bluetooth. На смартфоні відбуваєтсья збір, аналіз, збереження вимірювальних даних та приймається рішення про відповідність кліматичних параметрів державним санітарним нормам. Ці дані можуть бути використані для подальшої обробки на комп’ютері.
Дані передаються у вигляді рядка "HxxTyyNzzWtt”, де xx, yy,zzта tt–значення відносної вологості повітря (%), температури повітря (°С), концентрації вуглекислого газу в повітрі (ppm) та швидкості руху повітря (м/с). Такий спосіб передачі даних дозволяє створення програмних продуктів, які можуть приймати дані від системи та використовувати їх для своїх задач.
У ході роботи було розроблено програмний додаток на базі операційної системи Android, що являє собою рекомендаційну систему. Додаток отримує дані від системи, обробляє їх за допомогою апарата нечіткої логіки та видає рішення про відповідність кліматичних параметрів державним санітарним нормам.
Побудова системи нечіткої логіки. Для побудови системи нечіткої логіки слід визначити змінні, які будуть брати участь у прийнятті рішення. Система моніторингу кліматичних параметрів дозволяє виміряти 4 кліматичні параметри: температуру повітря, відносну вологість повітря, рівень вуглекислого газу в повітрі та швидкість руху повітря. Кожну змінну поділено на лінгвістичні терми, які відповідають нормованим значенням: «нормальні умови», «допустимі умови» та «недопустимі умови». Поділ проводиться на основі нормативних документів. Температура повітря, відносна вологість повітря та швидкість руху повітря нормуються в Державних санітарних нормах мікроклімату виробничих приміщень [2]. Рівень вуглекислого газу в повітрі на виробництві не нормується, проте концентрація CO2 впливає на працездатність та самопочуття людини. Для нормування рівня вуглекислого газу в повітрі було використано дослідження [3].
Кожну змінну поділено на різну кількість лінгвістичних термів, згідно з нормованими значеннями мікрокліматичних параметрів. Нормовані значення різняться залежно від: періоду року, категорії робіт та від того, чи є  робоче місце постійним чи ні. Для наочності було обрано норми для теплого періоду року, категорії робіт «легка Iб» на постійних робочих місцях. Однак логіка системи залишиться незмінною і зі зміною цих факторів. Нормальні та допустимі умови наведено в таблицях 1 і 2.

 

Таблиця 1 - Нормальні умови мікроклімату 

Таблиця 2 - Допустимі умови мікроклімату

На основі цих таблиць можна побудувати функції приналежності (ФП) для кожної змінної. Для простоти та наочності, похибками засобів вимірювання знехтувано, тому форма ФП – прямокутна.
Діапазон вимірювання залежить від характеристик датчиків та окремо взятих елементів. Діапазон вимірювання наведено в таблиці 3.

 

Таблиця 3 - Діапазон вимірювання

 

