Тема: Аэропоника
Исполнитель: Бянкина Ольга Евгеньевна , студент гр. 941
Руководитель СКБ "Промышленная робототехника и автоматизация" Русинов Владислав Леонидович
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время существует проблема выращивания сельскохозяйственной продукции в районах с дефицитом пригодных для этого земель, в регионах с недостатком пресной воды, особенно в зонах, так называемого, рискованного земледелия. Кроме того, большая часть плодородных земель уже задействована в сельскохозяйственном обороте, причем достаточно значительная часть её в процессе использования повреждена и значительно истощена. В связи с этим достаточно остро стоит вопрос развития сельского хозяйства в условиях городской среды с резким повышением его эффективности, заключающейся в увеличении различной товарной продукции получаемой с каждого квадратного метра задействованной территории земли. Данные проблемы требуют поиска решений, связанных с использованием тех или иных способов беспочвенного выращивания растений. Одним из таких способов является метод аэропонного выращивания растений.
Аэропоника - это процесс выращивания растений без использования почвы, в котором питательные вещества доставляются к корням растений путем распыления водного раствора в виде аэрозоля1.
МЕТОДИКА
Основной принцип аэропонного выращивания растений - это распыление аэрозолем в закрытых или полузакрытых средах питательного богатого водный и минеральными веществами раствора. Само растение закрепляется опорной системой, а корни просто висят в воздухе, орошаемые питательным раствором. Смесь подается к корням непрерывно или через короткие промежутки времени так, чтобы корни не успевали высохнуть. Листья и ствол растения изолированны от зоны распыления. При таком подходе среда остаётся свободной от вредителей и болезней связных с почвой, а значит растения могут расти здоровыми и быстрее чем растения выращенные в почве. Использование аэропоники позволяет создавать полностью автоматические системы выращивания растений, которые значительно проще систем с использованием субстрата.
СХЕМА УСТАНОВКИ
Аэропонику широко применяют во всём мире. Её используют не только растениеводы, но и космонавты. Технология позволяет эффективно расходовать питательный раствор. Он подаётся прямо к корням растений.
При этом корни свободно располагаются в модуле. Они хорошо проветриваются, что позволяет избежать процесса гниения, развития многих заболеваний. Растения потребляет кислород без дополнительного оборудования аэрации, компрессора и распылителей воздуха.
Система аэропоники имеет следующую схему:
-модули для высадки растений;
-форсунки для полива (распылители);
-бак для раствора;
-насос, который подаёт раствор к форсункам;
-таймер.
Рис. 1. - Схема системы аэропоники.
При использовании аэропоники растения высаживают в модули. В них предусматривают ячейки для посадочных стаканов. Модули могут быть в виде удлинённых цилиндров, кубов или вёдер.
В отличие от гидропоники, полив проводится снизу или с боковых сторон. Для этого предусматривают систему форсунок, которая находятся внутри модуля. Они распыляют питательный раствор.
Раствор находится в баке, подаётся в систему полива с помощью насоса. Система аэропоники подключается к таймеру, который контролирует частоту полива.
Насос включается в установленное время. Жидкость, не остаётся в модуле. Она стекает в бак. Конструкция замкнутого цикла.
СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ АЭРОПОННЫМ МЕТОДОМ
Предлагаемая система автоматизирует процесс выращивания растений на аэропонике. На рисунке 2 приведена её структурная схема, которая содержит следующие блоки: ДГ - датчик концентрации СО2, ДТ1 - датчик температуры окружающей среды, ДТ2 - датчик температуры питательного раствора, ДО - датчик освещения, МК - микроконтроллер, ЧРВ - часы реального времени, УВИ - устройство вывода информации, К - ключ, Н - насос, регуляторы ШИМ1-3, СК - светодиод красного свечения, СБ - светодиод белого свечения, СС - светодиод синего свечения.
Рис.2. - Структурная схема системы автоматизированного выращивания растений.
Система работает следующим образом: информацию о значениях температуры окружающей среды, раствора и освещенности фиксируют датчики ДТ1, ДТ2, ДО и соответственно передают микроконтроллеру МК.
В качестве датчика ДТ1 используется комбинированный DHT22, состоящий из термистора емкостного датчика влажности. Кроме того, датчик содержит в себе АЦП для преобразования в цифровой код аналоговых значений влажности и температур. С помощью него можно определять температуру в диапазоне от -25 до +80 градусов с погрешностью до 0,5% и соответственно значение влажности, изменяющуюся в диапазоне от 0 до 100%, с погрешностью 2-5%, при этом частота опроса датчиков составляет 0,5 Гц.
Измерение температуры питающего раствора осуществляется при помощи датчика ДТ2 типа DS18B20, представляющего собой цифровой датчик температуры с программируемым разрешением, от 9 до 12-bit, которое может сохраняться в EEPROM памяти устройства. ДТ2 обменивается с МК данными по 1-Wire шине. Выбор данного датчика обусловлен его работой в широком диапазоне изменения температур, от -55°C до +125°C.
