XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Разработка устройства для полива растений с помощью конструктора Lego Spike Prime

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Волокитин И.Г. 1Желтов Г.С. 1Желтов А.С. 1

---

1Школа интерактивного развития "ТриКита"

Копашина О.В. 1

---

1Школа интерактивного развития "ТриКита"

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

У человека не всегда есть возможность постоянно наблюдать за комнатными растениями. Особенно если эти растения находится вне дома: в офисе на работе, в кабинете в школе.

У учителей очень продолжительный отпуск, в каждом кабинете в школе очень много растений, которые требуют за собой надлежащего ухода, в частности, регулярного полива. В школах нет отдельного человека, который занимается растениями обычно это делают учителя или дети. Ни тех, ни других нет в школе в летний период времени постоянно. Помимо того, что растения необходимо регулярно обеспечивать водой, нужно учитывать их экологические особенности: какие-то растения требуют частого полива, какие-то умеренного, а какие-то можно поливать очень редко. В этом и состоит актуальность нашего проекта.

Существуют три основные группы растений по отношению к влажности: гидрофиты, или влаголюбивые растения, мезофиты, или растение требующие умеренного полива и ксерофиты - это растения засушливых мест обитания. В нашей школе встречаются представители всех трёх групп. Мы совместно с нашими педагогами захотели решить проблему полива в обстоятельствах, когда человек не может постоянно находиться рядом с растениями. 

Цель проекта – разработать устройство для полива растений с помощью конструктора Lego Spike Prime.

Для нашего проекта нам понадобились представители трёх экологических групп растений по отношению к влажности. Алоэ - это ксерофит, подгруппа - суккуленты, то есть растения, которые способны запасать влагу если её недостаточно. Также мы взяли толстянку или, так называемое, денежное дерево. Оно тоже относится к этим же группам. В качестве представителя растений умеренного полива мы взяли герань. Герань является излюбленным растением многих учителей, её очень часто можно встретить в кабинетах в школе. Представителем третьей группы влаголюбивых растений стал папоротник.

Все эти четыре растения, которые относятся к трём разным группам, требуют разного режима полива. Наша установка будет учитывать экологические особенности каждого растения, а также индивидуальные жизненное состояние растения на момент полива и при необходимости подавать воду. 

Задачи проекта:

Изучить и проанализировать группы растений по отношению к влажности;

Провести исследования по количеству влаги к каждому виду растений:

Сконструировать робота для автоматического полива растений с помощью конструктора Lego Spike Prime;

Используя датчик цвета и индикатор полива Seramis, осуществлять работу насоса для подачи воды.

Уровень сложности:

конструирование – средний;

программирование – средний.

Материалы и оборудование:

ноутбук (планшет)

конструктор LEGO® Education SPIKE™ Prime

программируемый Хаб LEGO® Technic

датчик цвета LEGO® Technic

бутылка с водой

дренажная трубка

крышка с двумя отверстиями

программное обеспечение

насос

комнатное растение

датчик влажности почвы Seramis

Целевая аудитория:

мужчины и женщины, владельцы комнатных растений, руководители организаций по продаже садоводческого инвентаря и оборудования, растений, администрация и педагоги школ, детских садов, школьники 5-8 классов, студенты, люди увлеченные робототехникой и разработкой прикладных проектов.

При оформлении проекта мы брали идеи из большой книги «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей», при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах, при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехники.

Глава 1. Изучение разных групп растений по отношению к влажности

Растения более чувствительны к содержанию влаги в среде обитания, чем животные. Вследствие неподвижного образа жизни они не могут перемещаться в поиске воды и должны адаптироваться к водному режиму своего местообитания. В наземной среде обеспеченность местообитаний водой и ее доступность весьма нестабильны. Выработка адаптаций к дефициту влаги — ведущее направление эволюции растений при освоении суши. Все наземные растения по отношению к влаге принято делить на три экологические группы: гигрофиты, ксерофиты и мезофиты.

Гигрофиты (от греч. hygrós — влажный, phytón — растение) — растения сильно увлажненных мест с высокой влажностью воздуха. Представителями гигрофитов являются рис, осоки, росянка, пушица, сердечник, калужница болотная, папирус. Они встречаются во всех климатических зонах.

Гигрофиты имеют приспособления для интенсивной транспирации. У них тонкие листовые пластинки с постоянно открытыми устьицами. У некоторых растений есть специфические «водяные устьица». Через них вода выделяется в капельно-жидком состоянии.

