Объект и предмет проекта
объект проекта:
- Разработка системы умного зимнего сада для Дворца Детского и Юношеского творчества.
предмет проекта:
- Создание управляемой экологической системы в образовательном учреждении, дающей возможность постоянного непосредственного общения с природой, сочетающей возможности учебной площадки и релакса.
Целевая аудитория проекта
- Студенты ССУЗОВ и ВУЗОВ старших курсов обучения, обучающихся на сельскохозяйственных и биотехнических специальностей.
Тема проекта
- Создание управляемой экологической природной площадки, сочетающей возможности учебного процесса и релакса, через разработку модуля управления системой умный сад.
Тип проекта
- Долгосрочный, групповой, направленный на развитие компетенностей и креативного мышления в процессе разработки модуля управления системой умный сад.
Проблема и потребность целевой аудитории.
Проблема: Создание системы зимний сад требует поддержания оптимальных условий его содержания (влажность, температурный режим, полив и т.д.) и слоившийся режим работы сотрудников ДДЮТ не позволяющий постоянно контролировать сохранение правильного режима ухода за растениями зимнего сада.
Потребность: организовать аппаратный независимый контроль за поддержанием оптимальных условий существования системы зимний сад.
Aктуальность проекта
2013 год был объявлен годом сельского хозяйства в России. Роль сельского хозяйства в экономике страны или региона показывает её структуру и уровень развития. Аграрные показатели достаточно высоки в большинстве развивающихся стран, где в сельском хозяйстве занято более половины экономически активного населения. Сельское хозяйство там идёт по экстенсивному пути развития, то есть увеличение продукции достигается расширением посевных площадей, увеличением поголовья скота, увеличение числа занятых в сельском хозяйстве.
В 2014 году начала действовать новая федеральная целевая программа “Устойчивое развитие сельских территорий на 2014-2017 годы и на период до 2020 года”. Отметим, что это не простая хронологическая преемственность, а переход к качественно иным методам работы, в основе которых лежат понятия “комплексный” и “устойчивый”. В новой программе включены новые направления: грантовая поддержка местных инициатив сельских жителей, поощрение и популяризация достижений в сельском развитии. Необходимое условие для выполнения мероприятий программы - реализация в сельских поселениях инвестиционных проектов в сфере сельхозпроизводства. Кроме того, нужно обеспечить комплексное развитие сельских территорий, что требует от регионов и муниципальных образований разработки и утверждения соответствующих документов территориального планирования, поиска и реализации инвестиционных проектов и создания новых рабочих мест (см. Приложение 1).
Тем временем Министерство образования и науки России опубликовало результаты оценки деятельности высших учебных заведений. Комиссия изучила деятельность 541 государственного вуза и 994 филиалов страны В список неэффективных высших учебных заведений попал сельскохозяйственный вуз Чувашской Республики ЧГСХА. Комиссией принято решение о сохранении самостоятельности Чувашской сельхозакадемии при условии вложения финансовых средств в развитие вуза его учредителем. По мнению ректора, необходимо учитывать отраслевую принадлежность вуза и его региональные особенности. Аграрные профессии в сравнении с экономическими или медицинскими специальностями не столь популярны. Как вывод следует что необходимо разрабатывать проекты с целью увеличения потока обучаемого контингента и повышению уровня подготовки специалистов.
Введение
Современное экологическое образование можно представить в виде гуманитарной культурно-творческой модели, которую отличают следующие теоретико-методологические идеи:
- идея самоценности живого, неживого и мыслящего, отражающая аксиологический подход к современной картине мира;
- идея единства человека и природных основ жизни;
- идея личностного становления человека в процессе взаимодействия с миром природы;
- идея субъективности, предполагающей, что в центре внимания находится развитие субъектного опыта человека, который включает индивидуальный и всеобщий опыт общения с природно-культурным окружением;
- идея проблемно-творческой направленности содержание экологического образования;
- идея сознательной направленности экологического образования в контексте жизнетворчества, объединяющая существующие стратегии экологизации образования (природоохранная, ресурсоохранная, валеологическая и т. д.);
- идея глубинного диалога личности с природой, партнерства, равноправия в противовес идеологии покорения, борьбы, господства.
