План представления проекта на внеклассном мероприятии

Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте файл и откройте на своем компьютере.
1 Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение городского округа Балашиха «Лицей» Название работы: « АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ С ИСТЕМА КОНТРОЛЯ МИКРОКЛИМАТА КОМПЛЕК СА ТЕП ЛИЦ » Авторы: учащиеся 10 "А" и 10 "Б" классов МАОУ городского округа Б а- лашиха " Лицей" – Косарева Софья Михайловна (10 "А" , 1 6 лет ), Войцицкая Кристина Леонидовна (10 "Б" , 1 6 лет ), Костяшина Мария Сергеевна (10 "Б" , 15 лет ), Милютин Дмитрий Александрович (10 "А" , 1 6 лет ), Лункин Павел Александрович (10 "А" , 1 6 лет ), Задоркин Андрей Ан дреевич (10 "А" , 1 6 лет ). Руководители проекта: Иванова Татьяна Евгеньевна, учитель биологии высшей категории Мун и- ципального автономного общеобразовательного учреждения городского округа Балашиха «Лицей», Иванов Михаил Юрьевич , ассистент кафедры "Вычислит ельная матем а- тика и математическая физика" ГОУ ВПО "Московский государственный те х- нический университет имени Н.Э. Баумана" (Национальный исследовательский университет) . Учреждение, в котором выполнена работа: Муниципальное автоно м- ное общеобразовательное у чреждение городского округа Балашиха «Лицей» . Номинация: « Лучший проект по робототехнике с Lego NXT ». Предметная область: биология, информатика и робототехника. городской округ Балашиха, 2013 год 2 Аннотация работы. Предложена автоматизированная роботот ехническая система, позволяющая осуществлять мониторинг и контроль температурного режима почвы и влажности воздуха модельного комплекса теплиц, построенная на основе робототехнических комплектов LEGO Mindstorms NXT и датчиков Vernier. Обозначена структура автоматизированной системы - стационарный и мобильный LEGO - роботы, определена их конструкция и функциональное назначение. Задана логика функционирования LEGO - роботов и выполнено их программирование на графическом языке. Показаны приемы работы с датчик а- ми т емпературы, температуры поверхности и относительной влажности в сп е- циализированной программе для сбора данных и отмечены их особенности при работе автоматизированной системы. Демонстрационный эксперимент выпо л- нен на региональном семинаре "Управление процес сом формирования инфо р- мационной образовательной среды лицея в условиях введения ФГОС", который проходил на базе МАОУ городского округа Балашиха "Лицей" в 2013 году. Намечены перспективы развития проекта - создание автоматической системы контроля микроклима та комплекса теплиц, в которой будет реализован инфо р- мационный обмен между LEGO - роботами о состоянии микроклимата в реал ь- ном режиме времени, учет состава воздуха (концентрации кислорода и угл е- кислого газа) и влажностного режима почвы. Цель работы: создать автоматизированную робототехническую систему, позволяющую осуществлять мониторинг и контроль состояния нескольких п а- раметров микроклимата модельного комплекса теплиц, используя робототе х- нические комплекты LEGO Mindstorms NXT и датчики Vernier . Задачи раб оты: - определ ить внешний вид модельного комплекса теплиц и выбра ть ко н- тролируемые параметры микроклимата ; - обознач ить структур у и функциональные особенности автоматизир о- ванной системы на основе робототехнических комплектов LEGO M indstorms NXT ; - выбра ть датчики Vernier и изуч ить особенности их функционирования в рамках проектируемой автоматизированной системы ; - определ ить логик у функционирования LEGO - роботов и выпол нить их про граммирование . Литература 1. Новая иллюстрированная энциклопедия в 20 томах. – М.: Большая Ро с- сийская энциклопедия, 2000. 2 . Свободная Интернет - энциклопедия Википедия: [Электронный ресурс]. ( http :// ru . wikipedia . org ). Проверено 12.06.2013. 3. P . G . H . Kamp , G . J . Timmerman . Computerized Environme ntal Control in Greenhouses. A step by step approach . , 1996. 3 4 . Vernier. Plant Waterer Project: [ Электронный ресурс ]. ( http://www.vernier.com/ex periments/stem/7/plant_waterer_project/ ). Проверено 12.06.2013. 5. LEGO Digital Designer : [Электронный ресурс]. ( http :// ldd . lego . com / ru - ru / download / ). Проверено 12.06.2013. 6. Исследование окружающей сре ды с Vernier и LEGO MINDSTORMS NXT . Перевод с английского. Серия «Научно - техническое творчество учащи х- ся. Робототехника». Научный редактор книги А.Я. Суранов. – М.: ПКГ «Разв и- тие образовательных систем», 2012. 7. Учебное пособие научно - технической конферен ции LEGO «Инжене р- ная культура: от школы к производству». Вводный курс по программированию NXT . В 2 - х частях. Научно - методический центр Университета Тафтса, 2009. 