Введение

Обеспечение населения свежей, экологически чистой растительной продукцией является одной из важнейших социальных и продовольственных задач России. Значительная часть территории нашей страны относится к зонам рискованного земледелия, а многие регионы зависят от поставок сельскохозяйственной продукции из других субъектов Российской Федерации.

Одним из перспективных решений данной проблемы является гидропоника — метод выращивания растений без почвы на искусственных питательных средах. Гидропоника позволяет значительно экономить водные ресурсы. В отличие от традиционного почвенного выращивания, водопотребление в гидропонных системах может сокращаться на 70–90 %. Кроме того, гидропонные системы исключают использование пестицидов и дают возможность получать урожай круглый год независимо от внешних климатических условий. Всё это делает гидропонику одним из ключевых направлений будущего сельского хозяйства, поскольку она решает проблему нехватки ресурсов, урбанизации и необходимости круглогодичного производства свежих продуктов.

Однако эффективность гидропонного выращивания напрямую зависит от возможности контролировать параметры среды: освещённость, температуру, влажность и состав питательного раствора. Для решения этой задачи в домашних условиях возможно создание компактных автоматизированных гроубоксов — закрытых систем с контролируемым микроклиматом.

Цель работы — разработать и экспериментально верифицировать прототип автоматизированного гидропонного гроубокса, обеспечивающего стабильные параметры среды для полного вегетационного цикла томатов в домашних условиях.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи :

1. Провести анализ существующих гидропонных и автоматизированных систем, выявить их ограничения и определить критерии проектирования доступной установки.
2. Разработать конструкцию гроубокса, включая корпус, гидравлический контур, осветительную и вентиляционную системы, и обосновать выбор элементной базы.
3. Спроектировать алгоритм управления на базе микроконтроллера Arduino для автоматической поддержки уровня питательного раствора, фотопериода, температуры и влажности.
4. Провести экспериментальное культивирование томатов от посева до сбора урожая в разработанном гроубоксе, зафиксировав динамику роста и качественные характеристики плодов.
5. Оценить эффективность разработанной системы по совокупности критериев: стабильность автоматики, биологическая успешность и потребительские свойства урожая.

Научная новизна работы определяется тем, что впервые проведена экспериментальная апробация бюджетной модели автоматизированного гроубокса, сконструированного из доступных материалов и адаптированного для применения в условиях школы. В отличие от существующих коммерческих аналогов, ориентированных на премиальный сегмент, предложенная конструкция объединяет автоматическое управление уровнем раствора, фотопериодом и микроклиматом в единой доступной системе. Впервые для установки данного типа проведена комплексная оценка эффективности, включающая инженерную стабильность, биометрические показатели растений и органолептические свойства полученного урожая.

Разработанный гроубокс может быть использован как платформа для учебных проектов по биологии, экологии, биотехнологии и автоматизации, а также для организации внеурочной деятельности школьников, направленной на формирование межпредметных инженерных и исследовательских компетенций. Доступность и воспроизводимость конструкции позволяют тиражировать установку в других образовательных учреждениях и применять её в качестве базы для дальнейших исследовательских работ в области городского фермерства и управляемого растениеводства.

Обзор литературы

В последние годы наблюдается устойчивый рост интереса к гидропонным технологиям как к перспективному направлению современной агропромышленности [1]. Гидропоника — метод выращивания растений без использования почвы, с применением минерально-питательных растворов на водной основе — предлагает ряд преимуществ: экономия воды, повышение урожайности, возможность выращивания в городских условиях и сокращение трудозатрат [2, 3].

Наиболее доступным и распространённым материалом для изготовления корпуса гроубокса является ЛДСП (ламинированная древесно-стружечная плита). Данный материал может использоваться как новый, так и бывший в употреблении — при условии выполнения распила для придания нужных размеров [4]. После определения габаритов заказывается распил листов, после чего конструкция собирается с помощью крепёжных элементов [4]. В качестве альтернативы также используется старая мебель — шкафы, тумбы или шифоньеры, если их размеры подходят для выращивания растений [5]. Внутренние стенки гроубокса должны быть покрыты светоотражающим материалом для равномерного распределения света по всему объёму.

