Модель растения в светокультуре

Полезная модель относится к области сельского хозяйства, к общим вопросам ботаники, к моделям растений и может быть использована в учебном процессе и научных исследованиях по светокультуре при изучении закономерностей формирования световой среды растений и ее оптимизации в ценозе.
Эффективность использования света растениями в большой мере зависит от архитектоники (структуры кроны), густоты ценоза, взаимной ориентации источников света и растений. Математически описать такие зависимости весьма сложно. Другой возможностью их получения является использование реальных растений и натурное моделирование. Однако растения - живые обьекты, их изменяющиеся во времени свойства сложно зафиксировать. За время проведения измерений свойства живых растений могут измениться существенным образом, поэтому достоверность и воспроизводимость полученных результатов может быть невысокой. Натурное моделирование светокультуры с использованием физической модели растения, обладающей всеми основными свойствами живого растения данного вида, сорта и возрастного состояния позволяет производить длительные измерения, не опасаясь, что в течение экспериментов свойства растений изменятся. Такими свойствами являются количество листьев на растении и параметры листорасположения (филлотаксиса): угол наклона листьев и их дивергенции (поворота) относительно стебля, высоты их узлов, а так же размеры, форма и площадь листьев.
Известна модель растения, содержащая стержень с побегами из полимерного материала [Рамишвили А.А. и др. Модель сельскохозяйственного растения. АС СССР №934998, МПК A01G 7/00, 1980]. Задачей данного технического решения являлась имитация воздействия влажности на пневмотранспортер, поэтому основным свойством модели является наличие в материале, из которых выполнены побеги, содержащих жидкость пор. Для целей моделирования светокультуры данное техническое решение обладает недостаточной функциональностью.
Известна модель растения, состоящая из центрального стебля и закрепленных с возможностью вращения на нем боковых побегов [Artificial plant assemply. Unated States Patent US005759645A, МПК A01G 7/00, Wing Hon Li. 2.06.1998]. Известна модель растения, основные части которой имитируют живое растение. При этом листья модели покрыты фоточувствительным слоем (фотокатализатором на основе оксида титана). При попадании на него света в результате протекания фотохимических процессов достигается обеззараживающий и деодорирующий эффект [Artificial plant. Japanese Patent Laid-Open №9-209208, Utility Model №3071471, МПК A01G 7/00]. Недостатком этих моделей является отсутствие возможности получения электрического или другой природы сигнала, по которому можно судить о площади листа, на которую падает прямой свет от источников.
Известно устройство для определения площади листа растения по величине тени, создаваемой на фоточувствительном элементе и соответствующему ей электрическому току, генерируемому элементом [Plant leaf area measurement appearance based on solar energy photocell. CN208125118U, МПК МПК A01G 7/00]. Недостаток устройства - оно представляет собой отдельное измерительное средство, что недостаточно функционально, неудобно в применении и повышает затраты на проведение измерений.
Известен способ изготовления фоточувствительного элемента, допускающий произвольные размеры и форму его исполнения [Кучера Л. Способ изготовления селеновых фотоэлементов. АС № 124559. Заявка: №591976, МПК МПК A01G 7/00, 1958 г].
Наиболее близкой является модель растения, состоящая из стержня, ветвей, фиксаторов и гибких звеньев. Ветви устанавливают так, что бы создать копию исследуемого растения [Иванов В.В., Перерва А.Е. Модель сельскохозяйственного растения. АС СССР №424532, МПК A01G 7/00, 1972]. Технической задачей технического решения являлось определение деформации кроны растения после воздействия на них рабочих органов сельскохозяйственных машин. Поэтому в качестве основного свойства натурной модели растения была принята гибкость ее ветвей. Для целей моделирования перехвата листьями растений света в светокультуре данное техническое решение не обладает достаточной функциональностью. Кроме того, в описании изобретения-прототипа не раскрыто, какие конкретно параметры кроны живых растения копирует модель.
Технической задачей полезной модели является имитация кроны живого растения данного вида и возрастного состояния его физической моделью, позволяющей оценить параметры световой среды и степень использования светового потока в светокультуре.
Техническим результатом является расширение количества свойств живого растения, представляемых натурной моделью.
Технический результат достигается тем, что модель растения перца в рассадный период в светокультуре, включающая стержень, листья, фиксаторы, гибкие звенья, согласно полезной модели, дополнительно снабжена подставкой с размещенными в ней микропроцессором и связанными с ним блоком питания и блютусом, верхние поверхности листьев выполнены из фоточувствительного материала и электрически соединены отдельными электрическими проводниками с соответствующими входами аналого-цифрового преобразователя микропроцессора, при этом количество, размеры, форма, длина черешка, площадь каждого листа, углы их наклона и поворота относительно стержня, высоты фиксаторов на стержне соответствует условиям выращивания моделируемого растения.
