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
41
объеме, пропорциональном увеличению интенсивности ФАР, начина с 15% при
превышении показателя ФАР в 21 тыс. люкс.
Данный алгоритм связан с тем, что увеличение интенсивности
фотосинтеза требует дополнительных объемов первичных органических
соединений, входящих в состав корректирующего раствора.
Объем корректирующего раствора в таком случае продолжается на 15%
дольше по времени после превышения заданных верхних границ (баланс СО
2
),
используемых при стандартной освещенности в 18 тыс.люкс.
42
Глава 6. Разработка механизмов реализации решений по
оптимизации корневого углеродного питания огурцов и томатов
Полученные в ходе реализации проекта результаты, в том числе, перечень
и последовательность обработки первичной информации позволили
разработать механизмы реализации решений по оптимизации корневого
углеродно-азотного баланса в корневой зоне овощных растений защищенного
грунта. В основу разработки механизмов для определения предельных
значений заложены данные таблицы 7 (Корреляционная зависимость
урожайности от различных показателей углерода в теплице). Данные таблицы
демонстрируют наличие высокой взаимосвязи между поглощением углекислого
газа корневой системой растений огурцов и томатов и урожайностью.
Коэффициент корреляции превышает r = 0,9. Процентное соотношение
поглощения и выделения углекислого газа во всех четырех блоках также тесно
коррелирует с урожайность r = 0.937.
Учитывая, что процесс поглощения и выделения углекислого газа
является высокодинамичным, в механизмы реализации решений по
оптимизации корневого углеродного питания огурцов и томатов заложено
решение использовать первичную информацию, которая будет анализироваться
каждые 15 минут.
Ниже приводится описание каждого из трех разработанных механизмов.
6.1. Механизм 1. Сбор и обработка информации. Состоит из следующих
этапов:
1. Текущий динамический мониторинг показателей корневого
углеродного питания огурцов и томатов. В течение 15 минут с интервалом в 3
минуты в пункт обработки информации направляются данные о концентрации
углекислого газа в измерительной камере, установленной в корневой зоне
растений.
2. Обработка результатов текущего динамического мониторинга
показателей корневого углеродного питания огурцов и томатов. По истечении
43
15 минут полученная информация о количестве поглощенного и выделенного
углекислого газа корнями растений будет обработана.
3. Принятие решения о подготовке и составе корректирующего раствора.
В случае соотношения данных показателей менее 20% система принимает
решение о подготовка корректирующего раствора в зависимости от текущего
значения показателей углекислого газа в корневой зоне растений (базовый
состав раствора определен на основании результатов реализации проекта -см.
Табл. 13.).
Схема реализации механизма 1 приведена на рис.12.
Рис.12. Схема реализации механизма 1
6.2. Механизм 2. Реализация решений о начале и прекращении подачи
корректирующего раствора. Состоит из следующих этапов:
1. Принятие решения о подаче корректирующего питательного раствора.
Для реализации этого решения система посылает сигнал о подаче
Вычисление баланса СО2 (+/-)
Расчет среднего показателя данных датчиков
с 5 временных точек
Регистрация показателей датчиков СО2
Время
1
Время
2
Время
3
Время
4
Время
5
...
Ррм
СО
2
...
Ррм
СО
2
...
Ррм
СО
2
...
Ррм
СО
2
...
Ррм
СО
2
Беспроводная передача данных для
обработки
ПО (программное обеспечение)
44
корректирующего питательного раствора через инжекторы в основной
питательный минеральный раствор. Подача осуществляется исходя из
соотношения 1мг органических кислот на 1 литр раствора.
2.Текущий динамический мониторинг показателей корневого
углеродного питания огурцов и томатов и обработка первичной информации.
Производится в том же порядке, что и в п.п.1 и 2 механизма.
3. Принятие системой решения о прекращении подачи корректирующего
раствора в зависимости от текущего значения показателей углекислого газа в
корневой зоне растений. При достижении баланса 50% подача
корректирующего раствора прекращается. Предел в 50% можно рассматривать
соответствующим естественному протеканию накопления углерода растениями
и возврата его в составе экссудатов, выделяемых корневой системой
(обоснование значения предела см. Раздел 2 отчета). Схема реализации
механизма 2 приведена на рис.13.
Рис.13 Схема реализации механизма 2.
