CC BY
180
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 12/2017 ISSN 2410-700Х_
2011. - 272 с.
2. Грант С. Ингерсолл, Томас С. Мортон, Эндрю Л. Фэррис Обработка неструктурированных тестов. Поиск, организация и манипулирование. / Пер. с англ. Слинкин А.А. - М.: ДМК Пресс, 2015. - 414 с.: ил.
3. Ларман, Крэг Применение UML 2.0 и шаблонов проектирования. Практическое руководство. 3-е издание.: Пер. с англ. - М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2013. - 736 с.: ил.
4. Луис Педро Коэльо, Вилли Ричард Построение систем машинного обучения на языке Python. 2-е издание/ пер. с англ. Слинкин А.А. - М.: ДМК Пресс, 2016. - 302 с.: ил.
5. Морозов В.К. Моделирование информационных и динамических систем. - М.: Издательский центр «Академия», 2001. - 384 с.
6. Пиотровский Р.Г. и др. Математическая лингвистика. Учеб. Пособие для пед. ин-тов. М., «Высшая. школа», 1977. - 383 с. с ил.
© Климов Д.В., 2017
УДК 62-529
Сидоренков В.А.
Студент 2 курса магистратуры МГТУ им. Н.Э. Баумана,
г. Москва, РФ E-mail: sidorenkov.slava@gmail. com
Лосев О.Д.
Студент 2 курса магистратуры МГТУ им. Н.Э. Баумана,
г. Москва, РФ E-mail: [email protected] Анчутин В.А.
Студент 2 курса магистратуры МГТУ им. Н.Э. Баумана,
г. Москва, РФ E-mail: [email protected] Научный руководитель: Рубцов В.И., Доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, РФ E-mail: [email protected]
МЕХАТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ НА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ И СТАНЦИЯХ
Аннотация
В статье представлена разработка установки по выращиванию растений в заданных пользователем параметрах. Устройства подобного типа использовались при создании оранжерей для космических станций.
Мехатронное устройство «Фитотрон», представленное автором этой статьи, позволяет создать наиболее благоприятные условия для выращивания растений в искусственной среде. Интеллектуальная система гибкой настройки дает возможность обеспечить оптимальную температуру, влажность, уровень освещенности и воздухообмена. При необходимости, можно моделировать разные условия для проведения опытов.
Представлены характеристики разрабатываемого фитотрона, его структурная и функциональная схемы. Параметры системы, описание и принцип работы основных узлов.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 12/2017 ISSN 2410-700Х_
Ключевые слова
Космическая станция, выращивание растений в космосе, биотехнологии, фитотрон.
1. Введение в проблему
Идея выращивать растения в космосе принадлежит Константину Циолковскому. Задолго до начала пилотируемых полетов он заявил, что зеленая флора в будущем станет главным источником питания и поддержания состава атмосферы на космических кораблях. Сегодня экспериментами с растениями занимается Институт медико-биологических проблем и все экипажи Международной космической станции (МКС). Для космонавтов огородничество на орбите - еще и источник хорошего настроения.
Космическая индустрия очень молода. Покорение космоса началось лишь во второй половине 20 века, но развивалось семимильными шагами во время космической гонки. Сегодня к исследованиям космоса присоединился Китай, Япония и даже Франция. Такая компания стран, во главе с космическими державами Россией и США, продолжает исследование космоса. Многое изменилось со времени первого полета человека в космос, в т. ч. и питание космонавтов. Но одно осталось неизменным - пища для космонавтов как доставлялась с Земли, так и доставляется до сих пор.
На МКС постоянно проживают космонавты разных стран, и продукты питания для них всегда доставляют с Земли. Доставка 1 кг еды обходится примерно в 5-6 тысяч долларов США. Но это не главный аргумент в пользу выращивания еды в космосе. Главный аргумент - ограниченные возможности по объемам перевозки. И если сегодня есть возможность регулярно доставлять еду на МКС партиями, то в случае с долгими экспедициями, например, на Марс, важно решить, как космонавты могут снабжать себя продуктами питания самостоятельно. 1
На орбитальных станциях «Салют-7» и «МИР» для выращивания растений использовались установки типа «Оазис». Первые установки этого типа были открытыми, без стеклянных боксов. Как видно из рис. 1, они просто находились рядом с космонавтами. Но они работали и приносили результаты.
