В России лишь 20-30% урожайного потенциала семян реализуется в полной мере. На это влияют различные факторы, такие как человеческий фактор, погодные условия, нерегулярный полив и другие аспекты, которые ухудшают качество и скорость роста тепличных плодов. Однако при соблюдении необходимых условий и использовании современных технологий возможно успешное круглогодичное выращивание разнообразных растений, включая те, что обычно встречаются в более благоприятных климатических условиях. Ученые Пермского Политеха разработали компьютерную модель полностью автоматизированной «умной теплицы», которая контролирует уровень влажности, температуры и другие параметры, влияющие на урожайность. Представлена схема полностью оснащенной конструкции, что является новшеством в этой области.
Статья была опубликована в сборнике материалов всероссийской научно-технической конференции «Автоматизированные системы управления и информационные технологии», состоявшейся в 2024 году. Исследование осуществлено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Термин «умная теплица» аналогичен понятию «умный дом» и подразумевает наличие автоматизированной системы управления, в состав которой входят специализированные датчики, исполнительные механизмы и микроконтроллеры. Эти устройства получают сигналы от датчиков, обрабатывают информацию и отправляют команды на исполнительные механизмы. На сегодняшний день некоторые компании уже разрабатывают подобные технологии для теплиц, однако они предлагают лишь отдельные компоненты, а не полностью интегрированные системы, доступные для конечных пользователей.
Исследователи Пермского Политеха разработали систему автоматического управления для «умной теплицы», в которой все датчики интегрированы в конструкцию и взаимодействуют друг с другом. В настоящее время проект находится на стадии моделирования: создан компьютерный макет с формулами в среде MatLab Simulink. Готовый продукт будет представлять собой целостную теплицу с встроенной системой автополива, а также контролем температуры, влажности и других условий, необходимых для выращивания растений без участия человека.
– Наша система функционирует следующим образом: датчики, установленные на стенах теплицы, отслеживают климатические параметры внутри и корректируют их соответствующим образом. В разработанной системе предусмотрены четыре блока: управление температурой, влажностью, поливом и освещенностью. Каждый из этих блоков соединен с устройствами, которые обеспечивают необходимые условия. Например, для контроля температуры мы проводили замеры в стандартной теплице в течение дня, определили оптимальные значения и задали их в программу как базовые. Если температура превышает 30 °C, датчики отправляют сигнал и активируют вентилятор, а при падении ниже 10 °C – включается инфракрасный обогреватель. Система полива позволяет осуществлять орошение растений каждые 6 часов. Управление освещенностью включает активацию ультрафиолетовой лампы, если уровень света опускается ниже 100 000 люкс. Предварительные результаты показывают, что использование такой автоматизированной системы может значительно повысить потенциал семян и увеличить урожайность в 2-5 раз, – делится Каролина Каплина, студентка кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ.
При больших размерах теплицы установка датчиков на каждом участке посадки становится нецелесообразной и экономически невыгодной. В связи с этим политехники предложили упростить процесс, внедрив в систему автоматическую самоходную тележку с роботом-манипулятором. Шасси тележки будет оптимального размера 16 на 24 см и оснащено четырьмя всенаправленными колесами. Робот-манипулятор будет иметь два сустава длиной 11 см и на конце – щуп длиной 10 см. Он предназначен для сбора данных о влажности, температуре и плотности почвы, а в будущем также планируется возможность измерения кислотности.
– При моделировании траектории движения тележки в теплице были учтены размеры, чтобы определить, какие зоны может обойти робот для анализа почвы. Чтобы избежать контакта с растениями во время измерений, его крайняя точка должна находиться на безопасном расстоянии. На текущем этапе мы разработали формулы для расчета координат охватываемой площади. Для этого в компьютерной программе был создан цифровой двойник тележки, расположенной в начале координат, и грядки размером 90 на 90, после чего протестировали механизм ее движения по этому участку. Робот будет перемещаться по специальным QR-кодам. Тележка с манипулятором доходит до точки, сканирует код, содержащий алгоритм дальнейшей траектории, и направляется к следующему месту. Там она анализирует состояние растений по аналогичному принципу, как и датчики на стене. Такой подход упростит систему и снизит потребность в ресурсах для ее обслуживания, – комментирует Олег Гончаровский, доцент кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ.
Исследования ученых Пермского Политеха сосредоточены на разработке интегрированной автоматизированной системы, способной своевременно заботиться о растениях. Это позволит освободить человека от необходимости постоянного мониторинга состояния урожая. Для дальнейших исследований и получения более точных количественных данных на основе смоделированной схемы создается прототип.
По материалам пресс-службы Пермского Политеха.