CC BY
1УДК 621.33 Статья поступила 21.10.2024
4.3.2. Электротехнологии, электрооборудование и энергоснабжение РО! 10.35524/2227-0280_2024_06_82
ОСОБЕННОСТИ ЭКОБОКСА ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ КЛУБНИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ
^В.В. Волков,
преподаватель кафедры энергообеспечения сельского хозяйства, ФГБОУ ВО "Государственный аграрный университет Северного Зауралья"
С.И. Иванов,
кандидат технических наук, доцент кафедры автомобилей, тракторов и сельскохозяйственных машин, ФГБОУ ВО Великолукская ГСХА
АА Жуков,
кандидат технических наук, доцент кафедры эксплуатации и ремонта МТП, ФГБОУ ВО Великолукская ГСХА
Ключевые слова: использование, микрозелень, экобокс, оборудование, тепличные комплексы, питательный раствор, микроклимат, выращивание растений, световой режим, автоматизация, контроль, параметры, влажность, световой поток
Key words: use, microgreens, ecobox, equipment, greenhouse complexes, nutrient solution, microclimate, plant cultivation, light regime, automation, control, parameters, humidity, luminous flux
Актуальность. В современных городах все большую популярность набирает выращивание растений в домашних условиях. Одним из интересных решений в этом направлении является использование экобокса, он состоит из изолированной системы для культивирования растений и позволяет создать оптимальные условия для роста и развития растений вне зависимости от внешней среды [1].
Целью исследований данной статьи является выращивание растений на искусственных средах в закрытом боксе, оснащенном автоматизацией освещения, подачей воды и вентиляцией.
Питание растения получают из питательного раствора, окружающего корни. Он позволяет регулировать условия выращивания и создавать режим питания для корневой системы, полностью обеспечивающий потребности растений в питательных элементах. Создание оптимальных условий для роста и развития растений обеспечивает их выращивание лучшего качества и за более короткие сроки [2].
Материалы и методы исследований. Рассмотрим основные особенности выращивания растений в экобоксе, прежде всего, это контролируемая среда, которая представля-
ет собой автономную систему с регулируемыми параметрами освещения, температуры, влажности. Это позволяет создать оптимальные условия микроклимата для растений. Немаловажным фактором является экономия мест за счет компактных размеров экобокса, что способствует размещению его даже в небольших помещениях. При этом можно выращивать разнообразные растения круглый год независимо от сезона или погодных условий, они полностью изолированы от внешней среды, что защищает растения от вредителей, болезней и загрязнений, а также использования пестицидов и других вредных веществ.
Системы и технологии автоматизации в настоящее время широко нашли применение в процессе роста и развития растений. Для этих систем и технологий созданы определенные методы и качественные модели, которые называются системой «умного сельского хозяйства». В направлении автоматизации технологических процессов разрабатываются и пользуются популярностью системы тепличных комплексов, где устанавливается автономное программирование и ведется контроль за параметрами (температура, влажность и т.д.).
Концепция «умного сельского хозяйства» основана на различных инновационных решениях, а также охватывает широкий спектр технологий, включая большие данные, машинное обучение и цифровизацию, что обеспечивает автоматизацию области сельскохозяйственной деятельности, улучшение ее показателей и значительно повышает урожайность. Эти технологии позволяют собирать и анализировать данные о состоянии растений, почвы и окружающей среды, что, в свою очередь, способствует принятию более обоснованных решений.
Тепличные комплексы или опытные хозяйства имеют вид автономно-программной установки, в которых создаются необходимые параметры для благоприятного выращивания различных культур и растений. Ключевыми аспектами автоматизации в таких системах являются контроль температуры и влажности. Использование датчиков и автоматических систем управления позволяет поддерживать оптимальные условия для роста растений, что особенно важно в условиях изменчивого климата. Автоматизированные системы полива, основанные на данных о влажности почвы, дают возможность эффективно расходовать воду и питательные вещества, минимизируют потери. Современные системы обеспечивают необходимую аэрацию и фильтрацию, способствующие улучшению усвоения питательных веществ растениями. Робототехнические комплексы могут использоваться для мониторинга и контроля вредителей, что снижает использование химических пестицидов и повышает экологическую безопасность.
Рис. 1. Действующий экобокс для выращивания растений с питательными растворами и семенами
Одним из преимуществ автоматизации является увеличение урожайности. Оптимизация условий роста и своевременное вмешательство помогают повысить урожайность, в значительной степени сократить затраты на рабочую силу и ресурсы. Важным фактором является адаптация к изменениям внешней среды, что делает сельское хозяйство более устойчивым и эффективным, используя минимальные ресурсы и снижая отходы [3, 4].
