«Искусственный интеллект» управляет досветкой растений)

Вместо спойлера

По уже давно сложившейся традиции, в конце каждого года мы с друзьями ходим в баню я открываю очередной сезон зимнего выращивания домашних растений. Ну, хобби у меня такое) Причём все растения – строго применимые в домашнем хозяйстве (=съедобные), вдобавок не попадающие в список запрещённых . Ну, чтобы было понятно, приведу примеры: базилик, укроп, петрушка, салат, мята, томаты «черри», острый перец. И конечно же, земляника! Собственно, на эту тему я уже однажды писал целую статью. Но сейчас речь пойдёт немного о другом.

И да, не спрашивайте меня, знаю ли я, что такое настоящий искусственный интеллект – если присмотреться, это словосочетание в заголовке наверно не случайно взято в кавычки, не так ли?)

Проблема

Настоящий живой огород в условиях зимней Москвы – нечто сродни чуду, особенно с учётом тотального сноса многочисленных (когда-то) московских совхозов и тепличных хозяйств. И это не просто полезные витамины и немного дополнительного кислорода в комнате – настоящие, яркие, живые растения одним своим видом и присутствием в доме способны служить мощнейшим антидепрессантом на фоне бесконечно унылых чёрно-белых пейзажей за окном. А иногда может даже статься так, что они окажутся единственными живыми существами, которые искренне рады каждому вашему возвращению домой . Но довольно лирики, к чему я собственно всё веду?

Растениям, как и остальным живым организмам, присуща цикличность во времени, причём как годовая, так и суточная. Другими словами, они точно так же нуждаются в периодах сна и бодрствования, как и животные и, в том числе, мы сами. Начинающие светотехники-цветоводы часто совершают большую ошибку, стараясь освещать свои растения как можно дольше (в идеале – круглосуточно). Этим они напрочь лишают своих питомцев времени отдыха и добиваются результата, прямо противоположного желаемому. Представьте например, что некий «добрый волшебник» вдруг пожелал бы исправить «несправедливость» с ежесуточным заходом солнца и не давал бы нам спать, светя круглые сутки в глаза солнцеподобным прожектором . Воистину, благими намерениями вымощены самые качественные дороги сами знаете куда

Так вот. Из вышесказанного явственно следует, что при зимней досветке растений крайнюю важность приобретает управление оной. Основные задачи на первый взгляд довольно просты: вовремя включить и вовремя выключить дополнительное освещение. Вроде бы достаточно просто, весь вопрос в доступных «здесь и сейчас» технологиях, которые позволяют это осуществить.

Решение 1 (очевидное)

Как бы мне ни было сейчас стыдно, сознаюсь честно – на первых порах я решал указанную задачу... вручную . То есть каждый вечер втыкал вилки светильников для цветов в розетки, а перед сном – вытаскивал (какими при этом были сами светильники – даже лучше не буду рассказывать, чтобы не травмировать вашу хрупкую психику ). Простая и очевидная «технология»! Причём судя по окнам, ею до сих пор пользуются многие соседи из дома напротив . Чем это плохо?

• Момент включения определяется на глазок – в какой-то день он наступит слишком рано, а в другой растения уже успеют «задремать», готовясь к ночному отдыху;
• Про эту задачу нужно всё время помнить. Если вдруг забыл или пришёл домой слишком поздно/не пришёл вовсе – свет работать не будет (ну или останется работать на круглые сутки), а это стресс для растений.

Да и вообще, говорить про ежедневное ручное включение и выключение чего-либо в XXI веке уже стало как-то совсем неприлично! Для этого, что ли, человечество изобретало такое количество всяких роботов и автоматов?

Решение 2 (тривиальное)

Поэтому уже на второй «осветительный сезон» мне сильно захотелось как-то автоматизировать процесс управления досветкой. Первым делом на ум, конечно же, пришло использование программируемого таймера. К счастью, уже на тот момент в продаже свободно имелись так называемые розеточные таймеры с электромеханическим принципом работы, вот такие:

причём по весьма демократичной цене (что-то от 2 до 4€ за штуку). Данные изделия были закуплены в товарных количествах и установлены по одному на каждый из светильников на окнах (итого 4 штуки). В сентябре они были настроены на включение в 18:00 и выключение в 23:00, и проблема показалась успешно решённой .

