В настоящее время гидропонное земледелие находит всё более широкое применение в сфере непрерывного производства зелени и овощей. Рост числа установок и объёмов выпускаемой продукции требует разработки инновационных систем дистанционного мониторинга и управления, включая использование цифрового видеонаблюдения.
Предлагается реализовать систему контроля с помощью сети видеокамер, установленных на гидропонной установке. Полученные цифровые изображения будут передаваться на удалённую систему управления, которая будет осуществлять анализ изображений и определять количество зелёной массы и её состояние. На основании полученных данных о состоянии растений верхний уровень системы управления и оператор будут принимать решения о выдаче заданий локальным системам управления и целесообразности продолжения производственного процесса.
Разработанные алгоритмы обработки и вывода информации о состоянии объекта могут быть адаптированы к потребностям установок, выращивающих широкий спектр сельскохозяйственных культур.
В современной научной среде общепризнанно значение потребления овощей и зелени для поддержания здоровья человека. Однако в Российской Федерации традиционный период производства овощей, осуществляемый в естественных условиях, ограничен летними и осенними месяцами.
Для решения проблемы обеспечения населения свежими овощами круглый год представляется перспективным использование гидропонных технологий. Гидропоника – это метод выращивания растений в контролируемой искусственной среде без использования почвы. Данный метод позволяет регулировать такие параметры, как температура, влажность, подача питательных веществ и освещение, при этом минимизируя занимаемую площадь [1].
В Federal Research Center for Vegetable Growing (ФГБНУ ФНЦО) проводятся исследования в области гидропоники, в том числе с использованием установки малообъёмной узкостеллажной гидропоники (МУГ). В ходе экспериментов были испытаны сорта салата, индау, горчицы салатной и кресс-салата, выведенные селекционным путем. Результаты показали, что выращивание на аппарате МУГ позволяет получать экологически чистую и биохимически ценную пряно-вкусовую и салатную зелень [1-3].
Основное преимущество гидропоники заключается в полном контроле питания растений. В корневую зону поступают только те питательные вещества, которые были внесены в питательный раствор в заданных пропорциях. В настоящее время гидропоника широко применяется в научных исследованиях, связанных с растениями, а также в генетических исследованиях и работах по созданию новых растений с ценными свойствами путем переноса генов.
Гидропоника: преимущества и недостатки
Преимущества:
Гидропоника, как метод выращивания растений без использования почвы, обладает рядом существенных преимуществ.
- Эффективное использование воды: В отличие от традиционного земледелия, где вода теряется в результате испарения и фильтрации в почву, гидропоника позволяет циркулировать воду, что минимизирует ее потребление. Современные технологии орошения, такие как доставка воды непосредственно к корням растений, также способствуют повышению эффективности использования воды.
- Оптимизация усвоения питательных веществ: Растения в гидропонной системе получают все необходимые питательные вещества в точном количестве, что исключает потери и загрязнение грунтовых вод.
- Минимизация негативного воздействия на окружающую среду: Отсутствие почвы исключает необходимость использования пестицидов и гербицидов, а также предотвращает негативное воздействие на микробиоту почвы.
- Повышение качества продукции: Гидропоника создает идеальные условия для роста растений, что позволяет реализовать их генетический потенциал в полной мере, увеличить размер и качество урожая, а также получить доступ к корневой системе для анализа и контроля.
- Возможность выращивания в экстремальных условиях: Гидропоника открывает возможности для культивирования растений в условиях космоса, Крайнего Севера, подземных помещениях, пустынях и других областях с ограниченным доступом к почве и воде.
Недостатки:
- Высокая зависимость от технического обеспечения: Растения в гидропонной системе полностью зависят от работы оборудования и правильных действий персонала. Любая ошибка или неполадка может привести к гибели всего урожая за короткий период времени.
- Ограниченные возможности культивирования: Не все культуры растений пригодны для выращивания гидропоническим методом, особенно корнеплоды. Технологии гидропонного культивирования таких культур еще не достигли уровня промышленной зрелости.
Кроме того, для некоторых культур, которые могут быть выращены в гидропонике, экономическая эффективность метода может быть низкой.
В данной работе применяется опытный образец гидропонной установки. Она включает в себя резервуар с питательным раствором, лотки с субстратом для фиксации растений, механическую систему опоры, гидравлическую систему (насосы, шланги и т.д.) для циркуляции раствора, датчики контроля pH и температуры, камеру для наблюдения за ростом растений и устройство поддержания заданных параметров температуры и влажности воздуха (см. рисунок 1).
Рис. 1. Схема гидропонной установки
Управление гидропонной установкой: система АСУТП
Для обеспечения эффективного управления гидропонной установкой требуется реализация двухस्तпенной системы автоматизации – АСУТП (автоматизированная система управления технологическим процессом).
Система управления нижнего уровня:
Данная система отвечает за сбор данных с датчиков, выработку управляющих сигналов для исполнительных механизмов и запись текущих значений технологических параметров в базу данных.
Система управления верхнего уровня:
Эта система дополнительно к данным с датчиков, хранящимся в базе данных, получает поток изображений с камер наблюдения. Изображения обрабатываются программой распознавания объектов, а полученная информация предоставляется пользователю и записывается в отдельную базу данных (см. рис.1).
Алгоритм обработки изображений:
Для анализа изображений была выбрана библиотека Pillow для языка Python. С её помощью изображение разбивается на массив пикселей, что позволяет обработать каждый пиксель индивидуально. Далее определяются диапазоны цветов, соответствующие листьям салата, а также посторонним объектам (например, мох, удобрения).
Стабильный спектральный состав и интенсивность светового потока, задаваемого системой управления, обеспечивают высокую точность данного метода распознавания.
Интерфейс для оператора:
Информация из программы выводится в удобный интерфейс, что позволяет оператору оперативно оценивать состояние объекта (из множества объектов, находящихся под его управлением). Это, в свою очередь, способствует своевременному реагированию на нарушения технологического процесса путем изменения параметров системы. Такой подход гарантирует сохранность растений до их созревания и сбора урожая.
Рис. 2. Архитектура программы
Приложение также предоставляет возможность количественной оценки «зеленой массы» на изображении. Это позволяет объективно оценить состояние урожая, а также получить оценку роста урожая в данной установке и определить ее продуктивность.
Для визуального контроля корректности обработки изображения в интерфейсе будет отображаться текущее изображение (рис.3), демонстрирующее выделение листьев салата. Такой подход позволяет оператору контролировать качество работы приложения и, соответственно, самой установки.
Рис. 3. Пример отображения обработанного изображения
Литература
- Smart Plant Factory: The Next Generation Indoor Vertical Farms. Kozai, Toyoki (Ed.) Acadenic Press,
- Пинчук Е. В. и др. Ценная овощная зелень на гидропонике для круглогодичного потребления //Овощи России. – 2019. – №. 3. – С. 45-53.
- Тексье У. Гидропоника для всех //Тексье, перевод с английского А. Оганян. Paris, France. Изд-во Mama Editions. – 2013. – Т.
- Антипова О.В. Технологическое обоснование культурооборотов в гидропонных рассадных комплексах дис. … канд. сельхоз. наук. — М., — С.54—55.
