Автоматизированная система управления гидропонной тепличной установкой

Введение:

Современное тепличное хозяйство - очень сложный технологический объект. Основные технологические задачи решаемые на объекте - оптимальное поддержание микроклимата (освещение, полив, поддержание оптимальной температуры) возможно решить только на уровне современных технологий, включая компьютерное управление. Для повышения урожайности теплицы важен минимальный временной режим созревания культур - он может быть достигнут при помощи интенсивных методов выращивания растений.

Рис.1. Основа гидропонной установки

Интенсивные методы выращивания растений включают следующие элементы технологии:

• малообъемный метод выращивания на инертных субстратах (кокос, перлит фракции 1,5-4 мм, пемза, верховой торф с добавками, в том числе перечисленных компонентов, минеральная вата и др.);

• системы капельного полива;

• автоматизированные установки для приготовления и подачи питательных растворов, сбалансированных по концентрации и соотношению макро- и микроэлементов;

• определенные уровни рН и ЕС в растворах и дренажах;

• компьютеризированные программы поддержания микроклимата;

• светокультура для круглогодичного получения продукции;

• углекислотная подкормка растений для повышения урожайности и качества продукции, особенно в осеннее-зимнее-весенний период, то есть в период ограниченной вентиляции теплиц.

Важнейшей технологической задачей в теплице является поддержание уровня необходимой оптимальной по спектру и уровню освещенности.

По спектру всю солнечную энергию можно подразделить на три основные части:

• ультрафиолетовые лучи (10-400 нм);

• видимое излучение (400-760 нм);

• инфракрасное излучение (более 760 нм).

Фотосинтез происходит в видимой области света. По физиологическому действию на растения, определённые участки спектра различаются следующий образом:

• до 280 нм – убивают растение;

• 280-315 нм – губительны для большинства растений;

• 315-400 нм – растение становится короче, а листья толще.

Ультрафиолет длины волны больше, чем 320nm воспринимается растением, как закалка. Устойчивость к понижению температуры (противоположный ИК эффект), также выработке смол, за счет восприятия УФ, как раздражителя и стимулятора гормонального роста растения.

• 400-510 нм – второй максимум поглощения хлорофиллом.

Растению нужно развивать и корневую систему, за что отвечает 430nm (Хлорофилл Б), который также дается растению и в виде 630nm. Растение синий цвет также видит и как точку роста. Именно к синим светодиодам в лампах для растений и тянется растение.

• 510-610 нм – зона спектра ослабленного фотосинтеза;

• 610-700 нм – зона максимального поглощения хлорофиллом и максимальной фотосинтетической активности.

Есть такое понятие, как PPF. PPF анг. Photosynthetic Proton Flux - струя фотонов фотосинтеза. Лампы для растений со светодиодами с длиной волны 650 нанометров содержит самое большое количество фотонов на единицу энергии. Молекулы хлорофилла активизируются фотонами, а не энергией. Фотосинтез достигает своей верхней точки при длине волны с 600 по 700 нанометров, значит при самой большой численности фотонов на единицу энергии. Также 660nm длина волны, которую растение усваивает больше всего и легче всего. 660nm - это пик поглощения хлорофилла А, самого доступного источника энергии для растения.

• 700-1000 нм – до определенной волны этот спектр усиливает обмен веществ в растении. Мало изучен.

Рис.2. Поглощение света хлорофиллом

С современными тепличными хозяйствами появилась и потребность создать автоматизированный комплекс, предназначенный для высокоскоростного и высокоурожайного получения выращиваемой сельскохозяйственной продукции с минимальным участием человека.

Проект реализован как недорогое унифицированное решение управления различными видами тепличного хозяйства - системы капельного полива, гидропоника, аквапоника. Проект позволяет выполнять гибкое управление тепличным хозяйством с помощью настроек. В проекте реализовано удаленное управление и видеонаблюдение за теплицей через интернет. Проект может быть реализован для малых организаций и частных лиц занимающихся агротехнологиями

Примечание:

Гидропо́ника — это способ выращивания растений на искусственных средах без почвы. При выращивании гидропонным методом растение питается корнями не в почве, более или менее обеспеченной минеральными веществами и поливаемой чистой водой, а во влажно-воздушной, сильно аэрируемой водной, или твердой, но пористой, влаго- и воздухоёмкой среде, способствующей дыханию корней, и требующей сравнительно частого (или постоянно-капельного) полива рабочим раствором минеральных солей, приготовленным по потребностям этого растения. В качестве таких заменителей могут использоваться гравий, щебень, а также некоторые пористые материалы — керамзит, вермикулит и др.

