Что такое теплица научная работа

Данная статья является реферативным изложением основной работы. Полный текст научной работы, приложения, иллюстрации и иные дополнительные материалы доступны на сайте III Международного конкурса научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» по ссылке: https://www.school-science.ru/0317/16/29218

Мы все любим хорошо и вкусно поесть. Но еда должна быть не только вкусной, но и полезной! То, что сегодня продают в магазинах, редко не содержит различных биодобавок и препаратов. Вам всем приходилось, наверное, пробовать на вкус помидоры из супермаркета, которыми можно «гвозди заколачивать». А если покупать натуральные помидорчики и огурчики, то никаких денег не хватит. Выращивание овощей у себя на участке – это лучший вариант. Вы будете уверены в своих томатах на 100%.

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: теплица

Объект исследования: комфортные условия для роста и развития растений в теплице.

Гипотеза: если приблизить условия содержания растений к «идеальным» для данного вида растений, то можно получить высокий урожай данного вида при наименьших трудовых затратах.

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

Задачи:

изучить литературу по данной теме, а именно какие факторы влияют на комфортную жизнь растений в теплице: температура, влажность, освещенность, содержание углекислого газа;
найти информацию о платформе Arduino и принципах ее работы;
продумать схему для сборки умной теплицы;
разработать алгоритм сбора информации с датчиков, контролирующих комфортные условия роста и развития теплолюбивых культур;
подобрать комплектующие для реализации проекта;
написать алгоритм и код программы автоматизации процессов с помощью программного обеспечения и консультации папы;
испытать работу мини теплицы;
провести экономические расчеты для большой теплицы на дачном участке.

К чему теплице автоматизация?

Давайте рассмотрим подробнее, что же происходит в конструкции теплицы, которой не ведома автоматика и контроль за ее микроклиматом ведется по возможности, хотя и фактически каждый день.

Рано утром, как только первые солнечные лучи попадают в теплицу, температура в теплице начинает быстро повышаться. И, чем выше теплица по высоте, тем это происходит быстрее. Для растений это – хорошо. Вот только есть проблема: перепад температур в это время между почвой и воздухом достигает порой разницы в 30°С! Корни остаются еще холодными, тогда как верхушки растений уже разогрелись. Более «холодная» подземная часть плохо снабжает более «теплую» верхнюю часть растений, что приводит к элементарному дефициту влаги. Для растений это плохо.

В жару растения испытывают еще больший стресс. Обычно хозяева идут собственноручно открывать форточки и двери уже тогда, когда температура внутри достигает 40°С. Двери и форточки резко открывают, и образовавшийся сквозняк уносит остатки и так недостающей влаги. Молодые побеги от этого теряют тургор – давление внутри клеток, вянут, а цветы и завязи и вовсе отпадают. А вот вредители, особенно паутинный клещ, от жары и сухости начинают чувствовать себя как раз хорошо. Только вечером растения начнут приходить в себя. То есть задача «умной» теплицы – это максимально поддерживать комфортный климатический режим для растений в теплице: влажность, температуру, насыщенность кислородом и влагой.

Любые растения нуждаются в 12-16-часовом освещении в сутки. Как только продолжительность дня становится короче 10 часов, растения попросту перестают расти. Но и круглосуточно освещать теплицу не нужно. Для растений существует своя норма ночного покоя – 6 часов.

Самые светлые головы планеты провели ряд интереснейших экспериментов и дружно решили, что любой растительности нужен только «полезный» свет: красная область спектра (волны длиной 600-700 нанометров), пока идет цветение и завязываются плоды и синий (400-500 нанометров) собственно для вегетативного роста (см. полный текст работы. Приложение 1). С помощью популярной красивой подсветки можно освещать тепличные растения только одним «нужным» светом – синим или красным, либо в их комбинации. Электроэнергии они потребляют мало, именно на них ученые возлагают свои самые большие надежды.

Впервые опыты со светодиодами в теплице проводились в Дании. В итоге при использовании 50 тысяч светодиодов было сэкономлено около 40% энергии на огромной площади, а растения стали расти еще более интенсивнее. У цветов появлялось больше бутонов. И при этом в промышленных теплицах уже меньше использовались химикаты для регулировки роста растений [1].

Фотосинтез – это процесс, при котором из углекислого газа и воды на свету образуются органические вещества. Общая формула фотосинтеза выглядит следующим образом:

Вода + Углекислый газ + Свет > Углеводы + Кислород

Выделяющийся при фотосинтезе кислород поступает в атмосферу. В верхних слоях атмосферы из кислорода образуется озон. Озоновый экран защищает поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения, что сделало возможным выход живых организмов на сушу.

