УДК 004

Разработка автоматизированной гидропонной фермы с удаленным управлением по локальной сети

Канцеляристов Александр Владимирович – магистрант кафедры компьютерной инженерии Международного университета информационных технологий (г. Алматы, Республика Казахстан)

Аннотация: Гидропоника одно из наиболее перспективных направлений развития современной агропромышленности. Благодаря принципу своего устройства (выращивание растений с использованием питательного раствора вместо грунта) гидропонные системы имеют высокий потенциал для автоматизации. В статье рассматривается построение полностью автоматизированной гидропонной фермы с функцией удаленного управление, объединяющей в себе информационные технологии и современные методы культивации растений. Рассматриваемая в статье ферма – изолированный от внешней среды гроубокс, оснащенный рядом электронных компонентов, предназначенных для управления процессами поддержания жизнедеятельности растений. Управление фермой происходит с удаленного сервера по заранее запланированному сценарию. В результате исследования был проведен эксперимент, в котором результаты выращивания растений в созданном прототипе ферме сравниваются с результатами традиционного выращивания.

Ключевые слова: гидропоника, гидропонная система, автоматизация, удаленное управление, Arduino.

Введение

Одним из наиболее перспективных направлений современной агропромышленности являются гидропонные фермы, обладающие высоким потенциалом для автоматизации. Гидропоника — это метод выращивания растений без использования почвы, используя вместо этого минерально-питательные растворы на водной основе. Гидропоника предлагает ряд преимуществ, таких как экономия воды, повышение урожайности и возможность выращивания в городских условиях. Однако, несмотря на эти преимущества, гидропонные системы требуют точного управления условиями роста, что может оказаться трудной задачей.

Автоматизация гидропонных систем с применением современных информационных технологий может облегчить эти сложности, предоставляя возможность точного контроля и регулирования условий роста, таких как освещение, температура, уровень питательных веществ и т. д. Используя современные технологии сетевого управления такие системы могут быть управляемы удаленно, что обеспечивает большую гибкость, автономность и контроль над производством.

В этой статье будет рассмотрен вариант построения такой системы и основные технологии, примененные для ее реализации. Архитектуру комплекса управления гидропонной фермой можно условно разделить на две основных составляющих части: физическую и логическую. Физическая часть включает в себя сам гроубокс (бокс) или открытую гидропонную установку со всеми элементами контроля, управления и связи с логической частью, а также, физический сервер, на котором размещено ПО, обеспечивающие координацию управления фермой. Логическая часть представляет собой ряд программных решений, обеспечивающих управление: веб-приложение, отвечающее за взаимодействие пользователя с фермой, интерфейс взаимодействия фермы и сервера, планировщик задач, отправляющий команды и собирающий информацию с датчиков, база данных, прошивка микроконтроллера, расположенного на ферме. 

Физическая часть

Для реализации рассматриваемого в данной статье комплекса был выбран вариант гидропонной установки в закрытом гроубоксе. Такой подход обеспечивает максимальную изоляцию растений от внешнего окружения. Бокс представляет собой двухэтажную конструкцию. Нижний этаж и задняя стенка предназначены для расположения всех функциональных элементов фермы. К ним относятся резервуары для хранения раствора и нутриентов, водяные и воздушные насосы, генератор углекислого газа, система фильтрации и прочее. Верхний этаж – герметичная зона, предназначенная для выращиваются растений. В ней расположен наполняемый питательным раствором контейнер (раствор циркулирует между нижним и верхним контейнерами), в который погружены корни выращиваемых растений. Также, на верхнем этаже расположены осветительные приборы, датчики для мониторинга внутреннего состояния герметичной зоны и элемент контроля температуры.

Основной материал бокса в опытном образце – древесина. Каркас построен преимущественно из соснового бруса (Рисунок 1). Стенки нижнего этажа выполнены из фанеры, верхнего – из сотового поликарбоната. Спереди бокса располагается дверь, которая предоставляет одновременно и доступ к растениям, и доступ к некоторым техническим элементам установки. Сзади установки предусмотрена снимающаяся панель на случай ремонта, доработки фермы, или перезаправки емкостей для удобрений. Покраска внутренней поверхности фермы осуществлена экологически-чистой краской белого цвета. Краска защитит древесину от негативного влияния внутренней влажности. Выбранная краска не производит эмиссию вредных веществ в окружающую среду после высыхания. Внешняя сторона также покрашена в экологически-чистую краску серого цвета.

image001

Рисунок 1. «Фото бокса до и после покраски».

Из нижнего контейнера в верхний раствор перекачивается при помощи погружного водяного насос. После отвода через сливное отверстие из верхнего контейнере раствор попадает в систему фильтрации и обогащения удобрениями.

