V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Умная модульная эко-камера

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Сесюгин З.Д. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 5» г. Вологды, МОУ «СОШ № 5»

Биловол Е.О. 1Шевелев Д.В. 2

---

1Вологодский государственный университет

2ЧУДО "Брайт"

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Проблема. Последнее десятилетие наблюдается изменение климатического режима в Вологодской области, что в свою очередь может неблагоприятно влиять на всхожесть семян растений и их дальнейший рост. Некоторым растениям необходим ряд условий, которые не являются естественными для нашего региона. Поэтому, вопрос исследования искусственного поддержания развития растений является актуальным, и один из примеров – умная камера [1-3]. Растения со временем имеют способность приспосабливаться с окружающим условиям, поэтому необходимы такие «умные камеры», которые смогли бы не просто поддерживать требуемые условиях, но и изменять их с учетом климата, развития растения, его изучения в других условиях.

Вклад ученых и инженеров в данное направление. Современные исследователи работают над автоматизацией камеры [4]. Однако, такие «умные» системы на Rasberry Pi 2 версии является не обоснованной в финансовой части, а также имеет проблемы при подключении к сети. Чаще встречается умная камера на Arduino Uno [5]. Правда данные исследования уделяют большое внимание на автоматизацию процесса, а не на организацию самой теплицы [6]. Но в одном сходятся все ученые, инженеры и компании, работающие сфере умной электронике – умная камера имеет большое применение для дач и домов будущего, сохранения редких растений, а также фруктов и овощей.

Актуальность. Работы по созданию умных теплиц-камер, получили развитие в последние десятилетия. Это связано как с проникновением новых информационных технологий во все отрасли техники, так и особым интересом государства нашей страны в развитии и сохранении хозяйственных культур и редких видов растений. Наша работа посвящена созданию умной эко-камеры для поддержания физических характеристик, необходимых для эффективного роста растений.

Проекты-аналоги в России:

1. Фитотрон – климатическая камера для выращивания растений - http://www.phytotron.ru/. Отличие в том, что направлен выращивание рассады, зеленых и цветочных культур. Стоимость составляет от 700 тыс. руб. [7].
2. Шкаф роста растений, патент RU 2446673 [8].
3. Регулирующее устройство для теплицы, патент RU 2448455 [9].

Преимущество по сравнению с аналогами, можно выделить такие, как

- низкая стоимость;

- эргономичность «умной камеры» перед «умной теплицей»;

- модульный характер конструкции;

- вариативность продуктов эко-камеры;

- возможность регулирования и оценки физических процессов для исследования роста растений.

Объектом выступает умная теплица, а предметом – её модернизация в умную модульную эко-камеру с повышением функционала.

Цель работы – разработка умной модульной эко-камеры для эффективного роста растений с возможностью изменения физических параметров. Под эффективность понимается большее количество семян при всхожести в сравнение с семенами, всходящими в естественных условиях, и их дальнейший качественный рост.

Основные задачи по разработке:

1) выбор необходимых датчиков, которые будут отслеживать физические параметры и создавать благоприятные условия для развития растений;

2) исследование позитивных характеристик роста растений и всхожести семян для климатических условий Вологды и Вологодского района;

3) выбор решения в конструктивных особенностях умной модульной камеры: расчет количества лампочек, системы вентиляции, датчиков влажности и температуры, датчика света, проводов для их питания. Размещение управляющей системы и всех датчиков в нужном месте;

4) программирование всех датчиков и создание управляющей системы. Расчет системы питания камеры. Разработка системы полива, системы отопления.

Используемые методы в работе: анализ литературы через научные форумы, библиотеку elibrary; моделирование умной камеры «на бумаге», 2D и 3D графикой; моделирование и расчет системы питания, разработка программы управления и сбора данных; программирование датчиков; эксперимент по выращиванию ржи; оценка физических величин (влажность, температура); интерпретация полученных первичных данных и прогнозирование функционала камеры для дальнейшего усовершенствования.

Экологическая направленность научной деятельности школы. Данная работа является продолжением общего экологического направления МОУ «СОШ № 5» г. Вологды, что ранее отражено в работах моих предшественников:

1. Виноградов С.М. Определение ориентации магнитного поля для эффективного роста растений // Старт в науке.– №4– 2016. – С.9-10.
2. Меньшикова А.А., Е.О. Биловол, Л.Ю. Руженкова Определение влияния талой воды для эффективного роста растений // «Россия. Мир. Мы»: материалы Школьной Всероссийской заочной конференции. №1 / 2016 (первая волна). - Санкт-Петербург: ГНИИ "НАЦРАЗВИТИЕ", 2016. – С.60-61.
3. Губинская М.С. Оценка жизненного состояния деревьев на пришкольном участке как фактор экологического состояния окружающей среды // Международный школьный научный вестник. – 3. – №3.–2017– С.456-461.

