INFOTEH-JAHORINA Vol. 13, March 2014.

- 1165 -

Didaktički model staklenika sa mehatroničkim elementima

Nikola Bukvić, Satja Sivčev, Vule Reljić, Zoran Vranešević

studenti drugog ciklusa studija Fakultet Tehničkih Nauka

Novi Sad, Republika Srbija bukvic.nikola@yahoo.com, s.satjas@gmail.com, vushe90@hotmail.com, vranesevicz@gmail.com

Sadržaj— U radu su proučene oblasti primjene modernih

mehatroničkih sistema u zatvorenim prostorima za

poljoprivrednu proizvodnju – staklenicima. Predmet rada je

primjena GSM tehnologije i GSM komunikacije za upravljanje

procesima unutar staklenika, odnosno upravljanje regulacijom

mikroklimatskih uslova u zatvorenom prostoru na daljinu.

Konstruisan je i realizovan didaktički model staklenika koji ima

mogućnost otvaranja i zatvaranja vrata i prozora, paljenja

vještačkog osvjetljenja, kao i podešavanja željene temperature

unutar modela putem SMS poruka. Na osnovu zadatih komandi,

operateru se automatski vraćaju izvještaji o uspješno ili

neuspješno obavljenoj operaciji.

Ključne riječi-automatizacija u staklenicima; GSM tehnologija;

I. UVOD

Staklenici su stalni zaštićeni prostori formirani pomoću noseće konstrukcije u obliku poluvisokih i visokih tunela, koji se koriste za proizvodnju povrća i cvijeća tokom cijele godine. Omogućavaju najpovoljnije mikroklimatske uslove za gajenje biljnih vrsta i predstavljaju najstabilniji i najsloženiji oblik zaštićenog prostora [1].

Savremena poljoprivreda u mnogome zavisi od dobrih tehnoloških rješenja, novih tehnologija, njihove adekvatne primjene pri upotrebi đubriva, insekticida, pesticida, analizi sastava zemljišta, analizi poljoprivrednih proizvoda i pravilnoj ishrani domaćih životinja [2]. Mehatronički sistemi u poljoprivredi predstavljaju jednostavna i praktična rješenja čija primjena znatno olakšava rad rukovaocu u polju ili voćnjaku, povećava efikasnot rada u odnosu na pređašnje modele i znatno smanjuje štetan uticaj na životnu sredinu. Mehatronički sistemi pri automatizaciji zaštićenih prostora za poljoprivrednu proizvodnju koriste se pri pikiranju i presađivanju rasada, regulaciji temperature i vlažnosti vazduha unutar staklenika automatskim provjetravanjem ili zagrijavanjem prostora, automatskom navodnjavanju, regulaciji ugljen dioksida, doziranju sredstava za zaštitu i sl. Kroz ovaj rad, autori su pokušali da staklenike obogate za još jedan automatizovani sistem koji omogućava da se primjenom GSM tehnologije regulišu mikroklimatski uslovi u stakleniku otvaranjem i zatvaranjem vrata, odnosno prozora, te da se podešava vještačko osvjetljenje u stakleniku.

II. OPIS DIDAKTIČKOG MODELA

A. Opis korišćenih komponenti

Za uspješnu realizaciju cijelog sistema neophodne su

sljedeće komponente: uređaji za prikupljanje informacija iz spoljašnje sredine (senzori), predajnik komandujućih SMS poruka (mobilni telefon), prijemnik komandujućih SMS poruka (GSM modul), izvršni organi (aktuatori) i štampana ploča upravljačke elektronike koja sadrži mikrokontroler i prateće elektronske komponente.

Za cijeli sistem neophodna su četiri motora jednosmjerne struje (DC motori). Korišćeni su DC motori proizvođača „Modelcraft“. Da bi se mogli odrediti krajni položaji vrata i prozora, potrebno je postaviti granične senzore. Korišćeni su granični prekidači tipa tasteri. Da bi sistem mogao da radi u automatskom režimu rada, neophodno je prisustvo temperaturnog senzora (na osnovu unaprijed generisanih vrijednosti temeperature, senzor mikrokontroleru šalje signal za pokretanje aktuatora). Da bi sistem mogao da radi u ručnom režimu rada, neophodno je prisustvo GSM modula (Sl.1). GSM

modul prima SMS poruku i proslijeđuje je ka upravljačkoj elektronici gdje se sadržaj poruke obrađuje pomoću mikrokontrolera [3]. Ukoliko je sadržaj poruke ispravan, mikrokontroler će izdati naredbu za pokretanje odgovarajućeg aktuatora u željenom smijeru.

