Автономная система полного цикла поддержки роста и развития растений в тепличных условиях

Вопросы автоматизации выращивания сельскохозяйственной продукции в тепличных условиях актуальны в суровой климатической зоне России. Тепличное производство – это сложный технологический процесс, связанный с выращиванием живого организма. Несмотря на быстрое развитие технологического оборудования, оно до сих пор в большинстве своём является лишь инструментарием для агрономов. Так или иначе, в этих системах важным элементом принятия решений является человек. Автономные системы на сегодняшний день имеют ограниченный функционал и не предоставляют возможности полного цикла выращивания растения.

Ещё одним важным вопросом является быстрое развитие телекоммуникационных сетей, в том числе глобальной сети Интернет, а значит расширение возможностей удалённой работы с системами. Тепличное производство всё больше дистанцируется от постоянного нахождения специалистов на объекте, но, тем не менее, не использует всех доступных технологий удалённой работы.

Целью рассматриваемого проекта является создание автономной системы полного цикла выращивания растений в тепличных условиях. Несмотря на большое количество существующих российских и международных аналогов, все они имеют свои недостатки.

Самой крупной, используемой на территории России системой, которая сочетает в себе большинство технологий по автоматизации тепличных процессов, является система компании «ФИТО». Функционально дистанционный мониторинг этой системы предусматривает три уровня: самодиагностику тепличных процессов, дистанционный мониторинг с ПК, дистанционный мониторинг через DATA-центр «ФИТО». Система включает в себе мониторинг по многим параметрам, таким как: полив (план полива, концентрация и кислотность раствора), микроклимат (температура, влажность, концентрация CO2, свет и т.д.), дренаж. Но при всём инструментарии данной системы, она не является интеллектуальной и не способна самостоятельно принимать решения: все необходимые изменения в работу системы вносит непосредственно агроном.

Следующим по распространению аналогом является автоматизированная теплица проекта «ТермоВент». Данная система предусматривает все необходимые датчики для отслеживания и оценки текущей ситуации, но, тем не менее, большинство инструментария данного проекта настраивается вручную на месте – не используется ни дистанционное управление системой, ни элементы принятия решений.

Немаловажным при рассмотрении аналогов является и ценовая характеристика автоматизированных теплиц. Средняя цена на сегодняшний день теплиц с автоматизированными системами управления начинается от 100 тыс. рублей за 8 квадратных метров (с учётом каркаса, стройматериалов и работ), в то время как себестоимость каркаса теплицы (см. Таблица 1), стройматериалов и работ без системы составляет 13 тыс. рублей за 8 квадратных метров (каркас, поликарбонат, установка).

Таблица 1. Анализ аналогов

В то же время на рынке программно-аппаратных комплексов появляются принципиально новые модели одноплатных компьютеров, позволяющих работать как с датчиками, так и предоставлять удалённый доступ к обрабатываемой информации и управлению аппаратной частью. Но самое главное – составлять на их базе интеллектуальные системы, способные не только к самостоятельному принятию решений, но и к обучению.

Одноплатный компьютер – самодостаточный компьютер, собранный на одной печатной плате, на которой установлены микропроцессор, оперативная память, системы ввода-вывода и другие модули, необходимые для функционирования компьютера. Такая экономия делает всё устройство более компактным, подобные решения хорошо защищены и не требуют установки каких-либо дополнительных периферийных плат. Сегодня среди одноплатных компьютеров первенство держат зарубежные модели, основные модели которых представлены в Таблице 2.

Таблица 2. Модели одноплатных компьютеров

По итогам анализа представленных аналогов, наиболее оптимальной моделью для обозначенных выше задач является Raspberry Pi. Во-первых, он имеет процессор достаточной мощности для обработки получаемых данных с датчиков и выработки сценария работы; во-вторых, он имеет достаточный объём оперативной памяти и накопителя для обработки больших объёмов данных; в-третьих, по сравнению с аналогами, его цена достаточно оптимальна – 2 тыс. рублей на российском рынке.

Среди используемых датчиков выделяются: датчик температуры и влажности типа DHT-11, датчик уровня освещённости SEN-21. Также необходимы аппаратные комплексы полива, удобрения, освещения, поддержки температурного режима, фотосъёмки.

Программная часть управления комплексами и датчиками реализуется на операционной системе Debian Raspberry Pi. Данная операционная система является визуализированной, имеет встроенную поддержку объектно-ориентированного языка Python версии 3.5 и выше. На базе этого языка имеется возможность создания интеллектуальной системы управления и принятия решений. Т.к. Raspberry Pi имеет возможность работы с протоколами Ethernet, реализуема удалённая передача данных через глобальную сеть Интернет как по локальной сети, так и с использование технологий беспроводного доступа.

Данные возможности работы с сетями предоставляют полный функционал для организации полноценного web-сервиса (см. рис. 1).

Рис. 1. Web-сервис

Интеллектуальная система представляет собой экспертную систему для решения двух видов задач: мониторинг и управление. Задача мониторинга решается снятием данных с датчиков и комплекса фотосъёмки – полученные данные обрабатываются и на основе них, по заданным сценариям поведения системы передаются в кластер управления. Задача управления реализуется при помощи комплексов полива, освещения и регулирование температурного режима. Таким образом, система является самодостаточной, то есть не требующей постоянного контроля со стороны специалиста-человека – система является автономной. Исходя из многомерной матрицы заранее заданных ситуаций, основывающихся на множестве параметров, система выбирает наиболее оптимальный комплекс условий для поддержки генеративного типа развития растений.

Предлагаемая экспертная система имеет более расширенный функционал и возможность принятия решений по сравнению с рассмотренными ранее аналогами. В то же время аппаратная часть представлена бюджетным комплексом датчиков и систем управления. Ориентировочная стоимость комплекса составляет 17 тыс. рублей. С каркасом, поликарбонатом и установочными работами исходя из стоимости, высчитанной выше, полный комплекс теплицы на 8 кв. м. составляет 30 тыс. рублей.