Обогрев пчёл весной. Микроконтроллерное управление

Оставлен Evgenij Bortnik Ср, 02/22/2017 - 16:41
Аватар пользователя Evgenij Bortnik

Статья будет посвящена разработке проекта дистанционного управления весенним обогревом пчёл на пасеке. Многие годы на пасеках Сибири, совершенно надёжно работает авторское оборудование, построенное на основе фальшь-доньев Кинева. Для каждого улья изготовлено дополнительное днище, в которм размещён электрический низковольтный ТЭН. Электропитание подводится по силовой магистрали 42-60 вольт через обыкновенный штепсельный разъём. Оборудование изготовлено просто, добротно и надёжно, никаких соплей нет. Однако это оборудование с единым тиристорным регулируемым источником питания группового обогрева. А как показала практика, для выравнивания условий развития семей, нужно иметь возможность индивидуального регулирования интенсивности обогрева. В протейшем случае можно применить балластные гасящие резисторы, для локального ослабления перегретых звеньев системы. Однако, хотя это и надёжное, но двольно тупое решение. Лучше применить микроконтроллерное управление режимом обогрева каждого звена системы. Несомненно, это приведет к сущестенному удорожанию "железа". Кроме того, в ходе решения задачи может пострадать надёжность комплекса оборудования и получиться неоправданное его усложнение. Именно поэтому нужно тщательно проанализировать все возможные подходы и выбрать наиболее эффективный, с учётом его стоимости.

При введении в оборудование средств автоматики в полный рост встаёт задача быстроходной коммуникации модулей автоматики, размещённых в разных частях оборудования. Первоначально в рассмотрении был способ локальной коммуникации через радиомодем. Однако затем по ряду причин более пристальному рассмотрению был подвергнут способ передачи данных по силовым электрическим проводам. В этом есть определёный смысл, поскольку комплекс оборудования при любом раскладе будет сохранять единую силовую магистраль. Пасека, как правило, расположена в деревенской местности, автономно и вне пределов размещения промышленных устройств, создающих колоссальные помехи в сети. Поэтому устойчивость рассматриваемого канала связи может оказаться высокой. Итак, для медного силового двухпроводного кабеля сечением 4 или 6 кв.мм. с токами 15-30 ампер пр напряжениях не выше 60 вольт будет рализован способ коммуникации через PLC-модем.

PLC - это Powerline Communication. Как ни странно, но есть еще те, кому не безразлична идея передачи данных по силовым электрическим проводам. в 21 веке в мире немало людей, столкнувшихся с этим явлением лицом к лицу. Кто-то, только собирается познакомиться с технологиями, открывающими такие возможности, для кого-то это уже состоявшийся удачный или неудачный опыт, но это никак не вчерашний день. Существует масса протоколов PLC как программной, так и аппаратной реализации, наиболее популярные — PowerLine HomePlug AV, со скоростью передачи данных до 1500 мбит/сек. Принцип пердачи сигнала по проводам электрическо сети показан на картинке.

В качестве микроконтроллера удобно использовать чип STM32F100C8T6 / STM32F103C8T6. Чтобы не попасть под «раздачу» и избежать интимных отношений с контролирующими государственными органами, мощность отдаваемая в провод не должна превышать 70 мВт, иначе разрабатываемое устройство подлежит обязательной регистрации. Если использовать ШИМ контролера в качестве генератора/смесителя, то предельная частота для этого чипа будет около 2 МГц. Здесь уместно вспомнить про любительский диапазон 160м (1.87 МГц). Это довольно удобное место чтобы точно никому не мешать. Значение 1.9 МГц близко к предельной частоте для этого контроллера. Просканировав диапазон 160м можно обнаружить, что в нем давно никто не работает… Использумый метод модуляции CW (телеграфный ключ), как самое простое и в то же время надежное решение. Для дискретного управления системой электрообогрева ульев на деревенской пасеке, в принципе не нужны большие скорости передачи данных. Достаточно скорости 20 кбит/сек. Архитектура создаваемой системы простая: мастер-слэйвы, т.е. один контроллер опрашивает/посылает команды остальным.

Пример разработанных модулей для применения в комплексе оборудования для пасеки показан ниже на фотографиях. Первые образцы разработанного оборудования находятся в стадии тестирования в городских распределительных сетях 0,4кв. Их используют при построении систем связи в жилых домах при 220В и на предприятиях. На основе полученного опыта выполна модификация схемотехнических решений и разработаны печатные платы новой конфигурации, а также источник питания. 

Дело в том, что на конструктивное решение задачи накладываются ограничения по размерам модулей, удобству из размещения внутри фальшь-доньев, где совсем нет необходимости применения стандартных пластиковых микроконтроллерных корпусов для размещения на дин-рейку. Кроме того, есть явное ограничение по температуре, которая в активном объёме днища может достигать предельных значений (+75-85 град.С) по условиям эксплуатации чипов микроконтроллеров и другой электроники. Дополнительным ограничением служит уровень напряжения системы электропитания. Нужно понимать, что 42-60 вольт это нестандартный уровень. Для таких напряжений требуется промежуточная ступень энергопреобразования. 

Пример схемы включения контроллера STM32F100C8T6 для реализации системы управления электроообогревом доньев показан ниже на картинке.

Нужно понимать, что кроме собственно контроллера требуется разработать и реализвать средство его взаимодействия с персональным компьютером, который может быть размещён удалённо. Минимально возможное расстояние следует рассматривать как удалённость бревенчатого жилого дома от места установки ульев. Это расстояние составляет не более 100 метров. Такое расстояние великовато, для показанной конфигурации устройства. Небольшие доработки позволяют легко преодолеть ограничение. Кроме того, придётся принять меры для улучшения прохождения сигнала через тиристорный регулятор, а в последствии вовсе отказаться от аналогового регулятора. Регулирование тепловыделения будет выполнено по принципу изменения продолжительности включения ТЭН каждого днища на полное напряжение магистральной сети. Включение нагревательного элемента может быть выполнено при помощи маломощного тиристора или с применением обыкновенного малогабаритного исполнительного реле.

В данном случае рассматривается конфигурация управляющей микроконтроллерной системы, для комплекса обогрева, расположенного в пределах усадьбы. Но расстояния могут быть и другими. Однако для перехода к трансляции данных в глобальном масштабе чвно придётся перейти в сигнальным системам на базе сотовой связи. Ведь максимально возможное расстояние может быть любым. Например рабочий кабинет в жилом доме в городе Красноярске. Следовательно на повестке дня стоит вопрос о передаче контролируемых данных и сигналов управления на огромные расстояния. Особенностью деревенского размещения в РФ является труднодоступность местности для свободного приема сигналов сотовых сетей связи. Поэтому предметом рассмотрения в одной из следующих публикаций станет построение системы удалённой связи с применением импульсного оборудования и ТВ антенны типа волновой канал, а также с применением обыкновенного радиопередатчика в радиолюбительском диапазоне.

Картинка диагностируемых в силовой распределительной сети электрических сигналов с рациональным информационным наполнением показана ниже. Подробного рассмотрения вопросов анализа, диагностики и идентификации здесь не будет, а указанный материал даётся только иллюстрационно. 

Работы в обозначенном направлении продолжаются без форсирования режима около года, поскольку не являются абсолютным приоритетом. Есть перспектива практической реализации работоспособного микроконтроллерного устройства на собственной пасеке весной 2017 года. Значительную поддержку ПРОЕКТ автоматизации обогрева пчелиных ульев имеет со стороны квалифицированного инженера и талантливого красноярского изобретателя Александра Суворова.

                        Евгений Бортник, Россия, Красноярск, март 2017 года