Научный аспект	№12 2023	том 2

УДК 681.5

Автоматизация системы полива и проветривания для сельскохозяйственных культур

Шайдулин Роман Фаритович

кандидат экономических наук, доцент Кафедры информационных систем и телекоммуникаций Пермского государственного аграрно-технологического

университета имени академика Д. Н. Прянишникова

Мелехин Максим Игоревич

начальник Управления информатизации Пермского государственного аграрно-технологического университета имени академика Д. Н. Прянишникова

Иванова Вера Алексеевна

начальник Отдела информационных технологий и телекоммуникаций Пермского государственного аграрно-технологического университета имени академика Д. Н. Прянишникова

Ворона Сергей Александрович

ведущий системный инженер Пермского государственного аграрно-технологического университета имени академика Д. Н. Прянишникова

Томилов Данил Владимирович

ведущий системный инженер Пермского государственного аграрно-технологического университета имени академика Д. Н. Прянишникова

Аннотация: В статье выделены основные недостатки организации ручного полива и проветривания для сельскохозяйственных культур в защищенном грунте и предложено решение для автоматизации этих процессов в тепличном комплексе Пермского ГАТУ. Представлена схема, подобрано оборудование для решения задачи.

Abstract: The main disadvantages of organizing manual watering and ventilation for crops in the protected ground are highlighted and the solution for automation of these processes in the greenhouse complex of Perm State Technical University is proposed in the article. The scheme is presented, the equipment for solving the problem is selected.

Ключевые слова: автоматизация, полив, проветривание, микроклимат, теплица, ресурсосбережение, микроконтроллер, датчик.

174	na-journal.ru

Информационные технологии

Keywords: automation, irrigation, ventilation, microclimate, greenhouse, resource saving, microcontroller, sensor.

Изменение климата угрожает основным сельскохозяйственным культурам (зерновым, кормовым, овощам, ягодам, фруктам и другим) во всем мире. Совместное воздействие повышения температуры и углекислого газа приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур, и как следствие количества производимого продовольствия. Это может вызвать скачки цен на продукты питания и снижение продовольственной безопасности.

За последние пять лет на территории Пермского края были объявлены чрезвычайные ситуации: в 2019 году из-за переувлажнения и в 2023 году из-за засухи. В связи с опасными природными явлениями наблюдалась гибель и повреждение посевов сельскохозяйственных культур [10]. По оценкам ученых Университета, потери продуктивности сельскохозяйственных культур в 2023 году достигли 50% и более величины их средних многолетних значений [8].

Особые климатические условия характерны для многих регионов Российской Федерации. Для решения данной проблемы используется выращивание сельскохозяйственных культур в защищенном грунте, что позволяет оградить урожай от переменчивого климата. Это дает необходимую возможность для осуществления самостоятельного контроля над климатом в пределах тепличного комплекса, где культивируются растения [4, 5].

Рост, развитие и урожайность тепличных культур напрямую зависят от условий микроклимата: температуры и влажности воздуха, освещения, концентрации углекислого газа и влажности почвы. Поддержание оптимального микроклимата в теплицах является ключевым аспектом успешного сельского хозяйства, поскольку оно оказывает непосредственное влияние на рост, развитие и урожайность растений. Кроме того, поддержание оптимальных условий микроклимата в теплицах улучшает качество продукции, снижает риск заболеваемости растений и обеспечивает устойчивость сельскохозяйственного производства в условиях региона с рискованным земледелием.

г. Самара

175

Научный аспект	№12 2023	том 2

Всовременном мире, где технологии играют ключевую роль в улучшении сельского хозяйства, автоматизация процессов становится неотъемлемой частью обеспечения эффективности функционирования сельскохозяйственных предприятий [13]. Важнейшими направлениями в этой области являются автоматизация полива, обеспечение оптимальной температуры и контроль за состоянием сельскохозяйственных культур.

Традиционное управление микроклиматом в теплицах, как известно, требует постоянного мониторинга и вмешательства со стороны сельскохозяйственных работников. Однако с внедрением систем автоматизации, основанных на передовых технологиях, мы переходим к новому уровню эффективности и точности в создании и поддержании идеальных условий для роста растений [14].

Автоматизация полива и мониторинга в теплицах позволяет точно регулировать влажность почвы, поддерживать оптимальные температурные режимы и своевременно реагировать на изменения в окружающей среде

[5].Аналогичный подход применяют для организации производственного процесса в гидропонных системах [1].

Вданной статье будут рассмотрены основные недостатки обеспечения микроклимата в тепличном комплексе ФГБОУ ВО Пермский ГАТУ (далее — Университет), а также предложено автоматизированное решение для минимизации выявленных недостатков.

