Комплексная интерактивная система по контролю и обеспечению жизнедеятельности растений

Рисунок 22б – Датчик влажности воздуха.

Ниже на рисунке 23 приведен график выхода датчика влажности  воздуха в рабочей Интернет программе:

Влажность (до 100%)

 
        
ось дискретного времени 

Рисунок 23 – График изменения влажности воздуха

Схема включения датчика  приведена на рисунке 24

 

Рисунок 24 – Схема  датчика влажности воздуха

 

3.2 Устройства  управления

 

3.2.1  Помпа

 

Устройство, включающего  подачу воды на контролируемый участок почвы  при уменьшении ее влажности ниже определенного уровня.  Тоесть после получения значений влажности почвы ниже установленного уровня, выполняется программа полива, см. рисунок 25.

 

 

 

Рисунок 25 – Электрическая  помпа

 

3.2.2 Электрическая штора

 

При избытке солнечного света происходит необратимый процесс  разрушения контейнерного растения, что показано на рисунке 26.

 
Рисунок 26 – Сгоревшие листья без защиты от солнца

 

Опираясь на данные датчика освещенности, можно регулировать шторой поступление солнечного света, см. рисунок 27.

Рисунок 27 – Электрическая штора, защищающая растение

3.2.3 Увлажнитель

 

Позволяет, опираясь на данные датчика влажности воздуха устанавливать  нужную влажность, см. рисунок 28.  

 

Рисунок 28 – Увлажнитель

3.2.4 Веб-камера

 
          Веб-камера обеспечивает доступ к изображению растения через Интернет, см. рисунок 29.

 
Рисунок 29 – Веб-камера.

4 РЕАЛИЗАЦИЯ КОМПЛЕКСА

Конечная реализация описанного выше комплекса представлена на рисунке 30. Он обеспечивает контроль за жизнедеятельностью экзотических растений, размещенных в аквариуме для поддержания повышенной влажности, и контроль контейнерных растений на окне.

Рисунок 30 – Реализованный проект комплекса

Также комплекс проходил экспериментальное тестирование в Оранжерее Ботанического Сада на предмет выяснения дополнительной аппаратуры, необходимой для поддержания больших растений и доработки Интернет сайта по управлению технологией удаленного контроля растений Оранжереи.

Акт о внедрении результатов  дипломного проектирования приведен в Приложении Б.

 

 

 

4.1 Основная программа обслуживания

Приведем основную программу обслуживания комплекса, позволяющую контролировать внешний вид растения через веб-камеру, следить за выходными сигналами  датчиков и подавать воздействия через Интернет.

% ВЫЗОВ РИСУНКА НА ЭКРАНЕ ПРОГРАММЫ ОБСЛУЖИВАНИЯ, 
open table,

% ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ ПЕРЕМЕННЫХ, 
e=0, y=1, w=0, u=0, w=read(u), N=50,  g=0, e=readig(1), 

% НАЧАЛЬНОЕ СНЯТИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ  С ВЕБКАМЕРЫ, 
caption,    
% СНЯТИЕ ГРАФИКОВ (ПЕРВАЯ ТОЧКА), 
getgraph,  
% ОСНОВНОЙ ЦИКЛ СИСТЕМЫ, 
Do,  
% ЧТЕНИЕ КОМАНДЫ С СЕРВЕРА (ПРИ МОБИЛЬНОМ УПРАВЛЕНИИ), 
x=y, y=read('com.xml'),   
% ПАУЗА ЦИКЛА В СЕКУНДАХ, 
pause 10,  
% АНАЛИЗ КОМАНДЫ, 
if y<64, if y<>x,  
% СНЯТИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ С ВЕБКАМЕРЫ ПО ЗАПРОСУ С СЕТИ, 
if y=32, caption, else,  
% УПРАВЛЕНИЕ ПЕРИФЕРИЙНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ, 
% 1 - ЛАМПА, 2 - УВЛАЖНЕНИЕ, 4 - ПОМПА, 8-16 ШТОРА,  
e=readig(y), if y>3,if y<8, pause 3, e=readig(y-4), end end end end end 
% ОПРОС ДАТЧИКОВ,  
getgraph, end 

% ПОДПРОГРАММА СНЯТИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ  С ВЕБКАМЕРЫ,

function: caption 
f=write(64,'com.xml'), f=exe('capture'), pause 10, 
% ЗАПИСЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ЭКРАН, 
open background image.jpg [:], 
% ПЕРЕДАЧА НА СЕРВЕР,  
f=write(0,'http://artspb.com_file=image.jpg'), 
% ИЗМЕРЕНИЕ ОСВЕЩЕННОСТИ С КАМЕРЫ,  
A=read('image.jpg'), n=norm(A)/rows(A)/cols(A) 
% ПАУЗА, 
pause 10 
 