Фотосинтез – это основа питания растений. Научно доказано, что 95% урожая определяют органические вещества, полученные растением в процессе фотосинтеза, и 5% – те минеральные удобрения, которые садовод вносит в почву.

Современные дачники основное внимание уделяют почвенному питанию растений, забывая о его воздушном питании. Неизвестно, какой урожай могли бы получить садоводы, если бы они внимательно относились к процессу фотосинтеза[3].

Свет, участвующий в процессе фотосинтеза, попадает в хлоропласты – внутриклеточные полуавтономные органеллы, содержащие зеленый пигмент. Под действием солнечного света хлоропласты вытягивают воду из почвы, разделяя ее на водород и кислород. Световая энергия собирается в специальные отсеки хлоропластов, называемые тилакоиды, а затем делит молекулу воды на кислород и водород.

Часть кислорода вырабатывается в атмосферу, а часть идет на дыхание растения. После чего углекислый газ в пиреноидах (белковых гранулах, окруженных крахмалом) смешивается с водородом и образует молекулы сахара. В результате этой реакции также выделяется кислород.

Соединяя сахар, с добываемыми из почвы азотом, серой и фосфором, зеленые растения производят крахмал, жиры, белки, витамины и другие сложные соединения, необходимые для их жизни.

Хотя в абсолютном большинстве случаев фотосинтез протекает под воздействием солнечного света, в нем также может участвовать и искусственное освещение. Растение поглощает свет при помощи зеленого вещества, которое называется хлорофилл. Хлорофилл содержится в хлоропластах, которые находятся в стеблях или плодах. Особенно большое их количество в листьях, потому что из-за своей очень плоской структуры листок может притянуть много света, соответственно, получить намного больше энергии для процесса фотосинтеза.

После поглощения хлорофилл находится в возбужденном состоянии и передает энергию другим молекулам организма растения, особенно, тем, которые непосредственно участвуют в фотосинтезе. Второй этап процесса фотосинтеза проходит уже без обязательного участия света и состоит в получении химической связи с участием углекислого газа, получаемого из воздуха и воды. На данной стадии синтезируются разные очень полезные для жизнедеятельности вещества, такие как крахмал и глюкоза.

Эти органические вещества используют сами растения для питания разных его частей, а также для поддержания нормальной жизнедеятельности.

Фотосинтез может происходить как под действием искусственного света, так и солнечного. Как правило, на природе растения интенсивно «работают» в весенне-летний период, когда необходимого солнечного света много. Осенью света меньше, день укорачивается, листья сначала желтеют, а потом опадают. Но стоит появиться весеннему теплому солнцу, как зеленая листва вновь появляется и зеленые «фабрики» снова возобновят свою работу, чтобы давать кислород, такой необходимый для жизни, а также множество других питательных веществ.[2]

Для повышения продуктивности фотосинтеза необходимы следующие условия:

Оптимальный световой режим – интенсивность освещения и длительность светового дня. Практически зависит от густоты посевов, ориентирования их рядов, искусственного освещения в теплицах. Следует также учитывать и разницу в освещении светолюбивых и теневыносливых растений.

Благоприятный температурный режим (20-25 °С) при выращивании растений в теплице.

Достаточная для данной культуры увлажненность почвы, регулирование, которой можно осуществлять орошением (поливом) или осушением.

Нормальное содержание диоксида углерода в воздухе (особенно в теплицах), так как снижение его содержания тормозит фотосинтез, а повышение угнетает процесс дыхания.

Достаточное содержание минеральных солей в почве.[4]

1.4 Вегетативный период растений

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.[4]

1.5 Капельный полив

Капельный полив – это метод, когда поливная вода малыми дозами подается непосредственно под корни растений, с помощью капельниц-дозаторов и используется наиболее эффективно.

Преимуществ у капельного полива очень много, они очевидны и подтверждены многолетней практикой садоводов большинства стран мира, это:

— более ранний и обильный урожай;

— предотвращение появления сорняков;

— предупреждение почвенной эрозии;

— предотвращение распространения болезней;

— экономия поливной воды (приблизительно наполовину) благодаря тому, что исключаются ее испарение и инфильтрация;

— сокращение использования удобрений;

-невозможность попадания поливной воды на растения, что полностью исключает солнечные ожоги;

-предотвращение образования корки на поверхности почвы, что дает лучшую вентиляцию корням;

— возможность непрерывного и равномерного полива без вашего присутствия и участия, все 24 часа в сутки, при любом ветре;

— действия по обработке растений и уборке урожая можно осуществлять в любое удобное время, не ориентируясь на полив;

— простота и доступность монтажа и ухода;

-нет необходимости перекладывать шланг, рискуя покалечить или сломать растения, разводя по дорожкам грязь (один раз уложил и забыл);

— эффективное использование трудозатрат;

— значительное увеличение интервалов между рыхлением и прополкой;

— увеличивается срок хранения выращиваемых растений;

— сокращение износа трубопроводов;

— значительная экономия денежных средств [6]

Что такое Arduino

Arduino– это небольшая плата, с собственным процессором и памятью. На плате также есть пара десятков контактов, к которым можно подключать всевозможные компоненты: лампочки, датчики, моторы, чайники, роутеры, магнитные дверные замки и вообще все, что работает от электричества (Приложение 2).