Slika 1. GSM modul

- 1166 -

B. Mehanička konstrukcija

Projektovanje didaktičkog modela obavljeno je u

programskom okruženju Solid Works. Solid Works je automatizovani softver za mašinsko crtanje i konstruisanje koji koristi grafički Microsoft Windows interfejs. Svojim alatima, koji su jednostavni za usvajanje, program konstruktorima omogućava da brzo skiciraju svoje ideje, eksperimentišu sa karakteristikama i dimenzijama i stvaraju modele i detaljne tehničke crteže [4]. CAD model staklenika prikazan je na Sl.2.

Vrata se otvaraju na sljedeći način: DC motor postavljen je u gornjem dijelu staklenika tako da je osa vratila motora upravna na površinu platforme. Izlazno vratilo motora kruto je vezano sa konusnim zupčanikom koji sa drugim konusnim zupčanikom sačinjava spregnuti zupčasti par. Osa navojnog vretena, na koju se preko pomenutog zupčastog para prenosi obrtni moment motora, paralelna je sa površinom platforme, odnosno upravna na osu vratila motora. Navojno vreteno je uležišteno u dvije tačke. Vrata su postavljena u linearne vođice i kruto vezana sa navrtkom, koja se nalazi na navojnom vretenu. Ovakva veza omogućuje linearno kretanje vrata usled rotacionog kretanja vratila motora. Otvaranje i zatvaranje vrata uslovljeno je smijerom obrtanja vratila motora.

Prozori se otvaraju na sljedeći način: Obrtni moment motora prenosi se na navojno vreteno preko gumene spojnice. Pri rotaciji navojnog vretena, navrtka, koja je kruto vezana sa polugom, pomoću koje se pokreće prozor, linearno se kreće prema gore ili dolje (u zavisnosti od toga da li se prozor spušta ili podiže) i na taj način ostvaruje se otvaranje, odnosno zatvaranje prozora. Poluga je za prozor vezana rotacionom zglobnom vezom.

Ugradnja prozora na stakleniku neophodna je radi ventilacije [5]. Vazduh unutar objekta zaštićenog prostora sadrži unutrašnju energiju, čija je mjera temperatura, vlažnost vazduha i količina CO2. Provjetravanjem, odnosno ventilacijom mijenjaju se ove vrijednosti u cilju usklađivanja sa potrebama biljaka. Cilj ventilacije je:

• smanjenje temperature - hlađenje, • smanjenje relativne vlažnosti vazduha, • i regulacija sadržaja CO2

Ovakvi staklenici koriste se za proizvodnju rasada i mladih biljaka, jer u njima mogu da se postignu klimatski uslovi spoljne sredine, te se dobija zdrav i dobro okaljen rasad. U slučaju padavina i jakih vjetrova krovni otvori se zatvaraju da ne bi došlo do oštećenja usjeva i konstrukcije. Na otvore za ventilaciju svih sistema mogu da se postave mreže za zaštitu od ulaska insekata. One predstavljaju prepreku strujanju vazduha i smanjuju intenzitet ventilacije. Koriste se u slučaju proizvodnje posebno osjetljivih biljnih vrsta i u područjima u kojima je populacija insekata velika.

C. Upravljačka elektronika

Za upravljanje DC motorima potrebno je odabrati ili

projektovati drajver [6]. Autori su se odlučili na projektovanje dravjera kako bi se u narednim primjenama relativno lako mogao prenijeti i na druge aplikacije. Ovaj drajver integrisan je na štampanoj ploči upravljačke elektronike (Sl.3).

Slika 2. CAD model staklenika

Za svaki pokretački motor neophodan je po jedan relej. Iz tog razloga, štampana ploča upravljačke elektronike integriše

četiri dvopoložajna releja. Pomenuti releji koriste se za pokretanje motora ali i za izbor smijera obrtanja vratila motora. U jednom od dva moguća stanja, koje nazivamo stabilno, izvršeno je preklapanje kontakata releja u jednu stranu i ostvaren jedan smijer obrtanja, a u drugom, koje nazivamo uslovno, izvršeno je preklapanje kontakata releja u drugu stranu i ostvaren drugi smijer obrtanja. Mijenjanje položaja preklopnika unutar releja vrši se pobuđivanjem špulne releja. Inicijalno stanje preklopnika releja određuje se pomoću tranzistora BC337 koji pobuđuje špulnu releja. Samo uključivanje i isključivanje motora vrši se pomoću tranzistora IRFZ44N koji, u zavisnosti od toga da li su dobili signal sa mikrokontrolera ili nisu, provode ili ne provode struju, te na taj način motor uključuju ili održavaju u isključenom stanju. Osnovna upravljačka jedinica cjelokupne upravljačke elektronike je osmobitni mikrokontroler ATMega16, proizvođača „Atmel“. Kao izvor napajanja korišćenja je litijum-polimerska baterija, nominalnog napona 12 V, kapaciteta 2200 mAh. Pomenuta baterija korišćena je zbog manjih dimenzija, a značajno je većeg kapaciteta u odnosu na olovne akumulatorske baterije.