В данном исследовании система экобокса подходит для различных культур и растений, в нашем случае клубники (земляники).
На рисунке 1 представлен экобокс, в состав которого входят следующие компоненты: 1 -торфоперлитный субстрат (5 л); 2 - емкость с датчиком уровня питательного раствора; 3 - корректор рН (100 мл); 4 - фитили (24 шт.); 5, 6 - комплект семян; 7 - комплект питательных концентратов (3 компонента по 0,25 л макроэлементов + 2 компонента по 15 мл микроэлементов); 8 - приточная вентиляция; 9 - интерфейс контроля и регулировки с сенсорным дисплеем в среде Arduino IDE; 10 - вытяжная вентиляция; 11 - горшочки для посадки растений (8 шт.); 12 - фитоосвещение: led-светиль-ники различного спектра излучения.
Растения в экобоксе культивируются без использования почвы, вместо этого применяются гидропонные или аэропонные технологии, что упрощает уход и исключает проблемы с вредителями и болезнями, связанные с грунтом. Так же их оснащают системами автоматического контроля и поддержания необходимых условий микроклимата. Благодаря оптимальным условиям растения в экобоксе развиваются быстрее и дают более высокий урожай по сравнению с традиционными способами выращивания.
В экобоксе встроена фитильная система, которая основана на капиллярном поднятии воды через фитиль, где субстрат соединяется с резервуаром воды. При замкнутой системе происходит уменьшение испарений, тем самым обеспечивается постоянный доступ данных культур к влаге, что приводит к благоприятному здоровому росту растений и культур. В воду попадают удобрения (жидкие), необходимые для роста, такие как микроэлементы азот, фосфор, калий. В нашем исследовании используются очень легкие воздухопроницаемые материалы, такие как перлит, торф и кокосовое волокно, что влияет на аэрацию корней и сохранение влаги. Для условий оптимального роста растений необходим pH проводимости раствора, а также регуляр-
Освещенность 5.6к
Максимальная (люксы)
29
Фоновая (в Ус от макс.) Отмена ОК
Рис. 2. Регулировка освещения ^-светильниками с различным спектром
ная проверка уровня воды в емкости для продуктивной работы системы [5].
Результаты исследований. Освещение является ключевым аспектом, правильная организация освещения экобокса оснащается высокоэффективными светодиодными или флуоресцентными лампами, которые обеспе-
Основные параметры ист
чивают растения необходимым спектром цвета для фотосинтеза. Важно подобрать продолжительность светового дня, интенсивность и цветовую температуру ламп. Все параметры можно задать на дисплее, который находится на лицевой панели.
Параметры освещенности, такие как уровень освещенности, оптимальная продолжительность светового дня и цветовая температура, доступны для управления с помощью лицевой панели на встроенном дисплее экобокса. Отсюда можно сделать вывод, что настройка освещения становится удобной для любого пользователя. Важное значение для высокой урожайности, хорошего роста и продуктивности растений имеет правильное освещение.
Светильники являются энергоэффективными источниками освещения для фитосистем и имеют различные спектры излучения, которые можно настроить для разных стадий роста растений. Основные параметры представлены в таблице 1.
Таблица 1
ьзуемых ^-светильников
№ светильника Длина, мм Диапазон напряжения питания,В Ток, мА Мощность, Ватт Световой поток, лм Спектр излучения, нм Цветовой спектр, кельвин
1 400 20-30 250 10 900 380-750 4000-5000
2 300 20-30 250 8 700 380-750 4000-5000
В рассматриваемом исследовании использование высокоэффективных флуоресцентных и светодиодных ламп обеспечивает необходимый спектр света для фотосинтеза растениям.
Известно, что организация правильного освещения в тепличных хозяйствах или комплексах в первую очередь влияет на качественную урожайность культур. В экобоксах используются универсальные светодиодные и флуоресцентные лампы, они способны генерировать различные спектры света, что необходимо для быстрого фотосинтеза.
Исследования показывают, что красный спектр лучше всего действует на растения и в 1,5 раза эффективнее зеленого. Периодически зеленый спектр помогает растениям в росте, позволяя спектру проходить через листья к нижним частям растения, а также может увеличить площадь растения, которое получает спектр, и привести к лучшему созреванию (Карнилова А.Ю., 2024).