В процессор Arduino можно загрузить программу, которая будет управлять всеми этими устройствами по заданному алгоритму. Таким образом, можно создать бесконечное количество уникальных классных гаджетов, сделанных своими руками и по собственной задумке. Для того, чтобы понять идею, взгляните на иллюстрацию в приложении 2. Она не отражает и миллионной доли всех возможностей, но все же дает первичное представление.[7]

Принципиальная схема составлена в бесплатной программе Fritzing 0.9.328.(Приложение 3). Программа легка в освоении, в своей библиотеке содержит много датчиков. Перед началом программирования необходимо нарисовать блок схему работы программы. Для этого я использую бесплатную программу Diagram Designer 1.28 (Приложение 4 ).

Код программы пишется в официальной среде разработки Arduino IDE 1.6.9.(Приложение 5).

Среда разработки Arduino состоит из встроенного текстового редактора программного кода, области сообщений, окна вывода текста (консоли), панели инструментов с кнопками часто используемых команд и нескольких меню. Для загрузки программ и связи среда разработки подключается к аппаратной части Arduino.

Программа, написанная в среде Arduino, называется скетч. Скетч пишется в текстовом редакторе, имеющем инструменты вырезки/вставки, поиска/замены текста. Во время сохранения и экспорта проекта в области сообщений появляются пояснения, также могут отображаться возникшие ошибки. Окно вывода текста(консоль) показывает сообщения Arduino, включающие полные отчеты об ошибках и другую информацию. Кнопки панели инструментов позволяют проверить и записать программу, создать, открыть и сохранить скетч. Описание загрузки приведено ниже.

Язык программирования устройств Ардуино основан на C/C++. Он прост в освоении, и на данный момент Arduino – это, пожалуй, самый удобный способ программирования устройств на микроконтроллерах.

Простейшая Arduino-программа состоит из двух функций:

setup(): функция вызывается однократно при старте микроконтроллера.

loop(): функция вызывается после setup () в бесконечном цикле все время работы микроконтроллера.

В интернете очень много примеров для реализации работы конкретных датчиков. Наша задача собрать все это воедино, доработать алгоритмы работы, чтоб устраивало нашим потребностям.

Источник статьи: http://science-start.ru/ru/article/view?id=811

Теплица — это. Понятие, виды, назначение и фото

Многие любят овощи и фрукты, к тому же они очень полезные. А как приятно выращивать эти продукты самим на своем приусадебном участке. Большое количество овощей выращивают в открытом грунте, но с каждым годом дачники и садоводы все чаще прибегают к всевозможным конструкциям, чтобы получать урожай долгое время. К таким сооружениям относятся теплицы, парники, оранжереи и т. д. В этой статье рассмотрим теплицу. Что это за конструкция?

Что такое теплица?

Большая советская энциклопедия дает такое определение: «Теплица — это специальное помещение или сооружение с покрытием из материала, который пропускает свет. Предназначено такое помещение для круглогодового выращивания теплолюбивых культур».

Такую конструкцию можно приобрести в специализированных магазинах или сделать теплицу своими руками. Конструкция теплицы бывает:

Арочная.
С вертикальными стенами.
Стены, которые имеют наклон.
Двухскатная конструкция.
Односкатная конструкция.
С мансардной крышей.

Как мы видим, выбор большой, и каждый дачник может найти тот вариант конструкции, который будет ему удобен. Покрытие теплицы делают из таких материалов, как:

Полиэтиленовая пленка.
Стеклянное покрытие.
Поликарбонат.

Рассмотрим плюсы и минусы каждого сооружения, чтобы понять, какие теплицы лучшие и какие подходят именно вам.

Стеклянная теплица

Конструкция, укрытая стеклом — это классика среди теплиц. Многие дачники ради экономии делают маленькие сооружения из старых окон. Ну а если начинать строительство с нуля, то, учитывая, что стекло — негибкий материал, основная конструкция должна быть односкатной или двухскатной.

