Сельское хозяйство – инерционная отрасль, в которой новые технологии приживаются долго. Кажется, что автоматизация может увеличить урожайность и повысить производительность труда. Но как это работает на самом деле?
Меня пригласили в биотехнологический комплекс РУП «Институт овощеводства» под Минском, где выращивают салат, базилик, лук, перец, огурцы, голубику и картофель, и где реализовано несколько проектов автоматизации. Моим гидом был Александр из LedFarm.by, отвечавший за светодиодное освещение.
Надеюсь, этот небольшой обзор будет полезен читателям, которые задумываются о своей «умной теплице» или домашней гидропонике.
Сразу оговорюсь: промышленное выращивание растений – многостадийный этап. Но сегодня я расскажу только про площадку для микроклонального размножения. При микроклональном размножении из образцов неполовым путем получаются саженцы, аналогичные исходному. В результате посадочный материал получается генетически однородным и может обладать дополнительной устойчивостью к болезням.
Правильный микроклимат
Чтобы собирать хороший урожай, надо обеспечить правильный микроклимат. В первую очередь, это режим освещения и полива. Дальше идут контроль температуры, влажности и CO₂. Обычно агроном по графику обходит теплицу или стеллажную систему, сверяет показания датчиков с целевыми, управляет вентиляцией, поливом и т.д.
В этом методе есть очевидные проблемы: редкая периодичность обхода вместе с человеческим фактором. Например, если сотрудник забыл выключить полив, это может привести к снижению урожайности или даже полной потере.
Чтобы избежать таких ситуаций, внедряют автоматику: от простого мониторинга с сигнализацией на рабочем месте оператора теплицы до полной автоматизации процессов.
На данной площадке была поставлена задача мониторинга всех важных параметров и автоматизации полива и освещения, так как они существенно влияют на урожайность. За остальными параметрами оператор будет следить удалённо и принимать меры, если значения вышли за рамки допустимых.
Задача не кажется слишком сложной, но при реализации появляются нюансы:
-
От облачных решений отказались сразу: на удалённых объектах обычно плохой интернет, поэтому все показания нужно выводить и хранить локально. Плюс облачный сервис может перестать работать, и оборудование превратится в кучу железа.
-
Хотелось использовать готовое индустриальное решение. Raspberry Pi с набором шилдов и адаптеров тоже мог бы справиться, но надёжность такого решения под вопросом. Плюс он бы странно смотрелся на промышленном объекте..
-
На другой стороне спектра автоматизации находятся ПЛК. Но многие из них до сих пор завязаны на приложения для Windows и собственные среды программирования, а их изучения хотелось избежать.
В итоге всё-таки выбрали ПЛК, но с Linux и веб-интерфейсом – контроллер Wiren Board 6.
Автоматизация освещения
Контроллер выбран, что дальше? Первым шагом была автоматизация освещения.
В освещении стеллажных систем и теплиц есть разница. В теплицы солнечный свет проникает, поэтому днем имеет смысл учитывать естественную освещенность, чтобы снижать яркость ламп и энергопотребление. Но конкретно эта система планировалась как стеллажная. Она будет полностью закрыты от солнечного света, поэтому здесь достаточно простых сценариев включения ламп по расписанию.
После консультации с агрономом был выбран сценарий, соответствующий естественному солнечному циклу:
-
рассвет — светильник включается и выходит на заданную мощность,.
-
день — поддержка рабочего уровня облученности,.
-
закат — яркость светильника снижается до полного затухания,.
-
ночь — свет выключен..
Но длительность этапов и требуемая мощность отличаются для разных культур.
Освещение – профиль Александра. Он установил светильники LED FARM 80 с высокой эффективностью спектра освещения и хорошим светораспределением по всей области стандартной стеллажной системы.
Сценарий солнечного освещения планировали реализовать на Home Assistant или OpenHAB. Но в итоге с помощью техподдержки Wiren Board всё написали на встроенном JavaScript-подобном движке правил. После этого начали тесты на стеллажных системах.
Выбранные светильники управляются через вход 0-10 В. Для управления ими сначала выбрали модуль, который не мог увести напряжение точно в 0, и минимальная светимость оставалась. Но потом мы выбрали модуль WB-MAO4 с ШИМ, и проблема полного отключения исчезла.
После этого была ещё одна проблема. Сначала систему тестировали в теплице, куда поступал и естественный свет. Использовался универсальный датчик освещения, влажности и CO₂, освещенность с которого поступала в нашу модель, и при определённых условиях запускала цикл досветки. Когда мы перенесли систему в закрытое помещение, естественный рассвет не наступал, и включения светильников не происходило. В итоге, пришлось дорабатывать модель.
В итоге для стеллажных систем было принято решение отвязаться от датчика освещенности. Но сам датчик теперь используется для контроля: по нему следят за облученности и СО₂, выводят эти показатели на экран агронома, а также заносят в память контроллера. Оттуда их можно посмотреть в виде графика или скачать журнал на компьютер.
Кстати, интересный нюанс. Чем больше растение, тем больше ему надо света. Если маленькие саженцы посадить на и итоговые места, много света будет уходить мимо растений. Поэтому для повышения эффективности агрономы делят систему на участки с разной плотностью растений. И по мере роста пересаживают растения, увеличивая расстояние между ними.
Автоматизация полива
Следующий этап – автоматизация полива. Полив должен осуществляться не только днём, но и ночью по установленному времени, которое определяет агроном. В среднем оптимальный режим для растений – 10-15 поливов в сутки, то есть раз в несколько часов длительностью несколько минут. Время полива может меняться в зависимости от влажности и насыщенности почвы.
Сделать полив по расписанию просто. Достаточно в нужное время замыкать контакт модуля реле, который включает насос. И через заданное время полива размыкать.
Следующая итерация – мониторинг влажности почвы и полив при определённых параметрах. Были закуплены китайские датчики почвы с определением содержания солей (на внутреннем рынке таких датчиков нет). Но пришло немного не то, что заказывали: вместо датчиков с выходом RS-485 пришли устройства с выходом 0-10 В.
Мы смогли подключить их через адаптер. Но когда начали сравнивать их показания с контрольным прибором Grodan, оказалось, что датчики давали сильную погрешность. В итоге их не получилось откалибровать, и мы решили отказаться от привязки полива к ним из-за низкого качества измерений.
Сказался и ещё один фактор. При использовании проточной гидропоники агроному требуется периодически менять питательный раствор, а для этого нужно снимать крышку лотка вместе со всеми растениями. А датчик непросто заметить среди растений, и несколько раз про него просто забывали.
В итоге агроном на одном цикле промерял влажность почвы с помощью Grodan, и зафиксировал сценарий полива. Условно в программе есть 25 ячеек, в которых можно задать время начала полива и продолжительность. Этого оказалось более чем достаточно для всех сценариев.
Заключение
В это примере получилось достаточно быстро реализовать базовую автоматизацию: освещение и полив, плюс отправку других параметров на панель оператора. Этого достаточно для небольших стеллажных систем. Плюс это недорого: цена оборудования для автоматизации составляет всего 5% от цены базового оснащения стеллажей.
Но эту же систему можно применять и в больших теплицах. Там её функционал можно расширить. Например, если установлены системы подачи углекислого газа, показания с датчика СО₂ можно использовать, чтобы поддерживать оптимальную концентрацию. А если подключить контроллер к системам отопления, кондиционирования и вентиляции, можно более тонко регулировать микроклимат.
