Создание прототипа адаптивной фитолампы на Arduino
Эта статья будет посвящена созданию прототипа светодиодной лампы для досветки растений. Конечно, это не просто лампа иначе зачем писать об этом на geektimes? Фитолампа управляется с помощью контроллера Arduino и имеет на борту датчик освещенности ( для адаптивной регулировки яркостью), LED драйвер для управления яркостью по средствам ШИМ, радиомодуль 433 Mhz и конечно bluetooth ( по тому что с ним все становится круче...) на самом деле для управления с телефона из разработанного приложения под Android. Также я немного затрону вопрос побора годных светодиодов, источников питания и как они себя показали на протяжении 6 месяцев эксплуатации. С момента зарождения идеи меня интересовал вопрос создания мелкосерийного производства, но об этом ниже.
Сейчас довольно часто в вечерних московских окнах можно увидеть фиолетовое сияние, что может означать 2 вещи, либо хозяин квартиры заядлый садовод-огородник либо драгдилер выращивающий коноплю. Подобное фиолетовое свечение обеспечивают специальные светодиоды используемые для досветки растений (когда естественного света не хватает).
Пришел, увидел, автоматизировал
Спектр поглощения света у высших растений находится в диапазоне от 350 до 900 нм. Процессе роста растениям нужен разный спектральный состав света, но существуют два наиболее используемых растением диапазона. 440 -470 нм свет воспринимаемый глазом как синий. Влияет на вегетативную систему отвечающую за рост зеленой массы, листьев и побегов. И 630 -670 нм красный свет, влияющий на генеративную систему растений. Цветение, созревание плодов и семян. На этом мы заканчиваем экскурс по биологии и переходим к самой интересной части.
Целью создания фитолампы является наиболее эффективное воздействие на растение светом в диапазонах 440 – 470 нм и 630 – 670 нм. Именно это сочетание синего и красного дают фиолетовый свет. Для этой цели были выбраны полноспектральные светодиоды мощностью 1W и 3W. спектральный состав которых представлен на рисунке ниже. (диаграмма с сайта производителя светодиодов).
Также для досветки могут быть использованы светодиоды 5050, 5630, 5730, но их световое КПД ниже за счет использования ограничивающего резистора в схеме. Также подобные линейки греются заметно больше. Лучше всего себя показали 1 W фитосветодиоды с Aliexpress ( по показателям нагрева и освещенности Lm ), хотя в прототипе используются 3W.
Итак что же может предложить садоводам человек с дипломом инженера и достаточным количеством свободного времени?
Внутри корпуса на вытравленной плате установлен контроллер Arduino nano.
Если кратко контроллер управляет яркостью светодиодов получая информацию об освещенности с фоторезистора установленного на корпусе лампы.
Тем самым достигается адаптивная яркость лампы. Демонстрация есть на видео.
/* Абзац технических тонкостей можно пропустить
Вся схема запитана от блока питания 24V. На стороне 220В установлен предохранитель на 1 А. Питание на светодиоды подается через драйвер LDD-700H с выходным током 700 mA и входом для диммирования, поддерживающим ШИМ. Мощность лампы 18 Вт, фитолампа обеспечивает освещенность 3000лк на расстоянии 20 см. Стоит отметить что питание на контроллер подается через стабилизатор напряжения L7809С, который понижает напряжение с 24V от блока питания до приемлемых 9V на вход Vin контроллера. В обвязке стабилизатора напряжения установлены 2 конденсатора номиналами 0.33 мкФ на входе и 0.1 мкФ на выходе, это сделано для фильтрации скачков напряжения и позволяет уменьшить нагрев стабилизатора. Резисторы R3 = 1кОМ, R4 = 2 кОм на входе Rx Bluetooth модуля предназначены для уменьшения напряжения до 3.3 вольт. Резистор R1 = 10 кОм вместе с фоторезистором представляют собой делитель напряжения и позволяют измерить изменение напряжения ( а вернее сопротивления) на фоторезисторе в зависимости от внешнего освещения. И наконец резистор R2 = 100 Ом на выходе 10 arduino, установлен для его защиты. Выход 10 управляет яркостью лампы, а также выключает ее при подаче нулевого потенциала. */
Для сборки прототипа была вытравлена плата.
