Умные теплицы

Рост численности населения, изменения климата и урбанизация приводят к большему спросу на продукты. К примеру, в эффективном выращивании агрокультур даже в северных широтах помогают умные теплицы.

Что такое умная теплица

Появление умных теплиц и оранжерей произвело революцию в сельском хозяйстве, позволив, к примеру, более эффективно выращивать экзотические фрукты в северных широтах. В основе любой умной теплицы – датчики, исполнительные механизмы, системы мониторинга и управления, которые в комплексе позволяют оптимизировать многие факторы и условия роста агрокультур.

Умная теплица – это полностью автоматизированная конструкция, призванная облегчить процесс выращивания агрокультур и минимизировать использование ручного труда. Этот сельскохозяйственный объект включает в себя микроконтроллеры, датчики и приложения Интернета вещей.

Часто умные теплицы работают в синхронизации с другими технологическими решениями, например, технологиями автоматического полива и системами HVAC. Интеллектуальные датчики фиксируют данные о росте растений, орошении, наличии вредителей и освещении и отправляют их на локальный или облачный сервер. Веб-консоль администратора позволяет фермерам настраивать параметры системы и интегрировать ее с другими решениями. Мобильное приложение генерирует оповещения и отчеты о производительности теплицы IoT.

По типу умные теплицы можно разделить на те, где используются гидропоника (выращивание агрокультур без почвы) и обычное выращивание агрокультур в грунте. Аналитики MarketsandMarkets отмечают, что на рынке преобладают решения грунтового выращивания.

Ключевыми для умных теплиц стали такие технологии, как:

• LED-проекторы для роста растений;

• технологии подключения;

• ирригационные системы;

• клапаны и насосы;

• системы мониторинга;

• системы управления.

Какие технологии делают теплицы умными

По мнению аналитиков MarketsandMarkets, на рынке умных теплиц главенствуют технологии HVAC и LED-фитоламп.

HVAC

HVAC-оборудование – это комплекс, состоящий из систем отопления, вентиляции и кондиционирования помещений. Задача HVAC–систем в теплицах и оранжереях – поддерживать идеальную температуру для круглогодичного выращивания конкретной культивируемой агрокультуры или экзотических растений, сглаживая негативные факторы окружающей среды. Преимущества HVAC заключаются в минимизации операционных затрат.

Светодиодные (LED) проекторы

При помощи светодиодов легко обеспечивается дополнительное освещение культивируемых агрокультур в теплице или оранжерее. Лучшие системы освещения имеют компактный дизайн и долгий срок эксплуатации (от 30 до 50 тыс. часов) и расходуют меньше энергии.

Датчики

В зависимости от потребностей фермеров, возможны любые комбинации датчиков: температурные датчики, датчики влажности, датчики экспонометра, датчики состава почвы (кислотность, химический состав), датчики точки росы, датчики контроля качества воды для полива и т.д.

управление датчиками при помощи специального блока

Сети

Для связи датчиков используются проводные или беспроводные сети. В удаленных районах могут быть задействованы LPWAN, такие, как LoRaWAN, RF, NB-IoT и т.д. Как правило, для связи используются сети не лицензируемого диапазона, что во многих случаях сокращает стоимость использования оборудования, абонплату за сервис и т.д.

вариант подключения

Десктопные и мобильные приложения

Системы мониторинга, как правило, имеют наглядный и интуитивно-понятный интерфейс. Контролировать все процессы можно с помощью планшета, смартфона, ноутбука.

Преимущества автоматизации теплиц

Защита от перепадов температуры и экстремальных температур

Поддержание и контроль диапазона температур в тепличной среде имеет решающее значение. Колебания температуры могут повредить или убить растения в течении нескольких часов. Системы дистанционного мониторинга защищают ценные растения от экстремальных температурных колебаний.

Контроль инвентаря и другого оборудования

Кроме поддержания оптимальной температуры необходимо обеспечить сохранность инвентаря и эффективную работу систем кондиционирования, поддержания влажности и т.д.

Чем раньше фермер обнаруживает падение температуры или отказ оборудования, тем больше вероятность сохранить имущество и растения.  Системы удаленного мониторинга отправляют обновления в режиме реального времени, поэтому сотрудники предприятия могут оперативно реагировать на угрозы.

Мониторинг ситуации

Если какое-либо условие выходит за пределы предварительно установленного диапазона, то устройства или система немедленно предупреждают ответственных сотрудников по телефону, через электронную почту или SMS. Уведомления о нештатных ситуациях обычно оповещают фермеров о:

• Понижении температуры;

• Плохой вентиляции;

• Высоком уровне углекислого газа;

• Изменении влажности;

• Отказе оборудования;

• Утечке воды.