Социальная значимость работы заключается в использовании подобных умных модульных эко-камер для увеличения качества всхожести семян в проекте «Новое экологическое пространство «Планета Земля», направленного на создание новой экологической и культурной среды в муниципальном образовании «Город Вологда». Также в МОУ «СОШ № 5» г. Вологды с прошлого года открыт химико-биологический профиль, для исследовательской работы которого необходима подобная камера.

К перспективам работы можно отнести следующие положения:

- создание исследовательской умной модульной эко-камеры для образовательных нужд;

- сотрудничество с Вологодским государственным университетом в данном направлении.

Глава 1. Проектирование умной эко-камеры.

1.1 Схема умной камеры

Первичное проектирование умной камеры включает расположение основных элементов в зависимости от способа питания, что показано на рисунке 1.

Рис. 1. Проектирование питания умной камеры

Следующий этап – проектирование корпуса для умной камеры, учитывающий все известные плюсы существующих, а также удовлетворяющий цели проекта. Корпус создан из деревянного материала с вкраплениями из оргстекла.

Рис. 2. 3Д модель камеры для выращивания растений: 1 – УФ лампочки,

2 – система охлаждения и вентиляции, 3 – растения.

1.2 Схема элементов (системы полива, отопления, проветривания)

Система полива имеет определенные трудности в реализации, однако придумано простое решение (рис. 3).

Рис. 3. Схема полива, вид сверху

Использовать в качестве поливной системы капельницу, а в качестве насоса – стандартный компрессор для аквариума (Приложение 1). Особенностью системы поливая является разветвитель на емкости, который подает воду с обеих сторон камеры, обеспечивая равномерный полив и быстрое реагирование на включение.

1.3 Питание умной камеры

Ниже перечислены основные элементы умной камеры, которые требует потребление электрического тока.

Глава 2. Программирование умной эко-камеры.

2.1 Программная часть

Ввиду сложности и объемности кода, отвечающего как за работу датчика, так и в целом за автоматизацию теплицы здесь приводится алгоритм работы умной модульной эко-камеры (рис. 4).

Рис. 4. Алгоритм управления умной камерой

2.2 Объект исследования – озимая рожь.

Озимая рожь одна из важнейших культур, особенно для районов нечерноземной зоны, где она является основной культурой. Из ржаной муки выпекают разнообразные сорта хлеба, отличающиеся высокой калорийностью и хорошими вкусовыми качествами. Зерно ржи используют в спиртовой и крахмалопаточной промышленности. В зерне ржи, в зависимости от условий выращивания и сорта содержится: белка – 9-17%, крахмала – 52-63%, жира – 1,6-1,9% [13].

Биологические особенности заключаются в том, что озимая рожь менее требовательна к теплу, чем озимая пшеница. Прорастает она при 1-2°С, оптимальная температура для роста и развития – 8- 12°С. Однако более дружные всходы появляются при 10—15°С через 5-7 дней. Через 13—15 дней после всходов (через 2—3 дня после появления третьего листа), озимая рожь начинает куститься. В период кущения наиболее благоприятна температура воздуха 10—11°С.

Узел кущения у ржи образуется у поверхности почвы (на глубине 1,7-2см) независимо от глубины заделки семян. Озимая рожь кустится преимущественно осенью, но кущение может продолжаться и весной (при позднем посеве, разреженном стоянии растений). Корни развиваются относительно быстро и к концу осенней вегетации углубляются на 1 м [14].

Через 5 дней после оплодотворения начинается формирование зерна. Молочное состояние наступает через 10-15 дней после оплодотворения и длится – 7-10 дней, через 12-18 дней зерно переходит, а фазу восковой спелости и через 8-12 дней достигает полной спелости. Период от колошения до восковой спелости продолжается – 35-50 дней. При понижении температуры и в пасмурную погоду созревание затягивается.

Рожь является сравнительно засухоустойчивой культурой. Коэффициент транспирации ее растений колеблется от 240 до 585 и зависит от сорта, места выращивания, года и срока посева. Озимая рожь максимально расходует влагу в период «выход в трубку–колошение» и «цветение–налив зерна».

Рожь – культура, отличающаяся пониженными требованиями к почве. В отличие от пшеницы и ячменя, она способна произрастать и давать хорошие урожаи практически на всех типах минеральных почв (за исключением сыпучих песков), а также на окультуренных торфяниках. Благоприятные почвы: черноземы, каштановые. Малопригодными являются заболоченные и тяжелоглинистые почвы.

Рожь лучше других зерновых культур переносит повышенную кислотность почвы, оптимальное значение рН=5,6–6,0. Однако на известкование реагирует положительно, прибавка урожайности достигает 6–8 ц/га. В будущем к той же платформе Arduino будет подключен pH-метр, который позволит оценить данный показатель среды во время всего роста.

2.3 Исследовательская часть

Так, первым этапом апробации работы камеры выбрано повышение роста озимой ржи, где были отработаны основные методики, работа датчиков и программная часть проекта. В одной из серии экспериментов изучалось влияние искусственного освещения на рост растений.

Влияние вида освещенности. Фиолетовый спектры положительно влияют на рост растений. Данные исследования отмечены в работах [1,2]. Для проверки данной гипотезы нами выбраны две светодиодные лампочки LED Grow Light, потребляемой мощностью 5 Вт и спектром излучения, представленным на рисунке 5.

