+7 (3822) 609-826
Интеллектуальная система освещения для программируемого выращивания растений
Эливанова Варвара Алексеевна, 10 класс, МБОУ лицей при ТПУ г. Томска
Научный руководитель: Туранов Сергей Борисович, канд. техн. наук, доцент ОМ ИШНПТ ТПУ
Научный руководитель: Туранов Сергей Борисович, канд. техн. наук, доцент ОМ ИШНПТ ТПУ
ПРОБЛЕМАТИКА Для обеспечения максимальной производительности тепличного производства при минимальных энергозатратах, в условиях санкционного давления, политики импортозамещения, снижения посевных площадей и увеличения численности населения, необходимо внедрение новых отечественных инновационных технологий. Одним из важнейших факторов роста растений является – свет. Он может оказывать влияние на различные звенья метаболизма, на повышение продуктивности хозяйственно-ценных культур, а также на изменение типы направленности обмена веществ, может вызывать увеличение синтеза в растениях ценных соединений с заданными свойствами. Однако, несмотря на очевидную значимость, до сих пор нет понятной теории, с помощью которой можно обоснованно выбирать оптимальные параметры света на всех стадиях развития растений. Это связано с тем, что все растения по разному реагируют на свет. Даже разные сорта одного вида могут отличатся по своей реакции на освещение. Поэтому необходимо проведение комплексных исследований с различными растениями. |
АКТУАЛЬНОСТЬ На данный момент агробизнес в России переживает фазу активного развития. По данным ФГБУ «Центр агроаналитики» в России насчитывается 72 инвестпроекта на период 2021/2028 гг. в сфере производства овощей закрытого грунта. 62% проектов уже реализуются, остальные — планируются к реализации. Планируемый общий объем финансирования инвестпроектов на 2022-2024 гг. составляет 45,2 млрд руб., в том числе 1,7 млрд руб. будет направлено на модернизацию уже действующих комбинатов. Одним из самых актуальных и перспективных направлений для модернизации современного тепличного растениеводства является освещение. Повсеместно используемые в теплицах натриевые лампы технически устарели и ограничены в возможностях управления. А значит необходимо разрабтывать новые системы освещения для теплиц. |
ЦЕЛЬ
Разработка интеллектуальной системы светодиодного освещения растений для их программируемого выращивания
ЗАДАЧИ
- 1Изучить отечественную и зарубежную литературу по теме проекта
- 2Изучить методику оценки процессов роста растений по спектрам отражения, поглощения и пропускания их листьев
- 3Исследовать влияние различных режимов облучения на рост тепличного перца по оптическим характеристикам его листьев
- 4Разработать блок-схему интеллектуальной системы освещения для теплиц
АНАЛОГИ И ПРОТОТИПЫ
Несмотря на активное развитие светодионого освещения для теплиц, на текущий момент нет научно-обоснованных решений для интеллектуального освещения растений.
Аналогами являются традиционные газорязрядные светильники (МГЛ, ДНаТ) и светодиодные фитосветильники. Одноко ни первые, ни вторые не решают вопросы управления светом и не предлагают варианты режимов освещения для растений.
Но существует ряд исследований на тематику влияния различных спектров на рост и развитие растений. Краткое резюме таких исследований:
Аналогами являются традиционные газорязрядные светильники (МГЛ, ДНаТ) и светодиодные фитосветильники. Одноко ни первые, ни вторые не решают вопросы управления светом и не предлагают варианты режимов освещения для растений.
