UPRAWY POD OSŁONAMI • MIKROKLIMAT VPD • FERTYGACJA PRECYZYJNA

Inżynieria Nawadniania Szklarni: Deficyt VPD, Radiacja Słoneczna i Dozowanie Pożywki

Środowisko szklarniowe eliminuje wpływ deszczu na strefę korzeniową. Przedstawiamy model bilansu transpiracji oparty na Deficycie Prężności Pary Wodnej (VPD), promieniowaniu krótkofalowym oraz proporcjonalnej fertygacji A+B zaimplementowany w mikrokontrolerze ESP32-S3.

Szklarnie i tunele foliowe stanowią środowisko całkowicie chronione (Protected Cropping). Zastosowanie w tym obszarze standardowych modeli agrometeorologicznych dla otwartego gruntu prowadzi do krytycznych błędów agrotechnicznych. Opady deszczu na zewnątrz nie nawadniają upraw pod poszyciem, dlatego twarda blokada deszczowa musi zostać bezwzględnie dezaktywowana, a sterowanie dawką wody i nawozów podporządkowane energii słonecznej oraz transpiracji aparatów szparkowych.

Zasada Niezależności Opadowej (No-Rain Interlock):

W profilu szklarniowym modułu Waveshare 6CH algorytm całkowicie odrzuca opad zewnętrzny ($ P_{\text{eff}} = 0 $). W czasie zewnętrznej ulewy transpiracja roślin pod szkłem trwa nadal i zależy od nasłonecznienia oraz wilgotności powietrza.

1. Deficyt Prężności Pary Wodnej (VPD) i Równanie Tetensa

Sama wilgotność względna ($ RH $) nie oddaje realnej siły wysysającej wodę z liści. Kluczowym parametrem fizjologii roślin jest VPD (Vapor Pressure Deficit) – różnica między ciśnieniem pary nasyconej wewnątrz komórek liścia ($ e_s $) a ciśnieniem pary w otaczającym powietrzu ($ e_a $):

$$\text{VPD} = e_s - e_a \quad [\text{kPa}]$$

Ciśnienie pary nasyconej $ e_s $ w temperaturze $ T $ [°C] wyliczane jest na mikrokontrolerze ESP32-S3 za pomocą równania Tetensa:

$$e_s = 0.61078 \times \exp\left( \frac{17.27 \times T}{T + 237.3} \right) \quad [\text{kPa}]$$

Rzeczywiste ciśnienie cząstkowe pary wodnej $ e_a $ wynika bezpośrednio z wilgotności względnej $ RH $ [%]:

$$e_a = e_s \times \left( \frac{RH}{100} \right) \quad [\text{kPa}]$$

Przedziały agronomiczne wartości VPD:

$ \text{VPD} < 0.4\text{ kPa} $ – Powietrze nasycone wilgocią. Transpiracja i pobieranie wapnia ustają; drastycznie rośnie ryzyko szarej pleśni i chorób grzybowych.
$ 0.8\text{ kPa} \le \text{VPD} \le 1.2\text{ kPa} $ – Optimum fotosyntetyczne. Aparaty szparkowe są maksymalnie otwarte, asymilacja dwutlenku węgla i pobór pożywki przebiegają optymalnie.
$ \text{VPD} > 1.6\text{ kPa} $ – Stres wodny. Powietrze wysysa wodę szybciej, niż korzenie są w stanie ją dostarczyć. Roślina zamyka aparaty szparkowe, by uniknąć uschnięcia.

2. Wpływ Promieniowania Słonecznego ($ R_s $) i Cieniowania

Głównym motorem transpiracji w szklarni jest energia dostarczana przez słońce. Do algorytmu pobierana jest telemetria radiacji krótkofalowej $ R_s $ [W/m²], korygowana współczynnikiem przenikania światła przez poszycie i ekrany termoizolacyjne $ S_{\text{coef}} $:

$$R_{\text{eff}} = R_s \times S_{\text{coef}} \quad [\text{W/m}^2]$$

Rzeczywista dawka dobowa na metr kwadratowy powierzchni szklarni $ D_{\text{m2}} $ [l/m²] wyliczana jest poprzez sprzężenie bazy uprawy z mnożnikami radiacji ($ M_{\text{rad}} $) oraz deficytu wilgotności ($ M_{\text{vpd}} $):

$$D_{\text{m2}} = D_{\text{base}} \times M_{\text{rad}} \times M_{\text{vpd}} \quad [\text{l/m}^2]$$