Уровень освещенности в пространстве установки, где находится надземная часть растения, регистрируется датчиком BH1750 . Конструктивно оптический датчик в виде фотодиода находится внутри полупрозрачного корпуса, внутри которого так же находятся: усилитель выходного сигнала фотодиода и АЦП, преобразующий его значение в цифровой код с последующей передачей его на МК. На выходе датчика по шине I2C будет формироваться сигнал, имеющий размерность в единицах измерения освещенности - Люксах, последнее является весьма удобным для проведения последующих расчетов. Датчик освещения, используемый в данном устройстве, обладает слабой зависимостью уровня его выходного напряжения от типа используемого источника света, а так же слабо реагирует на инфракрасное излучение, кроме того он имеет небольшие габариты, и обладает свойством энергосбережения, обеспечиваемого наличием функции "спящего" режима.
При выращивании растений в тепличных условиях, одним из важнейших условий благоприятного их роста, является организация газообмена в теплицах. Основными элементами газообмена в теплицах являются кислород и углекислый газ (CO2), которые поглощаются растениями из воздуха. В результате процесса фотосинтеза образуются органические вещества с выделением в окружающую среду свободного кислорода.
Содержание CO2 в воздухе колеблется от 0,02 до 0,3%, что при нормальном давлении и температуре 0° составляет 0,589 мг CO2 в 1 л воздуха. При среднем урожае некоторые растения ассимилируют в сутки до 300--400 кг CO2.
Оптимальные концентрации CO2 различны для каждого типа растений, например, для огурцов улучшение процесса фотосинтеза происходит уже при концентрации CO2 0,3--0,6%, а для томатов -- 0,1--0,2, тыквы, бобов -- 0,3%.
Интенсивность поглощения CO2 растением тесно связана с интенсивностью освещенности, обеспеченностью водой и питательными веществами.
На поглощение CO2 значительно влияет перемещение воздушного потока. Конструкции аэропонных установок герметически закрыты и воздухообмен с наружной средой ограничен. Из-за недостаточного притока воздуха, растению требуется организация искусственного повышения концентрации CO2. Одним из приемов снабжения растений углекислотой является подача ее к корневой системе одновременно с питающим раствором. Однако, при такой подаче CO2 корневая система растения поглощают только 25% CO2 от общего количества, которое усваивается листьями обычно из воздуха.
В условиях выращивания растений в теплицах специально доводят уровень содержание углекислоты в воздухе до 1--2%, причем с учетом возделываемой культуры, степени освещенности и ряда других факторов.
Оценка уровня содержания CO2 осуществляется недесперсионным инфракрасным датчиком углекислого газа, использование которого обусловлено тем, что принцип действия оптических датчиков газов основан на технологии, заключающейся в оценке степени поглощения газом инфракрасного излучения ИК. Различные газы имеют различную степень поглощения ИК излучения, поэтому тип и концентрация газа могут быть определены через измерение и анализ кривой поглощения газом ИК излучения. Подобные датчики могут использоваться для непрерывной работы совместно с компьютером. ИК датчики газа обладают низкой погрешностью, хорошей избирательностью, чувствительностью и надежностью, осуществляют быстрый отклик, и сохраняют линейность при длительном сроке эксплуатации.
В не дисперсионных ИК-датчиках газа спектрометрия выявляет не только тип или природу целевого газа, но и его концентрацию. При применении не дисперсионного ИК-излучения используются раздельные ИК-фильтры с узкой спектральной полосой пропускания. Они входят в состав единого комплекса и позволяют определять абсорбционные линии нескольких газов. В результате чего, концентрация газа может быть определена в реальном времени с помощью простых алгоритмов расчета при помощи микропроцессора.
Выбор диапазона длины волны для определения газа привязан к спектру источника ИК-излучения. Поглощение воды сильно проявляется на длинах волн менее 3, 5-8 и более 16 мкм. Если спектральные линии определяемого газа будут находиться в пределах этих областей, то наблюдаются помехи из-за присутствия влаги. Следовательно, наилучшие результаты работы будут иметь место в остальных областях диапазона, а именно: в области 8-16 и 3-5 мкм, в которых расположены спектральные линии большого количества газов. В датчике, используемом в данном устройстве, выбрана область 3-5 мкм по трем причинам, первая заключается наличие большого количества адсорбционных линий в областях спектра 3-3,5 мкм для углеводородов и 4,2 мкм для СО2. Вторая причина в том, что стандартная ИК-лампа имеющая стеклянный корпус, испускает излучение с длиной волны до 5 мкм. Получение излучения в области свыше 8 мкм требует применения более дорогого источника ИК-излучения. Третья причина кроется в отсутствие линий поглощения газа на длине волны 4 мкм, а это позволяет использовать опорный сигнал находящийся в этой части спектра.
Изображенная на Рис. 3 структура не дисперсионного ИК-датчика позволяет понять работу типичного сенсорного элемента ИК-датчика газа, включающего источник ИК-излучения, детектор ИКизлучения, абсорбционный элемент со входом для газа и c отражающими поверхностями, а также опорный ИК-детектор для измерения опорного сигнала.