8 . Vernier. Product Manuals and Reference Guides. Sensor Booklets : [Эле к- тронный ресурс]. ( http :// www . vernier . com / support / manuals / ). Проверено 12.06.2013. 9. Инновационная школа. Устройство измерения и обработки данных. CD - диск. LabQuest . Vernier . ООО « ВСЕ ДЛЯ ШКОЛЫ », 2009. Оборудование: конст руктор LEGO ПервоРобот NXT (2 комплекта); ко н- структор LEGO Пневматика (набор дополнительных элементов к конструктору "Технология и физика"); датчики Vernier : температуры, температуры поверхн о- сти и относительной влажности; адаптер для датчика Vernier NXT ( 2 шт.); пл а- стиковая бутылка объемом 0,4 л; цветковое растение (2 шт.); пластиковая е м- кость объемом 5 л с установленным накопителем (2 шт.); вентилятор; перс о- нальный компьютер, оборудованный интерфейс ом Bluetooth версии 2.0 ; в и- деопроектор; экран для видеопро ектора; программное обеспечение: офисный пакет MS Office 2007 , система автоматизированного проектирования LEGO Digital Designer 4.3.6, система программирования LEGO NXT 2.0 Programming , система рег и страции и обработки данных LEGO NXT 2.0 Data Logging . Выв оды : - на основе анализа литературных источников, посвященных теплицам и их микроклимату, определен внешний вид модельного комплекса теплиц и в ы- браны контролируемые параметры; - обозначена структура автоматизированной системы - стационарный и мобильный LEG O - роботы, определена их конструкция и функциональные ос о- бенности; - выбраны датчики Vernier , изучены особенности их функционирования и приемы работы с ними в специализированной программе для сбора данных; - определена логика функционирования LEGO - роботов и выполнено их программирование в специальной програм мной среде на графическом языке; - выполнен демонстрационный эксперимент, показавший возможности спроектированной системы, намечены перспективы дальнейшего развития пр о- екта . 4 План представления проекта на внеклассном мероприятии 1. Вступительное слово руководителя проекта (Т.Е. Иванова, слайды 1 - 6 , 3 мин): краткий обзор мероприятия , в рамках которого представляется проект , название, цель и задачи проекта, актуальность работы. 2. Доклады учащихся по темати ческим разделам проекта. 2.1. Раздел "Микроклимат теплиц" (докладчик: Софья Косарева, слайды 7 - 13, 10 мин). 2.2. Раздел "Стационарный робот" (докладчик: Кристина Войцицкая, слайды 14 - 21, 7 мин). 2.3. Раздел "Программирование стационарного робота" (докладчи к: Дмитрий Милютин, слайды 22 - 29, 7 мин). 2.4. Раздел "Работа с датчиками температуры и температуры поверхн о- сти" (докладчик: Мария Костяшина, слайды 30 - 34, 10 мин). 2.5. Раздел "Мобильный робот" (докладчик: Павел Лункин, слайды 35 - 42, 7 мин). 2.6. Раздел " Программирование мобильного робота" (докладчик: Андрей Задоркин, слайды 43 - 50, 7 мин). 2.7. Раздел "Работа с датчиком относительной влажности" (докладчик: Мария Костяшина, слайды 51 - 54, 5 мин). 3. Запуск автоматизированной системы (Дмитрий Милютин, Андрей З а- доркин, слайд 55, 7 мин). 4. Заключительное слово руководителя проекта ( М.Ю. Иванов , слайды 56, 57, 3 мин): краткие итоги, достигнутые результаты, перспективы развития пр о- екта (создание автоматической системы контроля микроклимата комплекса теплиц, обмен информацией между роботами в реальном режиме врем е ни, учет состава воздуха, например, концентрации кислорода и углекислого г а за) и т.д. 5. Ответы на вопросы участников внеклассного мероприятия (5 мин). 2. Доклады учащихся по тематическим разделам проекта 2.1. Раздел " Микроклимат теплиц " Теплица - это тип садового парника, отличающийся от него б о льшими размерами. Теплицы применяются для выращивания ранней рассады (капусты, томатов, огурцов, цветов сеянцев, укоренения черенков или доращивания го р- шечных ра стений), для последующего высаживания в открытый грунт. В отл и- чие от парника размеры теплицы позволяю т организовать весь цикл выращив а- ния той или иной культуры [ 1 ] . Под микроклиматом понимают искусственно создаваемые климатич е ские условия в закрытых помеще ниях (теплицах, животноводческих помещ е ниях и т.