■
Позднее американскими учеными была создана специальная система выращивания растений,
1 Еда космонавтов. [электронный ресурс] URL: http://еда-космонавтов.рф/Ыog/post/kosmiceskoe-pitame-budusego-vyrasivanie-edy-v-kosmose
Рисунок 1 - Установка «Оазис-1М».
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 12/2017 ISSN 2410-700Х_
получившая название Veggie. На МКС агентство NASA провело два эксперимента по выращиванию растений. Оба раза выращивались листья салата, и оба раза эксперимент завершился успехом. Первый урожай был послан на Землю для детального исследования. Второй урожай, в августе 2015 года, был съеден космонавтами на МКС под объективами камер в прямом эфире. С этого времени в меню на МКС была официально включена свежая зелень (салат латук), выращенная в условиях микрогравитации на орбитальной плантации Veggie. Эксперименты показали, что салат, выращенный в космосе, по своим
питательным свойствам ничем не отличается от земного салата. Скорость его роста и прочие показатели -
2
также соответствуют земным показателям.
Первые шаги были сделаны, и были получены важные данные. Например, что для выращивания растений зеленого цвета необходимы специальные лампы. И хотя растения в искусственных условиях могут вырасти и без солнечного света, но для привычного цвета растений, необходимо добавлять специальное освещение. Поэтому установка Veggie оснащена плоской световой панелью, включающей красные, синие и зеленые светодиоды. Причем, красные и синие светодиоды излучают больше света, нежели зеленые. Именно поэтому растения в установке Veggie утопают в свете фиолетово-розоватого оттенка. Что видно на рис. 2.
Рисунок 2 - Система Veggie для выращивания растений в условиях микрогравитации.
А главное, был получен ответ на самый волнующий вопрос - в космосе действительно можно
3
выращивать пищу.
2. Актуальное состояние
Ученые со всего мира работают над тем, чтобы выращивать в космосе столько пищи, чтобы ее хватало для 100 % пропитания космонавтов. Через какое-то время планируются долгие экспедиции и колонизации планет. В 2030 году экспедицией NASA запланирован перелет на Марс, который займет от 150 до 300 дней. И в этом полете людям наверняка понадобится источник пищи, производимой на борту. Вместимость космического аппарата, и его способность перевезти груз ограничена. Семена или молодые растения занимают меньше места и обладают меньшим весом, чем готовые продукты питания.
Ученым предстоит найти оптимальное решение для обеспечения условий произрастания сельскохозяйственных культур в космосе. Вопрос не только в «почве», но и в поливе растений. Ученым
2 Geektimes. [электронный ресурс] URL: https://geektimes.ru/post/278092/
3 NASA. [электронный ресурс] URL: https://www.nasa.gov/feature/space-farming-yields-a-crop-of-benefits-for-earth
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 12/2017 ISSN 2410-700Х_
еще не удалось научиться заменять воду. Даже в эксперименте NASA, для проращивания салата в космосе, использовалось столько же воды, сколько и на Земле. А вода в космосе - это очень ценный ресурс. Конвертация воды в еду, в условиях ограниченного пространства, пока происходит по невыгодному курсу.
Из ближайших планов - вырастить на МКС не только салат, но и другие растения: зеленый перец, редис, лук, капуста и картошка. Именно эти овощи являются потенциальными кандидатами для космических «огородов» будущего. Для выращивания редиса и картошки, чьи плоды находятся под землей, разрабатывается специальный аппарат, отличающийся аппарата Veggie, созданного для выращивания салата.
