ПРИКАЗЫВАЮ;pdf

На правах рукописи
Уткина Вера Владимировна
Исследование функционального состояния
растений с использованием отраженной от листьев
мощности излучения
Направление 201000.68 «Биотехнические системы и технологии»
АВТОРЕФЕРАТ
магистерской диссертации
Орел, 2014 г.
2
Работа выполнена на кафедре «Приборостроение, метрология и сертификация» Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Государственный университет – учебно-научнопроизводственный комплекс»
Научный руководитель:
Официальный рецезент:
– кандидат технических наук, доцент
БОНДАРЕВА Л.А.
– кандидат технических наук, начальник
конструкторского отдела ЗАО «ИТЭК-Орел»
ГОРБУНОВ Р.А.
Защита состоится 3 июля 2014 г. В 13:00 часов на заседании Государственной
аттестационной комиссии по адресу: 302020, РФ, г. Орел, Наугорское шоссе, 29, ауд.
212.
С диссертацией можно ознакомиться на кафедре ПМиС ФГОУ ВПО «Государственный университет – учебно-научно-производственный комплекс»
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Несмотря на то, что на рубеже второго тысячелетия
знания человека о самом себе были достаточно ограничены, за прошедшие годы появилось огромное количество методов и устройств, используемых в диагностических
целях и позволяющих значительно расширить наши знания о строении, функционировании, развитии различных патологических процессов в организме человека, что
позволило создать новые методы лечения, предполагающие различные способы воздействия на человеческий организм. Достаточно широко применяется функциональная диагностика, которая представляет собой оценку функционального состояния человека. Однако, к сожалению, наши знания об объектах растительного мира за последние годы расширились незначительно. Оценка состояния различных растений
по-прежнему проводится путем визуального осмотра, поэтому изменения, происходящие в организме растений, выявляются на очень поздней стадии, когда отмечается
их увядание, отмирание листьев или целых частей, что неизбежно ведет к гибели
всего растения. В связи с этим является актуальной разработка метода оценки функционального состояния растений, позволяющего проводить прижизненную диагностику растений, осуществлять нормализующие воздействия на них и при этом не
травмировать их в процессе исследования, не нарушая их целостности.
Однако главная трудность осуществления функциональной диагностики объектов растительного происхождения заключается в том, что на сегодняшний день не
существует общепринятой методики проведения функциональной диагностики растений, отсутствует система достоверных диагностических показателей, позволяющих
быстро и корректно оценить состояние растительного организма. Стоит подчеркнуть
и то, что показатели, используемые для оценки функционального состояния растений, должны носить интегральный характер и позволять в совокупности оценивать
структурные, физико-химические и физиологические особенности растений, не нанося ему вреда и повреждений.
Традиционно в понимании человека жизнь растений связана с влагой, поэтому
увядшее состояние растения ассоциируется с недостатком воды, хотя причина может
быть и в отсутствии или недостатке света, тепла, минеральных и органических удобрений и т.п., а также в избытке перечисленных факторов, что тоже проявится увядшим состоянием, прежде всего, листьев растений. Таким образом, состояние листьев
является обобщенным показателем, говорящем о функциональном состоянии всего
растения в целом, а определение параметров, характеризующих состояние листьев,
позволит проводить функциональную диагностику растений.
В качестве показателя функционального состояния растений предлагается использовать отраженный световой поток от листьев растений, так как состояние листа
как отражающего объекта определяет параметры отраженного света и содержат совокупную информацию обо всех перечисленных ранее составляющих. В оптическом
отношении живые листья можно рассматривать как определённые физические тела,
осуществляющие поглощение, отражение и пропускание света в соответствии с законами оптики и фотометрии. Нахождение взаимосвязи между отражательными свойствами листьев и их физиологическими характеристиками позволит осуществлять
4
бесконтактную прижизненную функциональную диагностику растений, проводя не
только более детальное, но и более объективное исследование состояния живого биологического объекта.
Цель и задачи исследования. Целью проводимого исследования является
изучение возможности использования отраженной мощности от листьев растений в
качестве критерия оценки их функционального состояния и выявление зависимости
отраженной мощности лазерного излучения при изменении факторов внешней среды.
Задачи исследования:
 изучение возможности использования отраженной мощности от листьев растений в качестве критерия оценки их функционального состояния;
 выделение факторов окружающий среды, определяющих физиологическое
состояние растений, изменение которых отражается на их функциональном состоянии;
 используя визуальный контроль и специализированное оборудование, определение зависимости отраженной мощности лазерного излучения от поверхности листьев при изменении факторов внешней среды;
 разработка биотехнической системы управления и регулирования функциональным состоянием растений на основе измерения отраженного светового потока от
листьев растений.
