XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Автоматизированная система полива растений, разработанная с помощью конструктора Lego Education

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Волокитин И.Г. 1Чекураев А.В. 1

---

1Школа интерактивного развития "ТриКита"

Волокитина Е.А. 1Долгов Е.А. 1

---

1Школа интерактивного развития "ТриКита"

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство 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:

1. Изучить и проанализировать группы растений по отношению к влажности;

2. Провести исследования по количеству влаги к каждому виду растений:

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

4. 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

Элемент	Порт подключения	Выполняемое действие
Датчик цвета	F	Определяет количество воды в емкости (на поверхности воды расположен пенопласт и как только датчик распознает белый цвет, программа выключается
Датчик цвета	C	считывает цвет с датчика влажности почвы Seramis (цвет индикатора синий – полив не требуется, красный – полив необходим).
Средний мотор (имеет датчик скорости и датчик отностительного позиционирования)	А	Осуществляет работу насоса 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.
Средний мотор (имеет датчик скорости и датчик отностительного позиционирования)	E	Осуществляет подъем дренажной трубки для предотвращения перелива

Проведение эксперимента

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

Название растения	Полив
Герань (пелагония)	Умеренный; не любят переувлажнения
Толстянка (крассула)	Нельзя допускать залива крассулы; полив водопроводной водой запрещен; оптимально раз в неделю устраивать крассуле теплый душ.
Алоэ	Летом полив требуется раз в неделю и чаще, нужно ориентироваться на влажность субстрата, он должен слегка подсохнуть до очередного полива. Излишняя влажность грунта может привести к загниванию корней.
Папоротник (нефролепис)	В весеннее-летний период поливают обильно, почва постоянно должна быть слегка влажной

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 использованных источников и литературы:

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

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

Электронные источники:

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

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

Приложение 1

Инструкция сборки системы полива