Архітектура системи контролю мікроклімату у замкнутому приміщенні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Архітектура системи контролю мікроклімату у замкнутому приміщенні

Шеліхов Юрій Олександрович

аспірант кафедри комп'ютерних інтелектуальних технологій та систем Харківський національний університет радіоелектроніки, Україна

Науковий керівник: Аксак Наталія Георгіївна

д-р. техн. наук, професор,

професор кафедри комп'ютерних інтелектуальних технологій Харківський національний університет радіоелектроніки, Україна

Анотація

Ключові слова. Інтернет речей, хмарне обчислення, теплиця, контроль мікроклімату, моніторинг.

Актуальність

У сучасному світі сільське господарство стало можливим навіть у міських районах - відкриті сади на дахах або фермерство в закритих приміщеннях. У цьому контексті управління фермою та відповідний моніторинг тепер є незамінними для продуктивного сільського господарства. Інтелектуальні технології, такі як багатоагентні системи (MAS), Інтернет речей (IoT), комп'ютерний зір тощо, полегшують сільськогосподарську діяльність, а також забезпечує гнучку роботу ферми. Таким чином, виробництво овочевої продукції стає більш продуктивним, не залежить від пори року та часу доби, екологічно чистим, майже стерильним та вищого гатунку. Тому все більше стає актуальним створення та моніторинг систем контролю мікроклімату в закритих приміщеннях [1]. Альтернативне вирощування рослин набирає все більшої популярності. Найбільш ефективним методом вирощування рослин є гідропоніка - це технологія, заснована на вирощуванні рослин без ґрунту, але в стерильному субстраті та з систематичним поливом спеціальним поживним розчином. Призначені для цього системи набагато ефективніші та більш прибуткові, ніж класичний метод вирощування в ґрунті. Ґрунт необхідно постійно оновлювати і обробляти. Отже, якщо правильно організувати систему гідропоніки, то достатньо регулярно робити перевірку показників мікроклімату та своєчасно доливати розчин. Саме тому багато ферм уже перейшли на гідропоніку -- у промислових масштабах так набагато простіше постачати якісні продукти. У деяких країнах зараз не знайти виробників, які вирощують рослини класичним способом -- теплиці із системами гідропоніки більш прибуткові [2]. температура сільськогосподарська культура вологість

Мета дослідження - проаналізувати існуючи системи управління мікрокліматом та запропонувати підхід для оптимального функціонування сіті ферми, завдяки якому власнику легше приймати рішення щодо ефективного вирощування сільськогосподарських культур.

Огляд літератури

Мікроклімат сільськогосподарських угідь є життєве важливим екологічним фактором, який впливає на ріст сільськогосподарських культур і формування врожаю.

Моніторинг показників мікроклімату потребує комплексного підходу. Дуже важливо не тільки стежити за різними параметрами приміщення, але і враховувати їх взаємозалежність. Системи контролю мікроклімату є важливою ланкою в більшості промислових секторів і вимагають використання високоточного спеціального вимірювального обладнання. Крім того, показники мікроклімату істотно впливають на самопочуття обслуговуючого персоналу в приміщеннях підприємств, а також на ефективність і довговічність технічних процесів, обладнання, сировини і готової продукції.

Так, в роботі [3] на основі чіткого сприйняття, надійної передачі та інтелектуальної обробки концепцій IoT розроблено систему моніторингу мікроклімату сільськогосподарських угідь. Система моніторингу складається з трьох рівнів. Рівень сприйняття об'єднує метеорологічні, ґрунтові, гідрологічні та інші датчики для формування кластера датчиків «земля - повітря». Транспортний рівень використовує технологію GPRS, яка охоплює всю країну на великій відстані та ефективно передає зібрані дані на сервер у режимі реального часу. Прикладний рівень розроблений для отримання програмного забезпечення ПК і зберігання даних.

Оптимальні параметри мікроклімату, включаючи температуру повітря (T), відносну вологість (RH) і дефіцит тиску пари (VPD), мають важливе значення для запобігання втраті врожаю та якості плодів. Метою роботи [4] було визначення просторових та часових варіацій T, RH та VPD і пов'язаних з ними ступенів оптимальності в холодну та теплу пори року на основі фаз росту томатів. Було використовуване спеціально створене апаратне та програмне забезпечення, засноване на концепції Інтернету речей, включаючи передавальні вузли малопотужної глобальної мережі (LoRaWAN), багатоканальний шлюз LoRaWAN і веб-панель моніторингу даних. Це дослідження підтвердило придатність використання датчиків IoT для оцінки парникового мікроклімату в реальному часі на основі моделі в комерційних масштабах.

