Светодиодный светильник для выращивания растений своими руками | Создание лучшего солнца

Необходимые инструменты и машины

Лента, теплопроводящая

Приложения и онлайн-сервисы

IDE Arduino

Об этом проекте

Вас разочаровывают цены на высококачественные системы освещения для выращивания растений?

Честно говоря, большинство коммерческих светодиодных фонарей на Ebay и Amazon - это дерьмо, которое работает как рождественские огни, а не как высококачественные системы доставки фотонов с хорошим спектром.

В этом уроке я пытаюсь показать шаги по созданию собственного светодиодного светильника для выращивания растений и вкратце продемонстрирую результаты моей внутренней гидропонной установки, полностью освещенной самодельными светильниками.

Преимущества:

• Открытый исходный код
• Легко копировать
• Доступные основные компоненты
• Легко адаптируется к различным растениям и окружающей среде.
• ДЕШЕВО (~ 40 $)
• ЭТО РАБОТАЕТ!

Инструменты и материалы

Светодиодные чипы Cree

• Королевский синий 3 Вт (450 нм)
• Темно-красный 3 Вт (660 нм)
• 3 Вт Far Red (720 нм)
• 3 Вт УФ (365 нм)
• 3 Вт, зеленый (520 нм)
• Алюминиевый радиатор
• МОП-транзистор (IRL2203N)
• Регулируемый регулятор напряжения постоянного и постоянного тока.
• Модуль RTC (DS3231)
• Arduino (любая версия)
• Вентилятор (необязательно)
• Источник питания 12 В постоянного тока (мин. 5 А)
• Термоклей

МОТИВАЦИЯ и хорошее настроение :)

Введение

После моего первого урока о Grow It Yourself (GIY), в котором я делюсь своим опытом в создании интегрированной интеллектуальной системы выращивания, я решил глубже погрузиться в науку о растениях и попытаться использовать свои технические навыки, чтобы придумать решение на более высоком уровне. фундаментальный уровень

Система GIY, сколь бы красивой она ни казалась, имела несколько недостатков, которые ограничивали ее применимость на реальном рынке. Одним из важных вопросов был свет

Свет - один из наиболее важных факторов роста и развития растений, регулирующий фотосинтез, метаболизм, морфогенез, экспрессию генов и другие физиологические реакции растений. Изменение длины волны света, потока фотонов (количества света) и фотопериода позволяет регулировать накопление биомассы, время цветения, удлинение стебля и качество питания

Свет - это главный фактор, от которого зависит урожай . иначе его ценность! Есть много организаций, которые специализируются на освещении для садоводства, лидеры на рынке светильников для выращивания растений, такие как Philips, Illumitex, Valoya, SananBio, Osram, Samsugn и т. Д., Но главной проблемой остается высокая цена!

Итак, именно этим мы и пытаемся здесь заняться))

Домашнее сельское хозяйство, городское сельское хозяйство, вертикальные фермы - все еще новые и развивающиеся тенденции с огромным потенциалом, которые могут стать одним из многих решений для решения проблемы нехватки продовольствия и прокормления будущего населения. Однако следующая аграрная революция должна быть основана на совместных усилиях, и я твердо верю, что сообщество разработчиков и разработчиков ПО с открытым исходным кодом - правильное место для начала !!!

Фон

* Это будет длинная, но информативная глава с описанием ПОЧЕМУ за этим руководством. Я объясню соответствующие термины и концепции, необходимые для более широкого понимания, а также раскрою распространенные мифы и заблуждения о светодиодном освещении Grow

Переходите непосредственно к инструкциям для самостоятельного изготовления, если они вам не нужны

Так что, честно говоря, это довольно обширная и сложная тема, для понимания которой требуются тысячи страниц. Однако я постараюсь быть кратким и поделиться некоторыми основами этого загадочного мира))

Характеристики света, которые влияют на рост и развитие брюк, обычно связаны с интенсивностью, качеством однородность, направление, поляризация, когерентность и образец освещения . Свет служит источником энергии для роста и развития растений посредством фотосинтеза . , но через фоторецепторы , свет регулирует некоторые морфогенетические процессы, такие как цветение, открытие устьиц, расширение листьев, удлинение растений и циркадные часы.

Хлорофиллы вместе с каротиноидами , являются наиболее распространенными фотосинтетическими пигментами, которые стимулируют фотосинтез у высших растений. Хлорофилл существует в двух формах: хлорофилл а . и хлорофилл b . Хлорофиллы поглощают свет от λ400 до 700 нм . , известное как фотосинтетически активное излучение (ФАР) или плотность потока фотосинтетических фотонов (PPFD) , с основными пиками поглощения в красном (λ600–700 нм) и синий (λ400–500 нм) области спектра. Тем не менее, растения могут использовать большую часть света в области PAR для фотосинтеза за счет других пигментов (например, каротиноидов ), которые могут эффективно улавливать свет, плохо поглощаемый хлорофиллом.

