Система управления фитооблучателем с обратной связью и применением газообразного водорода в качестве катализатора роста растений
SYSTEM FOR CONTROLLING A PHYTOEMITTER WITH FEEDBACK AND APPLICATION OF GASEOUS HYDROGEN AS A PLANT GROWTH CATALYST

Изобретение относится к области светотехники и может быть использовано для облучения овощных и зеленных сельскохозяйственных культур на разных стадий роста в условиях защищенного грунта, фитотронах и промышленных теплицах.
Известен светодиодный фитооблучатель для выращивания томата, /Патент РФ №2695812, МПК F 21 K 99/00, 2019/, содержащий корпус со светоизлучающими элементами, которые состоят из комбинации светодиодов, спектр излучения и мощность которых сбалансированы и согласованы с интенсивностью поглощения и ролью в фотосинтезе ключевых пигментов фотосинтетического аппарата растения хлорофиллов, каротиноидов, криптохромов, фитохромов, при этом комбинация включает пять типов светодиодов с максимумами полос излучения в пределах диапазонов синий 434-450 нм, красный 630-632 нм и 660-670 нм и дальний красный 730-735 нм.
Недостатками известного устройства является узко направленное выращивание сортов томата, и ограниченность регулировки интенсивного спектрального диапазона.
Известно, что наличие малого количества водорода в воздухе или в почве благоприятно воздействует на растения, в которых возникают процессы усиления фотосинтеза, с последующим увеличением содержания глюкозы, крахмала, каротиноидов, хлоропластов, а также ускорение химических реакций [Экспериментальные исследования влияния водорода на оптические характеристики растений. Е.В. Тимченко, Е.А. Селезнева, Н.В. Трегуб, Л.А. Таскина, П.Е. Тимченко. Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева (национальный исследовательский университет). Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16. № 1. С. 281-285].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа система светодиодного освещения теплиц /Патент RU 2680590, МПК A01G 9/20,2019/, состоящая из светодиодного фитооблучателя и блока управления интенсивностью и спектральным составом излучения, фитооблучатель выполнен из групп светодиодов с регулируемым спектром излучения каждой из них, блок управления интенсивностью и спектрального состава излучения оснащен компьютером с программным обеспечением сбора данных и управления контроллером.
Недостатками известного устройства являются снижение качества продукции, увеличение сроков ее получения, отсутствуют возможности регулирования спектрального состав фитоизлучателей в режиме реального времени.
Техническая задача предполагаемого изобретения, заключается в повышении качества продукции, сокращении сроков ее получения, путем постоянного контроля за сельскохозяйственными растениями.
изобретению
Технический результат достигается тем, что система управления фитооблучателем с обратной связью и применением газообразного водорода в качестве катализатора роста растений, состоящая из светодиодного фитооблучателя и блока управления интенсивностью и спектральным составом излучения, фитооблучатель выполнен из групп светодиодов с регулируемым спектром излучения каждой из них, блок управления интенсивностью и спектрального состава излучения оснащен компьютером с программным обеспечением сбора данных и управления контроллером, содержащим, по меньшей мере, четыре типа датчиков изображения, работающих, по меньшей мере, в 4 диапазонах длин волн от 400 до1000 нм согласно , она снабжена связанными с контроллером вентилятором и датчиком контроля водорода, размещенными в камере выращивания растений,  и электролизером, расположенном с внешней стороны камеры, при этом электролизер соединен трубопроводом с заполненной грунтом емкостью.
Изоретение  поясняется чертежами.
На фиг 1 представлена схема системы управления фитооблучением с обратной связью; на фиг. 2 - пример выявления зон некроза листа; на фиг. 3 – представлена емкость с растением.
Система управления фитооблучателем с обратной связью и применением газообразного водорода в качестве катализатора роста растений содержит цифровое устройство, например, телефон 1, планшет 2, персональный компьютер 3, подключенный к роутеру 4 посредством Wi-Fi или кабельной связи. Роутер 4 соединен с глобальной сетью интернет 5, связывающей контроллер 6 управления  с выходными соединительными выводами четырех электронных блоков питания 7. Каждый блок питания 7 соединен со своей группой спектрального нанометрового диапазона, размещенной в корпусе блока фитооблучателя 8. С контроллером 6 соединена мультиспектральная фотокамера 9, направленная на облучаемое растение 10, находящееся в камере выращивания 11. Датчик температуры 12 размещен на корпусе блока фитооблучателя 8 и связан с контроллером 6. Электролизер 13, контролируемый контроллером 6, соединен трубопроводом с заполненной грунтом емкостью 10 с растущим растением. В камере выращивания 11 расположен датчик 14  контроля водорода, соединенный с контроллером 6 контролирующий выход водорода из электролизера 13. Вентилятор 15 соединен с контроллером 6 (на фиг. не показано), регулирующим число его оборотов, увеличивая или уменьшая воздушный поток циркуляции в камере 11 выращивания растений 10.
