Разработка модульного светильника для программируемого выращивания растений

Команда проекта
  • Анисеня Татьяна
    участник команды


    Проводила исследование влияния ближнего ультрафиолетового излучения на рост земляники
  • Тумалевич Вера
    участник команды

    Изучила и выявила оптимальные параметры оптического излучения для максимального стимулирования синтеза целевых соединений в лекарственных растениях
  • Туранов Сергей
    наставник проекта

    Разработал детальный план проекта, включая сроки, ресурсы и бюджет. Проводил регулярные встречи для обсуждения прогресса и решения возникающих проблем.
Проблема
Проблема, которую решает проект, заключается в недостатке доступных и эффективных решений для обеспечения оптимального освещения при программируемом выращивании растений в домашних условиях. Многие существующие световые приборы не учитывают специфические потребности различных растений и их стадии роста, что приводит к неэффективному использованию ресурсов, снижению урожайности и ухудшению здоровья растений. В результате, домашние садоводы сталкиваются с трудностями в создании благоприятной среды для роста растений, что ограничивает их возможности в увлечении садоводством и получении качественного урожая.
Актуальность
Актуальность проекта связана с растущим интересом к домашнему садоводству и необходимостью эффективного использования ресурсов в ограниченном пространстве. Так, по данным НИУ ВШЭ за 2023 более 35% россиян готовы покупать экогаджеты. При этом крупные ритейлеры (Ozon, Wildberries) фиксируют увеличение спроса на гидропонные системы в 1,5–2 раза за последние 2 года, а по данным AliExpress в России отмечается рост продаж LED-фитоламп на 40% за 2023–2024 гг.
Это связано с тем, что многие стремятся к устойчивому образу жизни и хотят выращивать свежие продукты, но недостаток адаптивных решений для освещения растений создает преграды. Также, мало кого устраивает рост цен на свежие овощи, зелень и ягоду в зимний период (от 30-50%).
Существующие световые приборы часто не учитывают индивидуальные потребности растений, что снижает урожайность и ухудшает здоровье. Разработка компактной и эффективного фитоустановки с программируемыми функциями позволит создать оптимальные условия для роста растений, повысить их продуктивность и качество урожая, способствуя увлечению садоводством и обеспечивая доступ к свежим продуктам.

Обзор аналогов

Выводы:
  1. Большинство аналогов имеют фиксированные конструкции или ограниченные возможности модификации.
  2. Аналоги часто предлагают лишь базовые настройки света, вместо программируемых режимов.
Цель проекта
разработка фитоустановки, которая обеспечит оптимальное освещение для программируемого выращивания растений в домашних условиях, адаптируясь к типу растения и его стадии роста
Задачи
  • Провести анализ и исследование особенностей роста различных типов растений (земляника и мята) в светокультуре
    Для определения их специфических требований к спектру и интенсивности света на разных стадиях роста.
  • Создать концепцию и эскиз фитоустановки
    Фитоустановка должна легко настраиваться и изменяться в зависимости от типа растения и его стадии роста, обеспечивая оптимальные условия для их развития.
  • Сформировать режимы облучения для эффективного выращивания выбранных модельных растений
    Спектрально-энергетические характеристики излучателей, которые станут основой для проектируемой фитоустановки
Целевая аудитория проекта:
1) Городские жители 25-45 лет, ценящие свежую зелень, ягоды и технологии, но не имеющие дачи или времени на традиционное садоводство.
2) Приверженцы ЗОЖ и эко-продуктов, готовые инвестировать в домашнее выращивание зелени, микрозелени, ягоды и лекарственных трав без химии.
3) Офисные работники и фрилансеры, желающие украсить рабочее пространство "умным" мини-огородом.
4) Родители с детьми, ищущие образовательные проекты по биологии и экологии в игровом формате.
5) Владельцы малых кафе и ресторанов, заинтересованные в свежих локальных ингредиентах для кухни.

