RU2848224C1 - System for formation of light medium for plants grown in protected ground - Google Patents
System for formation of light medium for plants grown in protected groundInfo
- Publication number
- RU2848224C1 RU2848224C1 RU2024132291A RU2024132291A RU2848224C1 RU 2848224 C1 RU2848224 C1 RU 2848224C1 RU 2024132291 A RU2024132291 A RU 2024132291A RU 2024132291 A RU2024132291 A RU 2024132291A RU 2848224 C1 RU2848224 C1 RU 2848224C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- inputs
- outputs
- computer
- spectrum
- light
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к растениеводству закрытого типа, а именно к системам освещения теплиц, сити-ферм, фитотронов или гроубоксов, и может быть использовано для выращивания растительной продукции, в том числе овощей и зелени.The invention relates to closed-type plant growing, namely to lighting systems for greenhouses, city farms, phytotrons or growboxes, and can be used for growing plant products, including vegetables and herbs.
Известна система формирования световой среды для выращиваемых в закрытом грунте растений [1 - Патент РФ №2654259, МПК: A01G 2/00; МПК: A01G 7/00 Динамическая рецептура света для растениеводства], содержащая источник света для выращивания рассады, датчик для измерения особенности рассады, анализатор для определения стадии роста рассады на основе измеренной особенности рассады и устройство возбуждения для управления источником света на основе стадии роста рассады.A system for creating a light environment for plants grown in closed ground is known [1 - Russian Federation Patent No. 2654259, IPC: A01G 2/00; IPC: A01G 7/00 Dynamic light formulation for plant growing], comprising a light source for growing seedlings, a sensor for measuring the characteristics of the seedlings, an analyzer for determining the stage of seedling growth based on the measured characteristics of the seedlings, and an excitation device for controlling the light source based on the stage of seedling growth.
Особенностью известной системы [1] является применение в цепи управления источником света обратной связи в зависимости от стадии роста растения, которая определяется по индексу площади листа (leaf area index, LAI). В свою очередь, индекс площади листа определяется при помощи датчика для измерения особенности рассады, в качестве такого датчика могут использоваться фото или видеокамеры.A distinctive feature of the well-known system [1] is the use of feedback in the light source control circuit, depending on the plant's growth stage, which is determined by the leaf area index (LAI). The leaf area index, in turn, is determined using a sensor for measuring seedling characteristics, such as a photo or video camera.
Недостатком известной системы [1] является низкая точность формирования световой среды, связанная с использованием в известной системе [1] для определения стадии роста и особенности выращиваемой рассады (то есть, состояния растения) только изображений этой рассады в оптическом диапазоне. Как будет показано далее, для достоверного и всестороннего понимания состояния выращиваемых растений (и, соответственно, формирования такой световой среды, которая адекватна их состоянию), требуется учет ответных реакций растения на световую среду, проявляющихся не только в световом диапазоне (то есть, изображения растений), но также в звуковом диапазоне. Кроме того, в оптическом диапазоне необходим анализ не только изображений растения, но также анализ спектров света, отраженного и пропущенного через листья растения.A disadvantage of the known system [1] is the low accuracy of the light environment generation, due to the fact that the known system [1] uses only optical images of the seedlings to determine the growth stage and characteristics of the grown seedlings (i.e., the plant's condition). As will be demonstrated below, a reliable and comprehensive understanding of the state of the grown plants (and, accordingly, the generation of a light environment appropriate to their condition) requires consideration of the plant's response to the light environment, which manifests itself not only in the light spectrum (i.e., plant images) but also in the sound spectrum. Furthermore, in the optical spectrum, it is necessary to analyze not only plant images but also the spectra of light reflected and transmitted through the plant's leaves.
Известно также устройство для освещения растений [2 - Захидов Э.А. и др. Низкочастотный фотоакустический спектрометр с RGB - светодиодом для определения профиля фотосинтетической активности в листьях растений // Акустический журнал, 2018, том 64, №6, стр. 768-774], содержащее источник тока, RGB - светодиод, фотоакустическую ячейку, микрофон, предусилитель, синхронный детектор, аналого-цифровой преобразователь, компьютер, осциллограф.A device for illuminating plants is also known [2 - Zakhidov E.A. et al. Low-frequency photoacoustic spectrometer with RGB LED for determining the profile of photosynthetic activity in plant leaves // Acoustic Journal, 2018, Vol. 64, No. 6, pp. 768-774], containing a current source, RGB LED, photoacoustic cell, microphone, preamplifier, synchronous detector, analog-to-digital converter, computer, oscilloscope.
Известное устройство [2] служит для изучения процессов фотосинтеза в листьях растений под воздействием светодиодного освещения с различными длинами волн. Как указано в описании известного устройства [2], при этом не требуется отрывание листьев от растения. В качестве сигнала, несущего информацию о количественном состоянии процесса фотосинтеза, используется регистрируемый чувствительным микрофоном фотоакустический сигнал, связанный с расширением/сжатием листа (фототермическая компонента фотоакустического сигнала), а также связанный с периодическими возмущениями давления воздуха (фотобарическая компонента фотоакустического сигнала). Исходя из этого, известное устройство можно использовать для формирования световой среды с использованием обратной связи о состоянии растения, при этом в качестве сигнала обратной связи используется фотоакустический сигнал, снимаемый с микрофона.A known device [2] is used to study photosynthesis processes in plant leaves under the influence of LED lighting with different wavelengths. As indicated in the description of the known device [2], this does not require removing leaves from the plant. A photoacoustic signal recorded by a sensitive microphone, associated with leaf expansion/contraction (the photothermal component of the photoacoustic signal), as well as periodic disturbances in air pressure (the photobaric component of the photoacoustic signal), is used as a signal carrying information about the quantitative state of the photosynthesis process. Based on this, the known device can be used to shape the light environment using feedback on the state of the plant, with the photoacoustic signal recorded by the microphone serving as the feedback signal.
Недостатком известного устройства [2] является низкая точность формирования световой среды, связанная с использованием в известном устройстве [2] в качестве сигнала о состоянии растения только фотоакустического сигнала. Как будет показано далее, для достоверного и всестороннего понимания состояния выращиваемых растений (и, соответственно, формирования такой световой среды, которая адекватна их состоянию), требуется учет ответных реакций растения на световую среду не только в звуковом диапазоне, но также в световом диапазоне (анализ изображения растения и его плодов, а также анализ спектров света, отраженного и пропущенного листьями растения).A disadvantage of the known device [2] is the low accuracy of the light environment formation, due to the use of only a photoacoustic signal as a plant condition signal in the known device [2]. As will be demonstrated below, for a reliable and comprehensive understanding of the condition of cultivated plants (and, accordingly, the formation of a light environment that is adequate for their condition), it is necessary to consider the plant's responses to the light environment not only in the sound range, but also in the light range (analysis of the image of the plant and its fruits, as well as analysis of the spectra of light reflected and transmitted by the plant's leaves).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой системе является выбранная в качестве прототипа система формирования световой среды для выращиваемых в закрытом грунте растений [3 - Патент РФ №2780199, МПК: F21K 99/00; МПК: A01G 9/20 Система управления фитооблучателем с обратной связью и применением газообразного водорода в качестве катализатора роста растений], содержащая компьютер, роутер, контроллер, мультиспектральную видеокамеру, светодиодный фитооблучатель, блоки управления, электролизер, датчик контроля водорода, датчик температуры и вентилятор, фитооблучатель выполнен из групп светодиодов с регулируемым спектром излучения каждой из них, выход компьютера соединен со входом роутера, выходы контроллера соединены со входами блоков управления, выходы которых соединены со входами групп светодиодов, выход датчика температуры соединен со входом контроллера, выходы которого соединены со входами вентилятора и электролизера.The closest in technical essence to the claimed system is the system for forming a light environment for plants grown in closed ground [3 - Russian Federation Patent No. 2780199, IPC: F21K 99/00; IPC: A01G 9/20 Phytoirradiator control system with feedback and the use of gaseous hydrogen as a plant growth catalyst], which contains a computer, a router, a controller, a multispectral video camera, a LED phytoirradiator, control units, an electrolyzer, a hydrogen control sensor, a temperature sensor and a fan, the phytoirradiator is made of groups of LEDs with an adjustable emission spectrum for each of them, the computer output is connected to the router input, the controller outputs are connected to the inputs of the control units, the outputs of which are connected to the inputs of the LED groups, the temperature sensor output is connected to the input of the controller, the outputs of which are connected to the inputs of the fan and the electrolyzer.
Недостатком известной системы [3] является низкая точность формирования световой среды, которая связана с пятью факторами.The disadvantage of the known system [3] is the low accuracy of the formation of the light environment, which is associated with five factors.
Во-первых, в известной системе [3] никаким образом не учитываются текущие параметры световой среды, то есть, достигнутые значения интенсивности светового потока и соотношения между спектральными компонентами, что детерминирует низкую точность известной системы [3] по формированию оптимальной (нужной) световой среды.Firstly, the known system [3] does not take into account in any way the current parameters of the light environment, that is, the achieved values of the intensity of the light flux and the ratio between the spectral components, which determines the low accuracy of the known system [3] in forming the optimal (required) light environment.
Во-вторых, в известной системе [3] для формирования световой среды используются четыре участка излучений (с провалами) в диапазоне от 434 нм до 735 нм (и не используются излучения в области УФ-А, а также фиолетовый свет, голубой свет, зеленый свет, желтый свет, оранжевый свет), тогда как для жизнедеятельности растений требуется непрерывный спектр излучения в диапазоне длин волн от 315 нм до 1000 нм, что не обеспечивается в системе [3].Secondly, in the known system [3], four radiation sections (with dips) in the range from 434 nm to 735 nm are used to form the light environment (and radiation in the UVA region, as well as violet light, blue light, green light, yellow light, and orange light are not used), whereas for the vital activity of plants a continuous radiation spectrum in the wavelength range from 315 nm to 1000 nm is required, which is not provided in the system [3].
В-третьих, низкая точность формирования световой среды связана с тем, что в известной системе [3] для определения состояния растений используется только их фото- и видеофиксация. При этом для достоверного и всестороннего понимания состояния выращиваемых растений (и, соответственно, формирования такой световой среды, которая адекватна их состоянию), требуется учет ответных реакций растений на световую среду, проявляющихся в результате анализа не только фото- и видеоизображений растения, но также в результате анализа изменений в спектре света, отраженного и пропущенного листьями растения, по отношению к спектру падающего света.Third, the low accuracy of light environment formation is due to the fact that the existing system [3] uses only photo and video recordings to determine plant condition. However, to reliably and comprehensively understand the condition of cultivated plants (and, consequently, to create a light environment that is appropriate for their condition), it is necessary to consider the plant's responses to the light environment. This is demonstrated by analyzing not only photo and video images of the plant, but also by analyzing changes in the spectrum of light reflected and transmitted by the plant's leaves, relative to the spectrum of incident light.