Методы и средства исследования. При выполнении работы применялись аналитические и экспериментальные методы, методы математической статистики, теории точности и надежности.
Объект исследования. В качестве объекта исследования выступает световой
поток, отраженный от поверхности различных растений, по изменению которого
можно судить о функциональном состоянии объектов растительного происхождения.
Предмет исследования. Совокупность факторов окружающей среды, изменяющих функциональное состояние растений, изменение критерия его оценки, в качестве которого выступает отраженный лазерный поток от листьев растений, и структура биотехнической системы, в состав которой введен канал обратной связи, измеряющий функциональное состояние растений.
Научная новизна:
1. Использование в качестве критерия оценки функционального состояния растений отраженного светового потока лазерного излучения от листьев растений.
2. Установление экспериментальной зависимости отраженной мощности лазерного излучения от листьев растений на длине волны 850 нм от изменения факторов
внешней среды (недостаток полива, освещения и внесения комплексных удобрений).
3. Биотехническая система управления и регулирования функциональным состоянием растений на основе измерения отраженного светового потока от листьев
растений, используемого в качестве критерия оценки их функционального состояния.
Практическая значимость.
1. Оценка функционального состояния растения с использованием отраженного
лазерного потока от их листьев позволяет использовать растения в качестве индикатора состояния окружающей среды в процессе проведения экологического и ботанического мониторинга.
5
2. Введение обратной связи в биотехническую систему управления и регулирования процессом выращивания лиственных растений, учитывающей их функциональное состояние, предполагает повышение эффективности и экономии ресурсов
выращивания растений за счет оптимизации условий окружающей среды.
Положения, выносимые на защиту:
 Использование в качестве критерия оценки функционального состояния растений отраженного светового потока на длине волны 850 нм от листьев растений;
 Экспериментальные зависимости изменения отраженного лазерного потока
от листьев растений при уменьшении их полива, недостатке освещенности и при внесении комплексных удобрений;
 Биотехническая система управления и регулирования процессом выращивания лиственных растений, учитывающая их функциональное состояние.
Апробация результатов. Основные результаты работы доложены и обсуждены
на студенческих научно-технических конференциях «НЕДЕЛЯ НАУКИ  2013»,
«НЕДЕЛЯ НАУКИ  2014» и 6-ой Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве, 2014».
Публикации. По теме магистерской диссертационной работы опубликована
одна печатная работа в журнале, рекомендованном ВАК, одна электронная и одна работа находится в печати.
Структура и объем работы. Магистерская диссертационная работа изложена
на 130 страницах машинописного текста, включая приложение, иллюстрируется 48
рисунками (в том числе 15 в приложении), 9 таблицами, состоит из введения, 4 глав,
заключения, списка использованных источников, включающего 23 наименования, 1
приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы
цель и задачи исследования, приведены основные научные положения, выносимые на
защиту, показаны научная новизна и практическая значимость исследований.
Отмечено, что исследования по оценке функционального состояния растений в
последние годы находят применение при экологическом и ботаническом
мониторинге, при оптимизации параметров среды, в которой выращиваются
растения, при селекционном отборе. При этом растение рассматривается как
индикатор параметров среды, изменение которых влияет как на его состояние, так и
на состояние всех биологических объектов.
В первой главе представлен обзор методов исследования функционального состояния растений, особенностью которых является возможность определения потребности растений во влаге, определенных питательных веществах, свете и тепле
непосредственно в момент исследования, и проведение корректирующих действий по
нормализации (в случае негативного результата) и улучшению или поддержанию
наилучшего с точки зрения функциональности состояния, так как растение очень
остро и быстро реагирует на малейшие изменения факторов окружающей среды, на
недостаток того или иного агента. На основании проведенного обзора выбран
6
фотометрический метод, предполагающий бесконтактный способ получения
диагностической информации, а в качестве критерия оценки функционального
состояния предложено использовать отраженный световой поток от листьев растений.
Лист высшего растения представляет собой сложную оптическую систему, обладающую способностью эффективно и, по-видимому, оптимально использовать
солнечную энергию, поэтому изменение отраженного потока может быть достаточно
эффективно использовано в диагностических целях. Величина отраженного светового потока зависит от возраста растения, количества питательных веществ, температуры окружающей среды, количества воды, освещенности растения. Однако существует определённая граница действия всех перечисленных факторов, при которой их
дальнейшее увеличение не приводит к улучшению его функционального состояния.