Slika 3. Štampana ploča upravljačke elektronike: 1.mikrokontroler, 2.kolo eksternog oscilatora, 3.tasteri za upravljanje motorima u ručnom režimu rada, 4.indikatorske diode, 5.optokapleri, 6.tranzistori za pokretanje i zaustavljanje motora, 7.tranzistori za pobuđivanje špulni releja, 8.dvopoložajni releji

- 1167 -

Slika 4. Cijeli sistem: 1.Izvor napanja – LiPo baterija, 2.stabilizator napona, 3. štampana ploča upravljačke elektronike sa drajverom za upravljanje DC motorima, 4. GSM modul

Pošto su upravljačka elektronika i drajveri za upravljanje

motorima integrisani na istoj štampanoj ploči, bilo je neophodno razdvojiti naponske nivoe koje ova kola pojedinačno koriste [7]. Upravljačka elektronika i indikatorske LED diode napajaju se sa naponom od 5 V, a drajver za upravljanje motorima i GSM modul naponom od 12 V. Drajver za upravljanje motorima i GSM modul direktno su vezani na napajanje, a upravljačka elektronika preko integrisanog stabilizatora napona „5A SBEC 40V“ proizvođača „Turnigy“.

Da bi se upravljačka elektronika galvanski odvojila od drajvera za upravljanje motorima , iskorišćeni su optokapleri PC817. GSM modul je pomoću serijske komunikacije povezan sa upravljačkom elektronikom. Cijeli sistem prikazan je na Sl.4.

D. Programiranje i komunikacija sa GSM modulom

Najvažniji dio u programiranju ovog sistema je

ostvarivanje komunikacije između mobilnog telefona i mikrokontrolera koji treba dalje da upravlja cijelim sistemom. Da bi se komunikacija ostvarila, kao što je već prethodno rečeno, iskorišćeno je gotovo hardversko rješenje – GSM

modul. Komande se šalju putem SMS poruka sa mobilnog telefona. GSM modul prima poruku i serijskom komunikacijom proslijeđuje je ka mikrokontroleru. Ono što mikrokontroler prima od modula jeste niz karaktera, zapisan ASCII kodovanjem. Program je napisan tako da se obrađuje primljeni niz karaktera tako što se upoređuje sa nekim od memorisanih sadržaja poruke unutar memorije mikrokontrolera, a koje predstavljaju neku od komandi. Ukoliko se pristigli niz karaktera podudara sa nekim memorisanim nizom, mikrokontroler uključuje odgovarajaći izlazni pin i na taj način izvršava komandu. Bitno je naglasiti da je napravljen odvojen dio koda koji služi za izbor ručnog ili automatskog režima rada. U automatskom režimu rada, posmatra se temperaturni senzor koji daje analogni izlazni signal, pa je zbog toga jedan od pinova mikrokontrolera iskorišćen kao analogni ulaz. Takođe, potrebno je reći i to da se komande putem SMS poruka moraju slati latiničnim pismom kako bi sistem ispravno radio.

Slika 5. Testiranje modela (regulacija osvjetljenja staklenika)

III. TESTIRANJE I REZULTATI RADA

Prvobitna testiranja izvršena su na razvojnom okruženju za mikrokontrolere EasyAVR6 proizvođača „Mikroelektronika“.

Na taj način ustanovljen je pravilan tok programskog koda, pa se moglo pristupiti izradi upravljačke elektronike. Nakon toga, didaktički model je testiran prvo ručnim aktiviranjem aktuatora, a zatim i korišćenjem mikrokontrolera. Greške koje su se tada javljale uglavnom su bile mehaničkog tipa. Otklanjanjem određenih grešaka, prešlo se na puštanje sistema u realan rad. Rezultati su bili takvi da nakon poslatih stotinu i dvadest komandi, modul samo dvije nije uspio izvršiti u potrebnom vremenskom periodu. Pretpostavka je da je tom prilikom GSM modul bio izvan mreže mobilnog operatera, te je komandu primio sa zakašnjenjem, pa ju je potom izvršio.Mjerenjem je utvrđeno da je prosječno vrijeme koje protekne od trenutka slanja komande do izvršenja iste oko dvadeset sekundi, što je sasvim ispunilo očekivanja autora iako to zavisi isključivo od mobilnog operatera, zauzetosti mreže, kao i od toga gdje se prijemnik nalazi. Situacija je slična i u suprotnom smijeru prenosa podataka. Izvještaj o uspješno obavljenoj naredbi čeka se, takođe, oko dvadeset sekundi nakon izvršavanja iste. Kako je model izgledao tokom testiranja, prikazano je na Sl.5.

