В начале марта 2025 года мы посетили региональный этап чемпионата «Профессионалы» по компетенции «Сити-фермерство» в Шахунском колледже аграрной индустрии Нижегородской области. Три дня мы наблюдали за соревнованиями участников в создании автоматизированных сити-ферм: они разрабатывали программное обеспечение, монтировали оборудование, запускали фермы и рассчитывали их экономические показатели.
Чемпионат «Профессионалы» — это масштабное соревнование по профессиональному мастерству, преемник чемпионата «WorldSkills Russia», впервые прошедшее в 2022 году. Цель чемпионата – выявить лучших специалистов по различным компетенциям. Сити-фермерство – относительно новая сфера, где технологии гидропоники и автоматизированные системы управления позволяют выращивать растения в городской среде.
Мы уже посещали сити-фермы в Минске и Гатчине, так что тема эта для нас не новая. Теперь сити-фермерству обучают и в колледжах, где готовят специалистов, которые будут развивать это направление. А чтобы выбрать лучшего из лучших в России проводят конкурсы, про один из которых расскажем.
Подготовка к чемпионату на примере Лукояновского Губернского колледжа
За несколько дней до чемпионата мы посетили Лукояновский Губернский колледж, где участники чемпионата активно готовились к соревнованиям. Направление сити-фермерства появилось здесь в 2019 году, когда колледж выиграл грант и открыл пять мастерских: геномная инженерия, биотехнология, агрономия, сити-фермерство и эксплуатация сельскохозяйственных машин. Изначально студенты начали работать на самодельных деревянных стеллажах, но затем перешли на современные металлические конструкции.
Изначально стеллажные системы пытались автоматизировать на контроллерах Arduino и Raspberry Pi. Со своей работой контроллеры справлялись, но не хватало периферии: модулей для управления насосами, светильниками, датчиков. Узнав, что в конкурсе будут использовать оборудование Wiren Board, Лукояновский Губернский колледж закупил контроллер, модуль реле WB-MR6LV/I и универсальный датчик WB-MSW 4.0, чтобы готовить конкурсанта и использовать в обучении студентов колледжа под руководством преподавателя Романа Терентьева. С помощью контроллера планируют собирать информацию с датчиков pH, температуры и минерализации, а также управлять насосами и освещением. Таким образом можно полностью автоматизировать стеллажную систему с выводом всех данных на веб-интерфейс и внешний дисплей.
На этом оборудовании Роман и готовил конкурсанта: студент учился собирать информацию с датчиков, отрабатывал алгоритмы управления клапанами и насосами.
Дополнительные фото
Мастерская «Монтаж электротехнических систем в агропромышленном комплексе»
А теперь вернемся к Шахунскому колледжу аграрной индустрии, где в рамках получения Федерального Гранта «Молодые профессионалы» в 2019 году были созданы пять мастерских, в том числе мастерская «Сити-фермерство». В 2022 году колледж стал участником федеральной программы «Профессионалитет», и специальность 35.02.08 «Электротехнические системы в агропромышленном комплексе (АПК)» пополнилась зоной под вид работ «Монтаж электротехнических систем в агропромышленном комплексе» на 24 рабочих места. Заведует данными мастерскими преподаватель Дмитрий Анатольевич Зарипов. Студенты осваивают здесь не только основы электротехники, но и технологии автоматизации и программирование на языках C++, Python.
Дмитрий Анатольевич тщательно продумывает программу обучения студентов, постепенно усложняя изучаемые задачи и технологии. На первом курсе студенты знакомятся с базовыми электрическими цепями и программированием микроконтроллеров Arduino, так как данное оборудование стоит сравнительно недорого.
Овладев базовыми навыками, увлеченные студенты переходят к изучению более сложного оборудования, в частности контроллеров и модулей Wiren Board. Здесь они выполняют курсовые и дипломные работы, связанные с реальными задачами, такими как автоматизация теплиц, животноводческих комплексов и сити-ферм. Под руководством Дмитрия Анатольевича Зарипова студенты также изучают искусственный интеллект и его применение в автоматизации сельского хозяйства.