Рис. 3. - Структура недисперсионного ИК - датчика.
Интенсивность излучения после поглощения (выходной сигнал) сравнивается с интенсивностью до поглощения (опорный сигнал). Зная значение интенсивности можем определить:
, где
-- интенсивность входящего пучка, l -- толщина слоя вещества, через которое проходит свет,
-- показатель поглощения, который связан с концентрацией как:
, где
-- коэффициент, характеризующий взаимодействие молекулы поглощающего растворенного вещества со светом с длиной волны λ, C -- концентрация газа, моль/л.
В данной системе автоматизированного выращивания растений используется ИК-датчик углекислого газа MH-Z19, имеющий цифровой PWM и аналоговый UART выходы напряжения. Питающее напряжение датчика от 3,6 В до 5,5 В. Напряжение на выходе датчика 3,3 В, выходной ток не превышает 10 мА.
Информация о состоянии внешней среды поступает с выходов датчиков ДО, ДТ1-2, ДГ на микроконтроллер МК [9], в качестве которого используется микроконтроллер семейства PSOC4 фирмы Cypress [10,11]. МК осуществляет управление процессом распыления питающего раствора по заранее занесенному в его память расписанию, а также управление освещением растения и конфигурирование всей системы в целом. МК также управляет работой насоса Н, включаемого при помощи транзисторного каскада, собранного по схеме с общим эмиттером и работающим в ключевом режиме.
В зависимости от влажности окружающей среды, ее температуры и освещенности система контролирует продолжительность процесса смачивания всей корневой системы питательным раствором и определяет значение промежутков времени между моментами её опрыскивания. За счет кратковременности работы насоса достигается заметный эффект энергосбережения. Средняя продолжительность интервалов времени между данными опрыскиваниями составляет соответственно 30 минут, а продолжительность - 5 секунд.
Наряду с температурой окружающей среды и организацией питания корневой системы, одним из весьма важных факторов для выращивания растений также является освещение. Из курса школьной ботаники известно, что за счет энергии света при участии фотосинтезирующего пигмента хлорофилла происходит процесс фотосинтеза. Хлорофиллом осуществляется основное поглощение светового излучения со следующими длинами волн 440-470 нм и 630-670 нм, что соответствует соответственно областям. красной и синей областям цветового спектра. В связи с чем в предлагаемой системе используются светодиоды красного СК, синего СС и белого СБ свечений. Данный выбор в качестве излучающих элементов светодиодов обусловлен их низким энергопотреблением, кроме того данные светодиоды обеспечивают полное совпадение спектра излучения со спектром, при котором происходит наиболее эффективное протекание фотосинтеза.
Управление яркостью освещения осуществляется драйвером AL8805, предназначенного для работы с низковольтными осветительными приборами, работающими от напряжений 6…30 В. Рассчитанный на ток до 1 А, понижающий преобразователь AL8805, работает в режиме стабилизации тока, питает десять соединенных последовательно светодиодов, мощностью 3 Ватта.
Погрешность установки выходного тока данного драйвера составляет 5% и практически не зависит от уровня напряжения источника питания, что обеспечивает отличную согласованность между лампами и исключает необходимости использования балластных резисторов.
Номинальное значение выходного тока, устанавливается внешним резистором, а регулировка яркости светодиодов производится постоянным напряжением или ШИМ сигналом на управляющем входе. При изменении постоянного напряжения от 0.5 до 2.5 В выходной ток изменяется от 25 до 100% от номинального, в то время как сигнал с ШИМ, уровней КМОП или ТТЛ, обеспечивает глубокую регулировку в соотношении 1000:1. Включение/ выключение осуществляется по тому же управляющему входу подачей сигнала напряжением менее 0.4 В.
Использование микросхемы AL8805 в качестве регулятора яркости свечения светодиодов обусловлено тем, что она работает на частотах до 1 МГц. Это позволяет использовать внешние компоненты небольшого размера, что приводит к минимизации печатной платы. Для хранения хронометрических данных к МК подключаются часы реального времени DS3231 [16]. DS3231 - высокоточные часы реального времени со встроенным I2C интерфейсом и кварцевым генератором с термостатированием. Прибор имеет разъём для подключения резервного автономного источника питания, позволяющего обеспечить режим хронометрирования даже при отключение основного напряжения питания.
Между всеми факторами, оказывающих влияние на рост и существование растений, таких как - свет, тепло, влага и CO2, тесная взаимосвязь, которая приобретает особое значение в условиях теплиц, где эти факторы создаются искусственно.
Все данные о состоянии системы с микроконтроллера поступают на устройство сбора информации для осуществления текущего контроля, причем вывод информации может быть осуществлен либо на встроенный жидкокристаллический дисплей, либо удаленно на персональный компьютер.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аэропоника
https://dfermer.ru/aeroponika2. Понятие аэропоники, история и преимущества метода // Академик, 2010
http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1363533 3. Система автоматизированного выращивания растений аэропонным методом
https://cyberleninka.ru/article/n/sistema-avtomatizirovannogo-vyraschivaniya-rasteniy-aeroponnym-metodom/viewer