д.) для защиты от неблагоприятных внешних воздействий и других ц е лей [ 2 ] . В парниках и теплицах искусственный микроклимат обеспечивает оптимал ь- ные условия для роста и развития сельскохозяйственных культур. Пр иведем краткую характеристику микроклимата теплицы: внутренняя температура во з- 5 духа выше, чем температура окружающей среды; грунт в теплице не промерз а- ет; температура грунта значительно выше, чем температура грунта вне тепл и- цы; уменьшается количество света, которое доходит до растений; в теплицу п о- падает не весь спектр света; полностью убирается воздействие ветра на раст е- ния; уменьшается воздухообмен с окружающей средой (может реализовываться н е достаток углекислого газа ( СО 2 ) ); полная защита от дождя и необх одимость внесения воды искусственно; затрудняется доступ к растениям насекомых; влажность воздуха регулируется в зависимости от выращиваемых растений; воздух теплицы содержит большее количество кислор о да (О 2 ) . Большинство этих факторов взаимосвязаны. Измен ение одного из них может вызвать изменение другого. Каждый климатический фактор влияет на качество и количество урожая в теплице. Поэтому для оптимальной урожайн о- сти теплицы необходимо соблюдения всех показателей на требуемом уровне. Влажность воздуха подд ерживается поливом растений, разбрызгиванием воды по конструкциям, испарением с поверхности грунта и листьев ра стений. Человек, ухаживающий за теплицей, может лишь частично регулировать ее сложный и динамично изменяющийся микроклимат. Он должен научиться о б- наруживать эти изменения и прогнозировать их. Несмотря на то, что с ущ е- ствуют простые автоматические устройства, позволяющие регулировать ми к- ро климат, контроль основных его параметров представляет собой трудоемкую задачу, особенно при большом количестве те плиц. Теплицы используют не только на приусадебном участке, но и в пр о- мышленном масштабе. Соврем енная промышленная теплица представляет с о- бой слож ный организм с множеством датчиков, отслеживающих температуру, влажност ь воздуха и почвы, ос вещенность, а такж е единого компьютерного центра управления, анализи рую щего поступающую информацию и подающего необходимые ко манды на ис полнительные механизмы в автоматизированном или автоматическом режиме [ 3 ] . В нужное время открываются фрамуги, жал ю- зи, включаются вентилят оры, увлажнители воздуха, полив и т.д. В совреме н- ных теплицах основные параметры микроклимата (освещен ность, относител ь- ная влажность воздуха, влажность почвы, температу ра возду ха, температура почвы, состав воздуха) регулируют автоматические, сигналь ные, из мерител ь- ные и р е гулирующие приборы. Обычно освещённость поддерживается не ниже 4000 - 600 0 лк при продолжительности 8 - 10 ч; температура воз духа для тепл о- люб и вых культур в пределах 24 - 30°С, влажность воздуха 60 - 65%, влажность почвы в пределах 60 - 70% полной вл агоёмкости. В зависимости от культуры и цели её возделывания изменяют режимы освещённости, темпе ратуры и вла ж- ности, в некоторых случаях регулируют газовый состав воздуха. Растениям п о- стоянно обеспечиваются оптимальные условия для их роста и высо кой уро жа й- н ости . В нашем проекте предложен вариант роботизированной системы ко н- троля микроклимата комплекса теплиц. В качестве модельного примера ко м- плекса используются две пятилитровые полиэтиленовые емкости, в которые помещены цветковы е растения «Декабрист» . Каждая емкость снабжена спец и- альным марлевым накопителем влаги , назначение которого - увлажнять воздух 6 в модели теплицы путем постепенного испарения воды, находящейся в накоп и- теле . Роботизированная система состоит из двух роботов: стационарного и м о- бильного. Ста ционарный робот предназначен для контроля температуры почвы и температуры поверхности почвы в соответствующих емкостях, а также для насосной подачи воды в накопители в автоматизированном режиме по си г налу с пульта управления роботом. Мобильный робот предна значен для автоматич е- ского перемещения между емкостями по заданной криволинейной тр а ектории с целью выполнения замеров относительной влажности воздуха в емкостях. П о- сле получения числового значения измеряемого параметра (т.е. значения отн о- сительной влажнос ти воздуха в процентах) оператор робота передает результ а- ты измерений и рекомендации по характеру увлажнения воздуха оператору стационарного робота . Оператор стационарного робота на основе полученных данных и температурным показателям осуществляет необходи мые действия по поддержанию зада н ного режима влажности в емкостях. 2.2. Раздел " Стационарный робот " Стационарный робот представляет собой автоматизированный робот о- технический комплекс, управляемый оператором с центрального пульта упра в- ления. Робот п редна значен для регистрации и обработки информации о состо я- нии температурных параметров микроклимата в емкостях, поступающей с ан а- логовых датчиков, а также для увлажнения воздуха в емкостях в случае нео б- ходимости. Робот состоит из пяти основных элементов: центр ального компь ю- тера , системы форсунок , насосной системы , системы регистрации данных и пульта управления. Центральный компьютер осуществляет сбор и обработку информации, поступающей с датчиков температуры и пульта управления. Роль центрального компьютера вып олняет интеллектуальный блок NXT . Система форсунок представляет собой механическую систему, предн а- значенную для обеспечения поступления воды к накопителям каждой емкости (№ 1 и № 2). По команде с пульта управления запускается двигатель, система шестерней п ередает вращательное движение из горизонтальной плоскости в вертикальную плоскость. Т.