Дьявол, как обычно, спрятался в деталях. Во-первых, естественный световой день непрерывно сокращался, и таймеры нужно было периодически перестраивать. А во-вторых, это нужно было проделывать с каждым! Отключить его от розетки и от светильника, нажать дополнительные кнопочки вокруг диска, подключить всё обратно. Да, это мероприятие требовало меньшей периодичности, чем ежедневное ручное включение/отключение, но отчасти это было даже хуже – тем проще было пропустить нужный момент раз в 2-3 недели, и досветка начинала работать неоптимально. Так мне впервые захотелось не просто автоматизировать, а ещё и централизовать управление светильниками.

Решение 3 (тривиальное+)

Неугомонная инженерная мысль подсказала обратить внимание на цифровой таймер, собранный в незапамятные времена на советской микросхеме КР145ИК1901 (из радиоконструктора «Старт-7176»):

Штука действительно замечательная, правда за исключением двух «милых особенностей»:

1. Настроек таймеров («будильников») в нём всего две;
2. Каждый из таймеров выдаёт всего лишь один импульс напряжения длительностью не более 55 секунд.

Таким образом, для того, чтобы включать и выключать некую нагрузку в заданное время, нужно было собрать дополнительную схему, которая бы по импульсу от «Будильника 1» подавала питание, а по импульсу от «Будильника 2» – снимала его с нагрузки. Так как схема часов «Старт-7176» сугубо слаботочная, для подключения к ней сетевых нагрузок я придумал использовать два реле. Одно из них срабатывало и самоблокировалось по сигналу «Будильника 1», а второе срабатывало и разрывало цепь автоблокировки первого по «Будильнику 2». Однако это не решало задачи централизации управления светильниками на всех окнах. Поэтому следующим логичным шагом стала установка собственных реле в каждый из 4 светильников:

Все эти реле были соединены параллельно дополнительным слаботочным проводом, напряжение на который подавалось с таймера. Светильники при этом включались в ближайшие обычные розетки, а синхронность управления обеспечивалась за счёт одновременного срабатывания или отпускания реле. Перенастройка таймера, таким образом, требовалась только однократно и затрагивала сразу всю систему досветки.

Решение 4 (умный дом)

Описанный выше вариант благополучно проработал аж до самого 2019 года, когда у меня наконец произошло тотальное внедрение самодельного «умного дома». Разумеется, оставлять в работе такой архаизм, как автономный таймер на КР145ИК1901, да ещё и со своей отдельной линией проводов, было бы мягко говоря странно . Поэтому на первых порах все светильники были переключены на ближайшие «умные розетки» и программно объединены в «Группу №3», которая включалась и выключалась одной командой. Управление по-прежнему осуществлялось таймером, регулярно перенастраиваемым вручную (правда в данном случае – полностью программным).

Наконец, в связи с запуском 3 декабря 2023г. собственной метеостанции (содержащей в том числе и датчик наружной освещённости) возникла идея полной автоматизации управления досветкой растений. В один из выдавшихся свободных вечеров был написан и интегрирован в систему нехитрый скрипт. Основные принципы его работы:

• Время возмодного действия досветки было ограничено периодом с сентября по май, с 12:00 до 22:00;
• В этот период каждые 15 минут производится опрос текущих показаний датчика наружной освещённости;
• Досветка включается, когда наружная освещённость становится 500лк или менее (значение определено экспериментально);
• Досветка выключается, когда наружная освещённость становится 700лк или более (функция гистерезиса).

Блок-схема скрипта показана на рисунке ниже:

Кроме этого, скрипт также осуществляет ведение журнала всех своих действий. Безусловное выключение досветки в 22:00 сделано отдельным скриптом из одной строчки)

Вот, собственно, и вся внедрённая на данный момент автоматизация

Собственно, результаты

Для того, чтобы понять преимущества, которые даёт «умная» система управления, посмотрим вначале на данные прошлых лет, когда управление досветкой осуществлялось по таймеру. Вот, например, почасовой график включения за сезон 2005-2006 годов:

Небольшие пояснения: «Осветительный сезон» продолжался с 02.10.2005 по 04.05.2006, уставка таймера менялась с 19:00-22:30 в самом начале до 20:00-22:30 в самом конце, максимальное время работы досветки было в период с 05.12.2005 по 04.01.2006 и составляло 15:30-22:30 (7 часов). Каждая «ступенька» на графике – это момент ручной перенастройки таймера (менялось только время включения, отключение всегда происходило в 22:30). График полезен тем, что по нему легко определить полное энергопотребление за весь сезон, которое равно площади (фактически, интегралу) верхней части диаграммы, умноженной на мощность светильников:

Аналогичные графики за более свежие сезоны:

Настройка таймера во всех случаях производилась «на глаз», а именно по факту обнаружения уже недостаточной дневной освещённости. Например, по последнему графику: в самом начале сезона было определено, что такой момент наступает в 16:00, через 2 недели он был сдвинут на 15:30, и так далее. Разумеется, его отслеживание велось далеко не ежедневно и не с особым пристрастием – именно этим объясняются разные формы графиков для разных лет. Не будем забывать также и о том, что и сами условия светового климата от года к году несколько отличаются, что вносит дополнительные различия.

Что же в итоге даёт внедрение описанной выше автоматики? Посмотрим на самый свежий график, для только что завершившегося осветительного сезона 2023-2024гг.:

В данном случае вручную была настроена только одна, самая начальная точка (17.12.2023, в 14:00). Как и ожидалось, график получился крайне неровный, со значительными «выбросами» в обе стороны от условного среднего значения. Однако сам характер изменения этого среднего оказался несколько удивительным и поначалу не совсем очевидным:

Линия среднего времени включения позволяет более чётко выделить на графике следующие периоды:

Период 1 (~17.12.2023 – 28.03.2024)

Так как система была запущена с некоторым опозданием по сравнению с предыдущими годами (в связи с неготовностью метеостанции к началу осветительного сезона), начало данного периода практически совпало с минимальной продолжительностью светового дня. Поэтому на всём его протяжении наблюдалось планомерное увеличение времени включения досветки и соответственно сокращение времени её работы. Световой день увеличивается вплоть до 21 июня, поэтому первоначально ожидалось, что данное сокращение будет продолжаться до самого конца сезона. Однако эти ожидания не оправдались.

Период 2 (~29.03.2024 – 23.05.2024)

Начиная примерно с начала апреля, начала фиксироваться заметная обратная тенденция: время включения досветки стало планомерно уменьшаться, а её наработки – увеличиваться! Причём начало появляться всё больше тёмных дней, в которых система работала практически всё доступное время (с 12:00 до 22:00). На первый взгляд, это был некий парадокс – световой день увеличивается, но досветка работает всё дольше! Тем не менее, объясняется это очень просто – началом бурного роста листвы на деревьях, затеняющих окно с растениями. Чем крупнее и гуще становилась листва, тем меньше дневного света фиксировалось наружным фотодатчиком (и, соответственно, попадало на растения).

Период 3 (~23.05.2024 – 01.06.2024)

Вполне очевидно, что ничто не может продолжаться бесконечно, в том числе и процесс спада естественной наружной освещённости. К концу мая листва на деревьях стабилизировалась, и ежедневный прирост времени работы досветки практически прекратился (что наглядно иллюстрируется правым «хвостиком» графика средней освещённости на рисунке выше. Система прекратила свою работу 01.06.2024, однако можно предположить, что данная стабилизация сохранилась бы вплоть до самого 21 июня, после чего, вероятно, спад бы продолжился.

Кстати, в этом плане любопытно было бы пронаблюдать процессы, происходящие осенью (в период с 01.09 по 30.11): в это время наряду с продолжающимся сокращением светового дня будет происходить также уменьшение листвы, вплоть до её полного исчезновения. Суммарное влияние этих двух процессов на необходимое время досветки получается весьма неоднозначным. Будем надеяться, мы проверим это уже в следующем сезоне.