В корпусе установлен приемник 433 Мгц для управления лампой с пульта ( если нет телефона под рукой) И конечно самое интересное, в лампе установлен модуль Bluetooth hc-05, что позволяет управлять ею с помощью телефона на Android с написанного приложения.
В данный момент можно выставить 3 режима работы лампы:
- Включение
- Выключение
- Адаптивная яркость по фоторезистору
Для проверки результатов досветки было проведено несколько экспериментов с рассадой.
В одном горшке рассада досвечивалась вечером в течении 3 часов.
Подводя промежуточный итог могу заметить что лучше всего себя показали 1W светодиоды ( нужный спектр свечения получается за счет использования люминофора нанесенного на линзу). От лампы мощностью 12W я получил освещенность 4000 Лк на расстоянии 15 см. Для светодиодов 5630 ( сборка на линейке красных и синих светодиодов) при мощности 16W удалось достичь только 2000 Лк на расстоянии 15 см, схожие характеристики показали и 3W фитосветодиоды. Конечно многое зависит от качества светодиодов.
В перспективе хотелось сделать изменение спектра света по заранее заданным программам для разных растений в разные периоды их жизни, также была идея добавить автополив.
Как я упомянул была идея создания мелкосерийного производства, с технической точки зрения были найдены поставщики светодиодов и корпусов ламп, но для сборки электроприборов ( в числу которых относятся лампы) нужен сертификат соответствия. А получение сертификата подразумевает наличие производства которое может проинспектировать гос служащий. Оказывается бюрократия сложнее чем схемотехника и программирование. По этим причинам я решил сделать идею общедоступной, хотя и не претендую на оригинальность.
И в конце обещанное видео демонстрации работы фитолампы. Код для контроллера приложения вы можете посмотреть на моём сайте, ссылка есть в профиле.
Добавлено 17.07.17
В комментариях заметил вопрос по поводу нагрева светодиодов и их охлаждения. Вопрос действительно интересный и заслуживает упоминания. Я использую пассивное охлаждение, светодиоды клеятся на металлический корпус лампы теплопроводящим клеем. Оказалось весьма сложно соблюсти баланс между мощностью лампы и её нагревом. Для светодиодов 5630, предельная температура нормальной работы 40 С. ( по заявлению производителей). Для мощных светодиодов это температура порядка 60 С. Для блоков питания не более 40 С. Линейки из светодиодов 5630 греются сильнее за счет потерь на резисторе ( один резистор на 3 светодиода). Эмпирическим методов я пришел к оптимальному сочетанию количества светодиодов, размера лампы ( рассеивающей поверхности) и метода размещения светодиодов в лампе. Температуру проверял пирометром.
Комментарии (64)
ABATAPA
16.07.2017 21:41по средствам ШИМ
Посредством (при помощи чего-либо, каким-нибудь способом). "По средствам" — это жить.ABATAPA
16.07.2017 21:46И туда же: "по тому что" > "потому что". "По тому" — это "по тому ковру". И не "побору" светодиодов, а "подбору".
И далее, и далее… Содержание интересное, но форма...
Ezhyg
16.07.2017 21:51по средствам ШИМ
Спект поглащения
эфективное воздейсвие
мощьностью
световое КПД
точки, запятые, пробелы… Инженер не смог в гуманитарную науку :P
evil_me
16.07.2017 22:12+1От вашего высмеивания никому лучше не станет.
Почему не написать это автору в личку?Ezhyg
17.07.2017 00:22Я писал, он проигнорировал, при чём написал я за несколько часов до предыдущего комментария про «по средствам»!
Подумал, что может здесь увидев, ему станет хотя бы стыдно.
PlayTime
16.07.2017 23:14+1Автор, очень бы хотелось что бы вы дали ссылки на светодиоды которые покупали так как на али их просто уйма.
В этом году тоже хочу собрать фитолампу на зиму.
SimpleAutomation
17.07.2017 11:42
NetBUG
18.07.2017 11:02А насколько вообще эффективно досвечивать светодиодами?
