Введение

В современных условиях устойчивого развития сельского хозяйства особое внимание уделяется повышению эффективности производственных процессов. Одной из важнейших задач в этом направлении является оптимизация условий освещения в теплицах. Освещение оказывает существенное влияние на фотосинтетическую активность растений и напрямую влияет на их рост, развитие и урожайность. Правильная организация системы освещения позволяет не только ускорить рост растений, но и повысить объем и качество плодоовощной продукции.

На данный момент большинство тепличных хозяйств используют традиционные системы освещения, которые работают по жесткому расписанию или включаются вручную. Основным недостатком таких систем является отсутствие учета изменений уровня естественной освещенности в течение дня и погодных условий. В результате лампы продолжают работать даже при достаточном уровне естественного освещения, что приводит к значительным потерям электроэнергии и увеличению эксплуатационных расходов.

Актуальность исследования заключается в необходимости разработки автоматизированной системы управления освещением, которая будет динамически регулировать яркость ламп в зависимости от уровня естественной освещенности. Такая система позволит сократить расходы на электроэнергию, улучшить условия для роста растений и повысить эффективность тепличного хозяйства. Это особенно актуально в условиях роста цен на электроэнергию и усиления требований к энергоэффективности сельскохозяйственного производства. Кроме того, внедрение таких систем способствует достижению целей устойчивого развития, направленных на сокращение углеродного следа и рациональное использование ресурсов.

Разработка системы управления освещением предполагает внедрение интеллектуальных технологий, основанных на датчиках освещенности и алгоритмах адаптивного управления. Система должна в автоматическом режиме оценивать уровень естественной освещенности и корректировать яркость искусственных источников света. Для этого используется контроллер, который управляет включением и отключением ламп в зависимости от текущих параметров освещенности. Динамическое управление освещением обеспечивает снижение энергопотребления за счет уменьшения времени работы ламп в дневные часы, когда естественное освещение максимально.

Цель исследования – разработка и исследование электронной системы адаптивного управления освещением теплиц, которая будет автоматически регулировать яркость ламп в зависимости от уровня естественной освещенности. Достижение этой цели позволит обеспечить стабильный уровень освещенности для роста растений при минимальных затратах электроэнергии.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи: провести обзор существующих систем управления освещением теплиц и выявить их основные недостатки, разработать структурную и принципиальную схемы системы управления освещением, разработать алгоритм адаптивного управления освещением на основе данных с датчиков освещенности, провести моделирование работы системы и оценить её эффективность по сравнению с традиционной системой освещения, проанализировать результаты моделирования и рассчитать экономию электроэнергии.

Научная новизна исследования заключается в разработке алгоритма адаптивного управления освещением в реальном времени. В отличие от существующих систем, предложенное решение учитывает не только уровень естественной освещенности, но и погодные изменения, что обеспечивает устойчивую работу системы в любых внешних условиях. Использование контроллера и датчиков освещенности позволяет гибко и точно управлять освещением теплицы, обеспечивая необходимую интенсивность освещения при минимальном энергопотреблении.

Практическая значимость работы заключается в создании автоматизированной системы управления освещением теплиц, которая обеспечивает устойчивую освещенность для растений при минимальных затратах электроэнергии. Система может быть внедрена в промышленных тепличных комплексах и фермерских хозяйствах. Её использование позволит сократить затраты на электроэнергию, снизить эксплуатационные издержки и улучшить экологическую устойчивость производства.

Таким образом, разработанная адаптивная система управления освещением является важным шагом на пути к цифровизации агропромышленного комплекса и улучшению условий для роста сельскохозяйственной продукции. Предложенная система обладает высокой гибкостью, энергоэффективностью и возможностью интеграции с облачными IoT-платформами для удаленного мониторинга и управления.

1 Аналитический обзор

Аналитический обзор посвящен анализу существующих систем управления освещением теплиц, их особенностей, преимуществ и недостатков. В современном сельском хозяйстве освещение играет ключевую роль в росте и развитии растений. Системы освещения обеспечивают растения фотосинтетически активной радиацией, необходимой для их жизнедеятельности. Однако традиционные методы управления освещением не всегда эффективны с точки зрения энергопотребления, что делает актуальным исследование и разработку новых подходов к автоматизации этого процесса.