IV. ZAKLJUČAK

U radu su proučavane oblasti primjene modernih mehatroničkih sistema u poljoprivrednoj proizvodnji. Akcenat je stavljen na primjenu ovih sistema u proizvodnji gdje je moguće skoro u potpunosti kontrolisati klimatske uslove unutar zatvorenog prostora i na taj način stvoriti željenu mikroklimu.

Upravljanje kreiranjem mikroklimatskih uslova u stakleniku odrađeno je primjenom GSM tehnologije, koja je danas u širokoj upotrebi, i svrstava se u jefitnije i razvijene tipove komunikacije. Prednosti ovih tehnologija za daljinsko upravljanje su u tome što operater iz bilo kog dijela svijeta, putem SMS poruka, može zadavati komande kako bi regulisao parametre unutar zaštićenog prostora. Jedini uslov je da su operater i prijemnik unutar mreže nekog od mobilnih operatera u trenuku pokušaja slanja, odnosno primanja komandi.

Kako je u ovu svrhu korišćen GSM modul koji sam po sebi podržava i GPRS tehnologiju za prenos podataka, u daljem radu može se proučavati ovaj vid komunikacije i prenosa

- 1168 -

podataka, u cilju kreiranja jednog potpunog sistema za upravljanje i nadzor u proizvodnji [8]. Naime, izvještaj koji GSM modul šalje putem SMS poruka operateru o stanjima senzora, ali nakon poslate neke od komandi, može biti zamijenjen upotrebom GPRS tehnologije gdje će se nadgledati svi procesi i senzori u sistemu i slati operateru na PC ili mobilni telefon. U tu svrhu bi bilo potrebno razviti SCADA aplikaciju koja će operateru na grafički način pomoći u upravljanju procesima unutar zatvorenog, upravljanog prostora. Sam način slanja komandi putem SMS poruka može se unaprijediti android aplikacijom preko koje bi korisnik na jednostavniji način slao komande. Korišćeni DC motori mogu se zamijeniti motorima sa enkoderima u cilju tačnijeg regulisanja pozicije vrata i prozora. Ovo su samo neke od mnogobrojnih unapređivanja ovog sistema.

ZAHVALNICA

Autori rada se zahvaljuju na pomoći i podršci prof. dr Stevanu Stankovskom, pod čijim je mentorstvom rad i urađen, kao dio diplomskog rada Nikole Bukvića.

LITERATURA

[1] Đurovka, M., Lazić, B., Bajkin, A., Potkonjak, A., Marković, V., Ilin, Ž., Todorović, V. (2006), Proizvodnja povrća i cveća u zaštićenom

prostoru, Poljoprivredni fakultet, Novi Sad, Republika Srbija, Poljoprivredni fakultet, Banja Luka, RS, BIH

[2] Bajkin, A., Orlović, S., Ponjičanin, O., Somer, D. (2005), Mašine u

hortikulturi, Poljoprivredni fakultet, Novi Sad, Republika Srbija [3] Denić, D., Miljković, G. (2008) Telemetrija, Elektronski fakultet, Niš,

Republika Srbija

[4] Tickoo, S. (2011), Solid Works za mašinske inženjere, Mikro knjiga, Beograd, Republika Srbija

[5] Parađiković, N., Kraljičak, Ž. (2008) Zaštićeni prostori – plastenici i

staklenici, Poljoprivredni fakultet, Osijek, Republika Hrvatska [6] Smiljković, N., Kovačević, S., Teslić, N., Krajačević, Z. (2009) "Jedno

rešenje bežičnog upravljanja reflektorskim svetlima u pozorištu" dostupno na internet stranici: http://2009.telfor.rs/files/radovi/07_15.pdf (postavljeno: 26.11.2009.)

[7] Tešić, S., Vasiljević, D. (2008) Osnovi elektronike, Građevinska knjiga, Beograd, Republika Srbija

[8] Turajlić, S. (2011) Programabilni logički kontroleri, Elektrotehnički fakultet, Republika Srbija

ABSTRACT

This paper presents a research on application of modern mechatronic systems for agricultural production in closed spaces – greenhouses. The main idea is the application of GMS technology and GSM communication in order to remotely control the greenhouse microclimate conditions. A didactic model of the greenhouse is designed and realized. Via SMS, the doors and windows can be opened and closed, the light can be turned on and off and the temerature can be set to a desired value. After receiving a specific command, GSM module replies whether or not an appropriate action is successfully accomplished.

DIDACTIC MODEL OF GREENHOUSE WITH

MECHATRONIC ELEMENTS Nikola Bukvic, Satja Sivcev, Vule Reljic, Zoran Vranesecic