РЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛИЦЫ
REGULATING DEVICE FOR GREENHOUSE

Данное изобретение относится к регулирующему устройству для теплицы с компьютерным управляющим элементом, осветительным элементом и, по меньшей мере, одним детекторным элементом, в котором осветительный элемент и детекторный элемент соединены с компьютерным управляющим элементом, при этом осветительный элемент содержит, по меньшей мере, одно светоизлучающее устройство, излучающее свет, а свет освещает растение, произрастающее в теплице.
В US 2005/0252078 A1 описана система для оптимизации растениеводства эффективным по затратам способом. Система включает процессор, который взаимодействует с рядом датчиков ресурсов, измеряющих различные ресурсы в теплице, как, например, освещение или концентрацию углекислого газа. Процессор выполняет алгоритм, который включает желательный показатель растениеводства и другие входные данные, такие как управление условиями системы и окружающей среды, и определяет количество расходования каждого ресурса согласно целям растениеводства и стоимости ресурсов. К сожалению, система, описанная в указанной патентной заявке, оптимизирует только издержки растениеводства.
Таким образом, целью изобретения является устранение вышеуказанного недостатка. В частности, целью изобретения является обеспечить эффективное регулирующее устройство для теплицы, что приведет к оптимальному росту растения.
Эта цель достигается регулирующим устройством для теплицы, как изложено в п.1 формулы изобретения настоящего изобретения. Цель достигается также способом управления ростом растения в теплице, как изложено в п.7 формулы изобретения настоящего изобретения. Предпочтительные варианты осуществления регулирующего устройства и способа определяются в зависимых пунктах.
Цель изобретения достигается регулирующим устройством для теплицы, с компьютерным управляющим элементом, осветительным элементом и, по меньшей мере, одним детекторным элементом, при этом осветительный элемент и детекторный элемент соединены с компьютерным управляющим элементом, осветительный элемент содержит, по меньшей мере, одно светоизлучающее устройство, излучающее свет, которой освещает растение, произрастающее в теплице, при этом регулирующее устройство включает, по меньшей мере, один второй детекторный элемент, измеряющий фотосинтетическую активность растения, а количество света, излучаемого светоизлучающим устройством, контролируется компьютерным управляющим элементом, в зависимости от измеренного парциального давления кислорода.
Термин «компьютерный управляющий элемент» в контексте описываемого изобретения подразумевает все виды компьютерных управляющих машин, как, например, портативный компьютер, рабочая станция, микроконтроллер, цифровой сигнальный процессор (DSP) или вентильная матрица с эксплуатационным программированием (FPGA). Известно, что такие компьютерные управляющие элементы обеспечивают процесс и накапливают данные, измеряемые всеми видами детекторных элементов. Компьютерный управляющий элемент может также представлять собой PDA (карманный компьютер), ручное устройство, изначально сделанное как персональный органайзер, но на сегодня наиболее многофункциональное. Использование PDA в качестве компьютерного управляющего элемента дало бы возможность садоводу иметь мобильную систему, позволяющую ему управлять теплицей. Любые изменения в установках окружающей среды могли бы быть произведены во время проверок теплицы.
В контексте настоящего изобретения термин детекторный элемент включает датчик, управляемый электрическим или электронным способом. Такой род детекторных элементов может быть или непосредственно указывающим или быть спаренным с детектором, для того чтобы обнаруженный показатель мог быть воспринят человеком. Детекторный элемент может быть расположен в центре теплицы. Также возможно, чтобы множество детекторных элементов были пространственно рассредоточены по теплице. Кроме того, детекторные элементы могут быть расположены группами для измерения микроклимата в теплице таким образом, чтобы параметры окружающей среды измерялись и управлялись в соответствии с описанным способом.
