Программно-аппаратный комплекс для вертикальной культивации растений и способ культивации растений с его применением Российский патент 2024 года по МПК A01G9/14 A01G9/24 A01G31/06 

Заявленная группа изобретений относится к гидропонным системам для круглогодичной беспочвенной культивация растений в широком диапазоне климатических зон, а также к автоматизированному бессубстратному способу культивации растений.

Известно изобретение «Автономная система фермы» (WO 2023064961 «Stand alone farm system», номер публикации WO/2023/064961, дата публикации 20.04.2023, № международной заявки PCT/US 2022/080476, дата международной подачи 28.11.2022) Изобретение относится к модульным контейнерным гидропонным системам для выращивания листовой зелени и кулинарных трав.

Система изготовлена на базе рефрижераторного контейнера и имеет две отдельные зоны выращивания растений, систему водоподготовки (состоящую из насоса, резервуара для рециркуляции, системы дозирования питательных веществ и регулирования pH, фильтрации и стерилизации воды), систему регулирования освещенности и параметров окружающей среды (включая температуру, CO2 и влажность). В первой зоне выращивания предусмотрен отдельный питомник, который позволяет пользователю проращивать растения из семян. Вторая зона выращивания обеспечивает систему, которая позволяет пользователю пересаживать молодые растения из питомника в каналы гидропоники для выращивания, где растения получают питание до сбора урожая. Система управляется встроенным контроллером HCRSC.

Известно изобретение «Система гидропонного выращивания растений» (KR 102265008 - Plant hydroponic cultivation system, номер заявки 1020210007302, дата подачи 19.01.2021, номер публикации 102265008, дата публикации 14.06.2021).

Система гидропонного выращивания растений содержит: корпус контейнера, блок культивационных стоек, выполненный с возможностью формирования одной или нескольких зон культивации с помощью множества рам, расположенных в горизонтальном и вертикальном направлениях и по высоте, и соединенных друг с другом, множество блоков поддонов, последовательно расположенных в продольном направлении, блока культивационных стоек, горшки для выращивания растений, расположенные в блоке поддонов, блок регулирования температуры, который выполнен с возможностью подачи воды в блок поддонов и блок подачи химического раствора.

Недостатком описанных выше систем является отсутствие отдельных зон для размещения оборудования и обслуживания систем. Повышенная влажность воздуха, образующаяся в процессе культивации растений методом гидропоники, может негативно повлиять на оборудование системы, в т.ч. привести к коррозии металлических элементов, ухудшению работы электронных систем и датчиков, а также может способствовать развитию плесени и грибка на оборудовании. Также в описываемых технических решениях отсутствует буферная зона. При эксплуатации контейнера в холодный период, при входе в контейнер поток холодного воздуха попадает в зону культивации, что может негативно сказаться на растениях. Кроме того, персонал попадает в помещение непосредственно с улицы, что повышает риск попадания патогенной микрофлоры на растения извне.

Известно изобретение «Изотермические транспортные контейнеры, модифицированные для высокоурожайного производства растений в любой среде» (US 20160198656 - «Insulated shipping containers modified for high-yield plant production capable in any environment», номер заявки 15077086, дата подачи 22.03.2016, номер публикации 20160198656, дата публикации 14.07.2016).

Изобретение относится к изолированным модульным контейнерам, модифицированным для высокоурожайного производства растений.

Система включает в себя как минимум один модульный контейнер, систему выращивания, размещенную внутри контейнера, и систему мониторинга состояния растений.

Система выращивания включает в себя станцию для проращивания семян, вертикальные стойки для растений, станцию подготовки, систему освещения, систему орошения, систему климат-контроля и систему вентиляции для обеспечения воздушного потока к растениям по меньшей мере в двух направлениях. Система мониторинга подключена к системе выращивания и управляет как минимум одним из компонентов системы выращивания. Система мониторинга включает беспроводной интерфейс, который позволяет пользователю удаленно отслеживать и управлять любым из компонентов в системе выращивания или контейнере, в т.ч. изменять в режиме реального времени по меньшей мере одно условие из набора условий, управляющих станцией для выращивания семян, системой орошения, системой климат-контроля, системой вентиляции и системой освещения.

К недостаткам данного устройства относятся:

- вертикальное расположение лотков для выращивания растений позволяет выращивать только низкорослые культуры или только растения до стадии рассады. При увеличении высоты растения, под действием силы тяжести растения начнут прогибаться, что приведет к ухудшению товарного вида растений. Также вертикально ориентированные системы позволяют выращивать меньшее количество растений на той же площади, чем горизонтальные системы. Кроме того, при отключении подачи воды в систему, корни культивируемых растений могут высохнуть за непродолжительное время.

- зона выращивания не отделена от технической зоны. Высокая влажность в зоне культивации приведет к ускоренной деградации технических систем комплекса.