Рис. 5. Диапазон работы ламп с учетом процессов растений

Эффективность данного излучения проверяется на озимой ржи. Выбрано три группы, в которые засеяны по 50 семян. Первая – с дополнительным излучением, вторая – комнатное, третья – без освещения.

Для первой группы создана специальная камера с лампочками, системой вентиляции и датчиками оценки влажности (рис. 6).

Рис. 6. Камера для выращивания растений: 1 – УФ лампочки, 2 – система охлаждения и вентиляции, 3 – растения.

На рисунке 7 представлен график максимальной высоты ржи во время эксперимента.

Рис. 7. Зависимость высоты прорастания ржи от времени

Так заметим, что при облучении благоприятным спектром озимая рожь за 7 суток росла эффективнее именно в камере (рисунок 8).

Рис. 8. Зависимость всхожести семян от времени

Стоит отметить, что несмотря на количественные характеристики, стоит учесть и качественные. Рожь, которая находилась в камере на 8 сутки дала появление 2 листа в 51% взошедших семян, в дневной – 12%, в ночной – 0%. Внешний вид озимой ржи показан на рисунке 8.

Рис. 8. Озимая рожь: а – в камере, б – в комнате.

Заключение

Данная работа может послужить разработке и созданию умной модульной теплицы-камеры для эффективного роста растений с учетом климата Вологды и Вологодского района и выбору определенных датчиков оценки микроклимата.

В результате выполнения работы смоделирована и сконструирована умная модульная эко-камера для различных нужд человека-пользователя и человека-исследователя.

Проделаны первые испытания на озимой ржи. Именно использование умной камеры на первых этапах роста семян дает положительный эффект.

Нашим проектом заинтересована школа № 5 г. Вологды для реализации подобной камеры для исследований в рамках химико-биологического класса, а также кафедра экологии ВоГУ для городского проекта «Новое экологическое пространство «Планета Земля» в г. Вологда.

Дальнейшие работы с умной модульной камерой заключаются в том, чтобы добиться установки всех необходимых функций для поддержания физических характеристик, умной электроники и разъемов, для присоединения других модулей.

Список литературы

1. Мосин А.П., Лыков В.А., Дорошина З.Н. Умная теплица / А.П. Мосин, В.А. Лыков, З.Н. Дорошина // Доклады молодых ученых в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК»). сост. М.В. Лозовская, А.Г. Баделин. 2015. С.197-198.
2. Милованов М.И. «Умная» теплица "Smart" greenhouse С. 667-669.
3. Леонид Н. Теплица на Ардуино-Мега. Режим доступа: https://pikabu.ru/story/teplitsa_na_arduinomega_4704994 (дата обращения 03.04.2018).
4. Кабанов А.А. Автоматизированная система «умная теплица» С. 275-277.
5. Бардин П.А. Умная теплица на Arduino С. 720.
6. Кабанов А.А. Датчики физических величин с беспроводным интерйфейсом С. 8-12.
7. Фитотрон. Режим доступа: http://www.phytotron.ru/ (дата обращения 03.04.2018).
8. Патент РФ № 201025445/13, 21.06.2010. Шкаф роста растений// Патент России № 2446673. 2012. Бюл. № 10./ Альт В. В., Золотарёв В. А., Минеев В. В., Даукшис Л.А.
9. Патент РФ № 2009125900/13, 03.12.2007. Регулирующее устрйоство для теплицы// Патент России № 248455. 2012. Бюл. № 12./ ЛЕБЛЬ Ханс-Петер (NL), БУДДЕ Вольфганг О. (NL), ЯКОБС Йозеф Хендрик Анна Мария (NL).
10. Виноградов С.М. Определение ориентации магнитного поля для эффективного роста растений // Старт в науке.– №4– 2016. – С.9-10; (научный руководитель – Биловол Е.О., Руженкова Л.Ю.)
11. Губинская М.С. Оценка жизненного состояния деревьев на пришкольном участке как фактор экологического состояния окружающей среды // Международный школьный научный вестник. – 3. – №3 – С.456-461; (научный руководитель – Биловол Е.О., Баринова А.В.)
12. Меньшикова А.А., Е.О. Биловол, Л.Ю. Руженкова Определение влияния талой воды для эффективного роста растений // «Россия. Мир. Мы»: материалы Школьной Всероссийской заочной конференции. №1 / 2016 (первая волна). - Санкт-Петербург: ГНИИ "НАЦРАЗВИТИЕ", 2016. – С.60-61.
13. Анализ технологий возделывания и переработки озимой ржи. Режим доступа: http://www.newreferat.com/ref-30244-1.html (дата обращения 04.04.2018).
14. Озимая рожь, озимый ячмень и трикале. Их морфология, биология, районы выращивания и значение. Режим доступа: https://studopedia.info/9-66181.html (дата обращения 04.04.2018).

Приложение 1. Расчет стоимости проекта

Приложение 2. Система полива