В-четвертых, как будет показано далее, для формирования световой среды, которая адекватна состоянию растений, требуется анализ и учет ответных реакций растений в звуковом диапазоне (то есть, звуков, издаваемых растениями в процессе их жизнедеятельности), что в известной системе [3] не реализуется.Fourthly, as will be shown below, to form a light environment that is adequate to the condition of plants, it is necessary to analyze and take into account the response reactions of plants in the sound range (that is, the sounds emitted by plants during their life processes), which is not implemented in the known system [3].
В-пятых, в известной системе [3] никаким образом не учитываются наработка групп светодиодов и фактический ток, протекающий через светодиоды, хотя наработка и фактический ток определяют светотехнические и колориметрические характеристики светодиодов и потому должны учитываться при формировании световой среды.Fifthly, the well-known system [3] does not take into account in any way the operating time of LED groups and the actual current flowing through the LEDs, although the operating time and actual current determine the lighting and colorimetric characteristics of the LEDs and therefore must be taken into account when forming the lighting environment.
Технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая система, является обеспечение формирования такой световой среды, которая наиболее точно соответствует состоянию выращиваемых растений.The technical problem that the proposed system aims to solve is to ensure the formation of a light environment that most accurately corresponds to the condition of the plants being grown.
Для решения технической проблемы предлагается система формирования световой среды для выращиваемых в закрытом грунте растений, содержащая первый компьютер, группы светодиодов, блоки управления, входы которых соединены с выходами первого контроллера, входы которого соединены с выходами видеокамеры и датчика температуры, выход первого контроллера соединен с входом вентилятора.To solve the technical problem, a system for generating a light environment for plants grown indoors is proposed, comprising a first computer, groups of LEDs, control units, the inputs of which are connected to the outputs of a first controller, the inputs of which are connected to the outputs of a video camera and a temperature sensor, the output of the first controller is connected to the input of a fan.
Согласно изобретению, в систему введены первый датчик спектра, второй датчик спектра, третий датчик спектра, измерители тока, коммутатор, второй контроллер, блок памяти, блок синхронизации, второй компьютер, первый микрофон и второй микрофон, выходы первого и второго микрофона соединены с входами второго компьютера, выход которого соединен с входом первого компьютера, выходы которого соединены с входами первого контроллера, второго компьютера, второго контроллера и блока синхронизации, выход которого соединен с входами первого, второго и третьего датчика спектра, выходы первого, второго и третьего датчика спектра соединены с входами первого компьютера, выходы блоков управления соединены с входами измерителей тока, первые выходы которых соединены с входами групп светодиодов, а вторые выходы - с входами коммутатора, выход которого соединен с входом второго контроллера, выходы которого соединены с входами первого компьютера, коммутатора и блока памяти, выход которого соединен с входом второго контроллера, выходы первого контроллера соединены с входом излучателя инфракрасного диапазона и входом видеокамеры, вход вентилятора соединен с входом второго компьютера.According to the invention, the system includes a first spectrum sensor, a second spectrum sensor, a third spectrum sensor, current meters, a switch, a second controller, a memory unit, a synchronization unit, a second computer, a first microphone and a second microphone, the outputs of the first and second microphones are connected to the inputs of the second computer, the output of which is connected to the input of the first computer, the outputs of which are connected to the inputs of the first controller, the second computer, the second controller and the synchronization unit, the output of which is connected to the inputs of the first, second and third spectrum sensors, the outputs of the first, second and third spectrum sensors are connected to the inputs of the first computer, the outputs of the control units are connected to the inputs of the current meters, the first outputs of which are connected to the inputs of the LED groups, and the second outputs - to the inputs of the switch, the output of which is connected to the input of the second controller, the outputs of which are connected to the input of the first computer, the switch and the memory unit, the output of which is connected to the input of the second controller, the outputs of the first controller are connected to the input of the infrared emitter and the input of the video camera, the input of the fan is connected to the input of the second computer.
Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемой системы из литературы не известны, поэтому она соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.The combination of distinctive features and properties of the proposed system are not known from the literature, therefore it meets the criteria of novelty and inventive step.
Техническим результатом изобретения является повышение точности формирования световой среды за счет измерения текущего спектра, сопоставления его с оптимальным спектром и вычисления необходимых корректив для устройств управления; за счет использования непрерывного спектра излучений в диапазоне длин волн от 315 нм до 1000 нм (что требуется для жизнедеятельности растений); за счет определения изменений пигментного состава растений посредством анализа спектров отраженного и пропущенного листьями растения света; за счет учета сигналов от растения в звуковом диапазоне; за счет учета изменений светотехнических и колориметрических характеристик светодиодов во времени.The technical result of the invention is to increase the accuracy of the formation of the light environment by measuring the current spectrum, comparing it with the optimal spectrum and calculating the necessary adjustments for the control devices; by using a continuous spectrum of radiation in the wavelength range from 315 nm to 1000 nm (which is required for the vital activity of plants); by determining changes in the pigment composition of plants through the analysis of the spectra of light reflected and transmitted by the leaves of the plant; by taking into account signals from the plant in the audio range; by taking into account changes in the lighting and colorimetric characteristics of LEDs over time.
Систему формирования световой среды для выращиваемых в закрытом грунте растений иллюстрирует фигура.The system for creating a light environment for plants grown indoors is illustrated by the figure.
На фиг. показана система формирования световой среды.The figure shows a system for forming a light environment.
Система формирования световой среды для выращиваемых в закрытом грунте растений содержит первый компьютер 1, второй компьютер 2, первый контроллер 3, блоки управления 4, измерители тока 5, группы светодиодов 6, коммутатор 7, второй контроллер 8, блок памяти 9, первый микрофон 10, второй микрофон 11, вентилятор 12, видеокамера 13, датчик температуры 14, первый датчик спектра 15, второй датчик спектра 16, третий датчик спектра 17, блок синхронизации 18 и излучатель инфракрасного диапазона 19.The system for forming a light environment for plants grown in closed ground comprises a first computer 1, a second computer 2, a first controller 3, control units 4, current meters 5, groups of light-emitting diodes 6, a switch 7, a second controller 8, a memory unit 9, a first microphone 10, a second microphone 11, a fan 12, a video camera 13, a temperature sensor 14, a first spectrum sensor 15, a second spectrum sensor 16, a third spectrum sensor 17, a synchronization unit 18 and an infrared emitter 19.
Входы блоков управления 4 соединены с выходами первого контроллера 3, входы которого соединены с выходами видеокамеры 13 и датчика температуры 14, выход первого контроллера 3 соединен с входом вентилятора 12.The inputs of control units 4 are connected to the outputs of the first controller 3, the inputs of which are connected to the outputs of video camera 13 and temperature sensor 14, the output of the first controller 3 is connected to the input of fan 12.
Выходы первого микрофона 10 и второго микрофона 11 соединены с входами второго компьютера 2, выход которого соединен с входом первого компьютера 1, выходы которого соединены с входами первого контроллераThe outputs of the first microphone 10 and the second microphone 11 are connected to the inputs of the second computer 2, the output of which is connected to the input of the first computer 1, the outputs of which are connected to the inputs of the first controller
3, второго компьютера 2, второго контроллера 8 и блока синхронизации 18, выход которого соединен с входами первого датчика спектра 15, второго датчика спектра 16 и третьего датчика спектра 17, выходы первого датчика спектра 15, второго датчика спектра 16 и третьего датчика спектра 17 соединены с входами первого компьютера 1, выходы блоков управления 4 соединены с входами измерителей тока 5, первые выходы которых соединены с входами групп светодиодов 6, а вторые выходы - с входами коммутатора 7, выход которого соединен с входом второго контроллера 8, выходы которого соединены с входами первого компьютера 1, коммутатора 7 и блока памяти 9, выход которого соединен с входом второго контроллера 8, выходы первого контроллера 3 соединены с входом излучателя инфракрасного диапазона 19 и входом видеокамеры 13, вход вентилятора 12 соединен с входом второго компьютера 2.3, the second computer 2, the second controller 8 and the synchronization unit 18, the output of which is connected to the inputs of the first spectrum sensor 15, the second spectrum sensor 16 and the third spectrum sensor 17, the outputs of the first spectrum sensor 15, the second spectrum sensor 16 and the third spectrum sensor 17 are connected to the inputs of the first computer 1, the outputs of the control units 4 are connected to the inputs of the current meters 5, the first outputs of which are connected to the inputs of the groups of LEDs 6, and the second outputs - to the inputs of the switch 7, the output of which is connected to the input of the second controller 8, the outputs of which are connected to the inputs of the first computer 1, the switch 7 and the memory unit 9, the output of which is connected to the input of the second controller 8, the outputs of the first controller 3 are connected to the input of the infrared emitter 19 and the input of the video camera 13, the input of the fan 12 is connected to the input of the second computer 2.
На фиг. также условно обозначено выращиваемое растение 20. Естественно, что под термином «растение» может подразумеваться несколько растений.In Fig., the cultivated plant 20 is also conventionally designated. Naturally, the term “plant” can refer to several plants.
Первый микрофон 10 имеет диаграмму направленности с явно выраженным максимумом (например, суперкардиоидного или гиперкардиоидного типа) и располагается в непосредственной близости от выращиваемого растения 20 так, чтобы максимум его диаграммы направленности был направлен на растение 20. Второй микрофон 11 имеет круговую диаграмму направленности и располагается вблизи блоков управления 4.The first microphone 10 has a directional pattern with a clearly defined maximum (for example, supercardioid or hypercardioid type) and is located in the immediate vicinity of the grown plant 20 so that the maximum of its directional pattern is directed at the plant 20. The second microphone 11 has a circular directional pattern and is located near the control units 4.