- в предложенном решении отсутствует зона оператора. Для технического обслуживания систем автоматизации контейнера необходим инженер с доступом к специализированному программному обеспечению и оборудованию.

- отсутствует буферная зона. При эксплуатации контейнера в холодный период, при входе в контейнер поток холодного воздух попадает в зону культивации, что негативно сказывается на растениях.

- не отделена «грязная зона». Предложенное решение не подразумевает наличие шкафов для сменной одежды и систем индивидуальной защиты (СИЗ), это значительно увеличивает вероятность занесения патогенов в зону культивации.

- отсутствует зона технического обслуживания систем культивации. В предложенной конструкции нет устройств для промывки лотков и подготовки системы к посадке растений.

- не предусмотрена система озонации, это увеличивает вероятность размножения патогенов.

- представленная установка подразумевает возможность установки солнечных панелей, но внутренняя компоновка не подразумевает наличие инвертора и источника бесперебойного питания.

- в предложенной конструкции отсутствуют резервуары с чистой и дренажной водой. Для функционирования контейнера необходимо подключение к водопроводу и канализации.

- система подразумевает один растворный узел, что позволяет одновременную культивацию только одного вида растений

- отсутствие аэропонной технологии выращивания ограничивает возможность культивации некоторых видов растений. Такие культуры, как клубника, склонны к появлению корневой гнили. Аэропонная система позволяет избежать данной проблемы.

Данное техническое решение принято за прототип.

Известен способ выращивания растений (Патент РФ 2758473 «Способ выращивания растений методом проточной гидропоники и устройство для его осуществления», дата подачи заявки: 31.12.2019, дата публикации заявки: 30.06.2021 Бюл. №19, опубликовано: 28.10.2021 Бюл. №31).

В известном способе выращивания растений методом проточной гидропоники используют многоярусное устройство для выращивания растений, состоящее из вертикально установленных стоек, закрепленных на них горизонтально расположенных в несколько ярусов емкостей, заполненных питательным раствором, и крыши. Предварительно проращивают семена растений, после чего образовавшуюся рассаду с корнями вставляют в сквозные отверстия панелей, на которых число отверстий соответствует числу выращиваемых растений. Панели с рассадой загружают в каждую емкость многоярусного устройства для выращивания растений, причем загрузку панелей осуществляют в каждую емкость с одного торца устройства, соответствующего началу периода выращивания, а выгрузку с другого торца. Загрузку каждой последующей панели в каждой емкости осуществляют путем помещения ее на место предыдущей панели, продвигая при этом вновь загружаемой панелью предыдущую панель к противоположному торцу устройства, соответствующему окончанию периода выращивания. По достижении панелями торца устройства, соответствующего окончанию периода выращивания, панели с выращенными кустами растений выгружают из устройства и производят уборку урожая. В течение всего цикла вегетации растения освещают источниками искусственного освещения и осуществляют непрерывную циркуляцию питательного раствора в устройстве, включающую подачу раствора в емкости, слив, фильтрацию и обогащение, а загрузку и, соответственно, разгрузку каждого уровня устройства осуществляют ежедневно. При этом осуществляют контроль равномерности климатических условий в зоне выращивания: температура 21±5°С, влажность 60-85%, содержание CO₂ 2000 ppm.

Недостатком известного способа является необходимость в постоянном присутствии персонала, осуществляющим мониторинг состояния растений.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое устройство, является:

- создание автоматизированной системы для вертикальной культивации растений, способной управлять всеми процессами выращивания растений, включая управление освещением, подачей питательного раствора, температурой и влажностью, контролем питательных веществ в соответствии с потребностями вида выращиваемых растений, а также осуществлять сбор данных и анализ результатов;

- повышение технологичности комплекса за счет создания реконфигурируемой системы для культивации растений, упрощения процессов обслуживания систем, снижения трудозатрат и повышения удобства использования;

- повышение урожайности и качества продукции за счет снижения влияния окружающей среды, автоматизированного мониторинга и изменения параметров окружающей среды и питательного раствора, а также уменьшения риска развития болезней растений.

Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, повышении технологичности и автоматизации программно-аппаратного комплекса для вертикальной культивации растений.

