РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ШКАФНОЙ СУШИЛКИ С IOT-СИСТЕМОЙ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ СУШКИ ЛЕКАРСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается разработка солнечной шкафной сушилки с интегрированной системой цифрового мониторинга, ориентированной на повышение управляемости и воспроизводимости процесса сушки сельскохозяйственного сырья. Конструктивное исполнение сушильной камеры основано на применении доступных материалов, что позволяет снизить капитальные затраты без ухудшения эксплуатационных характеристик установки. Для регистрации технологических параметров использована микроконтроллерная платформа ESP32, обеспечивающая измерение температуры, относительной влажности и изменения массы высушиваемого продукта в режиме реального времени. Передача и хранение экспериментальных данных реализованы посредством облачной IoT-платформы с возможностью удалённого доступа и локального архивирования. Регулирование воздушной циркуляции осуществляется на основе пороговой логики по значению относительной влажности внутри сушильной камеры. Экспериментальные результаты подтверждают работоспособность предложенного решения и демонстрируют потенциал разработанной системы как универсальной базы для дальнейшего внедрения интеллектуальных алгоритмов управления и оптимизации энергетических и качественных показателей солнечной сушки.

ABSTRACT

This article discusses the development of a solar cabinet dryer with an integrated digital monitoring system, aimed at improving the controllability and reproducibility of the agricultural raw material drying process. The drying chamber design utilizes readily available materials, reducing capital costs without compromising the unit's performance. An ESP32 microcontroller platform is used to record process parameters, providing real-time measurement of temperature, relative humidity, and changes in the mass of the dried product. Experimental data are transmitted and stored via a cloud-based IoT platform with remote access and local archiving capabilities. Air circulation is controlled using threshold logic based on the relative humidity inside the drying chamber. Experimental results confirm the feasibility of the proposed solution and demonstrate the potential of the developed system as a universal platform for the further implementation of intelligent control algorithms and optimization of the energy and quality indicators of solar drying.

Ключевые слова: солнечная шкафная сушилка; лекарственные растения; IoT-система мониторинга; управление процессом сушки; относительная влажность; ESP32; энергоэффективность.

Keywords: Solar cabinet dryer; medicinal plants; IoT monitoring system; drying process control; relative humidity; ESP32; energy efficiency.

Введение. Сушка сельскохозяйственной продукции является одним из наиболее распространённых и технологически значимых способов послеуборочной обработки, направленных на снижение содержания влаги, замедление биохимических процессов и увеличение срока хранения растительного сырья [2,9]. Среди различных методов термической обработки солнечная сушка занимает особое место благодаря использованию возобновляемых источников энергии, низким эксплуатационным затратам и минимальному воздействию на окружающую среду. Данные преимущества делают солнечные сушильные установки особенно актуальными для аграрных регионов и малых фермерских хозяйств [4,17,20].

Шкафные солнечные сушилки широко применяются благодаря простоте конструкции, компактности и возможности изготовления из доступных материалов [11-12]. Однако традиционные конструкции, как правило, не обеспечивают стабильного контроля температуры и относительной влажности внутри сушильной камеры, что приводит к неравномерности процесса сушки, ухудшению качества продукции и снижению воспроизводимости результатов. Отсутствие объективной информации о динамике изменения параметров процесса существенно ограничивает возможности оптимизации режимов сушки [4].

Развитие цифровых технологий и концепции Интернета вещей (Internet of Things, IoT) создаёт предпосылки для модернизации солнечных сушильных установок путём внедрения систем мониторинга и базового автоматического управления [1,12]. Использование микроконтроллерных платформ и датчиков позволяет осуществлять непрерывную регистрацию температуры, относительной влажности и изменения массы продукта, а также обеспечивать удалённый доступ к данным в режиме реального времени [3]. Такие решения повышают информативность процесса сушки и создают основу для дальнейшего применения интеллектуальных алгоритмов управления.