Но существует ряд исследований на тематику влияния различных спектров на рост и развитие растений. Краткое резюме таких исследований:
-Зеленый свет стимулировал рост, увеличивая сухую массу и площадь листьев
-Синий свет уменьшал высоту болгарского перца, увеличивая компактность. Спектры с синим светом увеличивали плотность устьиц и способность к фотосинтезу
-Красный свет влияет на интенсивность фотосинтеза
-Синий свет уменьшал высоту болгарского перца, увеличивая компактность. Спектры с синим светом увеличивали плотность устьиц и способность к фотосинтезу
-Красный свет влияет на интенсивность фотосинтеза
-При выращивании с попеременным облучением красным и синим светодиодами проявляется больший стимулирующий рост эффект, чем при одновременном постоянном облучении красным и синим светом
-Чередование красного и синего света с интервалом в 1 час усиливает накопление биомассы, сахарозы и крахмала
-При синем освещении преимущественно синтезируются органические кислоты и аминокислоты, а позднее – белки, тогда как красный свет индуцирует синтез растворимых углеводов, а со временем – крахмала
-Чередование красного и синего света с интервалом в 1 час усиливает накопление биомассы, сахарозы и крахмала
-При синем освещении преимущественно синтезируются органические кислоты и аминокислоты, а позднее – белки, тогда как красный свет индуцирует синтез растворимых углеводов, а со временем – крахмала
ЗАКАЗЧИКИ И СТЕЙКХОЛДЕРЫ
Основным партнером и заказчиком проекта на данный момент является Сибирский ботаничсекий сад ТГУ
Потенциальные стейкхолдеры:
Потенциальные стейкхолдеры:
- Агропромышленные предприятияРазрабатываемая система может быть интересна для крупных сельскохозяйственных предприятий, занимающихся выращиванием овощных культур, с целью увеличения урожайности, снижения энергозтрат и повышения качества продукции.
- Торговые сетиРозничные торговые сети, специализирующиеся на продаже овощей и имеющие свои собственные тепличные комплексы (например КДВ Групп "Яшкино") , могут заинтересоваться в использовании новой технологии освещения для обеспечения постоянного поступления свежих и качественных продуктов.
- Малый бизнесГородские, домашние, фермерские теплицы, энтузиасты выращивания растений в домашних условиях могут быть заинтересованы в использовании новой технологии для улучшения роста и развития своих растений.
ЭТАПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЕКТА
Этап 1 (16.10-22.10.2023) - Постановка целей и задач, формулирование идеи проекта;
Этап 2 (23.10-30.10.2023) - Составление дорожной карты проекта, анализ ресурсов и рисков;
Этап 3 (01.11-31.12.2023) - Проведение натруных испытаний;
Этап 4 (09.01-01.03.2024) - Расчет и обработка результатов и их проверка;
Этап 5 (01.03 - 01.06.2024) - Разработка блок-схемы системы освещения, подготовка презентационных материалов, выступление на конференциях и конкурсах
Этап 2 (23.10-30.10.2023) - Составление дорожной карты проекта, анализ ресурсов и рисков;
Этап 3 (01.11-31.12.2023) - Проведение натруных испытаний;
Этап 4 (09.01-01.03.2024) - Расчет и обработка результатов и их проверка;
Этап 5 (01.03 - 01.06.2024) - Разработка блок-схемы системы освещения, подготовка презентационных материалов, выступление на конференциях и конкурсах
Планирование и проведение испытаний:
Модельным объектом был выбран перец сладкий (Capsicum annuum var. grossum Sendtn.) раннеспелый сорт Шустрик (производитель: Группа компаний «Евро-Семена»)
Модельным объектом был выбран перец сладкий (Capsicum annuum var. grossum Sendtn.) раннеспелый сорт Шустрик (производитель: Группа компаний «Евро-Семена»)
Эксперименты проводились в климатических камерах со светодиодными системами освещения. Освещение растений обеспечивались специализированной светодиодной облучательной установкой (ОУ), позволяющей осуществлять ручной и автоматический контроль спектрального состава и интенсивности облучения. Для работы были выбраны спектры 400 нм., 470 нм., 517 нм., 600 нм., 655 нм., белый и ДНаЗ.
В качестве контроля использовались образцы, выращенные под ДНаЗ лампой. ДНаЗ освещение – это наиболее распространений вид освещения в существующих теплицах.
Все образцы выращивались при одинаковых условиях, но различались по спектральному составу.
Влажность
60-70%
Температура
22–23°С
Почва
Перец выращивался в нейтрализированном торфе и поливались по мере необходимости раствором Хьюитта (питательный раствор содержит кальций и магний).