Поставленная задача достигается тем, что программно-аппаратный комплекс для вертикальной культивации растений содержит корпус с входной дверью, имеющий форму прямоугольного контейнера. Корпус выполнен в форме изотермического контейнера с низким коэффициентом теплопередачи, усиленного внутренним сборным каркасом из конструкционного профиля, на котором жестко закреплено оборудование фермы. При этом внутреннее пространство корпуса делится перегородками поперек его продольной оси на не менее чем три отсека: первый отсек - для культивации растений, второй отсек -для проведения обслуживающих работ и размещения инженерно-технического оборудования, и третий отсек - для рабочего места оператора. Первый и второй отсеки, а также второй и третий отсеки соединены дверью. Первый отсек содержит жестко закрепленные на сборном каркасе стеллажи для размещения проращивателей для растений и, как минимум, двух независимых контуров культивации с применением гидропонной и аэропонной технологий выращивания растений в горизонтально ориентированной многоярусной системе вертикального растениеводства, резервуары для питательного раствора с интегрированными датчиками параметров раствора, систему освещения, систему климат-контроля, систему вентиляции, датчики параметров окружающей среды, систему фенотипирования, интегрированную в программно-аппаратное оснащение фермы. Второй отсек содержит два резервуара для чистой и дренажной воды с системой фильтрации, устройство для регулирования параметров питательного раствора, осушитель, растворный узел, оснащенный дозаторами удобрений и функцией долива, а также зону обслуживания и гигиены комплекса. В третьем отсеке расположены входная дверь, рабочее место оператора, щит управления системой водоснабжения, система управления комплексом, коммуникации для подключения фермы к системам электроснабжения и водоснабжения, шкаф для средств индивидуальной защиты (СИЗ).

Отличительные признаки предлагаемого устройства выполняют следующие функциональные задачи:

- признак «корпус выполнен в форме изотермического контейнера с низким коэффициентом теплопередачи» позволяет минимизировать влияние окружающей среды на температуру воздуха внутри контейнера, тем самым приводя к снижению потребления электроэнергии для обогрева или охлаждения комплекса при круглогодичном культивировании растений в широком диапазоне климатических зон;

- признак «…усиленный внутренним сборным каркасом из конструкционного профиля, на котором жестко закреплено оборудование фермы…» снижает риск повреждения инженерных систем при транспортировке комплекса за счет их жесткого крепления к сборному каркасу. Использование конструкционного профиля обеспечивает быстрый, надежный и простой тип соединения и позволяет сократить трудозатраты на сборку каркаса, а также изменять облик и конфигурацию расположения стеллажей для культивации растений в зависимости от потребностей пользователя и вида культивируемых растений;

-в признаке «при этом внутреннее пространство контейнера делится перегородками поперек его продольной оси на не менее чем три отсека: первый отсек - для культивации растений, второй отсек - для проведения обслуживающих работ и размещения инженерно-технического оборудования, и третий отсек - для рабочего места оператора, при этом первый и второй отсеки, а также второй и третий отсеки соединены дверью, а входная дверь расположена в третьем отсеке» разделение комплекса на отсеки повышает удобство эксплуатации комплекса, упрощает процесс обслуживания системы, помогает предотвратить возможные проблемы, связанные с повреждением электронного оборудования высокой влажностью, снижает риски попадания патогенной микрофлоры на растения извне. Кроме того, наличие второго и третьего отсеков, а также размещение входной двери в третьем отсеке позволит создать защитную зону и исключить попадание потоков холодного воздуха в зону культивации извне при использовании комплекса в холодное время года;

-в признаке «первый отсек содержит жестко закрепленные на сборном каркасе стеллажи для размещения проращивателей для растений и как минимум двух независимых контуров культивации с применением гидропонной и аэропонной технологий выращивания растений» применение двух независимых контуров для выращивания растений обеспечивает выполнение комплексом своих функций в случае поломки одного из них, а проращиватель позволяет осуществлять непрерывную подготовку растительного материала из семян и ускорить процесс прорастания семян за счет создания оптимальных условий прорастания на ранних этапах роста рассады. Также два независимых контура позволяют одновременно выращивать культуры с разными требованиями к питательному раствору;

- признак «первый отсек содержит горизонтально ориентированную многоярусную систему вертикального растениеводства» позволяет повысить удобство использования систем за счет экономии пространства в помещении и снижении трудозатрат при обслуживании систем вертикальной культивации, а также увеличить объем выращиваемой продукции за счет компактного расположения стеллажей. Кроме того, горизонтально ориентированные системы в случае, если подача воды в лотки прекращена, не пересыхают и позволяют корням растений получать питательный раствор, находящийся на дне лотков;

- признак «первый отсек содержит…резервуары для питательного раствора с интегрированными датчиками параметров раствора» позволяет производить оценку качества питательного раствора, который используется для выращивания растений и автоматизировать процесс контроля состава питательного раствора. Кроме того, позволяет упростить процедуры подачи и циркуляции питательного раствора в системе вертикального растениеводства;

- признак «первый отсек содержит…систему освещения, систему климат-контроля, систему вентиляции, датчики параметров окружающей среды» позволяет увеличить урожайность за счет контроля условия выращивания растений, в т.ч. температуры, влажности, освещения и т.д., и автоматизировать процессы выращивания;