Плюсы стеклянных теплиц:

Стекло не вступает в химические реакции. Это экологически чистый материал.
Стекло прозрачное. Оно дает возможность наблюдать за ростом урожая.
Хорошее освещение, что позволяет растению хорошо развиваться.
Такая конструкция достаточно прочная. Треснувшее или разбитое стекло легко заменяется.

Минусы стеклянной теплицы только в большом весе и хрупкости стекла. Сильный град может нарушить покрытие конструкции.

Поликарбонатные теплицы

Такой материал покрытия набирает большую популярность среди дачников и садоводов. Прежде всего теплица — это надежность и удобство для выращивания теплолюбивых овощных культур. Основная задача такого сооружения — создать благоприятные условия для произрастания. Поликарбонат выполняет почти все нужные функции.

К плюсам таких теплиц относятся:

Прочность материала.
Хорошая светопроницаемость.
Хорошая теплопроводность.
Материал прослужит до 15 лет.
Такие теплицы отлично подходят для зимнего выращивания овощей.

К минусам такого строения относятся высокая стоимость материала, помощь специалистов в установке и наличие хорошего и прочного основания.

Теплицы с полиэтиленовым покрытием

Полиэтиленовый тент для теплиц — это самый распространенный материал. Еще совсем недавно практически каждый дачник на своем приусадебном участке имел такую тепличку. Но в наше время даже среди простого полиэтилена есть выбор из нескольких видов материала.

В продаже представлен ассортимент материала, такого как:

Светорассеивающая пленка.
Армированный материал.
Целлофановая пленка.
Вспененная пленка.
Сополимерный этиленвинилацетатный материал.
Светостабилизированная пленка.

Любой из этих материалов подходит для укрытия теплиц, но нужно обращать внимание на характеристику материала и подобрать тот, который подойдет для вашего климата.

Плюсы пленочных теплиц:

Приемлемый вариант для новичков в этом деле.
Низкая стоимость.
Легко и без особых навыков можно накрыть каркас теплицы.

Но такие сооружения имеют и достаточное количество минусов. К ним относятся:

Сезонность строения. Нужно натягивать и убирать пленку каждый раз, от этого материал может порваться.
Солнечные лучи плохо влияют на пленку.
Для низких температур пленочная теплица непригодна.

Преимущество теплицы, сделанной своими руками

Самостоятельно соорудить конструкцию для выращивания овощей несложно. Это могут быть как покупные конструкции, так и по собственному дизайну. Своими руками можно смастерить необычные и очень функциональные теплицы. Прежде чем воплощать идею в жизнь, необходимо проработать некоторые пункты:

Выбрать место на участке, где будет поставлена конструкция.
Определить размеры теплицы и каким материалом она будет укрыта.
Какой формы будет каркас.
Какую функцию будет выполнять теплица. Если это зимний вариант, то необходимо уделить внимание фундаментному основанию.

Как говорит народная мудрость: «Глаза боятся, а руки делают». Если правильно выстроить план работы, то и зимнюю, и летнюю теплицу можно смастерить самостоятельно. Чтобы выбрать вариант формы будущего строения, можно посмотреть образцы фото теплиц в этой статье.

Зимний вариант

Каждый огородник знает, для чего теплицы и что в них выращивать. Но у многих любителей возникает вопрос: «А зачем теплица зимой?». Оказывается, заниматься культивацией многих культур можно и в зимний период. При соблюдении несложных правил посадки и выращивания тех или иных культур можно собирать урожай несколько раз. Многие дачники выращивают некоторые растения на продажу, тем самым окупают сооружение зимней теплицы. Выращивают такие растения, как:

Лук на зеленое перо.
Укроп, петрушку, базилик и другую популярную зелень.
Салат.
Раннюю рассаду огурцов, томата, баклажана и перца.

Конечно, зимняя теплица имеет много аспектов, которые отличают ее от обычного строения. Чтобы сконструировать теплицу зимнего варианта, потребуется немного больше времени, сил и материалов. Для постройки зимней теплицы понадобятся:

Прочное основание — фундамент.
Массивная структура стен.
Мощный каркас. Чтобы смог выдержать тяжелую снежную шапку.
Дополнительное освещение. Ведь зимой дни короче, а для многих культур свет является неотъемлемым условием для роста.
Отопление — еще один элемент, без которого не обойдется зимняя теплица.

Без преувеличения можно сказать, что зимняя теплица — это выгодное вложение с точки зрения коммерции. Ведь помимо сооружения для выращивания съедобных культур, теплица может послужить оранжереей для цветов. И к 8 марта можно вырастить красивые розы или тюльпаны и хорошо на этом заработать.

Источник статьи: http://fb.ru/article/454769/teplitsa—eto-ponyatie-vidyi-naznachenie-i-foto