Вентилятор 12 и видеокамера 13 располагаются в непосредственной близости от выращиваемого растения 20. Первый датчик спектра 15 располагается над выращиваемым растением, обращен чувствительным элементом вниз (к адаксиальной стороне листьев растений) и служит для фиксации спектра, отраженного растением. Второй датчик спектра 16 располагается на почве под растением, обращен чувствительным элементом вверх (к абаксиальной стороне листьев растений) и служит для фиксации спектра, который пропущен листьями растения. Третий датчик спектра 17 располагается рядом с выращиваемым растением на средней высоте растения, обращен чувствительным элементом к группам светодиодов 6 и служит для фиксации интегрального текущего спектра световой среды. Информация, получаемая с первого датчика спектра 15 и второго датчика спектра 16 служит для оценки состояния растения 20, которая выполняется в первом компьютере 1. Информация, получаемая с третьего датчика спектра 17 служит для получения информации о рассогласовании между текущим спектром световой среды и оптимальным спектром, которая также выполняется в первом компьютере 1.The fan 12 and the video camera 13 are located in the immediate vicinity of the plant 20 being grown. The first spectrum sensor 15 is positioned above the plant being grown, with its sensitive element facing downwards (towards the adaxial side of the plant leaves) and serves to record the spectrum reflected by the plant. The second spectrum sensor 16 is positioned on the soil beneath the plant, with its sensitive element facing upwards (towards the abaxial side of the plant leaves) and serves to record the spectrum transmitted by the plant leaves. The third spectrum sensor 17 is positioned near the plant being grown at the average height of the plant, with its sensitive element facing the groups of light-emitting diodes 6 and serves to record the integral current spectrum of the light environment. The information received from the first spectrum sensor 15 and the second spectrum sensor 16 serves to evaluate the state of the plant 20, which is performed in the first computer 1. The information received from the third spectrum sensor 17 serves to obtain information on the discrepancy between the current spectrum of the light environment and the optimal spectrum, which is also performed in the first computer 1.
Система формирования световой среды для выращиваемых в закрытом грунте растений работает следующим образом. Предварительно в первый компьютер 1 записывают спектр, являющийся оптимальным (то есть, требуемым, желательным, наилучшим) для растений, выращиваемых в теплице, сити-ферме, фитотроне или гроубоксе. Далее по тексту, без потери общности, будет использоваться термин «теплица», а для облегчения понимания, обороты «запись/анализ спектра» будет использоваться вместо оборотов «запись/анализ спектральных параметров светового излучения». Оптимальный спектр, записываемый в первый компьютер 1, по своему существу определяет формируемую световую среду на любое время суток, любой месяц и время года для всех выращиваемых в теплице растений в соответствии со стадией их онтогенеза.The system for generating a light environment for plants grown indoors operates as follows. A spectrum deemed optimal (i.e., required, desirable, or best) for plants grown in a greenhouse, city farm, phytotron, or growbox is first recorded in the first computer 1. Hereinafter, without loss of generality, the term "greenhouse" will be used, and for ease of understanding, the phrase "spectrum recording/analysis" will be used instead of "recording/analysis of spectral parameters of light radiation." The optimal spectrum recorded in the first computer 1 essentially determines the generated light environment for any time of day, any month, and any season for all plants grown in the greenhouse, according to their stage of development.
Оптимальный спектр, записываемый в первый компьютер 1, может быть определен различными способами. Например, такой спектр световой среды может быть получен путем моделирования воздействия на некоторый исходный спектр различных факторов, изменяющих интенсивность и соотношение между отдельными составляющими исходного спектра. При этом в качестве исходного спектра может быть принят некоторый обобщенный спектр солнечного излучения для разного времени летнего дня в средних широтах России в условиях сухой и чистой атмосферы, например [4 - Пархоменко Н.Г., Косогор А.А., Дегтярев С.В., Князькин Д.Г., Мясоедов Е.А. Концептуальные подходы к обоснованию состава спектра светодиодных фитооблучателей // Теплицы России, 2024, №3, стр. 25-30]. Спектральный состав такого обобщенного исходного спектра для разного времени суток характеризуется разным соотношением между интенсивностями синего, зеленого, красного и дальнего красного света. Для «утреннего» спектра это соотношение между интенсивностями указанного света с определенными допущениями может быть принято как 16:24:29:30. Для «дневного» спектра это соотношение с определенными допущениями может быть принято как 20:25:31:23. Для «вечернего» спектра это соотношение с определенными допущениями может быть принято как 13:21:26:39 [4].The optimal spectrum recorded in the first computer 1 can be determined in various ways. For example, such a spectrum of the light environment can be obtained by simulating the impact on a certain initial spectrum of various factors that change the intensity and ratio between the individual components of the initial spectrum. In this case, a certain generalized spectrum of solar radiation for different times of the summer day in the middle latitudes of Russia under conditions of a dry and clean atmosphere can be adopted as the initial spectrum, for example [4 - Parkhomenko N.G., Kosogor A.A., Degtyarev S.V., Knyazkin D.G., Myasoedov E.A. Conceptual approaches to substantiating the spectrum composition of LED phyto-irradiators // Greenhouses of Russia, 2024, No. 3, pp. 25-30]. The spectral composition of such a generalized initial spectrum for different times of the day is characterized by different ratios between the intensities of blue, green, red and far red light. For the "morning" spectrum, this ratio between the intensities of the said light, with certain assumptions, can be taken as 16:24:29:30. For the "daytime" spectrum, this ratio, with certain assumptions, can be taken as 20:25:31:23. For the "evening" spectrum, this ratio, with certain assumptions, can be taken as 13:21:26:39 [4].
Для корректного представления не только «медленных» (то есть, суточных, в масштабе часов), но и «быстрых» (в интервалах минут) вариаций спектрального состава светового излучения, эталонный спектр [4] методами математического моделирования должен быть подвергнут воздействию всех процессов, изменяющих соотношение между спектральными компонентами, среди которых главными являются молекулярное рассеяние Рэлея и рассеяние Ми в мутной среде (на аэрозольных частицах), а также факторы переменной мутности атмосферы (пыль, туман); изменения концентрации аридного и антропогенного аэрозолей в течение суток; поляризации частиц; флуктуации плотности воздуха; переотражений в сгустках частиц в облаках; влияния температурных неоднородностей; образования аэрозольных частиц в самой атмосфере за счет химических реакций; изменчивой освещенности [5 - Современные проблемы атмосферной оптики, в 9 томах / под ред. В.Е. Зуева. - Ленинград: Гидрометеоиздат], [6 - Таблицы по светорассеянию, в 4 томах / под ред. К.С.Шифрина. - Ленинград: Гидрометеоиздат], [7 - Фабелинский И.Л. Молекулярное рассеяние света. - М.: Наука, 1965, 511 с.].For correct representation of not only “slow” (i.e. daily, on the scale of hours), but also “fast” (in intervals of minutes) variations in the spectral composition of light radiation, the reference spectrum [4] should be subjected to the influence of all processes changing the relationship between the spectral components using mathematical modeling methods, among which the main ones are Rayleigh molecular scattering and Mie scattering in a turbid medium (on aerosol particles), as well as factors of variable turbidity of the atmosphere (dust, fog); changes in the concentration of arid and anthropogenic aerosols during the day; particle polarization; air density fluctuations; re-reflections in clumps of particles in clouds; the influence of temperature inhomogeneities; the formation of aerosol particles in the atmosphere itself due to chemical reactions; variable illumination [5 - Modern Problems of Atmospheric Optics, in 9 volumes / edited by V.E. Zuev. - Leningrad: Gidrometeoizdat], [6 - Tables on light scattering, in 4 volumes / edited by K.S. Shifrin. - Leningrad: Gidrometeoizdat], [7 - Fabelinsky I.L. Molecular scattering of light. - Moscow: Nauka, 1965, 511 p.].
С учетом большого объема вычислительных мощностей, необходимых для проведения указанного моделирования с адекватными результатами, для определения оптимального спектра предпочтительным является способ непосредственного измерения и записи реально наблюдаемого спектра естественного солнечного излучения с небольшими (менее минуты) интервалами между отдельными измерениями. Этот способ определения оптимального спектра обосновывается следующим. Поскольку в естественных природных условиях (открытый грунт) вкусовые качества растений формируются, в том числе, благодаря уникальным суточным колебаниям освещенности и суточным изменениям спектрального состава солнечного излучения, то для целей воспроизведения в теплице световой среды, максимально близкой к световой среде открытого грунта, можно рекомендовать производить многодневную круглосуточную запись (для ее последующего воспроизведения в теплице) спектра естественного солнечного излучения в непосредственной близости от растений того же сорта (но выращиваемых в открытом грунте), причем в тех регионах, где обеспечивается природным путем их высокая урожайность. Для России это могут быть записи солнечного спектра в урожайные годы в регионах, обеспечивающих стабильно высокую урожайность овощей в условиях открытого грунта. Например, для томата это могут быть Астраханская область, республика Дагестан, Волгоградская область, Краснодарский край [8 - Королькова А.П. и др. Экономические аспекты развития овощеводства России. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2021, 204 с.].Given the significant computing power required to conduct the aforementioned modeling with adequate results, the preferred method for determining the optimal spectrum is direct measurement and recording of the actual observed spectrum of natural solar radiation with short (less than a minute) intervals between individual measurements. This method for determining the optimal spectrum is justified as follows. Since, in natural conditions (open ground), plant flavor is formed, in part, due to unique daily fluctuations in illumination and diurnal changes in the spectral composition of solar radiation, to reproduce a light environment in the greenhouse as close as possible to that of open ground, it is recommended to conduct multi-day, round-the-clock recordings (for subsequent reproduction in the greenhouse) of the spectrum of natural solar radiation in the immediate vicinity of plants of the same variety (but grown in open ground), specifically in regions where their high yields are naturally ensured. For Russia, this may include recordings of the solar spectrum during fruitful years in regions that ensure consistently high vegetable yields in open ground conditions. For example, for tomatoes these could be the Astrakhan Region, the Republic of Dagestan, the Volgograd Region, and the Krasnodar Territory [8 - Korolkova A.P. et al. Economic aspects of the development of vegetable growing in Russia. - M.: Federal State Budgetary Scientific Institution "Rosinformagrotech", 2021, 204 p.].
