Роботизированный автономный модуль для выращивания растений на искусственных средах с применением автоматизированных средств жизнеобеспечения растений на всех стадиях выращивания
ROBOTIC AUTONOMOUS MODULE FOR GROWING PLANTS ON ARTIFICIAL MEDIA USING AUTOMATED LIFE SUPPORT TOOLS FOR PLANTS AT ALL STAGES OF GROWING

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к гидропонным системам, и предназначено для выращивания растений в питательной среде без почвы.
Известна шлюзовая аэропонная колонна - патент РФ №2496307, кл. A01G 31/02, 2012. Колонна содержит вертикальную трубу с отверстиями в стенках, форсунки для орошения, отводящие и подводящие магистрали питательного раствора, при этом в верхней части трубы имеются отверстия для закрепления аэрофитных шлюзов и воздушных фильтров, нижняя (более узкая) часть трубы опирается на собирающий конус, соединенный через перешеек с отстойником, в котором расположена ультрафиолетовая лампа, и который соединен с баком для минерализованной воды, аэрофитные шлюзы закреплены на стенках трубы в шахматном порядке и представляют собой отрезки трубы с наклонно расположенными срезами и фиксаторами в вертикальной плоскости, а в наружном срезе размещена неплотная среда для проращивания и удержания растений.
Недостатком этой шлюзовой аэропонной колонны является отсутствие блока управления, что лишает его возможности автономной работы. Отсутствие возможности нагрева питательного раствора не позволяет использовать колонну при температуре, ниже рекомендуемой для данного растения. Все это ограничивает функциональные возможности устройства и создает трудности при его эксплуатации.
Наиболее близким аналогом является шлюзовая аэропонная колонна - патент на полезную модель РФ №143696, A01G 31/02, 2014. Колонна содержит вертикальную трубу с отверстиями в стенках, отводящие и подводящие магистрали, аэрофитные шлюзы с неплотной средой для проращивания и удержания растений, верхние и нижний воздушные фильтры, и собирающий конус, соединенный через перешеек, и отстойник с баком для минерализованной воды, ультразвуковой генератор тумана для орошения, установленный в верхней части аэропонной колонны, блок управления и озонатор, связанный с баком для минерализованной воды, при этом верхние воздушные фильтры снабжены приточными вентиляторами, в баке для минерализованной воды установлен нагревательный элемент, блок управления связан с ультразвуковым генератором тумана, приточными вентиляторами, озонатором и нагревательным элементом, а каждый аэрофитный шлюз выполнен в виде полого усеченного конуса.
Недостатком этой шлюзовой аэропонной колонны является отсутствие устройств фертигации, подачи углекислого газа и освещения, которые сокращают сроки созревания растений и повышают урожайность. Отсутствие устройства мониторинга, видеонаблюдения и датчиков, контролирующих процесс выращивания растений в реальном времени, не позволяет исключить из процесса регулярное присутствие человека. Все это ограничивает функциональные возможности устройства, увеличивает затраты на эксплуатацию такой колонны и снижает урожайность.
Целью настоящего изобретения является создание компактного роботизированного автономного модуля, содержащего все необходимые средства жизнеобеспечения растений на всех стадиях выращивания, который исключает присутствие человека в процессе выращивания растений за счет полной автоматизации модуля и средств жизнеобеспечения растений на всех стадиях выращивания.
Указанный технический результат достигается тем, что роботизированный автономный модуль для выращивания растений на искусственных средах с применением автоматизированных средств жизнеобеспечения растений на всех стадиях выращивания содержит автономную роботизированную тележку с возможностью ручного управления перемещением или автоматического перемещения модуля по заданным маршрутам и установленную на тележке секцию для выращивания растений на искусственных средах, включающую установленные снизу - вверх друг на друге нижнюю техническую секцию, резервуар для питательного раствора, стойку с возможностью вращения вокруг своей оси, верхнюю техническую секцию, направляющие штанги, соединяющие верхнюю и нижнюю технические секции, для размещения устройств жизнеобеспечения процесса выращивания растений и обеспечения их электропитанием, при этом нижняя техническая секция через стыковочный модуль установлена на роботизированной тележке и содержит установленный в закрытой части секции блок управления процессом выращивания, соединенный с устройством мониторинга и управления работой роботизированного автономного модуля.
