Теплица
GREENHOUSE

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к сооружениям защищенного грунта, и может использоваться на приусадебных участках и в фермерских хозяйствах.
Известен парник с ограждением из стекла, в т.ч. заключенного в съемные рамки (патент на изобретение RU №2011336 [1]). Недостатками такого парника являются: низкая механическая прочность стекла, относительно большая масса стекла и рамок, сложность или невозможность разборки каркаса (парника) для межсезонной сохранности.
Известна конструкция парника, представляющая собой каркас, обтянутый сплошной пленкой (патент на полезную модель RU №30058 U1 [2]). Недостатками такого парника являются: быстрое «старение» пленки под действием температурных и погодных изменений, механическое разрушение пленки при натягивании ее на каркас и снятии с него, при эксплуатации парника - от колебаний под воздействия ветра.
Известна теплица (патент на полезную модель RU №85298 U1, 10.08.2009 [3]), конструкция которой может использоваться для парников и теплиц небольших размеров. Характерной особенностью указанной конструкции является наличие в каркасных дугах пазов, по которым передвигаются светопрозрачные листы, обеспечивая образование проемов для проветривания и выполнения работ по уходу за растениями. Недостатком такого решения является сложность в изготовлении пазов в дугах, а также определенные трудности, связанные с «заеданием» листов при их перемещении в пазах.
Технический результат, на достижение которого направлена известная полезная модель (RU №103272 U1, 10.04.2011 [4]), заключается в создании прочного, устойчивого к внешним воздействиям, долговечного, простого в сборке и легкого в эксплуатации парника, который отличается простотой изготовления, легкостью сборки, надежностью и малой трудоемкостью в эксплуатации.
При этом парник содержит боковые каркасные дуги, образующие торцевые стенки, скрепленные жесткими горизонтальными направляющими (ребрами жесткости), гибкое светопрозрачное покрытие в виде торцевых листов, неподвижно закрепленных на каркасных дугах, верхнего листа, жестко закрепленного к боковым дугам и направляющим, и двух перемещающихся боковых листов, закрепленных в собственные каркасы, выполнен в форме цилиндра, имеющего продольный горизонтальный срез. Каждая боковая дуга торцевой стенки, образующая круговой сегмент, жестко связана с проходящими диаметрально перемычками, пересекающимися и жестко скрепляющимися в центре сегмента.
Существенным недостатком известных конструкций парников [1-4], является отсутствие автоматизированных коммуникаций для обеспечения жизнедеятельности выращиваемых сельскохозяйственных культур.
Выявленные недостатки, известных технических решений [1-4], частично устраняются путем оснащения теплиц системами отопления (патенты: RU №2150818 С1, 20.06.2000 [5], DE №1632908 А, 24.06.1971 [6], авторские свидетельства: SU №1111706 А, 07.09.1984 [7], SU №1323029 А1, 15.07.1987 [8], SU №1525290 А1, 30.11.1989 [9], SU №1349727 А1, 07.11.1987 [10], SU №1630684 А1, 28.02.1991 [11]), которые содержат котел, систему обогрева шатра теплицы, конденсационный поверхностный утилизатор, подключенный по водяному тракту к системе подпочвенного обогрева, и канал отвода продуктов сгорания в атмосферу, в котором установлены сборник конденсата продуктов сгорания с гидравлическим затвором и
сепарационное устройство - каплеуловитель. Однако, к недостаткам таких устройств могут быть отнесены низкая производительность и повышенной расход топлива, повышенные капитальные вложения на содержание и эксплуатационные затраты на обслуживание контактного утилизатора теплоты продуктов сгорания, необходимость установки специальной тягодутьевой машины для транспортировки продуктов сгорания через контактный теплоутилизатор.
Известны также устройства, представляющие собой теплицы (патенты RU №2239986 С2, 20.11.2004 [12], ЕР №0744121 А1, 27.11.1996 [13], FR №2668027 А1, 24.04.1992 [14], ЕР №0217978 А1, 15.04.1987 [15], ЕР №0378868 А1, 25.07.1990 [16], ЕР №0529725 А1, 03.03.1993 [17], RU №2054865 С1, 27.02.1996 [18]) и относящиеся к области сельскохозяйственных культивационных сооружений защищенного грунта и которые могут быть использованы, в частности, при строительстве теплиц, предназначенных для выращивания различных овощных, фруктовых, лекарственных и цветочных культур в условиях искусственного микроклимата под светопрозрачным покрытием. Например, известная теплица [12] содержит вертикальные шпросы и шпросы крыши, прогоны крыши и боковых стенок, коньковый профиль, вентиляционные форточки, светопрозрачные панели. Коньковый профиль выполнен с пазом, в котором вращаются петли вентиляционной форточки, фиксируемые в рабочих положениях тягами механизма открывания-закрывания. Верхняя и нижняя обвязки вентиляционной форточки связывают светопрозрачные панели и шпросы вентиляционной форточки, причем нижняя обвязка опирается на подфорточный профиль - непосредственно на ребро и через гибкую амортизационную прокладку. Светопрозрачные панели вдоль конькового профиля соединяются между собой шпросами крыши, а вдоль ската крыши - соединительными профилями. Профили нижней и верхней обвязок крыши поддерживают светопрозрачные панели и шпросы крыши, причем нижний профиль опирается на боковое ребро водосточного желоба. Верхние обвязки крыши и вентиляционных форточек выполнены с петлей в форме, обеспечивающей как первоначальную установку обвязок при монтаже теплицы, так и последующую установку в рабочее положение. При этом достигнутым техническим результатом является повышение эффективности удаления конденсата с внутренних поверхностей крыши теплицы и вентиляционных форточек, повышение надежности работы стыка притвора вентиляционной форточки с нижележащими частями крыши теплицы, обеспечение прочного и надежного соединения светопрозрачных панелей крыши теплицы, упрощение процесса монтажа-демонтажа вентиляционных форточек на коньковом профиле теплицы, обеспечение жесткости крепления профиля верхней обвязки крыши теплицы к коньковому профилю, уменьшение материалоемкости конькового профиля теплицы.
