СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ДЛЯ РОСТА КУЛЬТУР В УСЛОВИЯХ ИСКУССТВЕННОГО КЛИМАТА В ШКАФУ С РЕГУЛИРУЕМЫМ МИКРОКЛИМАТОМ Российский патент 2024 года по МПК A01G9/24 A01G31/02 A01G7/00 

Изобретение относится к области лабораторного оборудования для проведения научно-исследовательских работ с растениями и грибами в условиях искусственного климата [A01G9/24]. Может быть использовано для изучения влияния климатических факторов на процессы, протекающие в биологических объектах, а также для разработки оптимальных условий для содержания определенных сортов и гибридов растений, либо для выращивания грибов.

Известен шкаф роста растений (RU 2446673, опубл. 10.04.2012), содержащий остекленную рабочую камеру с остекленной передней дверью для наблюдения за растениями, источники света, расположенные с внешней стороны рабочей камеры, блок подготовки воздуха и блок управления, отличающийся тем, что внутренняя поверхность двери снабжена зеркальным покрытием с заданным коэффициентом пропускания света.

Известен шкаф с регулируемым микроклиматом (RU 2603910, опубл. 2016.12.10), содержащий остекленную рабочую камеру с остекленной передней дверью для наблюдения за растениями и двойной задней остекленной стенкой, образующей полость, обеспечивающую выход воздуха в рабочую камеру через щель в верхней части внутреннего стекла, источники света, расположенные с внешней стороны рабочей камеры, блок управления и блок подготовки воздуха, состоящий из увлажнителя, охладителя, нагревателя и сообщающийся с полостью двойной задней остекленной стенки, а также с рабочей камерой посредством отверстий в общей стенке, являющейся его потолком и дном рабочей камеры, отличающийся тем, что блок подготовки воздуха снабжен гибким воздуховодом, один конец которого герметично соединен с выходным патрубком увлажнителя, а второй конец выходит в полость, образованную двойной задней остекленной стенкой, а также экраном для защиты гибкого воздуховода от нагнетания в него циркулирующего воздуха и обеспечения беспрепятственного выхода увлажненного воздуха, установленным около второго конца гибкого воздуховода.

Известен шкаф искусственного климата (RU 2546221, опубл. 2015.04.10), содержащий остекленную рабочую камеру с остекленной передней дверью для наблюдения за растениями, источники света, расположенные с внешней стороны рабочей камеры, блок управления и блок подготовки воздуха, сообщающийся с рабочей камерой посредством отверстий в общей стенке, являющейся его потолком и дном рабочей камеры, отличающийся тем, что задняя остекленная стенка рабочей камеры выполнена двойной таким образом, что образуется полость для нагнетания в нее воздуха из блока подготовки воздуха, а ее внутреннее стекло имеет щель в верхней части для выхода циркулирующего воздуха в рабочую камеру и далее в блок подготовки воздуха через отверстия в дне рабочей камеры.

Во всех вышеописанных известных решениях регистрация показаний с автоматическим формированием электронной базы данных не осуществляется, что не позволяет проводить изучение влияния климатических факторов на процессы, протекающие в биологических объектах, а также не позволяет вести разработку оптимальных условий для содержания определенных сортов и гибридов.

Известна установка для разведения биологических объектов с функцией мониторинга и поддержания заданных абиотических параметров искусственной среды (RU 195167U, опубл. 16.01.2020), содержащая открытый корпус модульно-стеллажного типа с регулируемыми по высоте полками, светодиодные элементы на каждом этаже корпуса, микроконтроллер, включающий, по меньшей мере, два датчика температуры, по меньшей мере, два датчика влажности воздуха и датчик освещенности, а также реле управления розетками, предназначенными для подключения внешних устройств регулирования параметров среды, причем микроконтроллер выполнен с возможностью мониторинга температуры, влажности воздуха в рабочей среде, контроля уровня освещенности в рабочем пространстве, дистанционного отображения результатов мониторинга, дистанционного управления питанием внешних устройств оборудования по подготовке воздуха, дистанционного управления освещенности рабочего пространства и регистрация результатов мониторинга с формированием электронной базы данных параметров среды в установке, где управление микроконтроллером реализовано по схеме и запрограммировано в соответствии с алгоритмом.

В аналоге ведется регистрация показаний с автоматическим формированием электронной базы данных.

Технической проблемой аналога является то, что запись данных ведется не в связке с динамикой роста растений, что не позволяет вести разработку оптимальных условий для содержания определенных сортов и гибридов.

Наиболее близким аналогом является Биолаборатория “ANRO EXPERT” (см.: https://anrotech.ru/product/anro-expert/ , опубл. 11.05.2020), которая представляет собой учебно-исследовательский комплекс, предназначенный для выращивания растений с предустановленной системой интеллектуального обеспечения микроклимата. Комплекс предназначен для организации познавательно-исследовательской и экспериментальной деятельности дошкольников и школьников и знакомства детей с устройством органического мира. Управление микроклиматом производится с помощью специального приложения.

Биолаборатория по прототипу представляет из себя автономную оранжерею, для работы которой не требуется внешних управляющих устройств. Она снабжена жидкокристаллическим дисплеем, на котором отображается текущее состояние среды в рабочей камере.