Основною концепцією пристроїв IoT є взаємодія між об'єктами з певною адресом, які підключаються до Інтернет [5]. Зібрані дані завантажуються в хмару та аналізуються швидше, з меншою ціною та з більшою ефективністю [6]. Однак у більшості досліджень необроблені дані спочатку збираються за допомогою систем бездротової сенсорної мережі, а потім аналізуються [7]. Недоліком цього підходу є те, що оскільки зібрані дані не обробляються в режимі реального часу, вони не можуть відразу визначити часові та просторові варіації параметрів мікроклімату, а також їх відхилення від оптимальних умов. Знання того факту, що однорідність мікроклімату впливає на кількісні та якісні показники продукції та може зменшити споживання енергії в теплицях [8], відсутність системи моніторингу та обробки даних у реальному часі може призвести до неоднорідного контролю.

Крім того, ще декілька досліджень були зосереджені на визначенні оптимального мікроклімату для тепличних томатів [9, 10, 11, 12, 13].

Також часто згадується, що система на основі IoT повинна включати використання бездротових датчиків і мобільних додатків для відображення,

обробки та аналізу даних із віддалених місць за допомогою хмарних служб, які самі по собі надають нові знання та рекомендації для кращих рішень [5]. Насправді основний вплив використання IoT у сільському господарстві полягає в досягненні вищої врожайності з меншими витратами.

Для формування мікроклімату у виробничому приміщенні необхідно також враховувати швидкість руху повітряного потоку. Контроль цього показника необхідний для досягнення необхідного ступеня повітрообміну в приміщенні. Тому для комплексного контролю та регулювання всіх параметрів мікроклімату в

[1] використовуються багатофункціональні прилади та комплекси моніторингу. Невід'ємною частиною всіх процесів зрощування в закритих приміщеннях є потужна система припливно-витяжної вентиляції, яка відноситься до системи контролю мікроклімату [15]. Це пояснюється тим, що вентиляція виводить вологе повітря під час вирішення проблем, пов'язаних із вологістю.

Отже, через те, що на даний момент популярність сіті-фермерства зростає та більшість підприємців переходять до закрито-ґрунтового зрощування, системи автоматичного, інтелектуального контролю мікроклімату є актуальними. Таким чином, для того, щоб система сіті-фермерства могла бути постійно пов'язана з різноманітними засобами автоматизації (подання розчинів, провітрювання, освітлення, підтримки температурного режиму, тощо) існує потреба розробки більш вдосконалених розумних систем моніторингу клімату у замкнутому приміщенні.

Архітектура системи контролю мікроклімату. Сучасний світ став досить розвиненим із розумною технікою та пристроями, такими як ноутбуки, планшети та смартфони з різними функціями, і їхнє використання в нашому повсякденному житті значно зросло. У цьому випадку найважливішу роль відіграє бездротова сенсорна мережа з її розвитком і використанням у неоднорідних областях і в кількох різних контекстах.

У цій роботі ми досліджуємо основні фактори мікроклімату в приміщенні сіті ферми (рис. 1).

Рис. 1 Фото приміщення, де відбувалися дослідження параметрів мікроклімату до початку війни

Але війна, яку розпочала Російська федерація проти України, принесла багата болю та руйнувань. На жаль, зараз ця сіті ферма виглядає так [16], як показано на рисунку 2:

Рис. 2 Результат агресії з боку Росії

Тому відновлення ферми потребує використання сучасних технологій.

Пропонується дистанційно контролювати температуру, вологість та інші фактори за допомогою датчиків і технологій Інтернету речей. У загальному вигляді принцип функціонування запропонованої системи контролю та моніторингу мікроклімату [17] в замкнутому приміщенні виглядає так. У системі, водяний насос працює автоматично, використовуючи значення сільськогосподарських параметрів. Необхідними параметрами в запропонованій схемі вважаються температура, вологість і вологість ґрунту. Дані про параметри роботи ферми, що отримані від сенсорів, надсилаються на хмарний сервер, який далі віддалено відстежує та контролює за допомогою обладнання мікроклімат у замкнутому приміщенні (рис. 3).

Рис. 3 Архітектура хмарної системи контролю тепличного мікроклімату

Користувач за допомогою мобільного пристрою може віддалено керувати обладнанням - настроювати режими роботи кондиціонера, зволожувача, обігрівача, тощо.

Датчики сенсорного блоку (гігрометри, термометри, ...) періодично передають свої дані на сервер, на основі яких здійснюється діагностика клімату у тепличному приміщенні. Наприклад, якщо температура підвищена, вмикається кондиціонер, або при недостатній вологості гідропоніки вмикається насос для поливу. Інформація про зміну параметрів мікроклімату надсилається на мобільний пристрій користувача, який надає згоду при налаштування роботи відповідних пристроїв.