Роботизированная тележка содержит обеспечивающую перемещение модуля ходовую часть, блок управления для позиционирования модуля и управления ходовой частью модуля, блок питания для бесперебойного электропитания модуля, стыковочный модуль для подключения к внешнему источнику электропитания, стыковочный модуль для подачи электропитания в секцию выращивания.
Верхняя техническая секция содержит установленные на боковой стенке устройство мониторинга и управления работой роботизированного автономного модуля, датчики температуры, влажности и давления воздуха, датчики концентрации углекислого газа и качества воздуха, установленные внутри механическое устройство вращения стойки, парогенератор, резервуар для используемой парогенератором воды и устройство циркуляции воздуха для парогенератора, устройство охлаждения воды с возможностью регулирования температуры пара, проходящего через воду в резервуаре.
Стойка состоит из установленных друг на друге кассет и надета на устройство дозированной подачи питательного раствора к корням растений, закрепленное в резервуаре для питательного раствора нижней технической секции, а в каждой кассете размещены корзины с растениями. При этом устройство дозированной подачи питательного раствора к корням растений содержит канал подачи питательного раствора с установленными на уровне каждой кассеты форсунками для распыления питательного раствора к корням растений и расположенный внутри канала подачи питательного раствора изолированный канал электропитания устройств и датчиков, расположенных в верхней технической секции.
Резервуар для питательного раствора содержит установленные на боковой стенке устройство залива воды в резервуар, устройство слива питательного раствора из резервуара и датчики уровня питательного раствора в резервуаре, установленные внутри резервуара устройство фильтрации питательного раствора, устройство поддержания требуемой температуры питательного раствора, устройство подачи питательного раствора к устройству дозированной подачи питательного раствора к корням растений, датчики температуры, электропроводности и кислотности питательного раствора.
Устройство фертигации и управления уровнем кислотности воды, установленное на одной из направляющих штанг, включает блок с перистальтическими насосами, резервуары с удобрениями и жидкостями для регулирования уровнем кислотности воды, устройство забора питательного раствора из резервуара с питательным раствором и подачи подготовленной жидкости в резервуар с питательным раствором.
Устройство подачи углекислого газа, установленное на одной из направляющих штанг, включает баллон со сжатым углекислым газом, манометры для определения давления углекислого газа в баллоне, дозатор порционной подачи углекислого газа и распылитель углекислого газа.
Устройство вентиляции установлено, по меньшей мере, на одной из направляющих штанг.
Устройство освещения с заданным излучением волн электромагнитного спектра, благоприятных для фотосинтеза выращиваемых растений, установлено, по меньшей мере, на одной из направляющих штанг.
Блок манипуляторов с возможностью его вращения вокруг своей оси и вертикального перемещения вдоль штанги при помощи управляемых механических звеньев и устройство видеонаблюдения, размещенное на блоке манипуляторов, с функцией распознавания объектов, в том числе растений, листьев, стеблей, цветов и плодов, установлен на одной из направляющих штанг.
На фиг. 1 показан общий вид роботизированного автономного модуля с внешним источником электропитания; на фиг. 2 - роботизированная тележка в открытом состоянии; на фиг. 3 - общий вид верхней технической секции; на фиг 4 - верхняя техническая секция в открытом состоянии; на фиг 5 - общий вид стойки; на фиг. 6 - вид стойки снизу; на фиг. 7 - общий вид резервуара для питательного раствора с устройством дозированной подачи питательного раствора; на фиг. 8 - вид сверху резервуара для питательного раствора с устройством дозированной подачи питательного раствора; на фиг. 9 - нижняя техническая секция в открытом состоянии; на фиг. 10 - общий вид роботизированного автономного модуля с внешним стационарным источником воды и внешним стационарным приемником питательного раствора и блоком манипуляторов; на фиг. 11 - общий вид роботизированного автономного модуля с устройствами фертигации, подачи углекислого газа, вентиляции и освещения; на фиг. 12 - использование нескольких модулей.