Биолаборатория по прототипу представляет собой шкаф с регулируемым микроклиматом, имеющий замкнутую камеру с дверцей, в верхней части которой установлена светодиодная подсветка, в нижней части выполнено пространство для установки горшка с культурой, а в изолированной от внутренней среды камеры области установлен микроконтроллер, к которому подключены по меньшей мере: один датчик температуры, датчик влажности воздуха и влажности почвы, датчик освещенности, а также реле управления разъемами, предназначенными для подключения внешних устройств регулирования параметров среды; причем микроконтроллер выполнен с возможностью мониторинга температуры, влажности воздуха в рабочей среде, контроля уровня освещенности в рабочем пространстве, дистанционного отображения результатов мониторинга, дистанционного управления питанием насоса для полива, вентилятора, увлажнителя воздуха, внешних устройств оборудования по подготовке воздуха, дистанционного управления освещенности рабочего пространства и регистрация результатов мониторинга с формированием электронной базы данных параметров среды в установке.

Для конфигурирования режима работы используется внешний ПК подключаемый к установке посредством USB кабеля и запуска на нём программы конфигурирования. После конфигурирования параметры работы записываются в энергонезависимую память установки и внешний ПК может быть отключен.

В прототипе также ведется регистрация показаний с автоматическим формированием электронной базы данных.

Технической проблемой прототипа является то, что запись данных ведется не в связке с динамикой роста растений, что не позволяет вести разработку оптимальных условий для содержания определенных сортов и гибридов.

Динамику роста растений можно отслеживать только визуально, что не дает точности и не позволяет идентифицировать оптимальные условия для роста и развития растений определенного сорта или гибрида.

В целом, на сегодня стоит задача быстрого поиска оптимальных условий для выращивания новых сортов и гибридов растений, либо для выращивания грибов.

Если для известных сортов и гибридов растений, а также для известных грибов эти условия уже отлажены практикой, то для вновь получаемых сортов и гибридов, либо для поиска оптимальных условий при окультуривания съедобных грибов, которые ранее не выращивались искусственно, оптимальные условия содержания не известны.

В настоящее время требуется получить не один урожай и провести выращивание не в одной лабораторной установке или теплице, чтобы изучить и выявить оптимальные условия для роста таких растений или грибов.

Это слишком долго и не окупает получение новых сортов и гибридов, а также не стимулирует окультуривание диких съедобных грибов.

Задачей изобретения является устранение вышеописанных проблем и поиск решений, позволяющих быстро изучать и выявлять оптимальные условия для роста новых сортов растений и гибридов растений, а также для поиска оптимальных условий при окультуривания съедобных грибов, которые ранее не выращивались искусственно.

Техническим результатом изобретения является условия, при которых удается быстро изучать оптимальные условия для роста новых сортов растений и гибридов растений, либо оптимальные условия для окультуривания съедобных грибов, которые ранее не выращивались искусственно.

Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен способ определения оптимальных условий для роста искусственных культур в шкафу с регулируемым микроклиматом, характеризующийся использованием шкафа с прозрачным корпусом и одной секцией, светодиодной подсветки в верхней части корпуса, систем автономного контроля и мониторинга за освещенностью, температурой и влажностью воздуха и почвы, причем системы автономного контроля выполнены с возможностью дистанционного управления параметрами и с регистрацией результатов мониторинга с формированием электронной базы данных параметров среды, отличающийся тем, что в результаты мониторинга дополнительно вносят параметры роста культуры, выращивание которой осуществляют в камере, причем указанные параметры отслеживают путем периодической с заданным временным шагом фотофиксации роста культуры в камере с последующим формированием анимационного ролика на период времени, в которых заданные параметры освещения, температуры и влажности воздуха и почвы не менялись пользователем; после смены указанных заданных параметров пользователем формируют и записывают новый анимационный ролик из снимков фотофиксации культуры внутри камеры, который записывают вплоть до новых изменений пользователем параметров освещения, температуры и влажности воздуха и почвы; оптимальными условиями роста культуры считают такие, при которых наблюдают ее наилучший рост.

Предпочтительно, фотофиксацию ведут с помощью фотокамеры, объектив которой располагают на одной из стенок камеры с ее внутренней или внешней стороны и направляют на культуру.

Предпочтительно, на противоположной стенке шкафа, где размещают объектив фотокамеры, размещают визирную рейку с маркерными метками.

Предпочтительно, визирную рейку с маркерными метками выполняют в виде прозрачной прямоугольной пленки, на которой наносят горизонтальные и вертикальные параллельные метки.

Указанные метки выполняют с возможностью программного распознавания по фотоснимкам.

Допустимо, что идентификацию наилучшего роста культуры осуществляют в автоматическом режиме через программное приложение, установленное на сервере, куда передают по проводной или беспроводной связи все данные мониторинга, по которым затем программным путем идентифицируют лучший рост культуры по покрытым маркерным меткам, для чего оптимальными условиями роста культуры считают такие параметры, при которых за заданный период времени идентифицирован наилучший физический рост культуры по высоте и ширине, который программно определяют как наибольшее количество закрытых культурой вертикальных и горизонтальных меток за заданный период времени между первым и последним снимком указанного временного периода.