Согласно настоящему изобретению регулирующее устройство включает, по меньшей мере, один второй детекторный элемент, измеряющий фотосинтетическую активность растения. Второй детекторный элемент может измерять, например, уровень глюкозы или крахмала в растении, так как они являются прямыми показателями фотосинтетической активности растения. Кроме того, второй детекторный элемент может измерять количество света, поглощенное листом растения.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления регулирующее устройство включает, по меньшей мере, один третий детекторный элемент, измеряющий третий ресурс. Это дополнительное измерение обеспечивает регулирующему устройству не что иное, как общий контроль за всеми ресурсами, влияющими на рост растения или семени. Выбор измеряемого третьего ресурса зависит от типа выращиваемого растения или семени. Это может быть температура субстрата или почвы, температура воздуха, влажность субстрата или почвы, концентрация удобрения в субстрате или почве, влажность воздуха, парциальное давление углекислого газа или поток внешнего солнечного света. Кроме того, третий детектор может быть спектрометром для измерения спектра внешнего солнечного света или света, излучаемого светоизлучающим устройством. Известно, что хлорофилл как фотосинтетический пигмент, находящийся в большинстве растений, помогает растению получать энергию из света. Было определено, что хлорофилл А и В поглощают синий и красный видимый спектр света. Таким образом, полезно освещать растения светом, имеющим длину волны в синем или красном волновом диапазоне. Спектрометр может использоваться для проверки распространяемой длины волны света, излучаемого светоизлучающим устройством. Например, спектрометр может включать дисперсионный оптический элемент, который может быть призмой, дифракционной решеткой, голографическим оптическим элементом или любым другим подходящим элементом. Свет, проникая в спектрометр и рассеиваясь диспергирующим оптическим элементом, фиксируется на линейной фотодетекторной сетке, в качестве которой может быть CCD сетка. Спектр также может быть измерен без оптических элементов и/или фильтров, с использованием комплементарной металло-оксидно-полупроводниковой (CMOS) технологии.
Поскольку теплица взаимодействует с внешним миром, третий детекторный элемент может, к примеру, измерять еще и количество воздуха, поступающего и выходящего из теплицы. В этом варианте осуществления третий детекторный элемент может не только измерять влажность поступающего и выходящего воздуха, но, в частности, также скорость, температуру и парциальное давление кислорода. Измеренная таким образом информация поступает в компьютерный управляющий элемент, давая ему возможность оптимизировать количество света, излучаемое светоизлучающим устройством.
В соответствии с другим вариантом осуществления регулирующее устройство включает, по меньшей мере, один подающий элемент, которой поставляет второй ресурс к растению, при этом количество второго ресурса, подаваемого к растению, регулируется компьютерным управляющим элементом. Вторым ресурсом, к примеру, может быть вода, удобрение или другие необходимые растению питательные вещества. В соответствии с изобретением третий детекторный элемент измеряет все необходимые ресурсы, необходимые растению для правильного роста. Вся информация, определяемая третьим детекторным элементом, накапливается и анализируется в компьютерном управляющем элементе. В случае определения дефицита какого-либо рода компьютерный управляющий элемент пробует компенсировать этот дефицит. Вследствие этого подающий элемент способен снабжать все виды субстратов, необходимых растению для правильного роста, и которые указаны в контексте второго ресурса изобретения. Вследствие этого подающий элемент может включать устройство подачи воды или устройство подачи питательных веществ, каждое из которых связано с компьютерным управляющим элементом. Компьютерный управляющий элемент способен регулировать количество второго ресурса, подающегося к растению в результате определения дефицита. Более того, количество второго ресурса и количество света, подаваемого растению, оптимизируется компьютерным управляющим элементом. Таким образом, компьютерный управляющий элемент измеряет, поставляет и оптимизирует все необходимые ресурсы, необходимые, чтобы обеспечить высококачественный рост растения.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления осветительным устройством является светоизлучающий диод (LED), органический светодиод (OLED), газоразрядная лампа, высокоинтенсивная газоразрядная лампа, лампа накаливания, флуоресцентная лампа или натриевая лампа повышенного давления. Осветительный элемент может содержать ряд светоизлучающих устройств, пространственно рассредоточенных в теплице для получения однородного освещения. По предпочтительному варианту осуществления осветительный элемент содержит комбинацию из, по меньшей мере, двух различных типов названных осветительных устройств. Например, осветительный элемент может содержать комбинацию из натриевой лампы повышенного давления и LED, комбинацию из LED и OLED или комбинацию из натриевой лампы повышенного давления и OLED.