Существует несколько разновидностей гидропонных систем. В целом, их можно разделить на две основные группы: «Пассивные» и «Активные». В «Пассивных» системах питательный раствор не подвергается какому-либо механическому воздействию и доставляется к корням за счет капиллярных сил. Такие системы получили название — Фитильные. Все «Активные» системы, так или иначе, требуют циркуляции питательной жидкости, что достигается при помощи насосов. Большинство из них нуждается в параллельной системе аэрации (насыщении кислородом питательного раствора).

Рис.3. Схема гидропонной установки

Существуют сотни модификаций гидропонных систем, но все они — это разновидность (или комбинация) шести основных типов:

• Фитильная система

• Система глубоководных культур

• Система периодического затопления

• Техника питательного слоя (NFT)

• Система капельного полива

• Аэропоника

Актуальность проекта:

• Получение высококачественной сельскохозяйственной продукции при оптимальном методе выращивания;

• Возможность получения чистых сельскохозяйственных продуктов пользующихся спросом;

• Выращивание сельскохозяйственной продукции с минимальными затратами труда, ресурсов и минимизацией энергетических потерь.

Автоматизированная система управления теплицей позволяет получить:

• Экономию воды в больших количествах.

• Уменьшение затрат труда человека.

• Возможность получать обильный и качественный урожай в любое время года.

• Высокую скорость выращивания растений

• Возможность выращивать фрукты, овощи в любых географических зонах.

Проект предназначен:

• Потенциальным организаторам и/или инвесторам тепличного бизнеса по выращиванию агрокультур, а также поставщикам тепличного оборудования, конструкций и расходных материалов для работы теплиц;

• Физическим лицам ведущим личные огородные и подсобные хозяйства.

Преимущества проекта:

• Низкая себестоимость;

• Минимизация участия человека в выращивании продукции;

• Простота настройки;

• Гибкое компьютерное регулирование технических и технологических режимов;

Основная часть:

Рассмотрим проект автоматизированного тепличного хозяйства немного подробнее:

Основные технические и технологические преимущества.

• Минимизация участия человека в выращивании продукции. Выполняется это за счет автоматизированного компьютерного управления всем циклом выращивания продукции. Пользователь перед началом цикла выращивания выбирает виды выращиваемой продукции. В базе данных комплекса находятся данные по поливу, уровню освещенности, термальный режим, режим вентиляции, режим кислотности и подкормки. Автоматическое выращивание выполняется по вегетативным циклам 1 – всход растения, 2- период роста, 3 – период цветения, 4 – период плодоношения

После выбора, из прилагаемой инструкции, вида выращиваемой продукции запускается программа автоматического управления теплицы. По окончании цикла выращивания пользователь автоматически извещается об окончании цикла выращивания (или окончания полного цикла). Пользователь получает извещение по компьютерной сети или по сети GSM при помощи СМС. В случае создания аварийной ситуации в теплице комплекс переходит на систему аварийного выживания продукции. При отключении электрической энергии автоматически включается ИБП (источник бесперебойного питания) в экономном режиме. При падении уровня воды в емкости до критического, автоматически включается заполнение емкости. Если водоснабжение нарушено (нет воды в подающих трубах) то, автоматически включается режим экономного полива. При резком уменьшении внешней температуры включается циклический режим (экономный) нагрева теплицы в соответствии с терморежимом конкретной выращиваемой продукции. Для экономии электроэнергии автоматически подбирается режим вентиляции.

• Гибкое компьютерное регулирование технических и технологических режимов позволяет создавать тепличные комплексы с посадочной площадью от 1 метра квадратного до сотен квадратных метров.

• Для тепличного комплекса формируется облегченная технологическая инструкция, подобная инструкциям пользователя бытовых кухонных устройств. Для выращивания продукции пользователю нет необходимости получать агротехническое образование. Таким образом, класс потребителей формируется начиная от уровня домохозяйки до уровня специалистом агротехнических фирм. Для специалистов агротехнических фирм предусмотрен режим перехода (полного или частичного) на ручное управление устройствами, с помощью нажатия управляющих кнопок. Пользователь может добавлять в базу данных новый вид выращиваемой продукции или новый цикла (особенно это важно, если в теплице выращивается одновременно несколько видов продукции).