Независимо от того, каким образом был получен оптимальный спектр, записываемый в первый компьютер 1, в случае отличия текущего спектра от оптимального (заданного), управляющие воздействия от первого компьютера 1 через первый контроллер 3 передаются на блоки управления 4, которые управляют интенсивностью излучения групп светодиодов 6 для приближения текущего спектра к оптимальному спектру. Следует отметить, что в прототипе [3] текущий спектр никаким образом не оценивается и не сравнивается с оптимальным спектром, что не дает возможность выработать для групп светодиодов 6 соответствующие корректирующие воздействия блокам управления 4, для приведения текущего спектра в наиболее точное соответствие с оптимальным спектром.Regardless of how the optimal spectrum recorded in the first computer 1 was obtained, if the current spectrum differs from the optimal (specified) one, control actions from the first computer 1 are transmitted through the first controller 3 to the control units 4, which control the radiation intensity of the LED groups 6 to bring the current spectrum closer to the optimal spectrum. It should be noted that in the prototype [3], the current spectrum is not evaluated in any way or compared with the optimal spectrum, which does not allow the control units 4 to develop appropriate corrective actions for the LED groups 6 in order to bring the current spectrum into the most accurate correspondence with the optimal spectrum.
В первый компьютер 1 поступает также информация от датчика температуры 14. В прототипе датчик температуры 14 размещен на корпусе фитооблучателя, содержащего группы светодиодов 6; в заявляемой системе датчик температуры 14 предлагается разместить так, чтобы оценивать температуру не фитооблучателя, а температуру вблизи выращиваемого растения 20. Это позволяет более точно задавать интенсивность светового излучения для выращиваемых растений, так как известно, что интенсивность светового потока оптимальной световой среды зависит от температуры. Так, например, для растений избыток освещения является стрессовым фактором, причем величина стресса от избыточной освещенности повышается с понижением температуры ввиду снижения активности фотосинтетического аппарата [9 - Федулов Ю.П. Фотосинтез и дыхание растений. - Краснодар: КубГАУ, 2019, 101 с.]. Таким образом, учет в первом компьютере 1 информации о температуре в теплице, позволяет более точно сформировать оптимальную световую среду.The first computer 1 also receives information from the temperature sensor 14. In the prototype, the temperature sensor 14 is located on the body of the phyto-irradiator containing groups of LEDs 6; in the claimed system, the temperature sensor 14 is proposed to be placed so as to evaluate the temperature not of the phyto-irradiator, but the temperature near the grown plant 20. This allows for a more accurate setting of the intensity of light radiation for the grown plants, since it is known that the intensity of the luminous flux of the optimal light environment depends on the temperature. Thus, for example, excess lighting is a stress factor for plants, and the magnitude of stress from excess lighting increases with decreasing temperature due to a decrease in the activity of the photosynthetic apparatus [9 - Fedolov Yu.P. Photosynthesis and respiration of plants. - Krasnodar: KubSAU, 2019, 101 p.]. Thus, taking into account the information about the temperature in the greenhouse in the first computer 1 allows for a more accurate formation of the optimal light environment.
Суммарная световая среда в теплице является суммой излучений групп светодиодов 6 с регулируемыми величинами амплитуды интенсивности излучения. Величины амплитуд монохромных составляющих спектра групп светодиодов 6 подбираются путем регулирования тока, протекающего через группы светодиодов 6, блоками управления 4. В настоящее время блоки управления 4, как правило, выполняются в виде драйверов, реализованных на базе управляемых источников тока.The overall light environment in the greenhouse is the sum of the emissions from 6 LED groups with adjustable intensity amplitudes. The amplitudes of the monochromatic components of the spectrum of 6 LED groups are selected by regulating the current flowing through 6 LED groups using control units 4. Currently, control units 4 are typically implemented as drivers based on controlled current sources.
Каждое монохромное излучение может формироваться с помощью одинаковых групп светодиодов 6, то есть в заявляемой системе может быть несколько групп светодиодов 6, например, красного света. Это позволяет парировать возможные отказы групп светодиодов 6 таким образом, чтобы при любых отказах групп светодиодов 6 (например, красного света) в суммарной световой среде присутствовало излучение хотя бы одной группы светодиодов 6 красного света.Each monochrome emission can be generated using identical groups of LEDs 6, meaning the claimed system can have multiple groups of LEDs 6, for example, red light. This allows for the prevention of possible failures of LED groups 6, such that, even if any LED group 6 fails (for example, red light), the overall light environment still contains emission from at least one group of red LEDs 6.
Диапазоны длин волн, в каждом из которых должно присутствовать хотя бы одно монохромное излучение светодиодов, выбираются из общепринятого ряда: ультрафиолет; фиолетовый свет; синий свет; голубой свет; зеленый свет; желтый свет; оранжевый свет; красный свет; дальний красный свет.The wavelength ranges in each of which at least one monochrome LED emission must be present are selected from the generally accepted series: ultraviolet; violet light; blue light; light blue; green light; yellow light; orange light; red light; far red light.
Принятое в отечественной науке деление ультрафиолетового излучения на поддиапазоны и границы этих поддиапазонов соответствуют международному стандарту ISO/DIS 21348 [10 - ISO/DIS 21348. Space environment (natural and artificial). Process for determining solar irradiances, 2007]: ультрафиолет С (100-280 нм); ультрафиолет В (280-315 нм) и ультрафиолет А (315-400 нм).The division of ultraviolet radiation into sub-ranges and the boundaries of these sub-ranges accepted in Russian science correspond to the international standard ISO/DIS 21348 [10 - ISO/DIS 21348. Space environment (natural and artificial). Process for determining solar irradiances, 2007]: ultraviolet C (100-280 nm); ultraviolet B (280-315 nm) and ultraviolet A (315-400 nm).
Что касается диапазонов видимой части спектра, то в отечественной литературе встречается несколько вариантов обозначения границ цветовых диапазонов. В частности, на стр. 18 табл. 1.2 работы [11 - Цветоведение и основы колориметрии: учебник и практикум для академического бакалавриата / В.П. Лютов, П А. Четверкин, Г.Ю. Головастиков. - М.: Издательство Юрайт, 2018, 222 с.] приведены четыре различных варианта (по А.В. Перышкину, С.С.Алексееву, К.Л. Мертцу и Н.Ф. Ефремову) определения границ цветовых диапазонов. Авторы заявляемой системы ориентировались на вариант определения границ цветовых диапазонов по С.С. Алексееву: [11], стр. 18, табл. 1.2. В принципе, границы диапазонов видимой части спектра могут быть определены с некоторыми допущениями. Для заявляемой системы более принципиальным является количество монохромных излучений, которые можно воспроизвести в формируемом спектре.As for the ranges of the visible part of the spectrum, there are several options for designating the boundaries of color ranges in the domestic literature. In particular, on p. 18, Table 1.2 of the work [11 - Color Science and Fundamentals of Colorimetry: Textbook and Workshop for the Academic Bachelor's Degree / V.P. Lyutov, P. A. Chetverkin, G.Yu. Golovastikov. - Moscow: Yurait Publishing House, 2018, 222 p.], four different options (according to A.V. Peryshkin, S.S. Alekseev, K.L. Mertz and N.F. Efremov) for defining the boundaries of color ranges are given. The authors of the claimed system were guided by the option for defining the boundaries of color ranges according to S.S. Alekseev: [11], p. 18, Table 1.2. In principle, the boundaries of the ranges of the visible part of the spectrum can be determined with certain assumptions. For the claimed system, more important is the number of monochrome emissions that can be reproduced in the generated spectrum.
В предлагаемой системе диапазоны длин волн, в каждом из которых должно присутствовать хотя бы одно монохромное излучение групп светодиодов 6 (предпочтительнее несколько излучений), выбираются из следующего ряда: ультрафиолет А (315-400 нм); фиолетовый свет (400-430 нм); синий свет (430-480 нм); голубой свет (480-500 нм); зеленый свет (500-570 нм); желтый свет (570-590 нм); оранжевый свет (590-630 нм); красный (630-800 нм); дальний красный (800-1000 нм).In the proposed system, the wavelength ranges, in each of which at least one monochrome radiation of the groups of LEDs 6 must be present (several radiations are preferable), are selected from the following series: ultraviolet A (315-400 nm); violet light (400-430 nm); blue light (430-480 nm); light blue light (480-500 nm); green light (500-570 nm); yellow light (570-590 nm); orange light (590-630 nm); red (630-800 nm); far red (800-1000 nm).
В настоящее время на рынке доступна широкая номенклатура монохромных светодиодов различных диапазонов света. При этом следует рекомендовать использовать максимальное количество разнотипных светодиодов (отличающихся значениями спектральных максимумов), даже если они попадают в один и тот же спектральный цветовой диапазон, что позволяет более точно формировать требуемый суммарный спектр.A wide range of monochrome LEDs with different color ranges is currently available on the market. It is recommended to use the maximum number of different types of LEDs (with different spectral peak values), even if they fall within the same spectral color range, allowing for more precise generation of the desired overall spectrum.
Кроме монохромных групп светодиодов 6, для формирования световой среды используются группы светодиодов 6 на основе полноспектральных белых светодиодов с различной цветовой температурой. Таким образом, в суммарной световой среде дополнительно к монохромным составляющим присутствует излучение полноспектральных белых светодиодов, обладающих широким спектральным составом. Регулирование спектра групп белых светодиодов 6 путем изменения интенсивности этого спектра блоками управления 4, позволяет равномерно изменять спектр суммарной световой среды во всех второстепенных диапазонах (например, диапазоне желтого света), что также позволяет более точно формировать оптимальный спектр.In addition to the 6 monochrome LED groups, 6 full-spectrum white LED groups with varying color temperatures are used to create the lighting environment. Thus, the overall lighting environment, in addition to the monochrome components, includes the emission of full-spectrum white LEDs with a broad spectral composition. Adjusting the spectrum of the 6 white LED groups by varying the intensity of this spectrum using control units 4 allows for uniform adjustment of the overall lighting environment's spectrum across all secondary ranges (e.g., the yellow light range), which also enables more precise generation of the optimal spectrum.
