novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.22.527-536novtexmech-1053Research ArticleАВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИAUTOMATION AND CONTROL TECHNOLOGICAL PROCESSESМасштабируемая архитектура и структура модулей распределенной системы управления процессами промышленных тепличных комплексовScalable Architecture and Structure of Modules for Distributed Process Control System in Industrial Greenhouse CompКрестовниковК. Д.KrestovnikovK. D.

мл. науч. сотр.

St. Petersburg, 199178, Russian Federation

k.krestovnikov@iias.spb.suЕрашовА. А.ErashovA. A.

мл. науч. сотр.

St. Petersburg, 199178, Russian Federation

erashov.a@iias.spb.suБыковА. Н.BykovA. N.

мл. науч. сотр.

St. Petersburg, 199178, Russian Federation

bykov.a@iias.spb.suФедеральное государственное бюджетное учреждение науки "Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук" (СПб ФИЦ РАН), Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской академии наукРоссияSt. Petersburg Federal Research Center of the Russian Academy of Sciences (SPC RAS), St. Petersburg Institute for Informatics and Automation of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2021031020212210527536Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20212021Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1053

С ростом населения становится актуальным вопрос продовольственного снабжения городов качественными сельскохозяйственными культурами. Возникающие при этом проблемы снабжения могут быть решены с применением промышленных тепличных комплексов с искусственным освещением и беспочвенными технологиями. Развитие этих комплексов делает актуальной задачу разработки системы управления, позволяющей автоматизировать процессы выращивания. Имеющиеся промышленные тепличные комплексы используют значительное число операций с непосредственным участием персонала, которые возможно автоматизировать: контроль микроклимата теплицы, освещение, полив и подготовка состава питательного раствора. В данной работе представлена архитектура распределенной системы управления для промышленных тепличных комплексов. Система построена по модульному принципу и разделена на три уровня. Разработанная архитектура базируется на использовании типовых модулей, что позволяет сделать систему управления гибкой и масштабируемой. В работе также приведены основные расчетные соотношения, с помощью которых можно определить необходимое число модулей для трех уровней предложенной архитектуры. Использование беспроводной передачи данных между модулями на основе технологии LoRa позволяет отказаться от прокладки информационной шины и при этом разворачивать систему на больших площадях. Контроль системы и ее параметров возможен при непосредственном взаимодействии человека с интерфейсом модуля управления или при удаленном взаимодействии через облако. В состав архитектуры входят три вида исполнительных модулей, один комбинированный сенсорный модуль и модуль управления. Каждый из исполнительных модулей функционирует по заданному алгоритму, а его параметры контролирует модуль управления исходя из заданной программы выращивания и информации с датчиков. Данная особенность позволяет повысить надежность работы системы и продолжить работу в случае потери связи с облаком, а также исключить аварийные ситуации в случае потери связи между модулями. Разработанные решения позволяют адаптировать предложенную систему управления под тепличные комплексы различной конфигурации и для разных принципов выращивания.

With the growth of the population, the issue of food supply of cities with high-quality agricultural crops becomes urgent. Supply problems arising from this can be solved with the use of industrial greenhouse complexes with artificial lighting and groundless technologies. The development of these complexes makes the task of developing a control system to automate the cultivation processes urgent. Real industrial greenhouse complexes have a significant number of operations with the direct participation of personnel, which can be automated: control of the greenhouse microclimate, lighting, watering and preparation of the nutrient solution composition. This paper presents the architecture of a distributed control system for industrial greenhouse complexes. The system is built on a modular basis and is divided into three levels. The developed architecture is based on the use of standard modules, which makes the control system flexible and scalable. The paper also presents the basic design ratios, with the help of which it is possible to determine the required number of modules for the three levels of the proposed architecture. The use of wireless data transmission between modules based on LoRa technology allows you to abandon the laying of an information bus and at the same time deploy the system over large areas. Control of the system and its parameters is possible through direct human interaction with the interface of the control module or through remote interaction through the cloud. The architecture includes 3 types of executive modules, one combined sensor module and a control module. Each of the executive modules functions according to a given algorithm, and its parameters are controlled by a control module, based on a given growing program and information from sensors. This feature allows you to increase the reliability of the system and continue working in the event of a loss of communication with the cloud, as well as to exclude emergencies in the event of a loss of communication between the modules. The developed solutions make it possible to adapt the proposed control system for greenhouse complexes of various configurations and growing principles.

