Система автоматизированного выращивания растений аэропонным методом

На вторичной обмотке данного строчного трансформатора формируется потенциал уровня порядка 10 - 15кВ, при этом происходит пробой воздушного зазора между двумя электродами и формируется электродуговой разряд, имеющий акустическое сопровождение. В результате можно наблюдать акустическое звучание гармонического музыкального сигнала, подаваемого на вход 04 микросхемы ^4 94

В заключение следует отметить, что предложенная реализация звуковоспроизводящего устройства обладает достаточно высоким качеством звучания на частотах звукового диапазона в области 1020кГц, однако данному методу формирования акустического звука присущи следующие недостатки -

это достаточно слабая громкость звучание и низкое значение КПД.

Данные недостатки могут быть устранены, если в аналогичном устройстве будет использован амплитудно-импульсный метод модуляции музыкального сигнала, либо использован высокочастотный шум. Это позволит сформировать более устойчивую и широкую дугу разряда, имеющую увеличенный объем атмосферных пульсаций, что приведет к значительному повышению уровня акустического звучания. Однако, рассмотрение подобного, требующее достаточно полной проработки, выходит за рамки данной работы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лившиц И. И., Транзисторные усилители в режиме D, Энергия, 1973.

2. Панфилов С.А., Эффективное охлаждение новых высокомощных силовых полупроводниковых приборов, Известия высших учебных заведений. Поволжский Регион. Технические науки, №4, 2012.

3. Цыкин Г. С., Электронные усилители, Связьиздат, 1963.

УДК 623.746.519

Жестков А.Е., Князьков А.В., Чайковский В.М,

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ АЭРОПОННЫМ МЕТОДОМ

Предлагается система, предназначенная для автоматизированного процесса выращивания растений в воздушной среде без использования почвы.

Ключевые слова:

автоматизированная система, аэропоника, микроконтроллер, датчик

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 аэрозоля [1]. Данный метод не предполагает использование почвенного субстрата, как в гидропонной системе, что делает системы аэропонного выращивания намного проще. Суть данного подхода заключается в том, что культивируемое растение фиксируется опорной системой, а его корневая система просто висит в воздухе и орошается питательным раствором. Причем распыление данного аэрозоля происходит в конкретные, определенные в соответствии с культурой агротехники, моменты времени, не допуская пересыхания корневой системы. Следует отметить, что данный подход является одним из основных его преимуществ по сравнению с гидропоникой, где требуется постоянная циркуляция питательного раствора, что ведет к значительному увеличению энергопотребления. Листья и ствол растения изолированы от камеры распыления, в которой находится корневая система растения, в результате чего данная среда не подвергается воздействию паразитов и болезней, связанных с почвой, а это приводит к отказу от применения ядохимикатов. Культуры, возделанные на основе аэро-поники, отличаются высокой скоростью роста, что приводит к повышению продуктивности единицы используемой площади поверхности. При этом резко уменьшается время вегетации растений, что позволяет собирать урожай несколько раз в год.

Предлагаемая система автоматизирует процесс выращивания растений на аэропонике. На рисунке 1 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.

Рисунок 1 - 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 [2], 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 [3], представляющего собой цифровой датчик температуры с программируемым разрешением, от 9 до 12-Ь^, которое может сохраняться в ЕЕРЯОИ памяти устройства. ДТ2 обменивается с МК данными по 1-'^ге шине. Выбор данного датчика обусловлен

его работой в широком диапазоне изменения температур, от -55°С до +125°С.

Уровень освещенности в пространстве установки, где находится надземная часть растения, регистрируется датчиком ВН1750 [4]. 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 12С 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 (СО2), которые поглощаются растениями из воздуха. В результате процесса фотосинтеза образуются органические вещества с выделением в окружающую среду свободного кислорода.

Содержание СО2 в воздухе колеблется от 0,02 до 0,3%, что при нормальном давлении и температуре 0° составляет 0,589 мг СО2 в 1 л воздуха. При среднем урожае некоторые растения ассимилируют в сутки до 300—4 00 кг СО2.

Оптимальные концентрации СО2 различны для каждого типа растений, например, для огурцов улучшение процесса фотосинтеза происходит уже при концентрации СО2 0,3—0,6%, а для томатов — 0,1—0,2, тыквы, бобов — 0,3% [5].

Интенсивность поглощения СО2 растением тесно связана с интенсивностью освещенности, обеспеченностью водой и питательными веществами.