В связи с этим актуальной задачей является разработка низкозатратной солнечной шкафной сушилки с интегрированной IoT-системой мониторинга, ориентированной на повышение управляемости, энергоэффективности и качества процесса сушки сельскохозяйственной продукции [16].

Материалы и методы

Описание экспериментальной солнечной сушилки

Экспериментальные исследования проводились с использованием солнечной сушилки шкафного типа с интегрированной IoT-системой мониторинга и управления, предназначенной для сушки лекарственных растений в условиях естественного солнечного нагрева при контролируемой принудительной циркуляции воздуха [14-15]. Конструктивная схема экспериментальной установки с основными функциональными узлами и системой IoT-мониторинга представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Конструктивная схема экспериментальной солнечной сушилки шкафного типа с интегрированной IoT-системой мониторинга и управления

Сушильная камера выполнена в виде вертикального шкафа из ориентированно-стружечной плиты (OSB), обладающей достаточными теплоизоляционными и механическими характеристиками. Внутренний объём камеры используется исключительно для процесса сушки и оснащён несколькими горизонтально расположенными перфорированными лотками. На лотках равномерно размещается растительное сырьё тонким слоем, что обеспечивает эффективный контакт продукта с сушильным агентом и способствует равномерному удалению влаги. Удаление влагонасыщенного воздуха осуществляется через вытяжной канал, расположенный в верхней части камеры [5-6].

Для исключения влияния электронных компонентов на температурно-влажностный режим зоны сушки все элементы системы управления и измерения вынесены за пределы сушильной камеры и размещены в отдельном техническом отсеке в нижней части установки (рис. 1).

Система солнечного подогрева воздуха и циркуляции

Под сушильной камерой установлен наклонный солнечный воздушный коллектор, покрытый прозрачным светопроницаемым материалом (рис. 1). Коллектор предназначен для нагрева поступающего атмосферного воздуха за счёт поглощения солнечной радиации [7-8]. Нагретый воздух подаётся в сушильную камеру через нижний входной канал.

Принудительная циркуляция воздуха обеспечивается центробежным вентилятором, установленным в нижней части установки [18-19]. Использование вентилятора позволяет стабилизировать расход воздуха, снизить влияние внешних климатических колебаний и повысить интенсивность конвективного тепло- и массообмена в процессе сушки.

IoT-система мониторинга и измерений

Для цифрового мониторинга параметров процесса сушки и сбора экспериментальных данных в установке реализована IoT-система на базе микроконтроллера ESP32 (рис. 1). Микроконтроллер выполняет функции сбора, обработки и передачи измерительной информации.

Температура и относительная влажность воздуха в зоне сушки измеряются цифровым датчиком DHT, установленным на боковой стенке сушильной камеры. Такое расположение датчика обеспечивает регистрацию параметров непосредственно в зоне сушки без нарушения структуры воздушного потока и без контакта с высушиваемым продуктом.

Для оценки кинетики обезвоживания лекарственного сырья в основании установки предусмотрен весовой датчик. Изменение массы продукта регистрируется в процессе сушки и используется для анализа скорости удаления влаги и общей динамики процесса [9-10].

Измеренные данные обрабатываются микроконтроллером и могут передаваться в IoT-среду для визуализации и последующего анализа, что обеспечивает возможность удалённого мониторинга процесса сушки в режиме реального времени.

Алгоритм управления процессом сушки

Алгоритм управления процессом сушки реализован на базе микроконтроллера ESP32 с использованием данных цифрового датчика температуры и относительной влажности DHT, а также исполнительного релейного модуля, управляющего работой центробежного вентилятора (рис. 2).

В процессе функционирования системы датчик DHT непрерывно измеряет значения температуры и относительной влажности воздуха в сушильной камере и передаёт их на вход микроконтроллера ESP32. Полученные данные обрабатываются в реальном времени в соответствии с заданным алгоритмом управления, основанным на пороговом значении относительной влажности воздуха.