Также существуют специализированные гроутенты — палатки на каркасе из металлических трубок с чехлом из плотной ткани, внутри покрытой светоотражающим материалом Mylar [6]. В качестве материала каркаса часто используется металлическая труба 16 мм, а внешний слой выполняется из ткани Oxford 600D [6].

Габариты гроубокса определяются количеством растений и их видовыми особенностями. Высота конструкции ограничивает вертикальное пространство для роста культур: для высокорослых растений (томаты, огурцы) требуется высота 1,5–2 метра, тогда как для низкорослых культур (зелень, редис, лук) достаточно 0,8–1 метра [7]. При этом необходимо учитывать, что источник освещения занимает около 30 см вертикального пространства, а при использовании подвесных креплений — до 40–50 см [8]. Наиболее распространённые типоразмеры включают компактный формат 40×40×160 см для микрозелени и трав, средний формат 60×60 или 80×80 см для нескольких растений перца и салатов, а также полноразмерные конструкции 100×100×200 см для культивирования высокорослых культур [7]. В верхней части корпуса рекомендуется предусмотреть технический отсек высотой 10–20 см для размещения электрических компонентов [9].

Качество освещения является одним из ключевых факторов, определяющих эффективность фотосинтеза [10]. В компактных домашних конструкциях рекомендуется использовать светодиодные (LED) или неоновые лампы, которые характеризуются низким тепловыделением и относительно низким энергопотреблением [10]. Вентиляция обеспечивается вытяжным вентилятором и вентиляционными отверстиями для поступления кислорода; также могут применяться угольные фильтры для устранения запахов [11]. Система автоматизации включает реле времени, датчики температуры и влажности, а при необходимости — обогреватели и увлажнители воздуха [12].

Ключевым элементом автоматизации гидропонных систем стали микроконтроллеры, в первую очередь платформа Arduino. Это связано с её доступностью, простотой программирования и широкими возможностями для интеграции с датчиками и исполнительными устройствами [13]. Обзор литературы показывает, что устройства на базе Arduino и ESP8266 являются наиболее распространёнными для построения систем мониторинга и управления в гидропонике.

Примером комплексного подхода является разработка «GrowSphere» — интеллектуальной гидропонной системы, где архитектура включает микроконтроллер Arduino с датчиками pH, электропроводности и уровня воды, автоматически регулирующий подачу питательных веществ, воды и спектр LED-освещения. Система также поддерживает удалённый мониторинг и прогнозирование роста. Экспериментальные результаты показали, что растения в такой системе достигают наибольшей сырой массы (11,0 ± 1,5 г) по сравнению с глубоководной гидропоникой (1,2 ± 0,3 г) и почвенным выращиванием (0,9 ± 0,4 г), что подтверждает эффективность автоматизации. [14] Другое исследование предлагает компактную домашнюю гидропонную систему, интегрирующую аппаратное и программное обеспечение в традиционную гидропонику, что позволяет использовать её в условиях ограниченного городского пространства. [15] В работе Канцеляристова А. В. рассматривается построение полностью автоматизированной гидропонной фермы — гроубокса, изолированного от внешней среды, с удалённым управлением по локальной сети. Управление такой фермой происходит с сервера по заранее запланированному сценарию. [6]

В России также ведутся активные разработки в этой области. Например, команда Северо-Кавказского федерального университета создала прототип гроубокса с системой автоконтроля, использующий контроллер собственной разработки. Система оснащена датчиками температуры, влажности воздуха и освещённости, насосом, вентилятором и расходометром, а управление микроклиматом осуществляется через специальное веб-приложение. [16]

Материалы и методы

Для проведения эксперимента была разработана и собрана автоматизированная гидропонная установка замкнутого типа (гроубокс). Корпус гроубокса выполнен из алюминиевого X-образного профиля сечением 20 мм, соединённого крепёжными уголками с помощью болтов и гаек M4×10. Стенки изготовлены из листов ПВХ, оклеенных отражающим слоем фольги, для обеспечения равномерного распределения света. Для наблюдения за растениями в передней части корпуса установлены листы оргстекла, внутренняя поверхность оклеена зеркальной солнцезащитной пленкой (30 % и 15 %). Внутренние размеры рабочей камеры составили 1250 × 750 × 450 мм

