«Умная» ферма во всей красе

До 50% рыночной цены на овощи, ягоду и зелень составляют затраты на компенсацию людского труда. Но, как появившийся когда-то в сельском хозяйстве трактор, новая технологическая революция сильно сокращает необходимость в ручном, да и не только ручном, труде. Работы теперь совершаются командой роботов, сенсоров и искусственного интеллекта, а высококвалифицированные кадры, используя специальное программное обеспечение, распространяют свои усилия сразу на сотни ферм. Можно сказать, «битва за урожай» на наших глазах перемещается в сферу IT.

Вертикальная ферма функционирует как цельный организм, а ее оборудование можно сравнить с человеческими системами органов. Нервная система — сенсоры и датчики, дыхательная — кондиционеры и осушители, кровеносная — «растворопровод». Растворный узел можно уподобить эндокринной системе, автоматизированное перемещение лотков — мышцам. Есть, разумеется, и «мозг» — IT-платформа Growtune.

Насколько точно и уверенно мозг сможет «взять управление на себя», настолько разные системы, узлы и технологии готовы к тому, чтобы действовать без вмешательства человека. В этом материале мы последовательно описали всю технологическую «начинку» вертикальной фермы. Как именно, где и на каких этапах производства работает автоматика? Здесь не обойтись без иллюстрации, и мы используем немного подзабытый стиль «взрыв-схемы». Он покажет нам все устройства, позволяющие ферме заботиться о растениях.

Вспомним уроки биологии. При фотосинтезе растения потребляют углекислый газ и выделяют кислород. В эволюции живых организмов растения преодолели гораздо большую дистанцию, чем животные, и «учились дышать» тогда, когда концентрация СО2 в воздухе была существенно более высокой.

Поскольку система воздухообмена на ферме замкнута, словно на космической станции, и притока воздуха с улицы нет, то создать для растений комфортную атмосферу и климат — чисто инженерная задача.

На ферме множество устройств кондиционирования. Ведь нужно не просто поддерживать температуру и влажность, но и добиться, чтобы климат был максимально однородным по всей высоте фермы. Поэтому вместо одного сверх-мощного аппарата в помещении фермы устанавливают десяток средних. Это обеспечивает нужную циркуляцию воздуха и создает отказоустойчивую систему.

Да, влаги в гидропонных технологиях всегда много, и, как правило воздух на ферме приходится дополнительно осушать (в iFarm разработана и запатентована система осушения, которая позволяет повторно использовать эту воду для питания растений). Хотя бывает необходимость и в обратном, например, на начальном этапе запуска фермы, когда растений мало, может понадобиться увлажнение воздуха.

Только на свету происходит процесс фотосинтеза — преобразование энергии света в органику. Искусственное освещение растений агрономы называют словом «досветка». Она может быть разной в разных зонах фермы, в зависимости от культуры и фазы ее роста. И блок управления освещением организует растению «день» и «ночь». Чаще всего они распределены как в погожий летний день: 14−16 часов света, 8-10 — темноты. Которая очень важна: ночью происходит клеточное дыхание растений, продолжаются другие важнейшие процессы.

На опытных производствах агрономы уточняют технологические карты выращивания. Ведут эксперименты с изменяемой яркостью для выращивания земляники садовой: лампы оборудованы диммером, и яркость можно добавлять постепенно. Похоже, гипотеза агрономов подтверждается — ягода «благосклонна» к длинным рассветам. Благодаря плавному изменению освещения, осмотическое давление в стебле и листьях растет постепенно, в то время как его скачок при внезапном включении света может подействовать на них разрушительно.

Иногда приходится ориентироваться не только на требования растений, но и на организационные или сугубо экономические факторы. Например, стоимость электроэнергии. Да, в стеллажи устанавливаются очень энергоэффективные лампы с высоким КПД — каждый Ватт электроэнергии они преобразуют в 0,6 Ватт фотосинтетически активной радиации (ФАР). Но все равно расходы на электроэнергию составляют большую долю в затратах на выращивание зелени в помещениях. И автоматика может (и должна) оптимально распределять нагрузку. Если на ферме есть возможность подключения к ночному тарифу, нужно менять день с ночью и переносить «досветку» на ночное время.