Как указано в описании системы - прототипа [3], для формирования световой среды в ней используются светодиоды с длинами волн синий от 434 нм до 450 нм; красный от 630 нм до 632 нм и от 660 нм до 670 нм; дальний красный от 730 до 735 нм. Такой набор групп светодиодов 6 не позволяет системе [3], сформировать оптимальную световую среду, поскольку для нормального развития растений требуется в разных количествах также иной свет, в том числе зеленый, дальний красный в диапазоне вплоть до 1000 нм и ультрафиолетовое излучение УФ-А [12 - Закурин А.О., Щенникова А.В., Камионская A.M. Светокультура растениеводства защищенного грунта: фотосинтез, фотоморфогенез и перспективы применения светодиодов // Физиология растений, 2020, том 67, №3, с. 246-258], [13 - Головацкая И.Ф., Карначук Р.А. Роль зеленого света в жизнедеятельности растений // Физиология растений, 2015, том 62, №6, с. 776-791], [14 - Войцеховская О.В. Фитохромы и другие (фото)рецепторы информации у растений // Физиология растений, 2019, том 66, №3, с. 163-177], [15 - Влияние спектральных компонентов на рост растений / https://aquacreativ.ru/blog/post].As indicated in the description of the prototype system [3], to form the light environment, it uses LEDs with wavelengths of blue from 434 nm to 450 nm; red from 630 nm to 632 nm and from 660 nm to 670 nm; far red from 730 to 735 nm. Such a set of groups of LEDs 6 does not allow the system [3] to form an optimal light environment, since the normal development of plants also requires other light in different quantities, including green, far red in the range up to 1000 nm and ultraviolet radiation UVA [12 - Zakurin A.O., Shchennikova A.V., Kamionskaya A.M. Light culture of protected ground plant growing: photosynthesis, photomorphogenesis and prospects for the use of LEDs // Plant Physiology, 2020, Vol. 67, No. 3, p. 246-258], [13 - Golovatskaya I.F., Karnachuk R.A. The role of green light in plant life // Plant Physiology, 2015, Vol. 62, No. 6, pp. 776-791], [14 - Voitsekhovskaya O.V. Phytochromes and other (photo)receptors of information in plants // Plant Physiology, 2019, Vol. 66, No. 3, pp. 163-177], [15 - The influence of spectral components on plant growth / https://aquacreativ.ru/blog/post].
В заявляемой системе световая среда содержит излучения в диапазоне длин волн от 315 нм до 1000 нм (непрерывный спектр), что соответствует потребностям растений для обеспечения их жизнедеятельности, в отличие от системы - прототипа [3], в которой световая среда содержит лишь четыре участка излучений (с провалами) в диапазоне от 434 нм до 735 нм и не содержит излучения в области УФ-А, а также фиолетового света, голубого света, зеленого света, желтого света, оранжевого света.In the claimed system, the light environment contains radiation in the wavelength range from 315 nm to 1000 nm (continuous spectrum), which corresponds to the needs of plants to ensure their vital activity, in contrast to the prototype system [3], in which the light environment contains only four radiation sections (with dips) in the range from 434 nm to 735 nm and does not contain radiation in the UVA region, as well as violet light, blue light, green light, yellow light, orange light.
Оптимальный спектр, задаваемый в компьютере 1, учитывает текущее состояние растения 20. Указанное текущее состояние растения 20 определяется при помощи анализа фото и видеокадров растения 20; при помощи анализа спектра, отраженного и пропущенного листьями растения 20; при помощи анализа ультразвуковых сигналов, испускаемых растением 20. При этом анализ фото и видеокадров растения 20 и анализ спектра, отраженного и пропущенного листьями растения 20, выполняются в первом компьютере 1; анализ ультразвуковых сигналов, испускаемых растением 20, выполняется во втором компьютере 2.The optimal spectrum specified in computer 1 takes into account the current state of plant 20. The said current state of plant 20 is determined by analyzing photo and video frames of plant 20; by analyzing the spectrum reflected and transmitted by the leaves of plant 20; by analyzing the ultrasonic signals emitted by plant 20. In this case, the analysis of photo and video frames of plant 20 and the analysis of the spectrum reflected and transmitted by the leaves of plant 20 are performed in the first computer 1; the analysis of the ultrasonic signals emitted by plant 20 is performed in the second computer 2.
Рассмотрим, как выполняется оценка состояния растения 20 при помощи анализа его фото или видеокадров. Для фото и видеофиксации растения 20 используется видеокамера 13, которая может вести как фото, так и видеосъемку. Режим работы видеокамеры 13 задается с выхода первого контроллера 3. Видеокамера 13 позволяет вести гиперспектральную съемку в диапазоне от 400 нм до 2500 нм. В качестве такой камеры может быть использована камера Hyperspectral Scanner компании Photon Systems Instuments (Чехия) [16 - https://psi.cz], камера ImSpector компании Spectral Imaging Ltd. (Финляндия) или аналогичные, используемые для гиперспектрального имиджинга растений в условиях теплиц.Let's consider how the condition of plant 20 is assessed by analyzing its photos or video frames. A video camera 13, capable of both still and video recording, is used to capture photos and videos of plant 20. The operating mode of camera 13 is controlled by the output of the first controller 3. Camera 13 enables hyperspectral imaging in the range from 400 nm to 2500 nm. Such a camera can be a Hyperspectral Scanner camera from Photon Systems Instruments (Czech Republic) [16 - https://psi.cz], an ImSpector camera from Spectral Imaging Ltd. (Finland), or similar cameras used for hyperspectral imaging of plants in greenhouses.
В том случае, если съемка производится в видимом диапазоне, растение освещается группами светодиодов 6. При гиперспектральной съемке, дополнительно по сигналу с первого контроллера 3 включается для подсветки растения 20 излучатель инфракрасного диапазона 19, который излучает в диапазоне от 1000 нм до 2500 нм (предпочтительно). При съемке в любом диапазоне (как в видимом диапазоне, так и при гиперспектральной съемке), по сигналу с первого контроллера 3 может включаться вентилятор 12. В этом случае вентилятор 12 создает природоподобные воздушные потоки (аналогичные ветру в условиях открытого грунта), которые позволяют за счет колебаний и отклонений частей растения 20 (листьев и плодов), получать различные ракурсы фото и видеоизображений для их последующего анализа. Изображения или видеопотоки с выхода видеокамеры 13 поступают в первый контроллер 3. Здесь они маркируются программными метками о работающем или неработающем в момент съемки вентиляторе 12, о силе создаваемого им ветра, и передаются для анализа в первый компьютер 1.When shooting in the visible range, the plant is illuminated by LED groups 6. During hyperspectral imaging, an additional signal from the first controller 3 activates an infrared emitter 19, which emits in the range of 1000 nm to 2500 nm (preferred), to illuminate the plant 20. When shooting in any range (both visible and hyperspectral), a signal from the first controller 3 can activate the fan 12. In this case, the fan 12 creates natural-looking air currents (similar to wind in open ground), which, through the vibrations and deflections of plant parts 20 (leaves and fruits), allow for various photo and video image angles to be captured for subsequent analysis. Images or video streams from the output of video camera 13 are sent to the first controller 3. Here they are marked with software tags indicating whether fan 12 is working or not at the time of shooting, the strength of the wind it generates, and are transmitted for analysis to the first computer 1.
Первый компьютер 1 обрабатывает полученные фото или видеозаписи по заданному алгоритму, анализирует полученные данные, сравнивает измеренные параметры о состоянии растения с параметрами в базе данных, учитывает текущее значение спектра световой среды, получаемое от третьего датчика спектра 17, и через первый контроллер 3 и блоки управления 4 передает команды на группы светодиодов 6 для формирования оптимальной световой среды, которая учитывает состояние растения.The first computer 1 processes the received photos or videos according to a given algorithm, analyzes the received data, compares the measured parameters about the state of the plant with the parameters in the database, takes into account the current value of the spectrum of the light environment received from the third spectrum sensor 17, and through the first controller 3 and control units 4 transmits commands to the groups of LEDs 6 to form an optimal light environment that takes into account the state of the plant.
В общем можно сказать, что съемка в видимом диапазоне длин волн, а также гиперспектральная съемка позволяют оценивать различные параметры растения, такие как вегетационный индекс; количество и размер плодов; динамика роста стебля и листьев; площадь листьев; наличие заболеваний и повреждений листьев (хлороз, ожоги, некроз, пигментные пятна); концентрация хлорофиллов и других соединений. Алгоритмы обработки фото и видеоизображений растений для получения указанных показателей описаны, например, в работах [17 - Li М. et al. Non-destructive monitoring method for leaf area of Brassica napus based on image processing and deep learning // Frontiers in Plant Science, 2023, vol. 14, July], [18 - Mbouembe P.L.T. et al. An efficient tomato-detection method based on improved YOLOv4-tiny model in complex envirionment // Frontiers in Plant Science, 2023, vol. 14, April], [19 - Liu X. et al. A comprehensive review on acquisition of phenotypic information of Prunoideae fruits: Image technology // Frontiers in Plant Science, 2022, vol. 13, January], [20 - Нурминская Ю.В. Автоматизация исследований морфологии листьев растений // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. Том 7, 2021], [21 - Брагинский М.Я., Тараканов Д.В. Фенотипирование растений адаптивной системой обработки изображений на базе сверточных нейронных сетей // Вестник кибернетики, 2021, №2, стр. 6 - 16], [22 -Гурылева А.В. Метод и средство контроля спектральных характеристик сельскохозяйственных растений на основе многоканальных приемников излучения // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2021, 22 с.], [23 - Абделтаваб A.M.А. Оптический способ и устройство для контроля степени зрелости томатов // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, МГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева, 2022, с. 99], [24 - Платформа распознавания болезней растений, https://doctorp.ru], [25 - Определение состояния растений в режиме реального времени с помощью ИИ, https://direct.farm].In general, it can be said that imaging in the visible wavelength range, as well as hyperspectral imaging, make it possible to assess various plant parameters, such as the vegetation index; number and size of fruits; stem and leaf growth dynamics; leaf area; presence of leaf diseases and damage (chlorosis, burns, necrosis, pigment spots); concentration of chlorophylls and other compounds. Algorithms for processing photo and video images of plants to obtain these indicators are described, for example, in [17 - Li M. et al. Non-destructive monitoring method for leaf area of Brassica napus based on image processing and deep learning // Frontiers in Plant Science, 2023, vol. 14, July], [18 - Mbouembe P.L.T. et al. An efficient tomato-detection method based on improved YOLOv4-tiny model in complex environment // Frontiers in Plant Science, 2023, vol. 14, April], [19 - Liu X. et al. A comprehensive review on the acquisition of phenotypic information of Prunoideae fruits: Image technology // Frontiers in Plant Science, 2022, vol. 13, January], [20 - Nurminskaya Yu.V. Automation of studies of plant leaf morphology // News of universities. Applied chemistry and biotechnology. Vol. 7, 2021], [21 - Braginsky M.Ya., Tarakanov D.V. Plant phenotyping by an adaptive image processing system based on convolutional neural networks // Bulletin of cybernetics, 2021, No. 2, pp. 6 - 16], [22 - Guryleva A.V. Method and means for monitoring the spectral characteristics of agricultural plants based on multichannel radiation receivers // Abstract of a dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences, Moscow, Bauman Moscow State Technical University. Bauman, 2021, 22 p.], [23 - Abdeltawab A.M.A. Optical method and device for monitoring the degree of maturity of tomatoes // Dissertation for the degree of candidate of technical sciences, Moscow, Moscow State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, 2022, p. 99], [24 - Plant disease recognition platform, https://doctorp.ru], [25 - Determining the state of plants in real time using AI, https://direct.farm].