На поглощение СО2 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 СО2. Одним из приемов снабжения растений углекислотой является подача ее к корневой системе одновременно с питающим раствором. Однако, при такой подаче СО2 корневая система растения поглощают только 25% СО2 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 возде-

лываемой культуры, других факторов.

степени освещенности и ряда

Оценка уровня содержания СО2 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 [6].

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-из-лучения. Третья причина кроется в отсутствие линий поглощения газа на длине волны 4 мкм, а это позволяет использовать опорный сигнал находящийся в этой части спектра [7].

Изображенная на Рис. 2 структура не дисперсионного ИК-датчика позволяет понять работу типичного сенсорного элемента ИК-датчика газа, включающего источник ИК-излучения, детектор ИК-излучения, абсорбционный элемент со входом для газа и с отражающими поверхностями, а также опорный ИК-детектор для измерения опорного сигнала.

Рисунок 2. Структура недисперсионного ИК-датчика

Интенсивность излучения после поглощения (выходной сигнал) сравнивается с интенсивностью до поглощения (опорный сигнал). Зная значение интенсивности можем определить: I(I) = , где 10— интенсивность входящего пучка, I — толщина слоя вещества, через которое проходит свет, к^ — показатель поглощения, который связан с концентрацией как: = х^С , где х^ — коэффициент,

характеризующий взаимодействие молекулы поглощающего растворенного вещества со светом с длиной волны А, С — концентрация газа, моль/л.

В данной системе автоматизированного выращивания растений используется ИК-датчик углекислого газа МН^19, имеющий цифровой РИМ и аналоговый иДЯТ 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 [8].

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 [12].

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 [13], 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 [14], предназначенного для работы с низковольтными осветительными приборами, работающими от напряжений 6...30 В. Рассчитанный

на ток до 1 А, понижающий преобразователь ДЬ8805, работает в режиме стабилизации тока, питает десять соединенных последовательно свето-диодов, мощностью 3 Ватта [15].

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 ДЬ8805 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 12С 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 СО2, 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. Понятие аэропоники, история и преимущества метода // Академик, 2010 http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1363533

2. Техническое описание датчика температуры и относительной влажности DHT22 //Aosong(Guangzhou) Electronics Co.,Ltd. https://www.adafruit.com/datasheets/DHT2 2.pdf

3. Техническое описание датчика температуры DS18B20 //2015 Maxim Integrated Products, Inc. https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS18B20.pdf

4. Техническое описание датчика освещения BH1750 // 2009 ROHM Co., Ltd. All rights reserved. https://e-radionica.com/productdata/BH17 50FVI.pdf

5. Газообмен в теплицах // Зооинженерный факультет МСХА. http://www.activestudy.info/gazoobmen-v-teplicax

6. Инфракрасные датчики газов // 2011—2017, Радиотех — газовые датчики http://gas-sensor.ru/ndir-gas-sensor.html

7. Инфракрасные датчики газа // Компоненты и технологии № 7 '2015. http://ecworld.ru/me-dia/bip/pdfs/chernenkov ct715.pdf

8. Техническое описание датчика газа MH-Z19 // Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co., Ltd ISO9001 certificated company http://eleparts.co.kr/data/design/product file/SENSOR/gas/MH-Z19 CO2

9. Аверин И.А, Особенности формирования микроэлектромеханических элементов первичных преобразователей информации/ И.А. Аверин, В.Е. Пауткин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки - 2014. - № 2. - C. 24-32.

10. Техническое описание микроконтроллера семейства PSOC4 // Cypress Semiconductor Corporation,DocumentNumber: 001-87197 Rev. *G http://www.cypress.com/file/138 656/download

11. Чайковский В.М., Князьков А.В., Кожичкин Е.Ю. Удаленная система мобильного управления/надежность и качество - 2014: труды Международного симпозиума: - Пенза: Изд-во ПГУ, 2 014.Т2, С. 105-107

12. Мураш И. Г. Аэропоника в теплицах.— М.: Московский рабочий, 1964.—95 с

13. Чухлебова Н. С., Бугинова Л. М., Ледовская Н. В. Ботаника (цитология, гистология, анатомия) // Москва, «Колос»; Ставрополь, «АГРУС» - 2007

14. Техническое описание драйвера AL8805 // Document number: DS35030 Rev. 4 -2 https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Components/LED/AL8 8 05.pdf

15. И.Бахарев, А.Прокофьев, А.Туркин, А.Яковлев. Применение светодиодных светильников для освещения теплиц: реальность и перспективы // СТА-ПРЕСС 2010, №2

16. Техническое описание часов реального времени DS3231 http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS32 31.pdf