Над выращиванием еды в космосе работают не только в России и США, но и в Китае. Китайское космическое агентство планирует создать лунную станцию к 2030 году. На ней отдельное место уделено выращиванию еды. На станции «Лунный дворец-1» (временное название) планируется выделить 58 кв. м для выращивания растений. Для космоса - это беспрецедентно большое помещение. Даже модуль для жизни космонавтов на будущей лунной станции имеет более скромные размеры. Китайские ученые провели испытания аналога лунной станции на Земле. После окончания испытаний в космический модуль для выращивания еды был внесен ряд изменений. Но в целом, эксперимент оказался удачным. Возможно, что в ближайшем будущем еда для космонавтов, хотя бы частично, но будет производиться в космосе.
Но пока, при нынешнем уровне технологий, выращивать еду в космосе дорого и нерационально. Ведь чтобы вырастить растения в космосе, требуется большое количество энергии и места. Требуются новые, более совершенные системы. Поэтому, сегодня проще и выгоднее доставлять еду с Земли
3. Решение поставленной проблемы
В качестве решения описанной выше проблемы (выращивание растений в космосе), автор предлагает разработать мехатронное устройство «Фитотрон».
3.1. Определение
Фитотрон (от греческого phyton - растение и греческого thronos - местопребывание, средоточие) -это камера (или комплекс камер) для выращивания растений в регулируемых искусственных условиях. Простейший фитотрон, как видно из рис. 3, представляет собой небольшую камеру (около 1 куб. м), в которой уход и наблюдения за растениями осуществляются через специальный люк в боковой стенке. Впервые фитотрон был создан в 1949 году в США (Калифорния) Ф.В. Вентом. В СССР первый фитотрон построен в институте физиологии растений им. К.А. Тимирязева АН СССР в Москве (1949-1957 годах).
Рисунок 3 - Типичный фитотрон (вегетационный шкаф)
В современных фитотронах обычно поддерживается определенная температура воздуха и почвы, относительная влажность воздуха и интенсивность радиации (освещения). В качестве источников излучения применяются мощные лампы накаливания, ксеноновые, ртутные и люминесцентные лампы. Регулирование сводится к поддержанию постоянного режима (температуры и влажности воздуха, облученности), либо различного в «дневные» и «ночные» часы.
3.2. Параметры, обеспечиваемые фитотроном:
• Регулировка температуры воздуха до 40 ± 1 С;
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 12/2017 ISSN 2410-700Х_
• Регулировка температуры почвы до 30 ± 1°C;
• Регулировка влажности до 80 ± 5 % RH;
• Регулировка освещенности от 0 до 10000 люкс;
• Регулировка спектра освещения от красного до фиолетового (длины волн: 0,8 мкм — 400 нм );
• Регулировка воздухообмена. 3.3. Функциональная схема
Функциональная схема управления фитотроном описывает общий принцип работы системы, основные входные параметры, возможные параметры для измерения, а также регулируемые параметры. Для описания схемы, представленной на рис. 4, используются следующие условные обозначения: G - входные параметры системы. X - параметры текущего состояния системы. £ - рассогласование параметров системы.
Регул/робка состояния системы Ш
Рисунок 4 - Функциональная схема
Входные параметры системы:
• Температура воздуха;
• Температура почвы;
• Влажность воздуха;
• Влажность почвы;
• Освещенность;
• Световой спектр;
• "Время дня".
Параметры текущего состояния системы (данные с блока датчиков):
• Температура воздуха;
• Температура почвы;
• Влажность воздуха;
• Влажность почвы.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 12/2017 ISSN 2410-700Х_
Исполнительные элементы системы:
• Нагревательный элемент;
• Светодиодная RGB лента;
• Погружной насос;
• Помпа;
• Вентилятор.
Функциональный принцип действия работы системы управления.
На вход микропроцессора системы от персонального компьютера (с использованием USB/UART преобразователя) поступают параметры, заданные пользователем (G). Параметры текущего состояния системы (X) система получает при опросе блока датчиков. Микропроцессор системы обрабатывает данные и, управляя исполнительными элементами, стремится свести рассогласование входных и текущих параметров системы к нулю (8^0).