Интенсивность
Все экспериментальные образцы облучались одинаковой суммарной интенсивностью облучения в области ФАР (фотосинтетически активная радиация) при 16-часовом фотопериоде (относительное количество света и темноты в суточном цикле).
ОБОРУДОВАНИЕ
спектрофотометр CI-710s
С помощью него проводилось измерение спектров отражения в листьях, для изучения особенностей влияния спектрального состава на рост растений.
компактный спектрофотометр UPRtek MK350N
С помощью него измерялись спектры излучения в климатических камерах.
Экспериментальные образцы выращивались в течение двух месяцев, по истечении которых были измерены спектры отражения листьев
Спектры отражения экспериментальных образцов за 24 ноября
Спектры отражения экспериментальных образцов за 18 декабря
РЕЗУЛЬТАТЫ
На основе спектров отражения листьев считаются вегетационные индексы, с помощью которых можно проанализировать и сравнить между собой состояния растений, растущих под представленными спектрами, и сделать соответствующие выводы. В данной работе был проведен анализ 36 индексов, для прмиера рассмотрим 6 из них:
Индекс CRL1 - каротиноидный индекс. Каротиноиды - пигменты оранжевого и желтого цвета, они поглощают определенные спектры солнечного света, затем энергия этих лучей передается на молекулы хлорофилла и тем самым используются спектры, которые не поглощаются хлорофиллом.
Индекс FRI - флавоноидный индекс. Флавоноиды отвечают за пигментацию, определяя окраску цветов, плодов. Однако наиболее значимой их функцией является защита от факторов внешней среды (ультрафиолет, температурный стресс, различные инфекции, проникновение паразитов и т д).
Индекс G - индекс зелёности. Показывает количество материала растения, необходимого для нормальной работы фотосинтеза.
Индекс MCARI - индекс хлорофилла. Показывает концентрацию хлорофилла в листьях. Хлорофилл играет ключевую роль в фотосинтезе.
Индекс RENDVI - нормализованный индекс разницы красного края, по нему можно судить о развитии зеленой массы во время роста и развития растения.
Индекс ARL2 - антоциановый индекс. Оценка содержания в листьях пигмента антоциана для определения уровня стресса.
Индекс CRL1 - каротиноидный индекс. Каротиноиды - пигменты оранжевого и желтого цвета, они поглощают определенные спектры солнечного света, затем энергия этих лучей передается на молекулы хлорофилла и тем самым используются спектры, которые не поглощаются хлорофиллом.
Индекс FRI - флавоноидный индекс. Флавоноиды отвечают за пигментацию, определяя окраску цветов, плодов. Однако наиболее значимой их функцией является защита от факторов внешней среды (ультрафиолет, температурный стресс, различные инфекции, проникновение паразитов и т д).
Индекс G - индекс зелёности. Показывает количество материала растения, необходимого для нормальной работы фотосинтеза.
Индекс MCARI - индекс хлорофилла. Показывает концентрацию хлорофилла в листьях. Хлорофилл играет ключевую роль в фотосинтезе.
Индекс RENDVI - нормализованный индекс разницы красного края, по нему можно судить о развитии зеленой массы во время роста и развития растения.
Индекс ARL2 - антоциановый индекс. Оценка содержания в листьях пигмента антоциана для определения уровня стресса.
Комплексный анализ результатов исследования показал, что облучение рассады сладкого перца длинноволновым ультрафиолетовым и синим излучением активизирует адаптационные механизмы, влияет на рост и развитие растений, а также их пигментный состав. Разная концентрация пигментов влияет не только на внутренние процессы и состав растения, но и на его внешний вид.
Таким образом, применение этих длин волн повышает эффективность выращивания рассады тепличного перца, а их чередование позволит управлять его пигментным и микроэлементным составом, т.е. программировать процесс выращивания.
Таким образом, применение этих длин волн повышает эффективность выращивания рассады тепличного перца, а их чередование позволит управлять его пигментным и микроэлементным составом, т.е. программировать процесс выращивания.