Преимущество LED (светоизлучающих диодов) состоит в том, что их спектр может быть подобран, чтобы точно соответствовать потребностям растения. Указанное преимущество относится также к OLED (органическому светоизлучающему диоду), который представляет собой специальный тип светоизлучающего диода, в котором излучающий слой может включать тонкую пленку из определенных органических компонентов. Преимущество OLED состоит в том, что, при потенциально низких затратах он является источником однородного большого поля света с высокой эффективностью и, следовательно, OLED лучше подходят для применения в садоводстве, где важна общая стоимость имущества. Для генерирования света OLED используют ток, проходящий через тонкую пленку органического материала. Цвет излучаемого света и эффективность перехода энергии из тока в свет зависит от состава органического тонкопленочного материала. При этом в качестве несущего слоя OLED включают основной материал, который может быть сделан из стекла, или органического материала, или из непрозрачных материалов, таких как металлическая фольга. Кроме того, органический светоизлучающий диод состоит, по меньшей мере, из одного очень тонкого слоя толщиной приблизительно 5-500 нм органического вещества на стеклянной основе, покрытой электропроводным и светопроницаемым оксидом. Этот проводящий слой обычно выполнен из индий-оловянного оксида (ITO).
Обычно слой ITO образует анод, а слой алюминия образует катод, поскольку слой алюминия характеризуется толщиной приблизительно 100 нм, такой же, как у слоя ITO. Алюминий такой толщины работает, как зеркало, таким образом, что излучение осуществляется только через светопроницаемый ITO анод и через светопроницаемую основу. Часть света может излучаться также и через катод, если метал катода достаточно тонкий, чтобы быть частично светопроницаемым. Используя в качестве катода другие подходящие материалы, можно сделать OLED светопроницаемым. В этом случае OLED может работать как своего рода окно, которое в дневное время позволяет солнечному свету поступать в теплицу. Но в ночное время OLED может работать как осветительное устройство, освещающее теплицу.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения осветительный элемент может состоять из последовательности OLED, включающей, по меньшей мере, две различные группы OLED, при этом первая группа OLED вырабатывает свет для роста, а вторая группа OLED вырабатывает контрольный свет для растения. Известно, что сам по себе рост растения зависит в основном от количества света, обладающего длиной волны, поглощаемой хлорофиллом А или В. Для получения интенсивного роста растения первая группа OLED светоизлучающего элемента должна состоять, по меньшей мере, из двух типов OLED, излучающих волны различной длины. Предпочтительно, чтобы OLED первого типа излучали в диапазоне синего света с длиной волны от 400 до 500 нм. Кроме того, OLED второго типа должны излучать в диапазоне красного света от 600 до 700 нм. В другом предпочтительном варианте осуществления свет для роста, излучаемый первой группой OLED, может состоять приблизительно на 80-90% из красного света и на 10% из синего света.
В добавление, описанные свет для роста, контрольный свет должны использоваться для управления ростом растения. Рост растения может регулироваться освещением растения светом различных цветов, в зависимости от того, является ли растение огромным или маленьким и компактным. Известно, что использование большого количества синего света (400-500 нм) приводит к получению высокого растения, в то время как использование небольшого количества синего света приводит к получению маленького и компактного растения. Кроме того, зеленый спектр света усиливает способность растения к размножению. В добавление, используя свет с подходящей длиной волны, можно управлять цветением растения. Таким образом, управляя типом длины волны, излучаемой на растения, можно управлять ходом и характером роста растения.
В предпочтительном варианте осуществления регулирующее устройство включает, по меньшей мере, одно затеняющее устройство, с помощью перемещения которого в теплице контролируется уровень освещения солнечным светом. Затеняющее устройство может быть использовано для покрытия стеклянной крыши теплицы для защиты легко повреждаемых семян и растений от ожога на солнечном свету. Таким образом, затеняющее устройство, снабженное двигателем и управляемое компьютером, может быть установлено и связано с регулирующим устройством, описанным в изобретении.