МИФ №1 - из приведенной выше информации мы можем определить источник распространенного заблуждения, что только КРАСНЫЙ И СИНИЙ свет необходим для фотосинтеза из-за хлорофиллов a и b. Однако, как упоминалось выше, хлорофилл - не единственный пигмент, считывающий информацию с источника света!

Вывод:если вы используете красные / синие светодиоды для освещения теплицы, которая в основном облучается солнцем, вы улучшите общую производительность за счет пиковых длин волн красного (λ600–700 нм) и синего (λ400–500 нм). Если вы используете красный / синий светодиоды в качестве основного и единственного источника освещения для вашей внутренней фермы (без доступа к другим источникам освещения), вы сильно ограничиваете общую производительность растений

Индекс цветопередачи (CRI) - это количественная мера способности источника света отображать цвета объектов по сравнению с естественным светом. Используя CRI, вы можете оценить, насколько комфортен свет для человеческого глаза.

Цветовая температура (CCT) value используется для описания цвета спектра. Обычно это значение используется только для описания различных цветовых схем белого света.

• CCT> 5000 К называются холодными цветами («голубовато-белыми»).
• Цвета CCT <3000 K называются теплыми цветами («желтовато-белый через красновато-белый»).

МИФ № 2 - CCT и CRI введены в светотехнике для описания источников света на основе человеческого зрения (пик на 555 нм). Следовательно, CRI и CCT бесполезны для источников света, используемых в сочетании с растениями. Невозможно определить показатели роста, фенотип или морфологические изменения.

интенсивность света в сельском хозяйстве - это показатель PPFD и определяется как мкмоль фотонов м-2 с-1 , который также упрощается до мкмоль м-2 с-1 в диапазоне PAR, который обозначает спектр излучения от 400 до 700 нм, который высшие растения могут использовать в процессе фотосинтеза. Суточный световой интеграл (DLI) , продукт PPFD и фотопериод , представляет собой общий поток фотосинтетических фотонов (PPF), излучаемый источником света за 24 часа, и обычно имеет линейную зависимость от биомассы растений и накопления питательных веществ

DLI =PPFD × фотопериод

Качество света относится к составу светового спектра, который вызывает различные реакции и играет решающую роль в росте и развитии растений. Кроме того, качество света влияет на первичный и вторичный метаболизм, влияя на метаболизм углеводов и азота, выработку цвета, вкуса, летучих и ароматических соединений, качество питания, а также механизмы защиты растений

УФ (200–400 нм) - ЗАЩИТНЫЕ МЕРЫ от условий высокой освещенности и стимуляции химическими средствами, отпугивающими насекомых . Увеличивает накопление пигментов в листьях, влияет на морфологию листьев и растений.

Синий (400–500 нм) - Сигнал из-за отсутствия соседей, не нужно бороться за свет. Стимулирует открытие устьиц, замедление удлинения стебля, утолщение листьев, ориентацию на свет и фотопериодическое цветение.

Зеленый (500–600 нм) - Сигнал соседей, конкуренция за свет. Реакции противоположные синему свету; закрытие устьиц, некоторые симптомы избегания тени, усиленный фотосинтез в более глубоких слоях клеток

Красный (600–700 нм) - Отсутствие сигнала соседей . Основной компонент, необходимый для фотосинтеза, подавление удлинения стебля, сигнальная лампа

Дальний красный (700–800 нм) - Сигнальная лампа; Сигнал соседей, конкуренция за свет. удлинение, цветение

* Изменяя R:FR и B:G соотношения в спектре, которые мы можем управлять ростом растений

МИФ №3 - Не забывайте о Зеленом свете! Несмотря на то, что зеленый свет редко рассматривался в качестве диапазона волн, стимулирующего биомассу, и часто игнорировался как полезный для фотосинтеза из-за минимального поглощения пигментами хлорофилла, недавние отчеты показывают, что он может иметь прямое и косвенное положительное влияние на развитие растений и фотосинтез.

Соответственно, было обнаружено, что красный и синий свет вызывают фиксацию CO2 в основном в верхнем палисадном мезофилле хлоропласта, тогда как зеленый свет вызывает фиксацию CO2 в нижнем палисаде. Точно так же было доказано, что при увеличении PPF зеленый свет может улучшить фотосинтез, проникая глубже в лист и стимулируя фиксацию CO2 внутренними хлоропластами, когда верхние хлоропласты отдельных листьев насыщаются белым светом. Зеленый свет в значительной степени способствует фотосинтетической ассимиляции углерода и важен для стимулирования накопления биомассы в более глубоких частях листа и нижней части полога, где красный и синий свет почти истощены.