Заявленный способ осуществляют с помощью устройства, представляющего собой шкаф с регулируемым микроклиматом, имеющий замкнутую камеру с дверцей, в верхней части которой установлена светодиодный светильник, в нижней части выполнено пространство для установки горшка с культурой, а в изолированной от внутренней среды камеры области установлен микроконтроллер управления, к которому подключены по меньшей мере: один датчик температуры, датчик влажности воздуха и влажности почвы, а также реле управления разъемами, предназначенными для подключения внешних устройств регулирования параметров среды; причем микроконтроллер управления выполнен с возможностью мониторинга температуры, влажности воздуха в рабочей среде, дистанционного отображения результатов мониторинга, дистанционного управления питанием насоса для полива, вентилятора, увлажнителя воздуха, внешних устройств оборудования по подготовке воздуха, дистанционного управления освещенности рабочего пространства и регистрация результатов мониторинга с формированием электронной базы данных параметров среды в установке, отличающееся тем, что на одной из стенок камеры с ее внутренней или внешней стороны установлена фотокамера, объектив которой направлен на культуру, причем управление фотокамерой подключено к микроконтроллеру управления, где последний выполнен с возможностью записи фотоснимков на накопитель информации и их последующей программной переработки в анимацию.

Предпочтительно, шкаф содержит датчик освещенности и подключен к микроконтроллеру управления.

Предпочтительно, на противоположной стенке шкафа, где размещают объектив фотокамеры, размещают визирную рейку с маркерными метками.

Предпочтительно, визирная рейка с маркерными метками представляет собой прямоугольную прозрачную пленку, на которой нанесены горизонтальные и вертикальные параллельные метки.

Предпочтительно, к микроконтроллеру подключен блок беспроводной связи, а микроконтроллер выполнен с возможностью управления и замены параметров через мобильное приложение на смартфоне пользователя, а также с возможностью передачи данных мониторинга на мобильное приложение.

Предпочтительно, светодиодная подсветка выполнена состоящей из отдельно управляемых светодиодов синего, красного и белого, либо УФ-спектров.

Предпочтительно, внутри шкафа с регулируемым микроклиматом встроен датчик СО₂.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана блок схема электронных узлов шкафа с регулируемым микроклиматом.

На фиг. 2 показано устройство шкафа с регулируемым микроклиматом вид спереди (вид в разрезе вдоль дверцы).

На фиг. 3 показано устройство шкафа с регулируемым микроклиматом вид спереди (вид в разрезе за дверцей).

На фиг. 4 показано устройство шкафа с регулируемым микроклиматом вид сбоку (вид в поперечном разрезе).

На фиг. 5 показано устройство шкафа с регулируемым микроклиматом вид сзади.

На фиг. 6 показана схематика маркерного отслеживания роста культуры в динамике по фотографиям с разной периодичностью.

На фиг. 7 показан пример шкафа с регулируемым микроклиматом для автоматического режима мониторинга с метками (освещение выключено).

На фиг. 8 показан пример шкафа с регулируемым микроклиматом для автоматического режима мониторинга с метками (освещение включено).

На фиг. 9 показан скриншот экрана мобильного приложения для ввода или изменений параметров со смартфона пользователя.

На фиг. 10 показан скриншот экрана мобильного приложения для пополнения запаса воды.

На фиг. 11 показан алгоритм передачи данных мониторинга со шкафа с регулируемым микроклиматом на облачный сервер, а с него на приложение смартфона пользователя.

На фиг. 12 показан пример шкафа с регулируемым микроклиматом для фотомониторинга в ручном режиме без меток (освещение выключено, дверца шкафа открыта).

На чертежах: 1 - шкаф с регулируемым микроклиматом, 2 - светодиодный светильник, 3 - светодиодный драйвер, 4 - блок реле управления светом, 5 - микроконтроллер управления, 6 - датчик температуры воздуха, 7 - датчик влажности воздуха, 8 - датчик влажности почвы, 9 - валкодер управления параметрами вручную, 10 - ЖК-дисплей, 11 - сервопривод вентиляции, 12 - часы реального времени, 13 - блок реле управления приборами, 14 - ручка валкодера, 15 - блок питания/трансформатор с 220V на 12V, 16 - преобразователь 12V в 24V, 17 - преобразователь 12V в 5V, 18 - увлажнитель воздуха, 19 - насос полива, 20 - насос увлажнителя, 21 - вентилятор увлажнителя, 22 - вентилятор вентиляции, 23 - разъем подключения питания 220V от розетки, 24 - USB порт, 25 - фотокамера, 26 - блок беспроводной связи, 27 - объектив фотокамеры, 28 - подпотолочная изолированная ниша шкафа, 29 - передняя стенка шкафа, 30 - дверца шкафа, 31 - ручка дверцы, 32 - петли, 33 - придонные изолированные ниши шкафа, 34 - маркерные метки, 35 - горшок с выращиваемой культурой, 36 - днище шкафа, 37 - задняя стойка, 38 - боковые стенки шкафа, 39 - задняя нижняя стенка шкафа, 40 - задняя верхняя стенка шкафа, 41 - облачный сервер, 42 - смартфон пользователя, 43 - данные мониторинга.