% ПОДПРОГРАММА ОПРОСА ДАТЧИКОВ СНЯТИЯ ГРАФИКОВ, 
 
function: getgraph 
% ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ НА ДАТЧИКАХ, 
N=N+1, w=[0 0 0]', e=[5 5]',  z=[0 0]', 
do 2, w=read(e), pause 0.5, end, e=read(z),  
% ПЕРЕСЧЕТ В ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ, 
w(1)=(w(1)-1.375)/0.0225, w(2)=20*w(2),  w(3)=w(3)/5, 
L=1.5*(1-exp(-55*w(3))),  if L<0.64, L=0.64, end 
% ВЫВОД ГИСТОГРАММЫ НА ЭКРАН, 
Table Temperature expands w(1)/20 vertically,  
Table Water expands w(2)/50 vertically,  
Table Light  expands L vertically, Show,  
Table Temperature diminishes w(1)/20 vertically,  
Table Water  diminishes  w(2)/50 vertically,  
Table Light   diminishes  L vertically,

 

% ФОРМИРОВАНИЕ ТАБЛИЦЫ  ПОКАЗАНИЙ, 
if N>9, N=0,  
if cols(g)<2, g=w', else, if rows(g)>99,  g=g(2:100,:), end,  
g=[g; w'], end,  
% ПЕРЕДАЧА НА СЕРВЕР, 
f=write(g,'plant.xml'), end 
pause 20

4.2 Пример программ  для  датчиков

Программы для каждого  из используемых датчиков практически  идентичны друг другу, разница состоит  лишь в формуле пересчета параметров. Ниже приведен пример программы полива, см. рисунок 30, и формул перерасчета параметров для каждого из датчиков.

 

Рисунок 31 – Полив контейнерных растений

 

Инициализация переменных, e=0, y=0, u=0, y=read(u), start, 
 
function: start 
ВКЛЮЧЕНИЕ ПОМПЫ И ВЫВОД ГРАФИКА 
e=reading(4), 
For i=1:100, measure, if i=1, g=y else g=[g;y], end, g=??, pause 0.1, end 

function: measure 
ОПОРНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПИТАНИЯ ДАЧИКА 
u=5, ПОДАЧА НАПРЯЖЕНИЯ 
y=read(u), pause 0.1,  
СБОР ИНФОРМАЦИИ 
y=read(u),  
ОТКЛЮЧЕНИЕ ПИТАНИЯ ДАТЧИКОВ 
y=read(0),

Формула перерасчета  температуры в физическое значение:

y =(y-1.375)/0.0225

Формула перерасчета  влажности воздуха в физическое значение:

y=(y-0.958)/0.0307

Освещенность устанавливается  экспериментально: 5 вольт=прямое воздействие солнечных лучей, 0.01вольта=сумерки.

Влажность почвы устанавливается  экспериментально: 5 вольт = залитая почва, 1 вольт = сухая непригодная для жизнедеятельности почва.

 

 

 

5. ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ В ИНТЕРНЕТ

 

Одной из главных особенностей этого проекта является возможность полнофункционального управления всем комплексом удаленно через интернет или даже мобильный телефон. Для его реализации был создан сайт поддержки, с помощью которого можно в режиме онлайн получать отчеты и изменять параметры объекта контроля.

5.1 Структурная  схема передачи данных в Интернет

 

На рисунке 32 отражена общая схема передачи информации, полученной системой сбора показаний в интернет.  Для создания такого сервера нет необходимости в выделенной линии (можно использовать обычный Интернет сервер). Кроме того, для отправки информации в сеть подойдет как обычный модем, так и радиомодем.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 32 – Схема передачи информации в Интернет

 

Страница с математической библиотекой, обладающая интерактивными качествами обмена с сетью названа Matlab Home Server (MHS).

C одной стороны, она легко взаимодействует через жесткий диск (HDD) с адаптерами систем управления, в частности, с Visual Matlab. С другой стороны, технология Ajax позволяет ей в реальном времени взаимодействовать с сервером, где информация хранится в XML формате. Образуется канал передачи через Интернет. Эта технология удобна, поскольку страница легко корректируется. Помимо этой организации существует и упрощенная схема, поскольку Visual Matlab обладает собственными подпрограммами обмена с сервером данными сигналов и изображений растений.

Со стороны клиента  с комплексом взаимодействует программа MatLab On Line, обладающая возможностью хранить и корректировать программы управления комплексом прямо через сеть. Это удобно при удаленном позиционировании оранжереи с растениями.

5.2. Программа  обслуживания передачи данных в интернет

Верхний уровень обмена с периферией на уровне Интернет: опишем основные Интернет команды управления комплексом.

