Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сенсорная система учета азотно-углеродного баланса в гидропонной технологии выращивания огурцов и томатов (Разработка прототипа автоматизированной сис
.pdf
ИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЧЕЧЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ А.А. КАДЫРОВА»
ФГБНУ «Чеченский научно-исследовательский институт
сельского хозяйства»
А.Г. Амаева, Н.Л. Адаев
СЕНСОРНАЯ СИСТЕМА УЧЕТА АЗОТНО-УГЛЕРОДНОГО
БАЛАНСА В ГИДРОПОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
ВЫРАЩИВАНИЯ ОГУРЦОВ И ТОМАТОВ
(Разработка прототипа автоматизированной системы оптимизации
корневого углеродного питания огурцов и томатов)
Учебно-практическое пособие
Грозный – 2022
Печатается по решению Ученого совета
ФГБОУ ВО «Чеченский государственный университет им. А.А. Кадырова»
протокол №1 от 27.01.2022 г.
УДК 658.512
ББК 053
Рецензенты:
Гаплаев Магомед Шиблуевич, доктор сельскохозяйственных наук, директор
ФГБНУ «Чеченский научно-исследовательский институт сельского хозяйства»
Магомадов Анди Султанович, доктор сельскохозяйственных наук, профессор
кафедры «Плодоовощеводство и виноградарство», директор Агротехнологического
института ФГБОУ ВО «Чеченский государственный университет им. А.А. Кадырова»
Авторы:
Амаева Асет Ганиевна, кандидат биологических наук, доцент кафедры
агротехнологий ФГБОУ ВО «Чеченский государственный университет им. А.А. Кадырова»,
старший научный сотрудника отдела селекции и семеноводства ФГБНУ «Чеченский
НИИСХ»
Адаев Нурбек Ломалиевич, доктор биологических наук, доцент, заведующий
кафедрой агротехнологий ФГБОУ ВО «Чеченский государственный университет им. А.А.
Кадырова», главный научный сотрудник отдела селекции и семеноводства ФГБНУ
«Чеченский НИИСХ»
Научный редактор:
Эльдаров Балаудин Аудович, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры
«Ветеринарная медицина и зооинженерия»
Амаева А.Г., Адаев Н.Л. Сенсорная система учета азотно-углеродного баланса в
гидропонной технологии выращивания огурцов и томатов (Разработка прототипа
автоматизированной системы оптимизации корневого углеродного питания огурцов и
томатов) / Учебно-практическое пособие. – Грозный: издательство ФГБОУ ВО «Чеченский
государственный университет имени А.А. Кадырова». 2022. – 89 с.
В учебно-практическом пособии представлена сенсорная система учета азотно-
углеродного баланса в гидропонной технологии овощеводства, которая предназначена для
повышения урожайности огурцов и томатов в условиях защищенного грунта за счет
оптимизации их корневого углеродного питания.
Основными категориями потребителей инновационной продукции являются
круглогодичные промышленные тепличные комплексы, ориентированные на выращивание
огурцов и томатов.
Работа выполнена в рамках Технического Задания к Договору (Соглашению)
№105ГС1ЦТС10-D5/61798 от 30.09.2020 г.
