УДК 681.5
Автоматизация системы полива и проветривания для сельскохозяйственных культур
Шайдулин Роман Фаритович – кандидат экономических наук, доцент Кафедры информационных систем и телекоммуникаций Пермского государственного аграрно-технологического университета имени академика Д. Н. Прянишникова.
Мелехин Максим Игоревич – начальник Управления информатизации Пермского государственного аграрно-технологического университета имени академика Д. Н. Прянишникова.
Иванова Вера Алексеевна – начальник Отдела информационных технологий и телекоммуникаций Пермского государственного аграрно-технологического университета имени академика Д. Н. Прянишникова.
Ворона Сергей Александрович – ведущий системный инженер Пермского государственного аграрно-технологического университета имени академика Д. Н. Прянишникова.
Томилов Данил Владимирович – ведущий системный инженер Пермского государственного аграрно-технологического университета имени академика Д. Н. Прянишникова.
Аннотация: В статье выделены основные недостатки организации ручного полива и проветривания для сельскохозяйственных культур в защищенном грунте и предложено решение для автоматизации этих процессов в тепличном комплексе Пермского ГАТУ. Представлена схема, подобрано оборудование для решения задачи.
Ключевые слова: автоматизация, полив, проветривание, микроклимат, теплица, ресурсосбережение, микроконтроллер, датчик.
Изменение климата угрожает основным сельскохозяйственным культурам (зерновым, кормовым, овощам, ягодам, фруктам и другим) во всем мире. Совместное воздействие повышения температуры и углекислого газа приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур, и как следствие количества производимого продовольствия. Это может вызвать скачки цен на продукты питания и снижение продовольственной безопасности.
За последние пять лет на территории Пермского края были объявлены чрезвычайные ситуации: в 2019 году из-за переувлажнения и в 2023 году из-за засухи. В связи с опасными природными явлениями наблюдалась гибель и повреждение посевов сельскохозяйственных культур [10]. По оценкам ученых Университета, потери продуктивности сельскохозяйственных культур в 2023 году достигли 50% и более величины их средних многолетних значений [8].
Особые климатические условия характерны для многих регионов Российской Федерации. Для решения данной проблемы используется выращивание сельскохозяйственных культур в защищенном грунте, что позволяет оградить урожай от переменчивого климата. Это дает необходимую возможность для осуществления самостоятельного контроля над климатом в пределах тепличного комплекса, где культивируются растения [4, 5].
Рост, развитие и урожайность тепличных культур напрямую зависят от условий микроклимата: температуры и влажности воздуха, освещения, концентрации углекислого газа и влажности почвы. Поддержание оптимального микроклимата в теплицах является ключевым аспектом успешного сельского хозяйства, поскольку оно оказывает непосредственное влияние на рост, развитие и урожайность растений. Кроме того, поддержание оптимальных условий микроклимата в теплицах улучшает качество продукции, снижает риск заболеваемости растений и обеспечивает устойчивость сельскохозяйственного производства в условиях региона с рискованным земледелием.
В современном мире, где технологии играют ключевую роль в улучшении сельского хозяйства, автоматизация процессов становится неотъемлемой частью обеспечения эффективности функционирования сельскохозяйственных предприятий [13]. Важнейшими направлениями в этой области являются автоматизация полива, обеспечение оптимальной температуры и контроль за состоянием сельскохозяйственных культур.
Традиционное управление микроклиматом в теплицах, как известно, требует постоянного мониторинга и вмешательства со стороны сельскохозяйственных работников. Однако с внедрением систем автоматизации, основанных на передовых технологиях, мы переходим к новому уровню эффективности и точности в создании и поддержании идеальных условий для роста растений [14].
Автоматизация полива и мониторинга в теплицах позволяет точно регулировать влажность почвы, поддерживать оптимальные температурные режимы и своевременно реагировать на изменения в окружающей среде [5]. Аналогичный подход применяют для организации производственного процесса в гидропонных системах [1].
В данной статье будут рассмотрены основные недостатки обеспечения микроклимата в тепличном комплексе ФГБОУ ВО Пермский ГАТУ (далее - Университет), а также предложено автоматизированное решение для минимизации выявленных недостатков.
Тепличный комплекс Университета состоит из 6 теплиц 12*100 метров. Приоритетными процессами по обеспечению микроклимата в тепличном комплексе Университета являются полив и проветривание. На данный момент, эти процессы выполняются полностью в ручном режиме.
