IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

СОЗДАНИЕ АГРОЛАБОРАТОРНОЙ МИНИ-КАМЕРЫ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ В ИСКУССТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ
Тагун К.Е.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

В XXI веке недостаточно изучения только одной какой-то фундаментальной науки для решения современных и будущих задач. Ученые XXI века – это исследователи, которые владеют знаниями из различных наук и используют эти знания между собой для получения результата.

Моя научно-исследовательская работа основана на знаниях по биологии и информационных технологий, и трудно определить чего в ней больше. Но я точно знаю, что получить результат я смог только владея знаниями в этих двух областях.

Актуальность

В 1900 году население Земли составляло 1,6 миллиарда человек, на 1 января 2017 года население Земли составило 7,5 миллиардов человек. Тенденция роста численности населения в ближайшие годы не претерпит изменений. Перед человечеством остро встали три основные проблемы:

  • энергетика;

  • продовольствие;

  • экология.

Для решения продовольственной проблемы ученые рассматривают несколько путей:

  • селекция;

  • генная инженерия;

  • выращивание растений в искусственных условиях.

Выращивание растений в искусственных условиях – это сфера исследований, совмещающая понятия и методы биологии, физики, информационных технологий и других отраслей наук.

Человек издавна пытался обеспечить себя продуктами питания, создавая искусственные условия для выращивания растений. Первым этапом выращивания растений в искусственных условиях можно считать строительство теплиц и оранжерей, в которых создавались специально подобранные климатические условия (температура и влажность). Следующим этапом стала возможность выращивания растений в гидропонике (без почвы). Основой для третьего этапа послужило использование искусственного освещения. В настоящее время происходит развитие четвертого этапа – выращивание растений в космических условиях.

Для решения продовольственной проблемы в будущем следует учесть, что на Земле будет недостаточно площадей с естественным освещением и плодородной почвой, расположенных в благоприятных климатических условиях для выращивания растений.

Для эффективного выращивания растений в искусственных условиях в закрытом объёме необходимо создать комплекс оптимально сбалансированных условий. К ним относятся: температура, влажность, содержание углекислого газа в окружающей атмосферной среде и освещённость (световой поток на единицу площади). Благодаря современным технологиям, появилась возможность изучать поведение растений в полностью контролируемых искусственных условиях, создаваемых в специальных помещениях или устройствах.

Гипотеза исследования

При правильно подобранных условиях освещенности, актиноритмов (смены дня и ночи), температуры и влажности возможно выращивание растений в автоматизированной замкнутой системе при помощи удаленного управления процессом.

Цель

В области АСУ:

  • построить автоматизированную замкнутую систему на контроллере АРДУИНО;

  • создать удаленное управление процессом выращивания растений в автоматизированной замкнутой системе с помощью технологии Wi-Fi.

В области биологии:

  • вырастить растение (лук) в искусственных условиях;

  • подобрать оптимальные условия освещенности, актиноритмов, температуры, влажности, необходимые для нормального развития растения.

Задачи

В области АСУ:

  1. изучить литературу по данной теме;

  2. построить замкнутую камеру, оборудованную контроллером, видеооборудованием, системой датчиков;

  3. написать программный код на языке С++ для контроллера АРДУИНО, который содержит экспериментально подобранные контрольные значения, управляет светодиодной панелью, помпой и вентилятором посредством реле,

  4. настроить снятие измерений датчиков и передачу значений на компьютер;

  5. синхронизировать видеонаблюдение в камере и контрольном растении с показаниями датчиков;

  6. настроить передачу данных с контроллера АРДУИНО через асинхронный последовательный порт COM3 в компьютер;

  7. сохранить данные с датчиков в текстовый файл, импортировать данные в базу данных;

  8. настроить управление процессом выращивания лука в мини-камере посредством RDP протокола.