Насколько я знаю, на одну пальму в кадке можно светить либо парой-тройкой 36W люминесцентных ламп, либо металлогалогенной лампой на 70W и этой пальме не будет «слишком много»
10s
16.07.2017 23:57+1А как конкретно измерялась освещенность на расстоянии? Просто спектр поглощения фотоэлементов далеко не линеен, и по этому если мерить светодиоды разных цветов, то результаты будут отличаться
SimpleAutomation
17.07.2017 09:12Сначала я пробовал вычислять освещенность по формулам, а потом купил прибор.
gleb_kudr
17.07.2017 00:25Освещенность оценивается по белому свету с пиком в зеленой области. Цветные светодиоды всегда дают меньшую освещенность. В данном случае корректнее считать световой поток и/или пересчитывать освещенность с поправкой на цвет источника.
avost
17.07.2017 00:43+2Какой любопытный пример оверинженирига!
Не могу представить зачем фитолампе могло бы потребоваться диммирование, а что касается адаптивной яркости, вообще не представляю как и зачем такое могло прийти в голову. :)
Если подсветка вообще нужна, то лучший режим — 24 часа в сутки.
Лучшее управление — отсутствие управления (а не оба два пульта!). Поэтому — воткнул в розетку после появления всходов рассады и вынул вилку при высадке в грунт либо по окончании цикла.
Но если случилось, что подсветка мешает спать по ночам, то я бы приделал единственную Большую Красную Кнопку — выключить свет на следующие 8 часов. В крайнем случае — таймер, если захотелось странного, например не максимальную подсветку, а фиксированное число часов в день. Или стало лень нажимать Большую Красную Кнопку.Ezhyg
17.07.2017 01:46Если подсветка вообще нужна, то лучший режим — 24 часа в сутки.
Нет, не лучший! Растению тоже нужен «отдых», как любому живому организму. Круглосуточная подсветка не даст ему этого сделать.
В остальном же, склонен согласиться :).
Allineer
17.07.2017 18:31+1Зря заминусовали камрада. Освещение 24 часа в сутки, действительно, убьет любое растение.
avost
18.07.2017 02:57-1Вы тоже полагаете, что растению нужно "спать"? А для чего и что именно в растении "спит" — нервной системы то нет, а хлорофилу отдых как-то без надобности? В общем-то, неужели "камрады" не видели никогда промышленных теплиц? Если не экономят энергию, то светят круглосуточно.
Allineer
18.07.2017 10:51+1Я не просто полагаю, но и проводил эксперименты на растениях, выращиванием которых увлекаюсь — семейства миртовых, лавровых, ряд пряно-ароматических культур и д.р.
Экспериментировал и продолжаю экспериментировать с составом спектра, мощностью и продолжительностью.
Если говорить о продолжительности, то для своих растений опытным путем установил продолжительность не более 18 часов в сути в период активного роста.
Если светить больше — растения начинают отставать в развитии в сравнении с собратьями, которые имеют выраженную периодичность смены «дня» и «ночи», а некоторые растения и вовсе погибают.
Примеры: семейство лавровых (laurus nobilis, cinnamomum zeylanicum verum, cinnamomum camphora) полностью останавливается в росте при досветке более 20 часов в сутки на любом этапе роста.
Всходы в фазе двух-трех листьев через двое суток гибнут.SimpleAutomation
18.07.2017 12:07Спасибо за опытные данные.
Allineer
18.07.2017 12:13Есть много научных данных на эту тему, но я, признаюсь, не осиливаю их, поэтому и экспериментирую.
Гуглятся по запросу «фотопериодизм растений».
BigBeaver
18.07.2017 09:35Скажите это растениям в приполярной зоне — прекрасно себя чувствуют, сам видел (а вот ночи не видел).
SimpleAutomation
17.07.2017 09:26При достаточной внешней освещенности досветка не нужна, а вот вечером и в утренние часы, особенно ранней весной, когда световой день еще короткий, это будет весьма актуально. Задумывалось, что рассада стоит на подоконнике или в зимнем саду на трассе. Таймер тоже вариант, была идея его добавить.
Mogwaika
17.07.2017 14:19Ну даже если хотите изменять, то уж точно не городить шим, а сделать две линейки и зажигать половину, если нужно меньше. Зачем плавно изменять?