Гидропонная система реализована по принципу глубоководного культивирования (Deep Water Culture, DWC): корни растений постоянно погружены в питательный раствор, находящийся в пластиковом контейнере объёмом 30 л, установленном в нижней части гроубокса. Для насыщения раствора кислородом использовались аквариумные аэраторы, обеспечивающие непрерывную подачу воздуха. Растения помещались в пластиковые посадочные стаканчики, заполненные минеральной ватой, и закреплялись в отверстиях лотков, расположенных над поверхностью раствора, так что корневая система находилась в постоянном контакте с жидкостью. Поддержание уровня раствора осуществлялось автоматически: при снижении объёма жидкости ниже заданного порога (вследствие транспирации и испарения) срабатывал датчик уровня, инициируя подачу дистиллированной воды насосом долива до восстановления исходного уровня. Подача раствора к растениям осуществлялась погружным насосом через ПВХ-шланги. Полная замена питательного раствора проводилась вручную один раз в месяц.

Рис. 1. Собранный гидропонный гроубокс

Управление установкой реализовано на базе микроконтроллера Arduino (ATmega328, тактовая частота 16 МГц, 14 цифровых и 6 аналоговых входов/выходов). Для мониторинга параметров среды использовались следующие датчики:

— датчик уровня воды — для контроля объёма питательного раствора в резервуаре;

— датчик температуры и влажности DHT22 (диапазон измерения температуры: −40…+80°C, точность ±0,5°C; влажности: 0–100 %, точность ±2–5 %)— для контроля микроклимата внутри камеры.

Исполнительные устройства включали:

— погружной насос для подачи питательного раствора;

— насос долива дистиллированной воды;

— низкопрофильный кулер для вентиляции;

— увлажнитель воздуха;

— LED-светильник полного спектра для обеспечения фотопериода.

Все исполнительные устройства подключались через релейные модули, управляемые цифровыми выходами микроконтроллера. Программный код разработан в среде Arduino IDE на языке C++. Отладка системы проводилась поэтапно: последовательно тестировались каждый контур управления (освещение, вентиляция, полив) и логика взаимодействия между ними.

В качестве тестовой культуры использовались томаты сорта «Монеточка» ( Solanum lycopersicum ) — ультраскороспелый детерминантный сорт.

Рис. 2. Семена томатов

Семена высажены 15 сентября в минеральную вату для проращивания. На этапе проращивания минеральная вата насыщалась питательным раствором с EC = 1,5–1,8 мСм и pH = 5,0–5,3. После появления всходов саженцы пересажены в гидропонную систему 5 ноября.

Питательный раствор готовился на основе дистиллированной воды с добавлением комплексного минерального удобрения. В период вегетации поддерживались следующие параметры: EC раствора — 2,0–2,8 мСм, pH — 5,5–6,5. Температура в рабочей камере поддерживалась в диапазоне 18–25°C, относительная влажность воздуха — 60–80 %.

Органолептическая оценка: проведено анкетирование дегустаторов для оценки вкусовых качеств полученного урожая. Респондентам предлагалось оценить внешний вид, аромат, вкус и общее впечатление от плодов по пятибалльной шкале. В опросе приняли участие 35 респондентов, представляющих целевую аудиторию потенциальных пользователей домашних гроубоксов: учащиеся и сотрудники ОАНО «Школа «Летово» в возрасте от 14 до 55 лет.

Результаты

В ходе выполнения работы был успешно собран и запущен прототип автоматизированного гидропонного гроубокса. Все конструктивные элементы были смонтированы в соответствии с разработанным эскизом: алюминиевый каркас, стенки из ПВХ и оргстекла, отражающее покрытие, гидравлический контур и система автоматизации на базе Arduino. Подключение и настройка всех исполнительных устройств — насоса, аэратора, вентилятора, увлажнителя и освещения — выполнены через релейные модули, управляемые микроконтроллером.