• Пользователь может изменять параметры выращивания. Но, некоторые параметры выращивания имеют ограничения специально заложенные в систему –

• а) Невозможно выставить параметры длительности светового дня более 20 часов – этого не бывает даже в приполярье;

• б) Невозможно выставить освещенность более 33000 люкс – растения не выживают при такой освещенности;

• в) Невозможно выставить большой градиент температуры – при контрастных температурах замедляется рост растений;

• г) Невозможно выставить объем полива приводящий к влажности превыщающей 80% - в этом случае повреждаются корни растений.

• В целях технического облегчения сборки конструкции и включения системы все части системы нумеруются и снабжаются разъемами не позволяющими сборку в неправильном состоянии. После старта системы выполняется автоматическое тестирование системы с сообщениям о готовности или о конкретном узле который не функционирует.

• Вся система является модульной и позволяет многократным монтаж-демонтаж.

• Система является энергоэкономной за счет применения энергоэффективных решений. Ночью при отсутствии освещения блок питания автоматически выключаются. То есть отсутствует холостой ход блоков питания. Достигается это за счет того что все блоки питания являются цифровыми микропроцессорными системами. В системе управления экономия электроэнергии достигается за счет применения контроллеров с пониженным энергопотреблением – 5 вольт и 3,3 вольта. В системе используются специализированные фитолампы с минимальной потерей электроэнергии. Излучаемый максимум этих ламп находится в 3 частях спектра (красный, зеленый, синий) а не широкополосный спектр как у обычных ламп.

Для крупных тепличных хозяйств свойственны большие размахи и сдача теплицы под ключ, что несет большие расходы для производителя.

В текущей версии "Системы управления тепличных хозяйством" решены следующие задачи:

• Создан аппаратный блок управления тепличным хозяйством на микроконтроллерах;

• Созданы программы "НУ" - нижнего уровня управления теплицей. Программный комплекс управление теплицей на нижнем уровне выполняет задачи сбора данных от датчиков;

• Создана система релейного управления включением освещения, вентиляции и полива;

• Созданы программы "ВУ" - верхнего уровня управления теплицей. Программа "ВУ" - автоматизированное рабочее место технолога тепличного хозяйства.

• Созданы программы удаленного мониторинга тепличного хозяйства которые предоставляют детальную информацию состояния теплицы по сети и имеют возможность передачи данных через интернет и могут доставлять информацию оператору на мобильный телефон;

• Создана система визуального мониторинга теплицы с помощью веб-камер передающих видео и фото-данные о росте растений в интернет.

Рис.4. Конструкция гидропонной системы

Система автоматизированного управления теплицей, разработанной Ресурсным центром "IT-технологий" представлена ниже:

Рис.5. Общий обзор работы автоматизированой теплицы

Верхний уровень системы автоматизированного комплекса по выращиванию культур представляет собой информационную систему, устанавливаемую на сервере и клиентских устройствах и обеспечивающую обратную связь между обслуживающим персоналом и элементами нижнего уровня автоматизированной системы. Информационная система обеспечивает широкие возможности визуализации и взаимодействия системы АСУ ТП с человеком (диспетчером или оператором). Система построена по клиент-серверной архитектуре.

Рис.6. Программа верхнего уровня

Основные функции серверной части:

• Прием и обработка информации, поступающей с нижнего уровня системы (усредненные данные с датчиков и состояние системы);

• Хранение информации, полученной с нижнего уровня, в базе данных;

• Взаимодействие с клиентским программным обеспечением;

• Слежение за показателями системы в режиме реального времени и оповещение в случае критических событий. Система оповещения сигнализирует о событии путем передачи сообщения о событии на клиентское программное обеспечение, отправки SMS-сообщения, отправки письма на электронную почту обслуживающего персонала;

• Передача команд нижнему уровню (включение\отключение полива, освещения, вентиляции, обогрева);

• Хранение и передача оптимальных значений для каждого из этапов жизненного цикла культуры на нижний уровень для выполнения автоматической корректировки параметров среды (максимальная и минимальная температура, влажность и т.д.);

Клиентская часть может устанавливаться на различные платформы, такие как персональный компьютер, планшет или мобильный телефон и взаимодействует с сервером через локальную сеть или сеть Интернет. Основные функции клиентской части:

• Взаимодействие с серверной частью (запрос данных с сервера, передача команд);

• Визуализация данных;

• Подача звукового сигнала, отображения сообщения на экране клиентского устройства при получении сообщения о критическом событии;

• Экспорт журнала событий в Microsoft Excel или в формат XML для последующей обработки и анализа.