У гигрофитов слабо развиты механическая ткань, кутикула и эпидермис. В мякоти листьев имеются крупные межклетники. У некоторых видов в корнях и стеблях возможно наличие аэренхимы (от греч. aér — воздух, énchyma — ткань) — ткани, запасающей воздух (болотные гигрофиты). Слабо развита корневая система (корни тонкие, часто без корневых волосков). Гигрофиты не способны перенести даже небольшой недостаток влаги в почве и быстро увядают.

Ксерофиты (от греч. xēróx — сухой) — растения, приспособившиеся к жизни в засушливых местах (степи, пустыни, полупустыни, саванны, высокогорья, жестколистные вечнозеленые леса, песчаные дюны). Они способны длительно выдерживать недостаточное увлажнение.

У ксерофитов приспособленность к сухим местообитаниям связана с ограничением затрат воды на транспирацию. У одних представителей она сопровождается активным добыванием воды при ее недостатке в почве. А у других — способностью запасать воду в тканях и органах на время засухи. В зависимости от типа адаптаций выделяют две формы ксерофитов — суккуленты и склерофиты.

Суккуленты (от лат. succulentus — сочный) — многолетние растения, способные запасать воду в своих тканях и органах, а затем экономно ее расходовать. В зависимости от того, в каких органах запасается вода, различают три типа суккулентов: листовые, стеблевые и корневые.

Листовые суккуленты накапливают воду в мясистых листьях. Они встречаются в засушливых областях Центральной Америки (агава), Африки и Средней Азии (алоэ), а также на сухих песчаных почвах в умеренных широтах (очиток, молодило). Стеблевые суккуленты имеют сильно развитые водозапасающие ткани в коре и сердцевине стебля. Они широко представлены в американских пустынях (кактусы) и засушливых областях Африки (молочаи). Корневые суккуленты запасают воду в тканях подземных частей растений. Растущее в Мексике невысокое дерево сейба мелколистная имеет на корнях вздутия диаметром до 30 см, в которых накапливается вода.

Суккуленты интенсивно всасывают воду поверхностными корнями, и влага глубоких слоев почвы для них недоступна. Эпидермис у этих растений покрыт мощной кутикулой. Часто имеется восковой налет или густое опушение. Немногочисленные устьица погруженного типа днем чаще всего закрыты. У стеблевых суккулентов листья редуцированы до колючек (кактусы). Функция фотосинтеза перешла к стеблю, который приобрел зеленый цвет.

Склерофиты (от греч. sclēros — твердый) — растения со сниженной транспирацией и способностью активно добывать воду при ее недостатке в почве (полынь, саксаул, верблюжья колючка, бодяк, ковыль, чертополох). Они не запасают влагу на период засухи, а добывают ее и экономно расходуют. Обитают склерофиты преимущественно в степях и пустынях, засушливых местообитаниях умеренной зоны.

Склерофиты имеют сухие жесткие листья и стебли, покрытые толстой кутикулой. Из-за сильного развития механических тканей при водном дефиците у них не наблюдается увядания. Они могут переносить глубокое обезвоживание и без заметного ущерба терять 25—75 % водного запаса (гигрофиты вянут при потере 1—2 % воды).

В силу высокой концентрации веществ в клеточном соке у склерофитов развивается большая сосущая сила, поэтому их называют «растениями-насосами». Их корни уходят глубоко в землю (у колючки верблюжьей длина главного корня достигает 15 м). Некоторые представители образуют разветвленную поверхностную корневую систему (степные злаки).

В периоды засух транспирация уменьшается за счет ряда морфологических адаптаций. Во-первых, у склерофитов мелкие, часто в виде игл или колючек, листья. Они имеют восковой налет или опушение и устьица погруженного типа. Во-вторых, клетки склерофитов способны удерживать воду благодаря высокой вязкости цитоплазмы. [4]

Мезофиты (от греч. mésos — средний) — растения, обитающие при среднем увлажнении, умеренном тепловом рeжиме и достаточно хорошем обеспечении минеральным питанием. Это наиболее многочисленная экологическая группа, объединяющая растения, которые могут переносить непродолжительную и не очень сильную засуху. К ним относится большинство лиственных древесных растений лесов умеренного пояса, кустарники подлеска, травянистые растения дубрав, растения заливных лугов, степные и пустынные эфемеры и эфемероиды, многие сорные и большинство культурных растений. Из приведенного перечня видно, что группа мезофитов очень обширна и неоднородна.