Осуществление изобретения

Определение оптимальных условий для роста искусственных культур в шкафу с регулируемым микроклиматом осуществляют таким образом, что в результаты мониторинга дополнительно вносят параметры роста культуры, выращивание которой осуществляют в камере, причем указанные параметры отслеживают путем периодической с заданным временным шагом фотофиксации роста культуры в камере с последующим формированием анимационного ролика на период времени, в которых заданные параметры освещения, температуры и влажности воздуха и почвы не менялись пользователем; после смены указанных заданных параметров пользователем формируют и записывают новый анимационный ролик из снимков фотофиксации культуры внутри камеры, который записывают вплоть до новых изменений пользователем параметров освещения, температуры и влажности воздуха и почвы; оптимальными условиями роста культуры считают такие, при которых наблюдают ее наилучший рост.

Фотофиксацию можно вести с помощью фотокамеры 25 (см. фиг. 1-5), объектив 27 которой располагают на одной из стенок камеры с ее внутренней или внешней стороны и направляют на культуру.

На противоположной стенке шкафа, где размещают объектив 27 фотокамеры 25, размещают визирную рейку с маркерными метками 34. Рейка может представлять собой различные по форме и размерам объекты, как линейку, так и в виде прямоугольной клейкой пленки, например, прозрачной, на которой наносят горизонтальные и вертикальные параллельные метки 34. Указанные метки выполняют таким образом, чтобы было возможно их программное распознавание по фотосникам (подробности будут описаны далее).

Идентификацию наилучшего роста культуры осуществляют как в ручном режиме по снимкам фотофиксации. Ручной режим (для установки типа той, что показана на фиг.12 - только с камерой без меток) предпочтителен при исследованиях за культурой, для которой не нужен интенсивный рост верхних побегов, а, например, нужно добиться их цветения (к примеру, кактусы).

В автоматическом режиме идентификацию наилучшего роста культуры осуществляют через программное приложение на смартфоне 42 пользователя, установленное на сервере 41 (см. алгоритм схемы на фиг. 11), куда передают по проводной или беспроводной связи все данные мониторинга 43, по которым затем программным путем идентифицируют лучший рост культуры по покрытым маркерным меткам. В таком способе идентификации оптимальными условиями роста культуры считают такие параметры, при которых за заданный период времени идентифицирован наилучший физический рост культуры по высоте и ширине, который программно определяют как наибольшее количество закрытых культурой вертикальных и горизонтальных меток за заданный период времени между первым и последним снимком указанного временного периода.

Заявленный способ осуществляют с помощью устройства, представляющего собой шкаф 1 с регулируемым микроклиматом, имеющий замкнутую камеру с дверцей 30. Дверца 30 для удобства может иметь ручку 31 и может фиксироваться на стекле передней стенки 29 шкафа 1 с помощью петель 32.

В верхней части шкафа 1 установлен светодиодный светильник 2.

В нижней части шкафа выполнено пространство для установки горшка 35 с культурой.

В одной из изолированных от внутренней среды камеры областях (подпотолочная изолированная ниша 28, придонные изолированные ниши 33, задняя стойка 37) шкафа 1 установлен микроконтроллер управления 5, к которому подключены по меньшей мере: один датчик температуры 6, датчик влажности воздуха 7 и влажности почвы 8. При необходимости, также может подключаться датчик освещенности.

Также к микроконтроллеру управления 5 подключены реле управления разъемами (4, 13), предназначенными для подключения внешних устройств регулирования параметров среды.

Микроконтроллер управления 5 выполнен с возможностью мониторинга температуры, влажности воздуха в рабочей среде, (при необходимости, контроля уровня освещенности в рабочем пространстве), дистанционного отображения результатов мониторинга на ЖК-дисплее 10, дистанционного управления питанием насоса 19 для полива, вентилятора вентиляции 22, увлажнителя воздуха 18, внешних устройств оборудования по подготовке воздуха, дистанционного управления освещенности рабочего пространства и регистрация результатов мониторинга с формированием электронной базы данных параметров среды в установке.

Так, сервопривод 11 вентиляции используется для перенаправления потока воздуха из или внутрь камеры шкафа 1 с целью улучшения микроклиматических условий.

Блок с часами 12 реального времени используется как эталонный для выполнения заданных программ, записанных в микроконтроллер управления 5.

Электропитание на шкаф подается от сети 220V через разъем 23 подключения питания 220V от розетки на блок питания/трансформатор 15, где переменное напряжение 220V преобразуется в постоянное на 12V, откуда затем идет на блоки преобразования 16 и 17, где преобразуется с 12V в 24V и с 12V в 5V, соответственно. Далее питание от блока преобразования 16 и напрямую от блока питания/трансформатор 15 идет на блок реле 13 управления приборами, для которых нужны разные токи питания, а на микроконтроллер управления 5 идет питание от блока преобразования 17.

Увлажнитель воздуха 18 работает от насоса 20 увлажнителя, который подведен шлангом в нишу 33, где находятся емкости с водой. Вентилятор увлажнителя 21 выдувает влажный пар в зону камеры шкафа 1.

Вентилятор вентиляции 22 используется для снижения влажности воздуха внутри камеры и для снижения температуры.

Шкаф 1 состоит из днища 36, изолированных ниш (28, 33, 37) и прозрачных стенок: передней стенки 29, боковых стенок 38, задней стенки.

Задняя стойка 37 представляет собой профиль прямоугольного сечения, который внутри используется как канал электрокоммуникаций, а сам по себе может служить опорной стойкой, усиливающей прочность конструкции шкафа 1, поскольку стойка 37 фиксирована одним концом в заднюю нижнюю 39 стенку шкафа, а другим концом - в заднюю верхнюю 40 стенку шкафа.