- признак «первый отсек содержит…систему фенотипирования, интегрированную в программно-аппаратное оснащение фермы» позволяет отслеживать рост и развитие растений в реальном времени, существенно сократить время на наблюдения за их внешними признаками, а также уменьшить трудозатраты за счет автоматизации процессов распознавания внешних признаков растений;

- признак «второй отсек содержит два резервуара для чистой и дренажной воды с системой фильтрации» позволяет очистить используемую воду от загрязнений и обеспечить ее высокое качество. Также обеспечивает функционирование комплекса без постоянного подключения к источнику водоснабжения и канализации;

- признак «второй отсек содержит…устройство для регулирования параметров питательного раствора» позволяет улучшить качество продукции за счет подачи культивируемым растениям необходимого количества питательных веществ на протяжении всего периода роста и снизить трудозатраты за счет автоматизации процесса контроля питательного раствора;

- признак «второй отсек содержит…зону обслуживания и гигиены» способствует поддержанию чистоты комплекса, в т.ч. позволяет производить очистку оборудования для культивации растений между применениями, обеспечивает возможность инспекции или обработки растений;

- признак «в третьем отсеке расположены рабочее место оператора» обеспечивает возможность взаимодействия оператора с системами автоматизации комплекса и серверной частью, а также позволяет производить техническое обслуживание инженерных систем комплекса, что способствует надежности и повышает эксплуатационные показатели комплекса;

- признак «в третьем отсеке расположены…щит управления системой водоснабжения, система управления комплексом» позволяет осуществлять автоматический контроль параметров окружающей среды и питательного раствора, а также управлять различными системами комплекса, включая подачу питательного раствора, освещение, температуру и влажность;

- признак «третий отсек дополнительно содержит коммуникации для подключения комплекса к системам электроснабжения и водоснабжения» позволяет упростить процесс запуска комплекса и снизить издержки на транспортировку и хранение продукции за счет возможности установки комплекса с использованием существующих коммуникаций населенных пунктов;

- признак «третий отсек дополнительно содержит шкаф для средств индивидуальной защиты» позволяет разделить комплекс на «грязную» и «чистую» зоны и расположить используемые СИЗ, такие как: сменную одежду, защитные очки, респираторы, перчатки и другие средства защиты, до зоны, в которой происходит контакт обслуживающего персонала комплекса с изготавливаемой продукцией, чтобы избежать контакта культивируемых растений с бактериями, насекомыми -вредителями и патогенами, содержащимися вне комплекса;

- признак «второй отсек дополнительно содержит осушитель» позволяет избежать повреждения оборудования, находящегося во втором и в третьем отсеке из-за высокой влажности первого отсека за счет удаления избыточной влаги из воздуха. Полученный в процессе осушения конденсат попадает в резервуар с чистой водой для повторного использования, что в результате снижает объем потребляемой жидкости;

- признак «второй отсек дополнительно содержит растворный узел, оснащенный дозаторами удобрений и функцией долива» позволяет улучшить качество продукции путем более точной корректировки показателей питательного раствора, осуществялемой при помощи дозаторов удобрений. Снижает трудозатраты на обслуживание комплекса за счет автоматизации процесса создания питательного раствора.

Кроме того, задачей настоящего изобретения является создание способа, направленного на автоматизацию процессов выращивания растений, повышение эффективности и точности управления комплексом, а также снижение трудозатрат.

Задача решается тем, что в заявленном способе подготавливают программу управления комплексом вертикальной культивации растений согласно требованиям задаваемой технологической карты, с записью программы управления в систему управления комплексом. Затем осуществляют посев семян растений в проращиватели. После прорастания семян полученную рассаду размещают в системе горизонтальных лотков для беспочвенной культивации растений, в которую подают питательный раствор. При этом контролируют параметры окружающей среды при помощи системы освещения, системы климат-контроля и системы вентиляции. При этом производят непрерывный мониторинг и регистрацию состояния растений в режиме реального времени с помощью системы фенотипирования с автоматизированной фотофиксацией с заданным периодом времени, для чего над горизонтальными стеллажами для беспочвенной культивации растений размещают камеру. Полученные изображения отправляют в файловое хранилище, и на основе нейросетевого подхода производят автоматизированный анализ и определение текущей фенофазы растения и определяют необходимость изменения технологической карты. При необходимости по показаниям датчиков параметров окружающей среды и результатам работы системы фенотипирования производят смену режимов программы управления. В качестве параметров окружающей среды контролируют освещение, температуру воздуха, влажность, содержание углекислого газа. С помощью информации, полученной с датчиков параметров питательного раствора и устройства для регулирования параметров питательного раствора, осуществляют контроль и регулировку кислотности, температуры, электропроводности, содержание растворенного кислорода, окислительно-восстановительного потенциала, количества вносимых удобрений. С помощью системы фенотипирования анализируется фотоизображение растений и производится оценка фенологической фазы выращиваемой культуры. Дополнительно управление комплексом осуществляют посредством доступа к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет» с возможностью получения в реальном времени фотографий растений, параметров окружающей среды, параметров питательного раствора и ввода данных.

