Теплицы на автопилоте: свет, шторы и вентиляция

В предыдущей статье я рассказывал о сити-ферме с посевной площадью 380 м². До нее мы запустили лабораторную площадку и ферму «Реки». На сити-ферме мы автоматизировали освещение, полив и управление микроклиматом.

Следующим шагом стали теплицы. В этой статье расскажу о двух объектах с клубникой. В Гомеле мы автоматизировали досветку трех теплиц, а под Брестом — проветривание двух тепличных блоков общей площадью около двух гектаров.

Поливом на обоих объектах управляет сторонняя автоматика, поэтому на нем останавливаться не буду.

Гомельские теплицы получают тепло от котельной на щепе. Отоплением мы не управляем, но кратко расскажу, как оно устроено. По периметру теплиц стоят радиаторы, а воздух нагревают водяные тепловентиляторы Volcano. В отопительный период теплоноситель постоянно циркулирует через их калориферы, а комплектные термостаты включают вентиляторы, когда нужно тепло. Уставка составляет 23 °C — такую температуру стараются поддерживать во время плодоношения клубники. Ночью ее можно снизить, как и при переходе растений в состояние покоя. При отключенном отоплении вентиляторы Volcano могут перемешивать воздух — такой процесс называют дестратификацией.

В теплицах под Брестом досветки и отопления нет. Дальше расскажу о системах, которыми занимались мы.

Досветка

Три гомельские теплицы запустили в начале 2025 года. В осенне-зимний период естественного света для клубники не хватало: рассада практически не развивалась. Поэтому в теплицах установили светильники Ledfarm.by.

В каждой теплице четыре технологические линии, на каждой — по три лотка с клубникой. Светильники подняли на 1,2 м над верхними лотками и расположили так, чтобы свет попадал на верхние растения и боковые лотки соседних линий.

В каждой теплице я сгруппировал светильники в 12 зон — по три на линию. Каждой зоной управляем отдельно сигналом 0–10 В через четырехканальные Modbus-модули WB-MAO4.

Также в каждую теплицу установили по одному датчику температуры и влажности WB-MS v.2 и по одному WB-MSW v.4, который дополнительно измеряет освещенность.

Эффективно управлять досветкой вручную невозможно: персоналу пришлось бы постоянно следить за уровнем освещенности. Поэтому эту задачу мы поручили автоматике.

Для растений нормируют плотность потока фотосинтетически активных фотонов — PPFD, которую измеряют в мкмоль/(м²·с). Освещенность в люксах можно пересчитать в PPFD, но для солнечного и искусственного света алгоритм использует разные коэффициенты.

Датчики измеряют отраженный свет. Контроллер учитывает текущую мощность включенных светильников и рассчитывает их световой поток. По разнице между показаниями датчика и расчетным вкладом светильников он определяет, сколько света поступает от солнца.

Оператор по технологической карте задает целевой PPFD, время начала и продолжительность рассвета и заката. Обычно рассвет начинается в 06:00, закат — в 22:00, а каждый переход длится 30 минут. Целевое значение составляет от 200 до 400 мкмоль/(м²·с).

В начале рассвета алгоритм рассчитывает, как менять мощность светильников, чтобы к концу заданного интервала выйти на целевой показатель. Во время заката мощность так же плавно снижается. Контроллер каждую секунду пересчитывает управляющий сигнал и задает его на соответствующем выходе WB-MAO4.

В интерфейсе отдельно показываем световой поток от солнца и светильников. Оператор может ограничить максимальную мощность светильников, а также включить или отключить регулирование по датчику.

Проветривание

На объект под Брестом нас привел подрядчик, который натягивал пленку на каркасы теплиц. Сами каркасы хозяйство изготовило самостоятельно.

Изначально хозяйство планировало проветривать теплицы вручную. Для этого требовалось выделять сотрудника и составлять графики дежурств. Сейчас шторы и вентиляторы работают автоматически.

