УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РОСТОМ ИЛИ СВОЙСТВАМИ РАСТЕНИЙ Российский патент 2012 года по МПК A01G9/24 G01N21/84 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к устройству для управления ростом или свойствами по меньшей мере одной части одного или более растений, содержащей хлорофилл.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Выращивание растений в контролируемых условиях, например в оранжереях, теплицах или хранилищах, обычно включает контроль условий окружающей среды растений и управление такими параметрами, как свет, давление водяного пара, температура, парциальное давление углекислого газа (СО₂) и подвижность воздуха, для обеспечения регулирования микроклимата окружающей среды и оптимизации процессов роста и фотосинтеза опытным путем. Также возможно управление свойствами растения, к которым могут относиться количественные морфологические, физиологические и биохимические особенности по меньшей мере части растения. Так, из документа US 2003/0005626 А1, 09.01.2003 известно устройство для управления ростом или свойствами растения, включающее светодиоды, которые генерируют свет с различными длинами волн, датчик роста (камера, которая может отслеживать рост растения), датчики углекислого газа и влажности для измерения уровня углекислого газа и влажности в воздухе вблизи растения, устройство управления и вентилятор, который перемещает воздух и смешивает его с углекислым газом.

Во многих областях растениеводства важно иметь возможность определения физиологического состояния растения или группы растений для обеспечения представления реакции фотосинтеза с помощью алгоритмов или моделей регулирования микроклимата. Оптимизация фотосинтеза сельскохозяйственных культур или растительного материала может быть достигнута путем аккуратных и спланированных воздействий на условия выращивания, основанных на непосредственном управлении характерными процессами фотосинтеза. Соответствующие и кратковременные реакции растений используют при определении условий роста не только путем регулирования микроклимата, но также путем изменения процессов обработки, удобрений, качества и интенсивности освещения, качества урожая. Все эти реакции в конечном счете воздействуют на экономическую прибыль. Например, в лесной промышленности производится пересадка миллионов саженцев каждый год. Эти саженцы сначала выращивают в контролируемой окружающей среде и пересаживают в полевые условия во время очень специфических и критических периодов их развития. Однако в случае вечнозеленых хвойных деревьев на основе одного только физического внешнего вида трудно определить момент достижения саженцами такого физиологического состояния, при котором они могут быть успешно высажены на улицу. Кроме того, по внешнему виду растения может быть трудно определить, являются ли качество и интенсивность освещения в регулируемой окружающей среде оптимальными с точки зрения здоровья растения и экономической прибыли. Аналогично, раннее определение воздействия нагрузок на растения, влияния режимов удобрения и полива, физических повреждений на жизненную силу растения на основе его внешнего вида является затруднительным или даже невозможным. К тому времени, когда воздействие становится физически очевидным, урожай может миновать критическую точку, на которой еще возможно восстановление.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Чтобы эффективно управлять климатом, поливкой, питанием и режимом освещения тепличных сельскохозяйственных культур для обеспечения благоприятного регулирования и контроля роста и свойств сельскохозяйственных культур, необходимо применять "датчики состояния растения" и модели, встроенные в компонент устройства, обладающий прямой/обратной связью. Устройства с прямой связью, такие как лампы освещения, обеспечивают необходимые исходные условия для выращивания растения и могут предупреждать эффекты возмущений климата в теплице и окружающего освещения и воздействовать в пределах точно установленных границ. Специальные модели, разработанные для конкретных сортов сельскохозяйственных культур, должны быть основаны на данных, полученных от датчиков состояния растения и датчиков контроля роста (датчики урожайности), а также должны обеспечивать возможность оценки преимуществ изменения режимов выращивания (например, спектрального состава источника освещения) с обеспечением влияния на результат (например, время цветения) или его изменения. Данные, полученные датчиками урожайности, объединяют с алгоритмами на основе модели (программные датчики), и эта информация, в свою очередь, управляет конкретными изменениями интенсивности и/или качественного состава света, которые будут благоприятным образом влиять на процессы роста растения или его свойства.

Данное изобретение относится в целом к устройству для управления ростом растений или их свойствами путем: 1) измерения параметров окружающей среды растения, таких как температура, атмосферное давление, относительная влажность, содержание СО₂, освещение, и биохимических свойств растения, 2) передачи результатов анализа и 3) управления устройством с помощью контура с прямой/обратной связью. Данное изобретение автоматически управляет ростом растения и/или свойствами по меньшей мере одной части по меньшей мере одного растения, содержащей хлорофилл. Это достигается путем изменения морфологических и/или биохимических характеристик, например фотосинтеза, гормональной стабилизации, вторичного метаболизма и свойств по меньшей мере одной части по меньшей мере одного растения, содержащей хлорофилл, для осуществления управления качеством сельскохозяйственных культур с точки зрения роста растения или управления его свойствами с точки зрения экономической выгоды.

В данном изобретении предложено устройство для управления ростом или свойствами по меньшей мере одной части одного или более растений, содержащей хлорофилл. Указанное устройство содержит:

- по меньшей мере один светоизлучающий прибор, такой как светоизлучающий диод (светодиод), предназначенный для освещения указанной по меньшей мере одной части растения,

- по меньшей мере один светочувствительный датчик, предназначенный для измерения света, идущего от указанной по меньшей мере одной части,

- средства передачи информации, предназначенные для облегчения связи между указанными по меньшей мере одним светочувствительным датчиком, по меньшей мере одним светоизлучающим прибором, и процессором.