В реализации задач экологического воспитания большое значение имеет природное окружение в образовательном учреждении - оформленный и возделанный участок, дающие возможность постоянного непосредственного общения с природой; организация систематических наблюдений за природными явлениями, типичным примером такого участка является зимний сад.
Редко можно встретить помещение, в котором не было бы хотя бы одного растения. Растения нужны дома и на работе. Из чисто декоративного элемента они давно стали одним из сильнейших архитектурно-художественных средств организации внутреннего пространства.
Растения создают иллюзию контактов с природой; красотой форм, приятным запахом и спокойной зеленой окраской благотворно влияют на центральную нервную систему. Важны также санитарные и гигиенические функции растений. Они поглощают пыль, очищают воздух от углекислого газа, способствуют увлажнению и ионизации воздуха, снижают его температуру и подавляют, и уничтожают многие вредоносные микроорганизмы.
Зимние сады представляют собой участки зелени, имитирующие собой естественные уголки природы, где отдельные группы растений объединяются в единую композицию зеленым фоном или каким-нибудь инертным материалом.
Зимний сад является самой совершенной, сложной и дорогостоящей формой внутреннего озеленения. Он размещается в специальном помещении с регулируемым климатом, где заранее предусматриваются все необходимые технические параметры для обеспечения жизни растений и отдых человека. Каждый фрагмент сада с умело подобранной растительностью в сочетании с малыми архитектурными формами представляют собой отдельную композицию, но все вместе они составляют единое целое.
Зимний сад прекрасно подходит как для деловых переговоров, приема гостей, так и для повседневной жизни, при достаточном техническом оснащении сад можно использовать в качестве исследовательской лаборатории, базы для написания дипломных и курсовых проектов. Нами было предложено сотрудничество между студентами Чебоксарского электромеханического колледжа и руководством Чебоксарского дворца детского и юношеского творчества по разработке системы “умного” зимнего сада. Дворец детского и юношеского творчества должен вскоре стать современнее и больше. Ему повезло. Здание попало в список объектов, которые будут обновлены к 550-летию Чебоксар. Дворец построен в 86 году, как и его зимний сад не отвечает запросам нашего времени. Одной из важнейших проблем, возникающих в процессе проектирования зимнего сада, является обеспечение притока свежего воздуха.
Инженерные системы зимнего сада
Чтобы обеспечить естественную вентиляцию необходимо предусмотреть открывающиеся створки и форточки и в вертикальных стенах, и в наклонных поверхностях крыши. Площадь открывающихся створок должна составлять от 10 % до 40% всей площади остекления зимнего сада.
Естественная вентиляция основывается на физических свойствах воздуха: всем известно, что тёплый воздух поднимается наверх, и если в верхней части стен или на крыше имеются форточки, то воздух выйдет через них наружу. Если в нижней части конструкции предусмотрены приточные отверстия, то через них естественным образом в помещение будет стремиться поток прохладного воздуха.
Конечно, такая система не может обеспечить полноценную вентиляцию зимнего сада, так как зависит от многих условий. Прежде всего, чтобы происходил естественный воздухообмен, необходима разница температур между тёплым воздухом в помещении и холодным снаружи, эта разница должна оставлять не менее пяти градусов. Эффективность естественной системы вентиляции снижается в ветреную погоду и в знойные летние дни. С помощью такой системы трудно добиться заданного уровня температуры и влажности, имеющего во многих случаях большое значение, например, для прихотливых тропических растений.