© А.Г. Амаева, Н.Л. Адаев, 2022
© ФГБОУ ВО «Чеченский государственный университет им. А.А. Кадырова», 2022
© ФГБНУ «Чеченский НИИСХ», 2022
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение………………………………………...……………….………………...…5
Первый этап проведения НИОКР
Глава 1. Разработка математической модели для определения
оптимальных значений азотно-углеродного баланса в гидропонной
технологии выращивания огурцов и томатов………………………………..…….8
Глава 2. Проведение расчетов оптимальных значений корневого
углеродного питания огурцов и томатов………………….....................................12
Глава 3. Определение измерительных сенсоров, используемых
в качестве приборов учета азотно-углеродного баланса в корневой
зоне растений томата и огурца и их приобретение…………………………...….29
Глава 4. Определение месторасположения сенсоров в теплицах
для получения достоверной информации о значениях корневого
углеродного питания огурцов и томатов………………………………………...33
Глава 5. Разработка алгоритмов обработки полученной от
сенсоров информации для прототипа автоматизированной
системы оптимизации корневого углеродного питания огурцов
и томатов с целью принятия решений об оптимизации
азотно-углеродного баланса в реальном режиме времени………………….….39
Глава 6. Разработка механизмов реализации решений по оптимизации
корневого углеродного питания огурцов и томатов…………………...………..42
Глава 7. Разработка сенсорной системы учета азотно-углеродного
баланса в гидропонной технологии выращивания огурцов и томатов…………47
Заключение по первому этапу реализации НИОКР ……………………...……50
Второй этап реализации НИОКР
Глава 8. Разработка прототипа автоматизированной системы
оптимизации корневого углеродного питания огурцов и томатов……………..52
Глава 9. Изготовление прототипа автоматизированной системы
оптимизации корневого углеродного питания огурцов и томатов…………..…63
3
4
Глава 10. Разработка дополнительной составляющей питательных
смесей с использованием компонентов для приготовления питательных
смесей для оптимизации корневого углеродного питания огурцов и томатов...66
Глава 11. Разработка программы и методики испытаний
прототипа автоматизированной системы оптимизации корневого
углеродного питания огурцов и томатов…………………………………….....…74
Глава 12. Проведение испытаний прототипа автоматизированной
системы оптимизации корневого углеродного питания огурцов и томатов..….79
Глава 13. Доработка прототипа автоматизированной системы
оптимизации корневого углеродного питания огурцов и томатов по
результатам испытаний………………………………………………..…….….….81
Заключение..…………………………………………………………….………..…82
Список использованной литературы………………………………………….…..87
Введение
В современной отрасли овощеводства защищенного грунта регулируется
достаточно большое количество параметров, способствующих росту и
развитию растений. К таким параметрам относятся температура, влажность
воздуха и грунта (в том числе искусственного), освещенность, световой спектр,
минеральное питание и некоторые другие. При этом основная проблема в
системе питания растений современных тепличных комплексов связана с
нерациональным использованием минеральных элементов из питательного
раствора. Причиной служит задержка образования пластических веществ в
растительном организме, вследствие чего часть минеральных соединений, не
вошедших в состав органических соединений в теле растения выводится с
дренажными растворами.
Основным элементом, выступающим строительным материалом в
растении служит азот. Специфика его усвоения связана с формами азота -
нитратной и аммонийной. Промежуточной формой азота в процессе
образования белковых соединений является аммиачная форма азота. Он
является токсичным веществом для растения, в связи с чем необходимо
создавать условия для его беспрерывного преобразования в белковые вещества,
которые связаны с наличием достаточного количества углеводных веществ в
корневой зоне. Таким образом, создание условий для своевременного
поступления в необходимых концентрациях органических веществ (углеводный
комплекс) позволяют решить задачу повышения эффективности минерального
питания и как следствие, роста урожайности. В связи с этим, является
актуальным создание действующей в реальном режиме времени
автоматизированной системы учета азотно-углеродного баланса в гидропонной
технологии выращивания огурцов и томатов.
НИОКР, реализуемые в рамках проекта, направлены на получение новых
решений, позволяющих создать такую систему в форме аппаратно программного комплекса.
5
6
Задачи НИОКР:
- разработка математической модели для определения оптимальных
значений азотно-углеродного баланса в гидропонной технологии выращивания
огурцов и томатов;
- проведение расчетов оптимальных значений корневого углеродного
питания огурцов и томатов;
- определение измерительных сенсоров, используемых в качестве
приборов учета азотно-углеродного баланса в корневой зоне растений томата и
огурца и их приобретение;
- определение месторасположения сенсоров в теплицах для получения
достоверной информации о значениях корневого углеродного питания огурцов
и томатов.
- разработка алгоритмов обработки полученной от сенсоров информации
для прототипа автоматизированной системы оптимизации корневого
углеродного питания огурцов и томатов с целью принятия решений об
оптимизации азотно-углеродного баланса в реальном режиме времени;
- разработка механизмов реализации решений по оптимизации корневого
углеродного питания огурцов и томатов;
- разработка сенсорной системы учета азотно-углеродного баланса в
гидропонной технологии выращивания огурцов и томатов.
- разработка прототипа автоматизированной системы оптимизации
корневого углеродного питания огурцов и томатов;
- изготовление прототипа автоматизированной системы оптимизации
корневого углеродного питания огурцов и томатов.
- разработка дополнительной составляющей питательных смесей с
использованием компонентов для приготовления питательных смесей для
оптимизации корневого углеродного питания огурцов и томатов;
- разработка программы и методики испытаний прототипа
автоматизированной системы оптимизации корневого углеродного питания
огурцов и томатов;
7
- проведение испытаний прототипа автоматизированной системы
оптимизации корневого углеродного питания огурцов и томатов;
- доработка прототипа автоматизированной системы оптимизации
корневого углеродного питания огурцов и томатов по результатам испытаний.