По способности регулировать свой водный обмен одни из этих растений больше похожи на гигрофитов, другие — на засухоустойчивые формы. По сравнению с гигрофитами и ксерофитами мезофиты имеют адаптивные признаки промежуточного характера. У них умеренно развита корневая система. На корнях имеются корневые волоски, в листьях — небольшое количество устьиц. В зависимости от обеспеченности влагой устьица могут в любое время открываться или закрываться.

В семенах у мезофитов, обитающих в степях и пустынях, содержится ингибитор (замедлитель) прорастания. Он вымывается лишь при количестве осадков, достаточном для вегетации. Такое приспособление предотвращает прорастание семян и гибель проростков в период засухи.

Глава 2. Анализ водного режима растений

Вода - необходимое условие для жизни растений.
1. Она является главной, составной частью растений 60-80% содержимого клетки), расходуется ими в больших количествах в процессе испарения. Поступает вода в растения в основном из почвы.
2. Наряду с углекислым газом и минеральными соединениями вода необходима для синтеза органических веществ. С ее участием протекают все основные биохимические процессы в растении.
3. Питательные вещества, находящиеся в почве, могут поступать в растение только растворенными в воде.
4. Вода обеспечивает непрерывность передвижения питательных веществ в растении.
5. От влажности почвы и воздуха зависят нормальный рост и развитие, которые могут протекать только при достаточном насыщении клеток водой.

Водный режим растений складывается из трех процессов:
1) поступление воды в растение через корневую систему и листья;
2) передвижение воды по растению от корней к листьям и наоборот;
3) испарение воды из листьев в атмосферу - транспирация, которая обеспечивает непрерывный ток воды с питательными веществами, поступающими из почвы, от корней к листьям. Испарение воды растениями предохраняет их от перегрева. [3]

В процессе жизнедеятельности растения создают органические вещества. На создание одной части сухого органического вещества они расходуют 200-500 частей воды. По очень приблизительным подсчетам, культивируемым растениям для их развития в летний период 2500-7000 т воды на 1 га. Растение может получать воду не только через корневую систему, но и через листья. Вот почему опрыскивание (рано утром и вечером) дает положительные результаты.

Большинству цветочных и декоративно-лиственных форм для интенсивного роста и развития требуется в 1,5-2 раза больше влаги, чем ее поступает с атмосферными осадками. Поэтому для обеспечения оптимальных условий роста и развития необходимо сохранять почвенную влагу, защищать растения от излишнего испарения, а в отдельные периоды пополнять ее запасы. К агротехническим приемам, способствующим этому, относятся полив, опрыскивание и. дождевание, уничтожение сорняков, рыхление и мульчирование почвы, защита растений от ветра, притенение и т. д.

Важную роль в водном балансе растения играет транспирация, интенсивность которой возрастает при повышении температуры, солнечной радиации, силы ветра и других условий. Когда воды расходуется больше, чем поступает, клетки растения обезвоживаются, в результате чего побеги и листья поникают и вянут. Обезвоживание ведет к нарушению физиологической жизнедеятельности растения: прекращается рост, формирование цветковых органов, созревание плодов и т. д. В это время могут отмирать листья, побеги, а иногда увядание приводит к гибели всего растения.

Потребность растений в воде определяется их состоянием и внешними условиями (температурой и влажностью почвы и воздуха, интенсивностью освещения и т. д.), периодом развития, мощностью корневой системы. Например, в растущих листьях, стеблях, корнях, содержание воды достигает 90% и более, в древесине многолетних растений количество ее составляет 45-50%, а в почках еще меньше. В семенах влаги содержится всего 10-15%.

Для прорастания семян необходимо насыщение водой до 90-95% их массы. Если содержание воды в тканях семени достигнет только 20-25%, это лишь активизирует дыхание и другие процессы, но не приведет к прорастанию, что может вызвать гибель зародыша. Поэтому применяют намачивание семян, а посев проводят в достаточно увлажненный субстрат.

Большинство цветочных культур лучше растет при влажности почвы 60-80%. С уменьшением площади питания потребность растений в воде возрастает.

Избыток влаги в почве так же вреден для растений, как и недостаточное количество ее. При очень сильном увлажнении корневая система из-за недостатка кислорода слабеет, заболевает, и растение погибает.