Комплекс состоит из двух блоков примерно по гектару. В каждом блоке 11 теплиц, в каждой теплице — по три дестратификатора, то есть вентилятора, которые перемешивают воздух. Шторы обслуживают блок целиком и располагаются с двух его сторон. 

Пленочными шторами управляют электроприводы. Привод наматывает пленку на вал, а штора движется вверх или вниз по направляющей. Полный ход занимает около четырех минут. Электроприводы питаются от сети 380 В.

На каждой шторе стоят два концевых выключателя. По их сигналам система различает верхнее, нижнее и промежуточное положения. Степень открытия между крайними положениями оцениваем по времени работы привода.

Вентиляторы предназначены для животноводческих помещений. У них лопасти из нержавеющей стали и ременной привод. Мощность каждого — около 750 Вт, напряжение питания — 380 В.

В каждом блоке установили по два датчика температуры DS18B20 внизу, возле растений, и по два Modbus-датчика температуры и влажности WB-MSW v.4 наверху. Чтобы не прокладывать длинные линии 1-Wire, датчики DS18B20 подключили к Modbus-модулю WB-M1W2 v.3.

Алгоритмы управления шторами используют среднее арифметическое показаний двух нижних датчиков каждого блока.

Все алгоритмы и настройки мы согласовали с агрономом. Она следит за ростом растений и появлением заболеваний, корректирует уставки.

Управление по температуре

В автоматическом режиме система управляет шторами и вентиляторами по разным температурным порогам. Шторы открывает наполовину или полностью.

Быстро открывать шторы нельзя: резкая смена условий может вызвать стресс у растений. Поэтому открываем их поэтапно. Полное открытие включает восемь циклов по 60 секунд: 30 секунд движения и 30 секунд паузы. Закрываем шторы без пауз.

Во время пауз воздух внутри перемешивается, температура и влажность постепенно выравниваются. Такой режим комфортнее для растений.

Например, можно задать открытие штор наполовину при 17 °C, полное открытие при 20 °C, включение вентиляторов при 23 °C и полное закрытие штор при 10 °C.

Управление по влажности

Когда шторы полностью закрыты, автоматика контролирует влажность. В зависимости от температуры воздуха в блоке она может запустить полное проветривание или микропроветривание.

При полном проветривании система открывает шторы целиком и включает вентиляторы на заданное время, после чего закрывает шторы.

При микропроветривании шторы поднимаются на заданную высоту — примерно на треть, а вентиляторы работают 15 минут. Этот режим используем в холодные ночи.

После проветривания выдерживаем паузу один-два часа, затем повторяем цикл. Оператор также может задать расписание, например запустить проветривание перед утренним сбором урожая.

Если теплой ночью шторы остаются открытыми полностью или наполовину, вентиляторы работают циклами по влажности. Для этого режима оператор задаёт порог влажности и гистерезис. Например, при пороге 85 % вентиляторы включаются на 20 минут, затем останавливаются на 120 минут. Если влажность остается высокой, цикл повторяется. От непрерывной работы в этом режиме мы отказались, чтобы экономить электроэнергию.

По графикам температуры и влажности удобно оценивать работу системы и влияние принятых решений на микроклимат. Например, в одном из блоков во время работ с плёнкой в водоотводных желобах сделали отверстия, чтобы слить скопившуюся воду. Через эти отверстия дождевая вода попадала в междурядья и повышала влажность в блоке примерно на 10 %.

Защита от ветра

Метеостанция передает температуру и влажность наружного воздуха, направление и скорость ветра, его порывы и данные об осадках. Для управления шторами особенно важен ветер: при сильном порыве он может попасть под пленку и сорвать ее.

Если скорость порыва достигает порога 15 м/с, система включает режим «Высокий ветер»: прерывает активные режимы проветривания, полностью закрывает шторы и блокирует их открытие на час. Защита действует и при ручном управлении. Новый сильный порыв запускает отсчет заново.