е. вращение вала двигателя приводит в движение механическую руку, которая жестко закреплена на оси, вращающейся в верт и- кальной плоскости. Кроме того, на механической руке закреплены трубки, по которым протекает вода. Насосная система состоит из двигателя, специального резервуара с водой, в качестве которого выбрана пластиковая бутылка объемом 0,4 л, пневматич е- ского насоса и манометра [ 4 ] . По команде с пульта управления зап ускается дв и- гатель, вращение которого приводит в движение насос. Насос нагнетает воздух в резервуар с водой, повышая давление в ее газовой полости. В результате во з- никновения разности давлений между газовой полостью в резервуаре и атм о- сферой, вода начинает вытесняться из резервуара в трубки. Манометр предн а- значен для контроля давления воздуха в резервуаре при необходимости. 7 Система регистрации данных предназначена для мониторинга температ у- ры почвы в емкости № 1 и температуры поверхности почвы в емкости № 2. Включает в себя два аналоговых датчика Vernier - датчика температуры и да т- чика температуры поверхности. Оба датчика подключаются к центральному компьютеру при помощи вспомогательного переходника. Пульт управления роботом достаточно прост и состоит всего и з трех кл а- виш. Две клавиши (левая и правая) отвечают за поворот механической руки против часовой стрелки и по часовой стрелке соответственно. Эти клавиши представлены двумя датчиками касания. Центральная клавиша - это сенсорная клавиша. Она отвечает за вкл ючение и отключение пневматического насоса. Эта клавиша представлена датчиком освещенности. П родемонстрир уем процесс конструирования робота. Существует спец и- альная компьютерная программа, так называемая с и стема автоматизированного проектирования, которая н азывается LEGO Digital Designer [ 5 ] ( LDD или Ци ф- ровой конструктор "Лего" ) . Далее следует краткий обзор программ ы LDD ( назначени е и особенност и) , демонстр ация цифров ой инструкци и по сборке робота и процесс а конструирования. Показывается 3 D - модель робота и а к- центир уется внимание слушателей на пяти основных элеме н тах робота . 2.3. Раздел " П рограммирование стационарного робота " LEGO NXT 2.0 Programming представляет собой адаптирован ную среду программирования на базе известного приложения LabVIEW [ 6, 7 ] . У чёные и инженеры во всём мире используют LabVIEW для разработки и тестирования различных изделий и систем, например, МР3 - и DVD - плее ров , сото вых телеф о- нов, различных автомо бильных сис тем и т.д. С реда программирования является графической, т.е. в отличие от трад иционных языков программирования (Бэ й- сика, Паскаля, С и С++) здесь вместо имен команд, операто ров и функций и с- пользуются специальные пиктограммы или блоки . Этот язык программиров а- ния достаточно прост, но в то же время он обладает практически неограниче н- ными возможностями программирования поведения робота. Каждый б лок с о- держит специальные инструкции, понятные интеллектуальному блоку NXT. Все блоки размещены в палитрах: "О снов ная", "Д ействия " , "Датчики", "Опер а- торы", "Д ан ные" и "Дополнения" (рис. 1 ) . "Осно в на я" "Операт о ры" "Де й ствия" "Данные" "Датчики" "Дополн е ния" Рис. 1 . Палитры среды программирования LEGO NXT 2.0 Programming Чтобы создать программу в данной среде программирования , нуж но "с ло жить" ее из б локов. В нашем проекте стационарный ро бот функционирует под управлением двух программ. Эти программы различаются только ветвью, 8 отвечающей за регистрацию данных, поступающих с датчиков Vernier . Общая часть прог рамм представлена на рис. 2 . Здесь присутствуют три ветви, которые исполняются парал лельно: ветвь № 1 - "Управление двигателем А (вращение против часовой стрелки)"; ветвь № 2 - "Управление двигателем В (включение и выключение насоса)"; ветвь № 3 - "Управление двигателем А (вращение по часовой стрелке)". В каждой ветви имеется бесконечный цикл, т.