Особенно следует отметить, что гиперспектральная съемка растений позволяет проводить классификацию здоровых и больных растений, оценивать тяжесть заболевания, дифференцировать виды патогенов и выявлять симптомы биотических стрессов на ранних стадиях [26 - Чешкова А.Ф. Обзор современных методов обнаружения и идентификации болезней растений на основе анализа гиперспектральных изображений // Вавиловский журнал генетики и селекции, 2020, №2, стр. 202-213].It should be especially noted that hyperspectral imaging of plants allows for the classification of healthy and diseased plants, assessment of disease severity, differentiation of pathogen types and identification of symptoms of biotic stress at early stages [26 - Cheshkova A.F. Review of modern methods for detecting and identifying plant diseases based on hyperspectral image analysis // Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 2020, No. 2, pp. 202-213].
Дополнительно к анализу фото и видеоизображений растения 20, полученных при съемке в видимом диапазоне и при гиперспектральной съемке, для повышения точности формируемой световой среды, в заявляемом способе используется анализ спектров света, отраженного и пропущенного листьями растения 20. Сопоставление этих спектров с исходным спектром световой среды (то есть, спектром света, падающим на растение 20) позволяет получить численные оценки содержания различных светопоглощающих и светоотражающих биологических соединений в растении, что является важным для понимания состояния растения. Для получения спектра света, отраженного от листьев растения 20, используется первый датчик спектра 15. Для получения спектра света, пропущенного листьями растения 20, используется второй датчик спектра 16. Для получения спектра падающего на растение света (то есть, общего спектра световой среды) используется третий датчик спектра 17.In addition to analyzing photo and video images of plant 20 obtained using visible and hyperspectral imaging, the claimed method utilizes an analysis of the spectra of light reflected and transmitted by the leaves of plant 20 to enhance the accuracy of the generated light environment. Comparing these spectra with the original spectrum of the light environment (i.e., the spectrum of light incident on plant 20) enables numerical estimates of the content of various light-absorbing and light-reflecting biological compounds in the plant, which is important for understanding the plant's condition. A first spectrum sensor 15 is used to obtain the spectrum of light reflected from the leaves of plant 20. A second spectrum sensor 16 is used to obtain the spectrum of light transmitted by the leaves of plant 20. A third spectrum sensor 17 is used to obtain the spectrum of light incident on the plant (i.e., the overall spectrum of the light environment).
При этом спектр поглощенного света рассчитывается в первом компьютере 1 как разность между спектром световой среды, измеряемым третьим датчиком спектра 17, и спектрами отраженного от листьев света (измеряемого первым датчиком спектра 15) и пропущенного через листья света (измеряемого вторым датчиком спектра 16) [27 - Li L. Morphology, Photosynthetic Trains, and Nutritional Quality of Lettuce Plants as Affected by Green Light Substituting Proportion of Blue and Red Light // Frontiers in Plant Science, 2021, vol. 12, July].In this case, the spectrum of absorbed light is calculated in the first computer 1 as the difference between the spectrum of the light environment measured by the third spectrum sensor 17 and the spectra of light reflected from the leaves (measured by the first spectrum sensor 15) and light transmitted through the leaves (measured by the second spectrum sensor 16) [27 - Li L. Morphology, Photosynthetic Trains, and Nutritional Quality of Lettuce Plants as Affected by Green Light Substituting Proportion of Blue and Red Light // Frontiers in Plant Science, 2021, vol. 12, July].
Знание спектров отраженного, поглощенного и пропущенного света позволяет точно на основе теории Кубелки - Мунка оценить количественный состав в растении различных фотопигментов, в том числе, например, таких важных для здоровья человека антиоксидантов, как каротиноиды и антоцианы [28 - Gitelson A., Solovchenko A. Noninvasive quantification of foliar pigments: Possibilities and limitations of reflectance- and absorbance-based approaches // Journal of Photochemistry & Photobiology, 2018, №178, pp.537-544], [29 - Gitelson A. Et al. Foliar absorption coefficient derived from reflectance spectra: A gauge of the efficiency of in situ light-capture by different pigments groups // Journal of Plant Physiology, 2020, №254], [30 - Liu J. Photosynthetic Physiology of Blue, Green and Red Light: Light Intensity Effects and Underlying Mechanisms // Frontiers in Plant Science, 2021, vol. 12, March].Knowledge of the spectra of reflected, absorbed and transmitted light allows us to accurately estimate the quantitative composition of various photopigments in a plant based on the Kubelka-Munk theory, including, for example, such antioxidants as carotenoids and anthocyanins that are important for human health [28 - Gitelson A., Solovchenko A. Noninvasive quantification of foliar pigments: Possibilities and limitations of reflectance- and absorbance-based approaches // Journal of Photochemistry & Photobiology, 2018, No. 178, pp. 537-544], [29 - Gitelson A. Et al. Foliar absorption coefficient derived from reflectance spectra: A gauge of the efficiency of in situ light-capture by different pigments groups // Journal of Plant Physiology, 2020, No. 254], [30 - Liu J. Photosynthetic Physiology of Blue, Green and Red Light: Light Intensity Effects and Underlying Mechanisms // Frontiers in Plant Science, 2021, vol. 12, March].
Для задач сопоставления соответствующих спектров (падающего света, отраженного и пропущенного) важным является их фиксация строго в один и тот же момент времени. Для обеспечения этого, в заявляемой системе используется блок синхронизации 18, который по команде с первого компьютера 1 формирует для всех трех датчиков спектра разрешающий съемку управляющий импульс, с максимально крутыми временными фронтами. Кроме того, для обеспечения одновременности съемки, линии связи от блока синхронизации 18 к входам первого датчика спектра 15, второго датчика спектра 16 и третьего датчика спектра 17 выполняются одинаковой длины и в экранированной оболочке.For tasks of comparing corresponding spectra (incident, reflected, and transmitted light), it is crucial to record them at exactly the same moment in time. To ensure this, the proposed system utilizes a synchronization unit 18, which, upon command from the first computer 1, generates a control pulse for all three spectrum sensors, enabling acquisition, with the steepest possible time edges. Furthermore, to ensure simultaneous acquisition, the communication lines from the synchronization unit 18 to the inputs of the first spectrum sensor 15, the second spectrum sensor 16, and the third spectrum sensor 17 are of the same length and shielded.
Таким образом, в заявляемой системе, в отличие от прототипа [3], используется оценивание состояние выращиваемого растения 20 по соотношению спектров падающего на растение 20 света, отраженного листьями света, и пропущенного листьями света, что позволяет более точно оценить состояние растения и сформировать спектр световой среды, более точно соответствующий этому состоянию растения.Thus, in the claimed system, in contrast to the prototype [3], the state of the grown plant 20 is assessed based on the ratio of the spectra of the light falling on the plant 20, the light reflected by the leaves, and the light transmitted by the leaves, which allows for a more accurate assessment of the state of the plant and the formation of a spectrum of the light environment that more accurately corresponds to this state of the plant.
Кроме того, в заявляемой системе, в отличие от прототипа [3], используется оценивание состояние выращиваемого растения 20 по создаваемым им звуковым сигналам, что позволяет более точно оценивать состояние выращиваемого растения 20 и использовать эту информацию при формировании световой среды в плане повышения ее точности, то есть адекватности состоянию растения 20.In addition, in the claimed system, in contrast to the prototype [3], the state of the plant 20 being grown is assessed based on the sound signals it creates, which allows for a more accurate assessment of the state of the plant 20 being grown and the use of this information when forming a light environment in terms of increasing its accuracy, that is, its adequacy to the state of the plant 20.
Последние эксперименты показывают, что растения в процессе своей жизнедеятельности генерируют различные звуки, причем наиболее информативные из них связаны с периодическими (либо квазипериодическими) процессами в органах растений [31 - Jung J. et al. Beyond Chemical Triggers: Evidence for Sound-Evoked Phisiological Reactions in Plants // Frontiers in Plant Science, 2018, vol. 9, January], [32 - Nardini A. et al. Talk is cheap: rediscovering sounds made by plants // Trends in Plant Science, 2024, vol. 29, №6, pp.662-667], [33 - Khait I. et al. Sounds emitted by plants under stress are airborne and informative // Cell, 2023, №186, pp.1328-1336]. Считается, что основными механизмами генерации звуковых волн во время жизнедеятельности растений являются процессы, связанные с транспортировкой жидкости в ксилеме растения, а также процессы, связанные с выделением кислорода в процессе фотосинтеза (процессы фотоакустики) [34 - Laschimke R. et al. Acoustic emission analysis and experiments with physical model systems reveal a peculiar nature of the xylem tension // Journal of Plant Physiology, 2006, №163, pp.996-1007], [2].Recent experiments show that plants generate various sounds during their life processes, and the most informative of them are associated with periodic (or quasi-periodic) processes in plant organs [31 - Jung J. et al. Beyond Chemical Triggers: Evidence for Sound-Evoked Physiological Reactions in Plants // Frontiers in Plant Science, 2018, vol. 9, January], [32 - Nardini A. et al. Talk is cheap: rediscovering sounds made by plants // Trends in Plant Science, 2024, vol. 29, no. 6, pp. 662-667], [33 - Khait I. et al. Sounds emitted by plants under stress are airborne and informative // Cell, 2023, no. 186, pp. 1328-1336]. It is believed that the main mechanisms of sound wave generation during plant life are processes associated with the transport of fluid in the xylem of the plant, as well as processes associated with the release of oxygen during photosynthesis (photoacoustic processes) [34 - Laschimke R. et al. Acoustic emission analysis and experiments with physical model systems reveal a peculiar nature of the xylem tension // Journal of Plant Physiology, 2006, No. 163, pp. 996-1007], [2].
