Урожайный потенциал семян в России реализуется на 20-30 процентов. Человеческий фактор, погода, несвоевременный полив и многое другое снижают качество и скорость роста тепличных плодов. При соблюдении требуемых условий и применении передовых технологий можно успешно выращивать широкий ассортимент растений круглогодично, включая те, которые обычно произрастают в более подходящих климатических условиях. Ученые Пермского Политеха создали компьютерную модель полностью автоматизированной «умной» теплицы, которая отслеживает уровень влажности, температуры и других показателей, влияющих на урожайность. Предлагается схема полностью оборудованной конструкции, чего ранее никто не делал.
В ПНИПУ разработали модель полностью интегрированной умной теплицы / © Zoe Richardson, Unsplash
Статья опубликована в материалах всероссийской научно-технической конференции «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» 2024 года. Исследование проведено в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Понятие «умная» теплица аналогично «умному» дому подразумевает наличие системы автоматического управления, которое включает в себя специализированные датчики, исполнительные механизмы и микроконтроллеры (на них поступают сигналы с датчиков, анализируется информация и отправляются команды на исполняющий механизм). Сегодня некоторые компании уже производят подобные технологии для теплиц, но они делают только отдельные элементы, а не полную интегрированную систему, доступную для использования конечными потребителями.
Ученые Пермского Политеха предлагают систему автоматического управления «умной» теплицей, где все датчики «вшиты» в конструкцию и работают в связке друг с другом. Разработка находится на этапе моделирования (создан компьютерный макет с формулами в программной среде MatLab Simulink). Готовый продукт будет представлять цельную теплицу с внедренной системой автополива, контроля температуры, влажности и прочих условий для выращивания растений без человеческого участия.
«Принцип работы нашей системы состоит в том, что датчики, расположенные на стенах теплицы, улавливают показатели климата внутри и перестраивают его подходящим образом. В смоделированной системе четыре блока: передаточная функция температуры, влажности, управление поливом и освещенностью. Каждый блок будет связан с устройствами, отвечающими за создание нужных условий. Например, для функции контроля температуры мы измеряли климат в обычной теплице в течение дня, определили оптимальный показатель и внесли его в программу, как базовый.
При превышении допустимого значения (30 °C) датчики передают сигнал и запускают вентилятор, а в случае снижения (менее 10 °C) – инфракрасный обогреватель. Управление поливом позволяет орошать растения каждые 6 часов. Регулирование освещенности включает ультрафиолетовую лампу, если свет падает ниже 100 000 люкс. Предварительно можно сказать, что использование такой автоматической системы позволит повысить потенциал семян и увеличить урожайность в 2-5 раз», – рассказывает Каролина Каплина, студентка кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ.
При больших габаритах теплицы установка датчиков на каждом участке посадки нецелесообразна и неэкономична. Поэтому политехники для упрощения предложили внедрить в систему автоматическую самоходную тележку с роботом-манипулятором. Шасси тележки с оптимальным размером 16 на 24 будет обладать четырьмя всенаправленными колесами. Сам робот-манипулятор будет иметь два сустава по 11 сантиметров, а на конце – щуп в 10 сантиметров. Он предназначен собирать показания почвы на влажность, температуру, плотность грунта, также в будущем рассматривается возможность измерять кислотность.
«При моделировании траектории движения тележки по теплице учитывались эти размеры, так как необходимо было определить, какие зоны может объезжать робот для анализа почвы. Чтобы он не касался растения во время измерений, его дальняя точка должна находиться на безопасном расстоянии. На текущем этапе мы вывели формулы для расчета координат охватываемой им площади. Для этого в компьютерной программе создали цифровой двойник тележки в начале координат и грядки 90 на 90 и протестировали механизм его движения по этому участку.
Робот будет перемещаться по специальным QR-кодам. Тележка с манипулятором доезжает до точки, сканирует код, в котором запрограммирован алгоритм дальнейшей траектории, и едет к следующему месту. Там анализирует состояние растений по тому же принципу, что и датчики на стене. Такой подход упростит систему и снизит количество ресурсов, необходимых для ее обслуживания», – комментирует Олег Гончаровский, доцент кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ.
Работа ученых Пермского Политеха направлена на создание интегрированной автоматической системы, которая будет своевременно ухаживать за растениями. В последующем это избавит человека от необходимости постоянного контроля состояния урожая. Для дальнейших исследований и получения более точных количественных данных на основе смоделированной схемы разрабатывается прототип.