Недостатком данного технического решения является невозможность изменения температурно-влажностного режима внутри теплицы в зависимости от состояния внешней атмосферы для обеспечения агрономических требований при выращивании различных сельскохозяйственных культур в полном объеме, а также низкий уровень автоматизации процессом регулирования температурно-влажностным режимом внутри теплицы.
Известные теплицы для приусадебных участков различных конструкций, как правило, состоят из рамочных или дуговых каркасов с дверью и проемами, закрытыми различными светопрозрачными материалами. Боковые или верхние рамы в некоторых типах теплиц делаются подвижными для проветривания. Отдельные теплицы снабжаются полуавтоматическими устройствами проветривания, полива и обогрева. В таких теплицах можно выращивать только неприхотливые сельскохозяйственные культуры и цветы данной климатической зоны (например, средней полосы России), т.к. невозможно постоянно поддерживать необходимые климатические условия (различную температуру воздуха в дневное и ночное время, необходимую влажность воздуха и почвы, изменение полива в процессе роста растения от семян до урожая и т.д.) без присутствия человека, а человек часто бывает на своем приусадебном участке только в выходные дни. Основным недостатком известных теплиц является необходимость постоянного присутствия человека для ее эксплуатации.
Известны также устройства, которые относятся к сельскому хозяйству, а именно к средствам выращивания растений в закрытом грунте (патенты: RU №2259036 С1, 27.08.2005 [19], RU №2122315 С1, 27.11.1998 [20], RU №2025956 С1, 09.01.1995 [21], RU №2121787 С1, 20.11.1998 [22]).
Так, например, известная автоматизированная теплица [20], содержит, по крайней мере, один тепличный блок, резервуар для отстоя воды с патрубком подключения к водопроводу посредством основного насоса, сообщенный с трубопроводом подачи воды, который связан с системой топлива, блок управления, первый, второй и третий выходы которого связаны с первым и вторым управляемыми вентилями, установленными соответственно на патрубке подключения к водопроводу, трубопроводу подачи воды и входом управления основного насоса. Данная теплица позволяет в автоматическом режиме осуществлять только полив растений, причем только определенные виды растений.
Так, например, известная теплица [19] содержит, по меньшей мере, один тепличный блок, снабженный устройством полива. В блоке дополнительно установлены устройство проветривания теплицы и устройство обогрева почвы. Система автоматического управления указанными устройствами включает, по меньшей мере, по одному датчику температуры и влажности, выходы которых соединены через усилители-преобразователи с частью входов арифметико-логического устройства, выполненного с функцией приема сигналов с датчиков, сравнения полученных данных с контрольными и выдачи управляющих сигналов на включение указанных устройств. Другая часть входов арифметико-логического устройства соединена с выходами сменного постоянного запоминающего устройства, на котором записана программа выбранной климатической зоны и программа выращивания выбранного растения этой климатической зоны. Третья часть входов соединена с выходами датчиков положения элементов указанных устройств, входы которых соединены через блок управления и усилители-преобразователи с выходами арифметико-логического устройства и входами блока индикации. Питание автоматизированной системы управления осуществляется напряжением в 12 В. Такое выполнение обеспечивает создание теплицы для выращивания широкого диапазона выращиваемых растений любой климатической зоны с автоматической системой управления поливом, проветриванием, обогревом по сравнению с известной теплицей [20].
Однако, известная теплица требует больших энергозатрат и в современных экономических условиях это приведет к завышенной цене на выращенную продукцию.
Известны также теплицы (RU №2550654 С1, 20.02.2014 [23], RU №2207752 С1, 10.07.2003 [24], SU №418998 A3, 01.08.1974 [25], RU №20816 U1, 10.12.2001 [26], RU №2040666 С1, 25.07.1995 [27], GB №2187221 А, 03.09.1987 [28]), которые относятся к сельскому хозяйству и могут быть использованы в специализированных хозяйствах, на приусадебных и дачных участках для выращивания, например, рассады овощных культур. Так, например, известная теплица [23] включает фундаментное основание, скатные светопрозрачные ограждения, панели которых обращены к югу и ориентированы по возможному направлению солнечных лучей, рабочий проход на тыльной теплоизолированной панели и устройства для обогрева и орошения. Лицевые и тыльные панели обрамлены каркасом, выполненным из электропроводного материала в виде граней четырехугольной пирамиды, вершины
основания которой ориентированы по сторонам света и заземлены. Панели и перемычки между ними выполнены из диэлектрического материала. Вершина пирамиды снабжена молниеотводом и/или электрически соединена с преобразователем и аккумулятором. При таком выполнении обеспечивается стимулирование жизнедеятельности растений и почвенной микрофлоры, благотворное влияние на обслуживающий персонал и на окружающую среду внутри и снаружи теплицы, что повышает эффективность использования теплицы.