Термин "измерение света" означает измерение освещенности, измерение интенсивности отраженного и переизлученного света, идущего от указанной по меньшей мере одной части растения. В одном варианте выполнения указанный по меньшей мере один светоизлучающий прибор расположен на минимальном расстоянии "d" от светоизлучающего прибора, которое составляет 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150 см. В одном варианте выполнения указанный по меньшей мере один светочувствительный датчик расположен на расстоянии "D" от светочувствительного датчика, которое составляет 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150 см.

Указанный процессор с помощью средств передачи информации считывает данные, поступающие от указанного по меньшей мере одного светочувствительного датчика, генерирует управляющий сигнал на основе полученных данных и справочной информации и затем на основе этого управляющего сигнала с помощью средств передачи информации осуществляет управление указанным по меньшей мере одним светоизлучающим прибором, таким как светоизлучающий диод (светодиод), для выполнения облучения указанной по меньшей мере одной части растения с обеспечением изменения или улучшения его роста и/или свойств.

Указанный датчик выполнен с возможностью контроля биохимических свойств растения путем измерения интенсивности падающего света в сочетании с измерением коэффициента отражения и/или световой флуоресценции, а указанный процессор выполнен с возможностью изменения и улучшения биохимических свойств растения на основании указанных контролируемых параметров.

В одном варианте выполнения указанный управляющий сигнал может использоваться для регулирования микроклимата теплиц, например изменения парциального давления СО₂ в случае, если предложенное устройство содержит регулятор парциального давления СО₂. Управляющий сигнал регулирует микроклимат с обеспечением изменения роста растения и его свойств. К неограничивающим целям изобретения относится улучшение качества растения, процесса выращивания и темпа роста.

В одном варианте выполнения устройство дополнительно содержит внешний светочувствительный датчик для измерения внешнего освещения.

В одном варианте выполнения справочная информация является "справочной информацией о состоянии", которая может быть статичной. "Справочная информация о состоянии" содержит параметр частоты света, описывающий, какая частота/частоты в какой момент(-ы) времени используется. Эти данные могут рассматриваться как исходная информация для потенциального изменения света, испускаемого указанным по меньшей мере одним светоизлучающим прибором. В случае использования нескольких таких приборов, излучающих свет с различными частотными характеристиками, управляющий сигнал осуществляет регулирование с определением того, какой светоизлучающий прибор должен работать и освещение какой интенсивности и продолжительности, а также какой частоты он должен излучать.

В одном варианте выполнения справочная информация может быть динамической, что означает возможность ее изменения в процессе выращивания и развития растения. Назначение справочной информации заключается в выполнении роли средств управления, приводящих к совершенствованию процесса выращивания и изменения свойств растения путем регулирования соответствующего управляющего сигнала. В одном варианте выполнения справочная информация базируется на алгоритмах, основанных на сочетании экспериментальных и теоретических данных.

В одном варианте выполнения справочная информация основана на по меньшей мере одной из следующих величин: флуоресценции хлорофилла и/или коэффициента отражения света листом. Таким образом, флуоресценция хлорофилла и/или коэффициент отражения света листом являются параметрами, которые могут быть использованы в качестве входных для справочной информации. Результатом этого является то, что на управляющий сигнал влияет по меньшей мере один из двух указанных параметров, что приводит к управлению ростом и свойствами растения.

В соответствии с данным изобретением устройство может контролировать и подвергать воздействию либо только часть растения, либо листовой полог, либо растение целиком, либо несколько растений. Контроль, осуществляемый процессором, может использоваться для контроля других растений или частей растений.

К преимуществам данного изобретения относится следующее.

- В изобретении учтена более высокая эффективность преобразования электрической энергии в световую энергию с необходимыми спектральными характеристиками.

- Изобретение способствует уменьшению испускания газа СО₂ в тепличной промышленности, поскольку в предложенном изобретении для выращивания сельскохозяйственных культур свет используется более эффективно.

- Изобретение способствует уменьшению светового загрязнения атмосферы тепличной промышленностью, поскольку используется только освещение с такими спектральными характеристиками, которые обеспечивают поглощение и использование растениями большей части излучаемого света.

- Изобретение обеспечивает средства для проверки или оценки способности растений реагировать на условия выращивания или их изменения (например, на большее или меньшее количество света или даже на изменение спектрального состава освещения).

- Изобретение позволяет осуществлять непрерывный удаленный контроль путем управления фотофизическими, фотохимическими и фотосинтетическими параметрами, так как это позволяет обойти проблемы, связанные с изменениями локальных окружающих условий, с помощью измерительных датчиков, ограничивающих исследуемую листовую зону.

- Изобретение допускает "обучение" в соответствии с собственными потребностями растений с помощью использования искусственной нейронной сети для достижения растениями наилучших свойств в заданных условиях выращивания.

- Изобретение может использоваться для определения точного размещения исходя из положения датчиков, внешних воздействий, вызываемых недостатком воды, недостатком или излишком питательных веществ, влияния вирусов, грибков или бактерий, насекомых и паукообразных.

- Могут отображаться уровни дефицита воды.

- Могут отображаться эффекты воздействия токсичных смесей и гербицидов.

- Могут быть выявлены фотосинтетические мутанты неизвестного состава среди популяции растений.

- Использование данного изобретения приводит к улучшению вкусовых и ароматических свойств сельскохозяйственных культур, выращиваемых в теплицах (или в помещениях).