В противоположном случае, когда величина действующих факторов близка к нижней
границе, растения также далеки от своего нормального функционального состояния.
В видимом диапазоне длин волн определяющее влияние на спектральный ход
отражения и пропускания излучений оказывают хлорофилл и каротины. В районе
красной границы видимого диапазона спектра поглощение хлорофиллом и каротином
с ростом длины волны резко падает, и в ближнем ИК-диапазоне спектра на длинах
волн 750-1200 нм отражательная способность зеленых листьев достигает максимума,
составляет порядка 80 % и определяется преимущественно тканью листа. В соответствии с этим для проведения функциональной диагностики была выбрана длина волны падающего светового потока порядка 850 нм.
В магистерской диссертации разработана структурная схема устройства для
измерения отраженной мощности излучения от листьев растений (рисунок 1). В качестве источника оптического излучения
используется светодиод 1, генерирующий световой поток, длина волны которого равна выбранной ранее. В качестве
генератора используется управляющий
микроконтроллер 6, который имеет выход с широтно-импульсной модуляцией. Сигнал, выработанный генератором,
поступает на усилитель 9, где сигнал
усиливается, и попадает на преобразователь напряжения в ток 8.
Рисунок  1 устройства для измерения отраженной мощности излучения
от листьев растений
Излучение со светодиода падает
на лист растения, отражается и улавливается приёмником оптического излучения, которым является фотодиод 2. Генерируемый фотодиодом фототок попадает на преобразователь тока в напряжение 3, где сигнал преобразуется в напряжение и усиливается до достижения наилучшего отношения сигнал/шум. Так как информативная часть
7
сигнала находится в пределах 1,5 кГц, то неинформативная часть сигнала отфильтровывается фильтром нижних частот 4. После чего сигнал попадает на аналоговый вход
АЦП 5, где происходит преобразование аналогового напряжения в эквивалентный
цифровой код. Затем сигнал попадает в микроконтроллер 6, где происходит дальнейшая обработка данных, результат которой выводится на устройство индикации 7.
Управляется разрабатываемое устройство с помощью клавиш 10.
На основе структурной схемы была разработана электрическая принципиальная
схема, представленная на рисунке 2, произведен выбор и расчет её элементов, составлена номинальная расчетная статическая характеристика разрабатываемого устройства, был проведен анализ точности и надежности.
Результатом проведенного исследования стало создание биотехнической системы (БТС) управления и регулирования функциональным состоянием растения на
основании измерения отраженного светового потока от листьев растений (рисунок 2).
Так как на растения влияют различные факторы окружающей среды, такие как влажность, освещенность, тепло и подкормка растения, то в созданной системе предусмотрены система полива (СП), система контроля освещенности (СО), система контроля температуры (СТ), система внесения удобрений (СВУ). Работа всех перечисленных систем основана на функционировании нескольких датчиков, собирающих
информацию о параметрах среды, в которой произрастает растение, и передаче этой
информации через блоки сопряжения (БС) с блоком управления факторами воздействия (БУФВ). Датчик влажности (ДВ) определяет влагообеспеченность почвы, датчик освещенности (ДО) определяет световой поток, падающий на растение, датчик
температуры (ДТ) определяет температуру окружающего воздуха. Стоит отметить,
что для каждого из указанного параметров существуют традиционные и рекомендуемые нормы, которые могут быть заложены в микропроцессорный блок БТС, и на основании которых будут осуществляться воздействия на растение. Именно такой подход реализуется во всех существующих на сегодняшний день системах, в частности в
тепличных хозяйствах. Но для реальной оптимизации факторов, действующих на
растения, необходимо знать, прежде всего, как чувствует себя растение в этих изменяющихся условиях.
Традиционно человек наблюдает за растениями, но из-за малейшего изменения
в условиях произрастания растения начинают угасать, причем зачастую визуально
рассмотреть малейшие изменения физиологического состояния растения не представляется возможным, поэтому в состав БТС был введен контур измерения отраженного светового потока, изменения которого позволяют оценить функциональное
состояние растения и приспособленность его к изменяющимся факторам окружающей среды. Вследствие этого управление и регулирование системами воздействия на
растения в БТС проводятся по результатам не только измерения параметров окружающей среды, но и самого растения, что делает процесс управления более гибким и
нацеленным на создание более комфортных условий для жизни растений.
8
Биотехническая система контроля за функциональным состоянием растений
(БО), представленная на рисунке 2, предусматривает следующую реализацию. Основным элементом биотехнической системы является блок управления факторами воздействия (БУФВ), который как
управляет системами полива, освещения, внесения удобрений, отопления,
вентиляции, так и является звеном, принимающим информацию через интерфейс согласования (ИС) о состоянии
растения, получаемую по каналу измерения интенсивности отраженного светового потока.