Оценивание состояния растения при помощи создаваемых ими акустических сигналов (звуков) происходит следующим образом. Вблизи растения располагается первый микрофон 10, имеющий диаграмму направленности с явно выраженным максимумом (например, суперкардиоидного или гиперкардиоидного типа). Максимум диаграммы направленности первого микрофона 10 должен быть направлен на растение 20 с целью максимальной пространственной фильтрации акустических шумов, создаваемых блоками управления 4, конструкцией теплицы и другими элементами. Второй микрофон 11, имеющий круговую диаграмму направленности, располагается в непосредственной близости от блоков управления 4. В настоящее время при использовании групп светодиодов в фитоооблучателях для создания световой среды в теплице, общепринятым является использование драйверов, которые для изменения тока, протекающего через группы светодиодов (диммирование) используют технологию широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Кроме того, в блоках управления светоизлучающими устройствами применяются, как правило, импульсные источники питания. Таким образом, блоки управления 4 являются основными источниками акустических помех, которые фиксируются вторым микрофоном 11. С учетом круговой диаграммы направленности второго микрофона 11, он воспринимает как шумы блоков управления 4, так и шумы всего тепличного помещения, включая скрипы и шумы, создаваемые элементами конструкции.Plant health is assessed using the acoustic signals (sounds) they generate. A first microphone 10, having a polar pattern with a clearly defined peak (e.g., supercardioid or hypercardioid), is positioned near the plant. The peak of the first microphone's 10 polar pattern should be aimed at plant 20 to maximize spatial filtering of acoustic noise generated by control units 4, the greenhouse structure, and other elements. A second microphone 11, having a circular polar pattern, is positioned in close proximity to control units 4. Currently, when using LED arrays in phyto-irradiators to create a lighting environment in a greenhouse, it is common practice to use drivers that use pulse-width modulation (PWM) technology to vary the current flowing through the LED arrays (dimming). Furthermore, pulsed power supplies are typically used in control units for light-emitting devices. Thus, control units 4 are the main sources of acoustic interference, which are recorded by the second microphone 11. Taking into account the circular directional pattern of the second microphone 11, it perceives both the noise of control units 4 and the noise of the entire greenhouse, including creaks and noises generated by structural elements.
С учетом диапазона частот, в которых растениями могут формироваться акустические сигналы, частотный диапазон первого микрофона 10 и второго микрофона 11 целесообразно иметь в диапазоне от единиц Гц до сотен кГц (ультразвук).Taking into account the range of frequencies in which plants can generate acoustic signals, the frequency range of the first microphone 10 and the second microphone 11 should be in the range from units of Hz to hundreds of kHz (ultrasound).
Сигнал с первого микрофона 10, несущий информацию о звуках растения, поступает во второй компьютер 2, где из этого сигнала вычитается сигнал со второго микрофона 11, который несет информацию о шумах в теплице. Очищенный от шумов акустический сигнал далее обрабатывается нейросетью, развернутой во втором компьютере 2. Использование для обработки акустических сигналов первого компьютера 1 представляется нецелесообразным из-за большого объема вычислений, связанных с нейросетевой обработкой звука.The signal from the first microphone 10, carrying information about plant sounds, is sent to the second computer 2, where the signal from the second microphone 11, which carries information about greenhouse noise, is subtracted from it. The noise-free acoustic signal is then processed by a neural network deployed in the second computer 2. Using the first computer 1 for processing the acoustic signals is impractical due to the large amount of computation involved in neural network sound processing.
Для более точного оценивания шумов в теплице, которые необходимо отфильтровать при нейросетевой обработке во втором компьютере 2 с целью выделения акустических сигналов растения, используется вентилятор 12. По команде с первого контроллера 3 вентилятор 12 плавно включается в режим увеличения числа оборотов до максимально допустимого (до максимально допустимой мощности) с тем, чтобы вызвать звуки элементов конструкции теплицы, инженерных коммуникаций и др. При этом посредством искусственного вызванного ветрового давления реализуется низкочастотный акустический метод воздействия на конструкции теплицы с целью записи собственных шумов соответствующих элементов [35 - Ланге Ю.В. акустические низкочастотные методы и средства неразрушающего контроля многослойных конструкций. - М.: Машиностроение, 1991, 272 с.]. Получаемые звуки при этом фиксируются вторым микрофоном 11 и поступают для анализа в второй компьютер 2. Одновременно с этим во второй компьютер 2 поступает информация о текущем числе оборотов (мощности) вентилятора 12. Естественно, что такое использование вентилятора 12 для стимулирования шумов в элементах конструкции теплицы (снятия «акустического портрета» теплицы) может выполняться при наличии в теплице взрослого растения 20, однако наиболее эффективно данная процедура может выполняться на ранних стадиях роста растения 20, либо когда оно вынесено из теплицы.For a more accurate assessment of the noise in the greenhouse, which must be filtered during neural network processing in the second computer 2 in order to isolate the acoustic signals of the plant, fan 12 is used. Upon a command from the first controller 3, fan 12 is smoothly switched on in the mode of increasing the number of revolutions to the maximum permissible (to the maximum permissible power) in order to induce sounds of the elements of the greenhouse structure, utility lines, etc. In this case, by means of artificially induced wind pressure, a low-frequency acoustic method of influencing the greenhouse structures is implemented in order to record the natural noise of the corresponding elements [35 - Lange Yu.V. Acoustic low-frequency methods and means of non-destructive testing of multilayer structures. - M.: Mashinostroenie, 1991, 272 p.]. The resulting sounds are recorded by the second microphone 11 and sent to the second computer 2 for analysis. At the same time, the second computer 2 receives information about the current speed (power) of the fan 12. Naturally, such use of the fan 12 to stimulate noise in the structural elements of the greenhouse (removing an "acoustic portrait" of the greenhouse) can be carried out in the presence of an adult plant 20 in the greenhouse, however, this procedure can be most effectively carried out in the early stages of plant 20 growth, or when it is removed from the greenhouse.
Итак, для оценивания состояния выращиваемого растения 20, в заявляемой системе используются одновременно несколько способов дистанционного неразрушающего, неинвазивного определения состояния растения, а именно: нейросетевой анализ фото и видеоизображений растения (как в видимом свете, так и в результате гиперспектральной съемки); анализ спектров падающего, отраженного и пропущенного растениями света; анализ звуков, издаваемых растениями в процессе фотосинтеза и поглощения влаги из почвы. Следует отметить, что одновременное выполнение указанных операций с объединением получаемых данных позволяет получить синергетический эффект за счет получения информации, которая не достижима в каждом из указанных способов по отдельности. Так, например, использование информации о спектральном составе отраженного и поглощенного растением света совместно с анализом его изображения и анализом сигналов фотоакустики позволяет более точно диагностировать его состояние, наличие либо отсутствие заболеваний, в том числе по состоянию микроорганизмов - симбионтов, например, потребляющих соединения углерода [36 - Проворов Н.А. Растительно-микробные симбиозы как эволюционный континуум // Журнал общей биологии, 2009, т.70, №1, стр. 10-34], [37 - Проворов Н.А., Долгих Е.А. Метаболическая интеграция организмов в системах симбиоза // Журнал общей биологии, 2006, т.67, №6, стр. 403-422]. В частности, это обеспечивается тем фактором, что у здорового и больного растения - разные симбионты с разным спектральным составом поглощенного и отраженного света.Thus, in order to assess the condition of the cultivated plant 20, the claimed system simultaneously uses several methods of remote non-destructive, non-invasive determination of the plant's condition, namely: neural network analysis of photo and video images of the plant (both in visible light and as a result of hyperspectral shooting); analysis of the spectra of incident, reflected and transmitted light by plants; analysis of sounds emitted by plants during photosynthesis and absorption of moisture from the soil. It should be noted that the simultaneous execution of these operations with the combination of the obtained data allows for a synergistic effect due to the acquisition of information that is not achievable in each of the indicated methods separately. Thus, for example, the use of information on the spectral composition of light reflected and absorbed by the plant together with the analysis of its image and the analysis of photoacoustic signals allows for a more accurate diagnosis of its condition, the presence or absence of diseases, including the state of symbiont microorganisms, for example, those consuming carbon compounds [36 - Provorov N.A. Plant-microbe symbioses as an evolutionary continuum // Journal of General Biology, 2009, Vol. 70, No. 1, pp. 10-34], [37 - Provorov N.A., Dolgikh E.A. Metabolic integration of organisms in symbiotic systems // Journal of General Biology, 2006, Vol. 67, No. 6, pp. 403-422]. In particular, this is ensured by the fact that healthy and diseased plants have different symbionts with different spectral compositions of absorbed and reflected light.
Кроме указанных выше операций, для более точного формирования световой среды, в заявляемой системе, в отличие от прототипа, используется информация о фактическом значении тока, проходящего через группы светодиодов 6, а также о фактической наработке групп светодиодов 6. Без данной информации точное формирование световой среды невозможно по следующим причинам. Тонкие измерения светотехнических параметров монохроматических светодиодных светильников показывают, что их колориметрические характеристики зависят от тока, протекающего через светодиод. Так, например, максимальное значение длины волны излучаемого света для красных светодиодов на основе GaAs смещается на 9 нм в пределах рабочего диапазона токов (от минимального значения тока до максимального); для желтых светодиодов на основе AlInGaP - на 12 нм; для зеленых светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN - на 11 нм [38 - Никифоров С. Теперь электроны можно увидеть // Компоненты и технологии, 2006, №3, стр. 96 - 103]. В работе [39 - Терехов В.Г. Метод экспериментального определения оптимальных параметров технологического освещения в условиях светокультуры зеленных растений // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ», 2020, с. 145] отмечается, что подобные смещения максимумов в спектре излучения светодиодов в зависимости от величины тока являются типичными для соответствующих микроэлектронных технологий и не зависят от фирмы-производителя светодиодов. Разумеется, такие смещения максимумов в спектре излучения групп светодиодов 6 должны учитываться в первом компьютере 1 при выборе токов для групп светодиодов 6 при формировании световой среды. Проблема состоит в том, что одни и те же значения тока, протекающие через светодиод, вызывают разные значения светового потока и осевой силы света в зависимости от наработки светодиода. Это связано, в частности, с перераспределением светового потока по фотометрическому телу светодиода в процессе наработки и с проявлением со временем локальных перегревов в чипе светодиода [40 - Никифоров С. Система параметров светодиодов. Электрические, фотометрические, спектральные (колориметрические) и энергетические характеристики // Полупроводниковая светотехника, 2011, №5, стр. 16-27], [41 - Никифоров С. Исследование параметров семейства светодиодов CREE XLamp. Компоненты и технологии, 2006, №11], [42 - https://led-displays.ru/nadejnost.html].In addition to the above operations, for more accurate formation of the light environment, the claimed system, unlike the prototype, uses information on the actual value of the current passing through the groups of LEDs 6, as well as on the actual operating time of the groups of LEDs 6. Without this information, accurate formation of the light environment is impossible for the following reasons. Fine measurements of the lighting parameters of monochromatic LED luminaires show that their colorimetric characteristics depend on the current flowing through the LED. For example, the maximum value of the wavelength of the emitted light for red GaAs-based LEDs shifts by 9 nm within the operating range of currents (from the minimum to the maximum current); for yellow AlInGaP-based LEDs - by 12 nm; for green InGaN/AlGaN/GaN-based LEDs - by 11 nm [38 - Nikiforov S. Now electrons can be seen // Components and Technologies, 2006, No. 3, pp. 96 - 103]. In the work [39 - Terekhov V.G. Method of experimental determination of optimal parameters of technological lighting in conditions of photoculture of green plants // Dissertation for the degree of candidate of technical sciences, Moscow, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "National Research University "MPEI", 2020, p. 145] it is noted that such shifts of maxima in the emission spectrum of LEDs depending on the current value are typical for the corresponding microelectronic technologies and do not depend on the LED manufacturer. Naturally, such shifts of maxima in the emission spectrum of LED groups 6 must be taken into account in the first computer 1 when selecting currents for LED groups 6 when forming the light environment. The problem is that the same current values flowing through the LED cause different values of luminous flux and axial luminous intensity depending on the LED operating time. This is due, in particular, to the redistribution of the luminous flux across the photometric body of the LED during operation and to the manifestation of local overheating in the LED chip over time [40 - Nikiforov S. The system of LED parameters. Electrical, photometric, spectral (colorimetric) and energy characteristics // Semiconductor lighting technology, 2011, No. 5, pp. 16-27], [41 - Nikiforov S. Study of the parameters of the CREE XLamp LED family. Components and technologies, 2006, No. 11], [42 - https://led-displays.ru/nadejnost.html].