Зеленый свет также посылает сильный сигнал листу, позволяя более точно контролировать адаптацию к затененной или изменяющейся световой среде и потенциально повышая эффективность водопользования в кронах деревьев

При разработке светодиодных систем освещения для космических миссий ученые НАСА обнаружили, что комбинация красных и синих длин волн дает резкий пурпурный свет, из-за которого растения выглядят серо-черными, что затрудняет оценку состояния здоровья растений рабочими. Однако, по словам автора, растения казались зелеными, и визуализация любых вредителей, болезней или дефицита питательных веществ была намного проще после добавления некоторых зеленых пропорций в рецепт света. Также было обнаружено, что добавление зеленого света положительно влияет на урожайность растений

Думаю, мы можем остановиться на этом, прежде чем это станет еще более запутанным:D А теперь давайте поговорим о вещах, которые нам нужно знать, прежде чем строить настоящую светодиодную систему!)

Светодиодные индикаторы

Поскольку светодиоды представляют собой низковольтные источники постоянного тока, им требуется специальный набор электроники для преобразования переменного тока, протекающего по линиям электропередач, в пригодную для использования и регулируемую форму постоянного тока

Переключение регуляторов , также известные как «DC-DC», «понижающие» или «повышающие» преобразователи, являются хорошим способом управления светодиодами. Импульсные регуляторы могут повышать (повышать) или понижать (понижать) входное напряжение источника питания в соответствии с напряжением, необходимым для питания светодиода. Он постоянно контролирует ток и адаптируется, чтобы поддерживать его постоянным с 80-95% энергоэффективностью .

Многие драйверы AC-DC были выпущены на рынок, чтобы упростить процесс питания светодиодов. Существует два основных типа драйверов светодиодов, использующие высоковольтный переменный ток . входная мощность (обычно 90–277 В), также называемая автономными драйверами или драйверами светодиодов переменного тока , и те, которые используют низкое напряжение постоянного тока входная мощность (обычно 5–36 В). В большинстве случаев рекомендуется использовать низковольтные драйверы постоянного тока из-за высокой эффективности и надежности

Управление температурным режимом

Несмотря на то, что светодиоды холодные при прикосновении, они выделяют много тепла из-за неэффективности полупроводников, излучающих свет. Общая эффективность излучения (выходная оптическая мощность в виде света, деленная на общую входную электрическую мощность) обычно составляет от 5% до 40% , что означает, что 60–95% потребляемой мощности теряется в виде тепла . По мере увеличения внутренней температуры светодиода прямое напряжение и светоотдача уменьшаются, в результате чего светодиод потребляет больше тока. Это влияет не только на яркость и эффективность светодиода, но и на общий срок службы. В конце концов, светодиод будет продолжать потреблять больше тока и становиться все горячее, пока не перегорит сам себя. Это явление известно как тепловой побег .

Чтобы поддерживать низкую температуру светодиода, доступны два решения по управлению температурой: пассивные и активные методы охлаждения .

Пассивное охлаждение , обычно используемый в светодиодных светильниках, обеспечивает высокую степень естественной конвекции и рассеивания тепла с помощью радиатора. Радиаторы играют важную роль в светодиодном освещении, поскольку обеспечивают путь для тепла, которое легче рассеивается от источника светодиодов в окружающую среду. На эффективность отвода тепла напрямую влияет теплопроводность материала радиатора, лучшим из которых является медь, но из-за ее цены алюминий широко используется для большинства радиаторов

С другой стороны, активное охлаждение полагается на внешнее устройство для увеличения теплопередачи за счет более высокой скорости потока жидкости, что резко увеличивает скорость рассеивания тепла. Решения для активного охлаждения включают принудительное воздушное охлаждение с использованием вентилятора или воздуходувка, принудительная подача жидкости , а также термоэлектрические охладители, которые используются, когда естественной конвекции недостаточно для поддержания низкой температуры. Большим недостатком активного охлаждения является потребность в электроэнергии, что приводит к более высоким затратам по сравнению с пассивным охлаждением

Методы затемнения

Общий световой поток светодиода определяется количеством тока, протекающего через него, и, управляя этим током, можно легко отрегулировать уровень яркости светодиода