Следующим вопросом, которому следует уделить пристальное внимание, является освещение зимнего сада. Зимний сад — полностью светопрозрачная конструкция, то есть, растения обеспечены постоянным притоком солнечной энергии, но летним днём растения могут получить переизбыток света, а в пасмурную погоду солнечной энергии будет недостаточно. К тому же, разным растениям требуется различный уровень освещённости. Чтобы решить эти проблемы, необходимо оборудовать зимний сад и шторами, и электрическим освещением. Для освещения растений не годятся обычные лампы накаливания, так как у них низкая светоотдача и в их спектре отсутствуют синие лучи, необходимые для фотосинтеза. К тому же, такие лампы сильно греются, растения могут даже получить ожоги. Люминесцентные лампы больше подходят для освещения зимнего сада, хотя их спектр тоже малоэффективен для стимулирования процессов жизнедеятельности растений. Можно в зимних садах применять металлогалоидные лампы или натриевые лампы высокого давления, но оптимальным вариантом являются специальные светодиодные или люминесцентные фитолампы.
Осветительные приборы можно также подключить к интеллектуальной системе управления, чтобы можно было создать оптимальный световой сценарий для всех растений зимнего сада. Самым лучшим вариантом будет объединение в единый комплекс и подключение к системе “умный дом”.
Еще несколько десятилетий назад владельцы зимних садов самостоятельно обходили по нескольку раз свои владения и поливали все растения в соответствии с их требованиями. Но сегодня все гораздо проще – можно установить специальную систему полива, которая автоматически будет выполнять полив, одновременно следя за состоянием растения. Даже самый умелый садовод не сможет через каждые 15 минут поливать растение и точно определять уровень влажности почвы, но для системы данные задачи не представляют сложности.
Наиболее предпочтительной системой полива является система капельного полива. Данная система достаточно проста и представляет собой шланг со специальной перфорацией, уложенный в грунт. Сквозь отверстия в шланге в грунт периодически поступает вода, которая орошает корни растений. Современные системы капельного полива оснащены датчиками, которые контролируют уровень влажности воздуха и почвы и самостоятельно определяют частоту и объем влаги, которая необходима растениям. Причем, благодаря совершенным системам автоматики, можно устанавливать определенный уровень влажности для различных участков, где растут растения, которые нуждаются в поливе разной интенсивности.
Естественно в зимнем саду ДДЮТ такие системы отсутствуют. Помещение не вентилируется разница температур на высоте 6 метров составляет порядка 12 градусов. Полив большой пощади осуществляется человеческим трудом и в не достаточном объеме. Зимний сад освещают энергосберегающие лампы, которые включаются крайне редко из-за экономии электричества. Сад умирает! (см. Приложение 2) В рамках дипломного проектирования нами была разработана система управления зимним садом. Которая обеспечит функционирование микроклимата в автономном режиме без контроля человека. При этом объект будет способен принять студентов чувашских ССУЗОВ и ВУЗОВ, обучающихся на биотехнических и сельскохозяйственных специальностях. Теплица обеспечит места прохождения производственной практики, а также станет объектом, способствующим разработки дипломный и курсовых проектов.
Система “умный” дом
С каждым годом в тепличных предприятиях все большее внимание уделяется качественному поддержанию микроклимата. Правильно выбранная технология поддержания микроклимата - одна из важнейших составляющих.
В настоящее время ведется активная модернизация теплиц, связанная с повышением количества исполнительных систем: разделение контуров, модернизация форточной вентиляции, установка систем зашторивания, установка вентиляторов. И чем больше исполнительных систем имеет теплица, тем важнее для нее выбор критерия, определяющего стратегию поддержания микроклимата.
Опыт внедрения автоматизированных систем управления показывает, что на этапе проектирования системы достаточно сложно выбрать единый критерий управления. Поэтому в системе управления должна существовать возможность оперативно задать критерий во время эксплуатации, причем методы его задания должны в наглядной форме отражать агрономические, экономические и технические требования, предъявляемые к системе. Таким образом, современная система управления должна позволять задать не только один из вышеперечисленных критериев управления или их комбинацию, но и любой другой возникающий в процессе производства, предоставляя агроному-технологу широкие возможности в выборе метода поддержания температурно-влажностного режима в теплице. Если с технической стороны все ясно, то необходимо разобраться с системой анализа поступивший с датчиков информации.
