CC BY
22
УДК 62-522: 004.93 Аверин М.С., Зубов Д.В.
ПРИМЕНЕНИЕ МАШИННОГО ЗРЕНИЯ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ГИДРОПОННОЙ УСТАНОВКОЙ
Аверин Михаил Сергеевич, студент 4 курса бакалавриата цифровых технологий и химического инжиниринга;
e-mail: dyatkoyar@gmail.com
Зубов Дмитрий Владимирович, к.т.н. доц.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
Гидропонные установки находят всё большее применение для непрерывного производства зелени и овощей. Увеличение числа установок и объёмов производства их продукции требуют разработки новых систем дистанционного контроля и управления, в том числе - с использованием цифрового видеонаблюдения. Предложено использовать набор установленных на установке видеокамер, с которых получаются цифровые изображения, передаваемые на удалённую систему управления, осуществляющую анализ полученных изображений и определяющих количество зелёной массы и её состояние. На основе данных о состоянии растений верхний уровень системы управления и оператор принимают решения о выдаче заданий локальным контурам управления и целесообразности дальнейшего ведения процесса. Разработанные алгоритмы обработки и вывода информации о состоянии объекта могут быть адаптированы к потребностям установок культивирующих широких спектр сельскохозяйственных культур.
Ключевые слова: машинное зрение, гидропоника, автоматизированное управление, АСУТП.
APPLICATION OF MACHINE VISION FOR HYDROPONIC INSTALLATION CONTROL
Zubov Dmitry Vladimirovich, Averin Mikhail Sergeyevich
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
Russian University of Chemical Technology DI. Mendeleev, Moscow, Russia.
Hydroponic plants are increasingly used for the continuous production of greens and vegetables. An increase in the number of installations and the volume of production of their products require the development of new systems for remote monitoring and control, including the use of digital video surveillance. It is proposed to use a set of video cameras installed on the installation, from which digital images are received, transmitted to a remote control system that analyzes the received images and determines the amount of green mass and its condition. Based on data on the state of the plants, the upper level of the control system and the operator make decisions on issuing tasks to the local control loops and on the appropriateness of further process control. The developed algorithms for processing and outputting information about the state of an object can be adapted to the needs ofplants cultivating a wide range of crops.
Keywords: machine vision, hydroponic installation, automatic control, SCADA.
В настоящее время общепризнана необходимость обеспечения человека овощами и зеленью, т.к. их недостаток неблагоприятно сказывается на здоровье. В Российской Федерации основной период производства овощей в условиях естественного культивирования приходится на лето и середину осени. Обеспечение круглогодичного потребления овощей возможно с помощью использования гидропонных технологий. Гидропоника - это метод выращивания растений в искусственных условиях без почвы, позволяющий контролировать температуру, влажность, подачу питательных веществ и света, минимизируя используемые площади [1]. Работы в области гидропонике ведутся например в ФГБНУ ФНЦО, где были произведены эксперименты с помощью установки малообъёмной узкостеллажной гидропоники (МУГ). Прошло испытание сортов салата, индау, горчицы салатной и кресс-салата, которые были выведены путем селекции. Показано, что при выращивании на аппарате МУГ возможно получать экологически
неопасную и биохимически ценную пряно-вкусовую и салатную зеленную продукцию. [1-3]
Главное преимущество гидропоники в том, что питание растения полностью контролируется. В корневую зону попадают лишь те вещества, которые внесены в подаваемый питательный раствор, в заданных пропорциях. В настоящее время гидропоника применяется в большинстве исследовательских работ с растениями, широко применяется в генетических исследовательских работах и работах по созданию новых растений с ценными свойствами с помощью переноса генов.
Большое преимущество заключается в экономии воды - так как вода не уходит в почву, а испаряемая листьями сода может быть сконденсирована и возвращена в оборот. Недавние модернизации в орошении - переход от полива всего поля к доставке воды в основание растений - существенно повысили продуктивность расходования воды в садоводстве. Но гидропоника все равно значительно продуктивнее. Аналогично, растения полностью
усваивают все потраченные питательные вещества, так как они не уходят в грунт, таким образом предотвращается загрязнение грунтовых вод и не оказывается воздействия на микробиом почвы, нет необходимости в использовании пестицидов и гербицидов, так как сорняков и насекомых не допускают в зону культивирования, растение, выращенное методом гидропоники более жизнеспособно, чем те, что произошли от маточного растения в почве. Гидропоника позволяет создать идеальные условия для выращивания растений, что дает возможность оптимального использования генетического потенциала растений, увеличить размеры и качество продукции, позволяет получить доступ к корням. Существенным достоинством технологии гидропоники является возможность выращивания продукции в экстремальных условиях (космос, Крайний Север, подземные помещения, пустынные и засушливые области и т.д.)
