Способ фотоэлектрической стимуляции роста и развития растений Российский патент 2024 года по МПК A01G7/04 

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к средствам стимуляции жизнедеятельности растений.

Известна система освещения для растениеводства и производственное помещение для растениеводства с применением такой системы освещения для растениеводства (патент RU на изобретение №2668341, МПК A01G/704(2006.01), содержащая: осветительный прибор, в виде множества источников света, имеющих различные спектры излучения, комбинация которых позволяет получить спектр излучения, применяемый в растениеводстве; блок регулирования интенсивности освещения, обеспечивающий поддержание спектра фотосинтетического потока излучения на заданном уровне; датчик плотности фотосинтетического потока локального света; причем изменения интенсивности освещения от применяемого в растениеводстве света происходят постепенно с течением времени.

К недостаткам известной системы освещения следует отнести: низкую комплексную эффективность стимуляции роста растений, обусловленную использованием только одного фактора воздействия на растения в виде оптического излучения, а также отсутствие датчика интенсивности фотосинтеза и использование его выходного сигнала для управления параметрами светового излучения; существенное потребление электроэнергии используемым в составе системы освещения оборудованием, обусловленное непрерывным воздействием на растения потоком излучения, с плавным изменением его уровня;

Известно устройство электростимуляции жизнедеятельности растений (патент RU на изобретение №2717035, МПК A01G/704(2006.01), представляющее собой внесенные в почву полимерные гибкие электроды, состоящие из металлической жилы и электропроводящей полимерной оболочки с включениями - стимуляторами роста растений. При этом, одни выводы металлических жил электродов подключены к разнополярным выходам регулируемого источника постоянного тока, а другие выводы металлических жил электродов загерметизированы.

К недостаткам известной системы освещения следует отнести: низкую комплексную эффективность стимуляции роста растений, обусловленную использованием только одного фактора воздействия на растения в виде электрического тока, протекающего через почву в области расположения корневой части растений, а также отсутствие датчика интенсивности фотосинтеза и использование его выходного сигнала для управления параметрами электрического тока; недостаточно низкое потребление электроэнергии используемым в составе устройства оборудованием, обусловленное непрерывным воздействием на растения постоянным электрическим током.

Известен способ энергосберегающего регулирования радиационного режима при досвечивании растений (патент RU на изобретение №2406294, МПК A01G/700(2006.01), включающий формирование потока оптического излучения, нормируемой для растений данной культуры интенсивности и продолжительности, создание спектральных показателей воздействующего на растения потока совокупным действием нескольких разноспектральных источников света, определение функциональной зависимости величины энергоемкости процесса облучения растений от коэффициента комбинации потоков применяемых разноспектральных источников света, радиационный режим устанавливают при значении коэффициента комбинации потоков, соответствующему минимуму на полученной функциональной зависимости путем изменения доли потоков от применяемых источников света.

К недостаткам известного способа энергосберегающего регулирования следует отнести: низкую комплексную эффективность стимуляции роста растений, обусловленную использованием только одного фактора воздействия на растения в виде оптического излучения, а также отсутствие датчика интенсивности фотосинтеза и использование его выходного сигнала для управления параметрами светового потока; недостаточно низкое потребление электроэнергии используемого для реализации способа оборудования, обусловленное непрерывным характером воздействия на растения светового потока.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является выбранный за прототип «Способ энергосберегающего импульсного облучения и устройство для его осуществления» (патент RU на изобретение №2554982, МПК A01G/704(2006.01), который включает: воздействие на растения импульсным потоком оптического излучения, формируемого включением групп светодиодов с различным спектром излучения, и раздельным регулированием параметров импульсов для каждой группы светильников; измерение потребляемой светодиодами электрической энергии; измерение показателя продуктивности облучаемых растений, в качестве которого используют показания датчика интенсивности фотосинтеза; вычисляют величину энергоемкости процесса облучения как отношение потребляемой светильниками мощности к показателю продуктивности; регулируют параметры импульсов таким образом, что бы величина энергоемкости принимала минимальное значение. Устройство для реализации данного способа содержит корпус, группы светодиодов с различным спектром излучения, преобразователь напряжения, блок управления, формирователи импульсов, регуляторы параметров импульсов, датчик продуктивности облучаемых растений и вычислитель.