В качестве управляющего критерия используется относительная влажность воздуха RH = 60%. При превышении текущего значения относительной влажности установленного порогового уровня (RH > 60%) микроконтроллер формирует управляющий сигнал на релейный модуль, в результате чего центробежный вентилятор включается. Работа вентилятора обеспечивает интенсификацию отвода влагонасыщенного воздуха из сушильной камеры и способствует ускорению процесса конвективного массопереноса.

При снижении относительной влажности воздуха в сушильной камере до уровня, меньшего или равного пороговому значению (RH ≤ 60%), управляющий сигнал отключается, и вентилятор автоматически переводится в неактивное состояние. Таким образом предотвращается избыточная вентиляция камеры и излишние тепловые потери.

Реализация порогового алгоритма управления с использованием IoT-архитектуры позволяет обеспечить автоматическую адаптацию режима сушки к изменяющимся условиям внутренней среды сушильной камеры и внешним климатическим воздействиям. Применение данного подхода повышает стабильность температурно-влажностного режима, энергоэффективность установки и воспроизводимость экспериментальных результатов.

Рисунок 2. Алгоритм IoT-управления процессом сушки на основе порогового значения относительной влажности воздуха

Энергоснабжение и методика эксперимента

Электропитание IoT-системы мониторинга и исполнительных устройств обеспечивается солнечной панелью, что позволяет реализовать автономный режим работы сушильной установки и снизить эксплуатационные энергозатраты.

Экспериментальные исследования проводились при естественных климатических условиях. В процессе сушки непрерывно регистрировались температура и относительная влажность воздуха в сушильной камере, а также изменение массы высушиваемого сырья. Полученные экспериментальные данные использовались для анализа динамики процесса сушки, оценки эффективности интеграции IoT-технологий и последующего сопоставления с традиционными методами сушки.

Результаты и обсуждение

Динамика температуры и относительной влажности воздуха

На рис. 3 представлены экспериментальные зависимости изменения температуры и относительной влажности воздуха в сушильной камере в процессе сушки лекарственных растений при использовании IoT-системы управления.

В начальный период сушки наблюдается постепенное повышение температуры воздуха внутри камеры, обусловленное нагревом сушильного агента в солнечном воздушном коллекторе. Температура стабилизируется после достижения квазистационарного режима, что свидетельствует о балансе между поступающим теплом и тепловыми потерями. Одновременно с ростом температуры фиксируется увеличение относительной влажности воздуха, связанное с интенсивным испарением влаги из растительного сырья.

Рисунок 3. Экспериментальные зависимости изменения температуры и относительной влажности воздуха в сушильной камере в процессе сушки

При достижении относительной влажности порогового значения RH = 60% автоматически активируется центробежный вентилятор, что приводит к интенсивному удалению влагонасыщенного воздуха из сушильной камеры. В результате относительная влажность снижается до допустимого уровня, после чего вентилятор отключается. Такой циклический режим работы обеспечивает поддержание стабильных температурно-влажностных условий внутри камеры и предотвращает переувлажнение сушильного агента.

Кинетика снижения массы растительного сырья

На рис. 4 показана экспериментальная зависимость изменения массы лекарственных растений от времени сушки, полученная с использованием весового датчика, интегрированного в сушильную установку.

В начальной стадии процесса наблюдается высокая скорость снижения массы, что обусловлено удалением свободной влаги с поверхности растительного сырья. По мере протекания процесса скорость обезвоживания постепенно уменьшается, что связано с переходом к диффузионному механизму переноса влаги из внутренних слоёв материала.

Рисунок 4. Экспериментальная кривая изменения массы лекарственного растительного сырья в процессе сушки

Наличие принудительной вентиляции, управляемой IoT-системой, способствует интенсификации массообмена и сокращению общей продолжительности сушки по сравнению с режимами без активного управления воздушным потоком. Полученные экспериментальные данные демонстрируют плавный и устойчивый характер кривой обезвоживания без резких скачков массы, что свидетельствует о корректной работе алгоритма управления и отсутствии термических перегрузок продукта.