В процессе отладки возникали технические сложности, связанные с нестабильной работой датчика уровня, что потребовало дополнительной настройки порогов срабатывания и переделки узла крепления датчика. После устранения выявленных неполадок система продемонстрировала стабильную работу: автоматическое доливание раствора происходило при каждом снижении уровня ниже установленного порога, фотопериод (16 часов света / 8 часов темноты) соблюдался без сбоев, вентиляция и увлажнение активировались при достижении заданных порогов температуры и влажности.

На протяжении всего эксперимента не было зафиксировано критических сбоев, которые могли бы привести к гибели растений или потере урожая. Семена томатов сорта «Монеточка» были высажены 15 сентября в минеральную вату для проращивания. Всходы появились на 5–7-й день. 5 ноября саженцы пересажены в гидропонную систему. Адаптация растений к новым условиям прошла успешно: признаки стресса (увядание, пожелтение листьев) не наблюдались. В период вегетации растения демонстрировали равномерный рост без видимых признаков дефицита питательных веществ или заболеваний.

В соответствии с сортовыми характеристиками, томаты «Монеточка» являются ультраскороспелым детерминантным сортом. В условиях разработанного гроубокса цветение началось через 3 недели после пересадки, завязывание плодов — через 5 недель. Сбор урожая произведён 8 декабря, что составило примерно 84 дня от посева семян. Полученные плоды имели характерную для сорта округлую форму, массу 15–30 г и насыщенную золотисто-оранжевую окраску.

Таблица 1

Результаты органолептической оценки плодов (n=35)

Обсуждение результатов

В ходе выполнения работы был успешно разработан, собран и экспериментально апробирован прототип автоматизированного гидропонного гроубокса. Полученные результаты подтверждают принципиальную возможность создания доступной и воспроизводимой установки для круглогодичного выращивания овощных культур в домашних условиях на базе общедоступных компонентов и открытой платформы Arduino.

Разработанная система автоматизации продемонстрировала стабильную работу на протяжении всего вегетационного цикла (84 дня). Автоматическое поддержание уровня питательного раствора, фотопериода и микроклимата позволило свести к минимуму необходимость вмешательства пользователя, что подтверждает достижение одной из ключевых целей проекта — создание системы, функционирующей в автономном режиме. Однако в процессе отладки были выявлены технические ограничения используемого датчика уровня: его нестабильная работа на начальных этапах потребовала дополнительной настройки порогов срабатывания и переделки узла крепления. Это указывает на необходимость использования более надёжных датчиков (например, поплавковых или ультразвуковых) в будущих версиях установки. Тем не менее, после устранения неполадок система работала без критических сбоев, что подтверждает принципиальную пригодность выбранной элементной базы для решения поставленных задач.

Выращивание томатов сорта «Монеточка» в разработанном гроубоксе подтвердило эффективность гидропонного метода для получения полноценного урожая в контролируемых условиях. Сроки вегетации соответствуют паспортным данным сорта, что свидетельствует о корректности поддерживаемых параметров среды. Отсутствие признаков дефицита питательных элементов, болезней и вредителей подтверждает преимущества гидропонного выращивания в замкнутом пространстве по сравнению с традиционным почвенным методом, где подобные риски значительно выше. Равномерный рост растений на протяжении всего эксперимента указывает на стабильность питательного раствора и эффективность системы аэрации корней.

Высокие оценки, полученные в ходе дегустации (средний балл 4,6 из 5), свидетельствуют о том, что выращенные в гидропонной системе плоды не уступают по вкусовым качествам выращенным традиционным способом. Это важный результат, поскольку одним из распространённых стереотипов является мнение о «водянистом» или пресном вкусе гидропонных овощей. Полученные данные опровергают этот стереотип, подтверждая, что при корректном подборе питательного раствора и соблюдении режимов выращивания гидропонные томаты обладают насыщенным вкусом и ароматом, характерным для сорта.