В преимущественном варианте осуществления настоящего изобретения регулирующее устройство включает проводную и беспроводную сеть, связывающую компьютерный управляющий элемент, детекторный элемент, второй и третий детекторные элементы, а также упомянутые устройства. При использовании сети вся информация от детекторного элемента может легко быть передана в компьютерный управляющий элемент, вычисляющий оптимальное количество света, которое должно быть излучено светоизлучающим устройством. Проводная сеть предпочтительна в условиях, где нужна надежная связь между управляющим элементом и детекторным элементом. Однако для управления сетью такого типа в теплице должно быть размещено дополнительное оборудование, такое как провода. Этот недостаток можно устранить, используя беспроводную сеть. Специальная сеть особенно предпочтительна в уже существующей теплице, так как она не требует установки пространственно распределенного оборудования. Для создания беспроводной сети могут быть использованы различные технологии связи, но предпочтительно использовать такие технологии связи, как Bluetooth, ZigBee или Wifi. Особое преимущество имеют последние две, так как они не являются помехой электромагнитным волнам, излучаемым светоизлучающим устройством.
Кроме того, предпочтительно, чтобы компьютерный управляющий элемент включал базу данных для хранения результатов измерений детекторных элементов. Эффективность теплицы может быть повышена с помощью анализа значений, полученных за долгий период времени. С помощью сравнения полученных значений последовательных циклов роста растения его качество может быть сохранено и улучшено.
Цель изобретения достигается также с помощью способа регулирования роста растения в теплице, способа, включающего:
измерение парциального давления кислорода в теплице, указанное парциальное давление кислорода связано с фотосинтетической активностью растения в теплице,
передачу значения парциального давления кислорода в компьютерный управляющий элемент,
определение оптимального количества света, необходимого для наилучшего роста растения в зависимости от измеренного парциального давления кислорода и от измеренного хлорофильного поглощения,
регулирование фактического количества света, излучаемого светоизлучающим элементом до оптимального количества.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления способ включает в себя измерение значения ресурса теплицы, такого как парциальное давление кислорода, в различных пространственных расположениях и вычисление среднего пространственного значения. По этому способу вычисляются средние значения пространственных отклонений ресурса. В другом предпочтительном варианте осуществления способ включает повторение измерения значения ресурса, такого как парциальное давление кислорода в ограниченном пространственном объеме, и вычисление среднего временного значения. Среднее временное значение имеет преимущество, что колебания определенного детекторного элемента усредняются, и таким образом фиксируются только долговременные отклонения измеряемых значений. Указанные пространственные или временные средние значения могут сохраняться в упомянутой выше базе данных. Это позволило бы пользователю регулирующего устройства контролировать отклонения важнейших ресурсов на ежедневной, еженедельной или ежемесячной основе. Кроме того, в регулирующее устройство может быть интегрирован виток обратной связи. Виток обратной связи представляет собой систему, где выходные данные возвращаются в систему как входящие данные, что приводит к саморегулированию и самоограничивающемуся вычислению новых выходящих данных.
Комбинация витка обратной связи с базой данных, хранящей прошлые значения, приводит к оптимальному определению необходимого количества света для наилучшего роста растения. Предпочтительно, чтобы на вычисленное количество света, зависящее от множества измерений, влияли кривые хлорофильного поглощения. Поэтому не только количество света, но также распределение длины волны может вычисляться и контролироваться описанным регулирующим устройством.
Цель изобретения достигается также с помощью регулирующего устройства в соответствии с описанной формулой изобретения, управляемого в соответствии с одним из описанных способов.
Вышеупомянутое использование регулирующего устройства для теплицы, способ, также как заявленные компоненты и компоненты, использованные в описанных вариантах осуществления по изобретению, не являются предметом специальных ограничений по отношению к размеру, форме, отбору материалов как в техническом отношении, так и в отборе критериев, известных в относящейся к теме области, и могут использоваться без ограничений. Дополнительные детали, характеристики и преимущества предмета настоящего изобретения раскрыты в дополнительных пунктах формулы изобретения и последующих описаниях соответствующих фигур. Фигуры представляют собой только типовой образец и показывают предпочтительный вариант осуществления осветительного устройства по настоящему изобретению.
Таковыми фигурами являются:
фиг.1 показывает схематический вид теплицы с регулирующим устройством и
фиг.2 показывает блок-схему для иллюстрирования способа настоящего изобретения.
