Автоматизация управления процессами выращивания культур в тепличных комплексах вертикального типа

Введение: Современные методы и средства автоматизации технологических процессов в сельском хозяйстве и, в частности, в тепличных комплексах, являются предметом исследования многих научных коллективов, но многие решения носят частичный характер, т.е. обычно охватывают отдельные технологические параметры, либо позволяют осуществлять сбор данных о технологическом процессе (выполнять мониторинг), но не управлять процессами производства. Нередко решения рассчитаны в значительной мере на использование в ручном режиме или не предусматривают адаптивное управление параметрами теплицы. Такие решения не в полной мере удовлетворяют требованиям практики. Таким образом, необходимо повысить уровень автоматизации технологических процессов в вертикальных фермах за счет разработки методов, моделей и архитектуры адаптивного управления этими процессами.

Цель: Представить трехуровневую модульную архитектуру АСУ ТП современного тепличного комплекса, использующую в качестве интерфейса CAN-шину и характеризующуюся масштабируемостью, модульностью и возможностью охвата всех технологических процессов автоматического выращивания культур в теплицах.

Материалы и методы: В качестве объекта автоматизации рассмотрена теплица для вертикального выращивания микрозелени по технологии аэропоники низкого давления, оборудованная рядом инженерных систем. На основе исходных материалов и требований к такой системе разрабатывается трёхуровневая архитектура автоматизации. Оценивается реализуемость технологических процессов с использованием предложенных проектных и технических решений. В данной работе для этого используется критерий максимально допустимого времени реализации технологического процесса.

Результаты: Нижний уровень содержит датчики и исполнительные механизмы. Средний уровень содержит модули ввода и вывода, сбора данных, блоки управления. Верхний уровень представляет собой SCADA систему, персональный компьютер, на котором развернут сервер, принимающий и агрегирующий информацию от модулей логики и сбора данных и предоставляющий пользователю графический интерфейс для управления процессами. Моделирование показывает способность системы на основе такой архитектуры соответствовать временным критериям, установленным для технологических процессов и взаимодействия с пользователями.

Выводы: Дальнейшая работа заключается в разработке спецификации на описываемые модули, формулировании требований к ним, выполнении проектирования, разработки, изготовления и испытаний. 

1. Гиш, Р. А., & Карпенко, Е. Н. (2016). Модернизация и совершенствование управления параметрами микроклимата — основа теплиц V поколения. Научный журнал Кубанского государственного аграрного университета, (9), Статья 129, http://dx.doi.org/10.21515/1990–4665- 123–129

2. Левоневский, Д. К., Рябинов, А. В., Жукова, Н. А., & Ковалевский, В. Э. (2023).Автоматизация выращивания агрокультур в стационарном компактном тепличном комплексе с контролируемым микроклиматом на базе гидропонной системы. Моделирование, оптимизация и информационные технологии, 11(1), Статья 029. https:// doi.org/10.26102/2310–6018/2023.40.1.029

3. Шишов, О. (2021). Современные средства АСУТП. М.: ИнфраИнженерия.

4. Akkaş M. A., & Sokullu R. (2017). An IoT-based greenhouse monitoring system with Micaz motes. Procedia Computer Science, 113, 603–608. https://doi.org/10.1016/j. procs.2017.08.300

5. Aytekin, S. A., & Levent, M. L. (2016). Greenhouse Automation using Wireless System.International journal of engineering and computing, 6, Article 2247850.

6. Chen, X., Jiang, Z., Yang, J., Ren, J., Rao, Y., & Zhang, W. (2023). Data-driven decision support scheme for multiarea light environment control in greenhouse. Computers and Electronics in Agriculture, 211, Article 108033, https:// doi.org/10.1016/j.compag.2023.108033

7. Cosman, S. I., Bilatiu, C. A., & Marţiş, C. S. (2019a). Development of an Automated System to Monitor and Control a Greenhouse. In 2019 15th International Conference on Engineering of Modern Electric Systems (EMES) (Article 18922639). Oradea, Romania. https://doi.org/10.1109/ EMES.2019.8795186

8. Cosman, S. I., Bilatiu, C. A., & Marţiş, C. S. (2019b). Development of an Automated System to Monitor and Control a Greenhouse. In 2019 15th International Conference on Engineering of Modern Electric Systems (EMES) (Article 18922639). IEEE. https://doi.org/10.1109/ EMES.2019.8795186

9. Diaz, P., & Carrera, R. (2019). IoT components for floriculture automation. In 2019 IEEE CHILEAN Conference on Electrical, Electronics Engineering, Information and Communication Technologies (CHILECON), 1–5. https://doi.org/10.1109/ CHILECON47746.2019.8988049