Система отвода раствора, его фильтрации и подачи удобрений сконструирована из ПВХ-труб (Рисунок 2) и располагается на задней стенке бокса. В системе был предусмотрен переключатель (кран), при помощи которого планировалось определять один из двух путей, по которому раствор придет обратно в нижний контейнер: через фильтр или прямотоком.

По пути прямотока предусмотрена система подачи удобрений, которая также сконструирована при помощи соленоидных клапанов (при кратковременном открытии клапана дополнительная порция удобрения стекает в прямоток и попадает в раствор). Система рассчитана на одновременное использование до трех видов удобрений. Если требуется отфильтровать раствор, прямоток перекрывается и раствор стекает в нижний резервуар через угольный фильтр. Фильтр почти не абсорбирует удобрения (состоящие в основном из минералов), но выводит из раствора органические соединения, которые могут послужить причиной неприятного запаха.

image002

Рисунок 2. Задняя стенка фермы (1 – система отвода раствора, 2 – прямоток, 3 – труба на фильтр, 4 – водяной насос, 5 – нижний резервуар, 6 – емкости для подачи удобрений, 7 – генератор CO2, 8 – клапаны контроля CO2, 9 – крепление фито-светильника, 10 – система контроля внутренней температуры).

Так как растения растут в герметичной зоне, в которой нет воздушного обмена с окружающей средой, в боксе предусмотрен собственный генератор CO2 (для обеспечения процесса фотосинтеза). Подача углекислого газа в герметичную зону контролируется при помощи соленоидного клапана.

Кроме упомянутых выше соленоидных клапанов в системе также располагаются следующие элементы: Arduino Uno R3, Ethernet Shield W5100, два 8-Канальных модуля реле SRD-5VDC-SL-C, элемент Пельтье TEC1-12706, датчики температуры и влажности DHT11, датчики газа MQ-135, два I2C модуля PCF8574T, датчики уровня воды, компьютерный блок питания, водяной насос и воздушный компрессор для аквариума, LED-прожектор, источник фито-освещения, кулеры для охлаждения CPU.

Основным управляющим элементом, расположенным на ферме, является Arduion Uno R3 с подключенным Ethernet Shield, посредствам которого ферма подключается к локальной сети. Все электрические компоненты (кроме Arduino, I2C и датчиков) управляются через 16-канальный блок реле, подключенный к плате Arduino посредствам шины I2C.

В качестве эксперимента, для контроля внутренней температуры была использована система на основе упомянутого ранее элемента Пельтье. При подаче напряжения одна из сторон элемента нагревается, другая – охлаждается. Если изменить полярность напряжения, то стороны поменяются местами. К обоим сторонам элемента было прикреплено по одному кулеру (для охлаждения CPU компьютера) так, что один кулер расположен внутри герметичной зоны, а второй – снаружи. В результате, изменяя полярность напряжения можно нагревать, либо охлаждать воздух в герметичной зоне. При опытной эксплуатации данная система показала себя малоэффективной, ввиду недостаточной мощности элемента.

В герметичной зоне были расположены элементы, перечисленные на Рисунке 3. Предусмотрено два типа освещения: фито-освещение и белый свет. Фито-освещение может быть трех режимов: красный, синий и фиолетовый свет.

image003

Рисунок 3. Герметичная зона (1 – источник фито-освещения, 2 – белого света (за камерой), 3 – камера, 4 – отверстие подачи CO2, 5 – ручной кран контроля напора водяного насоса, 6 – внутренний кулер системы контроля температуры, 7 – датчики, 8 – механический фильтр сливного отверстия.

Также, в гермозоне расположены датчики температуры и влажности, газов и уровня воды. Все перечисленные датчики используются в системе в двух экземплярах: по одному снаружи и внутри. Это сделано с целью определения разницы в показаниях в герметичной зоне и за ее пределами.

Логическая часть

В данной работе рассматривается вариант управления фермой по локальной сети. Соответственно, ферма, управляющий сервер и клиент должны располагаться в одной локальной сети (рисунок 4).

Практически вся логика на программном уровне комплекса написана на языке Python (за исключением логики, записанной в прошивку Arduino). Для разработки веб-приложения был выбран фреймворк Django. В качестве СУБД используется PostgreSQL. В рассматриваемом примере и веб-приложение, и СУБД развернуты на одном и том же физическом сервере. Для вывода дополнительных дашбордов предусмотрена интеграция комплекса с системой Grafana.