Новым в шкафу является то, что на одной из стенок камеры (предпочтительно внутри опорной стойки 37) с ее внутренней или внешней стороны установлена фотокамера 25, объектив 27 которой направлен на культуру.

Управление фотокамерой 25 подключено к микроконтроллеру управления 5, где последний выполнен с возможностью записи фотоснимков на накопитель информации (может быть встроен в микроконтроллер 5) и их удаленной передачи по проводной или беспроводной связи, например, через блок беспроводной связи 26.

Шкаф имеет два основных режима работы: ручной и автоматический.

Ручной режим

- В ручном режиме пользователь самостоятельно управляет работой исполнительных систем установки. Доступны следующие настройки:

- Режим работы лампы освещения. Возможно раздельное управление каждой секцией освещения лампы.

- Увлажнитель воздуха - включить/выключить

- Насос полива - включить/выключить

- Насос увлажнителя - включить/выключить

- Вентиляция - выключена/на проток/на циркуляцию.

Автоматический режим

В автоматическом режиме установка по заданным настройкам пользователя управляет работой исполнительных систем установки. В этом режиме не требуется постоянного участия пользователя, установка самостоятельно, на основании показаний встроенных датчиков управляет работой всех систем.

Система освещения

Осветительная система установки представлена специальными светодиодными лампами, излучающими свет с длинами волн, соответствующими пикам поглощения хлорофиллами высших растений при фотосинтезе. Продолжительное воздействие фитосвета может быть неприятно для человека, это необходимо учесть при выборе режима освещения (включать освещение в периоды отсутствия людей в помещении).

Пользователь задает:

- “начало светового дня” – время, когда происходит включение лампы освещения.

- “длительность светового дня” - суммарное время работы лампы в сутках.

На основании данных настроек внутренний алгоритм лампы рассчитывает время включения и выключения лампы освещения имитируя световой день.

Шкаф имеет светодиодный светильник 2 со сложным циклом освещения, в котором имеются отдельно синие, отдельно красные, и отдельно белые, либо УФ-светодиоды.

По командным параметрам и расписанию в микроконтроллере управления 5 на светодиодные драйверы 3, каждый из которых подключен к своим цветовым светодиодам через блок реле 4 управления светом.

При необходимости, можно дополнительно использовать встроенный датчик освещенности (люксометр) (на чертежах не показан) при густой ботве культуры, который может отправить сигнал на микроконтроллер, а с него пользователю на необходимость усиления потока освещения, либо это делается автоматически, если такие параметры задаются изначально.

Установка автоматической программы запуска сложного цикла освещения обеспечивает возможность вариативного подбора светового режима и программирования световых спектров для выращивания растений (режимы заката и рассвета). Это может осуществляться посредством контроллера (например, см. https://www.youtube.com/watch?v=b6pW34FzMwE).

Таким образом может быть реализовано отдельное включение синего и красного спектра и возможность переключения состава спектра в течение светового дня и три режима освещения с изменением баланса синего и красного спектра.

При необходимости шкаф может быть оснащен встроенным датчиком СО₂ (на чертежах не показан) для изучения газообмена экосистемы камеры шкафа.

Система полива

Алгоритм управления системы полива имеет два основных режима работы: по влажности почвы, периодический.

В режиме работы по влажности почвы пользователь выбирает какую влажность почвы должна поддерживать установка: 65%, 75%, 90%. В данном режиме установка основываясь на показания датчика влажности почвы периодически включает и выключает полив поддерживая заданную влажность почвы.

В периодическом режиме пользователь задает период включения насоса полива: 1 раз в час, 1 раза в 2 часа, 1 раз в 6 часов, 1 раз в 12 часов, 1 раз в сутки. В данном режиме установка по встроенным часам включает и выключает насос полива с заданным интервалом, значения датчика влажности почвы в данном режиме не учитываются.

Система вентиляции

Алгоритм управления системой вентиляции включает и выключает проветривание рабочей камеры установки с заданной пользователем периодичностью. Доступны следующие периоды вентилирования: постоянно проветривать, с интервалом 15 минут, с интервалом 30 минут, с интервалом 1 час, с интервалом 2 часа. Значения датчика температуры и влажности воздуха в данном режиме не учитываются.

Система увлажнения воздуха

Алгоритм управления системой увлажнения воздуха включает и выключает увлажнитель воздуха и систему вентиляции в режиме циркуляции с заданной пользователем периодичностью. Система вентиляции на циркуляцию включается для однородного увлажнения всего объёма рабочей камеры. В случае если в момент включения увлажнения воздуха работает система вентиляции то увлажнение воздуха включается после завершения ее работы Доступны следующие периоды работы: с интервалом 1 минута, с интервалом 5 минут, с интервалом 15 минут, с интервалом 30 минут, с интервалом 1 час, с интервалом 2 часа.