е. последовательность де й- ствий, которая предусмотрена в данной ветви, будет постоянно повторяться до тех пор, пока мы не остановим программу. В цикле ветви № 1 присутствуют три блока: блок "Переключатель" и два блока "Движение". Блок "Переключатель " анализирует состояние датчика кас а- ния, подключенного к порту 1 интеллектуального блока NXT . Если кнопка да т- чика касания нажата (реализуется состояние "истина"), то исполняются де й- ствия, залож енные в верхний блок "Движение". При этом двигатель системы форсунок, подключенный к порту А, начинает работать и механическая рука вращается против часовой стрелки. Если же кнопка датчика касания не нажата (реализуется состояние "ложь"), то исполняются де йствия, заложенные в ни ж- ний блок "Движение". При этом двигатель, подключенный к порту А, не вр а- щается. Настройки указанных блоков показаны на следующем рисунке (рис. 3). Рис. 2. Общая часть программ стационарного робота Рис. 3. Настройки блоков "Переключатель" и "Движение" ветви № 1 Интересно отметить, что настройки блоков можно проконтролировать в и- зуально, поскольку различным состояниям блока соответствуют определенные его изображения. Алгоритм ветви № 3 аналогичен алгоритму ветви № 1. Здесь б лок "Пер е- ключатель" анализирует состояние датчика касания, подключенного к порту 4 интеллектуального блока NXT . Вращение механической руки происходит по часовой стрелке. Настройки блоков аналогичны, только сделана поправка на направление вращения вала двиг ателя системы форсунок (изменено положение радиокнопки, отвечающей за направление вращения). 9 В цикле ветви № 2 присутствуют три блока: блок "Переключатель" и два блока "Движение". Блок "Переключатель" анализирует состояние датчика освещенности, подключенно го к порту 2 интеллектуального блока NXT . Да т- чик освещенности запрограммирован таким образом, что он представляет собой сенсорную клавишу пульта управления. Если чувствительный элемент датчика освещенности закрыт (реализуется освещенность меньше 20%, т.е. состояние "истина"), то исполняются действия, заложенные в верхний блок "Движение". При этом двигатель насосной системы, подключенный к порту В, начинает р а- ботать, и пневматический насос будет выкачивать воду из резервуара. Если же освещенность больше 20% (реализуется состояние "ложь"), то исполняются действия, заложенные в нижний блок "Движение". При этом двигатель, по д- ключенный к порту В, не вращается, пневматический насос не работает. Настройки указанных блоков показ аны на следующем рисунке (рис. 4 ). В к аждой программе ветвь регистрации данных (ветвь № 4) исполняется параллельно трем другим ветвям. В первой программе ветвь № 4 имеет след у ющий вид (рис. 5 ). Рис. 4. Настройки блоков "Переключатель" и "Движение" ветви № 2 Рис. 5. Ветвь № 4 первой п рограммы Здесь также присутствует бесконечный цикл. Имеются пять блоков: один блок " Vernier Sensor " и четыре блока "Экран". Датчики Vernier подключаются к интеллектуальному блоку NXT через специальный переходник - адаптер NXT . В системе программирования LEGO NXT 2.0 Programming адаптеру NXT соответствует специальный блок, который называется " Vernier Sensor ". Это универсальный блок, который может принимать показания со всех датчиков производства компании Vernier . Как отмечалось ранее, в систему регистрации данных стационарного робота входят два датчика: датчик температуры и да т- чик температуры поверхности. В обеих программах блок " Vernier Sensor " настроен на работу как с датчиком температуры, так и с датчиком температуры поверхности. Его настройки можно увид еть на следующем рисунке (рис. 6 ). Адаптер NXT подключен к порту 3. Имеется возможность контролировать т е- кущую температуру объема почвы по цифровой или аналоговой шкале. Блоки "Экран" предназначены для вывода информации о текущей темп е- ратуре почвы на жидко кристаллический экран интеллектуального блока NXT . 10 Формируется текстовая строка, отображается текущая температура в градусах Цельсия и пиктограмма термометра (рис. 7). Рис. 6. Настройки блока " Vernier Sensor " Рис. 7. Фотография ЖК - экрана интеллектуал ьн о го блока NXT Настройки первого и четвертого блоков "Экран" показ аны на следу ю щем рисунке (рис. 8 ). Рис. 8. Настройки блоков "Экран" Связь блока " Vernier Sensor " и третьего блока "Экран" означает передачу численного значения измеренной температу ры в четвертую строку ЖК - экрана интеллектуального блока NXT . Во второй программе ветвь № 4 представляет собой последовательность из четырех исполняемых блоков и имеет следующий вид (рис. 9 ). Рис. 9 . Ветвь № 4 второй программы Здесь присутствуют два бло ка "Звук", блок "Начать регистрацию данных" и блок "Ожидание". Последовательность действий такова. Сначала робот пр о- износит слово "Старт", после чего начинается регистрация данных, поступа ю- щих с датчика температуры поверхности, расположенного на поверхност и по ч- вы емкости № 2. Программа построена таким образом, что сбор данных пр о- должается в течение 30 с и выводится графическая зависимость температуры поверхности почвы от времени (рис. 1 0 ). Для этого в автоматическом режиме открывается окно дополнительной пр ограммы LEGO NXT 2.0 Data Logging , к о- торая обеспечивает нам такую возможность [ 6, 7 ] . Блок "Ожидание" необходим для того, чтобы по завершении процесса сбора температурных данных (по истечении 30 с) робот произнес слово "Стоп". Настройки блоков представлены на рис. 1 1 - 1 3 . 