1.1 Типы систем управления освещением

Системы управления освещением можно классифицировать на три основные категории: традиционные системы с фиксированным расписанием, системы на основе пороговых датчиков освещенности и адаптивные интеллектуальные системы управления освещением [1].

1.2 Системы на основе пороговых датчиков освещенности

Системы управления освещением на основе пороговых датчиков освещенности представляют собой автоматизированные системы, которые включают или выключают освещение в зависимости от уровня естественной освещенности. Основным элементом таких систем является датчик освещенности, который отслеживает уровень освещения и передаёт соответствующий сигнал контроллеру [2].

Работа системы основана на принципе сравнения текущего уровня естественного света с заранее заданным пороговым значением [3].

Основными компонентами системы являются:

• Датчик освещенности: измеряет уровень освещенности и передаёт данные контроллеру.
• Контроллер: обрабатывает данные от датчика и принимает решение о включении или отключении освещения [5].

• Исполнительный механизм: устройство (реле или переключатель), которое управляет включением и выключением ламп.

Преимущества систем на основе пороговых датчиков:

• Снижение энергопотребления за счёт автоматического отключения ламп при достаточном уровне естественного освещения.
• Автоматизация процесса управления освещением, исключающая необходимость ручного управления системой [6].

• Простота конструкции и низкая стоимость по сравнению с адаптивными интеллектуальными системами управления освещением.

Недостатки систем на основе пороговых датчиков:

• Система работает по принципу "включено/выключено", что может привести к частому переключению ламп при изменении условий освещенности (например, при переменной облачности).
• Отсутствие плавной регулировки яркости, что снижает гибкость управления освещением.
• Чувствительность к погодным условиям: при быстром изменении уровня естественной освещенности возможно частое переключение системы.

В заключение можно отметить, что системы управления освещением на основе пороговых датчиков являются эффективным решением для сокращения энергопотребления и автоматизации процесса управления освещением. Однако их основным недостатком является отсутствие гибкости в управлении яркостью ламп [8].

1.3 Адаптивные интеллектуальные системы управления освещением

Адаптивные интеллектуальные системы управления освещением представляют собой современные автоматизированные решения, которые способны гибко регулировать яркость ламп в зависимости от уровня естественной освещенности. Эти системы используют контроллеры, датчики освещенности и интеллектуальные алгоритмы для динамического управления интенсивностью освещения [9].

Принцип работы таких систем заключается в автоматической корректировке яркости ламп в зависимости от текущих условий окружающей среды [10].

Основными компонентами системы являются:

• Датчики освещенности: измеряют текущий уровень естественного света и передают данные в контроллер.
• Контроллер: принимает данные от датчиков и выполняет вычисления для корректировки яркости ламп [12].
  Контроллер использует интеллектуальные алгоритмы, такие как пропорционально-интегрально-дифференциальное (ПИД) управление.
• Исполнительные механизмы (реле, регуляторы яркости): изменяют уровень яркости ламп на основании сигналов от контроллера.

Преимущества адаптивных интеллектуальных систем:

• Экономия электроэнергии за счет динамического изменения яркости ламп в зависимости от уровня естественного освещения. Экономия может достигать 20-55% по сравнению с традиционными системами.
• Обеспечение стабильного уровня освещенности внутри теплицы для оптимального роста растений [13].

• Возможность плавного управления яркостью ламп без резких переключений.
• Интеграция с IoT-платформами, что позволяет управлять системой удаленно и получать статистику о потреблении энергии и уровне освещенности.
• Устойчивость к изменениям погодных условий (облака, пасмурная погода), что обеспечивает стабильную работу системы при любых внешних условиях.

Недостатки адаптивных интеллектуальных систем:

• Высокая стоимость оборудования и установки по сравнению с традиционными системами.
• Сложность проектирования и необходимость разработки и тестирования интеллектуальных алгоритмов управления освещением [14].

• Потребность в квалифицированном обслуживании и периодическом обновлении программного обеспечения контроллера.

Адаптивные интеллектуальные системы управления освещением являются одним из наиболее перспективных направлений в области автоматизации теплиц. Их основным преимуществом является возможность плавной и точной регулировки яркости ламп в зависимости от внешних условий. Эти системы способствуют снижению энергопотребления, улучшению условий для роста растений и повышению экономической эффективности тепличных хозяйств [15].