Висновки

Розроблено архітектуру хмарної системи контролю мікроклімату в замкнутому приміщенні, завдяки чому здійснюється злагоджена робота різних датчиків, що відстежують стан вологості ґрунту та температури в теплиці, а також спеціалізованих пристроїв для підтримки комфортного функціонування сіті ферми.

Список використаних джерел:

[1] Microclimate in the house: parameters, requirements and control. Retrieved from: https://navyflex.com.ua/ru/mykroklymat-v-dome-parametr%D1%8B-trebovanyya-y- kontrol

[2] Hydroponic systems. Retrieved from: https://alfagro.com.ua/gidroponika-v-ukraine/.

[3] Yan, M., Liu, P., Tong, C., Wang, X., Wen, F., Song, C., & O'Hare, G. M. (2020). A farmlandmicroclimate monitoring system based on the internet of things. International Journal of Embedded Systems, 12(1), 81 -92.

[4] Rezvani, S. M. E., Abyaneh, H. Z., Shamshiri, R. R., Balasundram, S. K., Dworak, V., Goodarzi, M., ... & Mahns, B. (2020). IoT-based sensor data fusion for determining optimality degrees of microclimate parameters in commercial greenhouse production of tomato. Sensors, 20(22), 6474.

[5] Boursianis, A.D.; Papadopoulou, M.S.; Diamantoulakis, P.; Liopa-Tsakalidi, A.; Barouchas, P.; Salahas, G.; Karagiannidis, G.; Wan, S.; Goudos, S.K. (2020) Internet of Things (IoT) and Agricultural Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) in smart farming: A comprehensive review. Internet Things, 100187.

[6] Tzounis, A.; Katsoulas, N.; Bartzanas, T.; Kittas, C. Internet of Things in agriculture, recent advances and future challenges. Biosyst. Eng. 2017, 764, 31-48.

[7] Balendonck, J.; Sapounas, A.; Kempkes, F.; van Os, E.; Schoor, R.; Tuijl, B.; Keizer, L.C.P. (2014) Using a wireless sensor network to determine climate heterogeneity of a greenhouse environment. Acta Hortic. 1037, 539-546.

[8] Lee, C.; Chung, M.; Shin, K.-Y.; Im, Y.-H.; Yoon, S.-W. (2019) A study of the effects of enhanced uniformity control of greenhouse environment variables on crop growth. Energies, 12, 1749.

[9] Shamshiri, R. (2017) Measuring optimality degrees of microclimate parameters in protected cultivation of tomato under tropical climate condition. Measurement, 106, 236-244.

[10] Shamshiri, R.R.; Bojic, I.; van Henten, E.;Balasundram, S.K.;Dworak, V.; Sultan, M.; Weltzien, C. (2020) Model-based evaluation of greenhouse microclimate using IoT- Sensor data fusion for energy efficient crop production.J. Clean. Prod., 121303.

[11] Shamshiri, R.; van Beveren, P.; CHE, M.H.; Zakaria, A. (2017) Dynamic Assessment of air temperature for tomato (Lycopersicon esculentum Mill) cultivation in a naturally ventilated net-screen greenhouse under tropical lowlands climate. J. Agr. Sci. Tech, 19, 59-72.

[12] Shamshiri, R.R.; Jones, J.W.; Thorp, K.R.; Ahmad, D.; Man, H.C.; Taheri, S. (2018) Review of optimum temperature, humidity, and vapour pressure deficit for microclimate evaluation and control in greenhouse cultivation of tomato: a review. Int. Agrophysics, 32, 287-302.

[13] Tuzel, Y.; Oztekin, G.B. (2017) Part III: Crop technologies: 1 Tomato. In Good Agricultural Practices for Greenhouse Vegetable Production in the South East European Countries: Principles for Sustainable Intensification of Small Holder Farms; Baudoin, W., Nersisyan, A., Shamilov, A., Hodder, A., Gutierrez, D., Eds.; Food and Agricultural Organization of the United Nations: Rome, Italy; Volume 230, pp. 271-286.

[14] Air humidity. Methods of measuring air humidity Retrieved from: https://pobut.lviv.ua/articles/volog

[15] Supply and exhaust ventilation systems. Retrieved from:

https://www.airvent.com.ua/ventilyatsiya-uk/priplivno- vityazhna-ventilyatsiya/

[16] Obozrevatel. Retrieved from: https://war.obozrevatel.com/okkupantyi-vtoroj-raz-za- den-obstrelyali-harkov-odin-chelovek-pogib-dvoe-ranenyi.htm

[17] Axak N., Rosinskiy D., Barkovska O., Novoseltsev I. (2018) Cloud-fog-dew Architecture for Personalized Service-oriented Systems The 9th IEEE International Conference on Dependable Systems, Services and Technologies, DESSERT'2018, Kyiv, Ukraine. P. 80-84.

Размещено на Allbest.ru