Самый главный недостаток данной технологии заключается в возможности человеческих ошибок -
Для управления гидропонной установки необходима система АСУТП (система управления нижнего уровня), которая будет считывать данные с датчиков, вырабатывать управляющие воздействия для исполнительных устройств и записывающая текущие значения технологических переменных в базу данных. Повышение эффективности управления установкой обеспечивается системой управления верхнего уровня, получающую помимо данных с датчиков, записанных в базу данных, ещё и поток фотографий с камер наблюдений, который обрабатывается программой распознавания, а после этого уже предоставлять данные пользователю и записываться в отдельную базу данных (рис.1).
Для обработки фотографий был выбран следующий алгоритм: с помощью библиотеки Pillow для языка Python изображение разбивается на массив пикселей, что позволяет обработать каждый пиксель
поскольку растение полностью зависит от ресурсов, поставляемых гидропонной системой, то неполадки в ней или ошибки персонала могут погубить весь урожай за один день. Отметим, что гидропонным способом можно выращивать не все культуры растений, особенно это касается корнеплодов -технологии их гидропонного культивирования ещё не готовы к промышленному применению. Так же есть культуры, которые хорошо растут в гидропонике, но при этом это экономически нецелесообразно. [2-3]
В моей работе используется прототип гидропонной установки, состоящая из резервуара для питательного раствора, лотки с субстратом, механически поддерживающим растения,
гидравлическая система (насосы, шланги и т.д.), обеспечивающая циркуляцию раствора, датчиков рН и температуры, а так же камер, для фиксирования роста растений, а так же устройства для поддержания заданной температуры и влажности воздуха (рис.1).
отдельно. После разбития изображения на пиксели, были выбраны диапазоны цветов, которые входят в изображение самого салата, а так же диапазоны посторонних объектов, таких как мох, удобрения или случайно попавшие на установку посторонние предметы. Так как поток света задаётся системой управления обладает стабильным, спектральным составом и интенсивностью, то данный метод отлично работает.
Для удобства оператора, информация из программы выводится в интерфейс, и на её основе оператор может оперативно понимать состояние объекта (из многих, находящихся под его управлением), а, следовательно, сможет вовремя реагировать на нарушения технологии, путем изменения параметров, что позволит сохранить растения до их созревания и последующего сбора урожая.
v М I VJV V- М I
VJM м
ю
,LLLLLI_LLI_LLLLU_LLLLJ_LLI_LLLi_LI_LLLLI_I_LLLI_LLI_
rl_l_ U_l_l_l_ LL L L l_LI_LLL LLLLL L L l_L.t_l_ LL l_l_l_t L L L L L_I_U S_ ■LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLl
О
Ш
Рис. 1. Схема гидропонной установки
ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ
ДАТЧИК РН
БАЗА ДАННЫХ MySQL
Рис. 2. Архитектура программы
Так же приложение позволяет оценить количество «зеленой массы» на изображении, что позволяет объективно оценить состояние урожая, а так же получить оценку роста урожая в данной установке и оценить ее продуктивность. Для наглядности правильности обработки изображения в интерфейс будет выводиться текущее изображение (рис.3), которое демонстрирует выделение листьев салата, что так же позволяет оператору контролировать качество работы приложения и соответственно самой установки.
Список литературы
1. Smart Plant Factory: The Next Generation Indoor Vertical Farms. Kozai, Toyoki (Ed.) Acadenic Press, 2016.
2. Пинчук Е. В. и др. Ценная овощная зелень на гидропонике для круглогодичного потребления //Овощи России. - 2019. - №. 3. - С. 45-53.
3. Тексье У. Гидропоника для всех //Тексье, перевод с английского А. Оганян. Paris, France. Изд-во Mama Editions. - 2013. - Т. 277.
4. Антипова О.В. Технологическое обоснование культурооборотов в гидропонных рассадных комплексах дис. ... канд. сельхоз. наук. — М., 2010. — С.54—55.
Рис. 3. Пример отображения обработанного изображения