1.4 Сравнительный анализ систем управления освещением

Сравнительный анализ систем управления освещением необходим для выявления их преимуществ и недостатков, а также для обоснования выбора наиболее эффективного решения. В данном анализе рассматриваются три типа систем: традиционные системы с фиксированным расписанием, системы на основе пороговых датчиков освещенности и адаптивные интеллектуальные системы управления освещением.

Анализ представленных систем показывает, что наиболее эффективным решением для управления освещением теплиц является использование адаптивных интеллектуальных систем. В отличие от традиционных систем и систем с пороговыми датчиками, интеллектуальные системы обеспечивают высокий уровень энергоэффективности и гибкость управления освещением.

Основные выводы из сравнительного анализа:

• Энергоэффективность: Интеллектуальные системы позволяют снизить энергопотребление на 20-55% за счет динамического изменения яркости ламп в зависимости от уровня естественной освещенности.
• Гибкость управления: Адаптивные системы обеспечивают плавное изменение яркости ламп, что позволяет точно поддерживать оптимальную освещенность внутри теплицы.
• Учет погодных условий: В отличие от традиционных систем, интеллектуальные системы учитывают изменения погодных условий, такие как облачность или изменение интенсивности солнечного света.
• Экономическая выгода: Снижение энергопотребления позволяет сократить эксплуатационные расходы и повысить рентабельность тепличного производства.

Таким образом, результаты сравнительного анализа показывают, что адаптивные интеллектуальные системы управления освещением являются наиболее перспективным решением для автоматизации тепличного освещения. Эти системы обеспечивают высокую энергоэффективность, гибкость управления и возможность интеграции с IoT-платформами для удаленного контроля и управления. [16].

1.5 Проблемы и недостатки существующих решений

Несмотря на значительные успехи в разработке систем управления освещением, существующие решения по-прежнему имеют ряд проблем и недостатков. Рассмотрим основные из них:

• Энергопотери: Традиционные системы освещения работают по фиксированному расписанию, что приводит к перерасходу электроэнергии. Даже в тех случаях, когда уровень естественного освещения достаточен, лампы продолжают работать на полную мощность.
• Отсутствие учета погодных условий: Простые системы с фиксированным графиком работы и системы с пороговыми датчиками освещенности не учитывают изменения погодных условий, таких как облачность или дождь. Это может привести к избыточному расходу электроэнергии или, наоборот, к недостаточному уровню освещения.
• Ограниченная гибкость: Системы с пороговыми датчиками освещенности работают по принципу "включено/выключено" и не позволяют плавно регулировать яркость ламп. Это ограничивает возможности для эффективного управления освещением.
• Высокие эксплуатационные расходы: Постоянная работа ламп приводит к увеличению затрат на электроэнергию и снижает срок их службы. Системы с простыми датчиками также могут требовать частой замены оборудования.
• Отсутствие удаленного мониторинга: Большинство систем без интеграции с IoT не позволяют пользователям удаленно контролировать освещение и анализировать статистику энергопотребления. Это снижает возможность оперативного управления и оптимизации процесса освещения.

1.6 Выводы по разделу

Аналитический обзор существующих систем управления освещением позволяет сделать ряд выводов, касающихся их эффективности, гибкости и экономической целесообразности. Основные выводы включают следующие моменты:

• Преимущество адаптивных систем: Адаптивные интеллектуальные системы управления освещением обладают значительными преимуществами по сравнению с традиционными системами и системами с пороговыми датчиками [17].
  Основное их преимущество заключается в динамическом управлении яркостью ламп, что позволяет снизить энергопотребление на 20-55%.
• Повышение гибкости управления: Интеллектуальные системы способны регулировать яркость ламп плавно, что делает возможным точное поддержание заданного уровня освещенности. Это особенно важно для тепличного производства, где оптимальный уровень освещенности влияет на рост и развитие растений.
• Учет погодных условий: В отличие от традиционных систем, интеллектуальные системы могут учитывать изменения погодных условий и оперативно реагировать на них. Это делает управление освещением более устойчивым и эффективным [18].

• Снижение эксплуатационных расходов: Благодаря снижению энергопотребления уменьшаются затраты на электроэнергию и продлевается срок службы осветительных приборов. Это делает адаптивные системы более экономически выгодными в долгосрочной перспективе.
• Интеграция с IoT: Возможность удаленного мониторинга и управления через IoT-платформы предоставляет пользователям контроль над системой освещения в реальном времени. Это способствует оптимизации процессов управления и повышению производительности тепличного хозяйства [19].

