Jedným z takýchto zariadení, ktoré máme u nás v Ústave automatizácie, informatizácie a matematiky na Fakulte chemickej a potravinárskej technológie STU v Bratislave je inteligentný skleník pomenovaný VESNA. Tento projekt vznikol s cieľom prehĺbiť znalosti študentov v oblasti hardvéru, softvéru, tímovej práce, mäkkých zručností a kreativity pri riešení rôznych problémov a výziev. Projekt sa ukázal ako všestranné laboratórne zariadenie, ktoré je zároveň veľmi zaujímavé pre študentov, pretože systém skleníka im je blízky z domova.
Hardvérové vybavenie
Systém inteligentného skleníka VESNA je vybavený mnohými snímačmi a akčnými členmi, pomocou ktorých sú riadené atribúty vnútorného prostredia ako teplota, vlhkosť, osvetlenie alebo kvalita vzduchu. Na mieru vytvorená riadiaca elektronická platforma prepája všetky tieto komponenty a umožňuje implementáciu študentských riešení na riadenie takéhoto komplexného systému.
Inteligentný skleník VESNA je jeden meter vysoký a pol metra široký aj hlboký. Fyzická konštrukcia pozostáva z rámu z extrudovaných hliníkových profilov. Priečky sú vyplnené akrylovým sklom a dizajnovými, ale účelnými prvkami navrhnutými na mieru a vytlačenými na 3D tlačiarni.
Senzorické vybavenie skleníka tvoria teplotné snímače umiestnené vo vrchnej, strednej a spodnej časti skleníka. V strednej časti skleníka sa nachádza tiež snímač relatívnej vlhkosti vzduchu, koncentrácie oxidu uhličitého a intenzity svetla. Jeden kombinovaný snímač teploty a vlhkosti je umiestnený aj na vonkajšej strane zariadenia, určený na meranie týchto fyzikálnych veličín okolitého prostredia.
Osvetlenie v skleníku je zabezpečené LED panelom, ktorý generuje svetelné spektrum vhodné práve pre rastliny vo fáze rastu alebo kvitnutia. Prísun čerstvého vzduchu z okolia skleníka zabezpečuje dvojica ventilátorov umiestnených na pravej a ľavej strane skleníka, ako aj dvojica ventilátorov umiestnená na jeho vrchnej strane. Teplota, resp. výhrev vzduchu je riadený špeciálnym zariadením, ktoré pozostáva z dvojice teplotných snímačov na meranie teploty vzduchu na vstupe a výstupe zariadenia, ventilátora a dvojice výhrevných rezistorov, ktorých výkon možno ovládať nezávisle od seba. Je to teda samostatný dynamický proces, pomocou ktorého možno do skleníka dodávať vzduch s presne určenou teplotou.
Ďalšou dôležitou vlastnosťou vzduchu je jeho vlhkosť. Tá je zvyšovaná zariadením, ktoré doslova vháňa hmlu do vnútorného priestoru skleníka. Samostatná zavlažovacia jednotka je určená na to, aby mala pôda, v ktorej je rastlina v skleníku pestovaná, dostatočnú vlahu. Snímače vlhkosti pôdy zapichnuté v substráte, v kvetináči slúžia ako indikátor, ktorý hovorí o tom, či treba zalievať alebo nie.
Všetky tieto snímače a akčné členy ako osvetlenie, ventilátory, výhrev, zvlhčovanie a zavlažovanie sú pripojené k elektronickej doske s vlastným mikroprocesorom vytvorenej na mieru. Konkrétne ide o dvojjadrový 32-bitový mikroprocesor typu ESP32 od firmy ESPRESSIF. Obsahuje zabudovaný modul wi-fi a bluetooth, takže s ním možno komunikovať bezdrôtovo. Programovanie tohto typu mikroprocesora je realizované pomocou jazyka C++. Jediným programom teda možno snímať hodnoty meraní zo snímačov a zároveň ovládať všetky spomenuté akčné členy.