11 Рис. 10. Процесс построения графической зависимости температуры поверхности по ч вы от времени Рис. 11. Настройки первого блока "Звук" Рис. 12. Настройки блока "Начать регистр а цию данных" Рис. 13. Настройки блока "Ожидан ие" Созданная программа сначала проходит этап компиляции, потом она з а- гружа ется в интеллектуальный блок NXT при помощи интерфейс а Blu e tooth с персонального компьютера и после этого запускается на выполн е ние. 2.4. Раздел " Работа с датчиками температуры и температуры поверхности " В нашем проекте для мониторинга температуры почвы используются два аналоговых датчика производства компании Vernier : датчик температуры ( Stainless Steel Temperature Probe ) и датчик температуры поверхности ( Su r face Temperature Sen sor ) [ 8 ] . Датчик температуры погружен в объем почвы, соде р- жащейся в емкости № 1, а датчик температуры поверхности расположен на п о- верхности почвы, содержащейся в емк о сти № 2. Датчик температуры представляет собой жесткий стальной стержень с пластмассовой р укояткой. В общем случае он может быть использован при изучении плавления веществ, эндотермических и экзотермических реакций, различных биологических и экологических процессов, погодных явлений и т.д. В нашем проекте с помощью данного датчика мы можем полу чать значение температуры в объеме почвы. Диапазон измеряемых температур достаточно широкий и составляет от - 40 до + 135 °С . Максимально допустимая температ у ра: +150 °С . Время срабатывания датчика составляет: 10 с (в воде при помешив а- нии), 90 с (в подвижном в оздухе), 400 с (в неподвижном воздухе). Датчик температуры поверхности представляет собой тонкий гибкий провод, снабжен ный миниатюрным сенсором . П редназначен для контактного измерения температуры поверхностей различных объектов . В общем случае может исполь зоваться для изучения дыхания человека, в том числе температ у- ры выдыхаемого воздуха, исследования эффекта согревания воздуха в носовых проходах; при измерениях температуры поверхности кожи человека, в том чи с- ле в труднодоступных местах (например, на поверх ности уха); при изучении 12 явлений теплоп ередачи, конвекции, трения и т.д . В отличие от датчика темп е- ратуры данный датчик м ожет быть использован только для измерения темпер а- ту ры в воздушной среде. В рамках проекта с помощью датчика температуры поверхности мы м о- жем измерять температуру воздуха, находящегося в непосредственном конта к- те с почвенным покровом. Принимаем, что на границе раздела "почва - воздух" температура поверхности почвы и температура воздуха совпадают. Так мы п о- лучаем значение температуры поверхн ости почвы емкости № 2. Диапазон и з- меряемых температур датчика также достаточно широкий и составляет от - 25 до +125 °С . Максимально допустимая температура: +150 °С . Время срабатыв а- ния датчика составляет: 50 с (в неподвижном воздухе), 20 с (в подвижном во з- дух е). Рассмотренные датчики могут распознаваться различными системами сбора данных. Например, стационарным и мобильным устройствами AFS и LabQuest [ 9 ] соответственно , графическими калькуляторами, интеллектуал ь- ным блоком NXT , который используется в качестве с истемы сбора данных в проекте. Для каждой системы существует специальное программное обеспеч е- ние для сбора данных. Мы работаем в сред е графического программирования LEGO NXT 2.0 Programming и сред е регистрации данных LEGO NXT 2.0 Data Logging . Остановимся на принципе работы датчиков температуры [ 2, 8 ] . В них в качестве температурного сенсора применяется так называемый терморезистор. Это полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость эле к- трич е ского сопротивления полупроводникового материала о т температуры. Для терморезистора характерны большой температурный коэффициент сопроти в- ления (превышающий этот коэффициент у металлов в десятки раз ), простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во врем е- ни. Терморезистор изготавливают в виде стержней, трубок, дисков, шайб, б у- синок и тонких пластинок преимущественно методами порошковой металлу р- гии. Их размеры м о гут варьироваться в пределах от 1 - 10 микрометров до 1 - 