Автоматизация теплиц

Текст: А. Шуравин, директор департамента развития и инноваций; А. Кучинский, руководитель центра R&D, ООО «Телеком-Защита»

В жизненном цикле любого бизнеса рано или поздно настает момент, когда необходимо повысить производительность и сократить расходы. На первый взгляд кажется, что это взаимоисключающие понятия, однако опытные предприниматели знают, что обе проблемы можно решить в комплексе — путем автоматизации ключевых процессов. Особенно этот вопрос актуален для владельцев тепличных хозяйств.

Благодаря популярной концепции «Интернет вещей» обычная теплица может превратиться в высокотехнологичный объект, способный заботиться о сельхозкультурах не хуже любого растениевода. Главное достоинство комплексов автоматизации помещений защищенного грунта — возможность построить весь процесс выращивания на основе точных и актуальных данных. Базовая задача подобных решений — непрерывный мониторинг жизненно важных для растений параметров микроклимата: уровней освещения; температуры и влажности воздуха, почвы; напора прямой воды в трубопроводе из котла и в обратном направлении по всем контурам отопления.

Как это работает?

Качество урожая зависит прежде всего от последовательных действий, применяемых в зависимости от сложившихся условий. Система мониторинга в свою очередь обеспечивает наиболее полную и достоверную картину. В конечном счете она позволяет подобрать правильный сценарий необходимых операций и добиться максимального эффекта при выращивании овощей, фруктов, цветов и других растений.

Для построения подобного решения и достижения нужного результата требуются три основных компонента: набор датчиков, которые считывают те или иные параметры; программно-аппаратный комплекс, или ПАК, для сбора и обработки этой информации, а также технологии передачи данных, призванные связать две других составляющих. Перечисленного достаточно для качественного мониторинга состояния воздуха и почвы, регуляции работы автоматики и всех этапов выращивания.

Автоматизированное управление осуществляется следующим образом: у сельхозпроизводителя есть некое устройство — компьютер, ноутбук, планшет или смартфон, через которое он может получать доступ к снятым параметрам. Например, система сигнализирует, что в теплице влажность почвы стала ниже порогового значения, вследствие чего необходим полив. В этом случае аграрий может дать соответствующее поручение обслуживающему персоналу и через некоторое время проследить за изменениями в параметрах влажности. Это самый простой пример реактивного управления, то есть волевого решения, принятого в ответ на конкретную ситуацию.

Главное достоинство данных, полученных в результате мониторинга, — точность и достоверность. Например, прогноз погоды может иметь серьезные погрешности и не отражать реальной картины. Оценка дается на населенный пункт в целом, и ситуация в какой-нибудь его части может сильно отличаться от происходящего в другой. Благодаря системе мониторинга сельхозпроизводитель имеет возможность самостоятельно собирать статистику и составлять собственный прогноз, в том числе привязанный к конкретной дате. Подобные данные позволяют начинать высаживать растения раньше или позже установленного срока, то есть в тот момент, когда это наиболее эффективно.

«Умное» управление

Следующая ступень автоматизации — внедрение интеллектуальной системы, которая обрабатывает информацию мониторинга и управляет всей аграрной автоматикой: схемами обогрева, освещения и другими. Ее можно сразу предусмотреть в составе комплексного решения или добавить в уже готовую архитектуру. В случае критического изменения параметров влажности, температуры и других показателей система не только сигнализирует о необходимости вмешательства со стороны, но и сама выполняет его: включает комплексы полива, обогрева, вентиляции и контролирует результат своих действий. То есть она реализует те же задачи, что и обычный персонал, только с большей точностью и оперативностью. В результате затраты предприятия на сотрудников снижаются, при этом урожайность повышается до 30 процентов. В будущем данная цифра может увеличиться, поскольку механизмы и алгоритмы интеллектуального управления постепенно совершенствуются.

В каких случаях требуется автоматизация? Затраты предприятия можно снижать двумя способами: оптимизировать персонал или наращивать площади, обслуживаемые тем же количеством работников. Если на зарплату сотрудникам уходит слишком много средств, то следует внедрить автоматизацию, которая позволит сократить эту статью расходов. Если необходимость в полном исключении человеческого фактора отсутствует, то можно увеличивать производственные площади, в результате чего меньшее количество работников будет приходиться на один квадратный метр, что при установке системы не повлияет на производительность труда. Это важное преимущество комплекса автоматизации управления для владельцев крупных тепличных хозяйств площадью в несколько гектаров, которые смогут расширять бизнес без дополнительных затрат.

Экономия на освещении

Еще одно немаловажное преимущество внедрения автоматизированной системы управления — повышение эффективности работы осветительных систем и значительное снижение расходов на электроэнергию. Растениям в разные фазы развития требуется свет различного, зачастую довольно узкого спектра, а при использовании стандартных источников освещения, в основном обычных натриевых ламп, большая часть энергии затрачивается впустую. С «умной» системой управления возникновение данной ситуации невозможно в принципе, поскольку в ней используются специализированные источники освещения, которые позволяют дозировать те или иные цвета спектра и добавлять либо убирать разные компоненты. Опция обеспечивает экономию до 70 процентов электроэнергии, причем без учета фактора внешнего естественного освещения, которое дает возможность оптимизировать насыщенность красного и синего цветов. Свет солнца тоже учитывается, причем с поправкой на преломления через прозрачные стены теплицы. Кроме того, современные источники света позволяют поддерживать заданные объемные конфигурации светового потока, то есть досвечивать определенные области теплицы светом необходимого спектра. Это обеспечивает равномерное формирование кроны растений без физического перемещения самих светильников. Человек не смог бы отследить такие параметры. В составе данного решения также возможно предусмотреть специальные камеры, позволяющие наиболее полно реализовать все возможности системы автоматизации.

