Autonómne hydroponické systémy (1)

Úvod do projektu G.E.C.K. – Garden of Eden Creation Kit

V tejto časti seriálu bude prezentovaná základná myšlienka, motivácia a ciele projektu G.E.C.K. Nasledujúce časti sa budú venovať špecifikácii výskumných cieľov projektu, návrhu realizácie experimentov a jeho technologickej časti. Vzhľadom na jeho viacodborový charakter ponúknu svoje postrehy odborníci z automatizácie, poľnohospodárstva a botaniky.

Cieľom projektu G.E.C.K. je navrhnúť a vyvinúť rôzne typy hydroponických a aeroponických systémov s vysokou úrovňou autonómie. Názov projektu G.E.C.K. bol inšpirovaný známou postapokalyptickou počítačovou hrou Fallout. Garden of Eden Creation Kit bolo zariadenie schopné radikálne zmeniť pustatinu a transformovať neúrodnú, rádioaktívnu pôdu na prostredie vhodné na farmárčenie.

Hlavnou motiváciou celého projektu je zachovanie udržateľnosti v produkcii potravín a potravinovej bezpečnosti či už na území Slovenskej republiky, alebo celosvetovo. Základnými myšlienkami v pozadí sú plná automatizácia procesov, škálovateľnosť, vzdialený monitoring a správa a skorá detekcia chýb hydroponických a aeroponických systémov pre domácu a podnikateľskú sféru produkcie potravín. Nasadenie moderných technológií a aplikácie rôznych metód umelej inteligencie preto zohrávajú v tomto projekte kľúčovú úlohu.

Produkcia potravín využitím hydroponických a aeroponických systémov sa vyznačuje viacerými výhodami oproti klasickým prístupom aplikovaným v poľnohospodárstve. Oba prístupy, hydropónia aj aeropónia, patria k vysoko efektívnym metódam pestovania rastlín bez toho, aby sa korene rastlín dostali do kontaktu s pôdou. Možno ich použiť v uzavretých aj otvorených priestoroch a relatívne jednoducho automatizovať, čo eliminuje potrebu zvýšenej starostlivosti zo strany pestovateľa. Navyše takéto systémy disponujú nasledujúcimi výhodami [2, 3, 4, 5]:

• Nie je potrebná pôda, žiadne znečistenie živín.
• Použitá voda cirkuluje v systéme, takže môže byť znova použitá.
• Nízke požiadavky na živiny, možnosť vysokej kontroly nad prísunom živín.
• Stabilné a vysoké výnosy, zdravšie rastliny, keďže sa nepoužívajú pesticídy.
• Energeticky úsporné, jednoduchý zber úrody.

Napriek mnohým ich podobným vlastnostiam (aeropónia je prakticky typom hydropónie) majú aeroponické a hydroponické techniky aj zásadné rozdiely. Hlavným je v prípade aeropónie vynechanie médií, v ktorých sú uložené korene rastlín. Hydroponické systémy takéto médium vyžadujú. Takisto distribúcia živín je rozdielna. Kým pri hydroponických systémoch môžu byť rastliny aj celý čas z časti ponorené vo vode alebo živiny môžu byť distribuované kontinuálnym či prerušovaným tokom živného roztoku, pri aeroponických systémoch rastliny nie sú v kontakte s roztokom ani minútu. Namiesto toho je distribúcia živín zabezpečená sprejovaním, prípadne hmlením visiacich koreňov a spodných častí stoniek roztokom obohateným živinami viackrát za hodinu. Hlavnou výhodou je uchovávanie rastlín v relatívne izolovanom prostredí, takže šírenie chorôb je značne obmedzené, kým pri hydroponických systémoch existuje riziko rozšírenia nákazy distribučným systémom živín od rastlinky k rastlinke. Ďalšou značnou výhodou aeroponických systémov je zásobovanie koreňovej zóny, stoniek a listov maximálnym množstvom dostupného kyslíka a oxidu uhličitého, výrazne prispievajúcim k akcelerácii rastu a redukcii času zakoreňovania [4].