Фиг.1 показывает схематический вид теплицы 15 с управляющим устройством 10 по настоящему изобретению. В теплице показаны два ряда грядок 71. Грядка 71 содержит почву или субстрат, в котором растет растение 70. Как продемонстрировало исследование, оптимальный рост растения 70 зависит от значения ряда ресурсов. Рост растения 70 напрямую связан с его фотосинтезом, являющимся синтезатором сахара из света, углекислого газа и воды с кислородом в качестве продукта отхода. Таким образом, главным ресурсом, ответственным за рост растения 70, является доступное количество света, поглощаемое хлорофиллом А или В. С помощью измерения парциального давления кислорода получен чрезвычайно точный показатель эффективности текущего фотосинтеза и, следовательно, состояния растения 70. Для создания оптимальной окружающей среды для роста растения 70 теплица 15 включает компьютерный управляющий элемент 20, осветительный элемент 30 и, по меньшей мере, один детекторный элемент 40. Осветительный элемент 30 смонтирован над грядкой 71 растения 70. Каждый осветительный элемент 30 может включать ряд светоизлучающих устройств 31, излучающих свет 32. В зависимости от сезона и растения 70 осветительный элемент 30 может быть либо источником света, либо дополнением к естественному солнечному свету. Последнее является преимуществом, поскольку бесплатно, несмотря на то, что искусственный свет может легко быть настроен на точно подобранный поглощающий диапазон хлорофилла А или В. Кроме того, светоизлучающий элемент 30 может включать ряд светоизлучающих устройств 31, комплексно смонтированных для освещения наибольшей части теплицы 15. Как показано на Фиг.1, детекторный элемент 40, расположенный в середине теплицы 15, измеряет парциальное давление кислорода. Для достижения этой цели детекторный элемент 40 может использовать множество технологий, таких как циркониевая, масс-спектрометрия, электрохимическая, инфракрасная, ультразвуковая и лазерная.
,
С целью выполнять наблюдение за фотосинтезом и здоровьем растения 70 регулирующее устройство 10 включает второй детекторный элемент 45 и третий детекторный элемент 46. В показанном варианте осуществления второй детекторный элемент 45 определяет глюкозу или уровень крахмала растения 70. Третий детекторный элемент 46 измеряет третий ресурс, который может меняться в зависимости от роста растения 70. Вследствие этого третьим измеряемым ресурсом может быть, к примеру, температура субстрата или почвы, температура воздуха, влажность субстрата или почвы, концентрация удобрения в субстрате или почве, влажность воздуха, парциальное давление углекислого газа или поток внешнего солнечного света. Количество последнего указанного ресурса может также регулироваться затеняющими устройствами 50, смонтированными на крыше теплицы 15. Затеняющее устройство 50 покрывает непоказанное окно, через которое солнечный свет освещает теплицу 15. Уровень солнечного света может регулироваться перемещением затеняющих устройств 50. Так как теплица может включать окна, третий детекторный элемент 46 может измерять количество воздуха 33, поступающего и выходящего из теплицы. Измеряемые значения могут включать также скорость, температуру и парциальное давление кислорода в поступающем и выходящем воздухе 33. Измеренная таким образом информация поступает в компьютерный управляющий элемент 20, способный оптимизировать количество света, излучаемого светоизлучающим элементом 31.
Кроме того, регулирующее устройство 10 может включать подающий элемент, который подает второй ресурс к растению, при этом количество второго ресурса, предназначенного растению 70, регулируется компьютерным управляющим элементом 20. В показанном варианте осуществления подающий элемент является устройством подачи воды 55, которое орошает растение 70. По изобретению третий детекторный элемент 46 может измерять влажность почвы на грядке 71. Если определяется какой-либо дефицит, компьютерный управляющий элемент 20 пробует компенсировать этот дефицит орошением растения 71 с помощью устройства подачи воды 55.