Роботизированный автономный модуль (фиг. 1) для выращивания растений на искусственных средах с применением автоматизированных средств жизнеобеспечения растений на всех стадиях выращивания содержит автономную роботизированную тележку 1 с возможностью ручного управления перемещением или автоматического перемещения модуля по заданным маршрутам и установленную на тележке 1 секцию 2 для выращивания растений на искусственных средах, включающую в себя средства жизнеобеспечения растений на разных стадиях выращивания.
Роботизированная тележка 1 (фиг. 2) содержит обеспечивающую перемещение модуля ходовую часть 3 в виде электронно-управляемых роликов, блок 4 управления для позиционирования модуля и управления ходовой частью 3 модуля, блок 5 питания для бесперебойного электропитания модуля, стыковочный модуль 6 для подключения на подзарядку к внешнему источнику 7 электропитания, расположенный на верхней крышке тележки 1 стыковочный модуль 8 для подачи электропитания в секцию 2 выращивания.
Секция 2 (фиг. 1) для выращивания растений содержит установленные снизу-вверх друг на друге нижнюю техническую секцию 9, резервуар 10 для питательного раствора, стойку 11 с возможностью вращения вокруг своей оси, верхнюю техническую секцию 12, направляющие штанги 13, соединяющие верхнюю 12 и нижнюю 9 технические секции, для размещения устройств жизнеобеспечения процесса выращивания растений и обеспечения их электропитанием. Для фиксации направляющих штанг 13 на нижней 9 и верхней 12 технических секциях имеются специальные отверстия 14.
Верхняя техническая секция 12 (фиг. 3) содержит установленные на боковой стенке устройство 15 мониторинга и управления работой роботизированного автономного модуля, датчики 16 температуры, влажности и давления воздуха, датчики 17 концентрации углекислого газа и качества воздуха, а также установленные внутри (фиг. 4) механическое устройство 18 вращения стойки 11, парогенератор 19, резервуар 20 для используемой парогенератором воды и устройство 21 циркуляции воздуха для парогенератора 19, включающее воздуховод 22 забора воздуха и воздуховод 23 выделения пара, устройство 24 охлаждения воды с возможностью регулирования температуры пара, проходящего через воду в резервуаре 20. Пар подается в количестве необходимом для выращиваемого растения в процессе роста растения в зависимости от протокола выращивания растения.
Стойка 11 (фиг. 5, 6), состоящая из установленных друг на друге кассет 25, надета на устройство 26 (фиг. 7) дозированной подачи питательного раствора к корням растений, закрепленное в резервуаре 10 для питательного раствора, а в каждой кассете 25 размещены корзины 28 с растениями. Вращение стойки 11 вокруг устройства 26 дозированной подачи питательного раствора (вокруг своей оси) осуществляется под управлением блока 29 управления процессом выращивания (фиг. 9), установленного в нижней технической секции 9, и обеспечивается механическим устройством 18 и использованием двух подшипников, размещаемых на устройстве 26 дозированной подачи питательного раствора, один 30 из которых установлен сверху верхней кассеты 25, а второй 31 - снизу нижней кассеты 25, и роликов 32, расположенных снизу нижней кассеты 25. При этом устройство 26 дозированной подачи питательного раствора к корням растений содержит канал 33 подачи питательного раствора с установленными на уровне каждой кассеты 25 форсункам 34 для распыления питательного раствора к корням растений и расположенный внутри канала 33 подачи питательного раствора изолированный канал 35 электропитания устройств и датчиков, расположенных в верхней технической секции 12.
Резервуар 10 (фиг. 7, 8) для питательного раствора содержит установленные на боковой стенке устройство 36 залива воды в резервуар 10, устройство 37 слива питательного раствора из резервуара 10 и датчики 38 уровня питательного раствора в резервуаре 10, установленные внутри резервуара 10 устройство 39 фильтрации питательного раствора, устройство 40 поддержания требуемой температуры питательного раствора, устройство 41 подачи питательного раствора к устройству 26 дозированной подачи питательного раствора к корням растений, датчики 42 температуры, электропроводности и кислотности питательного раствора. Залив воды в устройство 36 залива воды осуществляется из внешнего стационарного источника 43 (фиг. 10), а устройство 37 слива питательного раствора из резервуара 10 осуществляется во внешний стационарный приемник 44.