Существенные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи для достижения требуемого технического результата:

- признак «сначала подготавливают программу управления комплексом для вертикальной культивации растений по п.1, согласно требованиям задаваемой технологической карты, с записью программы управления в систему управления комплексом» позволяет автоматизировать процесс управления и повысить эффективность работы комплекса, улучшить эффективность и точность управления комплексом, снизить необходимость постоянного присутствия персонала.

- признак «затем осуществляют посев семян растений в проращиватели» позволяет контролировать процесс культивации растений, начиная с посева семян, сократить время прорастания семян и увеличить вероятность успешного выращивания рассады без применения вредных веществ;

- признак «после прорастания семян полученную рассаду размещают в системе горизонтальных лотков для беспочвенной культивации растений, в которую подают питательный раствор» позволяет максимально использовать доступное пространство и оптимизировать процесс выращивания растений;

- признак «при этом контролируют параметры окружающей среды при помощи системы освещения, системы климат-контроля и системы вентиляции» позволяет автоматизировать процессы выращивания растений за счет автоматического регулирования параметров среды культивации и повысить их эффективность;

- признак «при этом производят непрерывный мониторинг и регистрацию состояния растений в режиме реального времени с помощью системы фенотипирования с автоматизированной фотофиксацией с заданным периодом времени, для чего над полками горизонтальных стеллажей для беспочвенной культивации растений размещают фотокамеры» позволяет фиксировать изображения растений в разные периоды времени;

- признак «далее полученные изображения отправляют в файловое хранилище и на основе нейросетевого подхода производят автоматизированный анализ и определение текущей фенофазы растения и определяется необходимость изменения технологической карты, при необходимости по показаниям датчиков параметров окружающей среды и результатам работы системы фенотипирования производят смену режимов программы управления.» позволяет своевременно обнаружить проблемы и принять меры для их устранения в автоматическом режиме;

- признак «В качестве параметров окружающей среды контролируют освещение, температуру воздуха, влажность, содержание углекислого газа» позволяет создать оптимальные условия для роста и развития культивируемых растений;

- признак «с помощью информации, полученной с датчиков параметров питательного раствора и устройства для регулирования параметров питательного раствора, осуществляют контроль и регулировку кислотности, температуры, электропроводности, содержание растворенного кислорода, окислительно-восстановительного потенциала, количества вносимых удобрений» позволяет обеспечить культивируемые растения необходимыми питательными веществами, а также поддерживать оптимальный уровень pH, температуры, электропроводности, кислорода, окислительно-восстановительного потенциала и количества вносимых удобрений в питательном растворе с целью повышения урожайности и качества продукции;

- признак «с помощью системы фенотипирования выделяются выращиваемые культуры, анализируется количество пигмента на фото-изображении и производится оценка фенологической фазы выращиваемой культуры» позволяет отследить рост и развитие культивируемых растений;

- признак «управление комплексом осуществляют посредством доступа к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет» с возможностью получения в реальном времени фотографий растений, параметров окружающей среды, параметров питательного раствора и ввода данных позволяет управлять процессами выращивания растений дистанционно и упростить процесс выращивания растений за счет уменьшения трудозатрат персонала.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутыми техническими результатами, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи. Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем и пригодно для использования.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 - представлен общий вид комплекса;

на фиг. 2 - изображен сборный каркас комплекса;

на фиг. 3 - изображен первый отсек комплекса;

на фиг. 4 - изображен второй отсек комплекса;

на фиг. 5 - изображен третий отсек комплекса.

Программно-аппаратный комплекс для вертикальной культивации растений содержит корпус (1), выполненный в форме изотермического контейнера с низким коэффициентом теплопередачи, усиленный внутренним сборным каркасом (2) из конструкционного профиля, на котором жестко закреплено оборудование. Внутреннее пространство корпуса делится перегородками (3) с дверными проемами (4) поперек его продольной оси на не менее чем три отсека.

Первый отсек (5) предназначен для культивации растений. Количество данных отсеков может быть увеличено за счет добавления еще одной перегородки или совмещения между собой нескольких изотермических контейнеров. Каждый такой отсек может быть отведен под определенный тип растений или этап их жизненного цикла.