Тепличный комплекс Университета состоит из 6 теплиц 12*100 метров. Приоритетными процессами по обеспечению микроклимата в тепличном комплексе Университета являются полив и проветривание. На данный момент, эти процессы выполняются полностью в ручном режиме.

Ручное управление поливом и проветриванием в теплицах имеет ряд недостатков, влияющих на эффективность сельскохозяйственного производства:

• Неравномерный полив: при ручном поливе часто возникает неравномерное распределение влаги в почве. Это может привести к переувлажнению некоторых участков и недостаточному увлажнению других, что может вызвать проблемы с ростом растений и снизить урожайность.

• Непостоянство проветривания: ручное проветривание может быть несвоевременным и зависит от занятости специалистов тепличного ком-

176	na-journal.ru

Информационные технологии

плекса. Недостаточное проветривание может привести к накоплению влажности, превышению оптимальных температур для роста растений

и повышению риска развития грибковых заболеваний.

•Затраты на труд и время: выполнение полива и проветривания вручную требует значительных трудозатрат. Специалисты тепличного комплекса вынуждены тратить время на повседневные задачи, вместо того чтобы сосредоточиться на более актуальных проблемах и продуктивных аспектах сельскохозяйственного производства.

•Зависимость от человеческого фактора: ручные операции требуют постоянного присутствия человека, человеческий фактор может привести к ошибкам в управлении, что отрицательно сказывается на общей эффективности работы тепличного комплекса.

•Отсутствие автоматического мониторинга показателей микроклимата: ручной подход к обеспечению микроклимата лишен возможности постоянного мониторинга и контроля основных показателей, влияющих на рост растений.

Автоматизация процесса полива и проветривания позволит решить

обозначенные проблемы и повысить общую эффективность работы тепличного комплекса, а также значительно сэкономить время и ресурсы его специалистов [13,14].

Автоматизированную систему полива и проветривания можно заказать в составе комплексного решения из представленных на рынке [11], но на текущий момент большинство таких решений представлены зарубежными компаниями [6] и требуют значительных капитальных вложений [9].

Предлагается самостоятельно разработать аппаратно-программный комплекс (рисунок 1) с максимально высокими эксплуатационными характеристиками для тепличного комплекса Университета с учетом опыта подобных разработок [2, 7]. Комплекс должен иметь модульную архитектуру, чтобы иметь возможность адаптации к потребностям различных сельскохозяйственных предприятий [3, 12].

Цель работы — описать способ решения проблемы поддержания оптимального микроклимата с помощью разработанного аппаратно-про- граммного комплекса.

г. Самара

177

Научный аспект	№12 2023	том 2

Рисунок 1. Схема аппаратно-программного комплекса

Основные компоненты аппаратно-программного комплекса:

1.Одноплатный компьютер Raspberry Pi 4 Model B 4Гб — обеспечивает автоматизированное управление системой.

2.ЖК-дисплей 10.1 дюймов (с сенсорным экраном) — интерфейс для ручного управления и настройки системы, а также для отображения текущих параметров и режимов работы системы.

178	na-journal.ru

Информационные технологии

3.Датчики температуры и влажности AHT10 и DHT11 — контроль значений температуры и влажности.

4.Емкостный датчик влажности почвы — контроль влажности почвы.

5.Arduino Nano — используется для подключения и беспроводной передачи данных с датчиков в блок управления.

6.Bluetooth приемопередатчик HC 05 — обеспечивает беспроводную передачу данных с датчиков.

7.Модуль H-моста — обеспечивает управление скоростью и направлением движения электрического подъемного привода (для проветривания).

8.МОП-транзисторы IRF520 (модуль) — управление реле включения клапана подачи воды.

9.Промежуточное реле IEK OIR 116-ACDC24V — подача питания на клапан подачи воды.

10.Электромагнитный клапан двухходовый VS2W 300E-NC — обеспечивает подачу воды к распылителям.

11.Электрический подъемный привод SLC-DJ150 — применяется в системах бокового проветривания в теплицах, предназначен для открытия боковых ставен теплицы для проветривания.

12.Блок питания (24В, 25А) — обеспечение питания электромагнитных клапанов.

13.Блок питания (24В, 31.3А) — обеспечение питания приводов открытия боковых ставен теплицы.

14.Климатический навесной шкаф — обеспечивает защиту от осадков и поддержания постоянной температуры оборудования.

Режимы работы аппаратно-программного комплекса (рисунок 2):

•Настройка параметров системы: устанавливаются уровни влажности (minH/maxH), уровни температуры (minT/maxT), периодичность считывания показаний с датчиков (tM), время работы полива (tW), время работы привода (tD), время ожидания (tH).

•Авто: штатный режим работы системы — автоматический полив и проветривание (рисунок 3).

•Включить полив: начинается процедура полива (показания датчиков влажности игнорируются).

•Выключить полив: заканчивается процедура полива.

