Sera İklimlendirme Kontrolü İçin Etkin Bir Gömülü Sistem Tasarımı

Transkript

1 Sera İklmlendrme Kontrolü İçn Etkn Br Gömülü Sstem Tasarımı Nurullah Öztürk, Selçuk Ökdem, Serkan Öztürk Ercyes Ünverstes, Blgsayar Mühendslğ Bölümü, Kayser Özet: Bu çalışmada, mkro denetleyc tabanlı sera klmlendrme sstem gelştrlmştr. Bu sstem sayesnde seralarda sıcaklık ayarlaması yapılarak ürünlerde verm artırılması amaçlanmıştır. Bununla brlkte sıcaklık ayarlaması yapılırken enerj tasarrufu sağlanarak serada malyetn düşürülmes de amaçlanmıştır. Enerj tasarrufu sağlamak amacıyla hem sera ç hem de sera dışı sıcaklık değerler kontrol edlmştr. Uygun sıcaklığın ayarlanması sera dışı ısıdan faydalanılarak gerçekleştrlmştr. Anahtar Sözcükler: Sera İklmlendrme, Gömülü Sstem, Mkrodenetleyc An Effectve Embedded System Desgn for Greenhouse Clmate System Abstract: In ths paper, greenhouse clmate system based mcrocontroller s developed. By means of ths system, t s amed to mprove productvely of goods by temperature adjusted n greenhouses. In addton to ths, t s also amed to decrease producton cost whle the temperature has been adjusted. In order to save energy temperature values of greenhouse are adjusted not only nsde but also outsde. Approprate temperature s adjusted by utlzaton of outsde heat. Keywords: Greenhouse Clmate System, Embedded System, Mcrocontroller. 1. Grş Doğal yetştrme koşullarının uygun olmadığı bölgelerde veya mevsmlerde ağaç fdeler, ççek fdeler, meyve-sebze fdeler gb çeştl btklern yetşmes çn uygun ısı ortamı oluşturmak maksadıyla cam, naylon ya da daha farklı ışığı geçren malzemelerle kaplanan yerlere sera denr. İstenen yetştrme şartlarının sağlanması çn kontrol edlen ortam parametrelernn durumuna göre ısıtma, soğutma, havalandırma, sulama vb. şlemler gerçekleştrlr. Örneğn sera hava sıcaklığının kontrolü çn havalandırma pencereler le doğal havalandırma, vantlatörler yardımı le mekank havalandırma yapılırken; soğutma çn fanlar le brlkte yastık sstem, ısıtma çn sıcak havalı ve sıcak sulu sstemler kullanılmaktadır[1]. Sera klmlendrme kontrolünde özellkle ısıtma harcamaları bazı durumlarda üretm masraflarının %65 ne kadar ulaşablmektedr. Enerj malyet nedenyle seraların yeternce ısıtılmaması ürün kaltesnn ve mktarının stenlen sevyeye getrlememes sonuçlarını doğurur [2]. Bu yüzden her br ürün çn uygun yetştrme koşulunun sağlanması aynı zamanda enerj tasarrufunun da olması büyük önem taşımaktadır. Seralarda klmlendrme sstem kontrolüne yönelk pek çok çalışma yapılmıştır [3-11].