Podľa štúdie NASA spotrebujú aeroponické systémy o 65 percent menej vody ako hydroponické a rastliny potrebujú len štvrtinu dodaných živín oproti hydroponicky pestovaným rastlinám [4, 6]. Hlavným problémom oboch systémov a špeciálne aeroponických je fakt, že bez prirodzeného zásobníka vlhkosti aj živín, bez pôdy, rezultuje akákoľvek porucha distribučného systému v rapídny úhyn rastlín. Práve preto musia byť použité sofistikovanejšie metódy na skorú detekciu chýb v systéme, monitorovanie v reálnom čase, riadenie a automatizáciu takýchto systémov. Využitie metód umelej inteligencie v hydroponických a aeroponických systémoch môže viesť nielen k skorej detekcii porúch, pričom sa tak možno vyvarovať poškodenia pestovaných rastlín; spomínané metódy môžu takisto pomôcť pri plnej automatizácii všetkých procesov prebiehajúcich a potrebných pri aeropónii a hydropónii a adaptovať systém aktuálnym potrebám pestovanej rastliny v reálnom čase len s malou intervenciou ľudského operátora alebo bez nej. Môžu tiež prispieť k minimalizácii prevádzkových nákladov a urobiť tak celý proces efektívnejším a výnosnejším aj z obchodného hľadiska.

Projekt G.E.C.K. sa zameriava práve na využitie cenovo dostupných technológií v kombinácii s pokročilými metódami umelej inteligencie. Nasledujúci obrázok opisuje základnú riadiacu štruktúru semiautonómneho až plne autonómneho hydroponického alebo aeroponického systému.

Celkovú riadiacu štruktúru možno rozdeliť do troch hlavných častí. Prvá časť, najväčšia, na obr. 2 dole, predstavuje hardvérové riešenie daného hydroponického systému. Tvorí ju základná riadiaca jednotka, snímače, aktuátory a, samozrejme, samotné potrubia a príslušenstvo systému. V projekte G.E.C.K. predstavuje riadiacu jednotku pre jej kompaktné rozmery mini počítač Raspberry Pi. Za aktuátory v tomto prípade považujeme pumpy na distribúciu živného roztoku, jeho úpravu, rôzne motory na úpravu cirkulácie vzduchu, vetrania a podobne. Z oblasti snímania veličín sú zaujímavé hlavne teplota živného roztoku, pH, EC roztoku, teplota vzduchu v oblasti koreňa rastliny, teplota v oblasti listov rastliny, vlhkosť vzduchu, miera osvetlenia, prietoky v potrubiach a mnoho ďalších, ktoré si podrobne rozoberieme v nasledujúcich častiach seriálu. 

Druhú časť štruktúry predstavuje cloudové riešenie postavené na technológii Microsoft Azure (na obr. 2 vľavo hore). Keďže výpočtový výkon riadiacej jednotky Raspberry Pi nie je vysoký, časť výpočtov možno vykonávať externe. Cloudové riešenie v tomto prípade zohráva dôležitú úlohu pri vzdialenej komunikácii operátora s riadiacou jednotkou, teda s hydroponickým systémom, alebo poskytuje priestor na optimalizačné výpočty, diagnostiku porúch a podobne.
Tretia časť základnej riadiacej štruktúry predstavuje samotných klientov. Vďaka nasadeniu cloudových technológií možno riadenie a monitoring uskutočniť z akýchkoľvek zariadení nezávisle od platformy.

V budúcej časti seriálu poskytneme pohľad odborníkov z oblasti botaniky a poľnohospodárstva na danú problematiku, nasledovaný analýzou technickej a softvérovej stránky projektu. Keďže projekt má aj vedecko-výskumný potenciál, opíšeme navrhované experimenty a spôsoby ich realizácie a vyhodnotenia spoločne so špecialistami v oblasti botaniky. Projekt G.E.C.K. sa tak postupne stáva výsledkom kooperácie odborníkov z oblasti umelej inteligencie, kybernetiky, automatizácie, strojárstva a botaniky. Vznikol s finančnou podporou Nadácie Tatrabanky.

Literatúra
[1] World Population Prospects: The 2012 Revision. UN Press Release, New York, 13th June 2013.
[2] Pittinger, D. R.: Introduction to Horticulture. Chapter 2 from California Master Gardener Handbook (Publication 3382). The Regents of the University of California, Division of Agriculture and Natural Resources, 2002.
[3] Doyle, O. – Aldous, D. – Barrett-Mold, H. – Bijzet, Z. – Darnell, R. – Martin, B. – McEvilly, G. – R. Stephenson: Defining Horticulture, Horticulturist and Horticultural Scientist. Ad Hoc Committee for Global Horticulture Advocacy. Ed. O. Doyle. University College Dublin Ireland 2012.
[4] NASA Spinoff. Innovative Partnership Program. Publications and Graphics Department NASA Center for Aerospace Information (CASI) 2006.
[5] Sholto, D. J.: Advanced guide to hydroponics. No. new edition, Pelham Books 1985.
[6] Ritter, E. – Angulo, B. – Riga, P. – Herran, C. – Relloso, J. – San Jose, M.: Comparison of hydroponic and aeroponic cultivation systems for the production of potato minitubers. Potato research, 2001, 44, pp. 127 – 135.