На сборном каркасе (2) первого отсека жестко закреплены стеллажи из конструкционного профиля, в т.ч. стеллаж (6) для размещения проращивателей (7) и стеллаж (8) для горизонтально ориентированной многоярусной системы вертикального растениеводства. Предпочтительно, чтобы стеллажи также были выполнены из конструкционного профиля. Это позволит расширить функциональные возможности комплекса за счет конструктивных особенностей, которые позволяют устанавливать полки на заданной высоте в зависимости от вида выращиваемого растения. Горизонтально ориентированная многоярусная система вертикального растениеводства содержит, как минимум, два независимых контура культивации: контур (9) с применением гидропонной технологии выращивания растений и контур (10) с применением аэропонной технологии выращивания растений. Также отсек содержит резервуары (11) для питательного раствора с интегрированными датчиками параметров раствора (T, EC, O2, ORP, pH), источник CO2 (12), систему освещения, систему климат-контроля, систему вентиляции, датчики параметров окружающей, систему фенотипирования, интегрированную в программно-аппаратное оснащение фермы. Для системы освещения используют светильники (13), спектр излучения которых максимально соответствует спектру, поглощаемому растениями. Предпочтительно используются светодиодные светильники из-за их компактных размеров, относительно низкой температуры поверхности, широкого спектра и управления интенсивностью излучения. Система климат-контроля представлена промышленным кондиционером (14), работающим как на охлаждение, так и на обогрев отсека, и вентиляционным каналом (15) из нержавеющей стали. Система вентиляции состоит из множества асинхронных вентиляторов (на чертеже не показаны), которые равномерно распределяют потоки воздуха и влажность во всем объеме отсека, а также выполняют функцию охлаждения системы освещения. Система фенотипирования содержит фотокамеры (16), необходимые для мониторинга роста и развития растений, а также для оценки качества продукции. Камеры могут быть установлены на разных уровнях отсека и над полками стеллажей для того, чтобы получить изображения с разных ракурсов.

Второй отсек (17) предназначен для проведения обслуживающих работ и размещения инженерно-технического оборудования. Отсек содержит резервуар (18) для чистой воды, резервуар (19) для дренажной воды с системой фильтрации, устройство (20) для регулирования параметров питательного раствора, зону (21) обслуживания и гигиены, помпы (22) для гидропоники и аэропоники, осушитель (23), озонатор (24) и растворный узел (25), оснащенный дозаторами удобрений и функцией долива. Использование озонатора снижает вероятность попадания в первый отсек различных патогенов, а также устраняет неприятные запахи, таких как запах аммиака или сероводорода, которые могут возникать при использовании удобрений. Помпы для многоярусной системы вертикального растениеводства обеспечивают непрерывную циркуляцию питательного раствора для выращивания растений и, следовательно, позволяют снизить риск появления корневой гнили у культивируемых растений.

В третьем отсеке расположены рабочее место (26) оператора, щит (27) управления системой водоснабжения, система (28) управления комплексом, коммуникации для подключения фермы к системам электроснабжения и водоснабжения и шкаф (29) для СИЗ. Вход в комплекс осуществляется через входную дверь (31), расположенную в третьем отсеке.

Оператор комплекса, находясь на рабочем месте в третьем отсеке, задает необходимую в соответствии с технологическими картами программу, содержащую информацию о параметрах окружающей среды и параметрах питательного раствора, которая соответствует определенной фазе развития растений. Данную программу записывают в систему управления комплексом. В процессе культивации растений оператор имеет возможность автоматизированного контроля за основными узлами и блоками. Дополнительно оператор может осуществлять управление комплексом посредством доступа к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет» с возможностью получения в реальном времени фотографий растений, параметров окружающей среды, параметров питательного раствора и ввода данных.

Параметры окружающей среды контролируют на всех фазах роста растений при помощи системы управления комплексом, расположенной в третьем отсеке, а также датчиков параметров окружающей среды, системы освещения, системы климат-контроля и системы вентиляции, расположенных в первом отсеке.

Параметры питательного раствора контролируют при помощи щита управления системой водоснабжения. В растворном узле, оснащенном функцией долива и дозаторами удобрений в автоматическом режиме подготавливают концентрированный питательный раствор, который далее подают в резервуар для питательного раствора с интегрированными датчиками T, EC, O2, ORP, pH. С помощью информации, полученной с датчиков параметров питательного раствора и устройства для регулирования параметров питательного раствора, осуществляют контроль и регулировку кислотности, температуры, электропроводности, содержание растворенного кислорода, окислительно-восстановительного потенциала, количества вносимых удобрений. Также в резервуар для питательного раствора подают воду из резервуара для чистой воды до тех пор, пока не будет достигнуто необходимое соотношение чистой воды и питательного раствора при необходимом на данной фазе выращивания объеме.

Персонал попадает в комплекс для вертикальной культивации растений через входную дверь, расположенную в третьем отсеке. В данном отсеке работники переодеваются в СИЗ, в т.ч. надевают рабочую одежду, респираторы и защитные очки, и направляются во второй отсек.