Однако известные конструкции теплиц [19] и [23] наряду с их преимуществами по сравнению с известными аналогами, не в полной мере обеспечивают необходимые условия для выращивания сельскохозяйственной продукции.
Для того чтобы выращивание растений в теплицах было удачным, должны быть обеспечены необходимые условия:
оптимальная влажность; правильная температура днем и ночью; достаточная вентиляция; грунт, содержащий все необходимые удобрения, микроэлементы и органические вещества; правильный уход, мониторинг технологического процесса выращивания растений в режиме «on-line» с учетом специфики выращивания конкретных типов (сортов) растений.
Конструкция известных теплиц их оснащение в не полной мере соответствует необходимым требованиям.
Например, подготовка семенного ложа крайне важна для надлежащего прорастания семян и роста растений. Слишком много пожнивных остатков, расположенных в семенной борозде или покрывающих семенную борозду, могут неблагоприятно влиять на прорастание семян и препятствовать росту растений. Кроме того, прорастание семян и рост растений могут быть подвержены неблагоприятному влиянию, если семенное ложе содержит крупные поверхностные комки и изменения плотности почвы из-за уплотнения слоев в корневой зоне. Соответственно, существует необходимость обеспечения устройства, системы и способа, выполненных с возможностью мониторинга характеристик или критериев почвы во время операций обработки почвы для выполнения регулировки почвообрабатывающих орудий и других орудий на ходу для улучшения состояния почвы и подготовки семенного ложа (патент RU №2720278 С2, 28.04.2020 [29]).
Наиболее обширный круг задач для выращивания растений в теплице реализован в известном техническом решении, которое направлено на повышение эффективности использования теплицы (патент RU №2682749 С1, 21.03.2019 [30]).
При этом поставленная задача решается за счет того, что в теплице, включающей фундаментное основание, скатные светопрозрачные ограждения, панели которых обращены к югу и ориентированы по возможному направлению солнечных лучей, рабочий проход на тыльной теплоизолированной панели и устройства для обогрева и орошения, лицевые и тыльные панели обрамлены каркасом, выполненным из электропроводного материала в виде граней четырехугольной пирамиды, вершины основания которой ориентированы по сторонам света и заземлены, при этом панели и перемычки между ними выполнены из диэлектрического материала, при этом вершина пирамиды снабжена молниеотводом и/или электрически соединена с преобразователем и аккумулятором, автоматическую систему управления указанными устройствами, включающую, по меньшей мере, по одному датчику температуры и влажности, выходы которых соединены с частью входов арифметико-логического устройства, выполненного с функцией приема сигналов с датчиков сравнения полученных данных с контрольными и выдачи управляющих сигналов на включение указанных устройств, другая часть входов арифметико-логического устройства соединена с выходами сменного постоянного запоминающего устройства, на котором записана программа выбранной климатической зоны и программа выращивания выбранного растения этой климатической зоны, а третья часть входов соединена с выходами датчиков положения элементов указанных устройств, входы которых соединены через автоматическую систему управления с выходами арифметико-логического устройства и входами блока индикации, при этом скатные светопрозрачные ограждения по нижнему периметру оснащены полиэтиленовым желобом, сочлененным с системой орошения, скатные светопрозрачные ограждения в нижней своей части оснащены очистительными щетками, установленными на телескопическом устройстве и приводимыми в движение, посредством электропривода, соединенного с автоматической системой управления, вдоль тыльных панелей над грунтом размещены мультикультиваторы, исполнительный механизм которых соединен с автоматической системой управления и снабженные пульверизаторами, которые соединены посредством металлокерамических трубок, расположенных внутри оси мультикультиватора, с устройством орошения, датчик влажности выполнен в виде мобильного СВЧ устройства, размещенного в крайних рабочих органов мультикультиватора, дополнительно введены датчики освещенности, выходы которых соединены с соответствующими входами арифметико-логического устройства, скатные светопрозрачные ограждения с внутренней стороны снабжены жалюзи, исполнительный механизм которых соединен с автоматической системой управления.
Данное техническое решение позволяет создать теплицу для выращивания широкого диапазона выращиваемых растений любой климатической зоны с автоматической системой управления поливом, проветриванием теплицы и ее обогревом.
Однако данное устройство, не обеспечивает возможность мониторинга характеристик или критериев почвы во время операций обработки почвы для выполнения регулировки почвообрабатывающих орудий и других орудий на ходу для улучшения состояния почвы и подготовки семенного ложа. Набор средств обогрева и освещения не позволяет обеспечить необходимые условия для выращивания разнообразных растений одновременно. Кроме того, в ходе выращивания растений необходимо выполнять корректировку и выведение на оптимальный уровень варьирующих параметров окружающей среды при выращивании растений, что при использовании известного устройства не обеспечивается. Известная теплица [30] выбрана в качестве прототипа.
Задачей предлагаемого технического решения яв.тяе1ся расширение функциональных возможностей при выращивании более широкой номенклатуры растений.