К недостаткам известного способа следует отнести:

- низкую комплексную эффективность стимуляции роста растений, обусловленную использованием только одного фактора воздействия на растения в виде оптического излучения;

- отсутствие в способе функции измерения плотности фотосинтетического фотонного потока (ПФФП), а в устройстве - датчика для его измерения, с целью контроля и поддержания на достаточном уровне поступающей от светильников энергии фотонов;

- приоритетной задачей при реализации известного способа является достижение минимального энергопотребления, в то время как интенсивность фотосинтеза остается на втором плане;

- используемое в известном способе воздействие на растение светового потока в виде прямоугольных импульсов с крутыми фронтами вызывает у растения «стресс» и негативно влияет на его развитие;

- отсутствие согласования воздействия на растение импульсного светового потока с графиком полива.

Задача, на решение которой направлен заявляемый способ, заключается в повышении комплексной эффективности стимулирования роста и развития растений при низком потреблении электроэнергии используемого оборудования.

Технический результат, отвечающий сформулированной выше задаче, выражается в повышении интенсивности фотосинтеза, осуществляемого растением, при низком потреблении электроэнергии используемым оборудованием.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе фотоэлектрической стимуляции роста и развития растений, включающем воздействие на растение импульсного светового потока определенного спектра излучения с заданными параметрами импульсной последовательности, требуемый спектр излучения которого получают наложением излучений, создаваемых источниками синего, зеленого и красного цветов, в разных пропорциях интенсивности их излучения с возможностью независимого регулирования параметров каждого из указанных источников света, наряду с которым осуществляют измерение плотности фотосинтетического фотонного потока облучаемого растения, согласно заявляемому изобретению синхронно с облучением наземной части растения импульсами светового потока осуществляют воздействие на корневую часть растения импульсами протекающего через почву электрического тока, при этом форму импульсов как светового потока, так и электрического тока задают в виде трапеции, обеспечивая при этом возможность независимого регулирования параметров импульсной последовательности как светового потока, так и электрического тока, причем для автоматического регулирования интенсивности светового потока используют сигнал с выхода датчика плотности фотосинтетического фотонного потока, а для автоматического регулирования уровня электрического тока используют сигнал с выхода датчика тока, наряду с этим воздействие на растение световым потоком и воздействие на растение электрическим током синхронизируют с графиком полива растения таким образом, чтобы перед каждым поливом растение воспринимало синхронное воздействие импульса светового потока и импульса электрического тока, в то время как на всем протяжении полива воздействие на растение светового потока и электрического тока было минимальным, при этом общее регулирование процесса фотоэлектрической стимуляции роста растения осуществляют по сигналу с выхода датчика измерения интенсивности фотосинтеза.

Причинно-следственная связь между введёнными в способ фотоэлектрической стимуляции роста и развития растений существенными признаками и техническим результатом заключается в следующем:

1. Воздействие на корневую часть растения импульсами электрического тока, протекающего через почву, осуществляемое синхронно с облучением наземной части растения импульсами светового потока, увеличивает интенсивность фотосинтеза, осуществляемого растением.

2. Синхронизация интервала времени, предназначенного для подачи влаги в почву, с воздействием на растение перед поливом импульсного светового потока, а также импульсного тока через почву, дополнительно повышает интенсивность фотосинтеза, что обусловлено заложенной в ДНК растения наследственной программы протекания внутренних физиологических процессов, в соответствии с которой в естественных природных условиях перед грозой растение воспринимает повышенное воздействие электрического поля от грозовых разрядов, а сразу после грозы растение получает обилие влаги в виде дождя, что вызывает существенную активизацию протекания процесса фотосинтеза.

3. Измерение с помощью датчика фотосинтетической активной радиации текущих значений энергии фотонов, излучаемых светодиодными светильниками, а также измерение с помощью датчика тока текущих значений протекающего через почву электрического тока с целью автоматического поддержания указанных факторов воздействия на растение в пределах заданного уровня, обеспечивает поддержание внешних условий, способствующих повышению интенсивности фотосинтеза, осуществляемого растением.

4. Измерение с помощью специализированного датчика интенсивности фотосинтеза, осуществляемого растением, с целью общего регулирования процесса фотоэлектрической стимуляции его роста и развития путем согласованного управления параметрами всех источников воздействия на растение является приоритетной целью заявляемого способа, в отличие от прототипа, в котором, приоритетной целью является снижение уровня потребления электроэнергии используемого оборудования.