2 см. Различают терморезисторы с отрицательным (термисторы) и пол о- жительным (позисторы) температурным коэффициентом сопротивления . Их ещё называют NTC - термисторы и PTC - термисторы соответственно. У позист о- ров с ростом температуры растет и сопротивление , а у термисторов - наоборот: при увеличении температуры сопротивление падает. В рассматриваемых да т- чиках температуры установлены NTC - термисторы . Система сбора данных фиксирует значение сопротивления термистора, а соответствующее программное обеспечение пр еобразует его в температуру, с о- гласно уравнению Стейнхарта - Харта: , в котором значение температуры в градусах Цельсия, измеренное зн а- чение сопротивления в килоомах, постоянные величины, для кот о- 13 рых , , . Постоя н- ные величины имеют размерности ( K – размерность абсолютной температуры, Кельвин). За несколько часов до начала нашего мероприятия мы поместили датчики температуры в почву и на п оверхность почвы соответствующих емкостей. Это сделано для того, чтобы обеспечить необходимое время срабатывания датчиков и получ и ть адекватные значения измеряемых температурных параметров. 2.5. Раздел " М обильный робот " Мобильный робот представляет собой автомати ческую систему , запуск а- ем ую оператором. Робот предназначен для регистрации относительной влажн о- сти воздуха в емкостях № 1 и № 2 и состоит из трех основных элементов: це н- трального компьютера; системы регистрации данных и механической сист е мы для пе редвижения робота и перемещения датчика. Центральный компьютер осуществляет управление движением робота , сбор и обработку информации, поступающей с датчика относительной влажн о- сти. Роль центрального компьютера выполняет интеллектуальный блок NXT . Система р егистрации данных предназначена для мониторинга относ и- тельной влажности воздуха в емкост ях № 1 и № 2. Включает в себя аналоговый датчик Vernier - датчик относительной влажности , который подключа е тся к центральному компьютеру при помощи вспомогательного пер еходника. Знач е- ние относительной влажности воздуха вывод и тся на ЖК - экран интеллектуал ь- ного блока NXT . Механическая система для передвижения робота и перемещения датчика п озволяет роботу перемещаться по заданной траектории, распознавать спец и- альный маркер, а также изменять положение датчика относительной влажности по отношению к каркасу робота. Состоит из трех двигателей, датчика освеще н- ности и каркаса. Двигатели В и С позволяют роботу двигаться поступательно по прямолинейной траектории ( двигатели В и С синх ронизированы ) . Поворот робота происходит за счет увеличения мощности (скорости вращения вала дв и- гателя) одного двигателя относительного другого. Двигатель А отвечает за п е- ремещение датчика относительной влажности относительно каркаса робота (преобразование вращательного движения вала двигателя в поступательное движение датчика осуществляется с помощью кривошипно - кулисного мех а- низма). Датчик освещенности закреплен в передней части мобильного робота и располагается на расстоянии порядка 5 мм от поверхност и дв ижения. В р е жиме отраженного света чувствительный элемент датчик а может различать цвет п о- верхности, по которой движется робот. Если на траектории движения встреч а- ется черный маркер, датчик регистрирует изменение цвета поверхности и робот совершает запрогра ммированные действия. Далее следует демонстрация пр о- цесс а конструиро вания робота в программ е LDD . 14 2.6. Раздел " Программирование мобильного робота " Программа мобильного робот а представляет собой линейный алгоритм . Траектория движения робота представляет с обой прямоугольник . Начало пов о- рота определяется с помощью датчика освещенности, который регистрирует появление черного маркер а, установленного на траектории движения робота. Путем перемещения маркера вдоль траектории можно изменять расстояние , к о- торое пре одолеет робот до начала поворота. Программу функционирования мобильного робота можно условно пре д- ставить в виде четырех последовательных подпрограмм, в которых реализов а- ны следующие этапы : 1) перемещение робота от оператора до первого маркера, регистрация показаний датчика относительной влажности (емкость № 1) ; 2) поворот, движение робота до второго маркера, регистрация показаний да т- чика относительной влажности (емкость № 2) ; 3) поворот, перемещение до тр е- тьего маркера, поворот, движение до четвертого марке р а , расположенного р я- дом с оператором ; 4) последовательный вывод на ЖК - экран интеллектуал ь ного блока NXT измеренных показаний относительной влажности воздуха в емкости № 1 и е м кости № 2 соответственно . 