Поставленная задача решается теплицей, включающей фундаментное основание, скатные светопрозрачные ограждения, панели которых обращены к югу и ориентированы по возможному направлению солнечных лучей, рабочий проход на тыльной теплоизолированной панели и устройства для обогрева и орошения. Лицевые и тыльные панели обрамлены каркасом, выполненным из электропроводного материала в виде граней четырехугольной пирамиды, вершины основания которой ориентированы по сторонам света и заземлены. Панели и перемычки между ними выполнены из диэлектрического материала. Вершина пирамиды снабжена молниеотводом и/или электрически соединена с преобразователем и аккумулятором. Автоматическая система управления указанными устройствами, включает по меньшей мере по одному датчику температуры и влажности, выходы которых соединены с частью входов арифметико-логического устройства, выполненного с функцией приема сигналов с датчиков сравнения полученных данных с контрольными и выдачи управляющих сигналов на включение указанных устройств. Другая часть входов арифметико-логического устройства соединена с выходами сменного постоянного запоминающего устройства, на котором записана программа выбранной климатической зоны и программа выращивания выбранного растения этой климатической зоны. Третья часть входов соединена с выходами датчиков положения элементов указанных устройств, входы которых соединены через автоматическую систему управления с выходами арифметико-логического устройства и входами блока индикации. Скатные светопрозрачные ограждения по нижнему периметру оснащены полиэтиленовым желобом, сочлененным с системой орошения. Скатные светопрозрачные ограждения в нижней своей части оснащены очистительными щетками, установленными на телескопическом устройстве и приводимыми в движение посредством электропривода, соединенного с автоматической системой управления. Вдоль тыльных панелей над грунтом размещены мультикультиваторы, исполнительный механизм которых соединен с автоматической системой управления, снабженные пульверизаторами, которые соединены посредством металлокерамических трубок, расположенных внутри оси мутьтикультиватора, с устройством орошения. Датчик влажности выполнен в виде мобильного СВЧ устройства, размещенного в крайних рабочих органах мультикультиватора. Устройства для обогрева включают тепловые панели, расположенные по периметру и по площади теплицы. Жалюзи выполнены из стекла с нанесенным на него покрытием, выполненным с возможностью регулирования притока солнечного тепла. Система облучения растений в теплице содержит в качестве основных источников света натриевые лампы, а в качестве дополнительных источников света светодиодные светильники, включающие несколько типов светодиодов, максимумы излучения которых лежат в пределах синего 400-500 нм и дальнекрасного 700-800 нм спектральных диапазонов, при этом пики излучения синих светодиодов приходятся на длины волн 440-460 нм и 480-490 нм. В крайних рабочих органах мультикультиватора размещен пенетрометр. Ход роста растений контролируют при помощи модуля мониторинга роста растений, включающего радиовысотомер с линейной частотной модуляцией, установленный на дроне.
В отличие от прототипа [30] жалюзи скатных светопрозрачных ограждений выполнены из стекла с нанесенным на него покрытием, регулирующим приток солнечного тепла, при этом блокируются или отфильтровываются выбранные диапазоны электромагнитного излучения, обычно излучение в инфракрасной области и/или ультрафиолетовой области электромагнитного спектра. Покрытие, регулирующее приток солнечного тепла и имеет один или несколько металлических функциональных многопленочных слоев, содержащих, по меньшей мере, один слой, отражающий инфракрасное излучение, и по меньшей мере один поглощающий слой (аналог таких покрытий (патент RU №2719816 С2, 23.04.2020), что позволяет поддерживать необходимый тепловой режим в летнее время года в необходимом диапазоне температур для тех или иных расстений.
Для обеспечения оптимальной влажности днем и ночью, вентиляции, состояния грунта (рыхление, внос удобрений), температуры воздуха (важный фактор выращивания овощей), температуры воды, которая должна быть равна температуре воздуха), а также контроля роста растений, оборудование теплицы дополнительно содержит пенетрометр, размещенный в крайних рабочих органах мультикультиватора, радиовысотомер с линейной частотной модуляцией и акустический датчик, установленные на дроне. Посредством пенетрометра и акустического датчика контролируют состояние грунта от поверхностного слоя до его подошвы.
Посредством радиовысотомера с линейной частотной модуляцией контролируют ход роста растений, путем измерения высоты растений от слоя почвы до верхушек растений. Метод реализован в среде MatLAB и представляет собой многослойную фацетную модель с возможностью подстройки параметров.
При этом за основу взята трехмерная графика, при которой поверхность строится в программе трехмерной визуализации, а затем данные о координатах объектов трехмерного изображения обрабатываются соответствующим образом и передаются в среду, где рассчитываются и строятся графики спектры биений сигнала, а также феноменологическое моделирование, в котором отраженный сигнал задается в виде совокупности большого количества парциальных сигналов с введением ряда статических параметров, характеризующие физические свойства шероховатой поверхности.
Тепловые панелями, расположены по периметру и по площади теплицы. Аналогами тепловых панелей являются стеновые обогревательные панели типа СТЕП или КАМ -ИН, которые производят из специальных оцинкованных металлических коробов толщиной от 10 мм до 20 мм. Внутри таких коробов располагаются излучающий элемент вместе с отражающей теплоизоляцией. Тепловые панели выполнены с терморегуляторами, что позволяет экономить до 30% энергоносителя после начального этапа прогрева помещения. Кроме этого, наличие терморегулятора не требует постоянного контроля над работой термопанели.
