Человек издавна пытается обеспечить себя продуктами питания, создавая искусственные условия для выращивания растений. Люди уже умели управлять температурными режимами выращивания роз и овощей в особых ямах. Люди шаг за шагом познавали секреты плодородия почв. Итог этих исследований парадоксален: возникла мысль полностью отказаться от почвы! В начале XX в. в России опыт с водными культурами в широких масштабах проводил К.А.Тимирязев. Этот метод называется гидропоникой. Благодаря этому методу можно довести растение до полного созревания семян. В результате можно установить, как будут развиваться растения в разных условиях. Использование беспочвенного метода выращивания растений позволит обеспечить людей продуктами питания в разных природно-климатических условиях.

Актуальность: Мы живем на Урале, в зоне рискованного земледелия. Для выращивания овощных культур у нас часто используют теплицы, где тратится много ручного труда для поддержания оптимальных условий для выращивания. Появилась идея автоматизировать этот процесс на модели маленькой теплицы с последующим масштабированием на «большую».

Предмет исследования: выращивание растений на беспочвенных средах.

Методы исследования: анализ литературы по изучаемой теме, сравнение, эксперимент.

Исследовательская работа рассчитана на повышение и расширение уровня знаний по биологии.

Гипотеза: На правильно подобранных питательных средах можно выращивать растения без почвы.

Цель: создание фитотрона для комфортных условий роста и развития растений, облегчение труда по выращиванию теплолюбивых овощных культур с применением информационных технологий.

Задачи:

1. изучить литературу по данной теме, а именно какие факторы влияют на комфортную жизнь растений в теплице: температура, влажность, освещенность, содержание углекислого газа;
2. продумать схему для сборки теплицы-фитотрона;
3. разработать алгоритм сбора информации с датчиков, контролирующих комфортные условия роста и развития теплолюбивых культур;
4. подобрать комплектующие для реализации проекта;
5. написать алгоритм и код программы автоматизации процессов с помощью программного обеспечения и консультации педагога;
6. испытать работу фитотрона;

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В настоящее время биофизические исследования, относящиеся к воздействию физических факторов на живые системы, выходят на первое место по отношению к традиционным физическим задачам . Одним из наиболее удобных объектов для биофизических исследований являются растения, изучение которых возможно на различных стадиях жизненного цикла. Однако для обеспечения воспроизводимости результатов необходимо обеспечить стандартизацию условий роста и развития растений. Это особенно важно в том случае, если предполагается исследовать отклик живой системы на слабые физические поля: электрические, магнитные, электромагнитные и/или комбинированные

Ключевыми параметрами, определяющими функциональное состояние растения, являются световой режим, свойства почвы, режим увлажнения и температура.

Гидропоника - это обобщенный термин, означающий один из методов культивирования растений без почвы на питательных растворах, содержащих полный набор необходимых для роста и развития веществ в необходимой концентрации и доступной растению форме. При этом необходимо создать благоприятные условия для развития корней и питания растения. Для этого нужно обеспечить контакт корней с питательным раствором и постоянный доступ к корням воздуха, а также создать оптимальную влажность в пространстве между питательным раствором и основанием корней, так как при недостатке влаги они быстро засохнут.

Различают три основных метода выращивания растений на питательных растворах:

- водная культура - собственно, гидропоника;

- субстратная культура - гидрокультура;

- воздушная культура - аэропоника.

Гидропоника или водная культура - это метод выращивания, при котором растение укореняется в тонком слое органического субстрата (торф, мох и т.п.), уложенного на сетчатую основу, опущенную в поддон с питательным раствором.

Корни растений через субстрат и отверстия основы опускаются в раствор, питая растение. Этот метод самый старый, но не самый лучший. При гидропонном способе выращивания растений сложность представляет аэрация корней, так как содержащегося в питательном растворе кислорода растению не достаточно, и корневую систему растения полностью погрузить в раствор нельзя. Для обеспечения дыхания корней между раствором и основой оставляют воздушное пространство для молодых растений 3см, для взрослых - 6см. При этом необходимо позаботиться о поддержании повышенной влажности воздуха в этом пространстве, иначе корни быстро засохнут. Питательный раствор заменяется раз в месяц.

Для выращивания растений методом водной культуры нужен специальный гидропонный горшок, который можно изготовить и самостоятельно.

Считается, что беспочвенные методы культивирования растений, гидропоника – детище современных технологий. Это технологии будущего, успешно разрабатываемые в разных странах, но стоит вспомнить пословицу: новое – хорошо забытое старое.