С целью подсчета наработки групп светодиодов 6 одновременно с измерением силы тока, протекающего через группы светодиодов 6, между блоками управления 4, задающими режим работы групп светодиодов 6, и указанными группами светодиодов 6 включены измерители тока 5. С учетом того, что средний ток, протекающий через любую из групп светодиодов 6, изменяется во времени достаточно медленно, это дает возможность использовать для подсчета наработки каждой из групп светодиодов 6 использовать один и тот же второй контроллер 8, на который подается измеренное значение тока из групп светодиодов 6 через коммутатор 7. Последние измеренные значения наработки каждой из групп светодиодов 6 хранятся в блоке памяти 9 и доступны в любой момент времени первому компьютеру 1 как исходные данные для точного формирования световой среды.In order to calculate the operating time of the LED groups 6 simultaneously with the measurement of the current flowing through the LED groups 6, current meters 5 are connected between the control units 4, which set the operating mode of the LED groups 6, and the said LED groups 6. Taking into account that the average current flowing through any of the LED groups 6 changes rather slowly over time, this makes it possible to use the same second controller 8 for calculating the operating time of each of the LED groups 6, to which the measured value of the current from the LED groups 6 is supplied through the switch 7. The latest measured values of the operating time of each of the LED groups 6 are stored in the memory unit 9 and are available at any time to the first computer 1 as initial data for the precise formation of the light environment.
Итак, в сравнении с прототипом [3], заявляемая система формирования световой среды для выращиваемых в закрытом грунте растений обладает повышенной точностью формирования световой среды за счет пяти факторов. Во-первых, в заявляемой системе измеряются текущие параметры световой среды (достигнутые значения интенсивности светового потока и соотношения между спектральными компонентами), что позволяет точно вычислить отклонения от оптимального спектра и сформировать соответствующие коррективы для приведения текущего спектра в соответствие оптимальному спектру.Thus, compared to the prototype [3], the claimed system for generating a light environment for plants grown indoors exhibits increased accuracy in generating the light environment due to five factors. First, the claimed system measures the current parameters of the light environment (achieved values of luminous flux intensity and the ratio between spectral components), which allows for precise calculation of deviations from the optimal spectrum and the generation of appropriate adjustments to bring the current spectrum into line with the optimal spectrum.
Во-вторых, в заявляемой системе для формирования световой среды используется непрерывный спектр излучения в диапазоне длин волн от 315 нм до 1000 нм (соответствующий жизненным потребностям растений), что не обеспечивается в прототипе.Secondly, the claimed system uses a continuous radiation spectrum in the wavelength range from 315 nm to 1000 nm (corresponding to the vital needs of plants) to form a light environment, which is not provided in the prototype.
В-третьих, в заявляемой системе для точного определения состояния выращиваемого растения и формирования соответствующей световой среды используется анализ изменений в спектре света, отраженного и пропущенного листьями растения, по отношению к спектру падающего света, что позволяет получать информацию о количественном составе в растениях фотозависимых соединений, в том числе хлорофиллов, каротиноидов и антоцианов.Thirdly, the claimed system uses an analysis of changes in the spectrum of light reflected and transmitted by plant leaves in relation to the spectrum of incident light to accurately determine the condition of a growing plant and to create an appropriate light environment. This allows for obtaining information on the quantitative composition of photodependent compounds in plants, including chlorophylls, carotenoids, and anthocyanins.
В-четвертых, в заявляемой системе, в отличие от прототипа, для формирования световой среды, которая в точности адекватна состоянию растений, используется анализ и учет звуков, издаваемых растениями в процессе их жизнедеятельности (несущих информацию о процессах фотосинтеза и движения жидкости в растении).Fourthly, in the claimed system, unlike the prototype, the analysis and recording of sounds emitted by plants during their life processes (carrying information about the processes of photosynthesis and the movement of fluid in the plant) is used to form a light environment that is precisely adequate to the condition of the plants.
В-пятых, в заявляемой системе учитываются наработка групп светодиодов и фактический ток, протекающий через светодиоды, поскольку эти параметры определяют светотехнические и колориметрические характеристики светодиодов и потому должны учитываться для точного формирования оптимальной световой среды.Fifthly, the claimed system takes into account the operating time of LED groups and the actual current flowing through the LEDs, since these parameters determine the lighting and colorimetric characteristics of the LEDs and therefore must be taken into account for the precise formation of an optimal lighting environment.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2848224C1 true RU2848224C1 (en) | 2025-10-16 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013082588A1 (en) * | 2011-12-02 | 2013-06-06 | Biological Illumination, Llc | Illumination and grow light system and associated methods |
| US20170142813A1 (en) * | 2015-11-11 | 2017-05-18 | Ranbir S. Sahni | Intelligent controller |
| RU2680590C1 (en) * | 2018-05-25 | 2019-02-22 | Сергей Сергеевич Капитонов | Led lighting system for greenhouses |
| RU2719773C1 (en) * | 2019-08-29 | 2020-04-23 | Общество с ограниченной ответственностью "Агрофотоника РМ" | Method of forming an optimum light environment for plants grown in closed ground and a system of led lighting, which realizes this method (versions) |
| RU2804620C1 (en) * | 2022-11-02 | 2023-10-03 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Light environment formation system for indoor plants |
| US11925153B2 (en) * | 2016-08-31 | 2024-03-12 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Controlling light exposure of light sensitive object |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013082588A1 (en) * | 2011-12-02 | 2013-06-06 | Biological Illumination, Llc | Illumination and grow light system and associated methods |
| US20170142813A1 (en) * | 2015-11-11 | 2017-05-18 | Ranbir S. Sahni | Intelligent controller |
| US11925153B2 (en) * | 2016-08-31 | 2024-03-12 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Controlling light exposure of light sensitive object |
| RU2680590C1 (en) * | 2018-05-25 | 2019-02-22 | Сергей Сергеевич Капитонов | Led lighting system for greenhouses |
| RU2719773C1 (en) * | 2019-08-29 | 2020-04-23 | Общество с ограниченной ответственностью "Агрофотоника РМ" | Method of forming an optimum light environment for plants grown in closed ground and a system of led lighting, which realizes this method (versions) |
| RU2804620C1 (en) * | 2022-11-02 | 2023-10-03 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Light environment formation system for indoor plants |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2679330C (en) | System for modulating plant growth or attributes | |
| US11089738B2 (en) | Method and system for growth status determination of a plant | |
| US11925153B2 (en) | Controlling light exposure of light sensitive object | |
| US20190059202A1 (en) | Artificial Intelligence System for In-Vivo, Real-Time Agriculture Optimization Driven by Low-Cost, Persistent Measurement of Plant-Light Interactions | |
| WO2016176612A1 (en) | Methods for estimating photosynthetic characteristics in plant canopies and systems and apparatus related thereto | |
| US20100181496A1 (en) | In-situ plant analysis apparatus, method for tracking the state or evolution of a culture and method for managing vegetable processing | |
| CN114007411B (en) | Gardening lighting device with LiDAR sensing | |
| CN116458422A (en) | Planting system for regulating and controlling plant growth period multi-stage illumination | |
| US11965869B2 (en) | Plant fluorometer for remote detection of growth dynamics | |
| Mohagheghi et al. | An energy-efficient PAR-based horticultural lighting system for greenhouse cultivation of lettuce | |
| CN108551909A (en) | A kind of stroboscopic method of plant illumination device | |
| RU2848224C1 (en) | System for formation of light medium for plants grown in protected ground | |
| Marcos et al. | Light spectra optimization in indoor plant growth for internet of things | |
| JP6233623B2 (en) | Light control device for plant growth, light control method, light control program, and data collection device for light control | |
| Pieters et al. | Limitations of snapshot hyperspectral cameras to monitor plant response dynamics in stress-free conditions | |
| Lejeune et al. | LED light gradient as a screening tool for light quality responses in model plant species | |
| CN111503553A (en) | A lighting system for plant growth and development | |
| US20230003856A1 (en) | Time-of-flight sensing for horticulture | |
| TWM551817U (en) | Plant cultivating device with adjustable illumination lumens | |
| CN108268073A (en) | A kind of luminous environment control system for plant growth | |
| Patra et al. | A NOVEL APPROACH TO SMART AUTONOMOUS MONITORING OF INDOOR PLANT HEALTH BASED ON LEAF COLOR. | |
| US20230324298A1 (en) | Spectroscopy apparatus | |
| CN117641646A (en) | System and method for controlling a light source for illuminating plants in a greenhouse | |
| WO2024099863A1 (en) | System and method for cultivating duckweed | |
| Ibaraki et al. | PRI imaging and image-based estimation of light intensity distribution on plant canopy surface |