Заявляемая модель растения является техническим решением, относящимся к устройству, поскольку состоит из частей (сборочных единиц), соединенных между собой сборочными операциями и находящихся в функционально-конструктивном единстве. Функциональное единство механических и электрических компонент модели состоит в выполнении взаимосвязанных эксплуатационных функций (фиксация листьев в пространстве, формирование электрического сигнала, пропорционально падающему на отдельный лист световому потоку, передача этого сигнала по проводам на устройство для беспроводной передачи и далее на внешнее устройство в процессе эксперимента для измерения и сохранения). Конструктивное единство частей модели обеспечивается выполнением листьев с формой и размерами, соответствующими моделируемому растению в его определенной фазе роста, а так же применением сборочных операций (склеивание, пайка, использование болтовых соединений) с образованием единого устройства.
Возможность использование предлагаемой полезной модели в сельском хозяйстве при культивировании растений в условиях дополнительного освещения, известность программно-аппаратных методов и средств (цифровых и аналоговых), технологических приемов, с помощью которых возможна реализация отдельных элементов и устройства в целом в описанном виде свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию «промышленная применимость».
Анализ уровня техники не выявил устройство того же назначения, что и предлагаемое техническое решение, которому присущи все приведенные в независимом пункте формулы существенные признаки, что
свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 показано устройство модели растения;
на фиг. 2 -– схема формирования электрического сигнала;
на фиг. 3 - частный пример средних значений биометрических параметров растений;
на фиг. 4 - эффект экранирования света в ценозе.
Модель растения перца в рассадный период в светокультуре содержит вертикально расположенный стержень 1, имитирующий стебель реального растения и искусственные листья 2, которые крепятся на стержне 1 с помощью фиксаторов 3 через гибкие звенья 4. Верхние поверхности каждого листа выполнены из фоточувствительного материала и электрически присоединены к одним концам электрических проводников 5. В подставке 6 размещены электрически соединенные между собой блок питания 7, микропроцессор 8 и блютус 9. Внутри подставки другие концы электрических проводников 5 присоединены к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя микропроцессора 8.
i
i
i
i
i
i
i
i
Для каждого i-го листа размеры (длина L и ширина W), форма (коэффициент формы K), площадь S, длина черешка R, углы его наклона α и поворота δ относительно стержня, высоты фиксаторов на стержне h соответствует условиям выращивания моделируемого растения.
Для оценки эффективности захвата кроной растения потока излучения используют индекс листовой поверхности LAI (Leaf Area Index), определяемый как отношение общей площади листовой поверхности к площади их проекции с учетом взаимного перекрытия. С помощью модели возможно непосредственное измерение этого индекса (фиг. 2).
Сигнал , снимаемый с фоточувствительного материала, покрывающего поверхность i-го листа , пропорционален падающему на него от источника света (ИС) потоку , а значит и площади освещенной части листа . Суммарный сигнал . Выражение для индекса . Суммарная площадь листьев  задана при изготовлении модели. Тогда выражение для индекса в зависимости от суммарного сигнала . Таким образом, возможна непрерывная оценка эффективности захвата света кроной по суммарному сигналу от фоточувствительного слоя, покрывающего листья модели растения. Данные вычисления реализуются в управляющей программе микропроцессора и передаются через блютус на внешнее устройство, например, компьютер или смартфон.
Модель работает следующим образом.
Включают внутренний блок питания 7, расположенный в подставке 6 и размещают модель в условия световой среды в соответствии с планом эксперимента. Световой поток, падающий на расположенные в соответствии со структурой кроны моделируемого растения в пространстве листья преобразуется в электрические сигналы в фоточувствительном материале, нанесенном на верхнюю поверхность листьев 2. Эти сигналы пропорциональны падающему на каждый лист световому потоку и учитывают затененность листьев. Далее сигналы передаются по электрическим проводникам 5 на входы аналого-цифрового преобразователя. Под управлением микропроцессора 8 происходит преобразование сигналов и передача на внешнее устройство через блютус 9.
-2
-1
Пример. Для проведения экспериментов по светокультуре были необходимы модели растения перца (Capsicum Annuum L.) сорта Калифорнийское чудо в возрасте 30 дней после всходов. Предварительно в определенных условиях (фотопериод 16 ч, фотонная облученность 200 мкмоль⋅м⋅с и тепло-белый спектр), вырастили контрольные растения перца и определили их биометрические параметры в этом возрастном состоянии (фиг. 3).
В соответствии с полученными результатами изготовили несколько натурных моделей растения перца. На каждой модели было восемь листьев (n=8), все размеры соответствовали экспериментально найденным параметрам. Естественный статистический разброс учитывали введением того же коэффициента вариации, что и у соответствующего параметра (10…15%). Модели растения использовали в экспериментах по нахождению оптимального размещения контейнеров с растениями (расстояния А и В на фиг. 4), с тем, что бы, с одной стороны размещение было максимально компактным, с другой стороны – не происходило недопустимого экранирования светового потока листьями соседних растений.
Связанными эффектами являются сокращение времени исследований и затрат на их проведение, повышение достоверности результатов и удобства в работе.
Применение модели позволит обеспечить повышение качества исследований по светокультуре, в т.ч. при испытании источников света, более точной имитации свойств живого растения в его взаимодействии со световым потоком.