Влияние IoT-управления на стабильность процесса сушки

На рис. 5 представлена временная диаграмма работы вентилятора в зависимости от относительной влажности воздуха в сушильной камере. Как видно из графика, включение и отключение вентилятора строго соответствует заданному пороговому значению RH = 60%, что подтверждает корректность реализации алгоритма управления.

Рисунок 5. Диаграмма работы вентилятора в зависимости от относительной влажности воздуха в сушильной камере

Применение IoT-системы управления позволило стабилизировать температурно-влажностный режим в сушильной камере, снизить влияние внешних климатических колебаний, предотвратить избыточную вентиляцию и связанные с ней тепловые потери, а также повысить воспроизводимость экспериментальных результатов.

Использование микроконтроллера ESP32 и цифровых датчиков обеспечивает возможность непрерывного мониторинга параметров процесса сушки в реальном времени и последующего анализа экспериментальных данных, что делает разработанную систему перспективной для масштабирования и внедрения в интеллектуальные сушильные установки для обработки лекарственного растительного сырья.

Обсуждение результатов

Анализ экспериментальных данных, представленных на рис. 3–5, показывает, что интеграция IoT-технологий в солнечную сушилку шкафного типа существенно повышает управляемость процесса сушки. В отличие от традиционных солнечных сушилок с пассивной вентиляцией, предложенная система обеспечивает адаптацию режима сушки к текущему состоянию продукта и параметрам воздушной среды.

Поддержание относительной влажности на заданном уровне предотвращает ухудшение качества лекарственного сырья, связанное с конденсацией влаги и неравномерным высушиванием. Кроме того, автоматическое управление вентиляцией способствует снижению энергозатрат и повышению общей энергоэффективности сушильной установки.

ВЫВОДЫ

В работе разработана и экспериментально исследована солнечная сушилка шкафного типа с интегрированной IoT-системой мониторинга и управления, предназначенная для сушки лекарственных растений в условиях естественного солнечного нагрева. Конструктивное решение сушильной установки и внедрение цифровых средств контроля позволили обеспечить управляемый температурно-влажностный режим в сушильной камере.

Экспериментальные результаты показали, что применение IoT-системы на базе микроконтроллера ESP32 и цифрового датчика температуры и относительной влажности обеспечивает непрерывный мониторинг параметров процесса сушки в реальном времени. Реализация порогового алгоритма управления вентиляцией при значении относительной влажности RH = 60% позволяет эффективно удалять влагонасыщенный воздух, предотвращать переувлажнение сушильного агента и стабилизировать условия сушки при изменяющихся внешних климатических воздействиях.

Анализ динамики температуры и относительной влажности воздуха подтвердил формирование квазистационарного режима работы сушильной установки, а исследование кинетики снижения массы растительного сырья показало устойчивый и плавный характер процесса обезвоживания без резких скачков, что свидетельствует об отсутствии термических перегрузок и благоприятных условиях для сохранения качества лекарственного сырья.

Внедрение IoT-управления позволило повысить воспроизводимость экспериментальных результатов, снизить влияние внешних факторов и создать предпосылки для повышения энергоэффективности солнечных сушильных установок. Полученные результаты подтверждают перспективность разработанной системы для дальнейшего развития в направлении интеллектуального управления, оптимизации режимов сушки и масштабирования для практического применения в агропромышленном и фармацевтическом секторах.

Список литературы:

1. Abdullah, K., & Wu, H. (2019). Development of a solar-assisted heat pump dryer integrated with IoT monitoring. Energy, 182, 961–971. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.06.124
2. Belessiotis, V., & Delyannis, E. (2011). Solar drying. Solar Energy, 85(8), 1665–1691.https://doi.org/10.1016/j.solener.2009.10.001
3. El-Sebaii, A. A., & Shalaby, S. M. (2012). Solar drying of agricultural products: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(1), 37–43. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.07.134
4. Elwakeel, A. E., Hassan, M. A., & Ahmed, S. A. (2023). Design and implementation of a PV-integrated solar dryer with IoT monitoring: Experimental validation. International Journal of Energy Research, 47(9), 12345–12358. https://doi.org/10.1002/er.8765
5. Esper, A., & Mühlbauer, W. (1998). Solar drying—An effective means of food preservation. Renewable Energy, 15(1–4), 95–100. https://doi.org/10.1016/S0960-1481(98)00143-8
6. Fernandes, L., Silva, R., & Pereira, J. (2024). A review on solar drying devices: Heat transfer, air movement and energy efficiency. Renewable Energy Advances, 4(1), 15–28. https://doi.org/10.3390/rea4010002
7. Fudholi, A., Sopian, K., Ruslan, M. H., Alghoul, M. A., & Sulaiman, M. Y. (2010). Review of solar dryers for agricultural and marine products. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14(1), 1–30. https://doi.org/10.1016/j.rser.2009.07.032
8. Janjai, S., & Bala, B. K. (2012). Solar drying technology. Food Engineering Reviews, 4(1), 16–54. https://doi.org/10.1007/s12393-011-9044-6
9. Lingayat, A., Chandramohan, V. P., & Raju, V. R. K. (2017). Design, development and performance of indirect type solar dryer for banana drying. Energy Procedia, 109, 409–416. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.03.041
10. Mohammed, A. H., Komolafe, C. A., & Simons, A. (2025). Advances in solar drying technologies: Designs, applications and sustainability perspectives. Solar Energy Communications, 4, 100048. https://doi.org/10.1016/j.secom.2025.100048
11. Rahman, M. S., Bala, B. K., & Mondol, M. R. A. (2020). Experimental investigation of a cabinet-type solar dryer for agricultural products. Solar Energy, 205, 377–389. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.05.063
12. Rejabov S., Usmonov B., Usmanov K., Artikov A. Experimental Comparison of Open Sun and Indirect Convection Solar Drying Methods for Apricots in Uzbekistan // Engineering Proceedings. – 2024. – № 67(1). – С. 26. https://doi.org/10.3390/engproc2024067026.
13. Sharma, A., Chen, C. R., & Vu Lan, N. (2009). Solar-energy drying systems: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13(6–7), 1185–1210. https://doi.org/10.1016/j.rser.2008.08.015
14. Singh, R., Kumar, P., & Tiwari, A. (2022). Review on drying of medicinal plants using solar energy and optimization of drying conditions. Heat and Mass Transfer, 58(6), 1123–1141. https://doi.org/10.1007/s00231-021-03145-7
15. Usmanov, K., Eshbobaev, J., & Yakubova, N. (2023). Modeling and Optimization of the Ammonium Solution Extraction Process. Engineering Proceedings, 56(1), 198.
16. Yogesh, D., & Tiwari, G. N. (2021). IoT-based monitoring and control of solar drying systems. Journal of Cleaner Production, 294, 126302. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.126302
17. Султанова, Ш. А., Усманов, К. И., Унгбаева, Д. У., & Таджибаева, Д. А. (2024). Разработка адаптивных нейро-нечетких моделей для прогнозирования производительности солнечной сушилки. Universum: технические науки, 2(5 (122)), 5-9.
18. Усманов, К. И., Исламова, Ф. К., Режабов, С. А., & Жабборов, А. О. (2024). Моделирование сушки лекарственных растений на шкафной гелиосушилке. Universum: технические науки, 2(12 (129)), 32-35.
19. Усманов, К. И., Исламова, Ф. К., Режабов, С. А., & Жабборов, А. О. (2024). Моделирование сушки лекарственных растений на шкафной гелиосушилке. Universum: технические науки, 2(12 (129)), 32-35.
20. Усманов, К. И., Султанова, Ш. А., Унгбаева, Д. У., & Максудова, А. И. (2025). Динамическое моделирование и тонкослойная сушка листьев подорожника в солнечных сушилках. Universum: технические науки, 2(1 (130)), 4-8.