Согласно прототипа [30] лицевые и тыльные панели обрамлены каркасом, выполненным из электропроводного материала в виде граней четырехугольной пирамиды, вершины основания которой ориентированы по сторонам света и заземлены, при этом панели и перемычки выполнены из диэлектрического материала.
Наряду с этим вершина пирамиды снабжена молниеотводом и/или электрически соединена с преобразователем и аккумулятором.
Как и в прототипе, теплица включает фундаментное основание, заделанное в почву и возвышающееся над почвой. На фундаментном основании смонтирован каркас теплицы в виде граней четырехугольной пирамиды. Каркас включает свое основание, вершины которого ориентированы по сторонам света. Каркас выполнен из электропроводного материала, например, из алюминиевого сплава. От каждой вершины основания под углом к вертикали отходят ребра. Стороны основания и ребра — это грани четырехугольной пирамиды, вершина которой снабжена молниеотводом. Вершины основания каркаса заземлены посредством соответствующих штырей. Стороны основания и наклонные ребра пирамиды являются средством обрамления лицевых - скатных светопрозрачных панелей, и тыльных теплоизолированных панелей. Скатные светопрозрачные панели выполнены из диэлектрического материала, например, из сотового поликарбоната. Светопрозрачные лицевые панели обращены к югу, более конкретно соответственно к юго-востоку и к юго-западу. Тыльные теплоизолированные панели обращены соответственно к северо-востоку и к северо-западу; эти панели могут быть ограниченно светопрозрачными. Каждая светопрозрачная панель может изготавливаться из нескольких частей, перемычки между которыми выполнены из диэлектрического материала. На тыльных панелях предусмотрены рабочие проходы и другие известные устройства. Каркас пирамиды обладает повышенными электропроводными свойствами. В нем вершина пирамиды и молниеотвод электрически соединены с преобразователем возникающего электрического тока и аккумулятором. Теплица имеет устройство для обогрева и орошения.
Скатные светопрозрачные ограждения по нижнему периметру оснащены полиэтиленовым желобом, сочлененным с системой орошения. Скатные светопрозрачные ограждения в нижней своей части оснащены очистительными щетками, установленными на телескопическом устройстве и приводимыми в движение, посредством электропривода, соединенного с автоматической системой управления. Вдоль тыльных панелей над грунтом размещены мультикультиваторы, исполнительный механизм которых соединен с автоматической системой управления и снабженные пульверизаторами, которые соединены посредством металлокерамических трубок, расположенных внутри оси мультикультиватора, с устройством орошения. Датчик влажности выполнен в виде мобильного СВЧ устройства, размещенного в крайних рабочих органов мультикультиватора. Дополнительно введены датчики освещенности, выходы которых соединены с соответствующими входами арифметико-логического устройства. Скатные светопрозрачные ограждения с внутренней стороны снабжены жалюзи, исполнительный механизм которых соединен с автоматической системой управления.
Датчик влажности, выполненный в виде мобильного СВЧ устройства в качестве СВЧ излучателя содержит диод Ганна, вмонтированный заподлицо в крайние рабочие органы мультикультиватора, что обеспечивает надежное измерение влажности грунта, в отличие от известных конструкций датчиков влажности типа LMA-200PM, MW-1000 и приведенного в описании к патенту RU №2641715 С1, 22.01.2018.
Применение пульверизаторов, в отличие от используемых в аналогах распылителей влаги позволяет доставлять влагу к корневой системе выращиваемой продукции.
Ввиду того, что после полива выращиваемой продукции необходимо производить рыхление грунта, то предусмотрены мультикультиваторы.
Для регулирования необходимой освещенности для того или иного выращиваемого продукта в теплице размещены датчики освещенности, выходы которых соединены с соответствующими входами арифметико-логического устройства.
Для этой цели также предназначены и жалюзи, исполнительный механизм которых соединен с автоматической системой управления, а также очистительные щетки, которые в зимний период могут при необходимости использоваться для очистки от снега.
Ввиду того, что в дождливый период требуется отводить от элементов каркаса теплицы дождевые осадки, то в предлагаемом техническом решении скатные светопрозрачные ограждения по нижнему периметру оснащены полиэтиленовым желобом, сочлененным с системой орошения, что позволяет восполнять запас воды для орошения.
Автоматическое устройство полива может быть выполнено в виде накопительного бака и распределителя одинаковой емкости с автоматическим регулируемым сливом воды в металлокерамические трубки, расположенные внутри оси мультикультиватора и соединенные с пульверизаторами.
Автоматическое устройство обогрева может быть выполнено в виде токопроводящего нагревательного элемента в защитной оболочке, например, нагревательных панелей, размещенного в фундаменте под слоем почвы теплицы.
Система автоматического управления представляет собой микромодульный контроллер на базе Intel-совместимого процессора NEC V25 с PCMCIA флэш-накопителем и стандартным выходным средством коммуникации на основе интерфейса RS232. Микроконтроллер содержит встроенный многоканальный АЦП с последовательным интерфейсом, программируемые таймеры, часы реального времени, порты цифрового ввода-вывода, внешние каналы аппаратного прерывания и канал прямого доступа к памяти. Отличительными особенностями используемого контроллера являются миниатюрные размеры (100×70×30 мм), малое потребление (0,5 Вт), высокая надежность и низкая стоимость.