Мониторинг показаний системы осуществляется при помощи принципиальной схемы производственного процесса и набора графиков. На схеме отображены все функциональные элементы системы (датчики, реле, освещение и т.д.) с выводом текущей информации о состоянии этих элементов и соответствующими переключателями для отправки команд на нижний уровень. Набор графиков позволяет отображать на одном экране основные параметры системы за определенный период (час или сутки), на основании значений которых оператор принимает решения по управлению системой.

Рис.7. Аппаратный блок управления

Основными параметрами системы для управления процессом выращивания культуры являются:

• Внутренняя температура теплицы (C°);

• Внешняя температура (C°);

• Влажность воздуха (%);

• Влажность земли (%);

• Содержание CO2 в воздухе (%);

• Освещенность (Люксы - Lx);

• Объем воды, доступной для полива.

Для каждой культуры формируется программа выращивания. Она содержит оптимальные значения параметров системы для каждого из этапов жизненного цикла культуры. Оператору достаточно выбрать соответствующую программу для выращивания определенной культуры и нижней уровень будет автоматически контролировать параметры среды в соответствии с заданными значениями. Но, при необходимости, оператор может изменить эти значения или добавить собственные программы для выращивания различных культур.

Помимо слежения за состоянием системы по данным с датчиков имеется возможность видеонаблюдения за состоянием объекта с функцией сохранения снимков изображения через равные промежутки времени.

Рис.8. Отслеживание различных параметров

Для управления системой используется приложение, написанное с помощью программы Labview 2013 и выполняющее задачу отслеживания параметров внутри тепличного хозяйства, в данном случае гидропонное тепличное хозяйство.

Стоит обратить внимание на вкладки:

Первая вкладка - состояние теплицы,

вторая вкладка – наружная температура в теплице.

Если приложить руку, то видим возрастание температуры в теплице за счет возрастания температуры наружней. При увеличении/уменьшении температуры это автоматически отображается на графике.

С помощью дыхания на датчик можно также увеличить влажность воздуха.

Эти параметры необходимо отслеживать для того, чтобы видеть изменения температуры в сети, в графике (в сети хранятся данные по графикам).

Кроме этого мы нужно учитывать и следующие графики:

• График влажности земли

• Вместо систем капельного полива можно учитывать влажность керамзита внутри гидропонной установки, влажность внутри блоков н-р в той же самой аэропонике.

Следующим важным параметром, отслеживающим все в системе есть датчик, показывающий повышение уровня СО2.

Еще один очень важный параметр - это ОСВЕЩЕННОСТЬ. По значению уровня освещенности можно будет следить за тем, что, предположим, сильно закрыто небо тучами, предгрозовыми облаками и т.д. и освещенность небольшая, поэтому в этом случае при уменьшении освещенности автоматически включается освещение. Имеется способ как вручную включать, так и автоматически.

Другим важным параметром является параметр уровня жидкости (при капельной системе полива и при гидропонной системе).

Внешнюю температуру также можно отследить.

Кроме этого, автоматически отслеживается состояние критической температуры и в связи с полученными данными автоматически будет включена или выключена нагрев или вентиляция.

Стоит заметить, что система работает автоматически, но возможна и ручная настройка (мы можем вручную включать и выключать свет, полив, вентиляцию).

Рис.9. Командная архитектура автоматизированного комплекса по выращиванию культур

Заключение:

Разработанное программно-аппаратное решение "Тепличное хозяйство" может производится серийно и обеспечит потребность индивидуальных предпринимателей в современных тепличных системах.

Рис.10. Действующая модель

Руководитель проекта: Сердюков Геннадий Федорович;

Программисты - Сердюков Антон Геннадьевич, Сердюков Евгений Геннадьевич.

Рис.12. Диплом за проект автоматизированного тепличного хозяйства