- Кроме того, использование данного изобретения приводит к экономии подводимой электрической энергии путем оптимизации/уменьшения коэффициента отражения света растением. Это достигается с помощью измерения светочувствительным датчиком при поддержании фотохимических процессов в диапазоне между оптимальной и максимальной производительностью фотосинтеза. Оптимальная производительность определяется как ситуация, когда фотосинтез и рост растения оптимальны, тогда как максимальная производительность - это любая ситуация, при которой энергия используется также для генерации ароматических и защитных соединений.

В одном варианте выполнения устройство дополнительно содержит набор светоизлучающих приборов. Это обеспечивает преимущество, заключающееся в возможности использования более сложной справочной информации. В одном варианте выполнения указанный набор светоизлучающих приборов испускает свет с различными частотными характеристиками, при этом испускаемый и/или отраженный свет относится по меньшей мере к одному из параметров, характеризующих процесс фотосинтеза.

В одном варианте выполнения светочувствительный датчик измеряет по меньшей мере одну интенсивность освещения, соответствующую длине волны по меньшей мере одного из следующих диапазонов: К (красный, 630-700 нм), ДК (дальний красный, 700-740 нм), БИК (ближний инфракрасный, 750-850 нм), ИК (инфракрасный, 850-1400 нм) или ФАР (фотосинтетически активная радиация, 400-700 нм). В этих диапазонах световой поток может столкнуться с флуоресцентным излучением, исходящим от части растения, содержащей хлорофилл.

В одном варианте выполнения светочувствительный датчик измеряет по меньшей мере одну интенсивность освещения, соответствующую длине волны С3 диапазона (сине-зеленый, 400-630 нм). В этом диапазоне световой поток может столкнуться с флуоресцентным излучением, исходящим от части растения, содержащей УФ-экранирующие соединения, и/или с производством и содержанием НАДФН (никотинамидадениндинуклеотид-фосфата).

В одном варианте выполнения светочувствительный датчик измеряет по меньшей мере одну интенсивность освещения, соответствующую длине волны БИК диапазона (ближний инфракрасный, 750-850 нм). В этом диапазоне световой поток может столкнуться с отражением от части растения той составляющей светового потока, которая не поглощается хлорофиллами.

В одном варианте выполнения светочувствительный датчик измеряет по меньшей мере одну интенсивность освещения, соответствующую длине волны ИК диапазона (850-1400 нм). В этом диапазоне световой поток может столкнуться с отражением, связанным с особенностями клеточного и структурного строения листьев растения и содержанием влаги.

В одном варианте выполнения светочувствительный датчик измеряет по меньшей мере одну интенсивность освещения, соответствующую длинам волн в диапазоне от 400 до 700 нм. В этом диапазоне световой поток может столкнуться с излучением, соответствующим определению ФАР, или фотосинтетически активной радиации.

В одном варианте выполнения контролируемое излучение относится к измерению по меньшей мере одного биохимического процесса по меньшей мере одной биохимической материи.

В одном варианте выполнения устройство дополнительно содержит по меньшей мере один вентилятор, предназначенный для обеспечения перемещения воздушного потока относительно по меньшей мере одной части растения, а управляющий сигнал дополнительно содержит сигнал для управляющего устройства вентилятора. Идея состоит в том, чтобы вызвать перемещение воздуха для обеспечения инициации тигмоморфоза и для нарушения пограничного слоя листа (для смешения набора газов вокруг листьев с обеспечением увеличения испарения, количества воды и поглощения CO₂ и создания благоприятных условий для фотосинтеза).

В одном варианте выполнения указанный по меньшей мере один вентилятор расположен вблизи указанного по меньшей мере одного светоизлучающего прибора для осуществления его охлаждения.

В одном варианте выполнения указанный по меньшей мере один светочувствительный датчик может измерять либо флуоресценцию, либо параметры падающего света, либо интенсивность отраженного света в одном и том же интервале длин волн.

В одном варианте выполнения устройство дополнительно содержит один или более газовых счетчиков для измерения уровней содержания газа (например, содержания CO₂ и относительной влажности) в воздухе, окружающем указанную по меньшей мере одну часть растения. Счетчик(-и) расположен(-ы) в пределах измерительного расстояния относительно указанного по меньшей мере одного растения и связан(-ы) с процессором.

В одном варианте выполнения устройство дополнительно содержит расходомер воздуха, предназначенный для измерения скорости воздуха в непосредственной близости от указанной по меньшей мере одной части растения и электрически связанный с процессором, а также датчик температуры, предназначенный для измерения температуры воздуха, окружающего указанную по меньшей мере одну часть растения, и электрически связанный с процессором.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 показано схематичное изображение устройства.

ВАРИАНТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 показано схематичное изображение устройства 1. Указанное устройство 1 измеряет и/или регулирует рост растения и свойства по меньшей мере одной части 2 одного или более растений, содержащей хлорофилл. В одном варианте выполнения устройство 1 измеряет биохимические и фотохимические свойства. Устройство 1 содержит по меньшей мере один светоизлучающий прибор 3 (в одном варианте выполнения им является диод (светодиод)), предназначенный для облучения указанной по меньшей мере одной части 2 растения, и по меньшей мере один светочувствительный датчик 4 для измерения света, идущего от указанной по меньшей мере одной части 2. Кроме того, указанное устройство 1 содержит средства 5 передачи информации, предназначенные для облегчения связи между по меньшей мере одним светочувствительным датчиком 4, по меньшей мере одним светоизлучающим прибором 3, служащим для облучения указанной по меньшей мере одной части 2, и процессором 6. Указанный процессор 6 содержит блок управления, который с помощью средств 5 передачи информации считывает данные, поступившие от по меньшей мере одного датчика 4, генерирует управляющий сигнал на основе полученных данных и справочной информации и затем на основе этого управляющего сигнала с помощью средств 5 передачи информации осуществляет управление указанным по меньшей мере одним светоизлучающим прибором 3 для обеспечения улучшения роста и/или свойств растения. При этом устройство 1 отличается тем, что указанный датчик (4) выполнен с возможностью контроля биохимических свойств растения путем измерения интенсивности падающего света в сочетании с измерением коэффициента отражения и/или световой флуоресценции, а указанный процессор выполнен с возможностью изменения и улучшения биохимических свойств растения на основании указанных контролируемых параметров.