Общие сведения о программном обеспечении (ПО) установки

ПО установки может быть сформировано различными способами. В опытном образце ПО было разработано в программной среде Ардуино. Управляющее ПО непрерывно считывает показания с датчиков установки и на основании настроек работы, сохраненных в энергонезависимой памяти, управляет работой исполнительных устройств.https://app.diagrams.net/?page-id=Nf1973ngoe93-JCyGChx&scale=auto - G1vRuv_5jGSDp-g-Kq-dlka0q2S8Q5v3BV

ЖК-индикатор служит для отображения основных параметров биолаборатории (температура влажность, ID-устройства). ЖК-индикатор позволяет вести полноценную работу, управление, считывание данных с устройства без каких либо внешних компьютеров и подключений.

Ввод и изменение параметров осуществляют вручную механическим валкодером управления 9 через ручку 14.

Шкаф с регулируемым микроклиматом подключают перед эксплуатацией следующим образом.

Проверяют правильность установки и подключения прибора. Подключают кабеля питания в разъемы 23. Убеждаются, что при подаче питания включился ЖК-дисплей 10. Подключают кабель USB в порт USB 24, который подключен к микроконтроллеру управления 5.

Открывают дверцу рабочей камеры. Извлекают горшок 35 для выращивания культуры, заполняют его почвой.

Заливают деминерализованную воду в резервуар (на чертежах не показан). Устанавливают крышки емкости для воды, которые размещают в изолированных нишах придонного пространства 33. Вставляют в емкости для воды шланги капельниц и датчика влажности почвы (на чертежах не показано).

Шкаф готов к работе.

Запуск в работу осуществляют посадкой семян или рассады, либо мицелия грибницы. Устанавливают горшок 35 с культурой в рабочую камеру. Размещают датчик влажности почвы 8 и капельницы системы полива в горшке 35 с культурой. Щуп датчика влажности 8 следует погрузить в почву полностью.

Затем закрывают дверцу рабочей камеры и задают параметры работы систем устройства с использованием готовых шаблонов или самостоятельно. Загружают программу в установку либо путем ввода ее вручную, либо с помощью мобильного приложения (см. пример скриншота экрана программы на фиг. 9.

Запускают выполнение рабочей программы.

При доливе воды допускается использование только деминерализованной воды.

По мере расходования необходимо доливать воду в резервуар. Информация о низком уровне воды отображается на дисплее установки или в мобильном приложении смартфона 42 пользователя. Для пополнения запаса воды необходимо выбрать режим “Долив”, начать закачку воды (см. пример на фиг. 10).

Не допускают осушения насоса во включенном состоянии. При необходимости доливают воду в расходную тару или вручную останавливают закачку. Закачка воды остановится автоматически по сигналу датчика максимального уровня (или ее можно остановить досрочно). После выключения насоса вворачивают шланг залива в крепление, а его конец размещают во встроенной емкости с водой (на чертежах не показано). Закрывают люк и дверцу 30 рабочей камеры шкафа.

Весь процесс долива воды занимает 5-10 минут, полного бака (20 л) хватает на 2-3 недели работы установки.

Для получения оптимальных результатов рекомендуется использовать готовые почвосмеcи, по структуре, составу питательных элементов и кислотности, соответствующие требованиям выбранной культуры.

Заявленный шкаф представляет собой компактную оранжерею с автоматической поддержкой микроклимата в течение длительного периода. Параметры систем жизнеобеспечения выбираются из встроенных режимов или задаются пользователем в специализированной программе и загружаются в установку через USB-разъем перед началом работы.

Шкаф позволяет проводить эксперименты и постановку демонстрационных опытов по выращиванию растений и грибов; вести круглогодичное культивирование растений (в том числе экзотических), выращивание рассады, выгонку луковичных, черенкование и др.

Отличительной особенностью заявленного шкафа в сравнении с прототипом является возможность вести в режиме реального времени мониторинг роста и развития культур.

В прототипе шкаф позволяет вести мониторинг лишь визуально, тогда как в заявленном изобретении мониторинг ведется с помощью фотокамеры 25, которую предпочтительно размещать на задней стойке 37, и объектив 27 фотокамеры 25 направлен на культуру.

За счет того, что управление фотокамерой 25 подключено к микроконтроллеру управления 5, где последний выполнен с возможностью записи фотоснимков на накопитель информации (встроен внутри микроконтроллера).

Переработка фотоснимков в анимацию возможна в последующем на приложении смартфона 42 пользователя. Пользователь, анализируя анимацию определяет степень эффективности параметров освещения, температуры, влажности воздуха и почвы.

Если параметры оказались не эффективны, пользователь меняет их.

В результате, таким способом за один сезон культивирования можно для любого сорта или гибрида растения, либо для грибов точно и эффективно определить с помощью множества шкафов оптимальные параметры роста и развития культуры.

И чем больше будет использовано таких шкафов для мониторинга роста одного сорта или гибрида растения, либо гриба, тем эффективнее и точнее будет получен результат по оптимальным параметрам освещения, температуры, влажности воздуха и почвы.

Переработка фотоснимков в анимацию возможна также на облачном сервере 41, куда (см. фиг. 11) через блоки беспроводной связи 26.1, 26.2, 26.N, подключаемые по сети Wi-Fi к интернету, выгружаются данные мониторинга 43.1, 43.2, 43.N с различных шкафов 1.1, 1.2, 1.N, соответственно.

Таким образом, облачный сервер 41 может одновременно вести обработку огромного числа шкафов с различными или односортовыми культурами. Это позволяет в короткое время при использовании множества однотиповых шкафов 1 согласно изобретения выявлять оптимальные параметры для роста и развития растений определенного сорта или гибрида, либо при окультуривании диких грибов.