Входы системы автоматического управления подключены к выходам датчиков регистрации температуры, влажности, освещенности и устройств теплицы.
Разработанное АЛУ в конкретном исполнении представляет собой минимальную конфигурацию персонального компьютера и включает: процессор - Pentium 166 МГц, ОЗУ - 32 Мбайт, плату SVGA с памятью 1 Мбайт, дополнительную плату с двумя последовательными портами с FIFO памятью (UART16550-совместимая).
Программное обеспечение алгоритмов выращивания продукции и функционирования оборудования теплицы написано на языке высокого уровня Си, который вместе с тем позволяет производить тонкое управление аппаратными средствами вплоть до побитовых операций в их регистрах, характерных для ассемблера. Применение компиляторов языка Си фирмы Borland путем соответствующей настройки среды компилятора позволяет генерировать коды в значительной степени инвариантные к типу и классу используемого IBM-совместимого компьютера. В результате программа оказывается работоспособной для всех типов процессоров, начиная с семейства 8086/8088 и кончая 80486 и Pentium.
Версия программы размещается в EPROM микроконтроллера. Запуск программы на исполнение и, соответственно, начало работы происходят автоматически при подаче питания на микроконтроллер.
Предлагаемая теплица используется следующим образом.
Теплица посредством вершины и граней четырехугольной пирамиды - ее наклонных ребер и сторон основания - воспринимает и частично аккумулирует хрональную космическую энергию, которая поступает на планету Земля круглогодично и круглосуточно. Это явление в теплице усиливается за счет выполнения граней пирамиды из электропроводного материала и ориентирования вершин основания по сторонам света; очевидно, что наклонные ребра пирамиды также ориентированы по сторонам света. В атмосфере Земли всегда присутствуют электрические заряды и электромагнитные поля, которые в определенных условиях усиливаются. Часть зарядов воспринимается молниеотводом, установленным на вершине пирамиды, и ребрами пирамиды, распространяется внутри и снаружи пирамиды, передается на стороны основания. От молниеотвода и энергоемкой вершины пирамиды часть электрических зарядов перетекает в преобразователь, где структурируется, преобразуется в упорядоченный постоянный ток и поступает в аккумулятор. Часть энергии посредством штырей заземления отводится в фундаментное основание теплицы и, в конечном счете, в грунт.
Внутри теплицы-пирамиды наибольшее энергетическое поле концентрируется на расстоянии, равном трети высоты пирамиды, считая от основания. На этой высоте целесообразно устанавливать диэлектрические стеллажи для выращивания, например, рассады овощных культур. Внутри теплица освещается за счет солнечных лучей, проникающих через лицевые - скатные светопрозрачные панели. Тыльные теплоизолированные панели в определенной степени препятствуют отводу внутреннего тепла. При сокращении продолжительности дневного времени возможно искусственное освещение внутри теплицы за счет энергии, накопленной в аккумуляторе. Природные грозовые разряды не проникают внутрь теплицы, так как производится отвод энергии посредством молниеотвода, ребер пирамиды и штырей, этому способствует их исполнение из электропроводного материала. Обслуживание теплицы и технологические операции производятся через рабочие проходы, которые в летнее жаркое время используют также для проветривания. Выращивание овощных и иных культур, их орошение, а также обогрев в холодное время (при необходимости) проводят известным образом в соответствии с режимами для данных условий и текущими параметрами, регистрируемыми посредством датчиков, на основании которых формируют управляющие сигналы для соответствующего оборудования.
Автоматическая система управления (АСУ) работает следующим образом.
В исходном состоянии электропитание выключено, и в это время в теплице проводятся необходимые сельскохозяйственные работы (подготовка почвы, посадка растений, сбор урожая и т.п., профилактические и регламентные работы с системой управления). Перед включением питания в арифметико-логическое устройство устанавливается сменное постоянное запоминающее устройство, на котором записана программа выбранной климатической зоны и программа выращивания выбранного растения этой климатической зоны. При включении на дисплее блока индикации отражаются параметры выбранной климатической зоны (температура и влажность), дата, время, состояние электропитания и всех устройств, поддерживающих выбранный режим, а также другая полезная информация. Информация с датчиков и устройств теплицы поступает в АЛУ, которое сравнивает полученные данные с контрольными, полученными из ПЗУ, при их несовпадении АЛУ включает необходимые в данный момент устройства.
Специфический энергоэффективный «климат» внутри теплицы, в том числе за счет использования хрональной космической энергии, стимулирует жизнедеятельность растений и почвенную микрофлору, повышает потребительские свойства возделываемых культур, благотворно влияет на обслуживающий персонал и на окружающую среду внутри и снаружи теплицы, при этом возможно аккумулирование и дополнительное использование части поступающей энергии. Благодаря этому повышается эффективность использования теплицы.
В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве решается задача подготовки семенного ложа, которая крайне важна для надлежащего прорастания семян и роста растений. Слишком много пожнивных остатков, расположенных в семенной борозде или покрывающих семенную борозду, могут неблагоприятно влиять на прорастание семян и препятствовать росту растений. Кроме того, прорастание семян и рост растений могут быть подвержены неблагоприятному влиянию, если семенное ложе содержит крупные поверхностные комки и изменения плотности почвы из-за уплотнения слоев в корневой зоне. Соответственно, существует необходимость обеспечения устройства техническими средствами, выполненных с возможностью мониторинга характеристик или критериев почвы во время операций обработки почвы для выполнения регулировки почвообрабатывающих орудий и других орудий на ходу для улучшения состояния почвы и подготовки семенного ложа. В предлагаемом устройстве такими средствами являются пенетрометр и акустический датчик.