Сбор данных – это процесс измерения электрического или физического явления, такого как напряжение, сила тока, температура, давление или сила звука. Сбор данных на базе ПК использует комбинацию модульного оборудования, прикладного ПО, и компьютера для проведения измерений. К списку задач добавляется разработка программного обеспечения для управления системой.
Проектирование системы “умный” дом - это самый первый и самый важный этап создания зимнего сада. Именно от проектирования зависят безопасность, практичность, эстетичность, комфортабельность и удобство вашего будущего зимнего сада. На этом этапе работы конструктору необходимо не только учесть ваши пожелания, но и предусмотреть особенности места, окружающей среды, финансовые возможности и т.д
В процессе проектирования зимний сад можно увидеть не только в виде чертежей (см. Приложение 3), но и на 3D изображениях (см. Приложение 4). Это позволит наиболее полно представить, как будет выглядеть ваш зимний сад, причем в увязке со всем домом, участком и другими постройками. Проектирование позволит предусмотреть все нюансы строительства, избежать возможных ошибок при строительстве (см. Приложение 5).
В работе приведены чертежи и макеты зимнего сада с размещением модулей с датчиками влажности, температуры и освещенности.
Этапы опытно-конструкторской разработки
Разработка системы мониторинга климата в тепличном хозяйстве можно условно разделить на этапы и работы конструкторской подготовки производства. Работа над изделием заняла 44 дня. Работа техника составила 39 дней, внутрисхемного программиста – 17 дней, визуального программиста – 16 дней, работа руководителя составила 4 дня. Экономический расчет стоимости одного экземпляра устройства см. Приложение 7.
Системы автоматизированного управления зимнем садом
Сам прибор состоит из двух блоков:
- Первый блок – плата с датчиками влажности почвы, освещения, температуры.
- Второй блок является платой-переходником между компьютером, на котором установлена программа для сбора данных о состоянии влажности почвы, показателей освещенности и температуры, и блоком с самими датчиками.
Плата с датчиками размещена непосредственно на исследуемом объекте, плата-переходник будет немного отдалена от блока с датчиками. (см. Приложение 6)
Отслеживать показатели работы датчиков можно будет на мониторе компьютера.
Одной из основных характеристик системы управления является ее надежность. Поэтому в качестве аппаратно-технической базы системы был выбран контроллер, который содержит современные средства защиты от сбоев: копию основных параметров работы системы в энергонезависимой памяти, средство защиты от зависаний. Помимо контроллера автоматизированная система управления микроклиматом включает в себя набор датчиков для измерения параметров внутри теплицы. Для передачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы система включает в себя блок релейной коммутации с возможностью ручного управления.
Важным элементом системы управления является диагностика неисправностей и возможностей системы управления. Иногда в процессе эксплуатации случаются непредвиденные ситуации, связанные с нестабильностью температуры подаваемой воды, повышенным износом и люфтом исполнительного механизма или связанные с другого рода ограничениями, накладываемыми на исполнительные системы. Заложенные в систему методы диагностики должны выявлять нестандартные ситуации и своевременно перестраивать алгоритмы управления, поддерживая при этом параметры микроклимата с минимально возможным отклонением. При невозможности разрешения ситуации без участия человека, система выдает соответствующее аварийное сообщение.
