science-review.ru
Семена – это сложный биологический объект, требующий комплексного исследования. Именно для этого был разработан макет установки для интенсивной подготовки семян к проращиванию. Основной задачей данной системы является исследование зависимости биологических процессов в семенах при воздействии на них сразу нескольким факторами. Система оснащена светодиодными светильниками RGBW с возможностью управления, как по интенсивности и периодичности, так и по спектральным составляющим. Для поддержания благоприятных условий подготовки семян имеется автоматическая система поддержания микроклимата. Она располагается в отдельном модуле. Модуль состоит из свето- и влагозащищенной ткани на каркасе в виде усечённого конуса, небольшой платформы, на которой располагается система управления элементом Пельтье и экран для пользователя, показывающий основные измеряемые параметры.
Для автоматизации испытаний и процесса подготовки семян система обеспечивает мониторинг температуры, влажности, освещенности и давления. Для проведения достаточно точных исследований замеры производятся сразу в различных частях системы. Температура считывается с 6 датчиков, а именно: с 4 DS18B20, SHT11 и AM2320 (см. рис. 1). Мониторинг влажности осуществляют датчики SHT11 и AM2320. Точность измерений температуры и влажность до одной десятой единицы измерения.
Рис. 1. а – SHT11; b – DS18b20; c – AM2320
Атмосферное давление хоть и не поддается регулированию, однако его нельзя не учитывать. Давления и напряжения, возникающие в клетках, являются факторами роста и дифференцировки. (Боле подробно о влиянии давления на растения говорилось в статье «Давление, как внешний и внутренний фактор, влияющий на растения») [1]. В установке используется датчик BMP180 с точностью измерения до 1 метра (см. рис. 2).
Рис. 2. Датчик давления BMP180
Нужную нам освещенность будут обеспечивать дискретные источники освещения. Для равномерности получения света, тепла и влажности, мы предусмотрели вращение платформы c семенами с помощью двигателя 28BYJ-48 с драйвером ULN-2003 [2], в зависимости от времени суток которое будет определятся с помощью модуля часов реального времени DS-3231 или ZS-3231. Полученные данные выводятся на дисплей LCD-2004.
Алгоритм работы системы на рис. 3.
Рис. 3. Общее описание системы
Система создана для развития всесезонного агрокультивирования и интенсификации технологий агрокультивирования закрытого типа. В систему управления установки были загружены алгоритмы освещения, повторяющие модифицированный спектр солнечного света. (по материалам статьи «Simulation identification and dynamic control of luminaire of the synthesized spectrum») [3]. Изменение интенсивности освещения происходит с течением времени суток. Таким образом, можно управлять биологическими часами семян, что позволяет ускорять фазы пробуждения и набухания.
Для формирования требуемого спектра установлены светодиодные светильники, которые управляются микроконтроллером с помощью ШИМ. Шаг изменения яркости освещения 1/3, максимальная освещенность 12000 Lux. Измерение освещенности обеспечивает датчик BH1750 [4].
Синий спектр света с длиной волны от 430 до 490 нм требуется для укрепления семян, и их ростков, что помогает поглощать больше света, и это приводит к лучшему росту [5].
Зеленый спектр света с длиной волны от 490 до 570 нм. Что касается такого освещения, то зеленый спектр цвета способен свободно пройти через листья, при этом процесс фотосинтеза будет минимальным. Но, именно благодаря этому освещению, растение вытягивается и становится более высоким [5].
Красный спектр лучей от 600 до 780 нм. Это основная энергия для фотосинтеза. Благодаря этому освещению растение начинает развиваться с необыкновенной быстротой по сравнению с более низким излучением [5].
Привод платформы для семян состоит из шагового двигателя 28BYJ-48 и драйвера ULN-2003, диск с семенами вращается со скоростью от 1 оборота в сутки до 5 оборотов в минуту, что обеспечивает благоприятный фотопериод подготовки семян и возможность гибко настраивать систему для различных овощных и зеленных культур.
Датчики DS18B20, SHT11, AM2320, BMP180, BH1750 расположенные на АУПП обеспечивать измерение следующих параметров:
– Температура воздуха в диапазоне от -0 до +60°С с погрешностью не более 0,5°С (это зависит от внешних климатических условий);
– Относительную влажность воздуха в диапазоне 0–95 % с погрешностью не более 5 %;
Тип интерфейсов датчиков:
– DS18B20 после измерений передают цифровой сигнал с 12–битным разрешением по 1–Wire протоколу.
– AM2320, SHT11 – осуществляют передачу измерений цифровым сигналом по протоколу I2C [6].
– BMP180 – цифровой датчик, работающий по протоколу I2C.
– BH1750 – цифровой 16-битный датчик, подключен по интерфейсу I2C.
Источник питания 24В для электроснабжения датчиков и контроллера САУ обеспечивает преобразование напряжения диапазона 160 – 264В переменного тока в напряжение 24В +–2 % постоянного тока.
Требуемая мощность источника питания не более 120 Вт. Для обеспечения работы АУПП используется ИБП (источник бесперебойного питания) с максимальной мощностью 150 Вт.
Таким образом, установка интенсивной подготовки семян к проращиванию является хорошим инструментом в проведении исследований в области агрофотоники. Также нельзя исключать возможность использования данной системы в коммерческих целях для автоматизации и интенсификации первого этапа технологической цепочки выращивания овощных и зеленных культур. Рассмотренная система позволяет сэкономить не только время человека, но и силы, а, следовательно, и затраты на самостоятельное проращивание семян. Если ранее все действия осуществлялись вручную, то на данный момент каждый желает автоматизировать работу теплицы, что способствует увеличению производительности тепличных хозяйств.