RU2848224C1 - Система формирования световой среды для выращиваемых в закрытом грунте растений - Google Patents

Abstract

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. Система формирования световой среды для выращиваемых в закрытом грунте растений содержит 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. 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. Техническим результатом изобретения является повышение точности системы формирования световой среды для выращиваемых в закрытом грунте растений. 1 ил.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

Недостатком известной системы [3] является низкая точность формирования световой среды, которая связана с пятью факторами.

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.

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].

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.

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.

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.

Технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая система, является обеспечение формирования такой световой среды, которая наиболее точно соответствует состоянию выращиваемых растений.

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.

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.

Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемой системы из литературы не известны, поэтому она соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

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.

Систему формирования световой среды для выращиваемых в закрытом грунте растений иллюстрирует фигура.

На фиг. показана система формирования световой среды.

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.

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.

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 контроллера

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.

На фиг. также условно обозначено выращиваемое растение 20. Естественно, что под термином «растение» может подразумеваться несколько растений.

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.

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.

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.

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].

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.].

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.].

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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).

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.

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.

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].

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.

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.

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.

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.

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.

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].

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].

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.

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].

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].

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.

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.

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.

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].

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.

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).

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.

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.

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.

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].

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.

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.

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.

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.

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).

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.

Claims (1)

1. 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, отличающаяся тем, что в нее 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.