Николаева Е.В.
ПРИМЕНЕНИЕ ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В РАБОТЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ФЕРМ *
Аннотация:
в статье рассматривается вопрос эффективности использования имеющихся ресурсов за счет совершенствования технологии вертикального фермерства. Благодаря внедрению систем управления микроклиматом в мировой практике распространяется применение вертикального земледелия, так как оно позволяет получать больше продукции с меньшей площади выращивания, повышать качество (безопасность) продукции и выращивать урожай круглый год, вне зависимости от условий окружающей среды.
Ключевые слова:
вертикальные фермы, вертикальное земледелие, политические факторы, экономические факторы, социокультурные факторы, технологические факторы, экологические факторы, цифровые технологии.
Первоначально будут исследованы внешние факторы, которые могли бы повлиять на бизнес, связанный с вертикальным земледелием в агрокультурном сегменте.Политические факторы - в настоящее время Россия сталкивается с чередой санкций, из-за которых у определенных цепочек поставок товаров, экспортируемых из других стран, могут возникнуть транспортные проблемы. Поскольку все необходимые материалы для вертикальной фермы производятся компаниями из Китая, в ближайшее время не должно возникнуть никаких проблем с логистикой, связанных с политическими отношениями [1].Экономические факторы - инфляция в России в 2022 году составила 13,77 процента и заняла 35-е место, что говорит о том, что стартапам необходимо быть готовыми к возможным скачкам цен и снижению покупательной способности потенциальных клиентов, это несколько затрудняет внедрение бизнеса, но со стратегиями снижения затрат и повысить эффективность, например, за счет оптимизации логистики товаров, можно вернуть потребительский спрос на продукт [3].Социокультурные факторы - согласно данным, собранным Всероссийским центром изучения общественного мнения. 16% всех городских жителей имеют загородный дом для всесезонного использования, из которых 70% используют его для выращивания продуктов питания для семейного потребления, что указывает на то, что большинство людей, которым нужен загородный дом, используют его для выращивания продуктов питания и только 3% используют его для выращивания продуктов питания на продажу. Таким образом, остальные 84% людей, у которых нет сезонной дачи, не имеют доступа к выращиванию продуктов питания самостоятельно. В России наиболее распространенной технологией является iFarm, которая нацелена на массовое производство растений для продажи, также существовали небольшие компании, которые продавали потребителям вертикальные фермы, в большинстве случаев продажа включает описание того, как используется продукт, что указывает на то, что эта технология не распространена среди фермеров и население, следовательно, потенциальный клиент должен быть подготовлен и объяснен механизм использования вертикальной фермы.Технологические факторы - разработка вертикальной фермы состоит из программного обеспечения китайских компонентов, которое может быть написано на любом языке программирования, используемом для встраиваемой разработки, что обуславливает доступность написания необходимого программного обеспечения для вертикальной фермы. Прорыв в энергетическом секторе, позволяющий компенсировать затраты энергии на растениеводство, помог бы расширить распространение вертикальных ферм. Доступ к инновациям является ключевым фактором вертикального развития фермерских хозяйств, который необходим для поддержания разработки продукта и поддержания его актуальности на рынке.Экологические факторы - вертикальная ферма направлена на оптимизацию потребления человеком ресурсов для производства продуктов питания, улучшение их биологического состояния и сокращение объема земли, необходимого для воспроизводства продукции, что оказывает положительное влияние на окружающую среду. Поскольку вертикальная ферма является инновационным решением, в будущем она может использовать возобновляемые источники энергии.Юридические факторы - в случае инновационного продукта, такого как дистанционное управление вертикальной фермой, необходимо запатентовать разработку, включая программное обеспечение, для дальнейшего использования, а также зарегистрировать товарный знак.