Со второго отсека персонал попадает в первый отсек, где осуществляют посев семян растений в проращиватели с питательной средой, которые устанавливают на отведенные под них стеллажи.

После прорастания семян полученную рассаду размещают в системе горизонтальных лотков для беспочвенной культивации растений, в которую подают питательный раствор. Для циркуляции питательного раствора используют два независимых контура культивации, в зависимости от вида выращиваемого растения применяют гидропонную технологию NFT или технологию аэропоники с использованием водяных насосов высокого давления.

Лотки для гидропоники и аэропоники размещаются на полках стеллажей для горизонтально ориентированной многоярусной системы вертикального растениеводств. Высота полок стеллажей выбирается с учетом наиболее оптимальных, в зависимости от выращиваемой культуры, габаритов и учитывает максимальную высоту растения, а также высоту светильника и расстояние до него равное не менее 10 см.

С этого момента с помощью системы фенотипирования в автоматическом режиме отслеживают состояния и фазы роста растений вплоть до сбора урожая. Для этого производят фотосъемку растений с частотой 1 кадр в час. Полученные изображения передают в файловое хранилище системы управления и на основе нейросетевого подхода производят автоматизированный анализ и определение текущей фенофазы растения с использованием базы данных с RGB изображениями и описаниями стадий роста. При изменении фенофазы растения параметры окружающей среды и параметры питательного раствора корректируются в автоматическом режиме. В автоматизированном режиме определяют в т.ч. следующие стадии развития растения: появление первых настоящих листьев, появление первого междоузлия, формирование зеленой массы и отслеживание ее объема.

При применении технологи аэропоники с использованием водяных насосов высокого давления готовый питательный раствор из резервуара для питательного раствора подается по системе подающих трубок к лоткам, за счет применения насосов высокого давления обеспечивается подача через форсунки мелкодисперсных частиц питательного раствора к корневой зоне растений в заданные периоды времени в зависимости от фазы роста и вида растений. Орошение происходит с заданным интервалом и временем. Часть питательного раствора усваивается корнями растений или испаряется, а оставшаяся часть возвращается в резервуар. Циркуляция питательного раствора происходит до момента изменения фазы роста растения. Использованный питательный раствор по системе сливных трубок направляют в резервуар для дренажной воды, далее раствор фильтруют и возвращают в резервуар для чистой воды.

В случае поломки одного из независимых контуров культивации растений, систему вертикального растениеводства временно переводят на второй рабочий контур культивации растений.

Когда растения достигают заданного максимального размера их извлекают из лотков. Далее, в зоне обслуживания и гигиены, включающей интегрированную раковину из нержавеющей стали с мойкой высокого давления, производят очистку оборудования для культивации растений после использования, а также проводят инспекцию и упаковку выращенной продукции.

Благодаря автоматизации комплекса и использованию системы фенотипирования удалось минимизировать необходимость присутствия персонала для обслуживания комплекса и снизить трудозатраты, расход воды и удобрений.