Но, даже в то далекое время гидропонные методы не являлись абсолютным новшеством. Конечно с натяжкой, но их можно назвать гидропонными. Первый, кто задумался о том, как питаются растения – Аристотель. Во всяком случае, его перу принадлежат работы, где он пытался объяснить сей процесс. Аристотель утверждал, что растения получают необходимую пищу в конечной (уже органической) форме, затрагивая этот вопрос лишь по способу перемещения веществ по стволу растения. Затем на многие столетия в изучении питания растений наступила пауза, пока этим вопросом не стал экспериментально заниматься голландский учёный Иоганн Баптист Ван Гельмонт (1575 – 1642). Он первый решил выяснить, чем питаются и откуда берут себе пищу растения. Гельмонт решил провести опыт: набил в бочку ровно 200 фунтов (1 фунт – 453.6 г) тщательно просеянной и высушенной почвы, затем посадил туда ветвь ивы, весившую пять фунтов. В течение пяти лет он внимательно следил за чистотой эксперимента, не позволял букашкам и даже пыли попасть в почву. Поливал иву исключительно дождевой водой. По истечении указанного срока он взвесил выросшее растение, результат его поразил: вес ивы увеличился на 164 фунта, когда вес почвы - уменьшился лишь на две унции (1 унция – 28. 35 г). Естественно, объяснил он это совершенно неправильно, сделав вывод, что необходимые растению вещества были получены только из воды, не приняв во внимание роль углекислого газа и тех двух унций почвы. Хотя для уровня науки того времени – это простительно. Хорошо уже то, что он поднял вопрос питания растений .

Беркли проводил обширные опыты вне помещений, о которых он впервые сообщил в 1929 г. Им разработана теория “гидропоники”, или водных культур (по аналогии с “геопоникой” - греческим термином для почвенных культур), и он утверждал, что выращивание растений без почвы в широких масштабах вполне осуществимо и целесообразно. Его опыты показали возможность выращивания различных растений в больших количествах в корытах, наполненных питательным раствором.

Метод Геррике блестяще выдержал проверку, когда потребовалось обеспечить свежими овощами отдельные американские воинские подразделения, находящиеся в период второй мировой войны на совершенно бесплодных скалистых островах. В гидропонных бассейнах Геррике, часть которых была создана в голой скале с помощью взрывчатых веществ, непрерывно и в изобилии выращивали превосходные во всех отношениях овощи. В сообщения послевоенной прессы, в качестве первооткрывателя метода беспочвенного выращивания растений, большей частью фигурирует лишь профессор Геррике.

Фитотрон–типоряд автоматических климатических камер  нового поколения для выращивания растений в искусственных условиях.

Интеллектуальная система гибкой настройки режимов «дня» и «ночи» в течение суток позволяет создать идеальные условия для выращивания растений в искусственной среде ,благодаря возможности обеспечить оптимальную температуру ,влажность, уровень освещенности и воздухообмена.

Предназначен для использования научных и общеобразовательных учреждениях для учебного процесса, биологических исследований и селекционного эксперимента, а также для частного применения.

ФИТОТРОН был разработан в 2014-2015 году российскими специалистами из группы компаний "Лазеры и аппаратура" совместно с учеными из Тимирязевской Сельскохозяйственной Академии для исследования различных процессов связанных с выращиванием растений в условиях контролируемого климата. Позднее, с учетом эксплуатации в исследовательских центрах, а также ряде общеобразовательных школ и в частном секторе, была произведена доработка модели и разработан пакет дополнительных функций и моделей, которыми можно оснащать систему в зависимости от целей использования. В результате базовая модель ФИТОТРОНа позволяет выращивать растения в условиях контролируемого климата и управлять всеми основными параметрами: температурой, влажностью, освещенностью, воздухообменом и все это - в рамках программируемых дневных и ночных циклов, которые можно устанавливать оптимальным для конкретного растения образом.

При разработке конструкции устройства, несмотря на его видимую простоту, необходимо было решить следующие задачи. Во-первых, оно должно было содержать несколько ящиков, в каждом из которых можно было бы размещать несколько растений, находящихся в изотермических условиях при одинаковой влажности и под воздействием одинакового или близкого светового потока, т. е. не затеняющих друг друга. Во-вторых, было важно иметь возможность менять суточный фотосинтетический поток фотонов (PPFD — photosynthetic photon flux per day)  независимо для каждого ящика в широких пределах, воспроизводимо и с достаточной точностью. В-третьих, должен быть обеспечен легкий доступ к растениям, возможность перемещения их в пределах ящика, визуальный осмотр, перестановка, полив, замер влажности почвы. Задача создания и поддержания искусственного температурного режима не ставилась, т. к. в наших лабораторных помещениях установлены системы климатконтроля.

ТЕМПЕРАТУРА

У разных растений - свой температурный оптимум, который нужен для прорастания семян, роста растения и созревания плодов. Огурцам нужен воздух и почва потеплее, а редис прорастает уже при +2, а при слишком долгом дне и короткой ночи превращается в сплошную ботву.

Значит, температурой внутри климатической камеры также нужно управлять как в плюс, так и в минус. Кроме того, должна быть возможность разместить шкаф не только в хорошо отапливаемое помещение, но и, скажем, в холле, куда открывается дверь с улицы - если это гостиница или ресторан, в подвал, если это ферма или частный дом - то есть туда, где температура может колебаться или быть в районе 12-14 градусов зимой. Такую возможность обеспечивают далеко не все импортные модификации систем искусственного климата - многие только охлаждают воздух, а вот подогрев и поддержание стабильной теплой температуры - уже забота пользователя.