Вычисление среднего баланса СО2 (+/-) с 4-х
15-минутных отрезков и передача к пункт
принятия решения
Подача корректирующего раствора при доле
отрицательного баланса СО
2
менее 20%
Продолжение определения баланса СО2
Прекращение подачи корректирующего
раствора при доле отрицательного баланса
СО2 - 50%
45
6.3. Механизм 3. Коррекция концентрации азота в базовом (минеральном)
питательном растворе. Состоит из следующих этапов:
1. Измерение (лабораторное) концентрации азота в дренажном стоке
(каждые 3 дня).
2. Установление предельной максимальной концентрации (не выше 164
мг/л).
3. Установление предельно минимальной концентрации азота в
дренажном стоке (80 мг/л).
4. Корректировка формулы питательного раствора с учетом возросших
потребностей растений и коэффициента усвоения азота.
Схема реализации механизма 3 приведена на рис.14.
Рис. 14. Схема реализации механизма 3.
Таким образом, рассмотренные механизмы реализации решений по
оптимизации корневого углеродного питания огурцов и томатов основан на
балансе углекислого газа (поглощение/выделение) в корневой зоне и
Мониторинг уровня азота в дренажном стоке,
мг/л
Концентрация азота 80164 мг/л
Коэффициент усвоения
оптимальный
Концентрация выше
164 мг/л
(коэффициент
усвоения низкий
Концентрация азота менее
80 мг/л (на протяжение 3-х
измерений)
Коэффициент усвоения
Сохранение текущего
режима азотноуглеродного
обеспечения
Проводится
корректировка состава
базового
(минерального)
раствора
Коррекция объема и
состава
корректирующего
раствора
46
определяет периодичность и дозу подачи рассчитанного корректирующего
раствора в базовый питательный раствор исходя из концентрации 1 мл/1 л.
Статистическая обработка данных выявила высокую взаимосвязь баланса СО
2
,
степени поглощения азота из питательного раствора и состава
низкомолекулярных компонентов корневых экссудатов с продуктивностью
растений томата, выраженной в кг плодов с 1м
2
(см. глава 2).
Реализация этих механизмов позволяет создать прототип
автоматизированной системы оптимизации углеродного питания овощных
растений, способный самостоятельно принимать решения и действовать в
целях поддержания азотно-углеродного баланса в системе питания овощей в
режиме реального времени.
47
Глава 7. Разработка сенсорной системы учета азотно-углеродного
баланса в гидропонной технологии выращивания огурцов и томатов
7.1. Последовательность основных действий сенсорной системы.
Автоматизация процесса оптимизации корневого углеродного питания огурцов
и томатов основывается на первичной информации от сенсоров (датчиков СО
2
,
являющихся одной из составляющих аппаратной части системы). Сенсоры
обеспечивают передачу информации в программную составляющую системы,
где она обрабатывается с целью отслеживания концентрации углекислого газа.
При снижении концентрации углекислого газа за пределы оптимальных
значений, которые были установлены опытным путем в ходе реализации
проекта, система передает команду в пункт управления подачей раствора в
определенный блок тепличного комплекса о составе корректирующего
раствора, необходимости его подготовки и о подаче корректирующего раствора
для обеспечения дополнительной концентрации углеводного компонента в
корневой зоне. При этом учитывается время, за которое органическое вещество
достигнет корневой зоны. При достижении концентрации СО
2
верхней границы
установленного оптимального диапазона система подает сигнал для
отключения подачи корректирующего раствора.
Необходимо отметить, что в ходе дальнейших исследований планируется
разработка аналитической подсистемы, позволяющей более точно оценивать
влияние концентрации корректирующего раствора и других параметров на
урожайность огурцов и томатов.
7.2. Описание сенсорной системы учета азотно-углеродного баланса в
гидропонной технологии выращивания огурцов и томатов. Сенсорная система
представляет собой инженерно-техническое решение, выполненное на основе
сети датчиков, установленных в заранее определенном в ходе реализации
проекта количестве и месторасположении в каждом блоке тепличного
комплекса и передающих сигналы (показатели концентрации СО2 в корневой
системе растений) в пункт управления системой. Пункт управления системой
48
представляет собой компьютер с разработанным программным обеспечением
по автоматизации подачи корректирующего раствора в питательный раствор.