2.7. Раздел " Работа с датчиком относительной влажност и " Для мониторинга относительной влажности воздуха в каждой емкости используется аналоговый датчик производства компании Vernier : датчик отн о- сительной влажности ( Relative Humidity Sensor ) [8] . Этот датчик, как было о т- мечено ранее, закреплен на мобильном р оботе. Для того чтобы провести оценку состояния влажности воздуха в емкости, робот помещает датчик внутрь емк о- сти, выполняет сбор данных в течении заданного временного промежутка и в ы- дает результаты, по которым мы сможем оценить состояние во з духа. Датчик п редставляет собой цилиндрический пластиковый стержень с р у- кояткой. В общем случае он может быть использован для измерения влажности в жилых помещениях при изучении влияния микроклимата на человека, для о п- тимизации микроклимата теплиц, оранжерей и террариум ов, при изучении в о- просов воздействия влажности воздуха на рост и развитие растений, при изуч е- нии погодных явлений и т.д. В нашем проекте с помощью данного датчика мы можем получать значение относительной влажности воздуха в емкостях № 1 и № 2, содержащих цветковые растения. Диапазон измеряемых значений соста в- ляет от 0 до 95 % . Диапазон рабочих температур : от 0 до +85 °С . Время срабат ы- вания датчика: 60 мин (в неподвижном воздухе), 40 с (при активном движ е нии воздуха). Как и датчики температуры, этот датчик мо жет распознаваться ра з- личными системами сбора да н ных. Принцип работы датчика следующий [2 , 8 ] . Внутри пластикового корпуса установлена специальная интегральная микросхема, в которой используется конденсатор с тонкой полимерной пленкой в качестве диэлектрик а. Пленка очень чувствительна к изменению влажности окружающего воздуха. В завис и- мо сти от степени влажности воздуха пленка поглощает или выделяет молекулы 15 воды. Это изменяет её диэлектрические свой ства , а зна чит, и ё мкость конденс а- тора. Данная физическая в еличина преобразуется интегральной схемой в напряжение, а соответствующее программное обеспечение для сбора данных преобразует его в относительную влажность, выраженную в процентах. Е м- кост ный датчи к влажности воздуха очень быстро реагиру е т на ее изменение при интенсивном движении воздушных масс. Поэтому, если требуется изм е- рить относительную влажность воздуха за короткий промежуток времени, необходимо привести датчик в движение или воспользоваться вентилятором. В наших демонстрационных экспериментах пр и изм ерени и влажности воздуха в емкостях мы будем задействовать вентилятор (в течении 80 с) с ц е- лью получения адекватных значений измеряемого параметра. В емкост ь № 2 мы предварительно поместили стакан с горячей водой, чтобы намеренно обе с- печить в ней высокую в ла ж ность воздуха . 3. Запуск автоматизированной системы М обильный и стационарный роботы приводятся в рабочее состояние оп е- раторами 1 и 2 соответственно. Оператор 2 включает вентилятор и инициирует циркуляцию воздуха в емкост и № 1, мобильный робот движется по заданной траектории к емкости № 1 . Д атчик относительной влажности помещается внутрь емкости № 1 и происходит регистрация относительной влажности во з- духа ( ~ 80 с) , стационарным роботом измеряется численное значение темпер а- туры почвы , результат выв о дится на ЖК - экран стационарного робота, оператор 2 фиксирует измеренное значение. Оператор 2 переставляет вентилятор и инициирует циркуляцию воздуха в емкост и № 2 . М обильный робот движется по заданной траектории к емкости № 2, согласно своей программе. Д атчик о тносительной влажности помещается внутрь емкости № 2 и происходит регистрация относительной влажности во з- духа ( ~ 80 с) , стационарным роботом измеряется температур а поверхности по ч- вы , оператор 2 строит графическ ую зависимость температуры поверхности почвы о т времени на экране компьютера ( результаты построения одновреме н- но демонстрируются аудитории ) . Оператор 2 выключает вентилятор. Мобильный робот возвращается к оператору 1, который фиксирует измеренные показания относительной вла ж- ности воздуха в емкостях № 1 и № 2. П о показаниям датчиков относительной влажности и температуры опер а- тор 2 принимает решение о необходимости увлажнения воздуха в емкости № 1 или № 2. В случае положительного решения оператор 2 стационарного робота перемещает механическую руку к нако пителю емкости № 1 и ли № 2 и включ а- ет насосную систему на заданное время , по истечении которого подача воды прекращается. По результатам эксперимента делаются выводы и даются рекомендации по повторному запуску автоматизированной системы с целью обеспечения тр е- буемых численных значений указанных параметров микроклимата модельного комплекса теплиц.