Выводы

В ходе выполнения работы были решены все поставленные задачи, что позволяет сформулировать следующие выводы:

1. Существующие коммерческие системы ориентированы на премиальный сегмент и недоступны для широкого пользователя, а любительские разработки не проходят экспериментальной проверки, что подтверждает актуальность создания доступной и воспроизводимой установки.
2. Спроектирована и собрана работоспособная конструкция гроубокса из доступных материалов (алюминиевый профиль, листы ПВХ, светоотражающая плёнка), пригодная для использования в домашних условиях. Все необходимые элементы установлены и функционируют.
3. Реализованный алгоритм управления обеспечил стабильную работу всех систем автоматизации (поддержание уровня раствора, фотопериода, температуры и влажности) без критических сбоев на протяжении всего вегетационного цикла.
4. Экспериментальное культивирование томатов сорта «Монеточка» показало, что разработанная установка обеспечивает полноценное прохождение растениями всех фаз развития: вегетационный цикл составил 84 дня и соответствовал сортовым характеристикам.
5. Эффективность системы подтверждена отсутствием критических сбоев автоматики, получением съедобного урожая и высокими органолептическими оценками плодов (средняя оценка 4,7 из 5, n=35), что свидетельствует о практической пригодности установки для домашнего выращивания томатов.

Несмотря на успешные результаты, исследование имеет ряд ограничений, которые следует учитывать при интерпретации данных и планировании дальнейших работ.

Во-первых, эксперимент проводился с одной тестовой культурой (томаты сорта «Монеточка») в единственном экземпляре установки, что не позволяет сделать статистически обоснованные выводы о воспроизводимости результатов. Для получения более надёжных данных необходимо проведение серии параллельных экспериментов с повторениями.

Во-вторых, в работе не проводился количественный анализ продуктивности (масса урожая, количество плодов на растение, содержание сухих веществ, витаминов и т. п.), что ограничивает возможность объективного сравнения с другими методами выращивания. Органолептическая оценка, хотя и даёт ценную информацию о потребительских свойствах, является субъективной и не заменяет инструментального анализа качества продукции.

В-третьих, система автоматизации не включала контроль pH и EC питательного раствора в реальном времени, что является важным параметром для гидропонного выращивания. В данной работе поддерживались заданные диапазоны pH и EC, но контроль осуществлялся периодически с использованием портативных измерителей, а не непрерывно через систему автоматизации. Это ограничение связано с доступной элементной базой и является направлением для дальнейшего усовершенствования установки.

В-четвёртых, в работе отсутствовала контрольная группа растений, выращенных в идентичных условиях, но без автоматизации или в почве, что затрудняет количественную оценку вклада автоматизации в конечный результат. Однако, как отмечалось, цель работы не заключалась в сравнении урожайности, а в демонстрации принципиальной возможности создания стабильно работающей автоматизированной системы.

На основе полученных результатов и выявленных ограничений могут быть определены следующие направления для дальнейшего развития проекта:

— Совершенствование системы мониторинга: интеграция датчиков pH и EC для непрерывного контроля и автоматической корректировки состава питательного раствора, что позволит исключить ручной этап замены раствора и повысить точность поддержания параметров.

— Повышение надёжности: замена датчика уровня на более точный и надёжный (ультразвуковой или поплавковый), внедрение системы резервирования для критических узлов (насос, аэратор).

— Сбор количественных данных: проведение эксперимента с фиксацией массы урожая, количества плодов, содержания сухих веществ, витаминов и нитратов для объективной оценки качества продукции.

— Сравнительные исследования: проведение параллельных экспериментов с выращиванием одной культуры в гидропонной системе и в почве для количественной оценки преимуществ гидропоники в условиях контролируемого микроклимата.

— Расширение спектра культур: тестирование установки на других овощных и зеленных культурах (салат, базилик, перец, огурцы) для оценки универсальности предложенной конструкции.

— Масштабирование и коммерциализация: доработка дизайна с целью снижения себестоимости и улучшения эргономики, разработка пошаговой инструкции и открытого доступа к программному коду для тиражирования системы.

Несмотря на указанные ограничения, полученные результаты имеют как практическое, так и образовательное значение. Во-первых, подтверждена возможность получения полноценного урожая томатов в автоматизированной гидропонной системе, собранной из доступных материалов, что делает такую установку перспективной для домашнего использования и городского фермерства. Во-вторых, проект представляет интерес для образовательных учреждений как пример интеграции естественно-научных и инженерных дисциплин в рамках проектной деятельности, способствуя формированию у школьников исследовательских и инженерных компетенций. В-третьих, разработанный гроубокс может служить основой для дальнейших научных исследований в области оптимизации режимов выращивания различных культур в контролируемых условиях, что подтверждается интересом экспертов и планами автора по развитию проекта.