В заключение можно отметить, что внедрение адаптивных интеллектуальных систем управления освещением является одним из наиболее перспективных направлений автоматизации тепличных хозяйств. Эти системы обеспечивают не только экономию электроэнергии и снижение эксплуатационных затрат, но и улучшают условия для роста и развития растений. Возможность интеграции с IoT и удаленного управления делает такие системы универсальными и удобными для использования в различных производственных условиях.

2 Техническое задание

2.1 Наименование и область применения

Полное наименование устройства: Электронная система адаптивного управления освещением для теплиц.

Область применения: Система предназначена для автоматизации управления освещением в теплицах для выращивания плодоовощной продукции. Она используется для поддержания оптимального уровня освещенности растений и снижения энергопотребления за счет автоматического регулирования яркости ламп.

2.2 Основание для проведения проектных работ

Проектные работы выполняются в рамках программы повышения энергоэффективности тепличных комплексов [20].

2.3 Цель и назначение разработки

Цель разработки: Разработка адаптивной системы управления освещением для теплиц, которая позволит автоматически поддерживать необходимый уровень освещенности в течение суток и в изменяющихся погодных условиях.

Назначение разработки: Система будет автоматически управлять яркостью ламп на основе данных с датчиков освещенности, обеспечивать удаленный мониторинг и управление через IoT-платформы, а также способствовать снижению затрат на электроэнергию и повышению урожайности плодоовощных культур.

2.4 Источник разработки

Источник разработки — задачи автоматизации тепличного производства и требования по снижению эксплуатационных затрат на освещение. Внедрение системы будет способствовать повышению энергоэффективности тепличного хозяйства.

2.5 Технические требования

2.5.1 Состав системы и требования к её составным частям

• Датчики освещенности: устройства, измеряющие уровень естественной освещенности.
• Контроллер: устройство, управляющее системой освещения на основе данных с датчиков.
• Лампы освещения: регулируемые источники света с возможностью изменения яркости.
• Интерфейс управления: графический интерфейс для удаленного мониторинга и управления системой.
• IoT-модуль: модуль для подключения системы к интернету и интеграции с облачными платформами.

2.5.2 Показатели назначения

• Поддержание оптимальной освещенности: система должна поддерживать освещенность на уровне 3000 Лк внутри теплицы.
• Экономия электроэнергии: система должна обеспечивать снижение энергопотребления не менее чем на 30% по сравнению с традиционными системами освещения.
• Гибкость управления: возможность автоматического изменения яркости ламп в диапазоне от 0% до 100% в зависимости от уровня естественного освещения.
• Автономная работа: система должна функционировать автоматически без необходимости ручного вмешательства.

2.5.3 Требования к надежности

• Устойчивость к отказам: система должна сохранять работоспособность при кратковременных сбоях питания или сбоях датчиков.
• Диагностика: система должна самостоятельно определять неисправности датчиков и исполнительных устройств и уведомлять оператора о необходимости их замены.
• Автономность: система должна работать автономно в течение 24 часов после потери связи с IoT-платформой.

2.5.4 Требования к технологичности и уровню унификации и стандартизации

• Модульная структура: система должна быть построена по модульному принципу, что обеспечивает возможность замены и модернизации отдельных компонентов.
• Совместимость: система должна быть совместима с существующими IoT-платформами для управления и мониторинга.
• Стандарты безопасности: система должна соответствовать международным стандартам по электробезопасности и безопасности данных.

2.5.5 Условия эксплуатации системы

• Температурный диапазон: от -10°C до +50°C.
• Влажность: система должна выдерживать влажность до 95% без конденсации.
• Пыле- и влагозащита: корпус системы должен соответствовать стандарту IP54 и обеспечивать защиту от пыли и влаги.

2.6. Стадии и этапы разработки

• Исследовательский этап: анализ существующих решений, выбор компонентной базы, формулировка технического задания.
• Проектный этап: разработка структурной схемы системы, проектирование алгоритмов управления, выбор оборудования.
• Этап программирования: разработка и тестирование программного обеспечения для контроллера и IoT-интерфейса.
• Этап сборки и тестирования: сборка системы, настройка оборудования и проверка на соответствие техническому заданию.
• Этап внедрения: установка системы в теплице, обучение персонала и запуск системы в эксплуатацию.

