Lâmpada LED para crescer DIY | Projetando um Sol Melhor
Componentes e suprimentos
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Ferramentas e máquinas necessárias
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Aplicativos e serviços online
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Sobre este projeto
Você está frustrado com os preços dos sistemas de iluminação crescente de alta qualidade?
Para ser justo, a maioria das luzes LED comerciais no Ebay e Amazon são totalmente merdas que funcionam como luzes de Natal, em vez de sistemas de entrega de fótons de bom espectro de alta qualidade.
Neste tutorial, tento mostrar as etapas para projetar uma luz LED de crescimento personalizada e provar brevemente os resultados da minha configuração hidropônica interna irradiada inteiramente pelas luzes DIY.
Vantagens:
- Código aberto
- Fácil de replicar
- Componentes básicos disponíveis
- Facilmente personalizado para diferentes plantas e ambientes
- BARATO (~ 40 $)
- FUNCIONA!
Ferramentas e materiais
Chips cree LED
- 3W Royal Blue (450 nm)
- 3W vermelho profundo (660 nm)
- 3W Far Red (720 nm)
- 3W UV (365nm)
- 3W Verde (520nm)
- Dissipador de calor de alumínio
- MOSFET (IRL2203N)
- Regulador de tensão DC-DC ajustável
- Módulo RTC (DS3231)
- Arduino (qualquer versão)
- Ventilador (opcional)
- Fonte de alimentação 12 V DC (mín. 5 A)
- Adesivo térmico
MOTIVAÇÃO e bom humor :)
Introdução
Depois do meu primeiro tutorial sobre Grow It Yourself (GIY), onde compartilho minha experiência na construção de um sistema de cultivo inteligente integrado, decidi mergulhar mais fundo na ciência de plantas e tentar usar minhas habilidades tecnológicas para encontrar uma solução em mais nível fundamental
O sistema GIY, por mais bonito que pareça, tinha algumas desvantagens que limitavam sua viabilidade no mercado real. Uma questão importante era a luz
A luz é um dos fatores mais importantes para o crescimento e desenvolvimento das plantas, regulando a fotossíntese, metabolismo, morfogênese, expressão gênica e outras respostas fisiológicas das plantas. Modificar o comprimento de onda da luz, o fluxo de fótons (quantidade de luz) e o fotoperíodo permite ajustar o acúmulo de biomassa, o tempo de floração, o alongamento do caule e a qualidade nutricional
A luz é o principal fator que determina o resultado da colheita, também conhecido como seu valor! Existem muitas organizações que se concentram em iluminação para horticultura, líderes no mercado de iluminação para cultivo, como Philips, Illumitex, Valoya, SananBio, Osram, Samsugn etc., mas a principal questão continua sendo o preço alto!
Então, é exatamente isso que tentamos resolver aqui))
A agricultura interior, a agricultura urbana, as explorações agrícolas verticais - são ainda tendências novas e emergentes com um enorme potencial de ser uma das muitas soluções para resolver a escassez de alimentos e alimentar a futura população. No entanto, a próxima Revolução Agrícola deve ser baseada no esforço colaborativo, e eu acredito fortemente que a comunidade open-source &maker é o lugar certo para começar !!!
Antecedentes
* Este será um capítulo longo, mas informativo, que descreve o POR QUÊ por trás deste tutorial. Explicarei os termos e conceitos relevantes necessários para uma compreensão mais ampla, bem como revelarei os mitos e conceitos errôneos comuns sobre a iluminação LED de crescimento
Pule diretamente para as instruções faça você mesmo se for irrelevante
Portanto, para ser honesto, este é um tópico bastante amplo e complexo que requer milhares de páginas para um bom entendimento. No entanto, vou tentar ser breve e compartilhar algumas noções básicas deste mundo misterioso))
As características de luz que influenciam o crescimento e o desenvolvimento da calça são comumente atribuídas a intensidade, qualidade uniformidade, direção, polarização, coerência e padrão de iluminação . A luz serve como fonte de energia para o crescimento e desenvolvimento das plantas por meio da fotossíntese , mas por meio de fotorreceptores , a luz regula alguns processos morfogenéticos, como floração, abertura estomática, expansão foliar, alongamento da planta e relógio circadiano.