Профилактика заболеваний в период вегетации

Во время вегетационного периода системы в умных теплицах могут контролировать различные условия окружающей среды. Для этого используются как проводные, так и беспроводные датчики. Поддержание заданных параметров температуры, уровня влажности, освещения, циркуляции воздуха имеют решающее значение для предотвращения появления плесени, болезней и максимизации урожайности растений.

Строительство умной теплицы

Для строительства умной теплицы необходимо выбрать надежного поставщика IoT-оборудования и сервисов, за плечами которой ни один проект в сфере умного сельского хозяйства. Поставщик подбирает правильный стек технологий для проекта на основе многих факторов:

• размер тепличного хозяйства;

• тип агрокультур;

• реализованные технические решения.

Необходимое количество IoT-датчиков рассчитывается индивидуально. Как правило, один датчик в зависимости от предназначения способен охватить до 30 кв. метров пахотных земель. Микроконтроллеры датчиков потребляют очень мало энергии (150 ма с активной передачей данных в сетях BLE и Wi-Fi и всего 5 ма с включенным режимом глубокого сна).

Следующий шаг – обеспечение связи между микроконтроллерами, входящими в систему IoT. Для этого необходимо выбрать тип подключения. Затем требуется сконфигурировать сервер, управляющий датчиками и системами в умной теплице. Следующим шагом станет настройка программного обеспечения. Продвинутые системы используют интуитивно понятный интерфейс, в котором датчики добавляются по нажатию кнопки. Каждому датчику можно задать свое имя, а территории умной теплицы можно разделить на секторы. Отслеживать информацию можно как по секторам, так и в целом. Последним этапом создания умной теплицы становится настройка мобильных или веб-приложений и частоте оповещений о работе датчиков в нормальном режиме и экстренных предупреждениях о внештатных ситуациях.

Где реализованы проекты умных теплиц

Умные теплицы используются в основном в северных широтах. В условиях экстремального земледелия невозможно эффективно выращивать даже овощи, не говоря уже об экзотических фруктах. К примеру, население Ямало-Ненецкого автономного округ (ЯНАО; 540 тыс. человек) потребляет в год 11 тыс. тонн огурцов и томатов. Однако только 18 тонн этих овощей выращивается в теплицах региона.

Если производство находится далеко, то доставка агропродукции в ЯНАО серьезно отразится на итоговой стоимости. Обычно жители региона потребляют овощи и фрукты из других регионов России и стран ближнего зарубежья. Поэтому в столице региона – Салехарде, к 2020 году планируется построить тепличный комплекс площадью 1 га. Этот комплекс рассчитан на производство 1 тыс. тонн овощей ежегодно.

В Китае создали приложение для смартфонов, которое управляет многими процессами (полив, внесение удобрений, контроль температуры и влажности воздуха) в умной теплице. Площадь комплекса – 0,5 га.  Разработчики отметили, что воду и питательные вещества система доставляет прямо к корням растений. Каждые полчаса система оповещает о микроклимате в тепличном комплексе и выявленных вредителях агрокультур.

Объем рынка умных теплиц

Отдельных данных по количеству умных теплиц и прогнозов по развитию этого сегмента нет. Есть  На долю интеллектуальных решений для сельского хозяйства приходится 6% всех проектов IoT, отмечают аналитики. По оценкам MarketsandMarkets, объем рынка в 2018 году достигнет $1,26 млрд, а в 2023 году $2,28 млрд. Среднегодовые темпы роста рынка в период с 2018 по 2023 гг. оцениваются в 12,6%. Основными драйверами роста рынка стал рост численности населения, изменения климата и урбанизация.

Ожидается, что сегмент интеллектуального сельского хозяйства будет развиваться высокими темпами. Но высокая стоимость развертывания решений и высокие первоначальные инвестиционные затраты могут привести к снижению темпов роста рынка в развитых странах Ближнего Востока и Африки. Европа останется лидером рынка в течение прогнозируемого периода. У Нидерландов, Испании и Италии есть большие площади под оранжереи.

Технологии сельского хозяйства в контролируемой среде (CEA) главным образом используются в Нидерландах и скандинавских странах. Внутреннее садоводство набирает быстрые обороты в некоторых крупнейших странах Европы. Быстрое внедрение технологий ожидается в странах с развивающейся экономикой, как Япония, Китай и Индия».

По оценкам аналитиков, ключевые технологии, используемые для умных теплиц: лампы для роста растений, технологии подключения, ирригационные системы, клапаны и насосы, системы мониторинга и управления. В 2016 году наблюдался резкий рост спроса на LED-лампы для выращивания растений.

Ключевые игроки на рынке: Rough Brothers, Heliospectra, Terrasphere Systems, Argus Control Systems, LumiGrow, Ceres Greenhouse Solutions, Hort Americas, JFE Engineering Corporation, Nexus Corporation, Logiqs, Certhon и GreenTech Agro.