Дмитрий Анатольевич – главный эксперт регионального этапа чемпионата «Профессионалы» по компетенции «Сити-фермерство». Дмитрий Анатольевич активно участвует в подготовке конкурсантов, проводит профессиональные пробы в рамках федерального проекта «Билет в будущее», обучает школьников по профессии «Мастер зеленого хозяйства» (при получении первой профессии), организует обучение преподавателей из других колледжей Нижегородской области в условиях региональных чемпионатов профессионального мастерства.
Дополнительные фото
Установка для конкурса
На региональном этапе чемпионата «Профессионалы» конкурсанты работали с современной гидропонной установкой (учебным комплексом), которую нужно было оснастить автоматизированной системой управления на базе контроллера Wiren Board. Установка предназначена для выращивания микрозелени и других культур в условиях закрытого помещения.
Строение установки
Установка представляет собой вертикальную конструкцию с тремя уровнями, на каждом из которых размещены лотки для растений. В установку входит:
-
гидропонная система – все, что относится к подаче питательного раствора к корням растений;
-
система освещения – светодиодные фитолампы, которые дают оптимальный спектр и интенсивность освещения для растений;
-
растворный узел – автоматизированный модуль для приготовления и подачи в гидропонную систему питательного раствора с заданными химическими параметрами;
-
электрический щит – сама система автоматизированного управления с контроллером, модулями расширения датчиками и т.д.
-
дисплей Nextion – сенсорный дисплей с интерфейсом пользователя.
Как мы уже отметили выше, в основе установки – многофункциональный контроллер Wiren Board, который способен управлять не только сити-фермой, но и более сложными системами автоматизации. К контроллеру конкурсанты подключили несколько исполнительных устройств и датчиков:
-
релейные модули WB-MR6LV/I – управляют включением насосов, фитоламп и открытием/закрытием клапанов ;
-
датчик уровня pH – определяет кислотность питательного раствора, оптимальное значение 5,7±0,2;
-
датчик электропроводности (ЕС) – измеряет концентрацию питательных веществ в растворе, необходимая минерализация 2,2±0,2 µS/см;
-
датчики уровня воды (верхний и нижний) – определяют уровень раствора в баках для предотвращения «сухого хода» насоса, а также перелива;
-
датчик температуры и влажности, CO₂ WB-MSW 4.0 – для контроля микроклимата стеллажной системы.
Установка поддерживает два режима работы:
Автоматический режим: сити-ферма работает по технологической карте. Автоматика сама в нужное время включает освещение и полив, поддерживает состав питательного раствора, регулируя уровень pH и концентрацию добавок, а также следит за микроклиматом. Все действия выполняются без участия человека.
Ручной режим: обслуживающий персонал может включить или отключить насосы, освещение, дозировать компоненты раствора и управлять клапанами. Этот режим необходим в основном для отладки.
На Wiren Board уже установлен веб-сервер, через который доступен интерфейс управления контроллером и модулем. Но конкурсанты должны были установить на контроллер второй веб-сервер и разработать интерфейс пользователя. Интерфейс отображает:
-
текущие показания всех датчиков;
-
уведомления о критических состояниях системы (например, низкий уровень воды, отклонения уровня pH);
-
счетчик дней с момента посадки растений.
Также нужно было разработать и вывести интерфейс на сенсорный дисплей Nextion.
Одной из самых сложных частей установки стал растворный узел. Нужно было настроить автоматическое приготовление питательного раствора по заданным параметрам pH и электропроводности (ЕС) через четыре дозирующих насоса, каждый для своего химического компонента. Растворный узел сначала доводит pH до оптимального уровня (5,7±0,2), автоматически добавляя регуляторы. Затем узел по очереди добавляет питательные компоненты А и В с интервалом не менее 30 секунд, доводя электропроводность раствора до 2,2±0,2 µS/см. Во время приготовления работает основной насос для равномерного перемешивания компонентов. Когда раствор готов, система ждет команду на полив. Полив производится по расписанию.