2.7 Ожидаемые результаты

• Снижение энергопотребления: экономия электроэнергии на 20-55% по сравнению с традиционными системами.
• Повышение урожайности: обеспечение оптимальных условий освещенности для роста и развития растений.
• Автоматизация процессов: минимизация ручного вмешательства за счет работы интеллектуальных алгоритмов управления освещением.

3 Проектирование системы: Структурная схема

Структурная схема электронной системы адаптивного управления освещением теплиц для выращивания плодоовощной продукции представлена на рисунке:

3.1 Модуль управления

Микроконтроллер является центральным элементом системы. Он принимает сигналы от датчиков освещенности и модуля выбора режима, анализирует их и передаёт управляющие сигналы на исполнительные устройства. Микроконтроллер также управляет индикацией на дисплее и взаимодействует с реле для управления группами ламп.

3.2 Модуль выбора режима

Энкодер используется для выбора режима работы системы. Режимы включают:

• Появление всходов — поддерживается минимальный уровень освещенности.
• Образование цветов — увеличивается освещенность для стимуляции цветения.
• Формирование плода — максимальный уровень освещенности для обеспечения роста и созревания плодов.

Выбранный режим отображается на экране и влияет на пороговые значения освещенности, которые необходимо поддерживать внутри теплицы.

3.3 Индикация

Экран предназначен для визуального отображения информации о текущем режиме работы системы, уровне освещенности и других параметрах работы. Индикация упрощает взаимодействие с системой и позволяет оператору контролировать текущий статус.

3.4 Таймер сна

Часы реального времени управляют включением и отключением системы освещения. Система автоматически выключает освещение в ночное время (с 21:00 до 05:00) для обеспечения «фазы сна» растений. Это время выбрано исходя из анализа естественного освещения в этот период суток.

3.5 Датчики освещенности (Д1 и Д2)

Система оснащена двумя датчиками, которые контролируют уровень освещенности внутри теплицы:

• Датчик Д1 — установлен на равноудалённом расстоянии от групп ламп №1 и №3. Он является основным управляющим элементом в режимах работы 1, 3 и 4.
• Датчик Д2 — расположен на равноудалённом расстоянии от групп ламп №1 и №2. Этот датчик управляет режимом работы 2, когда необходимо поддерживать средний уровень освещенности.

3.6 Группы ламп

Система состоит из трёх групп ламп:

• Группа 1 — первая группа ламп.
• Группа 2 — вторая группа ламп.
• Группа 3 — третья группа ламп.

Регулирование уровня освещенности достигается путем включения и выключения различных групп ламп. Возможные режимы работы:

• Включена группа №1.
• Включены группа №1 и группа №2.
• Включены группа №1 и группа №3.
• Включены все три группы — группа №1, №2 и №3.

3.7 Исполнительные механизмы (Реле 1.1, 1.2, 1.3)

Реле управляют включением и выключением групп ламп:

• Реле 1.1 управляет группой ламп №1.
• Реле 1.2 управляет группой ламп №2.
• Реле 1.3 управляет группой ламп №3.

3.8 Источник питания

Источник питания обеспечивает электропитание всех компонентов системы. Он преобразует напряжение сети в необходимый уровень напряжения для питания микроконтроллера, датчиков и исполнительных устройств.

3.9 Принцип работы системы

Система начинает работу с проверки текущего режима, установленного энкодером. В зависимости от выбранного режима и сигналов с датчиков Д1 и Д2 микроконтроллер определяет, какие группы ламп необходимо включить для достижения оптимальной освещенности. В случае, если естественная освещенность недостаточна, система активирует нужное количество групп ламп, что позволяет минимизировать потребление электроэнергии.

Таймер сна отключает освещение в заданное время (с 21:00 до 05:00), что дополнительно снижает энергопотребление. Датчики освещенности работают в непрерывном режиме, контролируя уровень освещенности внутри теплицы и обеспечивая корректировку яркости ламп в реальном времени. Все действия системы отображаются на экране для удобства контроля со стороны оператора.