BigBeaver
17.07.2017 15:07На самом деле, в решении автора есть рациональное зерно. С точки зрения электроники ШИМ проще, чем переключение количества линеек, тк достаточно одного ключа на всю систему. Иначе говоря, если уже есть датчик и микроконтроллер, то нет смысла не делать ШИМ.
Mogwaika
17.07.2017 18:13Ну я бы взял N драйверов на 220 В и реле на готовых платах и заюзал N ножек контроллера, всё равно их много, а одного драйвера обычно мало.
BigBeaver
18.07.2017 09:37Вот это и будет оверинженеринг — дороже и сложнее, а толку мало. Почему мало одного драйвера? Полевик на 20-100 ампер ныне не редкость. Если вы не теплицу строите, то более, чем достаточно. А если теплицу, то 1 рубильник и все.
nomadmoon
17.07.2017 06:50> 440 -470 нм свет воспринимаемый глазом как синий. Влияет на вегетативную систему отвечающую за рост зеленой массы, листьев и побегов. И 630 -670 нм красный свет, влияющий на генеративную систему растений.
Получается для рассады которая цвести пока и близко не собирается красный вообще не нужен? И вообще откуда такая информация?SimpleAutomation
17.07.2017 09:21У вас есть другая информация? Пожалуйста поделитесь.
BigBeaver
17.07.2017 10:53+1Обе составляющих поглащаются хлорофиллом (что и делает его зеленым). Целевое влияние отсутствует.
Впрочем, если у вас есть источники серьезного уровня, было бы интересно посмотреть.Allineer
18.07.2017 11:56Целевое влияние отсутствует.
Почитайте хотя бы пару статей по запросу «Фотоморфогенез», в частности про фотохромы и криптохромы.BigBeaver
18.07.2017 13:00«Спектральный состав участвует в регуляции… » и «такой-то свет нужен для того-то» — это не совсем одно и то же. Кроме того, оно зависит от конкретных видов.
Allineer
18.07.2017 13:57Одно и то же.
Фотоморфогенез — это процессы, происходящие в растении под влиянием света различного спектрального состава и интенсивности.
Вкратце: красный спектр влияет на развитие корневой системы, увеличение междоузлий, цветение и созревание плодов, на процессы прорастания семян; синий — увеличение зеленой массы, скорость роста и увеличение размера листьев, но подавляет вертикальный рост растений.
И таки да, многое зависит от вида растения.BigBeaver
18.07.2017 14:49Утверждения выше, которые я оспаривал, не обладают общностью. Суть в этом.
То есть, мы правда можем сказать «смещения спектра в такую-то сторону оказывает такое-то влияние на такое-то семейство растений». Но не более.
GoldII
17.07.2017 09:17Лучше всего себя показали 1 W фитосветодиоды с Aliexpress
Можно ссылку? или марку.
KoryIII
17.07.2017 09:20А можно уточнить какие именно одноваттные светодиоды Вы использовали? КПД судя по измерениям явно выше у них...
SimpleAutomation
17.07.2017 09:38Всем интересующимся этой темой могу также порекомендовать посмотреть сайт philips по фитолампам.
ferreto
17.07.2017 10:57Скажите пожалуйста, какой смысл использовать синие и красные светодиоды вместо обычных дневного света? Может быть, их КПД в данном диапазоне волн больше? Но по мне фиолетовый свет не очень-то приятен глазу и в жилом помещении неуместен. А так бы и на освещении можно было бы сэкономить, и растениям хорошо :)
SimpleAutomation
17.07.2017 11:40Лампы с дневным светом тоже работают, но кпд значительно ниже.
Можно почитать исследования philips на эту тему.
quqdron
17.07.2017 14:05На заглавном фото свет неправильный, при правильном свете( цвете) растения должны выглядеть как черные, т.к. погашают все что на них падает. ;)
SimpleAutomation
17.07.2017 14:19Анализ спектра по фото, хмм
С нетерпением буду ждать ваших публикаций на эту тему.
shasoft
17.07.2017 11:31+1Можно было использовать NodeMcu v3. На борту WI-FI, что позволит управлять даже через интернет.
SimpleAutomation
17.07.2017 11:37Да, работаю над этим =)
Хочу сделать на esp-wroom-32Allineer
18.07.2017 10:52Присмотритесь к вот такому варианту — полтора года включает и выключает фитолампу.