В одном варианте выполнения указанное устройство 1 содержит набор светоизлучающих приборов 3, которые испускают свет с различными частотными характеристиками. Светоизлучающие приборы 3 в указанном наборе могут быть расположены либо по отдельности, либо вместе на общей несущей конструкции.

В одном варианте выполнения свет относится по меньшей мере к одному из характеристических параметров процесса фотосинтеза или по меньшей мере к одной биохимической материи.

В одном варианте выполнения указанный светочувствительный датчик измеряет по меньшей мере одну интенсивность освещения, соответствующую длине волны по меньшей мере одного из следующих диапазонов:

- С3 (сине-зеленый, 400-630 нм),

- К (красный, 630-700 нм),

- ДК (дальний красный, 700-740 нм),

- БИК (ближний инфракрасный, 750-850),

- ИК (инфракрасный, 850-1400 нм) и

- ФАР (фотосинтетически активная радиация, 400-700 нм).

В одном варианте выполнения устройство 1 дополнительно содержит по меньшей мере один вентилятор 7, предназначенный для обеспечения перемещения воздушного потока относительно указанной по меньшей мере одной части растения, и управляющий сигнал, дополнительно содержащий сигнал управления вентилятором. Для обеспечения получения сигнала управления вентилятором указанный по меньшей мере один вентилятор подключен к средствам 5 передачи информации, которые могут представлять собой локальную вычислительную сеть (ЛВС), беспроводную локальную вычислительную сеть или подключенный кабель связи в зависимости от изобретательности специалиста. В одном варианте выполнения вентилятор расположен в колпаке лампы и может быть активирован специально предназначенным для этого управляющим устройством 11 вентилятора.

В одном варианте выполнения указанный по меньшей мере один вентилятор расположен вблизи указанного по меньшей мере одного светоизлучающего прибора для осуществления его активного или принудительного охлаждения.

В одном варианте выполнения указанный по меньшей мере один вентилятор расположен на расстоянии от указанного по меньшей мере одного светоизлучающего прибора для осуществления его охлаждения.

В одном варианте выполнения устройство содержит матрицы светодиодов большой мощности и высокой эффективности, имеющие 9 рядов (или подгрупп, или кластеров), излучающих свет на длине волны в диапазонах от ультрафиолетового излучения в области В до инфракрасного излучения. Кроме того, имеется 9 независимых генераторов для независимого питания и регулирования каждого ряда светодиодов. Каждая из указанных матриц содержит микропроцессор, обеспечивающий управление светодиодами в контуре с приводом постоянного тока или тока с амплитудно-импульсной модуляцией. Генератор для каждого из указанных рядов может программироваться пользователем для обеспечения возможности изменения частоты и скважности модуляции.

В одном варианте выполнения датчики температуры размещены в соответствующих положениях для обеспечения контроля температуры (T_j) вблизи р-n переходов чипов светодиодов. В одном варианте выполнения каждый ряд светодиодов размещен на монтажной плате/подложке для обеспечения распределения тепловой нагрузки. Микропроцессор(-ы) может (могут) быть запрограммирован(-ы) с обеспечением выключения генератора (генераторов) в случае, если измеренная температура перехода превышает максимальную рабочую температуру. В одном варианте выполнения имеется система контроля окружающей среды, подключенная к предложенному устройству. Указанная система содержит термометр для измерения температуры окружающего воздуха, датчики общего света, газовые датчики (CO₂, относительной влажности и другие).

В одном варианте выполнения устройство содержит фотодиоды с индивидуальными цветными светофильтрами.

В одном варианте выполнения имеется ПЗС-камера (камера на приборах с зарядовой связью) или другое устройство для формирования изображений, снабженное диском со сменными светофильтрами, который управляется шаговым двигателем.

В одном варианте выполнения указанный по меньшей мере один светоизлучающий прибор может быть снабжен корпусом с рефлекторами, обеспечивающими освещение определенного участка в заданном световом режиме. Кроме того, на корпусе прибора выполнены перегородки, обеспечивающие создание турбулентности воздуха вокруг листьев. В одном варианте выполнения для обеспечения создания воздушного потока, охлаждающего лампу, могут использоваться один или несколько вентиляторов. Корпус также способствует эффективной передаче теплоты светоизлучающим прибором. В одном варианте выполнения корпус имеет отверстие в торце, противоположном направлению распространения света, испускаемого лампой (лампами). Указанное отверстие обеспечивает возможность прохождения через него воздуха, что приводит к охлаждению в светоизлучающем приборе.

В одном варианте выполнения датчики расположены в корпусе или рядом со светоизлучающим прибором.

Процессор, управляющий лампой (лампами), предназначен для обеспечения следующих вариантов работы устройства.