Низковольтными драйверами постоянного тока можно управлять несколькими способами. Самым простым решением для уменьшения яркости светодиодов является использование потенциометра . , который по сути представляет собой резистор с вращающимся контактом, который образует регулируемый делитель напряжения, обеспечивающий полный диапазон регулирования от 0% до 100%

Еще одно оптимальное решение - широтно-импульсная модуляция (ШИМ) . , который включает и выключает ток, проходящий через светодиод, с высокой частотой (несколько тысяч раз в секунду), а усредненное по времени значение, когда светодиод включен и выключен, будет определять яркость светодиода. Яркость светодиодов также можно уменьшить с помощью уменьшения постоянного тока (CCR) . , также называемое аналоговым затемнением который является эффективным и простым методом регулировки яркости светодиодов

У методов затемнения с ШИМ и CCR есть свои преимущества . и недостатки . Обычно используемый метод ШИМ имеет широкий диапазон затемнения . и может контролировать светоотдачу с высокой точностью . С другой стороны, это r требует сложного и дорогого электронного оборудования для выработки тока с достаточно высокой частотой, чтобы предотвратить мерцание. Регулировка яркости CRR - очень эффективная метод, не требующий дорогостоящей электроники и позволяющий размещать драйверы удаленно от светодиодной лампы. Однако CRR не подходит для высокоточного затемнения . где требуется уровень освещенности ниже 10%

Сборка светодиодной панели

Для начала я подготовил все необходимые светодиодные чипы, которые были заказаны заранее, это Royal Blue . (FV:3,2 - 3,6 В; FC:350 - 1000 мА), Deep Red (FV:2,2 - 2,4 В; FC:350 - 1000 мА), зеленый (FV:3,2 - 3,4 В; FC:350 - 700 мА) и Дальний красный (FV:1,8 - 2,2 В; FC:350 - 700 мА)

Самое прекрасное в этом - простота настройки. Я решил не использовать ультрафиолетовый свет в своей сборке, но добавить любой другой спектр к светодиодной панели довольно просто, нужно добавить новый набор светодиодов, таких как УФ, теплый / холодный белый или любой другой цвет. Надеюсь, вы уловили логику))

Каждый светодиод был подключен последовательно . с MOSFET (IRL2203N, TO-220) и управляется широтно-импульсной модуляцией (PWM) сигнал поступает от Arduino MKR1000, что привело к полному контролю над каждой отдельной светодиодной матрицей на светодиодной панели

Все светодиоды были прикреплены к алюминиевому радиатору 15x15 см . использование термоленты для равномерного распределения тепла и предотвращения перегрева, питание от источника питания постоянного тока 12 В, 20 А , подключенный к регулируемому регулятору напряжения (понижающий DC-DC, LM2596) прикреплен к каждому светодиоду, чтобы обеспечить правильное напряжение питания. Светодиоды были равномерно распределены по поверхности радиатора, чтобы обеспечить надлежащее качество освещения над навесом

Основная методика подключения остается неизменной независимо от количества светодиодов. Если вы решите добавить больше светодиодов для увеличения выходной мощности (общий PPFD) или добавить еще один массив светодиодов (новый спектр / цвет), используйте аналогичную технику подключения - просто настройте регулятор постоянного тока на правильное напряжение

* Если вы подключили светодиоды последовательно, сложите сумму напряжений и установите ее на регулятор постоянного тока соответственно (макс. 12 В для этого конкретного преобразователя постоянного тока в постоянный)

Световой контроллер | Код Arduino

Если целью вашей настройки является включение / выключение светодиодов, тогда вам на самом деле не нужны Arduino и MOSFET. Подключив блок питания к стене, вы управляете всей светодиодной панелью

Если вы хотите иметь полный контроль над каждой светодиодной матрицей, точно затемнять отдельные каналы, включать / выключать их удаленно или в соответствии с заданным таймером, имитировать восход / закат и т. Д., Тогда следуйте следующим инструкциям!

В моей настройке светодиодные панели вместе с другими датчиками и исполнительными механизмами для всей гидропонной системы управлялись с помощью Arduino MKR1000 . . Программное обеспечение было основано на открытом исходном коде «LightController» . библиотека, которая представляет собой 24-часовой планировщик освещения, разработанный для обеспечения простой поддержки лунного света, восхода / заката, сиесты и т. д., и модифицированный для соответствия целям моих экспериментов.

Программное обеспечение позволяет определить количество каналов, связанных с количеством светодиодов (один канал на светодиод или массив светодиодов), запланировать время, выбрать режим затухания и установить аналоговое значение (от 0 до 255) для линейного или экспоненциального увеличения или уменьшите яркость светодиода в течение определенного промежутка времени.