5. Низкое потребление электроэнергии используемого оборудования достигается: использованием воздействия на наземную часть растения импульсным световым потоком; использованием воздействия на корневую часть растения импульсным электрическим током, протекающим через почву в области расположения корневой части растения; использованием в качестве источника светового потока светодиодного светильника, имеющего наиболее низкое энергопотребление из всех существующих источников света; существенно более низким энергопотреблением по отношению к светодиодному светильнику источника импульсного электрического тока, протекающего через почву области расположения корневой части растения;

Таким образом, любой из вновь введенных существенных признаков существенно влияет на достижение указанного выше технического результата.

Заявителем не были обнаружены источники информации о способе, имеющем всю совокупность отличительных существенных признаков, отражённых в формуле на заявляемое изобретение. Из чего сделан вывод, что предлагаемое техническое решение отвечает критерию «Новизна».

Для проверки соответствия заявляемого изобретения критерию изобретательский уровень заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалистов явным образом из известного уровня техники. Несмотря на то, что все функционально самостоятельные отличительные признаки известны сами по себе, заявителем не обнаружено такое их сочетание, как это представлено в заявляемой совокупности. Из этого сделан вывод о соответствии заявляемого устройства критерию «Изобретательский уровень».

Сущность заявленного технического решения поясняется графическими материалами, где на Фиг.1 приведено условное изображение заполненного почвой лотка с размещенными в ней растениями, а также условное изображение функциональных узлов системы управления фотоэлектрической стимуляцией роста растений.

Обозначения, принятые на Фиг.1:

1- лоток для выращивания растений; 2-почва, 3- растения; 4-светодиодный светильник синего спектра (В); 5-светодиодный светильник зеленого спектра (G); 6-светодиодный светильник красного спектра (R); 7- контроллер управления световым потоком КТР-СП; 8 - регулируемый источник тока РИТ; 9 - датчик тока ДТ; 10 - положительный электрод Анод; 11- отрицательный электрод Катод; 12 - датчик плотности фотосинтетического фотонного потока ПФФП; 13 - датчик интенсивности фотосинтеза ДИФС, 14 - контроллер датчиков обратной связи КТР-ДОС, 15- пульт управления ПУ; 16-клапан подачи воды в лоток с растениями КПВ; 17-область светового потока синего спектра; 18-область светового потока зеленого спектра; 19 - область светового потока красного спектра.

Система управления фотоэлектрической стимуляцией роста растений СУФС может быть изготовлена на базе следующих компонентов.

Лоток для выращивания растений 1, почва 2, растения 3 выбираются исходя из конкретных условий предполагаемой эксплуатации СУФС. В качестве светодиодных светильников 4, 5, 6 могут быть использованы модели Nanolux LED BAR B -110Вт, Nanolux LED BAR R -110Вт, JustGrow/Space 150Вт. Контроллер управления световым потоком 7 может быть выполнен на базе следующих электронных компонентов: программируемый контроллер ATMEGA328PB-AU; дроссель 10мкГн LQH31CN100K03L; кварцевый резонатор 7,3728MHz; микросхема интерфейса MAX485ESA+T; переключатель аналоговых сигналов DG419DY-T1-E3; операционный усилитель LMC7101; понижающий стабилизатор напряжения AMS1117-3,3; трансформатор ТПК-2-6В; диоды Шоттки SS12; конденсаторы и резисторы общего применения. Регулируемый источник тока 8 может быть построен по схеме источника тока, управляемого напряжением с заземленной нагрузкой, на базе операционного усилителя модели ОР177. В качестве датчика тока 9 может быть использован прецизионный резистор из серии С2-29В. Анод 10 может быть изготовлен в виде медной пластины, а катод 11 изготовлен из цинковой пластины размерами, соответствующими размерам выбранного лотка для размещений растений. В качестве датчика плотности фотосинтетического фотонного потока 12 может быть использован датчик модели PAR LITE, имеющий спектральный диапазон измерений от 200 до 700нм, или портативный датчик модели AZ-8583. В качестве датчика интенсивности фотосинтеза 13 может быть применен портативный прибор RC-P60. Контроллер датчиков обратной связи 14 может быть выполнен на базе следующих электронных компонентов: программируемый контроллер ATMEGA328PB-AU; кварцевый резонатор 7,3728MHz; микросхема интерфейса MAX485ESA+T; переключатель аналоговых сигналов DG419DY-T1-E3; операционный усилитель LMC7101; мультиплексор CD74HC4051-EP; микросхема аналого-цифрового преобразователя AD7685; компаратор напряжения LM6511: измерительный усилитель INA132; понижающий стабилизатор напряжения AMS1117-3,3; трансформатор ТПК-2-6В; диоды Шоттки SS12; дроссель 10мкГн LQH31CN100K03L; конденсаторы и резисторы общего применения. Пульт управления 15 может быть выполнен на базе следующих компонентов: панель оператора на базе сенсорного дисплея модели СП307-Р, размещённого в корпусе G378; блок питания ПУ (230/24-2А) Model:2420; программируемый контроллер ATMEGA328PB-AU; дроссель 10мкГн LQH31CN100K03L; кварцевый резонатор 7,3728MHz; микросхема интерфейса MAX485ESA+T; радиомодуль RAK811; разъём под антенну SMA-J; антенна 868МГц BY-868-01 SMA-M R/A; Модуль питания МП24В/3,3В модель MP1584EN; диоды, конденсаторы, резисторы общего применения. В качестве клапана подачи воды в лоток с растениями16 может использован электромагнитный клапан для полива модели K-Rain PRO 150 с регулятором потока 1".