3.10 Выводы по разделу

Структурная схема электронной системы управления освещением теплиц объединяет модули управления, сенсоры, исполнительные устройства и систему питания. Использование двух датчиков освещенности позволяет контролировать уровень освещения и автоматически регулировать работу ламп. Модуль управления (микроконтроллер) и реле обеспечивают возможность гибкой и адаптивной настройки уровня освещенности. Эта система помогает снизить потребление электроэнергии и обеспечить оптимальные условия для роста растений.

4 Исследование работы системы

4.1 Цель исследования

Основной целью исследования является оценка эффективности работы адаптивной системы управления освещением теплиц по сравнению с традиционной системой. Для этого была разработана математическая модель, которая позволяет проанализировать и сопоставить показатели энергопотребления, уровни освещенности и экономии электроэнергии.

4.2 Методология исследования

4.1.1 Установление параметров моделирования

Моделирование работы системы освещения проводится с учетом следующих входных параметров:

• Время суток: от 00:00 до 24:00 с шагом 3 часа.
• Естественная освещенность: значения освещенности варьируются от 0 Лк (ночное время) до 50 000 Лк (дневное время).
• Оптимальная освещенность внутри теплицы поддерживается на уровне 3000 Лк.
• Традиционная система освещения поддерживает работу ламп в постоянном режиме с мощностью от 70 Вт до 90 Вт.
• Адаптивная система освещения автоматически регулирует яркость ламп на основе данных о внешней освещенности.

4.1.2 Алгоритм работы системы

1. Сбор данных с датчиков освещенности — система получает данные о текущей естественной освещенности (E_внешн) от датчиков.
2. Анализ данных — контроллер анализирует уровень освещенности и сравнивает его с требуемым уровнем (E_треб = 3000 Лк). Сравнение происходит по следующему условию:
• Если E_внешн ≥ E_треб, лампы не включаются, так как естественной освещенности достаточно для поддержания необходимого уровня освещенности внутри теплицы.
• Если E_внешн < E_треб, система рассчитывает, какая часть освещения должна быть обеспечена искусственными источниками по формуле:
Eлампы(t) = max(0, Eтреб - Eвнешн(t))
3. Регулировка яркости ламп — контроллер отправляет команду на изменение яркости ламп. Если уровень освещенности недостаточен, лампы включаются и регулируются пропорционально разности между E_треб и E_внешн.
4. Поддержание освещенности — система работает циклично, обновляя состояние каждые 10 секунд. Контроллер повторно считывает данные с датчиков и корректирует мощность ламп в реальном времени.

4.1.3 Принципы расчета энергопотребления

• Энергопотребление традиционной системы:

  Энергопотребление традиционной системы рассчитывается по следующей формуле:

  Eтрадиц = ∑(Iтрадиц × Δt)

  Где:

  • E_традиц — общее энергопотребление традиционной системы;
  • I_традиц — постоянная мощность традиционной системы (90 Вт);
  • Δt — временной интервал (например, 1 час);
  • N — общее количество интервалов времени.
• Энергопотребление адаптивной системы:

  Энергопотребление адаптивной системы рассчитывается по формуле:

  Eадапт = ∑(Iлампы(t) × Δt)

  Где:

  • E_адапт — общее энергопотребление адаптивной системы;
  • I_лампы(t) — мощность ламп в момент времени t (рассчитывается в зависимости от внешней освещенности);
  • Δt — временной интервал (например, 1 час);
  • N — общее количество временных интервалов.
• Экономия энергии:

  Экономия энергии рассчитывается в процентах по формуле:

  Экономия (%) = (Eтрадиц - Eадапт) / Eтрадиц × 100

  Где:

  • E_традиц — общее энергопотребление традиционной системы;
  • E_адапт — общее энергопотребление адаптивной системы.

  Экономия показывает, на сколько процентов адаптивная система эффективнее традиционной системы в плане энергопотребления.

4.2 Результаты исследования

4.2.1 Исходные данные

Исходные данные об уровне естественной освещенности и энергопотреблении для каждой системы приведены в таблице ниже.