Если нужно что-то с WiFi — Sonoff Basic с прошивкой Sonoff Tasmota.
xFeaNoRx
17.07.2017 12:01На данный момент разрабатываю схожую систему, только более развернутую (продвинутую?) — датчиков больше, насосы под разные типы растворов, управление обогревом, проветриванием, кислотностью и насыщенностью рабочего раствора. Положение ламп (пока — 50ваттные фито, по идее их должно хватить на полную компенсацию естественного источника). Планируется сборка множества контроллеров в единую систему, управляемую сервером, внесение всех данных в базу для последующего обобщения. Тема интересная, особенно в свете погодных вывертов и довольно высоких цен на некоторые овощи.
SimpleAutomation
17.07.2017 12:04Я так понимаю речь идет о теплице?
Там действительно есть где развернуться…xFeaNoRx
17.07.2017 12:54Не совсем. Скорей вопрос переоборудования простаивающих помещений, а так же создание переносных конструкций.
tmg
17.07.2017 21:11как вы регулируете кислотность и насыщенность рабочего раствора?
какие датчики используете? как часто меняете?xFeaNoRx
18.07.2017 09:42Насыщенность определяется по уровню проводимости (TDS метр позволяет калибровать хоть гвозди), на данный момент — простой датчик сопротивления с аналоговым выводом. Кислотность — увы, пока планируется вручную, дважды в день (кусается цена на что-то серьезное). Балансировку можно производить той же серной кислотой — ее требуется минимальное количество.
Скорость поедания раствора колеблется на разных стадиях роста у разных растений. На каждую стадию есть вычисленные величины, за рамки которых выходить нельзя. Именно исходя из них и общего уровня раствора будет происходить его балансировка и наполнение.
Polimorfizm
17.07.2017 12:13+1Спасибо за статью, но хотелось бы побольше материала, т.к.данных опытов много на просторах интернета, а действительно стоящих экспериментов мало, т.ч.в будущем ждем от Вас большего))
Почему диоды без охлаждения? Ведь срок службы и качество падают из-за повышенных температур.
P.S.выращиваю лимоны и зимой тоже досвечиваю, т.ч.тема актуальная)SimpleAutomation
17.07.2017 12:31Я использую пассивное охлаждение, температура поверхности лампы не поднимается выше 42 градусов.
При использовании более мощных светодиодов безусловно придется применять либо вентиляторы либо специальные корпуса в виде радиаторов например эти .xFeaNoRx
17.07.2017 12:55Можно использовать радиаторы от старых сокетов — там площадь подошвы достаточно крупная, чтобы подойти под габариты любого диода.
Polimorfizm
17.07.2017 15:44Тоже глаз на них положил, а еще видел профиль алюминиевый в Леруа (тоже вариант)
cyberly
18.07.2017 02:54Интересно, а какие (если есть) у этих специальных диодов преимущества перед газоразрядными лампами общего назначения? Цена за люмен немного кусачая получается…
SimpleAutomation
18.07.2017 08:27Спектр фитосветодиодов лучше подходит для растений, и мощность светодиодных ламп значительно ниже, лампы ДНАТ, для досветки, имеют мощность в среднем 250 ВТ.
Срок службы у светодиодов больше. Но эти преимущества окупаются в течении длительного промежутка времени,
исчисляемого годами.
Allineer
18.07.2017 11:07+11. меньшее потребление электроэнергии и рассеиваемая мощность, которую нужно отводить от растений в той или иной мере.
2. безопасность. светодиоды, в отличие от ДНАЗ/ДНАТ, не раскаляются до 400 и выше градусов цельсия и не взрываются, обдавая человека поблизости горячими стеклянными осколками.
3. возможность подобрать для каждого вида растения индивидуальный спект, а не светить на него киловаттами широкого и зачастую бесполезного спектра.
4. и вдовесок к п.3: 1кВт ДНАЗ я заменил на 80Вт светодиодов без видимых ухудшений темпов роста, самочувствия растений.
Allineer
18.07.2017 11:14Вдогонку:
Цена за люмен немного кусачая получается…
Растению нужны не люмены, а ФАР.
GreyPhantom
SimpleAutomation
Благодарю