Рисунок 2  Биотехническая система управления и регулирования
функциональным состоянием растения
на основании измерения отраженного
светового потока от листьев растений
Процесс измерения предполагает направление на лист растения светового потока длиной волны 850 нм, для этого используется светодиод (СД), работающий в
импульсном режиме. Частота генерации генератора импульсов (ГИ) задается микропроцессором (МП), который управляет работой светодиода. Свет отражается от биологического объекта и поступает на фотодиод (ФД), фототок которого преобразуется
в напряжение в преобразователе ток-напряжение (ПТН), далее сигнал поступает на
ФНЧ и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В микропроцессоре проводится
сравнение полученного значения с результатами предшествующих измерений. При
этом снижение отражательной способности оценивается как угнетение, а увеличение
отраженного светового потока характеризует положительную динамику функционального состояния растения. Результат сравнения передается в блок БУФВ и выводится на дисплей (Д), где исследователь (И) анализирует данные и оценивает физиологическое состояние исследуемого растения. Через пульт управления (ПУ) исследователь может менять режимы работы БУФВ, проводя ручное управление, в отличие
от автоматического, реализуемого самой биотехнической системой.
Введение в систему регулирования условиями произрастания различных лиственных растений канала измерения отраженного светового потока позволит проводить эффективное управление ростом, развитием, плодоношением растений на основании более объективной информации об их функциональном состоянии и осуществлять стимуляцию и нормализацию физиологического состояния растений. Это связано с тем, что неотъемлемым свойством любой живой системы является ее способность реагировать на изменения в среде полезными для себя действиями. Таким образом, введение функциональной диагностики объектов растительного происхождения,
как и в свое время функциональной диагностики человека, позволяет получить до-
9
полнительную прижизненную информацию о состоянии биологического объекта, недоступную для получения другими способами, и использовать ее для формирования
процессов управления системами влияющих факторов, исходя из особенностей состояния контролируемого растения или группы растений.
Во второй главе представлены результаты экспериментального исследования,
которые были посвящены изучению зависимости отраженной мощности лазерного
излучения от поверхности листьев растений при изменении различных факторов
внешней среды. Общеизвестным является то, что наиболее ощутимое влияние на растения оказывают вода и свет, т.е. в процессе экспериментального исследования
необходимо варьировать интенсивностью полива растений и освещенностью помещения, в котором они находятся. Кроме этого функциональное состояние растений,
как и любого живого организма, сильно зависит от поступающих из внешней среды
питательных элементов, поэтому в качестве воздействующего фактора была принята
подкормка растений удобрением. Экспериментальное исследование с каждым растением продолжалось 19 дней и состояло из трех этапов. Исследование влияния полива
проводились в течение пяти дней, до начала измерения растение было в комфортных
для него условиях, а в дальнейшем полив прекращался, и на протяжении пяти дней
регистрировалась мощность отраженного от листьев лазерного излучения. После этого полив возобновлялся, и растение отдыхало два дня, восстанавливаясь после первого этапа эксперимента. Стоит подчеркнуть, что в течение этих пяти дней освещение растения, старались поддерживать таким образом, чтобы не допускать излишнего
затемнения, так как второй этап исследования предполагал смену воздействующего
фактора. Растение после отдыха и нормализации состояния помещалось на пять дней
в темное помещение, в котором даже во время эксперимента не включалось освещение. При этом полив осуществлялся ежедневно в объеме, соответствующем рекомендациям для данного вида растений. Затем растение помещалось на два дня в условия
естественного освещения и отдыхало перед третьим этапом исследования. На заключительном этапе в почву растений вносилось комплексное удобрение, и в течение последующих пяти дней регистрировалась реакция растения на внесенное удобрение.
В качестве объектов исследования использовались домашние цветы и растения,
произрастающие в естественных условиях, пример описания которых представлен в
таблице 1.
Таблица 1  Пример описания растения, участвовавшего в эксперименте
№
1
Название
Пальма зубчатая
Описание листьев
Внешний вид
Цвет листьев светло зеленый;
Текстура листа гладкая;
Плотность листа  средняя.
Пример экспериментальной зависимости отраженной мощности лазерного излучения от поверхности листьев растения представлен на рисунке 3 а и б, где сплошной линией показана зависимость, полученная в утреннее время, а штриховой ‒ в вечернее.