Для освещения используются светодиодные ^-светильники с различными параметрами, длиной светильника 300 и 400 мм, световым
потоком от 700 до 900 лм, спектром излучения 380-750 нм, цветовым спектром 50006000 кельвин.
Оборудование, используемое в экобоксе, включают в себя систему питательного раствора, которая воздействует непосредственно на корни растений и регулируется датчиком уровня. Система освещения обеспечивает растения искусственным освещением для фотосинтеза. Система контроля вентиляции осуществляет циркуляцию воздуха в системе, которая поддерживает оптимальные условия для роста растений от 18 до 25 градусов. Система фильтрации служит для очистки воды, удаляет загрязнения, химические примеси из воды перед ее использованием [4].
Измерительные и контрольные приборы рН-метры используются для измерения уровня кислотности или щелочности питательного раствора. Электропроводимость измеряется кондуктометром и используются для измерения солевого содержания в питательном растворе [6].
В таблице 2 представлены основные параметры для выращивания растений в экобоксе.
Рост длины волны (Л) в мм -
Рис. 3. Видимый спектр излучения, от 380-750 нм
Таблица 2
Основные параметры мик эоклимата для экобокса
№ Параметры Показатели микроклимата Норма
1 влажность воздуха, % 73 70-80
2 освещенность, Лк 1600 1000-2000
3 концентрация в воздухе СО2, % 0,17 0,15-0,2
4 температура, °С 25 18-25
5 кислотно-щелочной баланс раствора, Ph 6,86 5,8-6,8
6 электропроводность раствора, мС/см 2,3 0,6-3
7 кратность воздухообмена, м3/ч 4,2 4-8
РН является одним из главных показателей качества воды, уровня солей и питательных веществ. Анализаторы интегрируют систему автоматизации, позволяющую скорректировать параметры полива и отследить качество воды.
В данном боксе используется оборудование, которое включает в себя систему питательности раствора и регулируется датчиком уровня. Система в экобоксе обеспечивает растениям искусственное освещение, а система контроля вентиляции позволяет обеспечивать циркуляцию воздуха, тем самым поддерживает оптимальные условия для роста растений от 18 до 25 градусов.
В экобоксе установлена система фильтрации для очистки воды, которая убирает хими-
ческие примеси перед использованием воды. В нашем исследовании применялись контрольно-измерительные приборы рН-метры, которые предназначены для измерения уровня кислотности и щелочности питательного раствора. Также прибор кондуктометр используется для измерения электропроводности и солевого содержания в питательном растворе.
Для обеспечения оптимальных условий выращивания растений в экобоксах широко применяются системы автоматизации и управления. Важные компоненты такой системы включают датчики, контроллеры и исполнительные устройства. Для повышения урожайности культур и снижения рисков болезней и вредителей необходимо поддерживать оптимальные параметры микроклимата.
13:20
01.03.2024
Световой день
Рассвет Закат
/\ /\
06:00 - 22:00
\/ Ч/ (16) V ч/
Длительность
Рис. 4. Регулируемые параметры на микроконтроллере экобокса
Исследование по разработке модели биотехнической установки провел Васильев С.И. (2018 г.), где сделал вывод, что выращивание овощной зеленной продукции в замкнутой биотехнологической установке имеет ряд преимуществ, а именно высокую энергоэффективность, экологическую чистоту продукции, интенсификацию производства, возможность применения в домашних условиях.
Выращивание в экобоксе различных культур становится все более актуальным благодаря своим многочисленным преимуществам и возможности контроля климатических условий, где можно эффективно управлять всеми параметрами, необходимыми для успешного роста и плодоношения растений.
Чтобы обеспечить растениям оптимальные условия для роста, важно контролировать основные параметры микроклимата. Земляника предпочитает умеренные температуры. Оптимальный диапазон для роста составляет 18-24°С. Важно избегать резких перепадов температуры, которые могут негативно сказаться на развитии растений. Уровень влажности воздуха должен поддерживаться на уровне 6575%. Это особенно важно в период цветения и плодоношения, чтобы предотвратить сухость и обеспечить полноценное развитие ягод. Для фотосинтеза земляника нуждается в достаточном количестве света. Рекомендуется использовать светодиодные или флуоресцентные лампы, которые обеспечивают необходимый спектр света. Продолжительность светового дня должна составлять 12-16 часов.