Показанные детекторные элементы 40, 45, 46, 46' соединены с компьютерным управляющим элементом 20. Детекторный элемент 40, измеряющий парциальное давление кислорода, связан проводной сетью 62 с компьютерным управляющим элементом 20. Другие указанные детекторные элементы 45, 46, 46', так же как осветительный элемент 30, устройство подачи воды 55 и затеняющие устройства 50, связаны с компьютерным управляющим элементом 20 через беспроводную сеть 60. Беспроводная сеть 60 включает множество коммуникационных устройств 61. Первое коммуникационное устройство 61 присоединено к компьютерному управляющему элементу 20. Другие коммуникационные устройства 61 связаны со вторым и третьим детекторными элементами 45, 46, 46' или осветительным элементом 30. Беспроводная сеть 60 может использоваться главным образом в уже существующих теплицах 15 для внедрения описанного регулирующего устройства 10. Специальные сети используются главным образом потому, что они не требуют базовую станцию. Вместо этого для создания сети компьютерного управляющего элемента 20 участники обнаруживают другие устройства в пределах радиуса действия. Эти самоформирующиеся сети просты в использовании, надежны и дешевы, и, вследствие этого, идеальное решение для связи с компьютерным управляющим элементом 20. В показанном варианте осуществления компьютерный управляющий элемент 20 представляет собой рабочую станцию. Как было сказано раньше, для получения мобильной управляющей системы это может быть также PDA. Компьютерный управляющий элемент 20 может включать пользовательский интерфейс 25, состоящий из клавиатуры. Компьютерный интерфейс 25 позволяет пользователю вводить в компьютерный управляющий элемент 20 информацию, касающуюся растения 70. В сочетании измеренной и накопленной информации компьютерный управляющий элемент 20 может регулировать количество света 32, излучаемое светоизлучающим устройством 31, в зависимости от измеренного парциального давления кислорода.
Чтобы проиллюстрировать способ, используемый для управления ростом растения 70 в теплице 15, фиг.2 показывает блок-схему. На первой стадии 101 многократно измерялось парциальное давление кислорода. Далее вычислялось среднее значение 102 измеренных кислородных значений. Если множество детекторных элементов 40 равномерно размещены по теплице 15, то с помощью усреднения вычисляется средний показатель для всей теплицы. С другой стороны, многократное количество измерений, сделанных единственным детекторным элементом 40, может быть усреднено, чтобы вычислить среднее временное значение. Кроме того, значения, измеренные единственным детекторным элементом 40, могут быть проанализированы для определения эффекта установленных параметров микроклиматов в теплице 15. На следующей стадии 110 измеренные значения парциального давления кислорода сравнивались с установленными оптимальными значениями. С помощью вычисленного отклонения определялось 111 оптимальное количество света, необходимое для наилучшего роста растения 70. В дальнейшем фактическое количество света, излучаемого светоизлучаемым элементом 30, регулировалось до вычисленного оптимального количества 121.
Спустя определенный период времени таймер 130 начинал инициировать 100 компьютерный управляющий элемент 20 и детекторный элемент 40 соответственно. Пользователь 131 может взаимодействовать с компьютерным управляющим элементом 20 в течение всего процесса. При вводе разновидности растения 70 регулирующее устройство 10 может гарантировать, что вычисляется оптимальное количество света, зависящее от многочисленных измерений и с учетом влияния кривых хлорофильного поглощения. Кроме того, способ управления ростом растения 70 включает петлю обратной связи 140, которая влияет на сравнение измеренных значений и оптимальных значений. Таким образом, нарабатывается собственный опыт, базирующийся на долговременном поведении растения 70, позволяющий пользователю регулирующего устройства 10 оптимизировать эффективность производства своих садовых культур.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
10 регулирующее устройство
15 теплица
20 компьютерный управляющий элемент
25 пользовательский интерфейс
30 осветительный элемент
31 светоизлучающее устройство
32 свет
33 воздух
40 детекторный элемент
45 второй детекторный элемент
46, 46' третий детекторный элемент
50 затеняющее устройство
55 устройство подачи воды
60 беспроводная сеть
61 коммуникативное устройство
62 проводная сеть
70 растение
71 грядка
100 включение регулирующего элемента
101 измерение парциального давления кислорода
102 усреднение
110 сравнение измеренного парциального давления кислорода
111 определение оптимального количества света
121 излученное оптимальное количество
130 таймер для повторения
131 ввод данных пользователем
140 петля обратной связи