Процесс создания вертикальной фермы напрямую связан с концепцией Интернета вещей и требует использования компонентов, взаимодействующих с окружающей средой, обрабатывающих информацию и использующих ее для обеспечения работоспособности вертикальной фермы. В ходе изучения литературы было принято решение использовать штабелируемые транспортные контейнеры из-за необходимости использования этой технологии в помещениях, которые не могут быть полностью ограничены внешними факторами, кроме того, такое решение учитывает использование ламп для дополнительного освещения в любое время, что способствует использованию солнечного света когда он доступен, а лампа в его дефиците, что позволяет экономить полезную энергию. Контейнер также может быть прозрачным, что дает больше свободы выбора при принятии решения о размещении вертикальной фермы. Кроме того, в связи с исследованием вертикальных ферм было решено использовать процесс аэропоники из-за его экономичного использования ресурсов, на 90% меньшего расхода воды для питания растений, на 60% меньшего количества удобрений и увеличения урожайности сельскохозяйственных культур на 45-75%.После определения системы и процесса выращивания необходимо было определить технологию, которая будет использоваться для воссоздания прототипа. Ключевым элементом при создании вертикальной фермы являются микрочипы с контроллером и процессором для облегчения работы датчиков и внешних модулей. К первому прототипу продукта были определены следующие требования: 1) Возможность подключения к Интернету через Wi-Fi; 2) Возможность подключения к другим устройствам через Bluetooth; 3) Контроль уровня влажности и температуры; 4) Подача воды и распыление к корням растений; 5) Датчик освещенности; 6) Люминесцентная лампа. Были выбраны три чипа, которые находятся примерно в одном ценовом диапазоне: ESP32, ESP8266 и Arduino Uno R3. Таблица 1. Сравнение процессоровНазвание процессора_x0007_Модуль Wi-Fi_x0007_Модуль Bluetooth_x0007_Цена (шт.)_x0007_Объем оперативной памяти _x0007_Наличие интерфейсов i2c_x0007__x0007_ESP32_x0007_Интегриро-ванный_x0007_Интегриро-ванный_x0007_499_x0007_512_x0007_+_x0007__x0007_ESP8266_x0007_Интегриро-ванный_x0007_Нет _x0007_337_x0007_96_x0007_+_x0007__x0007_Arduino Uno R3_x0007_Интегриро-ванный_x0007_Нет_x0007_569_x0007_2_x0007_+_x0007__x0007_Все контроллеры, описанные в таблице 1, имеют встроенные модули Wi-Fi, но только ESP32 имеет встроенный модуль Bluetooth, который можно использовать для настройки доступа в Интернет при первоначальном запуске вертикальной фермы, например, SSID и сетевой пароль. С точки зрения цены, ESP8266 был наименее дорогим, за ним следовали ESP32 и Arduino Uno. Что касается объема памяти, который будет использоваться при запуске кода среды выполнения, то ESP32 обладает самым большим объемом памяти. Эта память может быть использована для более детального изучения процесса выращивания растения, что поможет улучшить качество вертикальной фермы. Все микроконтроллеры имели интерфейсы i2c. После изучения микроконтроллеров было решено использовать ESP32 из-за обилия оперативной памяти и доступной цены. Компанией-разработчиком этого процессора является Espressif System, расположенная в Китае.Следующим шагом был выбор ранее описанных датчиков окружающей среды. Мы выбрали 4 кандидата для датчиков температуры и влажности: Датчик температуры и влажности Grove, датчик температуры и влажности Grove Pro, датчик температуры и влажности DHT22 и датчик температуры и влажности DHT11. Далее определим ключевые факторы для выбора датчика, следующие критерии для таблицы 2: диапазон измерения температуры, точность измерения температуры, диапазон измерения влажности, точность измерения влажности и цена.Таблица 2. Сравнение датчиков температуры и влажностиНаимено-вание датчика_x0007_Диапазон измерения температу-ры (°C)_x0007_Точность измерения температуры (°C)_x0007_Диапазон измерения влажности (%RH )_x0007_Точность измерения влажности (%RH )_x0007_Цена (шт.)