Обоснование применения цифровой автоматизированной системы с элементами искусственного интеллекта в многофункциональной круглогодичной теплице

Введение.

Суровые дискомфортные природные условия Севера России вызывают у живущего населения отрицательные сдвиги в функциональном состоянии организма в целом, что сказывается на здоровье и работоспособности людей [2, 8, 16]. Зимой солнца становится меньше и наблюдается дефицит витамина D, а также витаминов групп В и Е. витамина D очень важен для здоровья костей, иммунной, сердечно-сосудистой, репродуктивной систем. Поэтому на севере используются круглогодичные теплицы, в которых выгоднее всего выращивать укроп, петрушку, базилик, так как они имеют стабильный рынок сбыта. Кинза, шпин ат являются популярными для ресторанов и магазинов.

Для нормального функционирования организма человека в северных условиях необходимо в пищу включать любую зелень, т.к. она содержит витамины А, В, С, К, РР, D, E, кальций, калий, железо, фосфор, йод. Хлорофилл - растительный пигмент блокирует канцерогены (вредные факторы окружающей среды), а также восстанавливает уровень природного антиоксиданта - коэнзима Q10. Употребление зелени положительно влияет на работу нервной системы, помогает успокоиться и снять хроническое напряжение, но и поднимает настроение [11, 12].

В условиях Севера большинство культур не могут выращиваться в открытом грунте. Поэтому зеленые культуры выращиваются в круглогодичных многофункциональных теплицах, в которых возможно выращивание различных культур, в том числе цветов, зелени, овощей и фруктов [3, 4, 20]. В таких теплицах необходимо применять цифровые автоматизированные системы с элементами искусственного интеллекта для реализации комфортных условий внешний среды индивидуально для выращиваемой культуры [1, 15, 17, 21]. Все это обосновывает использование IT – технологий в защищённым грунте [5, 6, 9]. В нашем случае под искусственным интеллектом мы понимаем комплекс технических и технологических решений, позволяющий имитировать когнитивные функции человека (включая самообучение и поиск решений) в вопросах сельского хозяйства и получать при выполнении конкретных задач сельского хозяйства результаты, сопоставимые, как минимум, с результатами интеллектуальной деятельности человека. Главным элементом цифровой автоматизированной системы с элементами искусственного интеллекта является микроконтроллер [13, 18, 19] с использованием платформы Arduino, которая предоставляет доступные и простые в использовании инструменты для автоматизации и мониторинга различных аграрных процессов: мониторинг окружающей среды, автоматизация полива, управление микроклиматом в теплице [7, 10, 14].

Целью работы является обоснование применения цифровой автоматизированной системы с элементами искусственного интеллекта в многофункциональной круглогодичной теплице.

Материалы и методы исследования.

Применение цифровой автоматизированной системы с элементами искусственного интеллекта в многофункциональной теплице позволяет обеспечить население северных регионов высококачественным и доступным продовольствием; снабдить пищевую промышленность этих регионов достаточным объемом необходимого сырья; сохранить привлекательность северных территорий нашей страны для жизни людей; создать рабочие места, а для лиц, занятых предпринимательством, возможность получения дохода.

Преимуществом цифровой автоматизированной системы в многофункциональной теплицы с элементами искусственного интеллекта является возможность точного контроля и регулирования параметров окружающей среды в теплице за счет автоматизации полива, вентилирования, облучения / освещения и т.д. Использование искусственного интеллекта позволяет проводить в режиме реального времени анализ параметров внешней среды и принимать решения на основе полученных данных.

К недостаткам цифровой автоматизированной системы относится высокая стоимость материалов, а главным недостатком является риск отключения электричества.

На рис. 1, 2, 3 приведены структурные схемы автоматического обогрева почвы, автоматического полива почвы и автопроветривания с применением в многофункциональной теплице цифровой автоматизированной системы с элементами искусственного интеллекта.

Рисунок 3- Структурная схема автоматического обогрева почвы цифровой автоматической системы

Рисунок 4 - Структурная схема автоматического полива почвы цифровой автоматической системы

Рисунок 5 - Структурная схема автопроветривания многофункциональной теплицы цифровой автоматической системы с элементами искусственного интеллекта

Архитектура построения цифровой автоматизированной системы многофункциональной теплицы с элементами искусственного интеллекта состоит из следующих функциональных блоков: 1) первый - блок сбора данных; 2) второй - блок обработки данных; 3) третий - блок управления системой; 4) четвертый - блок коммуникации; 5) пятый - блок управления энергопотреблением; 6) шестой - блок мониторинга и управления растениями.

Результаты и обсуждение.

Анализ специальной литературы показал, что применение цифровой автоматизированной системы с элементами искусственного интеллекта позволяет реализовать следующие комфортные условия внешний среды при выращивании салатного лука, петрушки, укропа, салата в многофункциональной теплице: температура воздуха +15°С, влажность воздуха 65% и фотопериод 15 час. Все это позволило получить урожай петрушки через 2 недели, а салатного лука, укропа, салата через 3 недели [2].

Выводы.

Предварительная технико-экономическая оценка эффективности применения цифровой автоматизированной системы с элементами искусственного интеллекта в многофункциональной круглогодичной теплице показала, что экономический эффект составил около 800 тыс. руб. при сроке окупаемости примерно около 2 лет. Экономический эффект получен за счет возможности оперативного выбора искусственным интеллектом наилучших условий среды для конкретной выращиваемой культуры; благодаря своевременным сигналам о неисправности и быстрому реагированию системы, позволяющему в ближайшие сроки исправить неисправность. При этом одновременно происходит повышение престижа района, в котором применяются современные технологии, что, несомненно, привлекает инвесторов. Все это обосновывает применение цифровой автоматизированной системы с элементами искусственного интеллекта в многофункциональной круглогодичной теплице.