Во всем мире растет интерес к интеллектуальным исследованиям и разработкам в области фабрик со светокультурой, которые, как ожидается, будут играть важную роль в городском сельском хозяйстве в ближайшие десятилетия. Также ожидается, что они будут способствовать решению трилеммы питания, окружающей среды и природных ресурсов с увеличением городского населения, уменьшением сельского населения и площади пахотных земель [1, с. 27-28]. Взамен существующих в недавнем прошлом технологий [2-4] разрабатываются и совершенствуются тактики оптимизации по критериям эффективности альтернативной сельскохозяйственной среды, позволяющей выращивать продовольственные культуры в контролируемых условиях [5, с. 3-5].
До недавнего времени большинство источников излучения для светокультуры были представлены разрядными лампами низкого давления и разрядными лампами высокого давления. С развитием технологии светодиодного облучения акцент поменялся в сторону управления интенсивностью и качеством излучения для повышения продуктивности биомассы и повышения концентрации биоактивных вторичных метаболитов в листовых культурах и овощах в светокультуре. Однако не существует единого светового решения, подходящего для всех сценариев. Оптимальное излучение в окружающей среде варьируется в зависимости от вида и даже сорта, стадии роста растений, конкретных вторичных метаболитов, и других условий окружающей среды, таких как температура, питательные вещества и концентрация СО2. Дальнейший прогресс в области облучения и полупроводниковых технологий – светодиодные источники с возможностью настройки как по интенсивности света, так и по качеству, доступные для исследователей и коммерческих фабрик для выращивания со светокультурой [6].
Важным инструментом для выращивания растений в закрытых помещениях, таких как фабрики со светокультурой, являются гидропонные системы. Среди различных гидропонных систем, пригодных для выращивания растений в закрытых пространствах, наибольшее коммерческое распространение получили системы активной гидропоники, в частности технология периодического затопления (Ebb&Flow) [7, с. 40], метод питательного слоя (NFT) [7, с. 45], системы капельного орошения (Drip systems) [7, с. 48] и системы аэро-гидропоники (AHS) [7, с. 51-56]. Для фитотрона оптимальным вариантом является технология Ebb&Flow, однако эффективность ее применения будет определяться правильно подобранным циклом орошения и рациональным расположением отдельных элементов и частей.
Цель исследования – разработать рациональную автоматизированную систему управления технологическими процессами в фитотроне со светокультурой и гидропонной технологией периодического затопления.
Материал и методы исследования
Объектом разработки автоматизированной системы управления технологическими процессами был принят фитотрон, схема которого изображена на рисунке 1, предназначенный для исследования влияния различных спектров и интенсивности излучения на рост, развитие и урожайность растений.
Фитотрон работает следующим образом. При включении с щита управления 20 подается питание на облучатель с солнечным спектром 9, облучатель с биколорным спектром 10 и облучатель с регулируемым спектром 11, характеристики которого регулируются в процессе работы.
Рис. 1. Фитотрон со светокультурой и гидропонной технологией периодического затопления: 1 – каркас; 2 – рабочие камеры; 3 – стеллаж для лотков с субстратом; 4 – поддон для слива питательного раствора; 5 – растения в горшках; 6 – воздуховод; 7 – подающий трубопровод; 8 – поливочный шланг с перфорацией; 9 – облучатель с солнечным спектром, 10 – облучатель с биколорным спектром; 11 – облучатель с регулируемым спектром; 12 – емкость для питательного раствора; 13 – сливной трубопровод; 14 – доливочный трубопровод; 15 – электромагнитный клапан; 16 – погружной насос; 17 – подвижный поплавковый датчик уровня; 18 – неподвижный датчик доливки воды; 19 –съемная крышка; 20 – щит управления
Энергия в виде потока фотосинтетически активной радиации (ФАР) поступает к растениям в горшках 5. В этот же период в рабочие камеры 2 по воздуховоду 6 осуществляется приток воздуха. Происходит процесс фотосинтеза. Одновременно с этим по программе, настроенной в щите управления 20 на определенный цикл работы и паузы, включается в работу погружной насос 16, при этом подвижный поплавковый датчик уровня 17 находится в верхнем положении h2, и питательный раствор из емкости 12 поступает по подающему трубопроводу 7, расположенному внутри сливного трубопровода 13, через поливочный шланг с перфорацией 8 к растениям в горшках 5. Происходит полив. После этого подвижный поплавковый датчик уровня 17 достигает нижнего уровня h1 и подает сигнал на отключение погружного насоса 16. Далее питательный раствор самотеком сливается через стеллаж для лотков с субстратом 3 в поддон для слива питательного раствора 4, насыщая корни растений питательными веществами и кислородом. Затем по сливному трубопроводу 13 питательный раствор сливается в емкость для питательного раствора 12, наполняя ее до верхнего уровня h2, фиксируемого неподвижным датчиком доливки воды 18 и подвижным поплавковым датчиком уровня 17.