10
а)
б)
Рисунок 3 ‒ Изменение отраженной мощности излучения от листьев Диффенбахии а) и Пальмы б) во время экспериментального исследования
Анализ полученных экспериментальных зависимостей, как приведенных в качестве примера, так и зафиксированных у всех остальных лиственных растений,
участвовавших в эксперименте, показал, что наблюдается одинаковая динамика процессов изменения отражательной способности листьев в течение всего времени эксперимента. Отсутствие полива неизменно приводило к уменьшению отраженной
мощности, причем отсутствие воды в течение пяти дней для большинства растений
не является критическим, поэтому изменения в целом носили небольшие значения
порядка 5 мВт. Реакция на отсутствие освещения носила аналогичный характер, причем здесь также можно выделить растения более или менее приспособленные к недостатку света. На последней стадии эксперимента были внесены комплексные удобрения.
Таким образом, в процессе эксперимента было смоделировано воздействие на
лиственные растения трех факторов (недостаток воды, недостаток света, внесение
питательных веществ). Растения, реагируя на оказываемое воздействие, демонстрировали ответную реакцию, заключающуюся в уменьшении или увеличении отраженной мощности падающего на листья растений излучения. Изменение функционального состояния растений независимо от причин, способствующих этому, неизменно
приводит к изменению процессов, протекающих внутри листьев, и состояния их поверхности, что в совокупности и меняет оптические характеристики листьев. Обобщенные результаты эксперимента сведены в таблицу 2.
Таблица 2 ‒ Изменение отраженной мощности излучения, зафиксированное в
процессе эксперимента
Воздействующий фактор
Изменение
отраженной
Недостаток влаги
4,0±1,0
Недостаток освещения
6,7±1,0
Внесение удобрений
7,8±1,0
11
мощности излучения, мВт
Несмотря на отсутствие визуальных признаков, которые способен зафиксировать глаз человека, использование в качестве критерия оценки отраженной мощности
падающего на листья излучения позволило зарегистрировать изменение функционального состояния растений. Связано это с тем, что оптические свойства листьев
значимо изменяются под действием различных факторов окружающей среды, а эти
изменения носят закономерный характер, что подтверждает возможность использования в качестве критерия оценки функционального состояния отраженной мощности
излучения. Стоит отметить, что чувствительность метода измерения отраженной
мощности существенно превышает чувствительность человеческого глаза, используемого для наблюдений за состоянием растений.
В третьей главе было разработано техническое обслуживание устройства для
обеспечения безопасной работы, также было разработан технологический процесс
сборки корпуса устройства, составлена технологическая схема сборки, сформулировано содержание технологических и контрольных операций.
В четвертой главе проводится оценка соответствия разработанной методики
поверки устройства для измерения функционального состояния растений требованиям п.4.2.4 «Управление записями» и процедуры поверки требованиям п.7.6 «Управление оборудованием для мониторинга измерений» ГОСТ IS0 9001-2011 «Системы
менеджмента качества. Требования».
В пятой главе приводятся методические указание к лабораторной работе
«Биотехническая система контроля отраженного излучения при низкоинтенсивной
лазерной терапии», переработанные применительно к растительным организмам.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1 В качестве критерия для оценки функционального состояния растений выбран отраженный световой поток от их листьев на длине волны 850 нм.
2 Получены экспериментальные зависимости, показывающие изменение отраженного светового потока от листьев растений при изменении интенсивности полива и освещенности растений, а так же при внесении комплексных удобрений,
подтверждающие обоснованность использования отраженного светового потока в
качестве оценки функционального состояния растений.
3 На основании полученных экспериментальных данных разработана структура устройства для измерения функционального состояния растений.
4 На основании разработанного устройства синтезирована биотехническая система управления и регулирования функциональным состоянием растения на основании измерения отраженного светового потока от листьев растений, позволяющая
12
осуществлять регулирование параметрами окружающей растение среды с учетом
его функционального состояния.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ
1 Бондарева, Л.А., Уткина, В.В. Оценка функционального состояния растений
/ Л.А. Бондарева, В.В. Уткина.  Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии.  №2 (304).  2014.  С. 144-151. (Личное участие 50 %)
2 Уткина, В.В. Биотехническая система управления и регулирования функциональным состоянием растения на основании измерения отраженного светового потока от листьев // Материалы 6-ой международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образований и производстве» (г. Орел,
22
мая
2014
г).
–
Режим
доступа:
http://youconf.ru/itnop2014/materials/manager/view/206.
3 Уткина В.В. Оценка функционального состояния растений / В.В. Уткина //
Материалы международного конкурса научных работ студентов SmartIT. – 2014. (в
печати)