При этом, в случае обработки данных мониторинга 43 на сервере 41, удается в автоматическом режиме проводить выявление оптимальных параметров без участия человека.

На противоположной стороне от объектива 27 фотокамеры 25 визирной рейки с маркерными метками 34, которые могут выполняться на прозрачной пленке, имеющей горизонтальные и вертикальные параллельные метки, например, символ, букву (на чертежах и в опытном образец - Я) или цифру.

Эта пленка наклеивается на стекло дверцы 30 шкафа 1 с внутренней или внешней стороны (т.к. все центральные передняя, боковые и задняя стенки шкафа - прозрачные).

Эти метки с наложением на них фотоснимков позволяют вести мониторинг роста культуры в режиме реального времени (для культур типа бамбука) или с периодичностью.

На фиг. 6 показан пример схематики маркерного отслеживания роста культуры в динамике по фотографиям с разной периодичностью.

Принцип идентификации оптимального роста основан на последующем распознавании количества меток 34 с фотоснимка.

Программным путем можно распознать любой символ с хорошей точностью.

Программу настраивают так, чтобы велось распознавание символа метки. Затем программно подсчитывают число распознанных меток.

Например, на фиг. 6(А) - стартовое положение временного интервала мониторинга роста огурца из 120 возможных меток выявлено 118. На конечном этапе мониторинга (фиг. 6 (Г)) количество идентифицированных меток только 38 из 120.

Таким образом, эффективность роста культуры огурца за заданный период времени составила 118-38 = 80 меток.

Аналогичным способом определяют метки за тот же интервал времени в других шкафах с той же культурой, но с другими параметрами освещения, температуры, влажности воздуха и почвы.

По результатам сравнения машина автоматически выявляет те шкафы, которые показали максимально возможное число покрытия меток за одинаковый интервал времени, что будет отражать шкафы, в которых заложены оптимальные параметры освещения, температуры, влажности воздуха и почвы.

В результате, таким способом за один сезон культивирования можно для любого сорта или гибрида растения, либо для грибов точно и эффективно определить с помощью множества шкафов оптимальные параметры роста и развития культуры.

И чем больше будет использовано таких шкафов для мониторинга роста одного сорта или гибрида растения, либо гриба, тем эффективнее и точнее будет получен результат по оптимальным параметрам освещения, температуры, влажности воздуха и почвы.

Шкаф с регулируемым микроклиматом испытывали на оптимальные параметры роста и развития культуры на 7 опытных образцах (см. пример одного из таких устройств на фиг. 7, фиг. 8), имеющих блоки беспроводной связи 26, с которых данные мониторинга передавались на облачный сервер 41 через интернет. Блоки беспроводной связи 26 подключались к местной сети Wi-Fi.

Испытание проводили в течение полугода, за который на всех 7 опытных образцах по очереди выращивали по очереди культуры: редис сорта "Ранний красный", листовой салат "Орфей" на гидропонике.

При выращивании редиса подобрали ряд параметров, в которых случайным образом задавались: температура (световой режим) в пределах +15…+25°C, а в ночное время от +5 до +13°C, температура грунта +9…20°C. Влажность воздуха задавали на уровне от 65 до 75%. Дневной интервал освещения от 7 до 13 часов. Условия создавали такими, чтобы световой день исключал выход редиса в стрелку и путал данные мониторинга из-за избыточного роста ботвы, вместо корнеплода.

Старт программ запустили после высева пророщенных семян редиса (по 5 в каждый шкаф).

По итогам тестирования на удаленный сервер поступило 7 программ мониторинга с цифровыми данными по параметрам и с данными фотомониторинга.

После программного распознавания меток на фотографиях оптимальным ростом культуры были шкафы №3, №5, №6, набравшие по фотоснимкам 41, 39 и 39 меток, соответственно.

Их оптимальные параметры точно легли в эталонные для данного сорта.

Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1 Параметры Шкаф №3 Шкаф №5 Шкаф №6 Эталонные параметры для сорта редиса Оптимальная дневная температура +18°C +20°C +20°C +18…+20°C Оптимальная ночная температура +6°C +10°C +9°C не более +10°C Оптимальная температура грунта +15°C +13°C +16°C не менее +11…14°C Влажность воздуха 67% 73% 70% на уровне 70% Длительность освещения (дневная) 10 часов 11 часов 9 часов 8-12 часов

Выращивание салата осуществляли следующим образом.

Параметры проращивания семян в камере: температура - 21-24°С; влажность - 91-93%; время нахождения в камере - 1-1,5 суток.

Затем переносили всходы в рассадное отделение. Температуру воздуха держали по стандарту - 19-20°С днем, 18°С - ночью. Светили 16 часов. Температура субстрата - 18-19°С, относительная влажность воздуха - 70-75%.

Вегетацию получили на 14-15 день.

Отобрали качественную крепкую рассаду с хорошей корневой системой для гидропоники.

Использовали сетчатый горшок с прорезями по бокам.

Как только корень ушел вниз (показался в прорезях горшка или внизу сетки), рассаду ставили на гидропонику (на стадии трех настоящих листьев).

В 7 ящиков рассадили рассаду одинакового размера и качестве корневой системы.