Выращивание земляники в экобоксе является эффективным и современным методом, который обеспечивает высокую урожайность
и качество ягод. С помощью автоматизированных систем управления климатом и питанием можно создать идеальные условия для роста растений, что делает этот подход доступным даже для начинающих садоводов. Интеграция современных технологий в процесс позволяет значительно упростить уход за растениями и повышает продуктивность их выращивания [7].
В ходе данного исследования был проведен анализ работы системы, а также оценка растительных культур. В результате использования экобокса с автоматизированным контролем параметров получили следующие результаты (рис. 5).
На рисунке 5 Б видно значительное отличие выращенной культуры в течение 14 дней с применением установки экобокса, на растении появились листья от 6 до 8 штук, и высота растения составила 6-9 см. На рисунке 5 А выращенная культура так же в течение 14 дней без применения установки, в естественных условиях показала результат 3-4 листа на растение и высоту 2-3 см.
По результатам исследования культура земляники, выращенная на гидропонной установке в течение 14 дней, дала лучшие результаты, в сравнении с естественным выращиванием. Можно сделать вывод, что применение автоматизации для контроля основных параметров температуры, влажности, освещения, а также содержания питательных веществ в растворе дает положительный результат для развития растений.
Важным элементом экобокса является питательный раствор, поскольку именно он обеспечивает растения всем необходимым для
а) б)
Рис. 5. а) рассада земляники (клубники) в обычных условиях, 14 дней; б) рассада земляники (клубники) в экобоксе, 14 дней
роста и развития, в него входит смесь воды и растворённых в ней питательных веществ, необходимых растениям [8]. В отличие от традиционного земледелия, где растения получают элементы питания из почвы, в системе все необходимые вещества сосредоточены в растворе. Это позволяет контролировать уровень питательности, избегая недостатка или избытка элементов.
Питательный состав для выращивания растений в наших исследованиях содержал следующие элементы: азот аммиачный, азот нитратный, кальций, медь, железо, марганец, фосфор, калий, бор, молибден. По составу минеральных веществ раствор отличался в зависимости от вида культуры, а для анализа кислотно-щелочного баланса использовали рН-метр, где кислотность раствора и субстрата составляла 6,86 единиц. Для определения питательности раствора измеряли его электропроводность с помощью кондуктометра, показатель составлял 2,1 мС/см.
Применение экобокса для выращивания растений открывает новые горизонты в агрономии и садоводстве. Этот инновационный подход позволяет не только эффективно использовать пространство, но и создавать оптимальные условия для роста и развития растений [9].
Выводы. Можно сделать вывод, что благодаря легкости в уходе и контроле за параметрами среды экобокс становится интересным решением для городских садоводов и образовательных учреждений. Он позволяет вести сельское хозяйство в условиях ограниченного пространства, что особенно актуально в современном мире. Таким образом, использование экобоксов с автоматизированным контролем параметров и в сочетании с питательными растворами вносит свой вклад в направление устойчивого и инновационного развития сельского хозяйства.
Библиографический список
1. Ахтулов, И. И. Автоматическая система управления освещением промышленных предприятий / И. И. Ахтулов, Д. О. Глухов. - Текст : непосредственный // Научное обозрение. Технические науки. - 2020. - № 3. - С. 5-9.
2. Басуматорова, Е. А. Гидропонная установка с применением светильников различного спектра излучения / Е. А. Басуматорова, В. В. Волков. - Текст : непосредственный // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. - 2024. - № 3 (107). - С. 194-198.
3. Бобриков, Д. А. Автоматическое регулирование микроклиматом на основе нечеткой логики / Д. А. Бобриков, В. Л. Горбунов. -Текст : непосредственный // Интеллектуальные системы и микросистемная техника. Материалы международной научно-практической конференции. - 2017. - С. 207-215.
4. Волков, В. В. Система гидропонной установки с автоматизированным регулированием / В. В. Волков, Е. А. Басуматорова. - Текст : непосредственный // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. -2024. - № 2 (106). - С. 160-165.
5. Каландаров, И. Контроль и управление микроклиматом теплицы на базе микроконтроллера ATMEGA 8 / И. Каландаров, А. Са-мадов. - Текст : непосредственный // Общество научного образования. - 2020. - № 3. - С. 42-44.
6. Монк, С. Электроника. Теория и практика / С. Монк, П. Шерц. - Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2017. - 1168 с. - Текст : непосредственный.
7. Самойлов, М. В. К вопросу выращивания растений в управляемых условиях / М. В. Самойлов. - Текст : непосредственный // Вестнику КрасГАУ. Энергетика и энергосбережение. - 2014. - № 2. - С. 24-26.