Питательный раствор готовится из нескольких компонентов, расположенных в отдельных, заменяемых емкостях. За его смешивание «отвечает» растворный узел — сложная автоматика, способная с высокой точностью смешивать десятки литров «маточных растворов» в нужных пропорциях.

По системе трубок питательный раствор подается к корням растений. И, поскольку точная его рецептура зависит от типа растения и стадии его выращивания, система постоянно контролирует (и иногда корректирует) состав раствора.

Вода для приготовления раствора запускается в систему после тщательной очистки с помощью осмотического фильтра.

Чистота исходной воды, соотношение питательных веществ в растворе, его кислотность, яркость света, содержание углекислого газа в воздухе, температура и влажность — все это необходимо контролировать ежеминутно. Количество датчиков на большой ферме может измеряться сотнями.

Основываясь на замерах датчиков, центральный процессор фермы в реальном времени управляет оборудованием и аппаратурой, постоянно удерживая климатические и биохимические параметры в рамках, заданных технологической картой выращивания.

Выход за эти рамки вызовет срабатывание сигнализации и подключение удаленных технических специалистов. Алгоритм позволяет выявлять, в том числе, ошибки обслуживающего персонала фермы. Он, например, сразу просигнализирует, если при замене контейнеров с исходниками для раствора техник что-то напутал.

«Голова» системы — облачный сервер. Он из массы непосредственных замеров вычисляет косвенные данные. Например, рассчитывает эффективность циркуляции воздуха по ферме на основе данных со всех климатических датчиков. Еще важнее — способность Growtune, программной платформы управления фермой, обрабатывать «большие данные» на всем собранном материале.

В «нервной системе» фермы все больше используется машинное зрение. Изображения с камер, закрепленных на стеллажах, анализируются нейросетью, обученной определять, здоровы ли растения. Эту же нейросеть могут использовать техники, загрузив в них фотографию растений с помощью чат-бота. Другая нейросеть вычисляет динамику прибавления зеленой массы, используя в качестве источника те же стационарные видеокамеры или камеры дронов.

Задачи редких и дорогих специалистов, агрономов, био-химиков, фитопатологов можно решать с помощью искусственного интеллекта, специального оборудования или консультантов, работающих удаленно. Но до недавнего времени не существовало полностью автоматической фермы, где рутинный ручной труд, например, по перемещению лотков, тоже взяла бы на себя электроника.

В феврале 2021-го инженеры iFarm испытали прототип полностью автоматизированной конструкции вертикальной фермы. В ней конвейер перемещает лотки с горшочками через зоны посева, проращивания, роста, дозревания и срезания урожая. Линии упаковки продукции и подготовки лотков к следующему циклу также могут быть исполнены в виде отдельных роботизированных блоков.

Получившийся «принтер растений», как его иногда называют между собой сотрудники R&D-отдела iFarm, как и любое сложное современное оборудование имеет специальные протоколы сервисных сообщений. И они, конечно, предназначены человеку, сотруднику аттестованной сервисной службы. Автоматические оповещения об ошибках, выработанном ресурсе узлов или необходимости замены расходников превращаются в задачи пополнения запаса или устранения неисправности.

А на сообщения об отклонениях в росте зелени реагирует аргоном iFarm. Первым делом он перепроверяет соответствие реальных условий требуемым. Потом идёт по списку задач, практически идентичному разделам этой статьи. Так, что там у питомцев фермы с воздухом, климатом, энергией, питанием? Не врут ли датчики? Подозревая техническую неисправность, агроном одним нажатием подключает сотрудника сервиса в интерфейс диагностики.

27.05.2021