На основании результатов исследований разработан, изготовлен и
испытан прототип автоматизированной системы оптимизации корневого
углеродного питания огурцов и томатов.
8
Первый этап проведения НИОКР
Глава 1. Разработка математической модели для определения
оптимальных значений азотно-углеродного баланса в гидропонной
технологии выращивания огурцов и томатов
Основными целями построения математической модели для определения
оптимальных значений азотно-углеродного баланса в гидропонной технологии
выращивания огурцов и томатов (далее -модель) являлись:
- определение и формализация зависимости азотно-углеродного баланса
от различных влияющих на него факторов.
-определение составляющих питательных растворов, используемых при
выращивании томатов и огурцов в условиях защищенного грунта, влияющих на
урожайность, уровня влияния этих составляющих на урожайность и
формализация полученных результатов.
Основными гипотезами, которые использовались при построении модели,
являются:
-урожайность напрямую зависит от соотношения отрицательного и
положительного баланса углекислого газа в корневом углеродном питании
огурцов и томатов. Эта гипотеза подтверждается данными из литературных
источников [1,6,7]. Кроме того, она была подтверждена результатами,
полученными в ходе реализации проекта;
-соотношение отрицательного и положительного баланса углекислого
газа в корневом углеродном питании огурцов и томатов, а также их
урожайность зависит от количества освоенного ими азота. Эта гипотеза
подтверждается данными из литературных источников [3, 5, 9]. Кроме того, она
была подтверждена результатами, полученными в ходе реализации проекта;
-количество освоенного азота, а следовательно, и урожайность огурцов и
томатов определяется оптимальным соотношением находящихся в растворе
органических кислот. Эта гипотеза также подтверждается данными из
9
литературных источников [3,4,9]. Кроме того, она была подтверждена
результатами, полученными в ходе реализации проекта.
Учет этих гипотез позволяет с большой точностью определить временной
интервал, в течение которого в растении возникает дефицит в освоении
органических кислот, азота и СО
2
и корректировать концентрацию
органических кислот в основном питательном растворе, оптимизируя процесс
освоения азота до нужного значения, которое определяется экспериментальным
путем.
Если обозначить урожайность символом N
урж
, то соотношение суммы
отрицательного баланса СО2 в камере к положительному балансу СО
2
в камере,
будет равняться произведению N
урж
на фактор α.
(1),
где α представляет собой совокупность всех факторов, влияющих на
урожайность (за исключением углекислого газа).
Из литературных источников [2, 3, 8, 10], а также в ходе реализации
проекта было подтверждено, что важнейшим фактором, влияющим на
урожайность, является освоение азота. Таким образом, влиянием остальных
факторов можно пренебречь в связи с незначительностью их влияния. Таким
образом, определение значения освоенного азота, позволяет с необходимой
точностью определить оптимальные условия для развития растения. При этом
измерение количества освоенного азота определялось на основе его
концентрации в дренаже.
Таким образом, значение коэффициента α будет равняться отношению
усвоения азота растением и его количества в дренаже.
(2)
С учетом формулы (2) формула (1) принимает следующий вид
10
Для простоты обозначим концентрацию усвоенного азота символом Q
усв,
а
концентрацию азота в дренаже символом Q
држ
. Тогда формула (2) принимает
следующий вид:
(3)
Данная формула показывает значение степени поглощения азота на
реальный момент времени соответственно непосредственно полученным
данным с сенсоров.
Дифференцируем формулу 3 как функцию от переменных
и Q
усв
.
(4)
Значение баланса отрицательного и положительного углекислого газа
является величиной, измеряемая оборудованием. В оптимальных условиях для
томатов и огурцов этот показатель часто меняется и находится в промежутке от
20% до 50 %. Однако, для предсказания возможности выхода значения баланса
за рамки оптимальных значений данная математическая модель должна
измениться, чтобы показать скорость изменения этого параметра
соответственно полученным данным в реальный момент времени. Ее изменение
представлено формулой (5)
(5)
Наличие азота в дренаже измеряется оборудованием и соответственно в
этой математической модели не является функцией, а простым численным
значением. Производная любого числа равняется нулю. Таким образом, мы
можем отбросить отрицательную часть формулы (5). Тогда, скорость
изменения соотношения баланса углекислого газа будет равняться:
(6)
Другим важным показателем для автоматизации системы учета азотно-
углеродного баланса в гидропонной технологии выращивания огурцов и
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]