Rolnictwo przechodzi dynamiczną transformację, dostosowując się do nowych wyzwań związanych ze zrównoważonym rozwojem, zmianami klimatycznymi oraz coraz większymi oczekiwaniami konsumentów. Jednym z obszarów, który przechodzi fascynującą ewolucję, jest uprawa roślin w szklarniach. Szklarnie, stając się coraz bardziej popularnym narzędziem w rolnictwie, pozwalają na kontrolowanie warunków wzrostu roślin, niezależnie od warunków atmosferycznych.

Jednak tradycyjne metody zarządzania szklarnią, które opierają się na ręcznym monitorowaniu i dostosowywaniu parametrów środowiskowych, bywają czasochłonne, nieefektywne i często podatne na błędy. Dlatego coraz popularniejsze staje się automatyczne zarządzanie cieplarnią. W celu zautomatyzowania kontroli nad szklarnią i uniknięcia błędów, z pomocą przychodzi – zaawansowany Przekaźnik Programowalny Logicznie Serii 8A Finder OPTA. To urządzenie może być kluczowym elementem projektu inteligentnej szklarni, pozwalając zapewnić nam wyższą jakość i efektywność upraw oraz odpowiedni wzrost roślin.

Ustalenie priorytetów

Pierwszym etapem projektu inteligentnej szklarni jest ustalenie celów jej zarządzania. Główną koncepcją jest zoptymalizowanie warunków wzrostu roślin. W tym celu należy stale monitorować i regulować warunki upraw, takie jak nawodnienie, temperatura i poziom oświetlenia. Inteligentne zarządzanie powinno także pozwolić na efektywniejsze wykorzystanie zasobów, w tym wody i energii lub nawozów. Ponadto zoptymalizowanie warunków upraw może przyczynić się do redukcji wpływu działalności rolniczej na środowisko. Ważnym celem jest również minimalizacja ryzyka błędów ludzkich, co przekłada się na redukcję strat oraz jakość upraw. Dzięki możliwości zdalnego dostępu do danych i monitorowania z dowolnego miejsca, można uzyskać pełną kontrolę nad szklarnią.

Wiele możliwości w jednym urządzeniu

Finder OPTA wyposażona jest w osiem wejść cyfrowych/analogowych (0..10V), które umożliwiają podłączenie wielorakich czujników i urządzeń monitorujących. Na pokładzie Przekaźnika Serii 8A zamontowane są 4 wyjścia przekaźnikowe do 10A z zaciskami śrubowymi. Finder proponuje 3 modele tego urządzenia. Wersja Lite wyposażona została została w port USB C i RJ45 do ETH i Modbus TCP/IP. Model Plus wzbogacony o Modbus RS485 oraz model Advanced wzbogacony o Wi-Fi i BLE.

Jedną z głównych opcji jest możliwość korzystania z Arduino IDE, w którym używa się języka programowania opartego na C/C++. Jest to uproszczona odmiana języka C++, którą wykorzystuje się do programowania zarówno Opty, jak i mikrokontrolerów Arduino. Arduino IDE cieszy się popularnością z kilku ważnych powodów. Przede wszystkim jest to oprogramowanie Open Source, co pozwala na dostosowanie go do indywidualnych potrzeb. Dodatkowo, przekaźnik OPTA można programować w językach opartych na standardzie IEC 61131-3, takimi jak LD (język drabinkowy) lub FBD (diagram bloków funkcyjnych). Wszechstronność w zakresie programowania Opty czyni ją bardziej przystępną dla szerokiego grona użytkowników, zarówno początkujących jak i zaawansowanych.

Praktyczne rozwiązanie

Przejdźmy teraz do kwestii podłączenia czujników do Przekaźnika Programowalnego Logicznie 8A.

Temperatura

W inteligentnej szklarni kluczowym elementem jest kontrola i monitorowanie temperatury. W celu łatwego podłączenia czujnika do Opty, można wybrać taki sensor, który jest zasilany napięciem 24V. Dzięki temu można bezpośrednio zasilać taki czujnik z zacisków zasilania sterownika. Dodatkowo, aby zbierać informacje z czujnika, należy podłączyć go do jednego z wejść sterownika, na przykład wejścia „I1”, które znajduje się w górnej jego części. Jednym ze sposobów regulacji temperatury w inteligentnej szklarni jest mechanizm otwierania i zamykania okien.

Gdy w szklarni panuje zbyt wysoka temperatura, okno powinno się otworzyć, co pomoże obniżyć temperaturę wewnątrz szklarni. Natomiast, gdy czujnik wykryje zbyt niską temperaturę, okno powinno się zamknąć. Aby to osiągnąć, potrzebny jest elektryczny napęd lub siłownik, który jest zdolny do kontrolowanego ruchu okien. Taki aktuator należy podłączyć odpowiednio do wyjścia przekaźnikowego Opty. Aby móc sterować temperaturą, należy jeszcze odpowiednio zaprogramować wejście oraz wyjście przekaźnika Opta. W Arduino IDE można napisać prosty kod obsługujący mechanizm kontroli temperatury.