Стейкхолдеры проекта:
  • АНО ДО ДТ Кванториум
    г. Томск
    Потенциальный стейкхолдер
    Могут помочь с ресурсами и связями для создания проекта.
  • Администрация г. Томска

    Потенциальный стейкхолдер
    Заинтересованы в развитии устойчивого сельского хозяйства и домашнего садоводства.
    Могут помочь во внедрении проекта.
  • НИ ТПУ

    Потенциальный стейкхолдер
    Могут предложить научную поддержку и разработки в области светотехники.
Эскизная модель
предлагаемого
решения
1 - подставка для горшков с растениями
2 - подъемно – спусковой механизм для регулировки высоты лампы
3 - роликовый отражатель
4 - источники света
5 - место для размещения контроллера



Этапы работы над проектом
Подготовительный
Распределение ролей в команде и фронта работ
Посадка землянки и мяты
Изучение методов видимой спектроскопии для оценки состояния растений
Октябрь - декабрь 2024
Основной
Проведение экспериментов по выращиванию земляники и мяты в условиях искусственного освещения
Разработка эскиза фитоустановкиъ
январь - март 2025
Заключительный
Изучение особенностей роста растений при разном спектральном составе
Анализ полученных результатов в ходе исследований
Подготовка презентационного материала и его представление
Создание макета установки
Апрель - май 2025
Спектры отражения листьев земляники и мяты
Для формирования режимов облучения проектируемой фитоустановки, был проведен ряд экспериментов. В течении нескольких месяцев экспериментальные образцы выращивались при разных спектральных составах и одинаковом уровне фотосинтетически активной радиации. Для анализа процессов вегетации, измерялись спектры отражения листьев, на основе которых рассчитывались вегетационные индексы.
Расчет вегетационных индексов

Индекс ARI 1 - антоциановый индекс. Оценка содержания пигмента антоциана в листьях для определения уровня стресса.

Индекс FRI - флавоноидный индекс. Флавоноиды играют ключевую роль в пигментации, определяя окраску цветов и плодов.

Индекс G - индекс зелёности. Указывает на количество растительного материала, необходимого для полноценного процесса фотосинтеза.

Индекс CNDVI - индекс, служащий показателем фотосинтетической активности растения. Чем более развиты растения и больше их зеленая масса в вегетационный период, тем выше значение индекса NDVI.



земляники
Анализ вегетационных индексов показывает значительное влияние условий освещения на рост земляники. Ячейка 1 демонстрирует наилучшие показатели по всем индексам, что указывает на оптимальные условия освещения. В то же время ячейки 5 и 6 показывают более низкие значения индексов, что может свидетельствовать о недостаточном освещении или других стрессовых факторах.
мяты
ARI
По результатам видно, что в разные периоды роста, растения по разному реагировали на изменение внешних условий.
CRI
По результатам видно, что наибольший риск у образцов выращенных по ДНаТ лампами, а наименьший у 395 нм.

GM
По результатам видно, что образцы 395 и 445 нм. имеют наибольшее количество зеленой массы.
Экономика проекта
  • Исследовательская часть
    Субстрат и удобрение - 450 руб.
    Рассада земляники - 2500 руб.
    Семеня мяты - 87 руб.
    Светодиоды УФ - 693 руб
  • Макет
    Лист фанеры – 200 руб.
    Контейнеры пластиковые – 220 руб.
    Компрессор – 500 руб.
    Светодиоды – 600 руб.
    Магниты – 40 руб.
    Кусок фольги – 10 руб.
    Ватман – 40 руб.
    Болты - 16 руб.
Итого:
Общая сумма на исследования светодиодного освещения на землянику и мяту - 3730 руб.
на макет - 1626 руб.
Промежуточные результаты работы
  • Доказано, что добавление ближнего УФ излучения в общий фитопоток повышает эффективность выращивания земляники и мяты.
  • На основе экспериментальных исследований сформированы сценарии облучения (режимы изменения спектральных характеристик в процессе выращивания) для программирования роста растений, улучшающие процессы вегетации и снижающие риск потери урожая.
  • Предложен макет домашней фитоустановки на основе светодиодных излучателей и светоотражающих шторок.
Планы на будущее:
  • Подбор подходящего контроллера и программирование режимов выращивания.
  • Сборка и тестирование действующего макета.
Применение в профессии:
В ходе реализации проекта были развиты навыки научного исследования, включая планирование экспериментов, сбор и анализ данных, а также критическое мышление. Проект способствовал углубленному пониманию биологии, ботаники и светотехники.

Плюсы включают осознание важности растений в медицине и экологии, а минусы могут заключаться в необходимости длительного обучения и возможной нестабильности в научной карьере.

Проектная деятельность помогает определиться с будущей профессией, поскольку позволяет практиковать навыки, исследовать интересующие области и осознать свои сильные и слабые стороны через практический опыт.

Галерея

Контакты

Лидер проекта:

Анисеня Татьяна

Телефон: +79539169610

Почта: tanya080927@gmail.com


Научный руководитель:

Туранов Сергей Борисович

Почта: turanov_sb@tpu.ru