Блок-схема интеллектуальной системы освещения
Разработанная система освещения модульно выглядит следующим образом: к капсулам монтируется система фото или видеонаблюдения, которая с заданным шагом отправляет снимки в базу данных, параллельно проводятся контрольные замеры при помощи спектрофотометра. Результаты мониторинга после обработки сравниваются с эталонными значениями и используются для корректировки параметров освящения, передаваемых системе питания. После проведения эксперимента, создания достоверной эталонной модели и перехода к промышленному производству использование спектрофотометра исключается из схемы. Такая система позволит обеспечивать растения в каждый момент времени только требуемыми и оптимальными параметрами освещения, а также программировать их рост.
ЭКОНОМИКА ПРОЕКТА
Затраты на проведение эксперимента:
1) Горшочки (100 шт.) - 500 руб.
2) Семена перца (3 уп.) - 240 руб.
3) Земля для рассады (2,5 л) - 220 руб.
Светодиоды, источники питания, гроубкосы и др. оборудование
предоставлено научным руководителем
Итого: 960 руб.
Предварительная стоимость макета разрабтываемой системы:
1) Светодиоды - 4 100 руб.
2) Источники питания - 10 800 руб.
3) Контроллер - 25 000 руб.
4) Веб-камера - 8 200 руб.
5) Крепеж, корпус, клей и т.д. - 420 ру.
Итого: 48 520 руб.
1) Горшочки (100 шт.) - 500 руб.
2) Семена перца (3 уп.) - 240 руб.
3) Земля для рассады (2,5 л) - 220 руб.
Светодиоды, источники питания, гроубкосы и др. оборудование
предоставлено научным руководителем
Итого: 960 руб.
Предварительная стоимость макета разрабтываемой системы:
1) Светодиоды - 4 100 руб.
2) Источники питания - 10 800 руб.
3) Контроллер - 25 000 руб.
4) Веб-камера - 8 200 руб.
5) Крепеж, корпус, клей и т.д. - 420 ру.
Итого: 48 520 руб.
ВЫВОДЫ
Представленная интеллектуальная система освещения для теплиц является инновационным решением, которое позволяет оптимизировать процессы выращивания сельскохозяйственных культур и повысить их урожайность. Благодаря автоматическому регулированию освещения в соответствии с потребностями растений и внешними условиями, система обеспечивает максимально эффективное использование энергии и создает идеальные условия для роста и развития культур. Внедрение данной системы позволит тепличным хозяйствам значительно сократить эксплуатационные расходы, повысить рентабельность производства и внести вклад в устойчивое развитие отрасли сельского хозяйства.
Экология
Разработанная система позволит избавиться от светового загрязнения, создаваемого промышленным теплицами, что окажет положительное воздействие на биоритмы людей, птиц и животных.
Также, система позволит выращивать экологически чистые и полезные продукты и уменьшить стоимость на удобрения.
Также, система позволит выращивать экологически чистые и полезные продукты и уменьшить стоимость на удобрения.
Человек
Разработанная система позволит выращивать овощи с заданными свойствами, что скажется на здоровье человека.
За счет оптимизации энергозатрат стоимость готовой продукции будет снижена.
За счет оптимизации энергозатрат стоимость готовой продукции будет снижена.
Производство
Разработанная система позволит повысить производительность производства и снизить энергозатраты за счет оптимизации параметров освещения, а также автоматизировать процесс наблюдей за растениями, что снизит процент испорченного или погибшего урожая
Каналы продвижения проекта
Профильные мероприятия
- Участие в ключевых отраслевых мероприятиях, таких как "Агрофарм", "Югагро", "ФрутПро" и др.
- Организация презентаций, мастер-классов, демонстрация решений на стенде компании.
- Налаживание контактов с потенциальными клиентами и партнерами.
Профильные медиа
- Размещение рекламы, статей, интервью в специализированных журналах и на порталах.
- Сотрудничество с экспертами-аналитиками для повышения экспертной репутации.
Digital-каналы
- Ведение социальных сетей (VK, Telegram, Rutube).
- Таргетированная реклама в соцсетях среди целевой аудитории.
- Email-рассылки с актуальными предложениями и новостями.
Контакты
Телефон: +7 961 889 85 75
Email: nelivanova48@gmail.com