- Светодиоды могут работать в импульсном режиме при максимальном токе с обеспечением получения света максимальной интенсивности в течение некоторого интервала времени. К неограничивающим примерам интервалов времени относятся интервалы в 1-3 секунды и от 0,5 до 5 секунд.

- Светодиоды могут работать в модулированном режиме, так называемом режиме "широтно-импульсной модуляции волновых колебаний". Скважность импульсов, являющаяся переменной, может изменять мощность на выходе светодиодов скачкообразно с резким повышением и спадом, в то время как сила тока поддерживается постоянной. Длительность импульса должна находиться в пределах от 20 мкс до 2,5 мс. В одном варианте выполнения длительность импульсов не превышает 500 мкс.

- Светодиоды могут работать в непрерывном режиме (при постоянном токе) с сохранением их типичных электрических характеристик.

- Светодиоды могут работать в импульсном режиме с увеличением их номинального тока в 4-5 раз при обеспечении интенсивного охлаждения.

В одном варианте выполнения устройство дополнительно содержит по меньшей мере одно приспособление для передачи информации с выходов измерительных датчиков и передачи управляющих сигналов к указанному по меньшей мере одному светодиоду, соединенному с указанными средствами передачи информации, которые могут представлять собой локальную вычислительную сеть (ЛВС), беспроводную локальную вычислительную сеть или подключенный кабель связи в зависимости от изобретательности специалиста.

В одном варианте выполнения производится изменение физиологии и морфологии растения для обеспечения благоприятного воздействия на высоту, разветвленность, удельную поверхность листьев, фенологию и биомассу растения.

В одном варианте выполнения осуществляется регулирование биохимических свойств растения для обеспечения изменения содержания ароматических веществ в ароматических сельскохозяйственных культурах.

В одном варианте выполнения осуществляется постоянный контроль урожайности и передача соответствующих данных.

В одном варианте выполнения управление урожайностью (ростом) производится согласно полученным сведениям и на основе управления подводимой электрической мощностью устройства.

В одном варианте выполнения любое изменение параметров выполняется специально согласно индивидуальным потребностям садовода и основывается на конкретных требованиях к выращиваемым культурам.

В одном варианте выполнения производится повышение или понижение синтеза хлорофилла и/или вспомогательных пигментов для обеспечения изменения биохимических свойств, приводящего к изменению окраски листьев растений.

В одном варианте выполнения светочувствительный датчик определяет начальный флуоресцентный параметр F_o. Это достигается путем управления светоизлучающим прибором в отсутствие (другого) внешнего освещения. Тогда как в присутствии внешнего освещения F_o оценивается исходя из показателя хлорофилла, измеряемого как логарифм R₈₀₀/R₅₅₀, где R - коэффициент отражения, а 800 и 550 - длины волны в нм. Коэффициент R отражения света измеряется светочувствительным датчиком 4.

В одном варианте выполнения в устройстве используется машинное зрение и обработка изображения с точки зрения многоспектрального коэффициента отражения для обеспечения определения максимальной проекционной поверхности листового полога нескольких растений (ТРСА) и максимальной проекционной поверхности листьев одного растения (TPLA).

В одном варианте выполнения может использоваться устройство, обеспечивающее средства идентификации фотосинтетических мутантов, выполняемой с помощью анализа их чувствительности к фотоингибированию путем измерения Ф_PSII до и после воздействия освещением, производимого при усиленном облучении интенсивным светом. Устройство также обеспечивает средства для возможности развития мутантов, требующих в зависимости от параметров окружающей среды особых условий обработки (повышенного уровня ФАР, низкого уровня ФАР, синего света, красного света, ультрафиолетового излучения, повышенного количества CO₂).

В одном варианте выполнения может использоваться устройство, обеспечивающее средства для увеличения толщины листьев, выработки эпикутикулярного воска и устьичного регулирования.

В одном варианте выполнения могут быть реализованы различные алгоритмы.

Первый вариант выполнения алгоритма управления основан на флуоресценции хлорофилла, которая позволяет осуществить неинтрузивную, неразрушающую и повторяющуюся оценку фотосинтеза в естественных условиях с обеспечением получения данных о полной фотосинтетической квантовой производительности исходя из количественных показателей F_V/F_m, фотохимической эффективности Ф_PSII фотосистемы II и коэффициентов гашения флуоресценции. Использование переменной флуоресценции для определения степени физиологической нагрузки на растущие растения является чувствительным, надежным, универсальным средством, обеспечивающим получение характеристик способности растений к использованию полученных фотонов.

Входными данными для алгоритма управления являются такие параметры, как показатели F_o, F_m, F_p, F_t (F_s), F'_m и F'_o растений, обеспечивающие получение величин, необходимых для расчета показателей F_V/F_m, F_V/F_o, Ф_PSII, F_s/F_o, F'_v/F'_m и коэффициентов гашения, таких как NPQ, q_N и q_L. Устройство обеспечивает средства активации и измерения переменной флуоресценции хлорофилла растений, размещенных под лампой (что подразумевает возможность размещения на ограниченной площади), при таких длинах волн, как длины волн флуоресценции хлорофилла 440, 690 и/или 735 нм. Устройство непрерывно оптимизирует условия выращивания для обеспечения получения быстрых темпов роста и высокого показателя адаптации путем достижения соответствующего и постоянного баланса между нефотохимическим гашением NPQ, q_N и фотохимическим гашением q_L флуоресценции хлорофилла.

