Ogarev-onlineOgarev-onlineОгарёв-online2311-2468National Research Mordovia State University31658810.15507/2311-2468.013.202504.411-422oxfqawTechnical SciencesТехнические наукиResearch ArticleLow-cost Hydroponic Cell with Microcontroller Reintegration to Programmable Logic ControllerНизкозатратная гидропонная ячейка с реинтеграцией микроконтроллера к программируемому логическому контроллеруhttps://orcid.org/0000-0002-5534-63464888-1520BobrovMaksim A.БобровМаксим Андреевич
Russian Federation

Cand. Sci (Eng.), Associate Professor at the Chair of Electronics and Electrical Engineering

Кандидат технических наук, доцент кафедры электроники и электротехники

bobrovma92@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0004-3506-18474661-4167BezborodovEgor S.БезбородовЕгор Сергеевич
Russian Federation

Postgraduate Student, Lecturer at the Chair of Electronics and Electrical Engineering

Аспирант, преподаватель кафедры электроники и электротехники

egor.bez-off@yandex.ruNational Research Mordovia State UniversityНациональный исследовательский Мордовский государственный университет291220251344114220210202506112025Copyright ©; 2025, Bobrov M.A., Bezborodov E.S.Copyright ©; 2025, Бобров М.А., Безбородов Е.С.2025Bobrov M.A., Bezborodov E.S.Бобров М.А., Безбородов Е.С.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/https://ogarev-online.ru/2311-2468/article/view/316588

Introduction. High start-up costs and excessive automation when implementing vertical farms and hydroponic systems increase the risk of project failure in the early stages. The aim of this study is to formalize and validate a stepwise methodology for transferring control of a hydroponic cell from a microcontroller to an industrial controller without loss of controllability or data, thereby maintaining low startup costs.

Materials and Methods. The prototype is a hydroponic cell operating a 2-hour/15-minute flood–drain cycle. The hardware includes an Iskra Mega microcontroller, peristaltic and air pumps, pH and electrical conductivity (EC) sensors, dimmable horticultural luminaires, and Modbus RTU over RS-485. Methods comprised laboratory experimentation, sensor calibration, event logging and auditing, stress testing of the communication bus, and modeling of online-takeover and offline-migration algorithms. pH/EC control loops were implemented with proportional-integral (PI) controllers using integrator anti-windup protection.

Results. The scheduling was deterministic, with phase-switching errors < 0.1 %. pH and EC settled within ≤12–15 minutes with low overshoot. The fraction of frames rejected by the CRC integrity check was low. The online takeover was executed within milliseconds without frame loss, while the offline migration correctly restored all monitoring trend plots.

Discussion and Conclusion. The feasibility of multi-stage transition from a microcontroller to industrial implementation is confirmed. The synchronization bus and address-based subroutine activation provide a seamless handover and preserve data integrity. Economically, the microcontroller is justified for 1–3 cells, whereas industrial controllers are preferable for ≥ 6–12 cells. The results are useful for industrial automation and control system (IACS) integrators and vertical-farm developers, offering step-by-step procedures for online/offline reintegration, requirements for bus/addressing, and criteria for transitioning to industrial implementation when scaling the system.

Введение. Высокие стартовые затраты и избыточная автоматизация при внедрении вертикальных ферм и гидропонных систем повышают риск неудачи проектов на ранних этапах. Цель исследования – формализовать и верифицировать методику поэтапного перехода управления ячейкой от микроконтроллера к промышленному контроллеру без потерь управляемости и данных, обеспечивающую низкие стартовые затраты.

Материалы и методы. Прототип – одна гидропонная ячейка с циклом «затопление – осушение» (2 ч / 15 мин). Аппаратная часть: плата Iskra Mega, перистальтические и воздушные насосы, датчики водородного показателя и электропроводности, управляемые фитолампы, а также коммуникационный протокол Modbus RTU на базе интерфейса RS-485. Методы: лабораторный эксперимент, калибровка измерительных каналов, протоколирование и аудит событий, нагрузочные испытания шины связи, моделирование алгоритмов онлайн-перехвата и офлайн-миграции управляющих воздействий. Контуры поддержания водородного показателя и электропроводности реализованы на пропорционально-интегральных регуляторах с защитой от насыщения интегратора.

Результаты исследования. Результаты показали детерминированность расписания с ошибкой переключения фаз < 0,1 %. Время установления pH/EC – не более 12–15 мин, перерегулирование незначительное. Доля кадров, отвергнутых по CRC, – низкая. Онлайн-перехват осуществляется за миллисекунды без пропусков кадров. Офлайн-миграция корректно восстанавливает графики.