4.3 Анализ результатов

• Экономия энергии варьируется от 22% до 55% в зависимости от уровня естественной освещенности. Адаптивная система позволяет снизить энергопотребление, автоматически регулируя мощность ламп в зависимости от уровня естественной освещенности.
• Максимальная экономия достигается в полдень (12:00), когда естественная освещенность достигает 50 000 Лк, и лампы полностью отключаются. Это позволяет значительно снизить затраты на электроэнергию.
• Адаптивная система обеспечивает плавное регулирование яркости ламп. В отличие от традиционной системы, которая работает с постоянной мощностью, адаптивная система изменяет яркость ламп в зависимости от текущей освещенности, что исключает перерасход электроэнергии.
• Вечером и ночью (00:00 — 06:00 и 18:00 — 24:00) энергопотребление адаптивной системы снижается за счет уменьшения яркости ламп, что обеспечивает дополнительную экономию энергии.
• Система способна адаптироваться к изменению погодных условий. Например, при увеличении облачности уровень естественной освещенности снижается, и система автоматически увеличивает яркость ламп, чтобы поддерживать стабильный уровень освещенности внутри теплицы.

4.5 Выводы по разделу

• Энергоэффективность: Разработанная система управления освещением позволяет сократить энергопотребление на 20% - 55% по сравнению с традиционной системой. Основное снижение достигается за счет отключения или снижения яркости ламп при наличии достаточной естественной освещенности.
• Автоматизация процесса: Система полностью автоматизирована и функционирует без участия человека. Контроллер автоматически регулирует яркость ламп на основе данных от датчиков освещенности. Это обеспечивает бесперебойную работу и исключает необходимость в ручной корректировке параметров освещения.
• Устойчивость системы: Система способна адаптироваться к изменяющимся погодным условиям, изменению освещенности в течение суток и сезонным колебаниям естественного освещения. Это гарантирует поддержание стабильной освещенности (3000 Лк) для оптимального роста растений.
• Гибкость и масштабируемость: Система может быть доработана для работы с другими параметрами микроклимата теплицы (температура, влажность и др.). Также возможно расширение системы за счет интеграции новых датчиков и подключение ее к облачным IoT-платформам для удаленного мониторинга и управления.
• Практическая значимость: Внедрение системы управления освещением в теплицах позволяет снизить затраты на электроэнергию, увеличить объем и качество урожая за счет оптимального освещения и автоматизации управления. Данная система может быть использована как в промышленных теплицах, так и в частных хозяйствах.

Выводы

1. Оптимизация процесса освещения

Разработанная система управления освещением теплиц обеспечивает оптимальные условия освещения для роста и развития плодоовощных культур. Использование трёх групп ламп и возможность их гибкой активации позволяет поддерживать необходимый уровень освещенности в любой момент времени. Данная схема способствует более эффективному использованию электроэнергии за счет динамического управления группами ламп в зависимости от уровня естественной освещенности.

2. Экономия энергоресурсов

Важнейшим преимуществом системы является снижение энергопотребления. Благодаря наличию датчиков освещенности система автоматически регулирует количество работающих групп ламп. В условиях достаточной естественной освещенности система отключает группы ламп, тем самым минимизируя затраты электроэнергии. Отключение ламп в ночной период (с 21:00 до 05:00) с использованием таймера сна дополнительно снижает энергопотребление.

3. Автоматизация управления освещением

Полная автоматизация системы достигается за счет работы микроконтроллера, который анализирует сигналы от датчиков и энкодера и принимает решения о включении или отключении ламп. Оператору не нужно вмешиваться в работу системы, что упрощает её эксплуатацию и снижает затраты на обслуживание. Возможность переключения режимов работы (всходы, цветение, плодоношение) позволяет адаптировать систему под текущие потребности растений.

4. Гибкость управления и регулировка освещенности

Система поддерживает несколько режимов работы ламп за счет гибкой системы управления. В зависимости от текущих параметров освещенности внутри теплицы и выбранного режима работы могут быть включены одна, две или все три группы ламп. Такая гибкость позволяет поддерживать точный уровень освещенности, необходимый для каждого этапа роста растений.

5. Простота взаимодействия с оператором

Для удобства оператора используется интерфейс индикации, который отображает текущие параметры работы системы: активный режим, уровень освещенности и статус включенных ламп. Установка режима осуществляется с помощью энкодера. Это упрощает процесс эксплуатации системы и делает её более доступной для пользователя.

6. Надежность и устойчивость к сбоям

Система проектируется с учетом возможных отказов. Микроконтроллер может корректно обрабатывать сигналы от датчиков освещенности, даже если один из них выйдет из строя. Применение реле для управления группами ламп повышает надежность системы, так как реле способны выдерживать высокие нагрузки. Автономная работа системы возможна в течение 24 часов даже при отсутствии подключения к внешним IoT-платформам.