Оператор может вручную отключить режим «Высокий ветер» и заблокировать его запуск на два часа. Эту возможность добавили на случай, когда внутри работают люди: автоматическое закрытие не должно запереть их в теплице. В таком режиме оператор самостоятельно оценивает риски.

Направление ветра алгоритмы защиты пока не учитывают. Мы планировали использовать его, чтобы выбирать, какую сторону закрывать, но отложили эту функцию для других проектов.

Архитектура системы автоматизации

На брестском объекте четыре уличных щита обслуживают шторы, два внутренних — первый и второй тепличные блоки. Самый дальний щит находится примерно в 280 м от контроллера. Между щитами проложили линии RS-485.

Модули WB-MR6CU v.2 управляют контакторами приводов штор и вентиляторов. К входам WB-MR6C v.2 подключили кнопки и концевые выключатели, а к выходам — лампы индикации.

Для доступа в интернет установили в контроллер 4G-модем с поддержкой LTE.

Вентиляторы запускаем последовательно, с интервалом три секунды. При срабатывании пускатели создают сильные помехи, которые мешают работе модема: когда несколько пускателей включались одновременно, связь иногда обрывалась. Помимо задержки между пусками, на катушки пускателей установили RC-снабберы. Вместе эти меры в основном решили проблему со связью.

Метеокомплекс подключили к отдельному порту RS-485 контроллера.

Интерфейс пользователя

В веб-интерфейсе контроллера я подготовил SVG-панель. Оператор открывает ее в браузере на телефоне, планшете или компьютере — из локальной сети хозяйства или через облачный сервис wirenboard.cloud. Здесь он смотрит показания и управляет оборудованием.

На панели изображены два тепличных блока. Для каждого она показывает положения передней и задней штор, состояние вентиляторов, температуру сверху и снизу, относительную и абсолютную влажность. Рядом — наружная температура и влажность, скорость и порывы ветра, осадки. Компас ориентирован относительно блоков, чтобы оператор понимал, с какой стороны дует ветер.

Дополнительные фото

Каждой шторой можно управлять вручную: открыть, закрыть, остановить движение или открыть на 50 %. Для вентиляторов предусмотрели кнопки включения и выключения, для блока — переключатель ручного и автоматического режимов.

Сейчас хозяйство использует автоматический режим и практически не вмешивается в работу системы. Ручное управление нужно главным образом при ночной обработке растений или раннем сборе урожая, когда сотрудники поднимают шторы и оставляют их открытыми.

Параметры системы оператор задает на отдельной текстовой панели.

Датчик метеостанции измеряет наружную освещенность. По его показаниям отдельный скрипт рассчитывает интегральные показатели солнечного излучения, включая DLI и накопленную энергию. Он учитывает месяц и положение солнца, а для оценки погоды сопоставляет расчетное значение с текущими показаниями датчика. Этот скрипт мы подготовили с помощью ИИ.

Интерфейс также показывает данные о рассвете, закате и облачности.

Контроллер сохраняет все значения каналов в базе данных и строит графики в веб-интерфейсе. С их помощью удобно проверять алгоритмы: на одном графике можно сопоставить освещенность, температуру, влажность и состояние вентиляторов. В описанной конфигурации история доступна примерно за четыре-пять месяцев. Оператор выбирает период и нужные каналы, а при необходимости выгружает данные в файл.

Персонал может получать данные через Telegram-бота. Обмен с ним организовали через Node-RED. По запросу бот выдает сводку о текущем состоянии системы, суточную сводку о проветриваниях и графики температуры и влажности. Уведомления о смене режимов и сильном ветре он отправляет автоматически.

Подробнее интерфейс показываем в видео.

Планы

Хозяйство под Брестом планирует накрыть еще около двух гектаров и добавить два тепличных блока с такой же автоматикой. Мы также обсуждали затенение существующих теплиц — возможно, реализуем его в дальнейшем.