Обсуждение и заключение. Подтверждена работоспособность многоступенчатого перехода от микроконтроллера к общепромышленному исполнению. Шина синхронизации и адресная активация подпрограмм обеспечивают бесшовный переход и целостность данных. Экономически микроконтроллер оправдан при 1–3 ячейках; промышленные контроллеры – при 6–12 ячейках и более. Результаты исследования представляют практическую ценность для интеграторов автоматизированных систем управления технологическими процессами и разработчиков вертикальных ферм. Данные позволяют применять пошаговые процедуры онлайн- и офлайн-реинтеграции, учитывать требования к шине и адресации, а также использовать обоснованные критерии перехода к промышленному исполнению при масштабировании системы.

hydroponicsvertical farmingcontrol reintegrationmicrocontrollerprogrammable logic controllerfloodingdrainageгидропоникавертикальная фермареинтеграция управлениямикроконтроллерпрограммируемый логический контроллерзатоплениеосушениеИсследование выполнено при финансовой поддержке внутривузовского научного гранта в области гуманитарных, естественных и инженерно-технических наук ФГБОУ ВО "МГУ им. Н.П. Огарёва" 2025 года (Приоритет 2030).The research was carried out with the financial support of the intra-university scientific grant in the field of humanities, natural, and engineering sciences of the Mordovia State University 2025 (Priority 2030).НИР ГБ 25-22-НПHarbinson J., Taylor C.R. Perspectives on the Current State of Vertical Farming. EMBO Reports. 2025;26(16):3982–3990. https://doi.org/10.1038/s44319-025-00518-1Harbinson J., Taylor C. R. Perspectives on the Current State of Vertical Farming // EMBO Reports. 2025. Vol. 26, issue 16. P. 3982–3990. https://doi.org/10.1038/s44319-025-00518-1Arcasi A., Mauro A.W., Napoli G., Tariello F., Vanoli G.P. Energy and Cost Analysis for a Crop Production in a Vertical Farm. Applied Thermal Engineering. 2024;239:122129. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.122129Energy and Cost Analysis for a Crop Production in a Vertical Farm / A. Arcasi [ et al.] // Applied Thermal Engineering. 2024. Vol. 239. Article no. 122129. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.122129Miserocchi L., Franco A. Benchmarking Energy Efficiency in Vertical Farming. Sustainable Energy. Thermal Science and Engineering Progress. 2024;58:103165. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2024.103165Miserocchi L., Franco A. Benchmarking Energy Efficiency in Vertical Farming. Sustainable Energy // Thermal Science and Engineering Progress. 2024. Vol. 58. Article no. 103165. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2024.103165Hosseini H., Mozafari V., Roosta H.R., Shirani H., van de Vlasakker P.C.H., Farhangi M. Nutrient Use in Vertical Farming: Optimal Electrical Conductivity and pH. Horticulturae. 2021;7(9):283. https://doi.org/10.3390/horticulturae7090283Nutrient Use in Vertical Farming: Optimal Electrical Conductivity and pH / H. Hosseini [et al.] // Horticulturae. 2021. Vol. 7, issue 9. Article no. 283. https://doi.org/10.3390/horticulturae7090283Carotti L., Pistillo A., Zauli I., Meneghello D., Martin M., Pennisi G. et al. Efficiency in Vertical Farming: Effects of Growing Systems, Far-Red Radiation and Planting Density on Lettuce Cultivation. Agricultural Water Management. 2023;285:108365. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2023.108365Improving Water Use Efficiency in Vertical Farming: Effects of Growing Systems, Far-Red Radiation and Planting Density on Lettuce Cultivation / L. Carotti [et al.] // Agricultural Water Management. 2023. Vol. 285. Article no. 108365. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2023.108365Domingues D.S., Takahashi H.W., Camara C.A.P., Nixdorf S.L. Automated System to Control pH and Concentration of Nutrient Solution in Hydroponic Lettuce. Computers and Electronics in Agriculture. 2012;84:53–61. https://doi.org/10.1016/j.compag.2012.02.006Automated System to Control pH and Concentration of Nutrient Solution in Hydroponic Lettuce / D. S. Domingues [et al.] // Computers and Electronics in Agriculture. 2012. Vol. 84. P. 53–61. https://doi.org/10.1016/j.compag.2012.02.006Yang L., Yang X., Zhao H., Huang D., Tang D. Ebb-and-flow Subirrigation Strategies Increase Biomass and Nutrient Contents and Reduce Nitrate Levels in Lettuce. HortScience. 2018;53(7):1056–1063. https://doi.org/10.21273/HORTSCI13065-18Ebb-and-Flow Subirrigation Strategies Increase Biomass and Nutrient Contents and Reduce Nitrate Levels in Lettuce / L. Yang [et al.] // HortScience. 2018. Vol. 53, issue 7. P. 1056–1063. https://doi.org/10.21273/HORTSCI13065-18Sneineh A.A., Shabaneh A.A.A. Design of a Smart Hydroponics Monitoring System Using an ESP32 Microcontroller and the Internet of Things. MethodsX. 