7. Интеграция с IoT и возможности удаленного управления

Система может быть интегрирована с облачными IoT-платформами для удаленного мониторинга и управления. Это открывает возможности по контролю состояния системы в реальном времени и своевременному реагированию на возможные сбои или изменения в условиях освещенности. Такой подход повышает удобство управления и расширяет возможности по анализу данных о работе системы.

8. Перспективы применения

Разработанная система управления освещением теплиц может быть использована в промышленных тепличных комплексах и частных хозяйствах. Благодаря её модульной конструкции и возможности гибкого масштабирования система легко адаптируется под конкретные потребности фермеров. Внедрение такой системы позволяет сократить затраты на электроэнергию, повысить урожайность и создать более устойчивую модель ведения сельского хозяйства.

Перечень источников

Парфенов, А.В. Освещение: проектирование и расчет / А.В. Парфенов, В.А. Бабылин. - Самара: издательство "Самарский университет", 2008. - 240 с.
Петрова, В.П. Основы освещения и освещенности / В.П. Петрова. - Москва: издательство "Высшая школа", 1979. - 268 с.
Шуклин, А.Н. Энергоэффективное освещение / А.Н. Шуклин. - Москва: издательство "ГЭОТАР-Медиа", 2018. - 288 с.
Васильев, А.Ф. Основы светотехники / А.Ф. Васильев, В.Л. Соловьев. - Санкт-Петербург: издательство "Лань", 2018. - 272 с.
Наумов, Г.Д. Освещение: технология и проектирование / Г.Д. Наумов, В.А. Коршунов. - Москва: издательство "Цветные металлы", 2014. - 320 с.
Стариков, А.П. Освещенность и психофизиологические аспекты световой среды / А.П. Стариков, В.М. Панченко. - Москва: издательство "Техносфера", 2006. - 216 с.
Богомолов, А.В. Освещение жилых и общественных зданий / А.В. Богомолов, А.М. Рязанов. - Москва: издательство "КДУ", 2003. - 352 с.
Келли, Джеймс Флойд. Arduino в действии / Джеймс Флойд Келли. - Санкт-Петербург: издательство "Питер", 2014. - 464 с.
Ширман, Михаил. Умный дом своими руками на Arduino. Wi-Fi, Bluetooth, Ethernet / Михаил Ширман. - Москва: издательство "ДМК Пресс", 2017. - 400 с.
Нагель, Олливер. Arduino и Raspberry Pi. Проекты для начинающих и опытных / Олливер Нагель, Ральф Мелчер. - Москва: издательство "ДМК Пресс", 2016. - 384 с.
Платт, Чарльз. Arduino для любознательных / Чарльз Платт. - Москва: издательство "ДМК Пресс", 2015. - 352 с.
Шварц, Марко. Arduino. Проекты для любителей / Марко Шварц. - Санкт-Петербург: издательство "БХВ-Петербург", 2019. - 416 с.
Котнер, Джастин. Arduino: руководство по программированию / Джастин Котнер. - Москва: издательство "ДМК Пресс", 2018. - 480 с.
Осипов, С.В. Охрана труда: учебник для вузов / С.В. Осипов, В.И. Чечин, А.В. Ямин. - Москва: издательство "Юрист", 2019. - 512 с.
Datasheet.ru [Электронный ресурс]. - Режим доступа: [Ссылка] (дата обращения: 10.04.2023).
Vishay.com. Surface Mount Multilayer Ceramic Chip Capacitors [Электронный ресурс]. - Режим доступа: [Ссылка] (дата обращения: 17.03.2023).
Forum.arduino.cc [Электронный ресурс]. - Режим доступа: [Ссылка] (дата обращения: 01.05.2023).
ArduinoLab.pw. Датчик освещенности BH1750FVI (GY-30) - подключение к Arduino [Электронный ресурс]. - Режим доступа: [Ссылка] (дата обращения: 10.03.2023).
Mysku.club. Измеритель освещенности GY-302 BH1750 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: [Ссылка] (дата обращения: 13.03.2023).
Micro-pi.ru. GY-302 BH1750 датчик освещенности [Электронный ресурс]. - Режим доступа: [Ссылка] (дата обращения: 06.04.2023).