В области биологии:

  1. изучить литературу по данной теме;

  2. сделать сравнительный анализ построенной камеры с уже существующими климатическими камерами;

  3. выяснить теоретически, как влияют различные условия освещенности, актиноритмов, температуры и влажности на рост и развитие лука;

  4. провести эксперимент по подбору наиболее оптимальных искусственных условий для выращивания лука;

  5. проанализировать полученные результаты и сделать выводы.

Предмет исследования

Выращивание растения (лука) в агролабораторной мини-камере.

Методы исследования

Анализ литературы по изучаемой теме, эксперимент, сравнение.

Исследовательская работа рассчитана на повышение и расширение уровня знаний по АСУ (автоматизированные системы управления) и КИП (контрольно-измерительные приборы), объектно-ориентированному программированию, монтажу слаботочных систем, биологии.

Исследование Изучение литературы

Возможность круглогодичного выращивания растений, управления длиной их вегетационного периода и величиной урожая делает весьма перспективным практическое применение искусственного освещения.

В лаборатории для выращивания растений полностью в искусственных условиях должны применяться высокоинтенсивные лучистые потоки, почти равные солнечным в полуденные часы.

Данные метод имеет ряд существенных достоинств.

1. Универсальность. Практически у любых растений в условиях достаточно интенсивного электрического освещения и соответствующего актиноритмического режима выращивания значительно ускоряется плодоношение без снижения продуктивности.

2. Эффективность. Большинство однолетних растений при электрическом освещении дает зрелые семена за 50— 70 суток. Использование искусственного освещения позволяет выращивать растения в течение круглого года. Ускорение развития при круглогодичной вегетации дает возможность получать от 5 до 7 генераций в год.

Как показывают результаты опытов, которые только и можно проводить в условиях искусственного освещения, определенные суточные чередования света и темноты (актиноритмы) имеют решающее значение для онтогенеза и продуктивности всех растений.

Не последнее место при выборе ламп для выращивания растений должен занимать спектр их излучения.

Наиболее сложной на практике была и остаётся проблема обеспечения оптимального искусственного освещения растений в процессе их выращивания. На свету происходит важнейший для развития растений процесс фотосинтеза, и даже простое увеличение освещенности позволяет продуктивно ускорить рост.

Биологические исследования и практика тепличных хозяйств показывают, что для облучения растений необходимо использовать световое излучение с преимущественным выходом в синей и красной областях.

Существующие установки выращивания растений в искусственных условиях

Климатическая камера Фитотрон разработан при участии РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева и общеобразовательной школы г. Зеленограда для применения в общеобразовательных учреждениях для учебного процесса, научных учреждениях для проведения биологических исследований и селекционных экспериментов, для частного применения.

Главное достоинство Фитотрона – использование в нём для освещения растений светодиодных панелей, укомплектованных светодиодами различного цвета: красные (620нм), глубоко-красные (660нм), зелёные (525нм), синие (460нм), глубоко-синие (440нм). Подобранная комбинация светодиодов позволяет получить оптимальное для фотосинтеза излучение панели.

Серийные модификации фитотрона:

Фитотрон ЛиА-1 - однодверный, с 2-мя светодиодными панелями. Стоимость от 735 000 рублей

Фитотрон ЛиА-2 - двухдверный, с 4-мя светодиодными панелями. Стоимость от 1 050 000 рублей

Практическая часть Описание создания агролабораторной мини-камеры

Агролабораторная мини-камера – это интеллектуальная система гибкой настройки режимов «дня» и «ночи» в течение суток, которая позволяет создать идеальные условия для выращивания растений в искусственной среде, благодаря возможности обеспечить оптимальную температуру, влажность, уровень освещенности и воздухообмена.

Техническое описание

регулируемая светодиодная панель с оптимальным для фотосинтеза набором светодиодов, включая ультрафиолет;

автоматическое измерение «дневной» и «ночной» температуры почвы и воздуха;

автоматическое измерение влажности почвы и воздуха;

автоматическое поддержание требуемой продолжительности «дня» и «ночи»;

вентилируемый воздухообмен;

полив по схеме управляемой помпы;

полезная площадь – 0,06 м2 .