Кроме того, пункт управления системой обеспечивает:
-связь с существующими пунктами управления подачей питательного
раствора в отдельные блоки тепличного комплекса;
- подготовку корректирующего раствора заданной концентрации и подачу
его в питательных раствор;
-передачу необходимой информации на мобильные устройства
сотрудников тепличного комплекса (телефоны, планшеты и пр.) для
оповещения их о корректировке концентрации СО
2
в корневой системе
растений;
-подготовку и хранение в системе отчетов о выполненных операциях
7.3. Элементы сенсорной системы учета азотно-углеродного баланса в
гидропонной технологии выращивания огурцов и томатов. Основными
элементами сенсорной системы являются:
7.3.1. Измерительные сенсоры, используемые в качестве приборов учета
азотно-углеродного баланса в корневой зоне растений томата и огурца,
передающими через беспроводную систему информацию на пункт управления
системой.
7.3.2. Пункт управления системой - электронное устройство (компьютер)
на котором установлено программное обеспечение, обрабатывающее
первичную информацию и принимающее решение о концентрации
корректирующего раствора, начале его подачи и прекращении подачи.
7.3.3. Элементы инженерной инфраструктуры, необходимые для
подготовки корректирующего раствора. В перечень элементов входят:
-емкости из устойчивого к агрессивным средам материала для хранения
органических кислот;
-емкость (1000 л) из устойчивого к агрессивным средам материала, в
которой готовится корректирующий раствор (смесь органических кислот, доля
каждой которой статистически рассчитана и приведена в таблице №13 отчета);
49
-инжектор, подающий в основной питательный раствор корректирующий
раствор;
-прибор, обеспечивающий начало и прекращение подачи
корректирующего раствора.
1. Требования: «Основные технические параметры, определяющие
количественные, качественные и функциональные характеристики продукции»:
1.1. Сенсорная система обеспечивает фиксацию показателей датчиков
углекислого газа, передачу информации в программу обработки данных,
обработку информации в соответствии с разработанной математической
моделью (удовлетворяет).
1.2. Сенсорная система позволяет принимать решение о времени начала и
прекращения подачи углеводного компонента питательной среды, передавать
сигнал на пульт управления для подачи углеводного компонента из бака
(удовлетворяет).
1.3. Сенсорная система разрабатывается на основе серийно выпускаемых
технических средств (удовлетворяет).
1.4. Система подачи углеводного компонента имеет следующие
технические характеристики:
- напряжение питания цепей управления в пределах 220-240 В
переменного тока частотой 50 Гц. (удовлетворяет).
- объем емкости маточного раствора углеводного компонента
питательного раствора не менее 250 литров. (удовлетворяет).
2. Требования из п. 4.3. ТЗ «Конструктивные требования».
Автоматизированная система представляет собой комплекс, состоящий из
следующих основных частей:
2.1. Датчики углекислого газа (сенсоры) из расчета 4 единицы на 1 га
(удовлетворяет).
2.2. Пункт принятия решения (программное обеспечение). Программа
может быть установлена как на стационарный компьютер или ноутбук, так и на
50
смартфон специалиста, ответственного за обеспечение питания растений
(удовлетворяет).
2.3. Углеводный компонент (удовлетворяет)
2.4. Инжектор (удовлетворяет)
3. Требования: «Перечень основных категорий комплектующих и
материалов, входящих в состав разрабатываемого продукта (изделия) или
используемых в процессе его разработки и изготовления»:
3.1. Серийно выпускаемые сенсоры (удовлетворяет)
3.2. Компоненты для приготовления питательных смесей (удовлетворяет)
Заключение
В ходе разработке сенсорной системы учета азотно-углеродного баланса
в гидропонной технологии выращивания огурцов и томатов были выполнены
следующие работы:
- разработана математическая модель для определения оптимальных
значений азотно-углеродного баланса в гидропонной технологии выращивания
огурцов и томатов;
- проведены расчеты оптимальных значений корневого углеродного
питания огурцов и томатов;
- определены измерительные сенсоры, используемых в качестве приборов
учета азотно-углеродного баланса в корневой зоне растений томата и огурца и
их приобретение;
- определено месторасположение сенсоров в теплицах для получения
достоверной информации о значениях корневого углеродного питания огурцов
и томатов.
- разработаны алгоритмы 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;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]