Clorofilas , junto com carotenóides , são os pigmentos fotossintéticos mais abundantes que impulsionam a fotossíntese nas plantas superiores. A clorofila existe em duas formas— clorofila a e clorofila b . As clorofilas absorvem luz entre λ400 e 700 nm , conhecida como radiação fotossinteticamente ativa (PAR) ou densidade de fluxo de fótons fotossintéticos (PPFD) , com os principais picos de absorbância no vermelho (λ600-700 nm) e azul (λ400–500 nm) regiões do espectro. No entanto, as plantas podem usar a maior parte da luz dentro da região PAR para fotossíntese devido aos outros pigmentos (por exemplo, carotenóides ), que pode capturar com eficiência a luz que é mal absorvida pela clorofila.
MITO # 1 - a partir das informações acima, podemos derivar a origem do equívoco comum de que apenas VERMELHO E AZUL a luz é necessária para a fotossíntese por causa da clorofila a e b. No entanto, como mencionado acima, a clorofila não é o único pigmento que lê as informações da fonte de luz!
A conclusão é:Se você usar LEDs vermelhos / azuis para irradiar uma estufa que é principalmente irradiada pelo sol, você aumentará o desempenho geral devido aos comprimentos de onda de pico de vermelho (λ600–700 nm) e azul (λ400–500 nm). Se você usar LEDs vermelhos / azuis como a principal e única fonte de iluminação para sua fazenda interna (sem acesso a outras fontes de iluminação), então você limita muito o desempenho geral das plantas
Índice de renderização de cores (CRI) é uma medida quantitativa da capacidade de uma fonte de luz de revelar as cores dos objetos em comparação com a luz natural. Usando o CRI, você pode estimar o quão confortável a luz é para os olhos humanos.
Temperatura de cor (CCT) valor é usado para descrever a cor de um espectro. Geralmente, o valor é usado apenas para descrever diferentes esquemas de cores de luz branca.
- CCT> 5000 K são chamadas de cores frias (“branco azulado”)
- CCT <3000 K são chamados de cores quentes (“branco amarelado a branco avermelhado”)
MITO # 2 - CCT e CRI são introduzidos a partir da indústria de iluminação para descrever fontes de luz com base na visão humana (pico a 555 nm). Portanto, CRI e CCT não são medidas úteis para fontes de luz usadas em combinação com plantas. Não se pode derivar o desempenho do crescimento, fenótipo ou mudanças morfológicas.
A intensidade da luz na agricultura é uma medida do PPFD e quantificado como μmol fótons m-2 s-1 , que também é simplificado para μmol m-2 s-1 na faixa de PAR, que designa o espectro de radiação entre 400 e 700nm que as plantas superiores são capazes de usar no processo de fotossíntese. Integral de luz diário (DLI) , o produto de PPFD e fotoperíodo , representa o fluxo total de fótons fotossintéticos (PPF) emitido por uma fonte de luz em 24h, e comumente tem uma relação linear com a biomassa vegetal e o acúmulo de nutrientes
DLI =PPFD × fotoperíodo
Qualidade da luz refere-se à composição do espectro de luz que irá induzir diferentes respostas e desempenhar um papel decisivo no crescimento e desenvolvimento das plantas. Além disso, a qualidade da luz impacta o metabolismo primário e secundário, afetando o metabolismo de carboidratos e nitrogênio, a produção de cor, sabor, compostos voláteis e aromáticos, qualidade nutricional, bem como os mecanismos de defesa das plantas.
UV (200nm - 400nm) - MEDIDAS DE PROTEÇÃO para condições de alta luminosidade e estimulação de produtos químicos repelentes de insetos . Aumenta o acúmulo de pigmento nas folhas, afeta a morfologia da folha e da planta.