Нижняя техническая секция 9 (фиг. 9) через стыковочный узел 45 и стыковочный модуль 8 установлена на роботизированной тележке 1 и содержит установленный в закрытой части секции 2 блок 29 управления процессом выращивания, связанный с устройством 15 мониторинга и управления работой роботизированного автономного модуля.
Устройство 46 фертигации и управления уровнем кислотности воды (фиг. 11), установленное на одной из направляющих штанг 13, включает блок 47 с перистальтическими насосами, резервуары 48 с удобрениями и жидкостями для регулирования уровня кислотности воды, устройство 49 забора питательного раствора из резервуара 10 с питательным раствором и подачи подготовленной жидкости в резервуар 10.
Устройство 50 подачи углекислого газа, установленное на одной из направляющих штанг 13, включает баллон 51 со сжатым углекислым газом, манометры 52 для определения давления углекислого газа в баллоне, дозатор 53 порционной подачи углекислого газа и распылитель 54 углекислого газа. Углекислый газ подается в количестве необходимом для выращиваемого растения в процессе роста растения в зависимости от времени суток, протокола выращивания растения и показания датчика 17 концентрации углекислого газа.
Устройство 55 вентиляции установлено, по меньшей мере, на одной из направляющих штанг 13.
Устройство 56 освещения с заданным излучением волн электромагнитного спектра, благоприятных для фотосинтеза выращиваемых растений, установлено, по меньшей мере, на одной из направляющих штанг 13. В качестве устройств 56 освещения могут быть использованы светодиодные панели. Уровень освещенности растений поддерживают необходимым для выращиваемого растения в процессе роста растения в зависимости от времени суток и протокола выращивания растения, контролируют и изменяют спектр излучения волн искусственного освещения в процессе роста растения в зависимости от протокола выращивания растения.
Блок 57 (фиг. 10) манипуляторов установлен на одной из направляющих штанг 13 с возможностью его вращения вокруг своей оси и вертикального перемещения вдоль штанги 13 при помощи управляемых механических звеньев 58. На блоке 57 манипуляторов размещено устройство 59 видеонаблюдения с функцией распознавания объектов, в том числе растений, листьев, стеблей, цветов и плодов.
Роботизированный автономный модуль работает следующим образом. Изначально модуль программируется на монопольную работу в соответствии с заданным маршрутом между определенной точкой местоположения модуля и местом 60 зарядки (фиг. 12), между точкой местоположения и местом 61 залива воды и слива питательного раствора (возможно совмещение этих мест), либо по маршрутам к иным заданным пользователем контрольным точкам.
Роботизированный автономный модуль, в зависимости от наличия необходимых опций, может работать как в автоматическом, так и в ручном режиме. В автоматическом режиме работ модуля осуществляется блоком 4 управления роботизированной тележки 1 для позиционирования модуля, в том числе для доставки модуля от точки местоположения модуля к месту 60 зарядки блока 5 питания и к месту 61 залива воды и слива питательного раствора и обратно, и блоком 29 управления процессом выращивания. Блок 29 управления на основании показаний датчиков 16 температуры, влажности и давления воздуха и датчиков 17 концентрации углекислого газа и качества воздуха выбирает индивидуальные параметры работы модуля согласно протоколу, определенному для выбранного типа выращиваемых растений. Параметры модуля для выбранного протокола считываются из заранее подготовленной базы данных. В процессе работы блок 29 управления автоматически корректирует все устройства модуля на основании либо параметров протокола из базы данных, которые соответствуют текущей фазе роста растений, либо показаний соответствующих датчиков, установленных в модуле, в случае отклонения параметров работы какого-либо устройства от заданных. Данные с датчиков заносятся в базу данных. На основании этих данных в дальнейшем может происходить самообучение блока 29 управления с применением нейронных сетей. База данных может находиться как на индивидуальном компьютере, так и в облачных хранилищах, для чего в блоке 29 управления предусмотрен Wi-Fi-модуль. База данных, помимо данных сдатчиков, пополняется материалами фотофиксации посредством устройства 59 видеонаблюдения. Это позволяет контролировать процесс роста растений и созревания плодов, а также распознать заболевания растений и предупреждать о необходимости внесения дополнительных химических соединений для устранения этих заболеваний. С этой целью в устройстве фертигации 46 предусмотрены резервуары 48 с такими химическими элементами. В этом случае лечение заболеваний растений происходит также в автоматическом режиме.