г. Самара

179

Научный аспект	№12 2023	том 2

•Открыть ставни: начинается процедура открытия боковых ставен (показания датчиков температуры игнорируются).

•Закрыть ставни: начинается процедура закрытия боковых ставен.

•Отключить: завершение работы системы.

Аппаратно-программный комплекс для автоматизации полива и про-

ветривания представляет собой интегрированный набор технических и программных средств, разработанных с целью оптимизации управления микроклиматом в тепличном комплексе. Этот комплекс обеспечивает автоматическое и точное регулирование условий окружающей среды, минимизируя вмешательство человека и повышая эффективность сельскохозяйственного производства. Ключевые характеристики такого комплекса:

•Система мониторинга:

–Датчики температуры и влажности для постоянного мониторинга условий в теплице.

–Системы сбора и передачи данных для обеспечения оперативной информации о текущем состоянии микроклимата.

•Автоматизированный полив:

–Система распределения воды с использованием эффективных насосов, клапанов и систем трубопроводов.

–Программное обеспечение для точной настройки и контроля полива в соответствии с потребностями различных видов сельскохозяйственных культур.

•Система проветривания:

–Автоматически управляемые ставни для оптимального контроля температуры и влажности.

•Централизованное программное управление:

–Программное обеспечение для централизованного контроля всех компонентов комплекса.

–Возможность удаленного мониторинга и управления через мобильные устройства или автоматизированное рабочее место специалиста тепличного комплекса.

•Система аварийного оповещения:

–Настраиваемые оповещения в случае отклонения параметров микроклимата от установленных норм.

180	na-journal.ru

Информационные технологии

Рисунок 2. Обобщенная схема работы программного комплекса

г. Самара

181

Научный аспект	№12 2023	том 2

•Аналитика и отчетность:

–Система анализа данных и генерации отчетов для оценки эффективности и принятия управленческих решений.

Все эти компоненты взаимодействуют с целью обеспечить оптимальные условия для роста растений, снизить затраты на труд и ресурсы, а также повысить производительность и устойчивость сельскохозяйственного производства в тепличном комплексе.

Для управления аппаратно-программным комплексом применяется современное программное решение, построенное на базе веб-технологий. Имеется возможность управления всеми компонентами системы, как со встроенного ЖК-дисплея, так и через специальное веб-приложение (с любого устройства, подключенного к сети). Предусмотрено создание и настройка шаблонов для выращивания различных типов сельскохозяйственных культур.

В автоматическом режиме работы аппаратно-программного комплекса контролирует параметры микроклимата в теплице, основываясь на предустановленном времени tM (частота опроса датчиков). Оценка значений всех датчиков, используемых для активации полива или запуска проветривания выполняется параллельно и независимо друг от друга.

Описание работы режима автоматического полива и проветривания:

1.Считывание данных:

1.1.с емкостных датчиков влажности, установленных в почве с выращиваемой культурой;

1.2.с температурных датчиков установленных в теплице.

2.Сравнение показаний датчиков влажности с входными параметрами. Если влажность почвы H меньше или равна нормативной влажности почвы minH (h ≤ minH), то включается полив на время tW (подается питание на электромагнитные клапаны). Если влажность почвы больше или равна нормативной максимальной влажности почвы maxH (h ≥ maxH), то формируется оповещение для специалистов тепличного комплекса.

3.Ожидание. После полива система переходит в режим ожидания на установленное время tH. По завершению ожидания система вновь переходит к считыванию данных с датчиков.

182	na-journal.ru

Информационные технологии

Рисунок 3. Режим автоматического полива и проветривания

4.Сравнение показаний датчиков температуры с входными параметрами. Если температура t больше или равна максимальной температуре maxT

г. Самара

183

Научный аспект	№12 2023	том 2

(t ≥maxT), то подается питание на электрический привод для открытия боковых ставен. Привод работает установленное время tD.

5.Сравнение показаний датчиков температуры с входными параметрами. Если температура t меньше минимальной температуры minT (t < minT), то подается питание на электрический привод для закрытия боковых ставен. Привод работает установленное время tD.

6.Ожидание. После открытия или закрытия боковых ставен система переходит в режим ожидания на установленное время tH. По завершению ожидания система вновь переходит к считыванию данных с датчиков. Таким образом, спроектирован и разработан аппаратно-программный

комплекс для решения задачи автоматизации полива и проветривания в тепличном комплексе Университета. Предложенный комплекс имеет модульную архитектуру и является универсальным решением для оптимизации технологических процессов в сельскохозяйственных предприятиях.

Внедрение автоматизированного полива и проветривания в тепличные комплексы значительно повышает эффективность сельскохозяйственного производства. Автоматические системы обеспечивают точное и своевременное управление микроклиматом, сокращая потребление ресурсов и повышая устойчивость к внешним факторам. Сокращение человеческого фактора в управлении тепличным комплексом приводит к повышению эффективности и снижению риска возникновения человеческих ошибок.