2023;11:102401. https://doi.org/10.1016/j.mex.2023.102401Sneineh A. A., Shabaneh A. A. A. Design of a Smart Hydroponics Monitoring System Using an ESP32 Microcontroller and the Internet of Things // MethodsX. 2023. Vol. 11. Article no. 102401. https://doi.org/10.1016/j.mex.2023.102401Shin K.K.Y., Tan P.P., Goh M.B.L., Chong C.J., Bolhassan N.A.B. SMART GROW – Low-Cost Automated Hydroponic System for Urban Farming. HardwareX. 2024;17. https://doi.org/10.1016/j.ohx.2023.e00498SMART GROW – Low-Cost Automated Hydroponic System for Urban Farming / K. K. Y. Shin [et al.] // HardwareX. 2024. Vol. 17. https://doi.org/10.1016/j.ohx.2023.e00498Sumalan R.L., Stroia N., Moga D., Muresan V., Lodin A., Vintila T., et al. A Cost-Effective Embedded Platform for Greenhouse Environment Control and Remote Monitoring. Agronomy. 2020;10(7). https://doi.org/10.3390/agronomy10070936A Cost-Effective Embedded Platform for Greenhouse Environment Control and Remote Monitoring / R. L. Sumalan [et al.] // Agronomy. 2020. Vol. 10, issue 7. https://doi.org/10.3390/agronomy10070936Soetedjo A., Hendriarianti E. Development of an IoT-Based SCADA System for Monitoring of Plant Leaf Temperature and Air and Soil Parameters. Applied Sciences. 2023;13(20). https://doi.org/10.3390/app132011294Soetedjo A., Hendriarianti E. Development of an IoT-Based SCADA System for Monitoring of Plant Leaf Temperature and Air and Soil Parameters // Applied Sciences. 2023. Vol. 13, issue 20. https://doi.org/10.3390/app132011294Liang M.H., He Y.F., Chen L.J., Du S.F. Greenhouse Environment Dynamic Monitoring System. IFAC PapersOnLine. 2018;51(17):736–740. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2018.08.108Greenhouse Environment Dynamic Monitoring System / M. H. Liang [et al.] // IFAC PapersOnLine. 2018. Vol. 51, issue 17. P. 736–740. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2018.08.108Ferrarezi R.S., van Iersel M.W., Testezlaf R. Monitoring and Controlling Ebb-and-flow Subirrigation with Sensors. HortScience. 2015;50(3):447–454. https://doi.org/10.21273/HORTSCI.50.3.447Ferrarezi R. S., van Iersel M. W., Testezlaf R. Monitoring and Controlling Ebb-and-Flow Subirrigation with Sensors // HortScience. 2015. Vol. 50, issue 3. P. 447–454. https://doi.org/10.21273/HORTSCI.50.3.447Wang K., Ali M.M., Pan K., Su S., Xu J., Chen F. Ebb-and-flow Subirrigation Improves Seedling Growth of Tomato. Agronomy. 2022;12(2). https://doi.org/10.3390/agronomy12020494Ebb-and-Flow Subirrigation Improves Seedling Growth of Tomato / K. Wang [et al.] // Agronomy. 2022. Vol. 12, issue 2. https://doi.org/10.3390/agronomy12020494Sharma S., Kumar V. Reliability Estimation in a Two Unit Hot Standby System Under Classical and Bayesian Inferential Framework. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part O: Journal of Risk and Reliability. 2025. https://doi.org/10.1177/1748006X25136027Sharma S., Kumar V. Reliability Estimation in a Two-Unit Hot Standby System Under Classical and Bayesian Inferential Framework // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part O: Journal of Risk and Reliability. 2025. https://doi.org/10.1177/1748006X25136027Zhang S., Guo Y., Li S., Ke Z., Zhao H., Yang J. et al. Investigation on Environment Monitoring System for a Combined Hydroponic-Aquaculture Farm Based on IoT. Sustainable Computing: Informatics and Systems. 2022;32. https://doi.org/10.1016/j.inpa.2021.06.006Investigation on Environment Monitoring System for a Combined Hydroponic-Aquaculture Farm Based on IoT / S. Zhang [et al.] // Sustainable Computing: Informatics and Systems. 2022. Vol. 32. https://doi.org/10.1016/j.inpa.2021.06.006Myshonkov A.B., Abramov M.V., Tertychny M.S. et al. On the Issue of the Influence of the Spectral Composition of Radiation on the Growth and Development of Lettuce Light Culture Using Household Light Sources. Nauchno-tekhnicheskiy vestnik Povolzh’ya. 2025;(1):101–104. (In Russ., abstract in Eng.) https://elibrary.ru/lrggiaК вопросу о влиянии спектрального состава излучения на рост и развитие светокультуры салата при применении бытовых источников света / А. Б. Мышонков [и др.] // Научно-технический вестник Поволжья. 2025. № 1. С. 101–104. https://elibrary.ru/lrggiaLiu J., van Iersel M.W. Far-Red Light Effects on Lettuce Growth and Morphology in Indoor Production Are Cultivar-Specific. Plants. 2022;11(20). https://doi.org/10.3390/plants11202714Liu J., van Iersel M. W. Far-Red Light Effects on Lettuce Growth and Morphology in Indoor Production Are Cultivar-Specific // Plants. 2022. Vol. 11, issue 20. https://doi.org/10.3390/plants11202714