8. Ембатурова, Е. Ю. История развития и использования гидропонной технологии / Е. Ю. Ембатурова, А. Д. Сухенькая. - Текст : непосредственный // Биосферное хозяйство : теория и практика. - 2023. - № 10 (63). - С. 75-82.
9. Левоневский, Д. К. Автоматизация выращивания агрокультур в стационарном компактном тепличном комплексе с контролируемым микроклиматом на базе гидропонной системы / Д. К. Левоневский, А. В. Рябинов, Н. А. Жукова, В. Э. Ковалевский. - Текст : непосредственный // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. - 2023.
- Т. 11. - № 1 (40). - С. 21-22.
Reference
1. Akhtulov, I. I. Automatic control system for industrial lighting / I. I. Akhtulov, D. O. Glukhov.
- Text: direct // Scientific review. Technical sciences. - 2020. - No. 3. - P. 5-9.
2. Basumatorova, E. A. Hydroponic installation using lamps with different radiation spectra / E. A. Basumatorova, V. V. Volkov. - Text: direct // Bulletin of the Orenburg State Agrarian University.
- 2024. - No. 3 (107). - P. 194-198.
3. Bobrikov, D. A. Automatic microclimate control based on fuzzy logic / D. A. Bobrikov, V.
L. Gorbunov. - Text : direct // Intelligent systems and microsystem technology. Proceedings of the international scientific and practical conference. - 2017. - P. 207-215.
4. Volkov, V. V. Hydroponic installation system with automated regulation / V. V. Volkov, E. A. Basumatorova. - Text : direct // Bulletin of the Orenburg State Agrarian University. - 2024. -No. 2 (106). - P. 160-165.
5. Kalandarov, I. Greenhouse microclimate control and management based on the ATMEGA 8 microcontroller / I. Kalandarov, A. Samadov. -Text : direct // Society for Scientific Education. -2020. - No. 3. - P. 42-44.
6. Monk, S. Electronics. Theory and Practice / S. Monk, P. Schertz. - St. Petersburg: BHV-Petersburg, 2017. - 1168 p. - Text : direct.
7. Samoilov, M. V. On the issue of growing plants in controlled conditions / M. V. Samoilov.
- Text : direct // Bulletin of KrasSAU. Power Engineering and Energy Saving. - 2014. - No. 2.
- P. 24-26.
8. Embaturova, E. Yu. History of the development and use of hydroponic technology / E. Yu. Embaturova, A. D. Sukhenkaya. - Text : direct // Biosphere Economy: Theory and Practice. -2023. - No. 10 (63). - P. 75-82.
9. Levonevsky, D. K. Automation of growing agricultural crops in a stationary compact greenhouse complex with a controlled microclimate based on a hydroponic system / D. K. Levonevsky, A. V. Ryabinov, N. A. Zhukova, V. E. Kovalevsky. - Text: direct // Modeling, optimization and information technology. - 2023. - V. 11. - No. 1 (40). - P. 21-22.
Контактная информация: Волков Василий Владиславович
преподаватель,
ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья 625003, Российская Федерация, город Тюмень, улица Республики, 7 E-mail: [email protected]
Иванов Сергей Иванович
доцент кафедры автомобилей, тракторов и сельскохозяйственных машин, ФГБОУ ВО Великолукская ГСХА, 182112, Псковская обл., г. Великие Луки, пр-т Ленина, д. 2 E-mail: [email protected]
Жуков Александр Андреевич
доцент кафедры эксплуатации и ремонта МТП,
ФГБОУ ВО Великолукская ГСХА
625003, Российская Федерация,
182112, Псковская обл.,
г. Великие Луки, пр-т Ленина, д. 2
E-mail: [email protected]
Contact Information: Volkov Vasily Vladislavovich
lecturer, Northern of the Trans-Ural State Agricultural University 7, Republic Street, Tyumen, 625003 E-mail: [email protected]
Ivanov Sergey Ivanovich
Associate Professor of the Department of Automobiles, Tractors and Agricultural Machinery, Velikiye Luki State Agricultural Academy 182112, Pskov region, Velikiye Luki, ave. Lenin, 2 E-mail: [email protected]
Zhukov Alexander Andreevich
Associate Professor of the Department of Operation and Repair of MTP, Velikiye Luki State Agricultural Academy 182112, Pskov region, Velikiye Luki, ave. Lenin, E-mail: [email protected]