Наличие данных средств позволяют использовать критерий, заключающийся в том, что получают параметры овощей, полученных в предыдущий период, соответствующий внешним условиям на настоящее время (аналог - Система мониторинга критериев почвы, патент 2720278 С2, 28.04.2020). В процессе исследований были разработаны различные математические модели подстилающей поверхности (грунт и растительность). В предлагаемом устройстве использованы два метода моделирования поверхностей. Первый метод реализован в среде MatLABn представляет собой математическую многослойную фацетную модель различных типов поверхностей с подстраиваемыми параметрами. Новизна исследования состоит во втором методе моделирования поверхностей. За основу взята трехмерная графика, а именно, поверхность сначала строится в программе трехмерной визуализации, а затем данные о координатах объектов трехмерного изображения соответствующим образом обрабатываются и передаются в среду MatLAB, где разработанная математическая модель рассчитывает и строит график спектра сигнала биений. В конкретной реализации в качестве радиовысотомера выбран радиовысотомер с непрерывным излучением, с несимметричной линейной частотной модуляцией.
В процессе исследований была создана математическая модель сигнала биений радиовысотомера, позволяющая исследовать фацетные модели различных типов подстилающей поверхности. Модель разработана в математическом пакете MatLAB. В результате исследований созданы математические модели подстилающей поверхности для различных видов грунта и растительности. При моделировании поверхности было
разработано два подхода. Первый подход использует только программный пакет MatLAB и основан на моделировании наборов фацетов в виде слоев. Второй подход основан на построении требуемой поверхности в программе трехмерной визуализации (3Ds МАХ) с дальнейшей обработкой экспортированных данных с помощью разработанной модели в среде MatLAB. Исследованные подходы моделирования поверхности позволяют изучать различные типы подстилающих поверхностей, акцентируя внимание на разных параметрах фацетов.
При построении слоистой модели измеряется высота как до слоя почвы, так и до верхушек растений. Метод реализован в среде MatLAB и представляет собой многослойную фацетную модель различных поверхностей с возможностью подстройки параметров.
Метод моделирования поверхностей, в котором за основу взята трехмерная графика, при которой поверхность строится в программе трехмерной визуализации, а затем данные о координатах объектов трехмерного изображения обрабатываются соответствующим образом и передаются в среду, где рассчитываются и строятся графики спектры биений сигнала.
В отличие от известного способа корректировки варьирующих параметров, который включает корректировку и выведение на оптимальный уровень варьирующих параметров окружающей среды при выращивании растений, а корректировку варьирующих параметров осуществляют путем проектирования силуэта растения или его вегетативного органа на электронно квадратно разлинованный и оцифрованный экран, воспринимающий, фиксирующий и передающий изображение на компьютер, где определяют и сравнивают в динамике скорость роста растений, и в случае ее замедления с помощью электронно-вычислительного устройства осуществляют выведение варьирующих параметров окружающей среды в коридоры (параметры между верхней и нижней границами) оптимумов с их дальнейшим автоматическим поддержанием (патент RU №2725683 С1, 03.05.2020), в предлагаемом устройстве обеспечивается возможность более объективного контроля роста растений.
Посредством скатных светопрозрачных ограждений, которые выполнены из стекла с нанесенным на него покрытием, регулируют приток солнечного тепла, при этом блокируются или отфильтровываются выбранные диапазоны электромагнитного излучения, обычно излучение в инфракрасной области и/или ультрафиолетовой области электромагнитного спектра. Это снижает нарастание тепла внутри теплицы.
Подземная часть тепличного устройства по периметру обложена теплоизоляционным материалом. Который служит для теплоизоляции, чтобы мороз от окружающей почвы не проникал в тепличное устройство. Теплоизоляционный материал также служит для защиты почвы тепличного устройства от проникновения кротов и других грызунов-победителей, как показывает практика эксплуатации тепличных устройств, грызуны любят проникать в тепличные устройства и оказывают вред копиям растений, тем самым снижая урожайность культур.
При посадке и дальнейшем выращивании растений предусмотрена предварительная обработка семян, последующая их посадка и обработка растений в период их вегетации водной суспензией биопрепарата. Обработку семян осуществляют препаратом на основе фенилпирролов, после чего их помещают в субстрат, а после появления первых листьев в субстрат вносят жидкую суспензию с культурой Trichodermaspp. Техническим результатом является повышение эффективности борьбы с фитопатогенными микроорганизмами, (аналог патент №2725818 С1, 06.07.2020).
Приготовление и время замачивания соблюдаются в соответствии с инструкцией производителя и нормами, указанными в списке пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации. Время замачивания составляет 30 минут. Биологическая эффективность протравливания определяют с помощью биологического (рулонного) метода на саженцах культуры и на питательных средах с культурой патогена Fusariumoxysporum. Биологическая эффективность препарата должна составлять 80-100. Затем осуществляют посадку протравленных семян в субстрат.