Первичный запуск процесса выращивания осуществляется в следующем порядке. Роботизированный автономный модуль устанавливается в определенном месте; резервуар 10 заполняется водой для подготовки питательного раствора; резервуар 20 заполняется водой для парогенератора 19; устанавливается баллон 51 со сжатым углекислым газом; заполняются соответствующими растворами резервуары 48 устройства 46 фертигации; включается электропитание модуля; программируются маршруты модуля передвижения до контрольных точек; устанавливаются корзины 28 с семенами или рассадой в кассеты 25 стойки 11; посредством устройства 15 мониторинга и управления (компьютера или смартфона) определяется тип выращиваемых растений и дается команда начать процесс.
Блок 29 управления процессом выращивания производит начальную настройку всех устройств модуля: в резервуар 10 добавляют удобрения из устройства 46 фертигации и уровень кислотности доводят до расчетного; включается устройство 55 вентиляции; дозировано добавляется углекислый газ в соответствии с параметрами из базы данных; парогенератор 19 подает пар в устройство 21 циркуляции воздуха для установления влажности воздуха, соответствующего заданным параметрам; включаются устройства 56 освещения - панели со светодиодами с заданным спектром, соответствующим начальной стадии роста; включается система 47 вращения стойки 11 с корзинами 28; включается устройство 41 подачи питательного раствора к устройству 26 дозированной подачи питательного раствора к корням растений.
2
2
2
2
Начинается процесс выращивания растений в модуле. В процессе работы блок 29 управления снимает показания с датчиков 16, 17 и 42 и корректирует работу устройств в соответствии с текущей фазой роста: проверяет уровень заряда блока 5 питания в роботизированной тележке 1 и если уровень заряда ниже требуемого, то либо оповещает о необходимости зарядить блок 5 питания, подключив модуль к внешнему источнику 7 электропитания, либо включает процесс передвижения модуля к точке зарядки 60; проверяет уровень питательного раствора в резервуаре 10 и если уровень питательного раствора ниже требуемого, то либо оповещает о необходимости заменить питательный раствор в резервуаре 10, либо включает процесс передвижения модуля к точке залива воды/слива питательного раствора 61; проверяет уровень электропроводности и либо добавляет удобрения из устройства 46 фертигации, либо оповещает о необходимости заменить воду в резервуаре 10, либо включает процесс передвижения модуля к точке залива/ слива питательного раствора 61; проверяет уровень кислотности и добавляет соответствующую жидкость для увеличения или уменьшения кислотности; проверяет температуру воды в резервуаре 20 и охлаждает температуру до необходимой; изменяет диапазон спектра устройства 56 освещения в соответствии с текущей фазой роста; проверяет уровень CO и доводит процент насыщенности углекислотой воздуха до расчетного, подавая через распылитель CO 54 из баллона 51, причем процент насыщенности меняется в зависимости от времени суток - днем процент CO выше, чем ночью; проверяет датчик давления CO в баллоне 51 и при низком давлении оповещает о необходимости заменить баллоны 51; проверяет уровень влажности воздуха и доводит его до расчетного значения, включая или отключая парогенератор 19; снимает данные с видеонаблюдения 59 и распознает признаки болезни растений, после определения типа болезни сигнализирует об этом и/или принимает меры по устранению болезни - добавляет специальный химический состав в систему полива для лечения или удаляет корзину 28 с заболевшим растением; проверяет данные с видеонаблюдения 59 на предмет полного созревания растений и плодов и дает блоку 57 манипуляторов команду на сбор урожая.
При использовании нескольких роботизированных модулей (рис. 12), помимо выполнения индивидуальных задач, модули взаимодействуют друг с другом как при передвижении по заданным маршрутам (избежание столкновений), так и в части процесса выращивания (обмен информацией с датчиков, обмен данных из локальной базы данных и т.п.). Также может автоматически определяться очередность обслуживания модулей, например, на точке зарядки 60.