 Со стороны аппаратуры  реализованы интерфейсные команды  чтения и записи данных на  сервер. 
1) Изображений ВЕБ-камеры:  
A=read('http://server/name.jpg'), 
e=write(0,'http://server/image.php_file=image.jpg') 
2) Данных датчиков:  
A=read('http://server/name.xml'), e=write(A,'http://server/name.xml') 
 Со стороны интернет-пользователя реализованы интерфейсные команды чтения и записи данных на сервер. 
1) Изображений ВЕБ-камеры (чтение в окно):  
imagewindow('name.jpg'), 
2) Данных датчиков:  
A=receive('name'), 'name'=send(A).

Интерфейс программы  обслуживания передачи данных (разновидность  программы MatLab On Line), созданной для комплекса, представлен на рисунке 33.

 
Рисунок 33 – Программа обслуживания передачи данных

 

          5.3 Технология передачи данных

           5.3.1 Формат данных xml

Для чтения данных с сервера  клиентским приложением употребляется  формат XML. XML-документ - это текстовый файл, в котором при помощи специальных маркеров создаются элементы данных, последовательность и вложенность которых определяет структуру документа и его содержание.

Основным достоинством XML документов является то, что при  относительно простом способе создания и обработки, они позволяют создавать структурированную информацию, которую хорошо "понимают" компьютеры.

По синтаксису язык подобен HTML и является еще одним языком разметки, как SGML. Он удобен, так как  остается легким для прочтения человеком, и легким для программного разбора. Документы, написанные на языках разметки содержат, в основном, две вещи: данные и мета-данные. Мета-данные - это дополнительная информация, которая добавляет к данным некий контекст или смысл.

Простой пример: используем мета-данные, чтобы добавить данным смысла:

<sentence>Моего<animal>кота</animal>зовут<name>Eddy</name> 
</sentence>.

У XML очень строгий синтаксис, что облегчает контроль. Например, в XML каждый <тэг> должен иметь закрывающий </тэг>. Тэги закрываются в порядке, обратном порядку их открытия. ВСЕ элементы в документе XML должны заключаться в тэги (исключая два внешних тэга). Именно поэтому в примере выше мы написали тэги <sentence> вокруг предложения. Без них некоторые слова в предложении могли бы не попасть между тэгами.

Примером мощности XML, но в то же время и его медлительности является тот факт, что на нем  можно написать базу данных. Большинство  имеющихся парсеров (программ для  разбора) XML недостаточно быстры.

Ниже приведен фрагмент типичного XML файла.

<?xml version="1.0" encoding="windows-1251" ?>

<!DOCTYPE InfoPacket SYSTEM "http://xml.prime-tass.ru/dtd/UIF.dtd">

<InfoPacket>

  <Source type="string">ПРАЙМ-ТАСС</Source>

  <Time type="datetime">08.05.2007 13:53:17</Time>

  <InfoItem>

    <Time type="datetime">17.04.2007 10:07:47</Time>

    <Title type="string">

      Первый серийный самолет "Ту-214" производства КАПО

      совершил первый испытательный  полет

    </Title>

    <Text>

      МОСКВА, 11 апреля. /ПРАЙМ-ТАСС/. Первый  экземпляр

      самолета Ту-214, выпущенный в серийном исполнении

      на Казанском авиационно-производственном  объединении

      /КАПО/, совершил первый испытательный  полет.

    </Text>

  </InfoItem>

</InfoPacket>

 

Первые две строчки  в этом примере можно пока считать  обязательными, которые должны присутствовать (первая строчка означает, что данный документ является XML-документом, а вторая указывает на специальный ресурс http://xml.prime-tass.ru/dtd/UIF.dtd, в котором содержатся правила оформления данного XML-документа). Более подробную информацию по ним можно получить на сайте http://www.w3.org.

Тег <InfoPacket> является главным тегом - корнем иерархической  структуры и предназначен для хранения вложенных в него остальных тегов.

В него вложены теги <Source>, <Time> и <InfoItem>. Тег <Text> обозначает абзацы документа. Записи типа type="datetime" или type="string" в XML называются атрибутами тегов. В данном случае мы имеем один атрибут type, который принимает значения "datetime" и "string". Значения атрибутов в XML всегда заключаются в кавычки. Атрибут type нужен для того, чтобы указать, как следует интерпретировать последовательность символов, заключенную внутри тега. Значение "datetime" означает, что значение тега нужно интерпретировать как дату и время, а значение "string" - как обычную строку. У тега <Text> атрибут type отсутствует, т.к. по смыслу этого тега и так ясно, что в этом теге содержится текстовая строка[11].

 

Сформируем в данном формате информацию о температуре, снятую с датчика:

 

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>

<root><data>27.16</data></root>

 

Корневой тэг назовем root. Информацию – поместим между тэгами <data>27.1656</data>.

В случае передачи векторной информации отделим данные между собой запятыми

 

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>