В заключение, немного статистики

Энергопотребление

Собственно, каков же «сухой остаток» от внедрения системы? Честно говоря, глядя на график включения досветки в последнем сезоне, первой приходящей мыслью было «об экономии электроэнергии точно придётся забыть» . Ну что ж, давайте посчитаем и сравним годовые энергопотребления для всех показанных выше графиков. Однако с учётом, что система работала не полный осветительный сезон, приведём все данные к аналогичному периоду (17.12 – 31.05), а также к точно такой же мощности светильников (2х18 Вт). Результаты можно видеть в таблице:

Удивительно, но факт: с энергопотреблением системы ничего сверхъестественного не произошло! За тестовый период оно оказалось вполне себе в пределах средних значений за последние годы. При этом распределение этой энергии оказалось более рациональным: например, светильники перестали впустую работать в солнечные дни, а в пасмурные стали включаться раньше. В некоторые дни система включалась и выключалась по мере изменения погоды до 4 раз.

Фрагментация

Опасения насчёт «фрагментации» работы досветки (многократного включения и отключения светильников в течение дня по мере изменения освещённости) фактически не подтвердились. Включение/отключение по 2 и по 3 раза в сутки наблюдалось в течение 11 дней каждое, а по 4 раза в сутки – в течение всего 3 дней. Итого фрагментация наблюдалась менее чем в 14% дней работы систем, причём более 4 включений/отключений за один день зафиксировано не было. Тем не менее, на всякий случай был проведён анализ «особо проблемных» дней, с одновременным построением графиков текущей и среднечасовой (на тот же момент времени) освещённости за период фрагментации. Например, вот графики для 4 апреля 2024 года:

В реальности управление производилось по текущей освещённости ключение и выключение светильников в этот день, соответственно, происходило 4 раза (штриховкой показаны периоды работы досветки):

Общее время работы светильников с 12:00 до 17:00 составило 3 часа 45 минут. Если бы освещение управлялось по среднечасовой освещённости (с теми же порогами включения и отключения), график выглядел бы следующим образом:

Итого: 1 включение, наработка 1 час 15 минут. Даже в том случае, если порог включения составил бы не 500, а 600лк, всё равно наблюдалось бы только 1 включение и наработка всего 1,5 часа – на 60% меньше, чем при управлении по текущей мощности. Аналогичные графики за другой «проблемный день» (17 мая):

Здесь результат ещё более впечатляющий: по достижению среднечасовой освещённости 500лк досветка включилась бы только 1 раз и на 30 минут позже, чем последнее включение по текущей освещённости, а по порогу 600лк также произошло бы только 1 включение с общей наработкой в 30 минут против 1 часа и 5 минут для второго алгоритма.

Таким образом, в будущих сезонах определённо следует рассмотреть возможность перевода управления на среднечасовую освещённость (благо данная информация также предоставляется метеостанцией в готовом виде).

Световой климат

Любопытно было также пронаблюдать за суточным ходом естественной освещённости в разное время года. Отличия поражают воображение! Вот, например, самый тёмный день за всё время наблюдения (23.12.2023):

А это самый светлый (13.04.2024):

Условные среднесуточные освещённости этих дней отличаются в 43 раза! . А вот общий график изменения среднесуточной освещённости (с учётом затенения листвой) с декабря по май:

Любопытно, что самый тёмный день марта совпадает по средней освещённости с самым светлым днём декабря , а вот самые тёмные дни января и мая полностью совпадают. За всё время наблюдения было зафиксировано 82 солнечных дня, из них в декабре – 0, в январе – 6, в феврале – 11, в марте – 21, в апреле – 17, в мае – 22.

Выводы

• «Интеллектуальная» система управления досветкой себя полностью оправдала. Обеспечивается более качественное освещение растений при сохранении среднего уровня энергопотребления за сезон, который наблюдался при неоптимальном таймерном управлении;
• В отдельные дни с переменной облачностью выявлена незначительная «фрагментация» включения досветки (многократное включение и отключение светильников в течение дня по мере изменения текущей освещённости). Для её фактического устранения целесообразно управлять досветкой не по текущим, а по среднечасовым значениям наружной освещённости, динамика которых имеет более плавный характер;
• Также может оказаться полезным переход к плавному регулированию мощности (диммированию) светильников, который позволит поддерживать на растениях более стабильынй уровень освещённости при дополнительном уменьшении энергопотребления. Однако данное мероприятие потребует серьёзной доработки как светильников, так и аппаратной части системы управления, поэтому оно точно не входит в число первоочередных задач.