Спектр излучения фитооблучателя 8 содержит диапазоны: синий 434-450 нм, красный 630-632 нм и 660-670 нм и дальний красный 730-735 нм.
Электролизер 13 по трубопроводу 16 направляет водород в нижнюю полость 17, отделенную сепарационной сеточкой 18 от заполненной грунтом емкости 19 для растения 10.  Газообразный водород – легкий газ, поэтому он  поднимается в верхние слои грунта, взаимодействует с корневой системой растения 10, смешивается с воздухом в камере выращивания 11. Принудительная вентиляция в камере выращивания 11 обеспечивает равномерное распределение водорода в камере 11. Это благотворно влияет на процессы усиления фотосинтеза растения 10, с последующим увеличением содержания глюкозы, крахмала, каротиноидов, хлоропластов, а также ускорение химических реакций.
Датчик 14 контроля водорода реагирует на изменение концентрации водорода в воздухе камеры 11. При превышении его количества в воздухе свыше 2 % передается сигнал на контроллер 6 для снижения электролизером 13 подачи водорода в трубопровод 16.
Мультиспектральная фотокамера 9 содержит, по меньшей мере, четыре типа датчиков изображения (на фиг. не показано), работающих в диапазоне длин волн от 400 до 1000 нм. Цифровое устройство оснащено программным обеспечением сбора данных и управления контроллером 6. Алгоритм управления позволяет контролировать и управлять ростом растений посредством изменения спектрального состава и мощности излучения.
Эксперименты показали, что основной спектральный диапазон чувствительности фотодатчиков для эффективного анализа состояния растения составляет − 400 - 1000 нм длин волн, который и заложен в работу фотокамеры.
Фотокамера 9 осуществляет фото-видеофиксацию параметров контрольного растения в режиме реального времени. Компьютер обрабатывает изображения по заданному алгоритму, анализирует полученные данные, сравнивает измеренные параметры с базой данных и через контроллер 6 подает сигнал управления на блок фитооблучателя 8.
Контролируются следующие параметры растения:
- вегетационный индекс;
- количество плодов;
- динамика роста стебля и листьев;
- площадь листьев;
- наличие заболеваний и повреждений листьев (хлороз, ожоги, некроз, пигментные пятна);
- концентрация фотосинтетических пигментов (хлорофиллов, антоцианов).
Система управления фитооблучателем с обратной связью и применением газообразного водорода в качестве катализатора роста растений следующим образом.
Фотокамера 9 может осуществлять фотографирование контрольного растения с заданным интервалом времени. В момент фотографирования блок фитооблучателя 8 переключается в режим импульсного излучения с высокой цветопередачей, для получения качественного изображения. Полученные мультиспектральные изображения передаются на цифровое устройство, например, компьютер, где по заданному алгоритму происходит их обработка. После обработки изображений, система сравнивает полученные результаты с базой данных параметров здоровых и пораженных растений и принимает решения о внесении корректировки в алгоритм работы блока фитооблучения 8.
Если обнаружен низкий вегетационный индекс и низкая концентрация пигментов в растении, то вводится корректировка спектрального состава излучения в сторону увеличения синей и (или) красной составляющей спектра.
При недостаточной развитости листьев водится корректировка спектрального состава излучения в сторону увеличения дальней красной составляющей.
При недостаточной развитости листьев водится корректировка спектрального состава излучения в сторону увеличения дальней красной составляющей.
При обнаружении заболевания растений, система выдает соответствующий сигнал на пульт оператора для принятия решения о необходимости произведения осмотра агрохимиком данного фитобокса с растениями, который даст рекомендации о внесении, например, фунгицидов, пестицидов и т.д.
При анализе комьютером данных, полученных с мультиспектральной камеры, в случаи обнаружения недостатка элементов питания по состоянию зеленого листа растения, отправляется сообщение агрохимику о необходимости проведения корректировки питания растения. Наличие обратной связи обеспечивает своевременное вмешательство агронома и агрохимика в процесс вегетации растения и корректировки по заданным алгоритмам.
В случае отсутствия в базе данных известных параметров роста для заданной культуры и сорта система переводится в режим самообучения, где контролируются и записываются в базу данных параметры отклика растения на изменяемые режимы облучения. На основании анализа полученных данных определяются оптимальные режимы облучения для данного растения.
Система может применяться для разработки режимов искусственного облучения новых сортов растений, для которых данные режимы еще не были определены или требуется их проверка.
Применение системы позволит вести сельскохозяйственное производство под постоянным контролем за растениями в режиме «диалога с растениями», повысить энергоэффективность облучения, урожайность выращиваемых культур, качество производимой продукции и сократить сроки ее получения.