Ручное управление поливом и проветриванием в теплицах имеет ряд недостатков, влияющих на эффективность сельскохозяйственного производства:
- Неравномерный полив: при ручном поливе часто возникает неравномерное распределение влаги в почве. Это может привести к переувлажнению некоторых участков и недостаточному увлажнению других, что может вызвать проблемы с ростом растений и снизить урожайность.
- Непостоянство проветривания: ручное проветривание может быть несвоевременным и зависит от занятости специалистов тепличного комплекса. Недостаточное проветривание может привести к накоплению влажности, превышению оптимальных температур для роста растений и повышению риска развития грибковых заболеваний.
- Затраты на труд и время: выполнение полива и проветривания вручную требует значительных трудозатрат. Специалисты тепличного комплекса вынуждены тратить время на повседневные задачи, вместо того чтобы сосредоточиться на более актуальных проблемах и продуктивных аспектах сельскохозяйственного производства.
- Зависимость от человеческого фактора: ручные операции требуют постоянного присутствия человека, человеческий фактор может привести к ошибкам в управлении, что отрицательно сказывается на общей эффективности работы тепличного комплекса.
- Отсутствие автоматического мониторинга показателей микроклимата: ручной подход к обеспечению микроклимата лишен возможности постоянного мониторинга и контроля основных показателей, влияющих на рост растений.
Автоматизация процесса полива и проветривания позволит решить обозначенные проблемы и повысить общую эффективность работы тепличного комплекса, а также значительно сэкономить время и ресурсы его специалистов [13,14].
Автоматизированную систему полива и проветривания можно заказать в составе комплексного решения из представленных на рынке [11], но на текущий момент большинство таких решений представлены зарубежными компаниями [6] и требуют значительных капитальных вложений [9].
Предлагается самостоятельно разработать аппаратно-программный комплекс (рисунок 1) с максимально высокими эксплуатационными характеристиками для тепличного комплекса Университета с учетом опыта подобных разработок [2, 7]. Комплекс должен иметь модульную архитектуру, чтобы иметь возможность адаптации к потребностям различных сельскохозяйственных предприятий [3, 12].
Цель работы - описать способ решения проблемы поддержания оптимального микроклимата с помощью разработанного аппаратно-программного комплекса.
Рисунок 1. Схема аппаратно-программного комплекса.
Основные компоненты аппаратно-программного комплекса:
- Одноплатный компьютер Raspberry Pi 4 Model B 4Гб - обеспечивает автоматизированное управление системой.
- ЖК-дисплей 10.1 дюймов (с сенсорным экраном) - интерфейс для ручного управления и настройки системы, а также для отображения текущих параметров и режимов работы системы.
- Датчики температуры и влажности AHT10 и DHT11 - контроль значений температуры и влажности.
- Емкостный датчик влажности почвы - контроль влажности почвы.
- Arduino Nano - используется для подключения и беспроводной передачи данных с датчиков в блок управления.
- Bluetooth приемопередатчик HC-05 - обеспечивает беспроводную передачу данных с датчиков.
- Модуль H-моста - обеспечивает управление скоростью и направлением движения электрического подъемного привода (для проветривания).
- МОП-транзисторы IRF520 (модуль) - управление реле включения клапана подачи воды.
- Промежуточное реле IEK OIR-116-ACDC24V - подача питания на клапан подачи воды.
- Электромагнитный клапан двухходовый VS2W-300E-NC - обеспечивает подачу воды к распылителям.
- Электрический подъемный привод SLC-DJ150 - применяется в системах бокового проветривания в теплицах, предназначен для открытия боковых ставен теплицы для проветривания.
- Блок питания (24В, 25А) - обеспечение питания электромагнитных клапанов.
- Блок питания (24В, 31.3А) - обеспечение питания приводов открытия боковых ставен теплицы.
- Климатический навесной шкаф - обеспечивает защиту от осадков и поддержания постоянной температуры оборудования.
Режимы работы аппаратно-программного комплекса (рисунок 2):
- Настройка параметров системы: устанавливаются уровни влажности (minH/maxH), уровни температуры (minT/maxT), периодичность считывания показаний с датчиков (tM), время работы полива (tW), время работы привода (tD), время ожидания (tH).
- Авто: штатный режим работы системы - автоматический полив и проветривание (рисунок 3).
- Включить полив: начинается процедура полива (показания датчиков влажности игнорируются).
- Выключить полив: заканчивается процедура полива.
- Открыть ставни: начинается процедура открытия боковых ставен (показания датчиков температуры игнорируются).