К входным данным для алгоритма управления относятся такие параметры, как изменения устьичной проводимости. Существует корреляция между F_s и устьичной проводимостью. Производимый на основе этой корреляции соответствующий контроль F_s является полезным средством для определения того, когда должна быть произведена поливка, чтобы обеспечить поддержание состояния растения в пределах между состояниями недостатка и переизбытка потребляемой им воды. Кроме того, такой контроль обеспечивает средства для оценки способности закрытия устьиц, выполняемой с помощью контроля транспирации в темноте и/или реакции на изменения в интенсивностях транспирации вследствие воздействия конкретного светового излучения ограниченного спектрального состава. Устройство также может выдавать сигналы, обеспечивающие увеличение парциального давления CO₂ в окружающей среде растения, и предоставляет средства для уменьшения показателя g_s (устьичной проводимости) с обеспечением улучшения водного режима для облегчения предстоящего пересаживания растения. Переменными параметрами, используемыми для оценки устьичной проводимости, являются:

1. F_o (начальная или быстрая флуоресценция хлорофилла, измеренная в состоянии адаптации к темноте);

2. F_t и/или F_s (медленная или установившаяся флуоресценция хлорофилла (от нескольких секунд до часов)).

В одном варианте выполнения алгоритм управления основан на нейронной сети, выполненной в пределах системы. Модели, полученные с помощью указанной нейронной сети, обеспечивают системы идентификации и контроля, являющиеся специфичными для каждого вида растений, стадии роста, способности к росту при определенных запрограммированных условиях выращивания. Модели, полученные с помощью нейронной сети, используются для предсказания краткосрочных и длительных реакций и показателей различных растений. Такой алгоритм обеспечивает средства для получения наилучших показателей растений в определенный промежуток времени. Также он обеспечивает средства для быстрого обнаружения и идентификации растений, которые не достигают предсказанных (ожидаемых) наилучших показателей. Кроме того, указанный алгоритм обеспечивает средства для предсказания роста и "времени до сбора урожая" или времени и затрат, необходимых для обеспечения получения "минимальных критериев качества", на основе параметров, полученных из данных обучаемой нейронной сети. Алгоритм должен обучаться на основе экспериментальных данных о росте растений и путем контроля следующих параметров:

1. Температуры листьев;

2. Квантового выхода ассимиляции СО₂;

3. Интенсивности излучения;

4. Переменной флуоресценции;

5. Стадии выращивания растений;

6. Изменений темпов роста растений;

7. Оценки содержания хлорофилла;

8. Оценки УФ-экранирующих соединений;

9. Оценки LAI (индекса листовой поверхности);

10. ТРСА (максимальной проекционной поверхности листового полога);

11. PRI (фотохимического коэффициента отражения);

PRI=(R₅₃₁-R₅₇₀)/(R₅₃₁+R₅₇₀);

12. Показателя хлорофилла как логарифма отношения R₈₀₀/R₅₅₀;

13. "Зеленой" NDVI (относительной разности вегетативного показателя)=(nir-g)/(nir+g), где "nir" - коэффициент отражения света на длине волны 800 нм, а "g" - коэффициент отражения света на длине волны 550 нм;

14. Вида и/или культурного сорта растения.

В одном варианте выполнения устройства алгоритм управления основан на операциях обработки, предназначенных для инициации открытия устьиц. Устройство обеспечивает средства для активации управления устьичным открытием путем применения светового излучения с длиной волны, лежащей в ультрафиолетовом спектре области А или в синей области (с максимумом на 450 нм) без необходимости инициации фотосинтеза с помощью широкополосного (немонохроматического) освещения, который уменьшил бы эффективность использования воды в слабых листьях. Синий свет, примененный отдельно или в комбинации с красным светом, вызывает открытие устьиц на нескольких растениях, а зеленый свет полностью обращает процесс и закрывает их. Входными данными в этом варианте выполнения являются следующие параметры:

1. Скорость ветра, или скорость перемещения воздуха, или перемещение воздушных масс вокруг листьев;

2. Оценка температуры листьев;

3. Интенсивность внешнего освещения;

4. Широкополосное начальное (INITIAL) или общее (TOTAL) световое излучение (от УФ до ИК) в отсутствие листьев или в присутствии широкополосного оставшегося (REMAINING) светового излучения растений;

5. Освещенность или ФАР (фотосинтетически активная радиация (400-700 нм));

6. Переменная флуоресценция хлорофилла (3 различных масштаба времени);

7. Многоспектральный коэффициент отражения растений/листьев под лампой;

8. Показатели другого газового датчика/датчиков (присутствие или отсутствие газа и его концентрация, скорость увеличения);

9. Температура в зоне выращивания.

В одном варианте выполнения устройства алгоритм управления основан на операциях обработки, предназначенных для инициации открытия устьиц и измерения интенсивности фотосинтеза. Входными данными в этом варианте выполнения являются следующие параметры:

1. Скорость ветра, или скорость перемещения воздуха, или перемещение воздушных масс вокруг листьев;

2. Оценка температуры листьев;

3. Интенсивность внешнего освещения;

4. Широкополосное начальное (INITIAL) или общее (TOTAL) световое излучение (от УФ до ИК) в отсутствие листьев или в присутствии широкополосного оставшегося (REMAINING) светового излучения растений;

5. Освещенность или ФАР (фотосинтетически активная радиация (400-700 нм));

6. Переменная флуоресценция хлорофилла (3 различных масштаба времени);

7. Многоспектральный коэффициент отражения растений/листьев под лампой;

8. Показатели другого газового датчика/датчиков (присутствие или отсутствие газа и его концентрация, скорость увеличения);

9. Температура в зоне выращивания.