автоматизациябеспроводные сенсорные сетисельское хозяйство в контролируемой средеинтернет вещейвертикальные фермыautomationwireless sensor networksagriculture in a controlled environmentinternet of thingsvertical farmsReferencesRodríguez F., Berenguel M., Guzmán J. L., RamírezArias A. Modeling and control of greenhouse crop growth. Switzerland: Springer International Publishing, 2015. 250 p. DOI: 10.1007/978-3-319-11134-6.Rodríguez F., Berenguel M., Guzmán J. L., RamírezArias A. Modeling and control of greenhouse crop growth, Switzerland, Springer International Publishing, 2015, 250 p. DOI: 10.1007/978-3-319-11134-6.Birkby J. Vertical farming. ATTRA Sustainable Agriculture. National Centre for Appropriate Technology, 2016.Birkby J. Vertical farming. ATTRA Sustainable Agriculture, National Centre for Appropriate Technology, 2016.Shamshiri R., Kalantari F., Ting K. C., Thorp K. R., Hameed I. A., Weltzien C., Shad Z. M. Advances in greenhouse automation and controlled environment agriculture: A transition to plant factories and urban agriculture. 2018. DOI: 10.25165/j.ijabe.20181101.3210C.Shamshiri R., Kalantari F., Ting K. C., Thorp K. R., Hameed I. A., Weltzien C., Shad Z. M. Advances in greenhouse automation and controlled environment agriculture: A transition to plant factories and urban agriculture, 2018, DOI: 10.25165/j.ijabe.20181101.3210C.Андреев В. П., Плетенев П. Ф. Метод информационного взаимодействия для систем распределенного управления в роботах с модульной архитектурой // Труды СПИИРАН. 2018. Т. 57, № 2. С. 134—160. DOI: 10.15622/sp.57.6.Andreev V. P., Pletenev P. F. Method of Information Interaction for Distributed Control Systems of Robots with Modular Architecture, SPIIRAS Proceedings, 2018, vol. 57, no. 2, pp. 134—160 (in Russian), DOI: 10.15622/sp.57.6.D’Autilia R., D’Ambrosi I. Is there enough fertile soil to feed a planet of growing cities? // Physica A: Statistical Mechanics and Its Applications. 2015. N. 419. P. 668—674. DOI: 10.1016/j.physa.2014.10.048.D’Autilia R., D’Ambrosi I. Is there enough fertile soil to feed a planet of growing cities? Physica A: Statistical Mechanics and Its Applications, 2015, vol. 419, pp. 668—674, DOI: 10.1016/j.physa.2014.10.048.Sivagami A., Hareeshvare U., Maheshwar S., Venkatachalapathy V. S. K. Automated irrigation system for greenhouse monitoring // Journal of The Institution of Engineers (India): Series A. 2018. Vol. 99, N. 2. P. 183—191. DOI: 10.1007/s40030-018-0264-0.Sivagami A., Hareeshvare U., Maheshwar S., Venkatachalapathy V. S. K. Automated irrigation system for greenhouse monitoring, Journal of The Institution of Engineers (India): Series A, 2018, vol. 99, no. 2, pp. 183—191, DOI: 10.1007/s40030-018-0264-0.Akkaş M. A., Sokullu R. An IoT-based greenhouse monitoring system with Micaz motes // Procedia computer science. 2017. N. 113. P. 603—608. DOI: 10.1016/j.procs.2017.08.300.Akkaş M. A., Sokullu R. An IoT-based greenhouse monitoring system with Micaz motes, Procedia Computer Science, 2017, vol. 113, pp. 603—608, DOI: 10.1016/j.procs.2017.08.300.Chen F., Qin L., Li X., Wu G., Shi C. Design and implementation of ZigBee wireless sensor and control network system in greenhouse // 2017 36th Chinese Control Conference (CCC) IEEE. 2017, July. P. 8982—8986. DOI: 10.23919/ChiCC.2017.8028786.Chen F., Qin L., Li X., Wu G., Shi C. (2017, July). Design and implementation of ZigBee wireless sensor and control network system in greenhouse, 2017 36th Chinese Control Conference (CCC), 2017, pp. 8982—8986, DOI: 10.23919/ChiCC.2017.8028786.Li Z., Wang J., Higgs R., Zhou L., Yuan W. Design of an intelligent management system for agricultural greenhouses based on the internet of things // 2017 IEEE International Conference on Computational Science and Engineering (CSE) and IEEE International Conference on Embedded and Ubiquitous Computing (EUC). 2017, July. Vol. 2. P. 154—160. DOI: 10.1109/CSE-EUC. 2017.212.Li Z., Wang J., Higgs R., Zhou L., Yuan W. Design of an intelligent management system for agricultural greenhouses based on the internet of things, 2017 IEEE International Conference on Computational Science and Engineering (CSE) and IEEE International Conference on Embedded and Ubiquitous Computing (EUC), 2017, July, vol. 2, pp. 154—160, DOI: 10.1109/CSE-EUC.2017.212.Xiao J., Li J. T. Design and implementation of intelligent temperature and humidity monitoring system based on ZigBee and WiFi // Procedia Computer Science. 