- Закрыть ставни: начинается процедура закрытия боковых ставен.
- Отключить: завершение работы системы.
Аппаратно-программный комплекс для автоматизации полива и проветривания представляет собой интегрированный набор технических и программных средств, разработанных с целью оптимизации управления микроклиматом в тепличном комплексе. Этот комплекс обеспечивает автоматическое и точное регулирование условий окружающей среды, минимизируя вмешательство человека и повышая эффективность сельскохозяйственного производства. Ключевые характеристики такого комплекса:
- Система мониторинга:
- Датчики температуры и влажности для постоянного мониторинга условий в теплице.
- Системы сбора и передачи данных для обеспечения оперативной информации о текущем состоянии микроклимата.
- Автоматизированный полив:
- Система распределения воды с использованием эффективных насосов, клапанов и систем трубопроводов.
- Программное обеспечение для точной настройки и контроля полива в соответствии с потребностями различных видов сельскохозяйственных культур.
- Система проветривания:
- Автоматически управляемые ставни для оптимального контроля температуры и влажности.
- Централизованное программное управление:
- Программное обеспечение для централизованного контроля всех компонентов комплекса.
- Возможность удаленного мониторинга и управления через мобильные устройства или автоматизированное рабочее место специалиста тепличного комплекса.
- Система аварийного оповещения:
- Настраиваемые оповещения в случае отклонения параметров микроклимата от установленных норм.
- Аналитика и отчетность:
- Система анализа данных и генерации отчетов для оценки эффективности и принятия управленческих решений.
Все эти компоненты взаимодействуют с целью обеспечить оптимальные условия для роста растений, снизить затраты на труд и ресурсы, а также повысить производительность и устойчивость сельскохозяйственного производства в тепличном комплексе.
Для управления аппаратно-программным комплексом применяется современное программное решение, построенное на базе веб-технологий. Имеется возможность управления всеми компонентами системы, как со встроенного ЖК-дисплея, так и через специальное веб-приложение (с любого устройства, подключенного к сети). Предусмотрено создание и настройка шаблонов для выращивания различных типов сельскохозяйственных культур.
Рисунок 2. Обобщенная схема работы программного комплекса.
В автоматическом режиме работы аппаратно-программного комплекса контролирует параметры микроклимата в теплице, основываясь на предустановленном времени tM (частота опроса датчиков). Оценка значений всех датчиков, используемых для активации полива или запуска проветривания выполняется параллельно и независимо друг от друга.
Рисунок 3. Режим автоматического полива и проветривания.
Описание работы режима автоматического полива и проветривания:
- Считывание данных:
- с емкостных датчиков влажности, установленных в почве с выращиваемой культурой;
- с температурных датчиков установленных в теплице.
- Сравнение показаний датчиков влажности с входными параметрами. Если влажность почвы H меньше или равна нормативной влажности почвы minH (h ≤ minH), то включается полив на время tW (подается питание на электромагнитные клапаны). Если влажность почвы больше или равна нормативной максимальной влажности почвы maxH (h ≥ maxH), то формируется оповещение для специалистов тепличного комплекса.
- Ожидание. После полива система переходит в режим ожидания на установленное время tH. По завершению ожидания система вновь переходит к считыванию данных с датчиков.
- Сравнение показаний датчиков температуры с входными параметрами. Если температура t больше или равна максимальной температуре maxT (t ≥ maxT), то подается питание на электрический привод для открытия боковых ставен. Привод работает установленное время tD.
- Сравнение показаний датчиков температуры с входными параметрами. Если температура t меньше минимальной температуры minT (t < minT), то подается питание на электрический привод для закрытия боковых ставен. Привод работает установленное время tD.
- Ожидание. После открытия или закрытия боковых ставен система переходит в режим ожидания на установленное время tH. По завершению ожидания система вновь переходит к считыванию данных с датчиков.
Таким образом, спроектирован и разработан аппаратно-программный комплекс для решения задачи автоматизации полива и проветривания в тепличном комплексе Университета. Предложенный комплекс имеет модульную архитектуру и является универсальным решением для оптимизации технологических процессов в сельскохозяйственных предприятиях.
Внедрение автоматизированного полива и проветривания в тепличные комплексы значительно повышает эффективность сельскохозяйственного производства. Автоматические системы обеспечивают точное и своевременное управление микроклиматом, сокращая потребление ресурсов и повышая устойчивость к внешним факторам. Сокращение человеческого фактора в управлении тепличным комплексом приводит к повышению эффективности и снижению риска возникновения человеческих ошибок.
