Умная фитолампа на Arduino +19

- такой же как Forbes, только лучше.

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):

  1. GreyPhantom
    /#10196095 / -1

    В одном горшке рассада досверливалась
    Поясните- ради чего нужно было «сверлить» рассаду…

  2. ABATAPA
    /#10196313

    по средствам ШИМ
    Посредством (при помощи чего-либо, каким-нибудь способом). "По средствам" — это жить.

    • ABATAPA
      /#10196317

      И 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...

  3. Ezhyg
    /#10196333

    по средствам ШИМ
    Спект поглащения
    эфективное воздейсвие
    мощьностью
    световое КПД
    точки, запятые, пробелы… Инженер не смог в гуманитарную науку :P

    • evil_me
      /#10196367 / +1

      От вашего высмеивания никому лучше не станет.
      Почему не написать это автору в личку?

      • Ezhyg
        /#10196551

        Я 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.

        • izzholtik
          /#10196575

          В зависимости от способа подсчёта, в вашем комментарии можно найти от двух до четырёх ошибок.

          • Ezhyg
            /#10196589 / -1

            Ну, так я ж не писал статью — всего-лишь комментарий :P.

  4. PlayTime
    /#10196447 / +1

    Автор, 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.

      • NetBUG
        /#10199199

        А 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»

  5. upsilon
    /#10196477

    Спасибо за статью, попробую, когда обзаведусь своей жил. площадью :)

  6. 10s
    /#10196521 / +1

    А 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
      /#10196791

      Сначала я пробовал вычислять освещенность по формулам, а потом купил прибор.


  7. gleb_kudr
    /#10196555

    Освещенность 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.

  8. avost
    /#10196567 / +2

    Какой 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
      /#10196595

      Если 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
        /#10198021 / +1

        Зря заминусовали камрада. Освещение 24 часа в сутки, действительно, убьет любое растение.

        • avost
          /#10198745 / -1

          Вы 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
            /#10199165 / +1

            Я 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
              /#10199339

              Спасибо за опытные данные.

              • Allineer
                /#10199347

                Есть много научных данных на эту тему, но я, признаюсь, не осиливаю их, поэтому и экспериментирую.
                Гуглятся по запросу «фотопериодизм растений».

        • BigBeaver
          /#10199019

          Скажите это растениям в приполярной зоне — прекрасно себя чувствуют, сам видел (а вот ночи не видел).

    • SimpleAutomation
      /#10196825

      При 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
        /#10197503

        Ну даже если хотите изменять, то уж точно не городить шим, а сделать две линейки и зажигать половину, если нужно меньше. Зачем плавно изменять?

        • BigBeaver
          /#10197625

          На 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
            /#10197999

            Ну 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
              /#10199033

              Вот 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.

  9. nomadmoon
    /#10196687

    > 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
      /#10196817

      У вас есть другая информация? Пожалуйста поделитесь.

      • BigBeaver
        /#10196947 / +1

        Обе составляющих поглащаются хлорофиллом (что и делает его зеленым). Целевое влияние отсутствует.
        Впрочем, если у вас есть источники серьезного уровня, было бы интересно посмотреть.

        • Allineer
          /#10199321

          Целевое влияние отсутствует.

          Почитайте хотя бы пару статей по запросу «Фотоморфогенез», в частности про фотохромы и криптохромы.

          • BigBeaver
            /#10199469

            «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
              /#10199633

              Одно 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
                /#10199733

                Утверждения 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.

  10. GoldII
    /#10196805

    Лучше всего себя показали 1 W фитосветодиоды с Aliexpress


    Можно ссылку? или марку.

  11. KoryIII
    /#10196811

    А можно уточнить какие именно одноваттные светодиоды Вы использовали? КПД судя по измерениям явно выше у них...

  12. SimpleAutomation
    /#10196849

    Всем интересующимся этой темой могу также порекомендовать посмотреть сайт philips по фитолампам.

  13. ferreto
    /#10196953

    Скажите 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
      /#10197035

      Лампы с дневным светом тоже работают, но кпд значительно ниже.
      Можно почитать исследования philips на эту тему.

    • quqdron
      /#10197443

      На заглавном фото свет неправильный, при правильном свете( цвете) растения должны выглядеть как черные, т.к. погашают все что на них падает. ;)

      • SimpleAutomation
        /#10197501

        Анализ спектра по фото, хмм
        С нетерпением буду ждать ваших публикаций на эту тему.

      • Mogwaika
        /#10197505

        Так у него не освещение неправильное, а растение — не весь свет поглощает.

  14. shasoft
    /#10197003 / +1

    Можно было использовать NodeMcu v3. На борту WI-FI, что позволит управлять даже через интернет.

  15. xFeaNoRx
    /#10197099

    На 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
      /#10197109

      Я так понимаю речь идет о теплице?
      Там действительно есть где развернуться…

      • xFeaNoRx
        /#10197235

        Не совсем. Скорей вопрос переоборудования простаивающих помещений, а так же создание переносных конструкций.

      • Mogwaika
        /#10197509

        Могу ошибаться, но я оценивал необходимую засветку, как 100 Вт на квадратный метр зелени, так что тут небольшой гроубокс…

        • sgjurano
          /#10199077

          250 Вт в самый раз, если на ДНАТ лампы ориентироваться, наибольшие сложности вызывает отвод тепла, но култьюб решает эту проблему.

    • tmg
      /#10198299

      как вы регулируете кислотность и насыщенность рабочего раствора?
      какие датчики используете? как часто меняете?

      • xFeaNoRx
        /#10199053

        Насыщенность 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.

  16. Polimorfizm
    /#10197129 / +1

    Спасибо 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
      /#10197189

      Я 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
        /#10197239

        Можно использовать радиаторы от старых сокетов — там площадь подошвы достаточно крупная, чтобы подойти под габариты любого диода.

  17. Polimorfizm
    /#10197683

    Тоже глаз на них положил, а еще видел профиль алюминиевый в Леруа (тоже вариант)

  18. cyberly
    /#10198743

    Интересно, а какие (если есть) у этих специальных диодов преимущества перед газоразрядными лампами общего назначения? Цена за люмен немного кусачая получается…

    • SimpleAutomation
      /#10198907

      Спектр 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
      /#10199205 / +1

      1. 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
      /#10199213

      Вдогонку:

      Цена за люмен немного кусачая получается…

      Растению нужны не люмены, а ФАР.