За определенный период времени часть питательного раствора усваивается растениями в горшках 5 и испаряется, снижаясь ниже верхнего уровня h2, что приводит к срабатыванию неподвижного датчика доливки воды 18, подающего сигнал на открытие электромагнитного клапана 15, и вода из доливочного трубопровода 14 дополняет емкость для питательного раствора 12 до верхнего уровня h2, после чего доливка воды прекращается. Весь цикл работы оборудования контролируется и регулируется с щита управления 20.
Для ускорения проведения научно-исследовательских работ во всех рабочих камерах для выращивания растений вегетационной установки поддерживают одинаковые параметры микроклимата и режим полива растений, но разные режимы облучения (например, спектральный состав, продолжительность и интенсивность облучения).
Результаты исследования и их обсуждение
Конструктивные элементы фитотрона со светокультурой и гидропонной технологией периодического затопления, изготовленного по представленному выше описанию, представлены на рисунке 2.
Фитотрон содержит три рабочие камеры размерами 800×800×1200 мм, разделенные непрозрачными перегородками (рис. 2а). В каждой камере установлены светодиодные облучатели соизмеримой мощности, порядка 100 Вт при обеспечении облученности PPFD=150±10% мкмоль/(м2·с). В двух камерах облучатели имеют постоянный спектр (в одной – облучатель с солнечным спектром, в другой – облучатель с биколорным спектром) и работают по режиму: 16 часов – день, 8 часов – ночь. В третьей камере установлен облучатель с переменным спектром по трем каналам управления для трех групп светодиодов: красных (к), белых (б), синих (с). Он должен работать по сценарию: 0 (к)-60 (б)-80 (с) – «рассвет», продолжительность 2 часа; 80 (к)-0 (б)-50 (с) – «день», 13 часов; 140 (к)-0 (б)-0 (с) – «закат», продолжительность 1 час. Режимы и сценарий могут меняться в зависимости от выращиваемой культуры и требований технологического процесса.
Рис. 2. Конструктивные элементы фитотрона со светокультурой и гидропонной технологией периодического затопления: а) рабочие камеры со стеллажами для лотков с субстратом, поддонами для слива питательного раствора, растениями в горшках и воздуховодами; б) емкость для питательного раствора с системой доливки воды и системой регулирования подачи питательного раствора; в) щит управления
Рис. 3. Алгоритм функций, выполняемых микроконтроллером управления
Каждая рабочая камера содержит поддон для слива питательного раствора по 65 литров каждый, сверху которого установлен стеллаж для лотков с субстратом на 45 литров. В качестве субстрата применяется пеностекло крупной фракции, которое сверху засыпается цеолитом для фиксации растений, подлежащих исследованию. Те, в свою очередь, помещаются в торфяной субстрат в рассадных горшках, в количестве, соответствующем норме высева для каждой культуры. Для подачи питательного раствора применяется погружной дренажный насос LEO XKS-1000 SW, установленный в емкость для питательного раствора объемом 95 литров (рис. 2б). В системе доливки воды на доливочном трубопроводе установлен электромагнитный клапан SMART SP61353, в емкость для питательного раствора – датчик доливки воды S5-А250. Автоматизированное управление осуществляется через щит управления (рис. 2в).
Функциональные возможности, которые должна обеспечивать система автоматизации: контроль и регулирование продолжительности светового дня для трех облучателей, регулирование спектра трехканального облучателя, регулирование периодичности полива, регулирование уровня питательного раствора в емкости для питательного раствора, отображение статуса через дисплей. Для настройки данных функций был составлен алгоритм управления микроконтроллером, представленный на рисунке 3.