Azul (400nm - 500nm) - Sinal por falta de vizinhos, não há necessidade de competir pela luz. Estimula a abertura estomática, inibição do alongamento do caule, folhas mais grossas, orientação à luz e floração fotoperiódica.
Verde (500nm - 600nm) - Sinal de vizinhos, competição pela luz. Respostas opostas à luz azul; fechamento estomático, alguns sintomas de evitação de sombra, fotossíntese aprimorada em camadas celulares mais profundas
Vermelho (600nm - 700nm) - Falta de sinal de vizinhos. Principal componente necessário para fotossíntese, inibição do alongamento da haste, luz de sinal
Far-red (700nm - 800nm) - Luz de sinal; Sinal de vizinhos, competição por luz. alongamento, floração
* Alterando o R:FR e B:G proporções em um espectro que podemos manipular o crescimento das plantas
MITO # 3 - Não se esqueça da luz verde! Embora a luz verde raramente tenha sido considerada como uma faixa de onda promotora de biomassa e seja frequentemente desconsiderada como útil para a fotossíntese devido à absorção mínima pelos pigmentos de clorofila, relatórios recentes sugerem que ela pode ter impacto direto e indireto positivo no desenvolvimento e na fotossíntese das plantas.
Consequentemente, verificou-se que a luz vermelha e azul direcionam a fixação de CO2 principalmente no mesofilo da paliçada superior do cloroplasto, enquanto a luz verde direciona a fixação de CO2 na paliçada inferior. Da mesma forma, foi provado que com o aumento do PPF, a luz verde pode melhorar a fotossíntese penetrando mais profundamente na folha e direcionando a fixação de CO2 dos cloroplastos internos, uma vez que os cloroplastos superiores das folhas individuais são saturados pela luz branca. A luz verde contribui consideravelmente para a assimilação do carbono fotossintético e é essencial para estimular o acúmulo de biomassa nas seções mais profundas da folha e na parte inferior do dossel, onde a luz vermelha e azul estão quase esgotadas.
A luz verde também envia um sinal forte para a folha, permitindo um controle mais rígido da adaptação a um ambiente de luz sombreado ou em mudança e, potencialmente, aumentando a eficiência do uso de água dentro das copas.
Ao desenvolver sistemas de iluminação LED para missões espaciais, os cientistas da NASA descobriram que a combinação dos comprimentos de onda vermelho e azul produzia uma luz roxa forte que fazia com que as plantas parecessem cinza / preto, tornando difícil para os trabalhadores avaliarem o estado de saúde das plantas. No entanto, de acordo com o autor, as plantas pareciam verdes e a visualização de quaisquer pragas, doenças ou deficiência de nutrientes era muito mais fácil após adicionar algumas proporções verdes à receita de luz. Verificou-se também que a adição de luz verde influenciou positivamente no rendimento da planta.
Acho que podemos parar por aqui, antes que fique ainda mais confuso:D Agora vamos falar sobre coisas que precisamos saber antes de construir o sistema de LED real!)