W celu odczytywania temperatury przez czujnik należy użyć funkcji analogRead(), która pozwala na odczyt wartości analogowej z wejścia sterownika. Dodatkowo można ustalić wartość progową temperatury (np. w stopniach Celsjusza), przy której powinno nastąpić otwarcie okna w szklarni. Należy także pamiętać o poprawnej konwersji odczytanej wartości z napięcia na temperaturę. Następnie, należy napisać prostą konstrukcję IF, która będzie sterowała wyjściem sterownika w zależności od wartości temperatury z czujnika. Kod może wyglądać następująco:

int temperatura = analogRead ( czujnikTemperaturyPin );
int prógOtwarciaOkna = 30;    // temperatura [°C]
if ( temperatura > prógOtwarciaOkna ) {
digitalWrite ( aktuatorPIN, HIGH ); }
else {
digitalWrite ( aktuatorPIN, LOW ); } }

Nawadnianie

Kolejnym ważnym aspektem w inteligentnej szklarni jest automatyczne podlewanie roślin. Jest to kluczowa funkcja, która pozwala na utrzymanie odpowiedniego poziomu wilgoci gleby. Podobnie jak w przypadku monitorowania temperatury, również tutaj potrzebny jest odpowiedni sensor. Następnie ten czujnik trzeba podłączyć do jednego z wejść sterownika, np. wejścia „I2”, co umożliwi odczytywanie poziomu wilgotności.

Przejdźmy teraz do kwestii nawadniania roślin. W celu automatycznego nawadniania można użyć jednego z wyjść sterownika, które będzie sterowało elektrozaworem. Jeśli czujnik wilgotności wskaże zbyt niski poziom wilgotności, to wyjście załączy elektrozawór. Ważne jest, aby w kodzie programu ustawić odpowiednio czas, przez jaki wyjście „I2” jest załączone, aby uniknąć nadmiernego podlewania roślin. Dodatkowo po podlaniu, należy ustawić odpowiednie opóźnienie (np. 5 minut), aby woda zdążyła wsiąknąć w podłoże rośliny. Kod kontrolujący nawodnienie roślin może wyglądać w ten sposób:

int czasNawadniania = 5000;    // czas [ms]
int prógWilgotności = 50;    // wilgotność [%]
int wilgotność = analogRead ( czujnikWilgotnościPIN );
if ( wilgotność < prógWilgotności ) {
digitalWrite ( OUTPUT, HIGH );
delay( czasNawadniania );
digitalWrite ( OUTPUT, LOW);
delay( 300000 );   // czas [ms] }

Oświetlenie

W projekcie inteligentnej szklarni nie można zapomnieć o sterowaniu oświetleniem. Odpowiedni cykl światła i ciemności jest ważny dla procesu fotosyntezy, który jest niezbędny do wzrostu roślin. Sterowanie oświetleniem pozwala na kontrolowanie długości dnia, a sztuczne oświetlanie pozwala na utrzymanie ciągłego cyklu wzrostu, nawet w okresach, gdy naturalne światło słoneczne jest niewystarczające. W celu monitorowania oświetlenia można zastosować czujnik oświetlenia, który umożliwia dokładne monitorowanie ilości światła docierającego do roślin w szklarni. Czujnik pomaga w określeniu, czy ilość naturalnego światła jest wystarczająca lub czy konieczne jest uzupełnienie oświetleniem sztucznym. Czujnik oświetlenia można podłączyć do wejścia sterownika, np. „I3”, tak samo jak poprzednie dwa omawiane czujniki.

Aby doświetlać roślinę światłem sztucznym, potrzebna jest lampa, np. typu LED. Lampę tę można podłączyć do wyjścia sterownika Opta. Jeśli czujnik wykryje zbyt mało naturalnego światła w danym miejscu szklarni, system oświetlenia LED zostanie włączony, aby zwiększyć poziom światła. Jest to sterowane za pomocą programu, który załącza wyjście LED. W ten sposób zapewniona jest optymalna ilość światła dla roślin, co przyczynia się do ich zdrowego wzrostu i rozwoju. Kod, który steruje oświetleniem może wyglądać w sposób następujący:

int prógOświetlenia = 2000;   // natężenie światła [lux]
int oświetlenie = analogRead ( czujnikOswietleniaPIN );
if ( oświetlenie < prógOświetlenia ) {
digitalWrite ( LedPIN, HIGH ); }
else {
digitalWrite ( LedPIN, LOW ); } }

Opisane powyżej czujniki wraz z systemami sterowania przekształcają zwykłą szklarnię w inteligentną. Ponadto, warto rozważyć dodatkowe udogodnienia, które usprawnią zarzadzanie taką cieplarnią.

Interesującym i przydatnym elementem w inteligentnej szklarni może być wyświetlacz. Na jego ekranie można prezentować odczyty z czujników, co umożliwia użytkownikowi monitorowanie i w razie potrzeby ręczną kontrolę poziomu wilgotności, temperatur i wielu innych danych. Finder OPTA jest wyposażona w łącze komunikacyjne RS485, które umożliwia podłączenie wyświetlacza zgodnego z tym protokołem, z powodzeniem można również zastosować tablet a dane przechowywać i obrabiać w Arduino IoT Cloud. Dzięki temu użytkownik może śledzić odczyty z czujników i sterować procesami w szklarni z dowolnego miejsca na świecie, co znacząco ułatwia zarządzanie inteligentną szklarnią.

Szklarnia 4.0 – to tylko początek

Przedstawione w tym tekście przykłady to tylko mały wycinek możliwości, jakie daje OPTA w zarządzaniu produkcją rolniczą. Odczyty i procesowanie w tym niewielkim acz bardzo wszechstronnym urządzeniu mogą zastąpić pracę ludzką na wielu płaszczyznach. Przekaźnik serii Finder 8A to nie tylko proste załącz/rozłącz. To praktycznie cały komputer, który może być zastosowany przy mieszalnikach nawozów (czujniki PH i składników mineralnych w glebie), predykcyjności urządzeń (takich jak pompy, silniki), selekcja wagowa i gabarytowa produktów rolnych (czujniki optyczne)… Optę stosować można wszędzie, jedynym ograniczeniem jest wyobraźnia. Jednak gwarantujemy, że jeśli postawicie pierwsze kroki w świecie przekaźnika programowalnego, będziecie rozwijali projekt swojej inteligentnej szklarni.

źródło: FINDER Polska