Общая схема (Приложение 1)

Электрическая схема (Приложение 2)

Создание замкнутой системы под названием “Агролабораторная мини-камера” началось в июле 2017 года. За основу камеры я взял коробку из-под бумаги формата A4. Изнутри я выложил коробку алюминиевой фольгой для минимизации потерь искусственной освещенности. В качестве источника искусственного света я выбрал 12-вольтные светодиодные ленты видимого и ультрафиолетового диапазонов. Внутри коробки я установил web-камеры С210 и С615, цифровой датчик температуры и влажности воздуха DHT11.

С внешней стороны камеры(коробки) установлен программируемый контроллер АРДУИНО, блок питания 220/12, неттоп ASUS, ШИМ-контроллер L298n, адаптеры влажности почвы, вентилятор.

Коммутация датчиков, исполнительных механизмов (модули реле и ШИМ-контроллер) и контроллера АРДУИНО я выполнил через монтажную площадку.

Программный код (Приложение 3)

На языке программирования С++ я написал код для контроллера АРДУИНО, который содержит экспериментально подобранные контрольные значения, управляет светодиодной панелью, помпой и вентилятором посредством реле

Описание эксперимента

В эксперименте участвуют два растения (репчатый лук).

В два одинаковых горшка с одинаковой почвенной смесью высажены луковицы.

Первое растение находится в агролабораторной мини-камере, второе находится в естественных условиях (на подоконнике).

Датчики температуры почвы, влажности почвы (верхний уровень), перелива (нижний уровень) расположены в почве в мини-камере.

Автоматический полив помпой производится для растения в мини-камере.

Искусственное освещение и смена условного дня и ночи производится для растения в мини-камере.

Видеозапись производится синхронно для обоих растений.

001. Замер

Один раз в секунду снимаются показания со следующих датчиков:

- датчики цифровые: 1. температуры почвы; 2. температуры и влажности воздуха;

- датчики аналоговые: 1. влажности почвы (верхний уровень);2. датчик перелива (нижний уровень).

010. Полив

При показаниях датчика влажности почвы ниже контрольного значения (недостаточно увлажненная почва), через модуль (реле), включается водяная помпа (насос). Поскольку полив верхний, то есть вероятность перелива воды. Для этого установлен нижний датчик перелива. При показаниях датчика влажности почвы выше контрольного значения, водяная помпа отключается.

В контрольном образце полив ручной.

011. Актиноритмический режим

После срабатывания программного таймера в контроллере АРДУИНО, через модуль (реле) включается светодиодная панель, и наступает условный день, который длится 20 часов.

Днем происходит замер температуры почвы и воздуха. Данные сравниваются с контрольным значением. При расхождении значений включается климатическая система (воздухообмен).

После условного дня наступает условная ночь, которая длится 4 часа.

100. Данные с датчиков

Данные с контроллера АРДУИНО передаются на асинхронный последовательный порт COM3 компьютера и записываются в текстовый файл. Данные из текстового файла импортируются в табличный редактор, где их удобно хранить, анализировать, и строить на основе этих данных диаграммы и графики (Приложение 4).

101. Данные видео

Для объективного контроля роста лабораторного растения и контрольного образца, ведется синхронная видеозапись. Видеозапись проводится с привязкой ко времени для синхронизации с данными датчиков. Данные видеозаписи сохраняются на внешнем накопителе (Приложение 5).

Эксперимент был начат в сентябре 2017 и продолжается по нынешний день.

Поставлена следующая перспективная цель в исследовательской работе: изучить web-технологии; создать собственный сайт; разместить на сайте ход эксперимента online; создать первую в Башкирии «автоматизированную роботизированную online ферму».