Заявленная группа изобретений относится к гидропонным системам для круглогодичной беспочвенной культивации растений в широком диапазоне климатических зон, а также к автоматизированному бессубстратному способу культивации растений. Программно-аппаратный комплекс для вертикальной культивации растений содержит корпус, выполненный в форме изотермического контейнера с низким коэффициентом теплопередачи, усиленный внутренним сборным каркасом, на котором жестко закреплено оборудование. Внутреннее пространство корпуса делится перегородками с дверными проемами поперек его продольной оси на не менее чем три отсека. Первый отсек предназначен для культивации растений. На сборном каркасе первого отсека жестко закреплены стеллажи из конструкционного профиля, в т.ч. стеллаж для размещения проращивателей и стеллаж для горизонтально ориентированной многоярусной системы вертикального растениеводства. Горизонтально ориентированная многоярусная система вертикального растениеводства содержит, как минимум, два независимых контура культивации: контур с применением гидропонной технологии выращивания растений и контур с применением аэропонной технологии выращивания растений. Также отсек содержит резервуары для питательного раствора с интегрированными датчиками параметров раствора (T, EC, O2, ORP, pH), источник CO2 (12), систему освещения, систему климат-контроля, систему вентиляции, датчики параметров окружающей, систему фенотипирования, интегрированную в программно-аппаратное оснащение фермы. Система фенотипирования содержит фотокамеры, необходимые для мониторинга роста и развития растений, а также для оценки качества продукции. Второй отсек предназначен для проведения обслуживающих работ и размещения инженерно-технического оборудования. Отсек содержит резервуары для чистой и дренажной воды с системой фильтрации, устройство для регулирования параметров питательного раствора, зону обслуживания и гигиены, помпы для гидропоники и аэропоники, осушитель, озонатор и растворный узел, оснащенный дозаторами удобрений и функцией долива. В третьем отсеке расположены рабочее место оператора, щит управления системой водоснабжения, система управления комплексом, коммуникации для подключения фермы к системам электроснабжения и водоснабжения, и шкаф для СИЗ. Вход в комплекс осуществляется через входную дверь, расположенную в третьем отсеке. Благодаря автоматизации комплекса и использованию системы фенотипирования обеспечена минимизация необходимости присутствия персонала для обслуживания комплекса и снижение трудозатрат, расхода воды и удобрений. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Программно-аппаратный комплекс для вертикальной культивации растений, содержащий корпус с входной дверью, имеющий форму прямоугольного контейнера, с размещёнными в нем множеством стеллажей для систем беспочвенной культивации растений, системой управления, станцией для проращивания семян, системой освещения, системой климат-контроля, системой вентиляции и резервуарами для питательного раствора, отличающийся тем, что корпус выполнен в форме изотермического контейнера с низким коэффициентом теплопередачи, усиленный внутренним сборным каркасом из конструкционного профиля, на котором жестко закреплено оборудование фермы, при этом внутреннее пространство контейнера делится перегородками поперек его продольной оси на не менее чем три отсека: первый отсек - для культивации растений, второй отсек - для проведения обслуживающих работ и размещения инженерно-технического оборудования, и третий отсек - для рабочего места оператора, при этом первый и второй отсеки, а также второй и третий отсеки соединены дверью, а входная дверь расположена в третьем отсеке, первый отсек содержит жестко закрепленные на сборном каркасе стеллажи для размещения проращивателей для растений и как минимум двух независимых контуров культивации с применением гидропонной и аэропонной технологий выращивания растений в горизонтально ориентированной многоярусной системе вертикального растениеводства, резервуары для питательного раствора с интегрированными датчиками параметров раствора, систему освещения, систему климат-контроля, систему вентиляции, датчики параметров окружающей среды и систему фенотипирования, интегрированную в программно-аппаратное оснащение фермы, второй отсек содержит два резервуара для чистой и дренажной воды с системой фильтрации, устройство для регулирования параметров питательного раствора и зону обслуживания и гигиены, в третьем отсеке расположены рабочее место оператора, щит управления системой водоснабжения, система управления комплексом.

2. Программно-аппаратный комплекс по п. 1, отличающийся тем, что третий отсек дополнительно содержит коммуникации для подключения фермы к системам электроснабжения и водоснабжения.

3. Программно-аппаратный комплекс по п. 1, отличающийся тем, что третий отсек дополнительно содержит шкаф для средств индивидуальной защиты.

4. Программно-аппаратный комплекс по п. 1, отличающийся тем, что второй отсек дополнительно содержит растворный узел, оснащенный дозаторами удобрений и функцией долива и осушитель.

5. Способ культивации растений, заключающийся в том, что сначала подготавливают программу управления комплексом для вертикальной культивации растений по п. 1, согласно требованиям задаваемой технологической карты, с записью программы управления в систему управления комплексом, затем осуществляют посев семян растений в проращиватели, после прорастания семян полученную рассаду размещают в системе горизонтальных лотков для беспочвенной культивации растений, в которую подают питательный раствор, при этом контролируют параметры окружающей среды при помощи системы освещения, системы климат-контроля и системы вентиляции, при этом производят непрерывный мониторинг и регистрацию состояния растений в режиме реального времени с помощью системы фенотипирования с автоматизированной фотофиксацией с заданным периодом времени, для чего над полками горизонтальных стеллажей для беспочвенной культивации растений размещают фотокамеры, далее полученные изображения отправляют в файловое хранилище и на основе нейросетевого подхода производят автоматизированный анализ и определение текущей фенофазы растения, и определяется необходимость изменения технологической карты.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что при необходимости по показаниям датчиков параметров окружающей среды и результатам работы системы фенотипирования производят смену режимов программы управления.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в качестве параметров окружающей среды контролируют освещение, температуру воздуха, влажность, содержание углекислого газа.

8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что с помощью информации, полученной с датчиков параметров питательного раствора и устройства для регулирования параметров питательного раствора, осуществляют контроль и регулировку кислотности, температуры, уровня электропроводности, уровня кислорода, окислительно-восстановительного потенциала, количества вносимых удобрений.

9. Способ по п. 6, отличающийся тем, что с помощью системы фенотипирования выделяются выращиваемые культуры, анализируется количество пигмента на фотоизображении и производится оценка фенологической фазы выращиваемой культуры.

10. Способ по п. 6, отличающийся тем, что управление комплексом осуществляют посредством приложения, установленного на мобильном телефоне или ином компьютерном устройстве с доступом к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет» с возможностью получения в реальном времени фотографий растений, параметров окружающей среды и питательного раствора и ввода данных.