Całkowita objętość wody $ V_{\text{woda}} $ [litry] potrzebna do nawodnienia szklarni o powierzchni $ A $ [m²] wynosi:

$$V_{\text{woda}} = D_{\text{m2}} \times A \quad [\text{litrów}]$$

3. Automatyka Fertygacji i Sterowanie Przekaźnikami Waveshare 6CH

System nie ogranicza się do podlewania samą wodą. Moduł Waveshare 6CH rozdziela przepływ magistrali wodnej oraz pompy inżektora stężonej pożywki wieloskładnikowej (A+B). Czas otwarcia elektrozaworu wody (K1) oraz czas pracy pompy nawozowej (K2) obliczane są wprost z wydatków instalacji:

$$t_{\text{K1 (woda)}} = \left\lfloor \frac{V_{\text{woda}}}{Q_{\text{drip}}} \times 3600 \right\rfloor \quad [\text{sekundy}]$$

Objętość koncentratu nawozowego zależy od wymaganego stężenia procentowego $ F_{\text{pct}} $ (zazwyczaj 0.7% – 1.5% objętości wody):

$$t_{\text{K2 (nawóz)}} = \left\lfloor \frac{V_{\text{woda}} \times \left( \frac{F_{\text{pct}}}{100} \right)}{Q_{\text{fert}}} \times 3600 \right\rfloor \quad [\text{sekundy}]$$

Gatunek uprawy	Baza wodna ($ D_{\text{base}} $)	Stężenie nawozu ($ F_{\text{pct}} $)	Charakterystyka agrotechniczna
Sałata (GH_CROP_LETTUCE)	2.2 l/m²	0.7% (niskie EC: 1.1–1.4 mS/cm)	Płytki system korzeniowy, duża wrażliwość na zasolenie podłoża.
Gerbera (GH_CROP_GERBERA)	4.5 l/m²	1.2% (średnie EC: 1.5–2.0 mS/cm)	Kwiat cięty; duże zapotrzebowanie na potas i żelazo, wrażliwość na zalanie.
Pomidor (GH_CROP_TOMATO)	5.5 l/m²	1.5% (wysokie EC: 2.2–2.8 mS/cm)	Intensywna transpiracja letnia, wysokie zapotrzebowanie na wapń i potas.

4. Ewaporacyjne Chłodzenie i Zbijanie VPD (Zamgławianie K3)

W upalne letnie dni samo wietrzenie szklarni nie wystarcza, a wskaźnik VPD szybuje powyżej niebezpiecznej granicy 1.6 kPa. Moduł wykonawczy aktywuje przekaźnik K3 (Wysokociśnieniowe zamgławianie chłodzące) po spełnieniu łącznego warunku termiczno-wilgotnościowego:

$$\text{Załączenie K3} \iff \left( T \ge 28.0^\circ\text{C} \quad \wedge \quad \text{VPD} \ge 1.60\text{ kPa} \right)$$

Mikroskopijne krople wody natychmiast odparowują w powietrzu, odbierając ciepło utajone parowania (ok. 2.45 MJ na litr wody), co obniża temperaturę wewnątrz szklarni o 3–6°C i podnosi wilgotność, sprowadzając VPD z powrotem do bezpiecznego okna fotosyntezy.

Podsumowanie Wdrożenia: Szklarnia pod kontrolą Waveshare 6CH

Zaimplementowany w module greenhouse_irrigation.c silnik obliczeniowy realizuje deterministyczną kontrolę strefy chronionej bezpośrednio w mikrokontrolerze ESP32-S3:

Pełna autonomia brzegowa (No-Cloud): Wyliczenia VPD, objętości pożywki i czasów załączenia cewek odbywają się w pamięci RAM mikrokontrolera w czasie poniżej 2 ms.
Precyzja fertygacji proporcjonalnej: Równoległe sterowanie elektrozaworem wody K1 i pompą inżektora K2 eliminuje ryzyko przenawożenia lub zasolenia podłoża.
Sprzętowy Watchdog i Fail-Safe: Każdy przekaźnik kontrolowany jest przez niezależny licznik odliczający w przerwaniu sprzętowym 1 Hz, co zapobiega zalaniu szklarni w razie zakłóceń sieciowych.

Architektura przetestowana i zintegrowana w systemie ProPresta IT na kontrolerze Waveshare ESP32-S3 6CH Relay.