Литература:

1. Hydroponics: A review of sustainability and productivity [Электронный ресурс] // AIP Publishing. — 2025. — URL: https://pubs.aip.org , свободный (дата обращения: 16.06.2026).
2. Вертикальные фермы: экономия воды до 95 % [Электронный ресурс] // РУДН. — URL: https://www.rudn.ru/media/news/nauka/agronomiarus-kak-student-rudn-sozdaet-agroteh-budushchee-s-mnogoetajnymi-fermami , свободный (дата обращения: 16.06.2026).
3. Рассоха Д. С., Кандрашкина Е. А. Гроубокс как элемент автоматизации сельского хозяйства // Материалы Международной научно-практической конференции «Инженерные решения в агропромышленном комплексе». — Белгород: Белгородский ГАУ, 2024. — С. 145–149.
4. Бураков Д. А. Разработка и исследование автоматизированной гидропонной установки для домашнего использования // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета. — 2025. — № 2 (58). — С. 67–72.

2. Технические характеристики гроутентов // ГОСТ Р 59600–2021 «Установки для выращивания растений в защищённом грунте. Общие технические условия». — М.: Стандартинформ, 2021. — Разд. 5 «Материалы и конструкции».
3. Канцеляристов А. В. Разработка автоматизированной гидропонной фермы с удалённым управлением по локальной сети // Научный альманах. — 2025. — № 4. — С. 56–62.
4. Мини-гроубоксы: обзор типоразмеров // Журнал «Цветоводство». — 2024. — № 6. — С. 28–31.
5. Проектирование гроубокса: эргономические требования // Сборник научных трудов Института агроинженерии. — СПб: СПбГАУ, 2024. — Вып. 12. — С. 88–92.
6. Кузнецов Е. А., Калабкин А. А., Ивлиев С. Н. и др. Разработка и исследование светодиодного фитооблучателя // Справочник. Инженерный журнал. — 2024. — № 3. — С. 46–52. — DOI: 10.14489/hb.2024.03.pp.046–052
7. Система интеллектуального управления технологическими процессами воздухобеспечения [Электронный ресурс] // Вестник ГСТОУ. — URL: https://gstou.ru , свободный (дата обращения: 16.06.2026).
8. Kumara V., Naik A., Tahsir F. et al. IoT-enabled smart hydroponic system using nutrient film technique for precision agriculture // International Journal of Informatics and Communication Technology (IJ-ICT). — 2026. — Vol. 15, No. 2. — P. 900–908. — DOI: 10.11591/ijict.v15i2.pp900–908.
9. Automated hydroponic system for precision agriculture: a review // Journal of Agricultural Engineering. — 2025. — Vol. 56, No. 4. — P. 215–228.
10. Arduino-based automation in hydroponics: a review // Journal of Agricultural Engineering. — 2025. — Vol. 56, No. 2. — P. 112–119.
11. Obeysekara V., Perera T. A., De Silva L. N. C., Sandaruwan K. D. GrowSphere: Intelligent Hydroponic System for Effortless Cultivation of Leafy Vegetables // IEEE Access. — 2026. — Vol. 14. — P. 2320–2334. — URL: https://doaj.org/article/a9f77da49df645f09a7477739ab0b40a , свободный (дата обращения: 17.06.2026).
12. Urban small-scale hydroponics: A compact, smart home-based hydroponics system [Электронный ресурс] // PubMed Central (PMC). — 2024. — URL: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov , свободный (дата обращения: 17.06.2026).
13. Для интерьера и научных наблюдений: прототип гроубокса с системой автоконтроля за растениями создали в СКФУ [Электронный ресурс] // Poisknews.ru. — 2024. — 10 августа. — Режим доступа: https://poisknews.ru/tehnologii/dlya-interera-i-nauchnyh-nablyudenij-prototip-grouboksa-s-sistemoj-avtokontrolya-za-rasteniyami-sozdali-v-skfu/ , свободный (дата обращения: 17.06.2026).