Řídicí a monitorovací systém pro akvária Lukáš Kratina Freescale Technology Application 2013-2014
1 Úvod Na to jak je akvaristika rozmanitá, kolik faktorů ovlivňuje správný chod akvária a zejména kolik lidí má akvaristiku jako koníček, tak nabídka řídících systému je značně omezená. Cílem práce bylo proto navrhnout komplexní řídící a monitorovací systém pro akvária, který by našel uplatnění díky své koncepci zejména mezi obchody s akvaristikou, chovateli akvarijních rybiček, pěstiteli rostlin a díky příznivým nákladům i ve sféře hobby akvaristů. Změnou měřených a řízených veličin by bylo možné použít koncepci systému i v jiných oblastech jako je například teraristika, řízení a monitorování technologických procesů a další. 2 Topologie Obr. 1: Topologie systému Systém se skládá z několika bloků a to z centrální jednotky a dílčích řídících jednotek, které jsou mezi sebou propojeny rozhraním RS485. Cílem dílčích řídicích jednotek je základní sběr dat, jejich zpracování a vyhodnocení. Mezi měřené veličiny patří teplota, PH a ORP (oxidačně redukční potenciál). Mezi řízené veličiny patří teplota vody a PH. Jednotky také disponují množstvím spínacích prvků pro ovládání osvětlení, čerpadel, krmítek, dávkovacích zařízení atd. Centrální jednotka slouží k hromadnému monitorování všech dílčích jednotek, nastavování jejich parametrů a také poskytuje webové rozhraní.
Dílčí řídící jednotky byly z praktických důvodů rozděleny ještě na dvě části a to na řídící jednotku a výkonovou jednotku. Smyslem tohoto rozdělení je, že řídící jednotka, která obsahuje informační panel, jsou k ní připojené jednotlivé snímače a sondy pro měření je umístěna na akváriu. Zatímco výkonová jednotka je umístěna pod akváriem. Aby tyto jednotky nemuseli být propojeny svazkem vodičů, tak i výkonová jednotka má svoji inteligenci a propojení s řídící jednotkou je řešené opět po sběrnici tentokrát však po RS232. Centrální jednotka je založena na jednodeskovém počítači Beaglebone Black, řídící část dílčí jednotky je založena na platformě FRDM KL-25Z a výkonová část řídící jednotky je postavena na 8bitovém mikropočítači MC9S08AC60. Parametry řídících elementů jsou následující: MC9S08A60 8bit mikropočítač s jádrem HCS08 s frekvencí jádra 40MHz a sběrnice 20 MHz 60KB FLASH, 8KB SRAM FRDM KL-25Z MKL25Z128VLK4 MCU (ARM Cortex -M0+) 48 MHz 128 KB FLASH, 16 KB SRAM, USB OPENSDA debug interface BeagleBone Black AM335x 1GHz ARM Cortex-A8 512MB DDR3 RAM 2GB 8-bit emmc on-board flash storage 3D graphics accelerator NEON floating-point accelerator 2x PRU 32-bit microcontrollers USB client for power & communicationsm, USB host, Ethernet,HDMI2x 46 pin headers
3 Realizace 1.1 CENTRÁLNÍ JEDNOTKA Centrální jednotka se skládá se dvou bloků a to samotného jednodeskové počítače BeagleBone Black a převodníku sériové linky na rozhraní RS485. Obr. 2: Blokové schéma centrální jednotky 1.2 ŘÍDICÍ JEDNOTKA Řídicí jednotka se skládá ze tří modulů, které jsou realizovány samostatnou DPS a jsou znázorněny v blokovém schématu. Obr. 3:Blokové schéma řídicí jednotky
Prototypový modul obsahuje zdroj, který slouží pro napájení všech ostatních dále k propojení vývojové platformy FRDM KL-25Z s modulem HY32D, což je modul s 3,2 TFT (Thin Film Transistor) LCD (Liquid Crystal Display) displej a dotykovou rezistivní vrstvou. Analogový modul slouží jako zesilovač pro připojení PH sondy a ORP sondy. Digitální modul slouží jako rozhraní pro komunikaci s centrální a výkonovou jednotkou, pro připojení teplotních čidel a jako zdroj přesného času. Dále obsahuje paměť EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) pro zálohování všech parametrů, v případě vypnutí napájení a nakonec bzučák jako zdroj akustických signálů. 1.3 VÝKONOVÁ JEDNOTKA Základem je hlavní modul, který obsahuje mikropočítač, který řídí veškerou komunikace, rozhraní RS232, kterým se propojuje výkonová a řídicí jednotka a zdroj, který se stará o napájení výkonové jednotky. Výkonová jednotka je napájená ze zdroje 5V/1,5A DC, který může být řešen jako napájecí adaptér, nebo jako adaptér na DIN lištu. Datové propojení mezi výkonovou a řídící jednotkou je řešeno kříženým kabelem RS232-RS232,který je často označován jako NULL MODEM kabel. Ostatní moduly jako je modul RELÉ, modul polovodičových relé SSR (Solid State Relay), modul D/A a modul MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) se s hlavním modulem propojují plochým 10pinovým kabelem. Díky modulárnímu systému, záleží na konkrétní aplikaci a uživateli, zda využije všechny přídavné moduly nebo je některé z nich. Obr. 4:Blokové schéma výkonové jednotky
4 Ovládání Systém se ovládá centrálně přes webové rozhraní serveru, který je tvořen jednodeskovým počítačem BeagleBone Black a HTTP serveru napsaného v pythonu a založeném na webovém Frameworku web.py. Server je dostupný na portě 8080 a IP adresa je dána DHCP serverem. Ovládání je pohodlné a intuitivní. Dílčí jednotky poskytují informace na LCD displeji, který se ovládá dotykově. 5 Závěr Cílem práce bylo navrhnout a zrealizovat systém pro řízení a monitorování životních podmínek v akváriích. Systém se podařilo úspěšně navrhnout a oživit do provozuschopného stavu. Systém nabízí velké možnosti a o další může být ještě doplněn a vylepšen.