В одном варианте выполнения алгоритм управления основан на способе определения показателя адаптации путем определения фотохимической эффективности (Ф_PSII) флуоресценции фотосистемы II растений, выращиваемых под лампами:

Ф_PSII=[F_m-F'_m]/F'_m,

1. Во-первых, окисление цепи переноса электронов достигается путем возбуждения растения, подвергнутого действию источника света при включении на несколько секунд части источника света, испускающей только свет в ИК-диапазоне.

2. Для получения величины F_m производят интенсивную возбуждающую вспышку света путем подачи максимальной или достаточной мощности на управляемые приборы DC-4 при активации всего цветового диапазона (от CR1 до CR8) на время вспышки продолжительностью от 0,5 до 1,5 секунд (обычно <1 секунды). Эта вспышка света известной интенсивности (I_TOTAL) используется для обеспечения получения индуцированного максимума переменной флуоресценции хлорофилла (F_m) в растениях, находящихся под лампой.

3. Источники света для роста устанавливаются во включенное состояние, и растениям дается возможность достигнуть устойчивого процесса фотосинтеза и переменной флуоресцентной динамики с достижением F_s.

4. Другая интенсивная возбуждающая вспышка света вызывается путем подачи максимальной или достаточной мощности на управляемые приборы DC-4 при активации всего цветового диапазона (от CR1 до CR8) на время вспышки продолжительностью от 0,5 до 1,5 секунд (обычно <1 секунды). Эта вспышка света известной интенсивности (I_TOTAL) используется для обеспечения получения индуцированного максимума переменной флуоресценции хлорофилла (F'_m) в растениях, находящихся под лампой.

5. Значения F_m и F'_m используются для вычисления Ф_PSII.

6. Процедуры 1-7 повторяются несколько раз ежедневно или с любым другим требуемым интервалом, и для каждого значения отмечается время его измерения.

7. Флуоресцентный показатель адаптации вычисляют путем оценки изменения величины Ф_PSII следующим образом:

Al_PSII=(Ф_{PSII t2}-ФP_{SII t1})/(t₂-t₁).

8. На основе полученных значений принимается решение о необходимости продолжения, ослабления или прекращения вынужденного адаптационного воздействия. Относительное ускорение изменения в направлении отрицательного значения или отрицательное значение могут означать неудачную адаптацию к данному воздействию, в то время как положительное значение указывает на улучшение в процессе адаптации.

Любой из алгоритмов управления или все указанные алгоритмы содержат входные данные в виде следующих переменных:

1. [I_TOTAL-I_REMAINING]=I_ABS растительного материала;

2. F_o (начальная или быстрая флуоресценция хлорофилла, измеренная в состоянии адаптации к темноте);

3. F_max (переменная флуоресценция хлорофилла в точке максимума (0,5-1,5 секунды, обычно <1 секунды) в состоянии адаптации к темноте);

4. F'_o (быстрая флуоресценция хлорофилла, измеренная в состоянии адаптации к свету);

5. F'_max (переменная флуоресценция хлорофилла в точке максимума (0,5 - 1,5 секунды, обычно <1 секунды) в состоянии адаптации к свету);

6. F_t и/или F_s (медленная или установившаяся переменная флуоресценция хлорофилла (от нескольких секунд до часов)).

Параметры, вычисляемые регулярно или несколько раз в сутки на основе входных переменных:

1. F_V/F_M=[F_max-F_o]/F_max ;

2. ф_PSII (фотохимическая эффективность)=[F_max-F'_max]/F'_max ;

3. nPQ или q_N - нефотохимическое гашение переменной флуоресценции хлорофилла;

4. q_L или q_p - фотохимическое гашение переменной флуоресценции хлорофилла;

5. F_s/F_o;

6. Σ I_TOTAL;

7. Σ I_ABS;

8. ТРСА (максимальная проекционная поверхность листового полога);

9. LAI (индекс листовой поверхности);

10. RGR - относительный темп роста урожая и/или отдельных растений.

Параметры, получаемые из входных переменных, измеряемых динамически во времени:

1. I_ABS=измеренная биомасса или прирост биомассы;

2. insФ_CO2=Квантовый выход ассимиляции CO₂=Р_n/I_ABS;

3. R_D (дыхание в темноте)=[СO₂выход_D] - [СО₂вход_D];

4. МФ_СО2=Квантовый выход ассимиляции СО₂=[Р_n2-P_n1]/[I_o2-I_o1];

5. g_s - устьичная проводимость;

6. F_V/F_M=[F_max-F_o]/F_max ;

7. Ф_PS2 (фотохимическая эффективность)=[F_max-F'_max]/F'_max=1-[F_s/F'_max];

8. q_N - нефотохимическое гашение переменной флуоресценции хлорофилла;

q_N=1-F'_m-F_o/F_m-F_o ;

9. NPQ - нефотохимическое гашение переменной флуоресценции хлорофилла

NPQ=F_m/F'_m-1;

10. q_L - коэффициент фотохимического гашения переменной флуоресценции хлорофилла q_L=q_p×F'_o/F';

11. WUE - эффективность использования воды;

12. RGR - относительный рост и темпы роста, ежедневное изменение роста листа.

Приборы (DC), управляемые устройством:

1. Вентилятор для охлаждения;

2. Устройство включения-выключения освещения;

3. Спектральные диапазоны освещения (ВКЛ/ВЫКЛ и переменный режим)

CR1=ультрафиолетовое излучение области В

CR2=ультрафиолетовые излучение области А

CR3=синее излучение

CR4=сине-зеленое излучение

CR5=зеленое излучение

CR6=оранжевое излучение

CR7=красное излучение

CR8=длинноволновая часть красной области спектра

CR9=ближнее инфракрасное излучение;

4. Вспышка интенсивного немонохроматического светового излучения (частота и продолжительность);

5. Перемещение воздуха (создаваемое вентилятором) для возмущения пограничного (воздушного) слоя листа;

6. Скорость ветра, или скорость перемещения воздуха, или перемещение воздушных масс вокруг листьев.