2 Yapılan çalışmalar serada yetştrlen ürün çn uygun sıcaklık ve nem değerlernn kontrol edlmes amaçlı gelştrlmştr. Çalışmaların bazılarında da uzaktan kontrol etme amaçlı web ara yüzü tasarlanmıştır. Fakat yapılan çalışmalarda tüm dünyada yaşanan enerj kaynağı sorunu göz ardı edlerek sadece ürün çn gerekl ortam oluşturulmaya çalışılmıştır. Bu çalışmada sera klmlendrme çn mnmum enerj le maksmum vermn elde edlmes amaçlanmaktadır. Bunun çn sera ç sıcaklık değern ürüne at deal tek br sıcaklıkta sabt tutmaya çalışmak yerne optmum sıcaklık değerler arasında kalmasını sağlayarak enerjden tasarrufu amaçlıyoruz. Enerj tasarrufu çn sera ç sıcaklığın optmum sıcaklık değerlernde dengelenmesnde seranın dış ortam sıcaklığından faydalanılmaktadır. Sera klmlendrme kontrolü çn tasarlanacak etkl br kontrol sstem öncelkle sera sıcaklığının yetştrlen ürüne göre ayarlanmasına bağlıdır. Sera yetştrclğndek amaç, en yüksek verm ve kaltey sağlayacak optmum sıcaklığın sağlanmasıdır. Optmum sıcaklık değer btk tür ve çeştlerne göre farklılıklar gösterr. Sebze Türü Mn. Optmum Maks. Domates Bber Patlıcan Kavun Fasulye Muz Şekl 1. Btklern gelşm çn gerekl sıcaklık değerler( C)[12] Yüksek sıcaklık btklerde strese, gövde drencnde azalmaya, fotosentez le solunum dengesnn bozulmasına, yaprak alanın azalmasına, büyümenn yavaşlamasına meyve verm ve kaltesnn düşmesne neden olmaktadır. Düşük sıcaklıkta se btknn donmasına, meyve rengnn oluşamaması, verm ve kaltenn düşmesne neden olmaktadır. Bazı sera ürünler çn mnmum maksmum ve optmum sıcaklık değerler Şekl_1 de verlmştr. Bu yüzden ürünler yetştrlrken hem en uygun sıcaklık sağlanmalı hem de enerj tasarrufu ön planda tutulmalıdır. Serada sıcaklık güneş ışınlarının etksyle ve yapay ısıtıcılarla sağlanır. Güneş ışınlarının % ı ısıtıcı ntelktedr. Bu ışınların br kısmı yansıma, absorbsyon ve kırılma etksyle kaybolur. Sera çndek toprak, seranın ç yüzey ve btk tarafından tutulan güneş ışınlarının br kısmı daha sonra yansıtılır. Bu da ısınmaya yol açar. Isınan br ortamda sıcaklık devamlı aynı sevyede kalmaz, devamlı br kayıp söz konusudur. Bu yüzden sera yapımında kullanılacak olan uygun malzeme klm şartlarına göre seçlmeldr. Şekl_2 de sera yapımında kullanılan maddelern ışınım geçrgenlk değerler verlmştr. Seranın kurulacağı bölgeye göre malzemenn seçlmes enerj tasarrufu konusunda önem arz etmektedr. Malzeme Işınım Geçrgenlğ Cam %88 PE %88-92 UV katkılı PE %87 IR katkılı PE %82 Polyester %87 Şekl 2. Örtü Malzemelernn Güneş ışınımı geçrgenlğ[12] 2. Sstemn Tasarımı Sera klmlendrme kontrolü çn tasarlanan kontrol sstem Şekl_3 de gösterlmştr. Tasarlanan kontrol sstemnde hem sera çersndek sıcaklık değer alınırken hem de seranın dış ortamındak sıcaklık değer alınmaktadır. Sera dışında bulunan sıcaklık sensörü yardımıyla sera çersndek sıcaklığın dengelenmesnde enerj tasarrufunun sağlanması amaçlanmıştır.