Непрерывное улучшение

Как и любую модульную структуру, систему интеллектуального управления можно модернизировать и улучшать. Например, существует возможность ввести в контур мониторинга отслеживание состояния технологического оборудования. Если комплекс даст команду на включение обогрева, а устройство будет неисправно, то действие не будет выполнено, что может привести к потерям урожая. Решение данной проблемы заключается во внедрении контроля аппаратных узлов и заблаговременном устранении повреждений.

Для получения наиболее полной картины развития растений можно дополнить систему мониторинга специализированными камерами, способными «видеть» в ближнем инфракрасном спектре и фиксировать форму и размеры листа или плода. Благодаря этой технологии у сельхозпроизводителя есть возможность отслеживать все фазы развития культур. Существуют методики, которые помогают считывать дополнительные параметры биосистемы теплиц, например контролировать уровень азота в почве по окрасу листьев. Возможна установка камер, распознающих болезни различных культур, о которых свидетельствует появление пятен и налета на листовой поверхности. Все эти меры выводят контроль выращивания овощей на новый уровень качества. На стадии формирования плодов важным параметром становится уровень концентрации СО2. Для его мониторинга в систему можно интегрировать соответствующий датчик и добавить процедуры поддержки требуемого уровня. Для данной опции необходимы внешние источники углекислого газа и оптимизация алгоритмов управления вентиляцией, при этом целесообразно, чтобы количество посещений теплиц сотрудниками было минимальным. Чем меньше людей ходят и открывают двери, тем стабильнее работа системы и качественнее поддержание уровня CO2. Таким образом, при разработке алгоритмов приходится учитывать еще и человеческий фактор.

Внедрение дополнительных опций требует определенных расходов, но чаще всего подобные действия оправданны. В этом случае экономика проста: когда стоит вопрос сохранения урожая, то затраты допустимы, поскольку при несвоевременном открытии вентиляции, включении освещения, отопления и так далее сельхозпроизводитель рискует потерять часть, а иногда и весь урожай. При этом отсутствует необходимость непосредственного выполнения всех действий и их контроля в самой теплице, поскольку система мониторинга и управления позволяет сделать все операции автоматически, оперативно и удаленно.

Почти отечественное

В России климат изменчив, поэтому системы автоматизированного управления могут быть востребованы во всех регионах страны, где располагаются комплексы защищенного грунта, в том числе в южных субъектах. Хотя в большей степени подобная технология актуальна для зоны «неустойчивого земледелия», то есть для средней полосы и северных территорий. Сегодня на рынке существуют российские компании, уже имеющие реальный опыт внедрения контролирующих систем на крупных агропромышленных предприятиях в рамках

правительственной программы автоматизации сельского хозяйства. Как правило, в части программного обеспечения подобные технологические решения являются полностью отечественной разработкой, а в области аппаратного обеспечения частично имеют иностранные комплектующие. Перспективной в качестве технологии передачи данных является специальная технология LoRa как наиболее подходящая по дальности связи и времени автономной работы. Она не требует какой-либо дополнительной инфраструктуры, работает на открытом пространстве в радиусе до 30 км в зависимости от высоты подвеса. Однако компании стремятся максимально полно реализовать автоматизированные системы на базе российских компонентов для снижения их конечной стоимости. В связи с этим осуществляется постоянный мониторинг новинок на рынке комплектующих.

Способность к обучению

Применять систему мониторинга и управления можно по-разному, и выбор зависит от бизнес-задач каждого сельхозпроизводителя. К примеру, одни аграрии предпочитают обзавестись минимальным набором базовых функций, которыми обычно оснащаются все автоматизированные системы управления, и пользоваться им несколько лет. При этом комплекс будет самостоятельно измерять необходимые параметры, принимать решения и запускать нужные действия. Другие же пользователи заинтересованы в развитии приобретенных систем и расширении их функционала. Получив точный инструмент измерения показаний, аграрий может накапливать статистику, наращивать собственную экспертизу ухода за растениями и даже экспериментировать — составлять свои алгоритмы, вмешиваясь в настройки решения. Некоторые компании-производители даже поощряют подобную самостоятельность и стараются привлекать к сотрудничеству экспертов отрасли, которыми могут выступить как крупные научные центры и вузы, так и независимые специалисты, готовые внедрить у себя подобные комплексы и дать обратную связь, для совместной разработки новых эффективных способов ухода за культурами.

Автоматизированные системы управления «обучаемы», поэтому чем больше они применяются на практике, тем совершеннее их алгоритмы и лучше результаты. При этом вся информация и получаемые с помощью мониторинга данные представляют немалую ценность для развития агрономии в целом. Подобные комплексы могут стать одним из способов улучшения инновационных технологий и подготовки новых квалифицированных кадров. Также системы управления и мониторинга могут быть интересны не только конечным пользователям — фермерам и владельцам тепличных хозяйств, но и производителям теплиц. С помощью подобных комплексов они могут повысить привлекательность своей продукции на рынке, продавая не просто строительно-монтажный объект, а высокотехнологичное решение.