Устройство содержит по меньшей мере один светоизлучающий прибор, такой как светоизлучающий диод, предназначенный для освещения по меньшей мере одной части растения, по меньшей мере один светочувствительный датчик для измерения света, идущего от указанной по меньшей мере одной части растения, средства передачи информации, предназначенные для облегчения связи между указанным по меньшей мере одним светочувствительным датчиком, по меньшей мере одним светоизлучающим прибором и процессором. Процессор с помощью средств передачи информации считывает данные, поступившие от указанного по меньшей мере одного датчика, генерирует управляющий сигнал на основе полученных данных и исходной информации и затем на основе указанного управляющего сигнала с помощью средств передачи информации осуществляет управление указанным по меньшей мере одним светоизлучающим прибором для обеспечения улучшения роста и свойств растения. Светочувствительный датчик выполнен с возможностью контроля биохимических свойств растения путем измерения интенсивности падающего света в сочетании с измерением коэффициента отражения и/или световой флуоресценции. Процессор выполнен с возможностью изменения и улучшения биохимических свойств растения. Данное изобретение позволит контролировать условия окружающей среды, автоматически управлять ростом и/или свойствами растений, улучшать их качество, процесс выращивания и темп роста. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство (1) для улучшения роста по меньшей мере одной части (2) одного или более растений, содержащей хлорофилл, которое содержит:
- по меньшей мере один светоизлучающий прибор (3), такой как светоизлучающий диод, предназначенный для освещения указанной по меньшей мере одной части (2) растения,
- по меньшей мере один светочувствительный датчик (4), предназначенный для измерения света, идущего от указанной по меньшей мере одной части (2) растения,
- средства (5) передачи информации, предназначенные для облегчения связи между указанным по меньшей мере одним светочувствительным датчиком (4), указанным по меньшей мере одним светоизлучающим прибором (3) и процессором (6), который
- считывает данные, поступающие от указанного по меньшей мере одного датчика (4), с помощью указанных средств (5) передачи информации,
- генерирует управляющий сигнал на основе полученных данных и справочной информации,
- осуществляет управление указанным по меньшей мере одним светоизлучающим прибором (3) на основе указанного управляющего сигнала с помощью средств (5) передачи информации для обеспечения улучшения роста и свойств растения, отличающееся тем, что указанный датчик (4) выполнен с возможностью контроля биохимических свойств растения путем измерения интенсивности падающего света в сочетании с измерением коэффициента отражения и/или световой флуоресценции, а указанный процессор выполнен с возможностью изменения и улучшения биохимических свойств растения на основании указанных контролируемых параметров.

2. Устройство по п.1, содержащее набор светоизлучающих приборов (3).

3. Устройство по п.2, в котором указанный набор светоизлучающих приборов (3) испускает свет с различными частотными характеристиками.

4. Устройство по п.1, в котором указанный свет относится по меньшей мере к одному из параметров, характеризующих процесс фотосинтеза.

5. Устройство по п.1, в котором указанный светочувствительный датчик измеряет по меньшей мере одну интенсивность освещения, соответствующую длине волны по меньшей мере одного из следующих диапазонов: красный (630-700 нм), дальний красный (700-740 нм), ближний инфракрасный (750-850 нм), инфракрасный (850-1400 нм) или фотосинтетически активная радиация (400-700 нм).

6. Устройство по п.1, в котором измеряемое освещение относится к измерению по меньшей мере одного биохимического процесса по меньшей мере одной биохимической материи, при этом биохимическая материя представляет собой ароматическое вещество в ароматической сельскохозяйственной культуре.

7. Устройство по п.1, в котором указанный светочувствительный датчик (4) измеряет по меньшей мере одну интенсивность освещения, соответствующую длине волны сине-зеленого диапазона (400-630 нм).

8. Устройство по п.1, дополнительно содержащее по меньшей мере один вентилятор (7), предназначенный для обеспечения перемещения воздушного потока относительно указанной по меньшей мере одной части растения, а управляющий сигнал дополнительно содержит сигнал для управляющего устройства (11) вентилятора.

9. Устройство по п.8, в котором указанный по меньшей мере один вентилятор (7) расположен вблизи указанного по меньшей мере одного светоизлучающего прибора (3) для осуществления его охлаждения.

10. Устройство по п.1, дополнительно содержащее по меньшей мере один из следующих элементов:
- один или более газовых счетчиков, предназначенных для измерения уровней содержания газа СО₂ (8) и относительной влажности (9) в воздухе, окружающем указанную по меньшей мере одну часть растения, расположенных в пределах измерительного расстояния относительно указанного по меньшей мере одного растения и связанных с указанным процессором (6), и
- расходомер (10) воздуха, предназначенный для измерения воздушного потока в непосредственной близости от указанной по меньшей мере одной части растения и электрически связанный с указанным процессором (6), и
- датчик (12) температуры, предназначенный для измерения температуры воздуха, окружающего указанную по меньшей мере одну часть растения.