3.4. Структурная схема управления:
Структурная схема системы управления фитотроном, как показано на рис. 5, включает в себя совокупность основных элементов и узлов системы, а так же взаимосвязи между ними. Данная схема призвана сформировать детальное представление о работе системы, а так же послужить началом для разработки управляющего алгоритма.
Рисунок 5 - Структурная схема
Основные узлы системы:
• Главный блок управления. Обеспечивает двунаправленную связь с пользователем, а так же связь с остальными блоками управления и контроля, исключая их коллизию;
• Блок управления исполнительными элементами. Управляет в заданном режиме исполнительными элементами системы, выполняя команды, полученные от основного блока управления;
• Блоки контроля состояния воздуха и почвы. При помощи датчиков анализируют текущее состояние воздуха и почвы в рабочей камере устройства и, по запросу блока управления, передают ему эти данные.
• Блок питания. Блок необходим для питания всей системы: исполнительных элементов, плат управления/ контроля, микросхем и т.д.
Описание работы системы.
Связь с пользователем. Пользователь, используя ПК и специальное программное обеспечение, вводит желаемые параметры состояния климата в рабочей камере устройства. Эти параметры, при помощи USB/UART моста, передаются в главный блок управления. В свою очередь, главный блок управления
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 12/2017 ISSN 2410-700Х
передает на ПК параметры о текущих параметрах состояния климата в рабочей камере устройства. Связь между ПК и главным блоком управления является двунаправленной.
Контроль текущего состояния климата. Блоки контроля состояния воздуха и почвы получают и накапливают данные с датчиков. При запросе от главного блока управления, блоки контроля отправляют ему данные о текущем состоянии климата системы.
Регулировка текущего состояния климата. После получения желаемых параметров состояния климата и текущих параметров, главный блок управления принимает решение о том, какие исполнительные элементы должны быть задействованы и в каком режиме. После этого главный блок управления отправляет соответствующие команды на блок управления исполнительными элементами. Блок управления исполнительными элементами, в свою очередь, включает в заданном режиме тот или иной исполнительный элемент.
Выводы
В работе был проведен анализ проблемы выращивания растений на космических аппаратах. Была выявлена необходимость и перспективность проведения разработок в данном направлении. Было предложено решение данной проблемы в виде разработки мехатронного устройства «Фитотрон». Были сформулированы основные параметры данного устройства, представлены структурная и функциональная схемы устройства. Описаны основные узлы устройства и принцип работы всей системы. Список использованной литературы
1. FindPatent.ru - патентный поиск, 2012-2016 [электронный ресурс]
Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/255/2557572.html (дата обращения 20.03.2017)
2. Fitotron. [электронный ресурс] Режим доступа: http://www.fitotron.co.uk/products/standard-growth-chambers/ (дата обращения 22.03.2017)
3. Искусственное освещение растений. [электронный ресурс]
Режим доступа: http://indasad.ru/osveshchenie/662-iskusstvennoe-osveshchenie-rastenij (дата обращения 21.04.2017)
4. Б. С. Мошков, Выращивание растений при искусственном освещении, Издательство: Колос, Год: 1966
5. Еда-космонавтов.рф [Электроный ресурс]
Режим доступа: http://еда-космонавтов.рф/blog/post/kosmiceskoe-pitanie-budusego-vyrasivanie-edy-v-kosmose (дата обращения 20.10.2017)
6. Сельское хозяйство в космосе. [электронный ресурс]
Режим доступа: https://geektimes.ru/post/278092/_(дата обращения 20.10.2017)
7. NASA. [электронный ресурс]
Режим доступа: https://www.nasa.gov/feature/space-farming-yields-a-crop-of-benefits-for-earth (дата обращения 20.10.2017)
© Сидоренков В.А., Лосев О.Д., Анчутин В.А., 2017
УДК 316.77
Суарес Д.А.,
Doctor of Science in Telecommunications Engineering.
E-mail: [email protected]
АНАЛИЗ И ОСОБЕННОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛЫ ОРГАНИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Аннотация
Одной из наиболее важных отличительных особенностей органических светодиодов является, более