Управляющая программа написана на языке программирования G. Оболочка отображает показания влажности, температуры и освещенности. Имеется кнопка включения и выключения мониторинга. Программа записывает данные в текстовый файл, который вы можете отправить по почте, либо вывести на печать. (см. Приложение 8)
Зона комфорта
В условиях постоянного роста городов и промышленных центров, когда человек в течение многих часов находится в окружении из стекла, железобетона и синтетических материалов, роль живых растений в интерьере особенно важна. Растения создают иллюзию контактов с природой; красотой форм, приятным запахом и помогают справиться с плохим настроением или стрессовым состоянием. Но наиболее важны санитарная и гигиеническая функции растений. Доказано, что растения поглощают пыль, очищают воздух помещений от углекислоты, где ее почти в 20 раз больше, чем под открытым небом, способствуют увлажнению воздуха, подавляют и уничтожают многие вредоносные микроорганизмы благодаря выделению особых летучих веществ – фитонцидов. Таким образом, комнатные растения в помещении:
- поглощают вредные вещества;
- поддерживают уровень влажности;
- снимают стресс;
- обеспечивают шумоизоляцию;
- повышают настроение;
- обладают охлаждающим эффектом;
- фильтруют частицы грязи и пыли из воздуха;
Влияние комнатных растений на здоровье человека, на состояние рабочего места явилось предметом многократных научных исследований. Однако результат, к которому время от времени приходят ученые — один и тот же: растения действительно помогают!
На основании вышесказанного мы предлагаем создать отдельною зону комфорта в зимнем саду (см. Приложение 9) и учесть влияние цветов на человеческий организм и эмоции.
Цветы могут влиять на наше расположение духа, настроение, при этом не последнее значение имеет их окраска. Холодные синие, голубые и зелёные тона успокаивают нервную систему. Композициями из синевато-голубоватых цветков хорошо любоваться вечером, перед сном это способствует хорошему сну, быстрому восстановлению работоспособности, а фиолетовые оттенки цветов снижают работоспособность. Тёплые красные, оранжевые, жёлтые тона наоборот помогают проснуться. Растения, имеющие цветки с ярко-красной окраской, возбуждают, бодрят и снижают утомление. Считается, что растение с розовыми цветками устраняют грусть и меланхолию. Виды цветков с жёлтой и золотистой окраской уменьшается усталость глаз от работы на компьютере. Не последнюю роль играет и цветовая гамма листьев. Тёмно-зелёная и обычная зелёная листва действуют успокаивающе. Светлая окраска листьев и коры растений создаёт ощущение лёгкости. Пёстро окрашенные листья способствуют повышению работоспособности, не случайно подобные растения используют для оформления производственных помещений, интерьеров школьных помещений и т. д. Надо только учитывать, что восприятие цвета листьев зависит от их расположения на побегах и ветвления растения. Влияние на эмоциональное состояние человека оказывает даже форма кроны растений. Повышают работоспособность растения с раскидистой и пирамидальной кроной, успокаивают ? растения с овальной и ампельной кроной.
Студентам были показаны шесть вариантов цветущего растения, разной цветовой гаммы. Задание: выяснить какой цвет растения предпочитают учащиеся. (см. Приложение 9)
Развитие проекта 2014-2019 гг.
Выполнена архитектурная концепция проекта. На сегодняшний момент он составлен, рассмотрен главой администрации, различными службами. Сейчас составляется техническое задание, думаю, - говорит главный архитектор г. Чебоксары Александр Шевлягин, - до конца года будет определен победитель, который будет разрабатывать проектно-сметную документацию. К середине следующего августа мы будем иметь проект, который будет согласован, пройдет экспертизу.
Только после этого можно будет говорить о начале строительства. Впрочем, у подрядчика будет строгий дедлайн - в любом случае объект должен быть готов к 2019 году. Что касается финансирования, пока сложно сказать, во сколько обойдется реконструкция. После решения о реконструкции проект был доработан и на 2019 год назначены следующие цели и задачи в реконструкции.
Поскольку проект является долгосрочным, уже на данном этапе мы предусмотрели следующие изменения: будет доработана автоматика устройства по автоконтролю освещения, поливной системы и вентиляции, обычные лампы будут заменены на натриевые светильники, персональный компьютер и операционная система Windows заменены на одноплатный компьютер и ОС Linux. Замена ОС на бесплатный аналог позволит снизить стоимость устройства. Замена ПК приведет к увеличению надежности устройства поскольку в одноплатных компьютерах отсутствуют механические элементы. Источник питания планируется заменить солнечными батареями, установленными на крыше ДДЮТ.