_x0007__x0007_Grove – Temperature&Humidity Sensor,_x0007_0 to 70_x0007_+- 0.5_x0007_0 to 80_x0007_+- 4.6_x0007_2,330_x0007__x0007_Grove – Temperature&Humidity Sensor Pro_x0007_-40 to 80_x0007_+- 0.5_x0007_5 to 99_x0007_+- 2_x0007_2,530_x0007__x0007_DHT22 Temperature-Humidity Sensor_x0007_-40 to 80 _x0007_+- 0.5_x0007_0 to 99.9 _x0007_+- 2 _x0007_1,033_x0007__x0007_DHT11 Temperature-Humidity Sensor_x0007_0 to 50 _x0007_+- 2 _x0007_20 to 95 _x0007_+- 5 _x0007_400_x0007__x0007_На основе сбора данных о датчиках-кандидатах, приведенных в таблице 2, были сделаны следующие выводы. Датчики Grove слишком дороги для продукта с довольно скромными возможностями по сравнению с DHT, DHT, в свою очередь, имеет две версии 22 и 11, поскольку прототип продукта не обеспечивает систему поддержания комфортной температуры установки однако при эксплуатации такого изделия предполагается, что температура системы будет ниже нуля, поэтому DHT22 становится основным датчиком-кандидатом для определения температуры и влажности окружающей среды.Вертикальная ферма должна обеспечивать своевременный доступ к питательным веществам путем распыления воды с полезными питательными веществами в результате информации о влажности корней растения. Технически, чтобы обеспечить растение нужными питательными веществами в нужное время, необходим датчик для контроля уровня влажности растения, а также насос для сбора насыщенной питательными веществами воды и транспортировки ее к корням растения. Одним из вариантов является садовый микронасос с двигателем постоянного тока напряжением 3-6 В, но после изучения использования этого продукта другими покупателями выяснилось, что этот микронасос имеет очень короткий срок службы, что делает его неликвидным для данного проекта, следуя отзывам, чаще всего этот продукт выходил из строя после нескольких включений. Следующим кандидатом был микронасос RS-360SH, этот продукт представлял собой насос погружного типа, производительностью 1,5 литра в минуту, что соответствовало потребностям проекта, подключение этого насоса осуществляется с помощью реле. Чтобы заставить насос работать, необходимо ранее упомянутое реле, которое помогает закорачивать и размыкать различные участки электрических цепей.Для предоставления информации и контроля количества света, подаваемого растениям-прототипам продукта, необходимо было контролировать уровень освещенности выращиваемых растений, для сбора таких данных будет использоваться модуль интенсивности света, который предоставит контроллеру информацию и солнечный свет для применения дальнейших возможных действий. Из-за отсутствия набора содержимого для анализа был выбран датчик освещенности BH1750FVI, который позволяет ему различать более 60 тысяч градаций освещенности.В результате сбора информации о количестве света, которое растение получает из окружающей среды, необходимо разработать механизм поддержания необходимого уровня освещенности при недостатке солнечного света. Такой механизм будет руководствоваться данными, получаемыми датчиком BH1750FVI, а затем с помощью реле подавать ток на лампу, чтобы активировать ее. Воздействие ламп на растения определяется длиной волны, которая влияет на то, сколько света будет исходить от лампы. Итак, компания SpecGrade LED lighting company указывает три основных цвета для растений: синий – необходим растению в фазе прорастания и способствует развитию корней, фиолетовый – способствует росту листьев и развитию растения, красный – эффективен в фазе цветения. Желтый, белый и зеленый - наименее эффективные и влиятельные цвета для растения. Таким образом, для достижения максимального эффекта на процесс развития растений необходимо выбрать светодиод, имеющий в своем спектре необходимые цвета для их дальнейшего использования на разных стадиях развития растений. Для создания прототипа продукта фиолетовый цвет был определен в качестве основного цвета для обеспечения необходимого освещения, таким образом, была выбрана фиолетовая светодиодная лента с фиолетовым УФ-спектром, а для управления такой полосой был выбран адаптер USB 3.0, подключенный к ESP32 для дальнейшего управления полосой.Для подключения таких частей вертикальной фермы, как насос и потенциальная светодиодная лента, лампа, которая обеспечивает растение светом, необходимо использовать реле для подключения таких механизмов к электросети, которое позволяет создавать и разрывать электрические цепи для управления этими компонентами. Для этой цели нам понадобятся два одноканальных релейных модуля.