LEDs de condução
Como os LEDs são fontes CC de baixa tensão, eles precisam de um conjunto especial de eletrônicos para converter a CA que flui pelas linhas de energia em uma forma CC utilizável e regulada
Troca de reguladores , também conhecidos como conversores “DC-DC”, “buck” ou “boost”, são uma boa maneira de acionar LEDs. Os reguladores de comutação podem aumentar (aumentar) ou diminuir (inverter) a tensão de entrada da fonte de alimentação para corresponder à tensão necessária para alimentar o LED. Ele controla continuamente a corrente e se adapta para mantê-la constante com 80-95% de eficiência de energia
Muitos drivers AC-DC foram lançados no mercado para simplificar o processo de alimentação dos LEDs. Existem dois tipos principais de drivers de LED, aqueles que usam CA de alta tensão energia de entrada (normalmente 90 V - 277 V), também chamada de drivers off-line ou drivers de LED AC , e aqueles que usam baixa tensão DC potência de entrada (normalmente 5 V - 36 V). Na maioria dos casos, drivers CC de baixa tensão são recomendados devido à extrema eficiência e confiabilidade
Gerenciamento térmico
Mesmo que os LEDs sejam frios quando tocados, eles geram muito calor devido à ineficiência dos semicondutores que produzem luz. A eficiência radiante total (potência de saída óptica na forma de luz dividida pela potência de entrada elétrica total) é geralmente entre 5% e 40% , o que significa que 60% - 95% da energia de entrada é perdida na forma de calor . Conforme a temperatura interna do LED aumenta, a voltagem direta e a saída de luz diminuem, fazendo com que o LED consuma mais corrente. Isso afeta não apenas o brilho e a eficiência do LED, mas também a vida útil geral. Eventualmente, o LED continuará puxando mais corrente e ficando mais quente até que se queime, o fenômeno conhecido como Fuga térmica
Para manter a temperatura do LED baixa, existem duas soluções de gerenciamento térmico disponíveis: técnicas de resfriamento passivo e ativo
Resfriamento passivo , comumente usado em luminárias de LED, atinge um alto grau de convecção natural e dissipação de calor usando um dissipador de calor. Dissipadores de calor desempenham um papel importante na iluminação LED porque fornecem o caminho para que o calor seja mais facilmente dissipado da fonte de LED para o ambiente. A eficiência da dissipação de calor é diretamente afetada pela condutividade térmica do material do dissipador de calor, sendo o melhor o cobre, mas devido ao seu preço, alumínio é amplamente utilizado para a maioria dos dissipadores de calor
Por outro lado, resfriamento ativo depende de um dispositivo externo para aumentar a transferência de calor por meio de uma taxa mais alta de fluxo de fluido, o que aumenta drasticamente a taxa de dissipação de calor. Soluções para resfriamento ativo incluem ar forçado usando afan ou soprador, líquido forçado e resfriadores termoelétricos, usados quando a convecção natural não é suficiente para manter a temperatura baixa. A grande desvantagem do resfriamento ativo é a necessidade de eletricidade, o que resulta em custos mais elevados em comparação com a solução de resfriamento passivo
Técnicas de escurecimento
A saída total de luz de um LED é determinada pela quantidade de corrente que flui através dele e, controlando essa corrente, o nível de brilho do LED pode ser facilmente ajustado
Os drivers CC de baixa tensão podem ser controlados de várias maneiras diferentes. A solução mais simples para diminuir o brilho dos LEDs é usar um potenciômetro , que é basicamente um resistor com um contato giratório que forma um divisor de tensão ajustável que fornece uma faixa completa de 0% - 100% de escurecimento
Outra solução ideal é a modulação por largura de pulso (PWM) , que liga e desliga a corrente enviada por um LED em alta frequência (vários milhares de vezes por segundo), e o valor médio de tempo quando o LED está ligado e desligado determinará o brilho do LED. Os LEDs também podem ser esmaecidos por meio da redução de corrente constante (CCR) , também chamado de dimerização analógica, que é um método eficiente e simples de controle de brilho do LED
Os métodos de escurecimento PWM e CCR têm suas vantagens e desvantagens . A técnica PWM comumente usada tem uma ampla faixa de escurecimento e pode controlar a saída de luz com uma alta precisão . Por outro lado, r requer equipamentos eletrônicos complexos e caros para produzir corrente em uma frequência alta o suficiente para evitar cintilação. O escurecimento CRR é um muito eficiente método que não requer componentes eletrônicos caros e permite que os drivers sejam localizados remotamente a partir da luz LED. No entanto, CRR não é adequado para dimerização de alta precisão onde níveis de luz abaixo de 10% são necessários