Priemyselné riešenie verzus VESNA
V dnešnej dobe už existujú veľkokapacitné skleníky vybavené mnohými priemyselnými technológiami na priestorovú reguláciu. Účel je teda rovnaký, či už v našom projekte inteligentného skleníka VESNA, alebo v prípade veľkého priemyselného skleníka – zaistiť optimálne podmienky pre pestované rastliny. Rozdiel je vo veľkosti. Okrem tohto rozdielu je tu aj rozdiel v spôsobe dosiahnutia tohto cieľa. Zatiaľ čo v priemysle sú najbežnejším nástrojom priemyselné počítače PLC, ktoré dovoľujú implementáciu jednoduchých riadiacich algoritmov, v našom prípade sa študenti učia, ako navrhnúť a aplikovať tie najpokročilejšie formy riadenia, akými sú napríklad rôzne druhy MPC (z angl. Model Predictive Control), na jednoduchom mikroprocesore. Rozdiel v použitých riadiacich algoritmoch pestované rastliny možno nezaznamenajú. No vzhľadom na to, že čím je aplikované riadenie pokročilejšie a efektívnejšie, tým viac sa šetria náklady na prevádzku takýchto zariadení, rozdiel v koncoročnom vyúčtovaní za energie môže byť markantný. Pretože ak má riadenie takého komplexného systému, akým je skleník, na starosti algoritmus, ktorý vie zohľadniť fyzikálne ohraničenia zariadenia (výhrevný výkon, prietok vzduchu, tepelnú kapacitu a pod.) a zároveň dokáže na základe matematického modelu predikovať budúci vývoj teploty či vlhkosti, tak je v konečnom dôsledku riadiaci zásah do systému optimálny.
Okrem šetrenia nákladov do hry vstupuje aj používateľská prívetivosť interakcie s takýmto systémom. Naši študenti sa na projekte VESNA učia, ako pracovať s dátami a cloudovými úložiskami a ako vizualizovať dáta vo webovom rozhraní, ktoré je ľahko pochopiteľné a prívetivé pre bežných ľudí. Všetky dáta zo snímačov skleníka VESNA sú teda posielané cez zabudovaný wi-fi modul mikroprocesora na cloudovú službu a zároveň možno všetky akčné členy cez túto službu ovládať. Použitá je služba Arduino IoT Cloud, ktorá disponuje tiež aplikačným programovým rozhraním, takže študenti dokážu systém riadiť z akéhokoľvek vlastného programu a z pohodlia domova. Tento fakt nesmierne zvyšuje flexibilitu celého inteligentného skleníka VESNA. A práve takáto flexibilita toku dát umožňuje aplikovať algoritmy strojového učenia, ktoré robia tento skleník inteligentným. Systém dokáže len na základe merania spomenutých fyzikálnych veličín vzduchu vyhodnotiť, či sú dvere skleníka otvorené, a vypnúť tak napríklad výhrev či zvlhčovanie, ktoré s otvorenými dverami nemajú zmysel a išlo by o mrhanie energiou. Zároveň systém pošle notifikáciu e-mailom správcovi, že niečo nie je v poriadku. Pomocou strojového učenia možno detegovať aj poruchy alebo disfunkciu ventilátorov a výhrevného systému. Predmetom ďalšieho výskumu je napríklad určovanie štádia rastu rastliny alebo jej chorôb na základe snímok z kamery.
Celý projekt VESNA rastie spolu so študentami, ktorí na ňom participujú, učia sa riadiť komplexné systémy, pracovať s dátami, kreatívne myslieť pri riešení problémov a aplikovať najnovšie trendy zo sveta strojového učenia, aby boli pripravení na vstup do praxe a priemyslu, a to nielen s nutným minimom, ale aj pridanou hodnotou.
Viac informácií o projekte VESNA je dostupných na stránke vesna.uiam.sk.
Peter Bakaráč
Ústav informatizácie, automatizácie a matematiky
FCHPT STU v Bratislave
peter.bakarac@stuba.sk