Будущее автоматизации в сельском хозяйстве — появление более продвинутых систем, включающих в себя прогнозирование и адаптацию к изменениям климата. Прогресс в области автоматизации сельского хозяйства играет ключевую роль в гарантировании стабильного обеспечения продовольственной безопасности и эффективного управления аграрными ресурсами.

Апробация предложенного решения планируется во втором-третьем квартале 2024 года.

Список литературы

1.Автоматизация выращивания агрокультур в стационарном компактном тепличном комплексе с контролируемым микроклиматом на базе

184	na-journal.ru

Информационные технологии

гидропонной системы / Д. К. Левоневский, А. В. Рябинов, Н. А. Жукова, В. Э. Ковалевский // Моделирование, оптимизация и информационные технологии.— 2023. — Т. 11, № 1(40). — С. 21–22. — DOI 10.26102/2310–6018/2023.40.1.029.

2.Адищев, И. В. Система автоматического управления климатом защищенного грунта на базе аппаратной платформы arduino / И. В. Адищев, И. А. Вялых, А. А. Таскаева // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология.— 2021.— № 2. — С. 158–169. — DOI 10.15593/2224–9400/2021.2.13.

3.Башлыкова, А. А. Реализация интероперабельности средств информационной системы «Цифровая теплица» / А. А. Башлыкова // ИТ-Стан- дарт.— 2020.— № 2(23). — С. 21–29. — EDN QPICZL.

4.Белякова, А. А. применение новых технологий в современных промышленных теплицах / А. А. Белякова // Научно-образовательный потенциал молодежи в решении актуальных проблем XXI века.— 2021.— № 17. — С. 83–86.

5.Бондарев, Н. С. Цифровое управление тепличным овощеводством / Н. С. Бондарев, Г. С. Бондарева // Инновационная деятельность.— 2020.— № 2(53). — С. 26–33.

6.Войтюк, М. М. Зарубежный опыт применения инновационных технологий в строительстве тепличных комплексов / М. М. Войтюк, П. Н. Виноградов, С. А. Оганесян // Научно-информационное обеспечение инновационного развития АПК: Материалы XV Международной научно-практической конференции, р.п. Правдинский, Московская обл., 08 июня 2023 года. — Москва: Российский научно-исследователь- ский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса, 2023. — С. 289–295.

7.Интеллектуальная система полива растений на базе микроконтроллера Arduino UNO / Л. М. Ахметов, Д. И. Биков, М. Р. Хамидуллин, Г. А. Гареева // International Journal of Advanced Studies.— 2021. — Т. 11, № 4. — С. 7–17. — DOI 10.12731/2227–930X 2021–11–4–7–17.

г. Самара

185

Научный аспект	№12 2023	том 2

8.Марков А. Из-за засухи пермские аграрии потеряли до половины урожая [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://ura.news/ news/1052668844 (19.12.2023)

9.НПО «Каскад»: Автоматизация тепличных хозяйств // APK News.— 2019.— № 15. — С. 34–35.

10.Распоряжение Губернатора Пермского края от 28.07.2023 № 206-р «О признании чрезвычайной ситуации на территории Пермского края

всвязи с опасными природными явлениями» https://agro.permkrai.ru/ dokumenty/297549/

11.Реализация цифровых платформенных решений в опытно-производ- ственном хозяйстве аграрного вуза: Монография / С. А. Родимцев, Т. И. Гуляева, Л. П. Еремин [и др.]. — Москва: Ай Пи Ар Медиа, 2023.— 221 с. — ISBN 978–5–4497–1824–2.

12.Рябинов А.В., Виноградов М.С., Левоневский Д.К., Лоскутов С. И. Автоматизация управления процессами выращивания культур в тепличных комплексах вертикального типа. Хранение и переработка сельхозсырья. 2023;(2). https://doi.org/10.36107/spfp.2023.381

13.Фесенко, Э. О. Автоматизация как составляющий компонент ресурсосберегающих технологий в АПК / Э. О. Фесенко // Сборник избранных статей по материалам научных конференций ГНИИ «Нацразвитие»: Международные научные конференции, Санкт-Петербург, 25–29 февраля 2020 года. — Санкт-Петербург: ГНИИ «Нацразвитие», 2020. — С. 99–101.

14.Черепенин, В. А. Анализ возможности применения интернета вещей

всельском хозяйстве на примере «Умной теплицы» / В. А. Черепенин // Инновационные научные исследования: гуманитарные и точные науки: Сборник материалов X-ой международной очно-заочной научно-практической конференции, Москва, 25 ноября 2022 года. — Москва: Научно-издательский центр «Империя», 2022. — С. 156–161.

186	na-journal.ru