Вибір логіки та побудова правил. Для роботи системи нечіткої логіки слід задати правила, за якими буде прийматись висновок, щодо придатності мікроклімату санітарним нормам.
Обрана логіка дозволяє приймати висновок «Комфорт» у випадку коли три або більше мікрокліматичні параметри відповідають нормальним умовам, а четвертий лежить в межах допустимих умов. Якщо ж  хоча б два параметри відповідають допустимим умовам – приймається висновок «Субкомфорт». У випадку хоча б одного мікрокліматичного параметра, який не відповідає ні допустимим, ні нормальним умовам – приймається висновок «Дискомфорт». Вага кожного правила – 1.
Виходячи із заданих варіантів побудови логіки, можна зробити висновок, що, коли у вибірці присутня хоча б одна величина, яка не відповідає ні допустимим, ні нормальним умовам, буде прийнято рішення «Дискомфорт». Саме тому подальший розгляд логіки буде проводитись для величин, які відповідають нормальним та\або допустимим умовам.
Зважаючи на те, що класифікація мікрокліматичних умов задана в Державних санітарних нормах, не можна застосувати до них вагові коефіцієнти, тобто кожен з параметрів (температура повітря, відносна вологість повітря, кількість вуглекислого газу в повітрі та швидкість руху повітря) можна розглядати як рівноцінний. На основі цього, можна зробити висновок, що порядок параметрів не важливий, важливе тільки їхнє значення. Це дозволяє розглядати кожну вибірку як набір величин, ранжованих за порядком спадання градацій вербальної шкали. «Високому» рівню («В») відповідають  величини, які відповідають нормальним умовам. «Середньому» рівню («С») відповідають величини, які відповідають допустимим умовам. А «Низькому» рівню («Н») відповідають величини, які не відповідають ні нормальним, ні допустимим умовам [4]. Однак, як зазначалось вище, вибірки, в яких присутні такі величини («Низького» рівня) не розглядаються.
Скориставшись відношенням домінування («В» > «С» > «Н») та оператором OWA можна побудувати класифікацію станів, що відповідають вибіркам за n = 4, t = 2.
Оператор OWA може бути обрахований так [5]:
Вибір логіки та побудова правил. Для роботи системи нечіткої логіки слід задати правила, за якими буде прийматись висновок, щодо придатності мікроклімату санітарним нормам.
Обрана логіка дозволяє приймати висновок «Комфорт» у випадку коли три або більше мікрокліматичні параметри відповідають нормальним умовам, а четвертий лежить в межах допустимих умов. Якщо ж  хоча б два параметри відповідають допустимим умовам – приймається висновок «Субкомфорт». У випадку хоча б одного мікрокліматичного параметра, який не відповідає ні допустимим, ні нормальним умовам – приймається висновок «Дискомфорт». Вага кожного правила – 1.
Виходячи із заданих варіантів побудови логіки, можна зробити висновок, що, коли у вибірці присутня хоча б одна величина, яка не відповідає ні допустимим, ні нормальним умовам, буде прийнято рішення «Дискомфорт». Саме тому подальший розгляд логіки буде проводитись для величин, які відповідають нормальним та\або допустимим умовам.
Зважаючи на те, що класифікація мікрокліматичних умов задана в Державних санітарних нормах, не можна застосувати до них вагові коефіцієнти, тобто кожен з параметрів (температура повітря, відносна вологість повітря, кількість вуглекислого газу в повітрі та швидкість руху повітря) можна розглядати як рівноцінний. На основі цього, можна зробити висновок, що порядок параметрів не важливий, важливе тільки їхнє значення. Це дозволяє розглядати кожну вибірку як набір величин, ранжованих за порядком спадання градацій вербальної шкали. «Високому» рівню («В») відповідають  величини, які відповідають нормальним умовам. «Середньому» рівню («С») відповідають величини, які відповідають допустимим умовам. А «Низькому» рівню («Н») відповідають величини, які не відповідають ні нормальним, ні допустимим умовам [4]. Однак, як зазначалось вище, вибірки, в яких присутні такі величини («Низького» рівня) не розглядаються.
Скориставшись відношенням домінування («В» > «С» > «Н») та оператором OWA можна побудувати класифікацію станів, що відповідають вибіркам за n = 4, t = 2.
Оператор OWA може бути обрахований так [5]:

$$OWA=\max\limits_{k=1}^n[min\{Q(k),b_k\}]$$

де Q(k) = S(f_k);

 

k=1,2,…,n, де n – розмір вибірки;
S(f_k) – f_k-тий рівень вербальної шкали, що розраховуються як:

$$f_k=Int\{1+\frac{k(t-1)}{n}\}$$,

де  Int{x} – найближче ціле число відносно х;
t – кількість градацій вербальної шкали;
b_k – k-тий елемент вибірки, попередньо ранжованої за порядком спадання градацій вербальної шкали.
За відношенням домінування вибірки відносяться так: («СССС»< «ВССС»< «ВВСС»< «ВВВС»< «ВВВВ»).

 

Таблиця 4 - Класифікація станів, що відповідають вибіркам за n = 4, t = 2 

 

Без регистрации Скачать игры 2013 бесплатные dle шаблоны и hd фильмы скачать

Роздрукувати