2020. N. 166. P. 419—422. DOI: 10.1016/j.procs.2020.02.072.Xiao J., Li J. T. Design and implementation of intelligent temperature and humidity monitoring system based on ZigBee and WiFi, Procedia Computer Science, 2020, vol.166, pp. 419—422, DOI: 10.1016/j.procs.2020.02.072.Ullah M. W., Mortuza M. G., Kabir M. H., Ahmed Z. U., Supta S. K. D., Das P., Hossain S. M. D. Internet of Things Based Smart Greenhouse: Remote Monitoring and Automatic Control // DEStech Transactions on Environment, Energy and Earth Sciences. 2018. DOI: 10.12783/dteees/iceee2018/27803.Ullah M. W., Mortuza M. G., Kabir M. H., Ahmed Z. U., Supta S. K. D., Das P., Hossain S. M. D. Internet of Things Based Smart Greenhouse: Remote Monitoring and Automatic Control, DEStech Transactions on Environment, Energy and Earth Sciences, 2018, DOI: 10.12783/dteees/iceee2018/27803.Pop A. I., Raza U., Kulkarni P., Sooriyabandara M. Does bidirectional traffic do more harm than good in LoRaWAN based LPWA networks? In GLOBECOM 2017-2017 IEEE Global Communications Conference. 2017, December. P. 1—6. IEEE. DOI: 10.1109/GLOCOM.2017.8254509.Pop A. I., Raza U., Kulkarni P., Sooriyabandara M. Does bidirectional traffic do more harm than good in LoRaWAN based LPWA networks? GLOBECOM 2017-2017 IEEE Global Communications Conference, 2017, December, pp. 1—6, DOI: 10.1109/GLOCOM.2017.8254509.Wu J., Tang X., Lei J. Design of wireless monitoring system for greenhouse based on LoRa. In Journal of Physics: Conference Series. 2020, October. Vol. 1650, N. 2. P. 022075. IOP Publishing. DOI: 10.1088/1742-6596/1650/2/022075.Wu J., Tang X., Lei J. Design of wireless monitoring system for greenhouse based on LoRa, Journal of Physics: Conference Series, 2020, October, vol. 1650, no. 2, p. 022075, IOP Publishing, DOI: 10.1088/1742-6596/1650/2/022075.Petajajarvi J., Mikhaylov K., Roivainen A., Hanninen T., Pettissalo M. On the coverage of LPWANs: range evaluation and channel attenuation model for LoRa technology. In 2015 14th International Conference on ITS Telecommunications (ITST). 2015, December. P. 55—59. IEEE. DOI: 10.1109/ITST.2015.7377400.Petajajarvi J., Mikhaylov K., Roivainen A., Hanninen T., Pettissalo M. On the coverage of LPWANs: range evaluation and channel attenuation model for LoRa technology, 2015 14th International Conference on ITS Telecommunications (ITST), 2015, December, pp. 55—59, DOI: 10.1109/ITST.2015.7377400.Denisov A., Shabanova A., Sivchenko O. Data Exchange Method for Wireless UAV-Aided Communication in Sensor Systems and Robotic Devices. In International Conference on Interactive Collaborative Robotics. Springer, Cham. 2020, October. P. 45—54. DOI: 10.1007/978-3-030-60337-3_5.Denisov A., Shabanova A., Sivchenko O. Data Exchange Method for Wireless UAV-Aided Communication in Sensor Systems and Robotic Devices, International Conference on Interactive Collaborative Robotics, 2020, October, pp. 45—54, Springer, Cham, DOI: 10.1007/978-3-030-60337-3_5.Давыдов Д. С., Кашевник А. М., Косицын Д. П., Шабаев А. И., Шабалина И. М. Разработка платформы планирования производства с использованием технологий "облачных вычислений" // Тр. СПИИРАН. 2012. Т. 23. С. 416—430. DOI: 10.15622/sp.23.23.Davydov D. S., Kashevnik A. M., Kosicin D. P., Shabaev A. I., Shabalina I. M. Development of the Platform for Production Planning Using Cloud Computing Technology, SPIIRAS Proceedings, 2012, vol. 23, no.4, pp. 416—430 (in Russian), DOI: 10.15622/sp.23.23.Левоневский Д. К., Ватаманюк И. В., Савельев А. И. Многомодальная информационно-навигационная облачная система МИНОС для корпоративного киберфизического интеллектуального пространства // Программная инженерия. 2017. Т. 8, № 3. С. 120—128.Levonevskiy D. K., Vatamaniuk I. V., Saveliev A. I. MINOS Multimodal Information and Navigation Cloud System for the Corporate Cyber-Physical Smart Space, Programmnaya Ingeneria, 2017, vol. 8, no. 3, pp. 120—128 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.