Интерфейс для дисплея управления был разработан в программе Nox App Player – эмуляторе для Windows и импортирован в цифровое устройство с операционной системой Android 10 с установленным приложением KaScada (рис. 4а). На рисунке видны три рабочие камеры фитотрона с возможностью визуализации происходящих в них процессов. Путем нажатия в определенную область экрана (изображенную соответствующим элементом системы) можно управлять включением и выключением облучателей в каждой рабочей камере, электромагнитным клапаном, погружным насосом.
Для первого экрана в программе SketchUp была разработана 3D-модель фитотрона, обработанная через VR-рендеринг. Далее в графическом редакторе Adobe Photoshop каждый элемент был разобран на слои, после чего слои были собраны в приложении KaScada, и на каждый слой была назначена либо «Индикация», либо «Кнопка» с возможностью скрывать кнопки при работе. Также для обмена данными по Modbus RTU были установлены три шлюза: два на отправку и один на прием данных.
На втором экране (рис. 4б), предназначенном для управления системой полива, предусмотрен режим настройки для записи параметров в энергонезависимую память и имеется функция установки и отображения текущего времени. Функция «Настройка полива» включает в себя ручное включение и выключение насоса, а также автоматическое включение насоса по таймеру с установкой длительности/паузы полива, мин. Функция «Настройка авто уровня воды» включает в себя управление электромагнитным клапаном для подачи чистой воды в ручном режиме и по датчику уровня в автоматическом режиме.
На третьем экране (рис. 4в), предназначенном для управления работой облучателей в рабочих камерах, отображается информация в виде функции «Фитотрон 1,2,3». Предусмотрена настройка «Начало дня», «Начало ночи». Для каждого облучателя можно выставить определенный временной интервал работы. Кроме того, для облучателя в третьей рабочей камере предусмотрена регулировка спектра излучения по трем каналам: красный (R), синий (B), белый (W).
Рис. 4. Интерфейс управляющего устройства: а) модель фитотрона; б) экран для управления системой полива; в) экран для управления работой облучателей в рабочих камерах
Рис. 5. Схема автоматизации фитотрона со светокультурой и гидропонной технологией периодического затопления
Результатом исследований явилась схема автоматизации фитотрона со светокультурой и гидропонной технологией периодического затопления, изображенная на рисунке 5. Схема реализована на базе платформы Arduino Nano с 8-битным микроконтроллером ATmega328P с тактовой частотой 16 МГц. Микроконтроллер предоставляет 32 Кб Flash-памяти для хранения прошивки, 2 Кб оперативной памяти SRAM и 1 Кб энергонезависимой памяти EEPROM для хранения данных.
В качестве моста использовали модуль ESP-01 с преобразователем уровней. Управление контроллером осуществляется через беспроводной Wi-Fi-модуль посредством HMI (человеко-машинный интерфейс) на платформе Android с приложением KaScada через протокол Wi-Fi Modbus TCP. Для управления облучателем с регулируемым спектром применен конвертер сигнала ШИМ из 0…5 В в 0…10 В. Для учета хронометрических данных установлены часы реального времени (RTC). В состав схемы входит блок коммутации с пятью реле для управления, три из которых предназначены для управления облучателями, одно реле – для коммутации насоса, одно реле – для управления электромагнитным клапаном.
Заключение
Разработана оригинальная технологическая схема фитотрона со светокультурой и гидропонной технологией периодического затопления, в которой путем конструктивных решений уменьшаются габаритные размеры и повышается эффективность работы гидропонного оборудования.
Составлен алгоритм функций, выполняемых микроконтроллером управления и реализуемых через приложения FLprog и KaScada с помощью цифрового устройства с операционной системой Android 10.
Предложенная автоматизированная система управления технологическими процессами в фитотроне со светокультурой и гидропонной технологией периодического затопления позволяет решать задачи по настройке, регулировке и фиксации режимов работы оборудования с применением современных цифровых технологий. Система проста по конструкции, надежна в эксплуатации, легка в применении и может быть рекомендована к реализации в сельском хозяйстве, при управляемом культивировании растений в искусственных контролируемых и регулируемых условиях среды.
Библиографическая ссылка
Трепуз С.В., Долгих П.П., Барсуков В.А. СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ФИТОТРОНОМ СО СВЕТОКУЛЬТУРОЙ И ГИДРОПОННОЙ ТЕХНОЛОГИЕЙ // Современные наукоемкие технологии. – 2022. – № 2. – С. 143-149;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=39049 (дата обращения: 20.04.2024).