Будущее автоматизации в сельском хозяйстве - появление более продвинутых систем, включающих в себя прогнозирование и адаптацию к изменениям климата. Прогресс в области автоматизации сельского хозяйства играет ключевую роль в гарантировании стабильного обеспечения продовольственной безопасности и эффективного управления аграрными ресурсами.
Апробация предложенного решения планируется во втором-третьем квартале 2024 года.
Список литературы
- Автоматизация выращивания агрокультур в стационарном компактном тепличном комплексе с контролируемым микроклиматом на базе гидропонной системы / Д. К. Левоневский, А. В. Рябинов, Н. А. Жукова, В. Э. Ковалевский // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. – 2023. – Т. 11, № 1(40). – С. 21-22. – DOI 10.26102/2310-6018/2023.40.1.029.
- Адищев, И. В. Система автоматического управления климатом защищенного грунта на базе аппаратной платформы arduino / И. В. Адищев, И. А. Вялых, А. А. Таскаева // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология. – 2021. – № 2. – С. 158-169. – DOI 10.15593/2224-9400/2021.2.13.
- Башлыкова, А. А. Реализация интероперабельности средств информационной системы "Цифровая теплица" / А. А. Башлыкова // ИТ-Стандарт. – 2020. – № 2(23). – С. 21-29. – EDN QPICZL.
- Белякова, А. А. применение новых технологий в современных промышленных теплицах / А. А. Белякова // Научно-образовательный потенциал молодежи в решении актуальных проблем XXI века. – 2021. – № 17. – С. 83-86.
- Бондарев, Н. С. Цифровое управление тепличным овощеводством / Н. С. Бондарев, Г. С. Бондарева // Инновационная деятельность. – 2020. – № 2(53). – С. 26-33.
- Войтюк, М. М. Зарубежный опыт применения инновационных технологий в строительстве тепличных комплексов / М. М. Войтюк, П. Н. Виноградов, С. А. Оганесян // Научно-информационное обеспечение инновационного развития АПК : Материалы XV Международной научно-практической конференции, р.п. Правдинский, Московская обл., 08 июня 2023 года. – Москва: Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса, 2023. – С. 289-295.
- Интеллектуальная система полива растений на базе микроконтроллера Arduino UNO / Л. М. Ахметов, Д. И. Биков, М. Р. Хамидуллин, Г. А. Гареева // International Journal of Advanced Studies. – 2021. – Т. 11, № 4. – С. 7-17. – DOI 10.12731/2227-930X-2021-11-4-7-17.
- Марков А. Из-за засухи пермские аграрии потеряли до половины урожая [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ura.news/news/1052668844 (19.12.2023)
- НПО "Каскад": Автоматизация тепличных хозяйств // APK News. – 2019. – № 15. – С. 34-35.
- Распоряжение Губернатора Пермского края от 28.07.2023 № 206-р «О признании чрезвычайной ситуации на территории Пермского края в связи с опасными природными явлениями» https://agro.permkrai.ru/dokumenty/297549/
- Реализация цифровых платформенных решений в опытно-производственном хозяйстве аграрного вуза : Монография / С. А. Родимцев, Т. И. Гуляева, Л. П. Еремин [и др.]. – Москва : Ай Пи Ар Медиа, 2023. – 221 с. – ISBN 978-5-4497-1824-2.
- Рябинов А.В., Виноградов М.С., Левоневский Д.К., Лоскутов С.И. Автоматизация управления процессами выращивания культур в тепличных комплексах вертикального типа. Хранение и переработка сельхозсырья. 2023;(2). https://doi.org/10.36107/spfp.2023.381
- Фесенко, Э. О. Автоматизация как составляющий компонент ресурсосберегающих технологий в АПК / Э. О. Фесенко // Сборник избранных статей по материалам научных конференций ГНИИ "Нацразвитие" : Международные научные конференции, Санкт-Петербург, 25–29 февраля 2020 года. – Санкт-Петербург: ГНИИ «Нацразвитие», 2020. – С. 99-101.
- Черепенин, В. А. Анализ возможности применения интернета вещей в сельском хозяйстве на примере «Умной теплицы» / В. А. Черепенин // Инновационные научные исследования: гуманитарные и точные науки : Сборник материалов X-ой международной очно-заочной научно-практической конференции, Москва, 25 ноября 2022 года. – Москва: Научно-издательский центр "Империя", 2022. – С. 156-161.