По потребности в воде растения делят на четыре группы.
1. Гидрофиты. Представителям этой группы необходимо большое количество воды. Это водолюбивые растения, например виктория регия с очень большими листьями, достигающими 1,5 м в диаметре, циперус, нимфы.
2. Гигрофиты. Влаголюбивые растения, живущие в условиях избыточного увлажнения. К ним относятся Ольха, антуриум, аспидистра, фикус баньян.
3. Мезофиты. Растения со средней потребностью во влаге. Это самая многочисленная группа, к которой относится большинство культивируемых растений, а из цветочных - розы, резеда, астры. В ней можно выделить подгруппы растений с малой, средней и большой потребностью во влаге.
4. Ксерофиты. Растения, потребляющие очень небольшое количество воды, представ лены значительно меньшим числом видов. Это обитатели пустынь, полупустынь и степей, растущие на сухой почве. Особенно много среди них суккулентов, запасающих воду в листьях и стеблях. К ним относятся кактусы, агавы, алоэ.

В природе нет четкой границы между указанными выше группами; некоторые виды по своей потребности в воде занимают промежуточное положение. [2]

Глава 3. Конструирование и программирование автоматизированной системы полива

Основой для разработки автоматизированной системы полива является модель «Санитайзер» (Приложение 1), разработанная с помощью конструктора Lego Spike Prime. Исходная модель была нами снабжена насосом и дренажной трубкой. Насос осуществляет движения за счет работы реечной зубчатой передачи, которая основана на зацеплении зубчатой рейки и шестерни. Данный вид передачи преобразовывает вращательное движение в поступательное – шестерня вращается и толкает зубья рейки. Разработанное нами устройство является неподвижным и может отслеживать и поливать только одно растение.

Конструкция включает емкость с жидкостью, в которую опущены дренажные трубки. Короткий кусок трубки проталкивают через одно отверстие пробки (крышки), а затем подсоединяют к насосу. Более длинный конец трубки, который должен доставать до дна емкости, проталкивают через второе отверстие пробки (крышки). [1]

За счет подачи воздуха из короткой трубки, давление на поверхность жидкости в емкости увеличивается и по закону Паскаля (давление передается во все точки жидкости без изменения) жидкость поднимается по трубке, опущенной в воду, за счет чего и происходит полив растения.

Рис.1. – Макет проекта

В горшке с растением помещен датчик влажности почвы Seramis, который меняет цвет в зависимости от высыхания грунта и тем самым информирует о необходимости полива растения (цвет индикатора синий – полив не требуется, красный – полив необходим).

Рис.2. – Индикатор полива

Конструкция имеет два датчика цвета: один считывает цвет с датчика влажности почвы Seramis, а второй определяет наличие/отсутствие жидкости в емкости (для этого на поверхность жидкости помещен кусок пенопласта).

Рис.3. – Автоматическая система полива

Рассмотрим пример программы, осуществляющей работу системы полива:

Рис.4. – Пример программы

Проведение эксперимента

Для проведения эксперимента были взяты следующие растения: герань, папоротник, толстянка, алоэ.

На основании требований по поливу этих растений нами были разработаны две конструкции, отличающиеся диаметром дренажной трубки. Экспериментальным путем было вычислено количество воды, подаваемое из дренажной трубки с помощью насоса.

Таким образом, система с дренажной трубкой диаметром 3 мл подходит для герани, толстянки и алоэ, а для полива папоротника можно использовать систему с дренажной трубкой диаметром 6 мл.

Стоимость проекта

Система автоматического полива состоит из нескольких комплектующих, на расчет проекта влияет выбор каждой из них. Самым дорогостоящим элементом системы полива является конструктор LEGO® Education SPIKE™ Prime, стоимость которого от 23000 рублей.

Заключение

Проект имеет огромное практическое значение. О его применении указано выше. Школы, офисы и даже дома нуждаются в такой установке. Она проста в использовании и удовлетворяет широким экологическим потребностям растений. 

Список литературы

Список использованных источников и литературы:

Абушкин, Дмитрий Борисович. Педагогический STEM-парк МГПУ / Д.Б. Абушкин // Информатика и образование. ИНФО. - 2017. - No 10. - С. 8-10.

Учебная книга цветовода. А. А. Чувикова, С. П. Потапов, А. А. Коваль, Т. Г. Черных. М.: Колос, 1980

Электронные источники:

https://zooclub.ru/flora/ogorod/42.shtml;

http://profil.adu.by/mod/book/view.php?id=1066&chapterid=1603

Приложение 1

Инструкция сборки системы полива