3 değer de seçlen ürüne at uygun değerler arasında se seranın ç ve dış ortamın sıcaklığı ürüne uygun olduğu çn havalandırma üntes aktf hale getrlr. Şekl 3. Sera klmlendrme kontrol sstem. Güneş ışınlarının yıl çersnde farklı açılar yapmasından dolayı oluşan dış ortam sıcaklığının değşmesnden sera çersnde de sıcaklığın farklı değerler almasına sebep olmaktadır. Sıcaklık değernn yetştrlen ürün çn optmum değerler arasında olması ürün vermn artıracağı gb enerj malyetnn de düşürülmesne katkı sağlayacaktır. Bu çalışmamızda bu lke üzerne kurulmuştur. 2.1 Sstem Grş Sera yetştrclğnde farklı btk türler çn stenen ortamın sıcaklık değerler değşklk göstermektedr. Bu sebepten dolayı programda öncelkle kullanıcıya yetştreceğ ürünü belrtme mkânı verlmştr. Sıcaklık kontrolü çn öncelkle sera ç ortam ve seranın dışı ortam sıcaklık değerler, sıcaklık sensörlernden alınan değer le seçlen ürüne at sıcaklık aralık değerler karşılaştırılmıştır. SS = ISmn OSS (1) DS = ISmax OSO (2) Formüllerde verlen kısaltmalar aşağıda belrtlmştr. SS: sera ç sıcaklık farkı, ISmn: sera ürünü çn gerekl mnmum sıcaklık değer, OSS: sera çersnde ölçülen sıcaklık değer DS: seranın dış ortamının sıcaklık değer ISmax: sera ürünü çn gerekl maksmum sıcaklık değerdr. Sera ç ortam sıcaklık değer kullanıcının seçmş olduğu ürüne at sıcaklık değerler arasında se ve seranın dış ortam sıcaklık Sera ç sıcaklık değer kullanıcının seçmş olduğu ürüne at uygun sıcaklık değerlern maksmumundan büyük se ve sera dışı sıcaklık değer de seçlen ürüne at uygun sıcaklık değerler arasındaysa veya sera dışı sıcaklık seçlen ürüne at uygun sıcaklık değerlernn maksmumdan büyük se sera sıcaklığı fazla olduğu çn soğutma üntes aktf hale getrlr. Seranın sıcaklığı maksmum değer le -%15 tolerans sıcaklık aralığına kadar soğutma şlem devam eder. Sera ç sıcaklık değer kullanıcının seçmş olduğu ürüne at uygun sıcaklık değerlern maksmumundan büyük se ve sera dışı sıcaklık değer de seçlen ürene at uygun sıcaklık değerlernn mnmumundan küçük se havalandırma üntes aktf hale getrlerek sera sıcaklığını maksmum değer le -%15 tolerans sıcaklık aralığına kadar soğutma şlem devam eder. Bu şeklde soğutmak yapılarak çn gereksz enerj tüketmnn önüne geçlmektedr. Sera ç sıcaklık değer, kullanıcının seçmş olduğu ürüne at uygun sıcaklık değerlern mnmumundan küçük se ve sera dışı sıcaklık değer de seçlen ürüne at uygun sıcaklık değerler arasında veya sera dışı sıcaklık değer de seçlen ürüne at uygun sıcaklık değerler mnmumundan küçük se sera sıcaklığı düşük olduğu çn ısıtma üntes aktf hale getrlr. Ürün sıcaklığı mnmum değer le +%15 tolerans sıcaklık aralığına kadar ısıtma şlem devam eder. Sera ç sıcaklık değer, kullanıcının seçmş olduğu ürüne at uygun sıcaklık değerlernn mnmumundan küçük se ve sera dışı sıcaklık değer seçlen ürene at uygun sıcaklık değerlernn maksmumundan büyük se havalandırma üntes aktf hale getrlerek sera sıcaklığını mnmum değer le +%15