Montagem do painel de LED
Para começar, preparei todos os chips LED necessários que foram encomendados com antecedência, que são Royal Blue (FV:3,2 - 3,6 V; FC:350 - 1000 mA), Vermelho profundo (FV:2,2 - 2,4 V; FC:350 - 1000 mA), Verde (FV:3,2 - 3,4 V; FC:350 - 700 mA) e Far Red (FV:1,8 - 2,2 V; FC:350 - 700 mA)
A parte bonita disso é a fácil personalização. Decidi não usar a luz UV na minha montagem, mas adicionar qualquer outro espectro ao painel de LED é bem fácil, bastando adicionar um novo conjunto de LEDs como UV, branco quente / frio ou qualquer outra cor. Espero que você tenha entendido a lógica aqui))
Cada LED foi conectado em série com um MOSFET (IRL2203N, TO-220) e controlado por modulação de largura de pulso (PWM) sinal vindo do Arduino MKR1000, que resultou em controle total sobre cada matriz de LEDs separada no painel de LEDs
Todos os LEDs foram acoplados a um dissipador de calor de alumínio 15x15cm usando a fita térmica para garantir uma distribuição uniforme do calor e evitar o superaquecimento, e conduzido por uma fonte de alimentação DC 12V 20A , conectado a um regulador de tensão ajustável (DC-DC step-down, LM2596) anexado a cada LED para garantir o fornecimento de tensão correto. Os LEDs foram distribuídos uniformemente na superfície do dissipador de calor para garantir um tratamento de qualidade de iluminação adequado acima do dossel
A técnica de fiação principal permanece a mesma, independentemente do número de LEDs. Se você decidir adicionar mais LEDs para aumentar a saída de energia (PPFD total) ou adicionar outro conjunto de LEDs (um novo espectro / cor), use uma técnica de fiação semelhante - basta ajustar o regulador DC para a tensão adequada
* Se você conectou os LEDs em série, some a soma das tensões e configure-o para o regulador CC de acordo (máx. 12 V para este conversor CC-CC específico)
Controlador de luz | Código Arduino
Se o propósito de sua configuração é ligar / desligar os LEDs, você não precisa de um arduino e do MOSFET. Ao conectar a fonte de alimentação na parede, você controla todo o painel de LED
Se você quiser ter controle total sobre cada conjunto de LEDs, diminuir com precisão os canais separados, ligar / desligar remotamente ou, de acordo com um temporizador definido, simular o nascer do sol / pôr do sol, etc., em seguida, siga as instruções a seguir!
Na minha configuração, os painéis de LED, juntamente com outros sensores e atuadores para todo o sistema hidropônico, foram controlados usando o Arduino MKR1000 . O software foi baseado no código aberto “LightController” biblioteca, que é um programador de luz 24 horas projetado para fornecer suporte fácil para o luar, nascer do sol / pôr do sol, sesta, etc., e modificado para se adequar ao propósito dos meus experimentos.
O software permite definir o número de canais associados ao número de LEDs (um canal por LED ou matriz de LED), agendar o tempo, selecionar o modo de atenuação e definir o valor analógico (de 0 a 255) para aumentar linear ou exponencialmente ou diminuir a intensidade do LED durante um intervalo de tempo definido.
O software verifica constantemente a hora real a partir do módulo de relógio em tempo real (RTC DS3231, AT24C32) conectado ao Arduino, e se o tempo real corresponder ao horário programado definido no código, ele aciona o pino PWM e passa a aumentar ou diminuir o valor analógico, ao qual o LED responde na mudança de intensidade.
Configuração hidropônica | Semente começando
> 
> As sementes da alface folhosa (Lactuca sativa L. ‘Pflück Lettuce’, DE) foram semeadas em papel toalha e colocadas dentro de uma bandeja de germinação (13cm x 18cm x 6cm). A bandeja foi hidratada com água da torneira até ficar saturada. As mudas foram cultivadas a 23 ° C (± 0,7 ° C) e umidade relativa de 90% (± 3%) medida a cada 15min por um sensor digital de umidade e temperatura (AM2301, sensor DHT21, DE)
Após 10 dias , quando as plantas de alface desenvolveram uma pequena primeira folha verdadeira, as mudas foram transplantadas para câmaras de crescimento estabelecidas dentro de uma técnica de hidroponia de fluxo profundo (DFT) sistema de cultura. Uma solução nutritiva que consiste em fertilizante 5N – 3P – 8K (IKEA VÄXER Fertilizer, DE) foi mantida em um reservatório de 10L
A solução foi aerada constantemente com uma bola de pedra de ar de 5 cm de diâmetro conectada a uma bomba de ar de 240 L / h. As plantas foram colocadas em orifícios de 2,5 cm de diâmetro cortados na parte superior das calhas DFT, certificando-se de que 1,5-2 cm da parte inferior do meio de cultivo estava submerso.