ВОЗДУХООБМЕН

Растения, как и все живые организмы, потребляют кислород и выделяют углекислый газ при дыхании. Из школьного курса биологии некоторые, возможно, помнят, что для поддержания стабильности процессов и роста вообще необходимо какое-то там соотношение. Проще говоря нужно, чтобы в объеме, где идет рост воздух постоянно циркулировал и обеспечивалось проветривание, чтобы не накапливался углекислый газ.

ОСВЕЩЕНИЕ

Самый заметный параметр.

Растениям для качественного роста необходимы во-первых, определенный спектр света, а во-вторых - смена дня и ночи. Заслуженный отдых после рабочего дня, когда все процессы активны и фотосинтез идет полным ходом.

Существует оптимальная длина волны, при которой фотосинтез идет наиболее эффективно. Природа все уже учла, а вот с искусственными источниками света чуть сложнее - если вы попробуете расположить горшок с салатом под лампу накаливания или люминисцентную, вряд ли у вас получится что-то интересное. Поэтому для выращивания рассады и в теплицах для досветки используются лампы с определенным спектром.

Диодные линейки Фитотрона со специализированной комбинацией светодиодов во влагозащищенных корпусах

УПРАВЛЕНИЕ

Всей совокупностью параметров нужно управлять, причем конечно в автоматическом режиме. В рамках запрограммированного цикла "День" должен начинаться и заканчиваться в определенное время, аналогично включался полив, и поддерживаться температура. Все это не должно зависеть от присутствия обслуживающих специалистов, графика движения автотранспорта и опозданий, рабочих смен и выходных.

Дополнительно можно оснастить системой управления от компьютера, через приложение, однако это актуально в том случае, если работает одновременно более десяти таких климатических камер.

Секрет успешного выращивания состоит в том, чтобы понять, как растения растут и приносят плоды! Независимо от условий выращивания, в помещении или на улице, им нужны одинаковые требования для роста. Растениям нужен свет, воздух, вода, питание, субстрат, тепло для производства плодов и роста. Без одного из этих жизненно важных факторов, оно перестает расти и вскоре погибает. В помещении свет должен быть определенного спектра и интенсивности; воздух должен быть теплым, в меру сухим, обогащенным углекислым газом; вода должна быть в достатке, но не в избытке, и среда выращивания должна содержать определенное количество питательных веществ для бурного роста. Когда все эти требования выполнены на оптимальном уровне, результатом будет и оптимальный рост.

Растение должно развить здоровую и густую корневую систему для лучшего усвоения питательных веществ, и надземную структуру для лучшего получения доступного света.

Для обычных растений вегетативный рост поддерживается 16 часами света и больше. Растение будет продолжать вегетативный рост в течение года или дольше (теоретически бесконечно), пока поддерживается 18-ти и более, часовой фотопериод. Растение реагирует на фотопериод; цветение можно контролировать с помощью цикла «свет-темнота». Это позволяет садоводам, выращивающим в помещении, контролировать вегетативный рост и период цветения

Опишем этапы сборки проекта.

1. Сначала создаем модель фитотрона на бумаге. Продумываем, какие параметры будем замерять, согласно комфортным условиям для роста и развития растений. Рисуем схему.
2. На макетной плате собираем опытный образец, в дальнейшем все провода были спаяны или использованы соответствующие разъемы.
3. Подключаем дисплей для индикации показания датчиков, который позволяет проверять, корректно ли работает алгоритм работы датчиков.
4. Проектируем и монтируем контроль освещения: фоторезистор, фотолампа, реле для включения лампы.
5. Для контроля влажности и температуры воздуха внутри теплицы устанавливаем соответствующий датчик.
6. Монтируем инфракрасный порт с пультом для дистанционного управления. Устанавливаем поплавковый датчик в бочке, который осуществляет защиту для насоса. Работа насоса без воды быстро выведет его из строя. Так как вода, в данном случае является еще и смазкой для движущихся частей и охладителем для трущихся.

7. Собираем наш фитотрон.

Заключение

Жизнь растения, его рост и развитие, урожайность зависят от определенных внешних условий среды. Основные из них - тепло, свет, вода, воздух, питательные вещества. Они необходимы растению в комплексе, и ни один из них не может заменить другой.

Результатом внедрения нашего фитотрона будет сокращение трудозатрат по выращиванию овощей, высвобождение личного времени нас и наших родителей, получение большего урожая как следствие более правильных технологий по выращиванию в закрытом грунте.

Первый опыт работы в качестве проектировщика, сборщика установки, программиста мною получен. И я думаю, что наш проект фитотрон будет реализован дальше, потому что уже сейчас на этапе выращивания рассады моя бабушка уже является заказчиком такой небольшой теплички.

Считаем, что поставленные перед собой задачи я выполнил, цели достиг.