4 tolerans sıcaklık aralığına kadar ısıtma şlem devam eder. Bu şeklde ısıtmak çn de gereksz enerj harcanması önlenmş olur. 2.2 Sstem Çıktısı Sstem çıkışları olarak ısıtma amaçlı ısıtıcı fan, soğutma amaçlı soğutucu fan motoru hızları ve havalandırma le sera sıcaklığı kontrolü gerçekleştrlmştr. Sıcaklık değşm aralığına göre fan devreye grerek fanın çalışma hızları çok yavaş, yavaş, orta, hızlı ve çok hızlı olmak üzere 5 farklı değşk hızlarla çalışması sağlanmıştır. Sera ç sıcak çn tek br sıcaklık değernn sağlanmasından zyade optmum değerler arasında br ortam oluşturularak fazla enerj tüketmnn önüne geçlmes amaçlanmıştır. Maksmum sıcaklık değernn %15 altı le mnmum sıcaklığı %15 fazlalığına kadar sıcaklık değerler ürün çn deal ortam oluşturulmasını sağlamıştır. ların ve havalandırmanın durumları Şekl_4, Şekl_5, Şekl_6 da gösterlmektedr. S e r a ç I s ı Isıtıc ı Soğut ucu Havalandı rma Çok Açık Düşük Düşük Açık Orta Açık Yüksek Yavaş Açık Çok Yüksek Orta Açık Şekl 6. Hava Sıcaklığı deal ken ların Kuralı 2.3 Sstemn Çalışması Sstemn genel olarak çalışma mantığının Şekl_7 de gösterldğ gbdr. S e r a ç I s ı S e r a ç I s ı Isıtıc ı Soğut ucu Havalandı rma Çok Çok Kapalı Düşük Hızlı Düşük Hızlı Kapalı Orta Orta Kapalı Yüksek Açık Çok Yüksek Yavaş Açık Şekl 4. Hava soğuk ken fanların Kuralı Isıtıcı Soğut ucu Havalandı rma Çok Orta Açık Düşük Düşük Açık Orta Yavaş Kapalı Yüksek Orta Kapalı Çok Yüksek Hızlı Kapalı Şekl 5. Hava sıcak ken fanların Kuralı Şekl 7. Sıcaklık Kontrolünün Akış Dyagramı İşleyş akışında öncelkle program çalıştırıldığında sera ç sıcaklığı A değşkennde ve sera dışı sıcaklığı se B değşkenne atanmaktadır. Daha sonra ekrana sstemde tanıtılan ürünler ve bu ürünlere at uygun sıcaklık değerlernn bulunduğu tanıcı blgler gelmektedr.

5 Şekl_8 de örnek olarak gösterlmektedr. Kullanıcıdan sera çersnde yetştreceğ ürünü seçmes stenlmektedr. Örneğn seçlen ürünümüz bber olsun. Bber çn uygun sıcaklık değerler Şekl_1 tablosundak gösterldğ gb optmum sıcaklık değerler C dr. Sstem artık sera ç ve sera dışı sıcaklık değern bu ürüne at değerlerle kıyaslayarak seranın ve havanın durumunu belrlemeye çalışmaktadır. Hava sıcaklığı 0-10 C olduğu durumda hava sera çn soğuk kabul edlmektedr. Sera ç sıcaklık C se sera ç sıcaklık değernn de ürün çn çok düşük olduğu kabul ederek Şekl_4 dek kurallara göre ısıtıcı fan çok hızlı çalıştırılmakta, havalandırma ve soğutucu fan kapalı durumda tutulmaktadır. Entegrenn 1sn den az aralıklarla sıcaklığı ölçümünden yararlanılarak sera ç sıcaklık durumu sürekl kontrol edlerek sera ç sıcaklığın ürüne at optmum değerler arasında kalması sağlanmaktadır. Sera ç sıcaklık değerler optmum aralıkta br değere geldğnde ısıtıcı fan hızı orta sevyelere çeklmştr. Sera ç sıcaklık değer optmum değerler aşması durumunda havanın soğuk olmasından faydalanılarak