Программа постоянно проверяет фактическое время с помощью модуля часов реального времени . (RTC DS3231, AT24C32) подключен к Arduino, и если реальное время совпадает с запланированным временем, определенным в коде, он запускает вывод ШИМ и начинает увеличивать или уменьшать аналоговое значение, на которое светодиод реагирует изменением интенсивности.

Установка гидропоники | Запуск семян

Семена листового салата (Lactuca sativa L. ‘Pflück Lettuce’, DE) высевали в бумажные полотенца и поместили в лоток для проращивания (13 см x 18 см x 6 см). Поднос гидратировали водопроводной водой до насыщения. Проростки выращивали при температуре 23 ° C (± 0,7 ° C) и относительной влажности 90% (± 3%), измеряемой каждые 15 минут цифровым датчиком влажности и температуры (AM2301, датчик DHT21, Германия)

Через 10 дней , когда на листьях салата образовался небольшой первый настоящий лист, саженцы были пересажены в камеры для выращивания, созданные с помощью гидропоники методом глубокого потока (DFT) система культуры. Питательный раствор, состоящий из удобрения 5N – 3P – 8K . (IKEA VÄXER Fertilizer, DE) хранился в резервуаре на 10 л

Раствор постоянно аэрировали воздушным каменным шаром диаметром 5 см, присоединенным к воздушному насосу мощностью 240 л / ч. Растения помещали в отверстия диаметром 2,5 см, вырезанные в верхней части желобов DFT, следя за тем, чтобы дно питательной среды на 1,5–2 см было погружено в воду.

Через неделю салат был пересажен в более крупную систему с аналогичными параметрами

Здесь ничего нового, классическая гаражная гидропоника!))

Результаты

Awesomee aaa? четыре недели прогресса!

Когда вы потратили столько времени на выращивание собственного салата, он просто не сможет конкурировать с салатом из супермаркета. Съесть свежий лист салата на утренний бутерброд - чертовски вкусно!

Да, я знаю, что эта светодиодная панель выглядит по-французски! Но думайте об этом как о очень сыром функциональном прототипе

В целом, я остался очень доволен работой светодиодной панели. Однако в моей следующей сборке я бы добавил несколько белых светодиодов в качестве основного источника освещения и, дополнительно, остальные цвета, чтобы завершить спектр.

Некоторые дополнительные улучшения заключаются в том, чтобы припаять все прямо на печатной плате и, по сути, упаковать ее немного лучше, чтобы придать конечный вид продукта. Задача на будущее, в курсе;)

Идеальный «легкий рецепт» - по-прежнему сложная тема, но изучение, настройка и проба различных комбинаций в домашних условиях дает приятное ощущение того, что вы являетесь частью чего-то действительно большого!

Заключительное примечание

Откуда взялся ваш #food? Насколько это хорошо для вас?

Эти вопросы требуют так много информации, потому что мы разработали систему, возможно, не для достижения наилучшей цели: Больше дешевой еды , но не цель питания или бережное отношение к окружающей среде

Когда вы берете определенный набор генетики и помещаете его в определенный феномен или «климат», он что-то выражает. Это называется фенотипом. Мы хотим понять, при каких условиях эта генетика выражает вкус, питание, размер, цвет ... поэтому мы разрабатываем такие факторы окружающей среды, как CO2, температура, влажность, световой спектр, интенсивность света и минеральность воды, чтобы повысить урожайность и сократить время производства. и влияют на вкус, внешний вид и питательную ценность растений

Наша цель - создать базу знаний для #MachineLearning & #AI и создайте общий язык для "цифровых рецептов климата" для комнатного земледелия, которые можно использовать на всех континентах с помощью технологий с открытым исходным кодом. Я считаю, что следующая революция в сельском хозяйстве должна основываться на открытой науке

Что действительно круто, так это то, что мы изучаем генетические различия между человеком и человеком, и это дает нам много информации о том, что вам следует есть по сравнению с тем, что следует есть мне, или о том, что следует есть кому-то еще.

Представьте, что вы выращиваете что-то особенное ?!

ПОЗДРАВЛЯЕМ - ВЫ СДЕЛАНО

Если вы зашли так далеко, вы, должно быть, очень упрямый мой друг:D

Надеюсь, вам понравилось пройти это руководство, вы узнали что-то новое и получили удовольствие . читая это :)

Я призываю вас оспаривать и сомневаться во всем, что я здесь написал, придумывать новые инновационные способы решения той же проблемы и ПРИНИМАТЬ ДЕЙСТВИЯ !

Кто, если не мы?

С уважением,

Дмитрий АЛБОТ

LinkedIn

Instagram

Код

Github

Схема