Конкурс
Для регионального этапа чемпионата отобрали пять участников из:
-
ГБПОУ «Варнавинский технолого-экономический техникум»;
-
ГБПОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет»;
-
ГБПОУ «Шахунский колледж аграрной индустрии» (два участника);
-
ГБПОУ «Лукояновский губернский колледж».
Про подготовку в Лукояновском Губернском колледже мы уже рассказывали, студенты из двух других колледжей готовились в Шахунье. Для них организовали обучающие вебинары на контроллере Wiren Board, а также очную подготовку на базе Шахунского колледжа аграрной индустрии.
Конкурсное задание состояло из пяти модулей, в которые входили задачи по программированию, монтажу электрооборудования и проведению агротехнических мероприятий.
Первый день выделили под разработку программного обеспечения и веб-интерфейса (первый модуль конкурса). Участники должны были запрограммировать контроллеры Wiren Board и два модуля реле WB-MR6LV/I для работы фермы в автоматическом и ручном режимах. Технологическая карта, по которой ферма должна была регулировать условия среды, оказалась наиболее трудной для программирования. Трое участников написали программу на Python и успешно запустили веб-сервер. Они справились с настройкой веб-интерфейса, который доступен и с экрана смартфона.
В конце первого дня экспертная группа оценивала каждого конкурсанта по различным критериям, следуя регламенту конкурса. Задание первого дня оказалось очень сложным: требовалось уверенно владеть навыками программирования, чтобы успеть написать и отладить код за восемь часов.
Дополнительные фото
Во второй день участники выполняли два модуля. Первый: подключение сенсорного дисплея Nextion через USB и разработка интерфейса для него. Вывести веб-интерфейс на этот дисплей не получится, нужно разрабатывать собственный интерфейс, после чего синхронизировать его с веб-интерфейсом через протокол MQTT – стандартный протокол обмена сообщениями для IoT-устройств. Здесь конкурсанты столкнулись с трудностями: из пяти участников только один успешно завершил задание полностью, обеспечив корректную синхронизацию данных.
После работы с дисплеем конкурсанты перешли к третьему модулю: монтажу оборудования в щите и подключением оборудования к нему. У некоторых участников возникли проблемы с подключением насоса, однако два конкурсанта завершили задание успешно.
Дополнительные фото
В заключительный третий день участники выполняли четвертый модуль: автоматизировали подготовку питательного раствора и запускали ферму. Участники демонстрировали подачу питательного раствора на все ярусы, контроль уровня раствора, работу освещения. Также жюри выбирало день по технологической карте, и установка должна была корректно переключиться на нужную временную программу. Трое участников успешно справились с этим заданием.
Последний пятый модуль посвящен расчетам экономических показателей фермы. Экономическая часть задания была сложной: участники рассчитывали себестоимость продукции и срок окупаемости фермы. Результаты были разнообразны: от реальной прибыли при цене салата 700 рублей за кг и окупаемости за три года до убытков при цене в 203 рубля за кг.
Компания Wiren Board подарила всем участникам рюкзаки, а победитель, Яровиков Ярослав, на церемонии награждения в Нижнем Новгороде получил новейшую модель контроллера Wiren Board для подготовки к итоговым соревнованиям по компетенции «Сити-фермерство», которые пройдут в апреле текущего года в г. Ардон республики Северная Осетия.
Дополнительные фото
Заключение
Приятно видеть, что контроллер Wiren Board используют для обучения студентов. Он отлично для этого подходит благодаря открытому программному обеспечению и широкой номенклатуре модулей расширения.
Конечно, задания конкурса были сложными, и справились с ними не все. Но все это было максимально приближено к реальным условиям, и конкурсанты смогли испытать на себе, что такое запустить и автоматизировать сити-ферму. В любом случае конкурсанты повысили свою квалификацию, что поможет им найти свое место в жизни. Многие хозяйства Нижегородской области внимательно следят за чемпионатами профессионального мастерства и охотно берут на работу квалифицированных специалистов.
Мы продолжим внимательно следить за развитием мастерских под руководством Дмитрия Анатольевича. Мы передали ему несколько модулей Wiren Board, которые он планирует использовать для обучения студентов. Обязательно вернемся в Шахунью через год и напишем о результатах.
Автор: Dmitrii43