havalandırma açılarak doğal sernletme şlem uygulanarak hem temz havanın ortama alınması hem de soğutma malyetn düşürülmes amaçlanmıştır. Şekl_4, Şekl_5 ve Şekl_6 da verlen kurallara göre sera ç sıcaklık değer ürüne at uygun ortamın ayarlanması sağlanmaktadır. Sadece ürün çn sadece tek br sıcaklık değerne bağlı kalmak yerne +%15 le -%15 sıcaklık değerler aralığında ürün çn en uygun ortamın oluşturulması prensbne dkkate alınmasının yanı sıra malyetn düşürülmes amaçlanmıştır. 3. Mkro Denetleyc Mkro denetleyc, br mkroşlemcnn mkroşlemc brm (MİB), hafıza ve grşçıkışlar, krstal oslatör, zamanlayıcılar (tmers) ser ve analog grş çıkışlar, programlanablr hafıza (NOR Flash, OTP ROM) gb bleşenlerle tek br tümleşk devre üzernde üretlmş haldr. Sera sstemlernde brçok mkroşlemcden yararlanılır C51 Kontrol uygulamalarına yönelk 8 bt CPU su bulunan 64 KB program hafızası ve ver hafıza adres alanı, 4K Romu, 128 bayt Ram, 4 tane 8-bt Grş/Çıkış portu 2 adet 16bt zamanlayıcı/sayıcısı, full duplex UART(Unversal Asynchronous Recever Transmttere) sahp br 40 pn bulunan br denetleycdr. Şekl 7. 80C51 pn gösterm 3.2. Dallas 1621 Entegres Sıcaklık ölçümü çn harc br parçaya htyaç duymayan, -55 C le +125 C arasında 0,5 C artışlarla ölçüm yapablen, 1 sn den az sürede sıcaklığı sayısal formata çevreblen, ver I2C ser haberleşme protokolü le gönderlp ve alınablen gelşmş br sıcaklık ölçüm entegresdr. 4. Sonuçlar Şekl 8. Dallas 1621 pn gösterm Tasarlanan kontrol sstemnn performansı Proteus Vrtual System Modelng (VSM) sstem modelleme ve smülasyon programı üzernde değerlendrlmştr. Smülasyon çn tasarlanan kontrol sstem Şekl_8 de gösterlmştr. Smülasyonda entegreler arası gerekl bağlantılar yapılarak ve yazılmış olan program eklenerek arayüzde gösterlmştr.

6 Şekl 8. Tasarlanan kontrol sstemnn Proteus VSM programı smülasyon model. Yapılan testlerde bber yetştrclğ çn uygun ortam şartları temel alınarak sıcak hava fanı, soğuk hava fanı ve havalandırma motoru çn kontrol snyaller üretlmştr. Bber optmal olarak gündüz C, gece C sıcaklıkta y gelşr. Sıcaklık 21 C nn altına düştüğünde büyüme yavaşlar [13]. Sstem çn mkro kontrolör olarak Atmel At89c51rd2 kullanılmış olup gerekl kontrol programı Kel C51 derleycs le kodlanmıştır. Sera ve ortam sıcaklık değer Dallas 1621 sensoru kullanılmıştır. Kullanıcıya stenlen sıcaklık değerlern tanımlama mkânı sunmuştur. Programda tanımlanan sera ürünler ve bu ürünlere at optmum sıcaklık değerler LCD üzernden kullanıcıya aktarılarak ürününü seçmes sağlanmıştır. Kullanıcının seçtğ ürüne göre program aracılığıyla sera çersnde sıcaklığı sağlanmaya çalışılmıştır. Smülasyon sonuçlarında tasarlanan sstemn stenlen sıcaklık değern korumak üzere tatmn edc performansa sahp olduğu ve uygulanablrlğn göstermektedr. Sera yetştrclğnn dezavantajı malyet açısından tarlada ürün yetştrmeye göre daha pahalı olmasıdır. Bu sebepten