Описание работы системы фотоэлектрической стимуляции роста растений, в качестве примера реализации заявляемого способа.

Управление процессом фотоэлектрической стимуляции роста растений осуществляется на базе исходных данных, загружаемых в память пульта управления 15 перед началом работы. База исходных данных содержит: требования к спектру излучения светового потока, оптимальному для каждой стадии развития определенного сорта растения, в соответствии с «Кривой Маккри»; требования к загружаемым в память контроллера 8 параметрам импульсной последовательности соответствующего светового потока 17,18,19, формируемого на выходе каждого из светильников 4,5,6 для получения требуемого спектра суммарного светового потока; требования к загружаемым в память контроллера 14 параметрам импульсной последовательности протекающего через почву электрического тока, формируемого на выходе источника тока 8; требования к загружаемым в память контроллера 14 временным параметрам периодичности полива, осуществляемого с помощью клапана подачи воды 16. Напряду с этим: в память контроллера 7 загружается алгоритм автоматического регулирования параметров сигналов управления светильниками 4,5,6 по сигналу обратной связи, поступающего от датчика 12; в память контроллера 14 загружается алгоритм автоматического регулирования параметров сигнала управления источником тока 8 по сигналу обратной связи, поступающему от датчика 9; в память пульта управления 15 загружается общий алгоритм работы по сигналу обратной связи, поступающему от датчика интенсивности фотосинтеза 13.

После инициализации начала работы на растения одновременно и синхронно воздействуют импульсы трапецеидальной формы светового потока заданного спектра и импульсы трапецеидальной формы протекающего через почву электрического тока. При этом поддержание требуемого значения энергии фотонов, измеряемого датчиком 12, осуществляется изменением параметров импульсной последовательности светового потока, а поддержание требуемого значения электрического тока через почву, измеряемое датчиком 9, осуществляется изменением параметров импульсной последовательности электрического тока.

Включение полива осуществляется контроллером 14 после окончания очередного импульса светового потока и совпадающего с ним по времени импульса электрического тока. При этом пауза импульсной последовательности светового потока и пауза импульсной последовательности электрического тока в данном случае продолжается до окончания полива.

После полива параметры импульсной последовательности светового потока и импульсной последовательности электрического тока возвращаются к исходным значениям. В связи с тем, что импульсное воздействие на растение осуществляется импульсами трапецеидальной формы, что существенно снижает уровень стресса, возникающего при резком изменении внешних воздействий. При этом кратковременное воздействие на растение внешнего фактора (световой поток или электрический ток) запускает процесс активизации фотосинтеза и не требует в течение определённого интервала времени непрерывного поддержания данного воздействия, что позволяет использовать воздействие на растение в виде импульсной последовательности. Таким образом, обеспечивается требуемый уровень интенсивности фотосинтеза при относительно низком электропотреблении используемого для осуществления заявляемого способа оборудования.