Выводы

Поставленный эксперимент, изученная литература и аналогичные климатические установки доказывают возможность выращивания культурных растений в искусственных условиях. Правильно заданные условия освещенности, актиноритмов, температуры и влажности позволяют выращивать культурные растения в любых климатических условиях с высокой продуктивностью.

Замкнутые климатические системы могут использоваться в следующих сферах:

сельское хозяйство: выращивание рассады, зеленых и цветочных культур;

научная деятельность: биологические исследования, селекционные эксперименты, био и генная инженерия;

образовательные учреждения: современный и актуальный «школьный огород», наглядная демонстрация биологических исследований, высокий уровень вовлеченности учащихся в процесс контроля роста растений;

предпринимательство: рестораны, магазины, эко питание в дошкольных и школьных учреждениях.

В ходе исследовательской работы мной была построена автоматизированная роботизированная замкнутая система, управлять которой можно с любого электронного устройства, имеющего доступ к Интернету.

На основе этой системы можно на практике изготавливать школьные лабораторные комплексы для проведения биологических исследований.

Современным школьникам, как и мне, интереснее использовать передовые информационные технологии в различных областях жизнедеятельности и образования. Поэтому я считаю перспективным направлением изучение в комплексе таких дисциплин, как биология, робототехника, АСУ, программирование, web-технологии.

Созданная мной мини-камера реально может быть использована в обычных школах, потому что она не потребляет столько электроэнергии и стоимость ее компонент позволяет изготовить ее в школьных условиях, в отличие от рассмотренных аналогов.

Литература
  • Бинас, А.В. Биологический эксперимент в школе: кн.для учителя.- М.: Просвещение, 1999.

  • Верзилин, Н.М. Путешествие с домашними растениями.- Л.: Государственное Издательство Детской Литературы Министерства Просвещения РСФСР, 1954.

  • Мошков, Б.С. Выращивание растений при искусственном освещении.- Изд-во Колос, 1966.

  • Савинский И.Н “Изучение программируемых контроллеров на основе АРДУИНО” часть 2, Учебное пособие.

  • Степанчук, Г.В. Энергосберегающие принципы для создания светового режима, повышающие продуктивность фотосинтеза растений защищенного грунта // Научный журнал КубГАУ.-2011.-67(03).

  • Правильное искусственное освещение комнатных растений и цветов [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www.vsaduidoma.com/2012/01/16/pravilnoe-iskusstvennoe-osveshhenie-komnatnyx-rastenij-i-cvetov/

  • Проект «Фитотрон» климатическая камера для выращивания растений [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www.phytotron.ru

Приложение 1 Приложение 2 Приложение 3

#include "DHT.h"

#include

#define DHTPIN 7

#define DHTTYPE DHT22

// подключаем помпу к 11 цифровой ноге

#define POMP_PIN 11

// свет на цифровой 12 ноге

#define Ultraviolet 12

// подключаем верхний датчик к аналоговому А0, нижний к А1, датчик воды в насосе на А2

#define up_sensor A0

#define down_sensor A1

#define vodapope A2

DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

OneWire ds(2); // датчик температуры почвы на 2 цифровой ноге

int vent1 = 5;

int vent2 = 4;

int h=0;

int m;

int s;

int sutki=0;

int flag;

int TIME;

int state1;

int state2;

const int hs=8;

const int ms=9;

void setup(void)

{

// пин помпы и света в режим вых, датчики в режим входа сенсоры в режим входа (получения данных

pinMode(vent1,OUTPUT);

pinMode(vent2,OUTPUT);

pinMode(Ultraviolet,OUTPUT);

pinMode(POMP_PIN, OUTPUT);

pinMode(vodapope, INPUT);

pinMode(down_sensor,INPUT);

pinMode(up_sensor, INPUT);

Serial.begin(9600); // компорт для выхода данных в базу

dht.begin();

Serial.println("Время,влажность,температура воздуха,вода помпа, температура почвы,верхдатчик, низдатчик, сутки,помпа");

}

void loop(void)