Взаимодействие фермы и сервера происходит посредствам обмена командами. Команда представляет собой числовой код, например 0131 или 1001. Каждый код означает определенное действие, например, включить синий свет или снять показания с датчика температуры. Коды записаны в таблицу на сервере и на Arduino. Сервер посылает команду с кодом на Arduino, а Arduino отвечает данными (с датчиков), либо выполняет команду. Полученные данные с датчиков записываются в базу для дальнейшего создания графиков и ретроспективного мониторинга состояния.

image004

Рисунок 4. Архитектура взаимодействия клиента, сервера и фермы.

Все взаимодействие пользователя с фермой (за исключением замены расходников и сбора и посадки растений) происходит через веб-приложение, которое располагается на сервере. Веб-приложение представляет функционал «ручного управления» и «управления по сценарию». Через интерфейс ручного управления пользователь может самостоятельно включать и выключать элементы фермы. В случае «управления по сценарию» пользователь может задать сценарий, по которому должна действовать ферма. Сценарий может содержать один или несколько этапов, применимых к разным стадиям роста растений. При создании сценария указываются расписания включения освещения, работы насосов, подачи углекислого газа и т. д.

image005

Рисунок 5. Веб-страница создания сценария.

Функционал ручного управления предназначен больше для тестирования функциональности фермы, управление по сценарию – предпочтительный вариант при реальном выращивании. На Рисунке 6 изображена веб-страница создания этапа для сценария выращивания.

Эксперимент

В качестве выращиваемой культуры для проведения эксперимента была выбрана микрозелень брокколи. Питательный раствор был приготовлен на основе трехкомпонентного удобрения Terra Aquatica TriPart® в соотношении, рекомендованным производителем. Итоговый ph раствора – 6,5. Субстрат – минеральная вата. Перед переносом в ферму семена были высажены на пропитанный раствором субстрат и помещены под пресс в затемненное место на 48 часов. По прошествии этого срока подложка из субстрата с семенами была разделена на 2 равные части.

Первая часть подложки с семенами (группа 1) была перемещена в гермозону фермы. Длительность светового дня на протяжении всего срока выращивания была установлена на 16 часов (освещение – фито-свет голубого цвета). На протяжении всего срока выращивания раствор безостановочно аэрировался и циркулировался насосом.

Вторая часть семян (группа 2) выращивалась на подоконнике с ежедневным поливом (тем же раствором, что и в гидропонике, но с дозировками компонентов, рекомендуемыми производителем для выращивания в грунте).

Результаты

На Рисунке 6 представлены результаты экспериментального сравнения двух групп растений. Несмотря на изначальную идентичность групп, через 72 часа после начала эксперимента группа 1 показала значительный отрыв в скорости роста.

image006

Рисунок 6. Результат за 72 часа (группа 1 справа, группа 2 – слева).

Это испытание отчетливо демонстрирует преимущество использования автоматизированной гидропонной системы для выращивания растений в сравнении с более традиционным методом. На протяжении всего эксперимента гидропонная система (группа 1) работала полностью автономно, без необходимости вмешательства со стороны человека. В это время группа 2, требовала регулярного ручного полива, что создавало дополнительные трудозатраты.

Вывод

Несмотря на то, что некоторые из решений, примененных в процессе создания комплекса, оказались неэффективны или излишни (по крайней мере, в рамках проведенного эксперимента), выращивание в ферме оказалось более эффективным и продуктивным в сравнении с традиционным способом. Тем не менее, сложность и затраты на создание фермы многократно превышают сложность и затраты при традиционном выращивании. Прибыль (или экономия) при использовании такого подхода к выращиванию растений вероятнее всего будет заметна либо в очень долгосрочной перспективе, либо в более крупных масштабах.

Список литературы

  1. Vaibhav Palandea, Adam Zaheera and Kiran George. Полностью Автоматизированная Гидропонная Система для Выращивания Растений в Помещении.
  2. Pavan Koge, Nikhil Deshmane, Karan Chhatwani, P.S. Shetgar. Разработка и Мониторинг Гидропоники с Использованием IoT.
  3. Alan Hadinata, Mashoedah, Гидропоника на Основе Интернета Вещей: Литературный Обзор
  4. Anju Nambiar. ИИ в Гидропонике: Будущее Умного Фермерства»
  5. Sumedha Bhatt, Devaj Mody, Rohan Rao, Prof. T. Vijayetha, «Внедрение IoT и машинного обучения в гидропонике.
  6. Konlakorn Wongpatikaseree, Narit Hnoohom and Sumeth Yuenyong. Методы Машинного Обучения для Оценки Свежести Продуктов Гидропоники.

Интересная статья? Поделись ей с другими: