Автоматизация за оранжерии

Оранжерийният сектор показва нарастващо търсене на автоматизация. Причините за такъв интерес са няколко. Разходите за труд се увеличават, а наличието на квалифицирана работна ръка намалява. Съвременният потребител изисква гарантирано и постоянно качество. Освен това има засилени изисквания за хигиена, безопасност и проследимост на храните. Автоматизираните системи за приложение в оранжерийното производство значително допринасят да се отговори на тези търсения. Много автоматизирани системи вече се прилагат във високотехнологични оранжерии по целия свят за осъществяване на различни процеси в тях, като например логистика и автономен транспорт, събиране и сортиране на продукцията, наблюдение и поддържане на микроклимата в оранжерията, поливане, фертигация, борба с вредителите и други.

Текст: списание  АгроБио Техника

Автоматизацията за оранжерии е комбинация от системи, които позволяват производствените, логистичните и другите поддържащи дейности да се извършват чрез автономни действия. Участието на човешка физическа сила в тях е минимално, за сметка на максимално използване на набор от технологични функции и методи, в това число методи за кабелни и безжична комуникация, мониторинг в реално време, контрол на данни SCADA изкуствен интелект и други.

Автоматизиран мониторинг на микроклимата – безжични сензори и IoT

Технологията на Интернет на нещата (IoT) е използвана за разработване на множество приложения, включително за системи за автоматизация на оранжерии. Когато такива системи се интегрират с функцията IoT, става възможно наблюдението и контролът на параметрите в оранжерията да се осъществяват от разстояние, от всяка точка на света. Тенденцията в поддържането на микроклимата в съвременните оранжерии е към преминаване от офлайн системи към Wi-Fi и облачна архитектура за събиране на данни. Безжичните сензори и IoT се използват за наблюдение в реално време и контрол на оранжерийната среда чрез всякакви мобилни устройства със защитени интернет връзки.

Наблюдаваните показатели в оранжериите най-често са температура и влажност на въздуха, влажност на почвата, pH и електропроводимост на хранителните разтвори, съдържание на СО2 във въздуха и интензитет на светлината. Благодарение на IoT, стойностите на посочените параметри могат да се наблюдават, споделят и контролират непрекъснато. Събраните от сензорите данни се изпращат в облак и се показват в реално време на уеб страница или мобилно приложение, във всяка точка на света, на компютър, лаптоп или мобилен телефон. Вариращите във времето данни от отделните сензори могат да бъдат графично представени за подобрен мониторинг и анализ. Възможно е да бъдат включени и аларми с предупреждения чрез имейл, SMS и други мобилни известия за всички параметри при достигане на определени стойности.

Контролери и AI в автоматизацията за микроклимата

Автоматизацията на микроклимата в оранжериите може да използва както контролери, така и изкуствен интелект (AI). При системите с контролери сензорите непрекъснато изпращат стойности на наблюдаваните показатели в реално време към контролерите и когато стойност достигне определен праг, контролерът предприема автоматично контролно действие. Например, вентилаторите може да стартират автоматично, когато температурата в оранжерията премине критичната стойност или поливаната система да спре поливането, когато нивото на вода в почвата достигне зададен праг, т.е. автоматично се оптимизират различните параметри за растежа на растенията. Всички тези процеси и данни могат да са достъпни за дистанционен мониторинг чрез IoT.

Автоматизацията за контрол на микроклимата може да бъде подпомогната и от изкуствен интелект. AI подпомага вземането на решения и изпраща незабавни отговори до безжични задвижващи механизми в оранжерията за постигане на необходимите резултати. В този случай IoT автоматизацията извършва трансфер на данни в реално време от множество сензори към анализиращи AI алгоритми, използващи базирани в облак системи за стрийминг. Така цялата информация за анализа на данни, взети решения и изпратени сигнали до задвижващи механизми „тече“ в реално време от сървъри до потребителски устройства и е достъпна чрез персонализирана уеб страница или мобилно приложение. По този начин фермерът може дистанционно да извършва непрекъснато наблюдение и ефективен контрол на всички параметри в оранжерията, без да е необходимо да отива в нея. Контролните сигнали могат да бъдат генерирани както от системите за стрийминг, базирани в облачна инфраструктура, така и от алгоритми на модели за оранжерийните култури, които са кодирани в компютър.

Добавянето на изкуствен интелект към автоматизацията на оранжерията означава, че AI алгоритъмът трябва да съществува заедно с всички останали части от системата за автоматизация, включително множество сензори и системи, които управляват устройства и задвижващи механизми. Основната обосновка за проектиране на системи за автоматизация, базирани на изкуствен интелект в оранжерийни среди, е преминаването към стабилни, предсказуеми и адаптивни командни стратегии за управление, които намаляват производствените разходи и подобряват добива.

Автоматизирано напояване

Поливането на растенията в оранжерията е важна, но трудоемка задача. Здравето и растежа на растенията се влияят пряко от количеството вода и продължителността на поливането. Ефективната система за напояване на оранжерии е задължителна за търговски ориентирани оранжерии. Една добре разработена автоматизирана система за поливане в оранжерии не само ще осигури подходящия воден режим за растенията, но и ще елиминира излишните разходи за труд за часове ръчно поливане. С помощта на система за автоматизация на оранжерии поливането на растенията става много по-лесно, тъй като се автоматизира началния час, количеството вода и продължителността на поливането. Освен това можете да персонализирате нуждите от поливане въз основа на показанията за водно съдържание на почвата. Както беше посочено по-горе, специализирани сензори могат автоматично да измерват състоянието на културите на нивото на техните корени и така да се определи нуждата от вода в реално време.

Управлението на автоматизираната система за напояване може да става от мобилен телефон със съответно мобилно приложение за iOS и Android, чрез програмируем контролен блок и с помощта на таймери. Веднъж настроена такава системата ви отменя в ангажимента за поливане. Нужно е през известни интервали да проверявате характеристиките ѝ и при евентуална необходимост, да промените настройките. Програмируемите контролни панели позволяват едновременна работа върху повече от една зони за напояване, като честотата на поливане се определя и задава за всяка зона поотделно. Можете да зададете една зона за поливане чрез замъгляване (чудесно за разсад или салати), а другата зона за капково напояване (подходящо например за домати). Някои контролни блокове имат определен набор от програми за напояване, а други дават възможност потребителят да конфигурира свои програми.

Системата за напояване на оранжерията може да бъде програмирана да използва произволна комбинация от таймери и сензори за условно изпълнение на поливането, след отчитане на влажността на почвата и температурата на въздуха. Таймерите ви позволяват да изберете честотата и продължителността на поливане. Показанията от сензорите за влажност на почвата могат да се използват за подаване на допълнителна вода, когато почвата е суха, и за предотвратяване на поливане, когато почвата е достатъчно влажна. Така пестите вода и предотвратявате преполиване и засушаване. По същия начин данните за топлината се използват за осигуряване на допълнителна вода в горещ слънчев ден. Всеки от методите с таймери и със сензори може да се използва самостоятелно или в комбинация. Когато е необходима промяна в настройките за поливане, тя може да се направи дистанционно като влезете в контролното уеб приложение от всеки смартфон, таблет или компютър, ако оранжерията има WiFi връзка. В противен случай трябва да сте близо, за да получите достъп до таблото за настройка през приложението или ръчно.

Автоматизирано прилагане на торове и пестициди

Системите за автоматизирано торене предлагат на оранжерийните производителите превъзходна опция за торене. Традиционните методи за ръчно торене са трудоемки, не винаги са прецизни и съответно могат да бъдат опасни за растенията. В най-добрия случай отнемат време, а в най-лошия може да увредят растенията и качеството на продукцията при предозиране или недостиг. Ето защо повечето търговски ориентирани производители на оранжерийни култури предпочитат торовете да се подават към растенията във формата на разтвори, получени автоматично по предварително зададени рецепти и в желания период от растежа, според спецификата във всеки конкретен случай.

Тъй като системите за автоматично дозиране на фертизиращи разтвори работят заедно с поливната система, по този начин се пести много енергия, торовете се разтварят и усвояват по-пълноценно, растенията получават точно толкова хранителни вещества от колкото имат нужда, а производителите могат да са сигурни, че няма да надвишат препоръчителните за качеството на храните концентрации на торове. По аналогичен начин работят и автоматичните системи за внасяне на пестициди. При тях обаче прилагането обикновено е самостоятелно, а не с поливната вода, както е при торовете.

Системи за автоматизиран транспорт на оборудването

Автоматичните транспортни линии позволяват да премествате оранжерийни маси или друго оборудване от една част на оранжерията в друга, ефективно и с лекота, без труд от страна на персонала. Търговските оранжерии с големи площи изискват наличие на системи за управление на движението на оранжерийните маси по определени секции. Системата за контрол на оборудването също така прави възможно преместването и управлението на инсталирани светлинни източници, сенници или оборудване за засаждане на растенията, фенотипизиране и прибиране на реколтата.

Такива системите могат да премахнат необходимостта от физически труд при извършване на интензивни механични операции в оранжерията. Предимствата от използването им са много. Те водят до по-ниски разходи за труд за вътрешен транспорт на растенията и по-висок логистичен капацитет в сравнение с ръчния труд. По-добра е и работна среда за работниците в оранжерията, тъй като растенията се преместват на правилна работна височина. Чрез автоматизирания транспорт може да се постигне подобрено използване на пространството. До 90% от общата площ на оранжерията може да се оползотвори, особено във вертикални оранжерии.

Модулните възможности за автоматизация, позволяват плавно внедряване и са напълно подходящи за поетапни разширения. Освен това автоматичните транспортни линии са в състояние да се справят дори с най-предизвикателните сценарии за транспортиране на подвижно оборудване в оранжериите, като например преместване през множество климатични зони по време на растежния цикъл, включително при оранжерии с голямо разнообразие от култури с различни цикли на растеж и в многоетажни оранжерии.

Автоматизация за фенотипизиране на растенията

Съществуват мощни инструменти за автоматизиран скрининг и фенотипизиране на растенията, които улавят незабележими промени във външния вид на културите. Така се анализира влиянието на външните условия и генетичните ресурси, върху развитието на растенията. Фенотипизирането е идеално за тези, които биха искали да започнат с цифровата оценка на културите и да преминат към висока производителност. Идеята на тези системи е растенията да преминават постоянно чрез автоматизирана конвейерна транспортна линия през мултиспектрална система, която сканира над 20 параметъра на около 100 растения за 40 секунди. Информацията се визуализира и анализира за секунди. Така се изчисляват широк набор от морфологични и физиологични параметри – напълно автоматично и в реално време.

Мултиспектралните камери сканират растението и запазват изображенията на сървър за данни. Идентификационният номер на растението се разпознава от RFID четец (за радиочестотна идентификация) и се използва за свързване на изображения с метаданни като генотип, информация за третирането и т.н. Растенията в тази система остават на конвейерната система и се движат през оранжерийното пространство 24 часа 7 дни в седмицата, за да се установи всяко изменение и да се премахнат отклоненията в условията на околната среда. Някои от автоматите за фенотипизиране работят като те самите се движат над растенията. Мултиспектралният скрининг е особено ефективен за анализ на популациите с разсад – за оценка на генотипа и ефектите от хранене, поливане, микроклимат и борба с болести, чрез т.н. мониторинг на реакцията на стрес.

Автоматично откриване и разпознаване на вредители

Проверката на капаните за насекоми е основна задача за ефективна програма за интегрирано управление на вредителите в оранжериите. При това идентифицирането и преброяването на насекомните вредители, уловени в капаните, е много тромава процедура. Затова е необходим ефективен подход за облекчаване на проблема и предоставяне на навременна информация за насекомните вредители. Напреднали технологии с конволюционна невронна мрежа (CNN), която е обучена директно от данни, предлагат автоматичен метод за многокласово разпознаване на малки парникови насекомни вредители. Те използват изображения от капаните, получени от безжични устройства за наблюдение и визуализация.

В такива системи детекторите са обучени за откриване на определени обекти в изображения, като се прилага класификатор за допълнително филтриране на обекти, които не са насекоми. След това получените обекти от насекоми допълнително се класифицират в мухи (Diptera: Drosophilidae), комари (Diptera: Sciaridae), трипси (Thysanoptera: Thripidae), бели мухи (Hemiptera: Aleyrodidae) и други, като се използва многокласов CNN класификатор. Предимствата на този подход включват гъвкавост при добавяне на повече класове към многокласовия класификатор на насекоми и възможност за разработване на адекватни стратегии за контрол върху откритие вредители.