{

// блок таймера

s=s+1;

Serial.print ("==>");

Serial.print(sutki);

Serial.print(":");

Serial.print(h);

Serial.print(":");

Serial.print(m);

Serial.print(":");

Serial.print(s);

if(flag==24)flag=0;

delay(100);

if(s==60)

{

s=0;

m=m+1;

}

if(m==60)

{

m=0;

h=h+1;

flag=flag+1;

}

if(h==25)

{

h=0;

}

state1=digitalRead(hs);

if(state1==1)

{

h=h+1;

flag=flag+1;

if(flag==24)flag=0;

if(h==25)h=0;

sutki=sutki+1;

}

state2=digitalRead(ms);

if(state2==1)

{

s=0;

m=m+1;

}

// читаем Цифровой датчик температуры почвы

float h1 = dht.readHumidity();

float t = dht.readTemperature();

if (isnan(t) || isnan(h1))

{

Serial.println("Ошибка!!! не читается датчик температуры и влажности!!"); // проверяем датчик влажности и температуры возжуха

}

else {

Serial.print(" ");

Serial.print(h1 / 10);

Serial.print(" ");

Serial.print(t / 28);

}

byte data[2];

ds.reset();

ds.write(0xCC);

ds.write(0x44);

delay(750);

ds.reset();

ds.write(0xCC);

ds.write(0xBE);

data[0] = ds.read();

data[1] = ds.read();

int Temp = (data[1]>4;

// закончили читать датчик температуры

// ниже читаем датчики влаги почвы и наличия воды в емкости полива

int vlaga_up = analogRead(up_sensor);

int vlaga_down = analogRead(down_sensor);

int vodapopa = analogRead(vodapope);

// Закончили читать датчики влаги

// выводим данные в базу через компорт

Serial.print(" ");

Serial.print(vodapopa);

Serial.print(" ");

Serial.print(Temp);

Serial.print(" ");

Serial.print(vlaga_up);

Serial.print(" ");

Serial.print(vlaga_down);

// закончили выводить данные в компорт

if((h>=14 && h=2 && h=24){

digitalWrite(vent1,LOW);

digitalWrite(vent2,HIGH);

Serial.print("Воздухообмен включен");}

Serial.print(" включена ночь");

digitalWrite(Ultraviolet,HIGH);

if (vlaga_up0:3:14:17

40.96

27.43

967

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:18

40.96

27.43

970

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:19

40.96

27.43

967

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:20

40.96

27.43

970

28

971

951

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:21

40.96

27.43

967

28

970

951

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:22

40.96

27.43

966

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:23

40.96

27.43

970

28

971

951

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:24

40.96

27.43

968

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:25

40.96

27.43

969

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:26

40.96

27.43

968

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:27

40.96

27.43

966

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:28

40.96

27.43

968

28

971

949

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:29

40.96

27.43

969

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:30

40.96

27.43

966

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:31

40.96

27.43

967

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:32

40.96

27.43

970

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:33

40.96

27.43

969

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:34

40.96

27.43

966

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:35

40.96

27.43

970

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:36

40.96

27.43

969

28

971

951

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:37

40.96

27.43

966

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:38

40.96

27.43

970

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:39

40.96

27.43

968

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:40

40.96

27.43

967

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:41

40.96

27.43

970

28

971

951

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:42

40.96

27.43

968

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:43

40.96

27.43

967

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:44

40.96

27.43

970

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:45

40.96

27.43

967

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:46

40.96

27.43

969

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:47

40.96

27.43

967

28

971

951

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:48

40.96

27.43

967

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:49

40.96

27.43

970

28

971

951

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:50

40.96

27.43

967

28

972

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:51

40.96

27.43

970

28

971

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

==>0:3:14:52

40.96

27.43

966

28

970

950

Воздух_STOP

ПУСК

день

Приложение 5

1 день

Лабораторный образец Контрольный образец

8 день

Лабораторный образец Контрольный образец