Интенсивность фотосинтеза, контролируемая датчиком 13, является базовым параметром, характеризующим эффективность системы управления в целом. В связи с этим сигнал с датчика 13 передается контроллером 14 в пульт управления 15 для поддержания требуемого значения путем комплексного управления параметрами, как светового потока, так и электрического тока.

Вышеизложенные сведения показывают, что при использовании заявляемого изобретения выполнена следующая совокупность условий:

- средство, воплощающее заявляемое изобретение при его осуществлении, относится к области сельского хозяйства, а именно к средствам стимуляции жизнедеятельности растений.

- средство, воплощающее заявляемое изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение технического результата, заключающегося: в повышении интенсивности фотосинтеза, осуществляемого растением, при низком потреблении электроэнергии используемого оборудования.

Для заявляемого устройства, в том виде, в котором оно охарактеризовано в изложенной формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью средств, описанных в заявке, следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к средствам стимуляции жизнедеятельности растений. Способ включает воздействие на растение импульсного светового потока определенного спектра излучения с заданными параметрами импульсной последовательности, требуемый спектр излучения которого получают наложением излучений, создаваемых источниками синего, зеленого и красного цветов, в разных пропорциях интенсивности их излучения с возможностью независимого регулирования параметров каждого из указанных источников света, наряду с которым осуществляют измерение плотности фотосинтетического фотонного потока облучаемого растения. Синхронно с облучением наземной части растения импульсами светового потока осуществляют воздействие на корневую часть растения импульсами протекающего через почву электрического тока. При этом форму импульсов как светового потока, так и электрического тока задают в виде трапеции, обеспечивая при этом возможность независимого регулирования параметров импульсной последовательности как светового потока, так и электрического тока. Причем для автоматического регулирования интенсивности светового потока используют сигнал с выхода датчика плотности фотосинтетического фотонного потока, а для автоматического регулирования уровня электрического тока используют сигнал с выхода датчика тока. Наряду с этим воздействие на растение световым потоком и воздействие на растение электрическим током синхронизируют с графиком полива растения таким образом, чтобы перед каждым поливом растение воспринимало синхронное воздействие импульса светового потока и импульса электрического тока, в то время как на всем протяжении полива воздействие на растение светового потока и электрического тока было минимальным. При этом общее регулирование процесса фотоэлектрической стимуляции роста растения осуществляют по сигналу с выхода датчика измерения интенсивности фотосинтеза. Способ обеспечивает повышение интенсивности фотосинтеза растения при низком потреблении электроэнергии используемым для выращивания растений оборудованием. 1 ил.

Способ фотоэлектрической стимуляции роста и развития растений, включающий воздействие на растение импульсного светового потока определенного спектра излучения с заданными параметрами импульсной последовательности, требуемый спектр излучения которого получают наложением излучений, создаваемых источниками синего, зеленого и красного цветов, в разных пропорциях интенсивности их излучения с возможностью независимого регулирования параметров каждого из указанных источников света, наряду с которым осуществляют измерение плотности фотосинтетического фотонного потока облучаемого растения, отличающийся тем, что синхронно с облучением наземной части растения импульсами светового потока осуществляют воздействие на корневую часть растения импульсами протекающего через почву электрического тока, при этом форму импульсов как светового потока, так и электрического тока задают в виде трапеции, обеспечивая при этом возможность независимого регулирования параметров импульсной последовательности как светового потока, так и электрического тока, причем для автоматического регулирования интенсивности светового потока используют сигнал с выхода датчика плотности фотосинтетического фотонного потока, а для автоматического регулирования уровня электрического тока используют сигнал с выхода датчика тока, наряду с этим воздействие на растение световым потоком и воздействие на растение электрическим током синхронизируют с графиком полива растения таким образом, чтобы перед каждым поливом растение воспринимало синхронное воздействие импульса светового потока и импульса электрического тока, в то время как на всем протяжении полива воздействие на растение светового потока и электрического тока было минимальным, при этом общее регулирование процесса фотоэлектрической стимуляции роста растения осуществляют по сигналу с выхода датчика измерения интенсивности фотосинтеза.