Все вышеописанные приборы для воссоздания вертикальной фермы требуют для своей функциональности источника питания, поскольку такая ферма предполагает автономную работу, необходимо было выбрать источник питания с подходящим напряжением, основным кандидатом на такой источник питания был блок питания 12 В вместе с приобретенным преобразователем напряжения, который можно было бы снизить напряжение, чтобы распространить использование такого источника питания, например, для питания ленты требовалось напряжение 5 В.Таким образом, мы подобрали необходимые инструменты для создания вертикальной фермы, механизм работы включал мониторинг уровня влажности в отсеке с корнями растений, когда желаемый уровень влажности снижается, программное обеспечение, установленное на мониторах ESP32, закачивает воду для дальнейшего распыления воды на корни растений, существуют также датчики температуры и освещенности растений, эти датчики могут быть использованы при разработке такой системы, поставляемой в виде отдельной конфигурации, например, датчик освещенности. В будущих версиях продукта тот же механизм может быть использован для поддержания температуры в установке. Кроме того, стоит рассмотреть различные расходные материалы, такие как провода, платы, резисторы и другие компоненты.На рынке вертикальных ферм существует множество аналогов от других компаний, для поиска и изучения технических характеристик которых был использован Яндекс.Маркет, среди найденных конкурентов выделяются следующие компании HobbyFarm, VegeBox, Shenpu, GROW VITAMINS. Для сравнения будут использоваться следующие критерии: климат-контроль, управление освещением, пульт дистанционного управления, интерес клиентов, цена.Таблица 3. Сравнение конкурентовName_x0007_Климат-контроль_x0007_Управле-ние освеще-нием_x0007_Remote control_x0007_Пульт дистан-ционного управле-ния_x0007_Интерес клиентов_x0007_Цена_x0007__x0007_Indoor Hydroponik Smart Garden _x0007_+_x0007_+_x0007_-_x0007_-_x0007_536p/2m_x0007_7,188_x0007__x0007_HobbyFarm Mini_x0007_+_x0007_+_x0007_-_x0007_-_x0007_182p/2m_x0007_6,440_x0007__x0007_GrowVitamins_x0007_+_x0007_+_x0007_-_x0007_-_x0007_126p/2m_x0007_9,200_x0007__x0007_DQ1300_x0007_+_x0007_+_x0007_-_x0007_-_x0007_1,050p/2m_x0007_4,100_x0007__x0007_Рассматривались только те товары, в которых был заинтересован потребитель, видно, что интерес есть, но на платформе была оставлена всего пара отзывов, свидетельствующих о том, что потребитель заинтересован, но не доходит до стадии покупки. Все выбранные для анализа продукты имеют простое управление освещением и поливом, судя по описанию, существуют предопределенные схемы управления вертикальной фермой, которые никак нельзя настроить, кроме того, освещение не учитывает свет от солнца, что может потребовать ненужных затрат электроэнергии, стоимость таких изделий, в которых потребительский интерес колеблется от 4100 до 9200 рублей, при этом материал и функциональность не отличаются друг от друга, из этого может стать понятен интерес к самым дешевым дополнительно, концепция вертикальных ферм предполагает возможность расширения, чего не хватает всем этим устройствам, что делает невозможным для потенциального пользователя масштабирование такой конструкции, что значительно снижает конечную выгоду для пользователя, поскольку такая конструкция не уменьшает площадь для выращивания растения из-за невозможность масштабирования по вертикали. Кроме того, ни один из представленных продуктов не обладает функциональностью удаленного отслеживания и управления продукцией, которая является особенностью этого стартапа и позволяет пользователю контролировать процессы выращивания, а также самостоятельно настраивать полив и освещение, что создает дополнительную ценность.Автоматизация вертикальной фермы позволяет своим пользователям: ( существенно сократить количество расходов на высокооплачиваемых работников фермы; ( пользоваться обширной библиотекой «рецептов» для наиболее эффективного выращивания растений; ( автоматически рассчитывать необходимые параметры для работы техники на ферме; ( получать прогнозы урожайности разных культур и объема продаж, на основе аналитики Big Data.
Номер журнала Вестник науки №10 (67) том 3
Ссылка для цитирования:
Николаева Е.В. ПРИМЕНЕНИЕ ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В РАБОТЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ФЕРМ // Вестник науки №10 (67) том 3. С. 514 - 525. 2023 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/10306 (дата обращения: 17.05.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2023. 16+