Após uma semana, a alface foi transplantada em um sistema maior com parâmetros semelhantes
Nada de novo aqui, hidroponia de garagem clássica!))
Resultados
Awesomee aaa? progresso de quatro semanas!
Quando você passa tanto tempo cultivando sua própria alface, ela simplesmente não consegue competir com a do supermercado. Comer folha de alface fresca em um sanduíche matinal - F * uckin 'delicioso!
Sim, eu sei que este painel de LED parece frankenstein! Mas pense nisso como um protótipo funcional muito simples
No geral, fiquei muito satisfeito com o desempenho do painel LED. No entanto, em minha próxima montagem, eu adicionaria alguns LEDs brancos para ser a fonte de iluminação principal e, adicionalmente, o resto das cores para completar o espectro.
Algumas melhorias adicionais seriam soldar tudo diretamente em uma placa de circuito impresso e, basicamente, empacotar um pouco melhor para dar uma aparência de produto final. Tarefa para o futuro, mantenha-se atualizado;)
A 'receita light' ideal ainda é um assunto complexo, mas fazer pesquisas, customizar e experimentar diferentes combinações em casa, dá uma sensação agradável de fazer parte de algo realmente grande!
Nota final
De onde veio sua # comida? Isso é bom para você?
Essas questões requerem muita informação, tudo porque nós projetamos o sistema talvez não para o melhor objetivo: Comida Mais Barata , mas não o objetivo da nutrição , ou gestão ambiental
Quando você pega um determinado conjunto de genética e o coloca dentro de um determinado fenômeno, ou "clima", ele vai expressar algo. Isso é chamado de fenótipo. Queremos entender sob quais condições essa genética expressa sabor, nutrição, tamanho, cor .. então projetamos fatores ambientais como CO2, temperatura, umidade, espectro de luz, intensidade de luz e mineralidade da água para aumentar a produção, reduzir o tempo de produção , e influenciam o sabor, a aparência e o conteúdo nutricional das plantas
O objetivo é construir uma base de conhecimento para #MachineLearning & #AI , e gerar uma linguagem compartilhada de "receitas climáticas digitais" para a agricultura interna, que pode ser compartilhada em todos os continentes usando tecnologias de código aberto. Eu acredito que a próxima revolução na agricultura tem que ser baseada na ciência aberta
O que é realmente legal é que estamos aprendendo sobre a diferença genética entre humano e humano, e isso está fornecendo muitos insights sobre o que você deve comer, versus o que eu devo comer, ou o que outra pessoa deve comer.
Imagine cultivar algo muito específico para você ?!
PARABÉNS - VOCÊ CONSEGUIU
Se você chegou tão longe, você deve ser muito teimoso meu amigo:D
Espero que você tenha gostado de ler este tutorial, aprendido algo novo e se divertido lendo isso :)
Eu o encorajo a desafiar e duvidar de tudo que escrevi aqui, pensar em novas maneiras inovadoras de abordar o mesmo problema e COMEÇAR A AGIR !
Quem, senão nós?
Melhor,
Dmitrii ALBOT
Código
Github
https://github.com/benjaf/LightControllerhttps://github.com/benjaf/LightControllerEsquemas
Processo de manufatura
- Diodo emissor de luz (LED)
- DIY LUMAZOID Arduino Music Visualiser
- Arduino com Bluetooth para controlar um LED!
- Arduino Power
- Arduino Quadruped
- Arduino RGB Color Mixer
- Faça você mesmo Arduino RADIONICS Tratamento MMachine
- Faça você mesmo Arduino 1D Pong Game com WS2812 LED Strip
- DMX RGB LED externo
- Jogo de roleta LED