Старт процесса мониторинга запустили с выращивания салата в рабочей зоне.

Вегетация салата в рабочей зоне составляла 25 дней.

При выращивании салата подобрали ряд параметров, в которых случайным образом задавались: температура (световой режим) в пределах +18…+26°C, а в ночное время от +16 до +21°C. Температура питательного раствора - от +16 до +23°С. Влажность воздуха задавали на уровне от 65 до 80%. Дневной интервал освещения от 13 до 16 часов. Условия создавали такими, чтобы световой день исключал зацветание салата и путал данные мониторинга из-за избыточного роста ботвы соцветия вместо листьев.

По итогам тестирования на удаленный сервер поступило 7 программ мониторинга с цифровыми данными по параметрам и с данными фотомониторинга.

После программного распознавания меток на фотографиях оптимальным ростом культуры были шкафы №2, №4, №6, набравшие по фотоснимкам 67, 65 и 66 меток, соответственно.

Их оптимальные параметры точно легли в эталонные для данного сорта.

Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2 Параметры Шкаф №2 Шкаф №4 Шкаф №6 Эталонные параметры для сорта редиса Оптимальная дневная температура +22°C +20°C +24°C +20…+24°C Оптимальная ночная температура +19°C +18°C +19°C +18...+19°C Оптимальная температура питательного раствора +18°C +20°C +22°C +16...+23°C Влажность воздуха 70% 75% 72% 70-75% Длительность освещения (дневная) 14 часов 15 часов 14 часов 14-15 часов

Результаты фотомониторинга по меткам показывают эффективность отобранных автоматическим путем параметров, которые оказались наиболее близки к эталонным.

Изобретение относится к области лабораторного оборудования для проведения научно-исследовательских работ с растениями и грибами в условиях искусственного климата. В способе используют шкаф с прозрачным корпусом и одной секцией, светодиодной подсветкой в верхней части корпуса, системы автономного контроля и мониторинга за освещенностью, температурой и влажностью воздуха и почвы. Причем системы автономного контроля выполнены с возможностью дистанционного управления параметрами и с регистрацией результатов мониторинга с формированием электронной базы данных параметров среды. В результаты мониторинга дополнительно вносят параметры роста культуры, выращивание которой осуществляют в камере. Параметры отслеживают путем периодической с заданным временным шагом фотофиксации роста культуры в камере с последующим формированием анимационного ролика на период времени, в которых заданные параметры освещения, температуры и влажности воздуха и почвы не менялись пользователем. После смены указанных заданных параметров пользователем формируют и записывают новый анимационный ролик из снимков фотофиксации культуры внутри камеры, который записывают вплоть до новых изменений пользователем параметров освещения, температуры и влажности воздуха и почвы. Оптимальными условиями роста культуры считают такие, при которых наблюдают ее наилучший рост. Способ обеспечивает создание оптимальных условий для изучения роста новых сортов растений и гибридов растений либо оптимальных условий для окультуривания съедобных грибов, которые ранее не выращивались искусственно. 5 з.п. ф-лы, 12 ил., 2 табл.

1. Способ определения оптимальных условий для роста культур в условиях искусственного климата в шкафу с регулируемым микроклиматом, характеризующийся использованием шкафа с прозрачным корпусом и одной секцией, светодиодной подсветки в верхней части корпуса, систем автономного контроля и мониторинга за освещенностью, температурой и влажностью воздуха и почвы, причем системы автономного контроля выполнены с возможностью дистанционного управления параметрами и с регистрацией результатов мониторинга с формированием электронной базы данных параметров среды, отличающийся тем, что в результаты мониторинга дополнительно вносят параметры роста культуры, выращивание которой осуществляют в камере, причем указанные параметры отслеживают путем периодической с заданным временным шагом фотофиксации роста культуры в камере с последующим формированием анимационного ролика на период времени, в которых заданные параметры освещения, температуры и влажности воздуха и почвы не менялись пользователем; после смены указанных заданных параметров пользователем формируют и записывают новый анимационный ролик из снимков фотофиксации культуры внутри камеры, который записывают вплоть до новых изменений пользователем параметров освещения, температуры и влажности воздуха и почвы; оптимальными условиями роста культуры считают такие, при которых наблюдают ее наилучший рост.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что фотофиксацию ведут с помощью фотокамеры, объектив которой располагают на одной из стенок камеры с ее внутренней или внешней стороны и направляют на культуру.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на противоположной стенке шкафа, где размещают объектив фотокамеры, размещают визирную рейку с маркерными метками.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что визирную рейку с маркерными метками выполняют в виде прозрачной прямоугольной пленки, на которую наносят горизонтальные и вертикальные параллельные метки.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что указанные метки выполняют с возможностью программного распознавания по фотоснимкам.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что идентификацию наилучшего роста культуры осуществляют в автоматическом режиме через программное приложение, установленное на сервере, куда передают по проводной или беспроводной связи все данные мониторинга, по которым затем программным путем идентифицируют лучший рост культуры по покрытым маркерным меткам, для чего оптимальными условиями роста культуры считают такие параметры, при которых за заданный период времени идентифицирован наилучший физический рост культуры по высоте и ширине, который программно определяют как наибольшее количество закрытых культурой вертикальных и горизонтальных меток за заданный период времени между первым и последним снимком указанного временного периода.