После появления первого настоящего листа в субстрат вносится жидкая суспензия с культурой Trichodermaviride. Оптимальная концентрация должна составлять КОЕ=1*10-1*10. Рекомендованная температура в теплице - 25-28°С. Особенность заявленного изобретения заключается в том, что при развитии Trichoderma выделяет биологические вещества, которые во взаимодействии с выработанным иммунитетом самих растений повышают их жизнестойкость.
Система облучения растений в предлагаемой теплице содержит основные источники света - натриевые лампы и дополнительные - светодиодные светильники с комбинацией нескольких типов светодиодов. Пики излучения синих светодиодов приходятся на длины волн 440-460 нм и 480-490 нм. Количество основных источников света в теплице равно количеству дополнительных. Основные и дополнительные источники света размещены по площади теплицы равномерно на одинаковой высоте. Конструктивно комбинация всех типов светодиодов смонтирована на одном светильнике, при этом доля потока излучения светодиодов каждого светильника в диапазонах составляет 13-19% в синем и 7-12% в дальнекрасном от потока натриевой лампы. Излучаемые светодиодами потоки фокусируются линзами с углом 85-95 градусов, использованы внутри ценозные светодиодные источники с теми же спектральными характеристиками, что и источники верхнего освещения, получающие электрическое питание от общего группового драйвера, расположенного вне ценоза (аналог - патент RU №2725003 С1, 29.06.2020)
Основным источником естественного излучения, необходимого для жизни растений, является Солнце. Спектр его излучения характеризуется практически равномерной полосой в интервале длин волн 300-1000 нм, оказывающих наибольшее воздействие на рост и развитие растений. В этом интервале выделяют более узкие диапазоны, действие излучения которых на растение весьма различно. Это синий (400-500 нм), зеленый (500-600 нм), красный (600-700 нм). Излучение диапазона 400-700 нм является фотосинтетически активной радиацией в силу его наибольшей важности для обеспечения роста и развития растений. Так же большое влияние на растения оказывает излучение дальнекрасного диапазона 700-800 нм.
Для оптимизации спектра излучения система облучения растений в теплице содержит в качестве основных источников света натриевые лампы, а в качестве дополнительных источников света светодиодные светильники, светодиодные светильники, которые содержат несколько типов светодиодов, максимумы излучения которых лежат в пределах синего 400-500 нм и дальнекрасного 700-800 нм спектральных диапазонов, пики излучения синих светодиодов приходятся на длины волн 440-460 нм и 480-490 нм, количество основных источников света в теплице равно количеству дополнительных, основные и дополнительные источники света размещены по площади теплицы равномерно, основные и дополнительные источники света размещены на одинаковой высоте, конструктивно комбинация двух типов светодиодов смонтирована на одном светильнике, доля потока излучения светодиодов каждого светильника в диапазонах
составляет 13-19% в синем и 7-12% в дальнекрасном от потока натриевой лампы, излучаемые светодиодами потоки фокусируются линзами с углом 85-95 градусов, использованы светодиодные источники нижнего освещения с теми же спектральными характеристиками, что и источники верхнего освещения, получающие электрическое питание от общего группового драйвера, расположенного вне ценоза.
При использовании дрона в теплицах занимающих большую площадь возможна установка на нем приспособлений для локального полива растений, внесения жидких удобрений и препаратов для борьбы с сельскохозяйственными вредителями.
Кроме того, при использовании дрона возможно лазерное облучение посевов с закрепленным на нем блоком лазера (патент RU №2637663, Способ авиационной лазерной обработки растений в период вегетации).
Источники информации.
1. Патент RU №2011336.
2. Патент на полезную модель RU №30058 U1.
3. Патент на полезную модель RU №85298 U1, 10.08.2009.
4. Патент на полезную модель RU №103272 U1, 10.04.2011.
5. Патент RU №2150818 С1, 20.06.2000.
6. Патент DE №1632908 А, 24.06.1971.
7. Авторское свидетельство SU №1111706 А, 07.09.1984.
8. Авторское свидетельство SU №1323029 А1, 15.07.1987.
9. Авторское свидетельство SU №1525290 А1, 30.11.1989.
10. Авторское свидетельство SU №1349727 А1, 07.11.1987.
11. Авторское свидетельство SU №1630684 А1, 28.02.1991.
12. Патент RU №2239986 С2, 20.11.2004.
13. Патент ЕР №0744121 А1, 27.11.1996.
14. Патент FR №2668027 А1, 24.04.1992.
15. Патент ЕР №0217978 А1, 15.04.1987.
16. Патент ЕР №0378868 А1, 25.07.1990.
17. Патент ЕР №0529725 А1, 03.03.1993.
18. Патент RU №2054865 С1, 27.02.1996.
19. Патент RU №2259036 С1, 27.08.2005.
20. Патент RU №2122315 С1, 27.11.1998.
21. Патент RU №2025956 С1, 09.01.1995.
22. Патент RU №2121787 С1, 20.11.1998.
23. Патент RU №2550654 С1, 20.02.2014.
24. Патент RU №2207752 С1, 10.07.2003.
25. Авторское свидетельство SU №418998 A3, 01.08.1974.
26. Патент RU №20816 U1, 10.12.2001.
27. Патент RU №2040666 С1, 25.07.1995.
28. Патент GB №2187221 А, 03.09.1987.
29. Патент RU №2720278 С2, 28.04.2020.
30. Патент RU №2682749 С1, 21.03.2019.