10. Gonzalez Perez, I., & Calderon Godoy, A. J. (2009). Greenhouse automationwithprogrammable controller and decentralized peripheryvia fieldbus. In2009 IEEEInternational Conference on Mechatronics (Article 19353704). IEEE https://dx.doi. org/10.1109/ICMECH.2009.4957160

11. Harivardhagini, S. (2017). LabVIEW based greenhouse automation. CVR Journal of Science and Technology, 13, 79–82.

12. Kachanova, O., & Levonevskiy, D. (2021). Cloud-based architecture and algorithms for monitoring and control of an automated greenhouse complex. In CoMeSySo 2021: Data Science and IntelligentSystems, LectureNotes inNetworks and Systems book series (LNNS) (vol. 231, pp. 910–921). https:// doi.org/10.1007/978–3-030–90321-3_76

13. Ko, C. C., & Mon. S. S. (2014). Microcontrollerbased greenhouse automatic control system. International Journal of Science, Engineering and TechnologyResearch, 3(5), 865–870.

14. Li, H., Guo, Y., Zhao, H., Wang, Y., & Chow, D. (2021). Towards automated greenhouse: A state of the art review on greenhouse monitoring methods and technologies based on internet of things. Computers and Electronics in Agriculture, 191, Article 106558. https://doi.org/10.1016/j. compag.2021.106558

15. Maraveas, C., Piromalis, D., Arvanitis, K. G., Bartzanas, T., & Loukatos, D. (2022). Applications of IoT for optimized greenhouse environment and resources management. Computers andElectronics in Agriculture, 198, Article 106993. https://doi.org/10.1016/j.compag.2022.106993

16. Nicolosi, G., Volpe, R., & Messineo, A. (2017). An innovative adaptive control system to regulate microclimatic conditions in a greenhouse. Energies 10(5), Article 722. https://doi.org/10.3390/en10050722

17. Raj, J. S., & Ananthi, J. V. (2019). Automation using IoT in greenhouse environment. Journal ofInformation Technology, 1, 38–47. https://doi.org/10.36548/jitdw.2019.1.005

18. Sadek, N., Kamal, N., & Shehata, D. (In Press). Internet of Things based smart automated indoor hydroponics and aeroponics greenhouse in Egypt. Ain Shams Engineering Journal, 102341. https://doi.org/10.1016/j.asej.2023.102341

19. Saha, T., Jewel, M. K. H., Mostakim, M. N., Bhuiyan, N. H., Ali, M. S., Rahman, M. K., Ghosh, H. K., Khalid Hossain, M. (2017). Construction and Development of an Automated Greenhouse System Using Arduino Uno. International Journal of Information Engineering and Electronic Business, 9(3), 1–8. https://doi.org/10.5815/ijieeb.2017.03.01

20. Schwab, K. (2017). The Fourth Industrial Revolution. Currency. Shah. N. P., & Bhatt. P. (2017): Greenhouse automation and monitoring system design and implementation. International Journal of Advanced Research in Computer Science, 8(9), 468–471. https://doi.org/10.26483/ijarcs. v8i9.4981

21. Sivagami, A., Hareeshvare, U., Maheshwar, S., & Venkatachalapathy, V. S. K. (2018). Automated irrigation system for greenhouse monitoring. Journal of The Institution of Engineers, 99(2), 183–191. https://dx.doi.org/10.1007/ S40030–018-0264–0

22. Tangarife, H. I., & Díaz, A. E. (2017). Robotic applications in the automation of agricultural production under greenhouse: A review. In 2017 IEEE3rd Colombian Conference on Automatic Control (CCAC) (Article 17559075). IEEE. https://doi. org/10.1109/CCAC.2017.8276478

23. Ullah, M. W., Mortuza, M. G., Humayun Kabir, M., & Ahmed, Z. U. (2018). Internet of things based smart greenhouse: Remote monitoring and automatic control. In DEStech transactions on environment, energy and earth sciences. (Article 27803). IEEE. https://dx.doi.org/10.12783/dteees/ iceee2018/27803

24. Weldeslasie, D. T., Assres, G., Gronli, T.-M., & Ghinea, G. (2021). Automated Climate Monitoring System: the Case of Greenhouse Industries in Ethiopia.Internet of Things, 15, Article 100426. https://doi.org/10.1016/j.iot.2021.100426

25. Zhang, G., Zhang, L., Li, X., Gong, Z., & Dong, Y. (2023). An adaptive control method for the covers on the south roof of Chinese solar greenhouses: A case study of insulation blankets. Computers andElectronicsin Agriculture, 209,Article 107861. https://doi.org/10.1016/j.compag.2023.107861