rekabet sağlayablmek çn üretm malyetlern düşürülerek, verm artırılmalıdır. Yapılan çalışmada sera klmlendrme kontrol sstem tasarlanırken göz önünde bulundurulması gereken en öneml faktörlerden br de şüphesz enerj tüketmn en aza ndrerek tasarruf sağlamak olmalıdır. Bzde sera klmlendrme kontörlünde gömülü kontrolörün kullanılablrlğ göstermek amacıyla gerekl alt yapının oluşturulması ve mekank soğutma veya ısıtma yerne daha çok doğal havalandırma yapılarak öneml mktarda enerj tasarrufu oluşturablrlğ hedeflenmştr. Bunun yanı sıra büyük ölçekl seralar çn

7 mkro kontrolüler ve kablosuz sensor ağları kullanılarak kablosuz haberleşmenn avantajlarından faydalanılarak ssteme esneklk kazandırılablr 5. Kaynaklar [1]. Kürklü, A. ve Çağlayan, N., Sera Otomasyon Sstemlernn Gelştrlmesne Yönelk Br Çalışma, Akdenz Ünverstes Zraat Fakültes Dergs, 18(1), 2534,2005. [2]. Çolak, A., Isıtılmayan Br Cam Serada Sera İç Sıcaklık, Çğlenme Sıcaklığı ve Bağıl Nem Desen Üzerne Br Araştırma, Ege Ünverstes Zraat Fakültes Dergs, 39(3):105-11ISSN , [3] g, X., Junqang, S., Jaolao, C., Rough Sets Based Fuzzy Logc Control for Greenhouse Temperature, Mechatronc and Embedded Systems and Applcatons, Proceedngs of the 2nd IEEE/ASME Internatonal Conference, pp. 1-5, 2006 [4] Kürklü, A. ve Çağlayan, N., Mkrodenetleyc ve Radyo Frekansı Kullanılarak Alternatf İklm Kontrol Sstemnn Gelştrlmesne Yönelk Br Çalışma, Akdenz Ünverstes Zraat Fakültes Dergs, 20(2), , [5] Stpančev, D., Marasovć, J., Networked Embedded Greenhouse Montorng and Control, CCA 2003 Proceedng of 2003 IEEE Conference on Control Applcatons, 2003, pp Elektrk-Elektronk ve Blgsa ar Mühendslğ Sempoz umu, [8] Canddo, A., Ccrell, F., Furfaro, A., Ngro, L., Embedded real-tme system for clmate control n a complex greenhouse, Internatonal Agrophyscs, vol: 21, number: 1, pages: 17-27, [9] Lanfang, P., Wanlang, W., Qd, W., Applcaton of Adaptve Fuzzy Logc System to Model for Greenhouse Clmate, Intellgent Control and Automaton, Proceedngs of the 3rd World Congress, 2000, vol.3, Page(s): [10] Caponetto, R., Fortuna, L., Nunnar, G., Occhpnt, L., Xbla, M.G., Soft computng for greenhouse clmate control, Fuzzy Systems, IEEE Transactons, Volume 8, Issue 6, Page(s): , [11] M.Baytürk,G.Çetn,A.Çetn Gömülü Sunucu le Tasarlanmış İnternet Tabanlı Sera Otomasyon Sstem Uygulaması, Blşm Teknolojler Dergs, Clt: 6, Sayı: 2, Mayıs 2013 [12] Cengz Türkay, Sera Tasrımı ve İklmlendrme, Mersn, 2012 [13] Aybak, H.Ç., Bber Yetştrclğ, Hasad Ya ıncılık, İstanbul, [6] Sardaks, G., Kolokotsa, D., Dolants, S., Development of an Intellgent Indoor Envronment and Energy Management System for Greenhouses usng a Fuzzy Logc Controller and LonWorks protocol, EPEQUB Conference, 2006, pp [7] Taplamacıoğlu, M.C., Saygın, A., Değrmenc, E., Tezcan, C., PLC Chazı le Serada Sıcaklık ve Nem Kontrolünün PID Denetleycyle Gerçekleştrlmes, ELECO