Файл: Прибор для непрерывного контроля температурного воздействия на объекты окружающей среды.docx

Степанов В.Е., Солдатов С.Н., Семенов С.О.

Северо-Восточный федеральный университет им М.К. Аммосова, Физико-технический институт

Якутск, Российская федерация

Аннотация — В статье представлен прибор для непрерывного мониторинга температуры, влажности почвы, СО₂.

Ключевые слова — температурная доза, термопара, микроконтроллер Arduino mega 2560, GPRS.

1. Введение

Для измерения температуры среды применяются широко известные термоэлектрические датчики, например хромель-алюмелевые термопары, вырабатываемые в них микротоки калибруются с температурой спая, с помощью эталонных терморезисторов. Они позволяют регистрировать мгновенные значения температуры в месте расположения датчика. Однако в метеорологии, в научных исследованиях биологических объектов и сельскохозяйственных культур используются среднесуточные и среднегодовые максимальные и минимальные значения температуры окружающей среды. При всей прикладной значимости такого традиционного подхода к измерению влияния погоды на растительность и ландшафты здесь утрачивается интегральная информация о влиянии непрерывного воздействия температуры на исследуемые объекты.

2. Температурная доза

Непрерывное воздействие температуры на объекты обеспечивается введением нового понятия локальной температурной дозы[1]. В точке расположения термодатчика через заранее заданные интервалы времени измеряется текущее значение температуры, которое меняется в зависимости от погоды. Строится график, где по оси ординат y откладываются значения температуры U, а по оси абсцисс x значения интервалов времени, прошедших с момента начала измерения. Пусть измерения выполнены за интервал от момента t₁ момента t₂. Тогда температурная доза D определяется как площадь между осью x и графиком U(t), и равна следующему интегралу

D = ∫_t1^t2U(t)dt. (1)

Скорость роста растений, скорость таяния льда и грунта и другие физические характеристики объектов зависят непрерывно от текущего значения температуры внешней среды. Эту зависимость можно экспериментально измерять при использовании понятия температурной дозы [2].

3. Прибор для непрерывного мониторинга

Дистанционный автоматический мониторинг температуры, влажности грунта, СO₂ тепличных хозяйств, существенно бы облегчил уход за посаженными культурами. С этой целью изготовлено устройство для автоматической бесперебойной регистрации температуры, влажности грунта и СО₂, которое передает по GPRS каналу на смартфон, компьютер в любую точку земли, где есть интернет.

Устройства мониторинга, это специальное устройство собственной разработки, предназначенное для мониторинга и слежения за урожаем теплиц, путем беспроводного обмена данными GPRS. Модуль состоит из трех частей:

1. Электроника;

2. Питание;

3. Программное обеспечение С++;

Модуль также имеет несколько датчиков, для обеспечения несколькими типами данными и мониторинга:

1. Термопара;

2. Датчик температуры воздуха (терморезистор);

3. Датчик газа СО2;

4. Датчик влажности почвы.

Само устройство состоит из микроконтроллера Arduino Mega 2560, плата имеет 54 цифровых выхода/выходов, 14 ШИМ (широкоимпульсная модуляция), 16 аналоговых входов и 4 UART порты с кварцевым генератором на 16 Мгц. Микроконтроллер обрабатывает всю информацию, также имеет вспомогательный микроконтроллер GPRS Shield, который обеспечивает беспроводной обмен данными между модулем и телефоном. Частотный диапазон работы 1900 Мгц, телефон в данной работе, является приемником, результаты получаем в виде графика (рис.1.). Технические характеристики GPRS Shield:

• Диапазон напряжений 4,8-5,2В;

• В обычном режиме ток достигает 450 мА, максимальный ток в импульсном режиме 2 А;

• Поддержка 2G;

• Мощность передачи: 1 Вт 1800 и 1900 МГц, 2 Вт 850 и 900 МГц;

• Имеются встроенные протоколы TCP и UDP;

• GPRS multi-slot class 10/8;

• Рабочая температура от -30С до 75С.

Блок питания устройства обеспечивает бесперебойность работы. Его основным элементом, является солнечная панель, которая постоянно заряжает аккумулятор с характеристиками 12 вольт 10 ампер (120W). Зарядка аккумулятора управляется контроллером,. обеспечивающим зарядку и своевременную остановку зарядки и от перегрузки устройства.

Программное обеспечение написано на языке С++ в микроконтроллере Arduino mega 2560, цель программы, это транслирование и отправка данных через GPRS сеть на геоинформационный сервис “Народный мониторинг”.

Народный мониторинг - геоинформационный сервис по отображению на карте мира и контролю данных от микроконтроллеров.

Данный прибор позволяет связать полученные экспериментальные данные с теорией температурной дозы[1].

Библиографический список

1. 
   [1]Cтепанов В.Е., Наумова К.А. “Теория радиационно-индуцированной температурной дозиметрии для теплообмена неравновесных состояний и ее приложения”, Современные проблемы физики и технологий. V-я Международная молодежная научная школа-конференция, 18-23 апреля 2016 г.: Тезисы докладов. Часть 2. М.: НИЯУ МИФИ, 2016.- 372 с.
   
2. 
   [2]Cтепанов В.Е., Наумова К.А. “Теория радиационно-индуцированной температурной дозиметрии и ее применение в теплотехнике” XXIII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2016». Секция «Физика». Сборник тезисов. – М.Физический факультет МГУ, 2016. -264 с.