DIY 성장 LED 조명 | 더 나은 태양 디자인

이 프로젝트 정보

고품질 재배 조명 시스템의 가격이 마음에 들지 않습니까?

공정하게 말하자면, Ebay와 Amazon의 상업용 LED 조명 대부분은 고품질의 우수한 스펙트럼 광자 전달 시스템이라기보다는 크리스마스 조명처럼 작동하는 완전히 엉터리입니다.

이 튜토리얼에서는 맞춤형 LED 성장 조명을 설계하는 단계를 보여주고 DIY 조명으로 완전히 조사된 실내 수경 재배 결과를 간략하게 증명하려고 합니다.

장점:

도구 및 재료

Cree LED 칩

동기 및 좋은 분위기 :)

소개

통합 스마트 재배 시스템 구축 경험을 공유하는 GIY(Grow It Yourself)에 대한 첫 번째 튜토리얼 이후, 저는 식물 과학에 대해 더 깊이 파고들고 기술 기술을 사용하여 더 많은 솔루션을 찾기로 결정했습니다. 기본 수준

GIY 시스템은 보기에 아름답지만 실제 시장에서의 실행 가능성을 제한하는 몇 가지 단점이 있었습니다. 한 가지 중요한 문제는 빛이었습니다.

빛은 식물의 성장과 발달에 가장 중요한 요소 중 하나로 식물의 광합성, 대사, 형태 형성, 유전자 발현 및 기타 생리적 반응을 조절합니다. 빛의 파장, 광자 플럭스(빛의 양) 및 광주기를 수정하여 생물량 축적, 개화 시기, 줄기 신장 및 영양 품질을 조정할 수 있습니다.

빛은 작물의 결과를 결정하는 주요 요소이며, 일명 그 가치! Philips, Illumitex, Valoya, SananBio, Osram, Samsugn 등과 같이 원예용 조명에 중점을 둔 조직, 성장하는 조명 시장의 리더가 있지만 주요 문제는 높은 가격입니다!

이것이 바로 우리가 여기서 다루려고 하는 것입니다))

실내 농업, 도시 농업, 수직 농장은 식량 부족을 해결하고 미래 인구를 먹여살릴 수 있는 많은 솔루션 중 하나가 될 수 있는 거대한 잠재력을 지닌 여전히 새롭고 떠오르는 추세입니다. 그러나 다음 농업 혁명은 공동 노력을 기반으로 해야 하며 오픈 소스 및 메이커 커뮤니티가 시작하기에 적합한 곳이라고 강력히 믿습니다!!!

배경

*이 장에서는 길지만 유익한 정보를 제공합니다. 왜 이 튜토리얼 뒤에 있습니다. 더 넓은 이해를 위해 필요한 관련 용어와 개념을 설명하고 Grow LED Lighting에 대한 일반적인 오해와 오해를 밝힐 것입니다.

관련 없는 경우 DIY 지침으로 바로 건너뛰세요.

그래서 솔직히 말해서, 이것은 수천 페이지의 좋은 이해를 요구하는 상당히 광범위하고 복잡한 주제입니다. 그러나 나는 이 신비한 세계에 대해 짧게 말하고 몇 가지 기본 사항을 공유하려고 노력할 것입니다))

바지의 성장과 발달에 영향을 미치는 빛의 특성은 일반적으로 강도, 품질에 기인합니다. 균일성, 방향, 편광, 일관성 및 조명 패턴 . 빛은 광합성을 통해 식물의 성장과 발달을 위한 에너지원으로 사용됩니다. 하지만 광수용기를 통해 , 빛은 개화, 기공 열림, 잎 확장, 식물 신장 및 일주기 시계와 같은 일부 형태 발생 과정을 조절합니다.

엽록소 , 카로티노이드와 함께 , 고등 식물에서 광합성을 유도하는 가장 풍부한 광합성 색소입니다. 엽록소는 엽록소 a의 두 가지 형태로 존재합니다. 및 엽록소 b . 엽록소는 λ400 ~ 700nm 사이의 빛을 흡수합니다. , 광합성 활성 방사선(PAR)으로 알려진 또는 광합성 광자속 밀도(PPFD) , 흡광도의 주요 피크는 적색(λ600–700 nm) 및 파란색(λ400–500nm) 스펙트럼의 영역. 그럼에도 불구하고 식물은 다른 색소(예:카로티노이드)로 인해 광합성을 위해 PAR 영역 내의 대부분의 빛을 사용할 수 있습니다. ), 엽록소에 잘 흡수되지 않는 빛을 효율적으로 포착할 수 있습니다.

통념 #1 - 위의 정보에서 RED &BLUE만 엽록소 a와 b 때문에 광합성에 빛이 필요하다. 그러나 위에서 언급했듯이 엽록소는 광원에서 정보를 읽는 유일한 색소가 아닙니다!

결론은 다음과 같습니다. 적색/청색 LED를 사용하여 주로 태양이 조사되는 온실에 조사하면 적색(λ600–700 nm) 및 청색(λ400–500 nm)의 피크 파장으로 인해 전체 성능이 향상됩니다. Red/Blue LED를 실내 농장의 유일한 광원으로 사용하는 경우(다른 광원에 액세스할 수 없음) 식물의 전체 성능에 많은 제한이 있습니다.

연색 지수(CRI) 자연광과 비교하여 물체의 색상을 나타내는 광원의 능력을 정량적으로 측정한 것입니다. CRI를 사용하면 빛이 사람의 눈에 얼마나 편안한지 추정할 수 있습니다.

색온도(CCT) 값은 스펙트럼의 색상을 설명하는 데 사용됩니다. 일반적으로 값은 백색광의 다양한 색 구성표를 설명하는 데만 사용됩니다.

오해 #2 - CCT 및 CRI는 인간의 시각(555nm에서 피크)을 기반으로 광원을 설명하기 위해 조명 산업에서 도입되었습니다. 따라서 CRI 및 CCT는 식물과 함께 사용되는 광원에 대한 유용한 측정이 아닙니다. 성장 성능, 표현형 또는 형태학적 변화를 도출할 수 없습니다.

조도 농업에서 PPFD μmol 광자 m-2 s-1로 정량화 , 또한 μmol m-2 s-1로 단순화됩니다. 고등 식물이 광합성 과정에서 사용할 수 있는 400에서 700nm 사이의 복사 스펙트럼을 지정하는 PAR 범위에서. 일광 적분(DLI) , PPFD의 곱 및 포토피리어드 는 24시간 동안 광원에서 방출되는 총 광합성 광자 플럭스(PPF)를 나타내며 일반적으로 식물 바이오매스 및 영양소 축적과 선형 관계를 갖습니다.

DLI =PPFD × 광주기

조명 품질 다양한 반응을 유도하고 식물의 성장과 발달에 결정적인 역할을 하는 광 스펙트럼의 구성을 나타냅니다. 또한 빛의 품질은 1차 및 2차 대사에 영향을 주어 탄수화물 및 질소 대사, 색상, 풍미, 휘발성 및 방향족 화합물의 생성, 영양 품질, 식물 방어 메커니즘에 영향을 미칩니다.

자외선(200nm - 400nm) - 고광 조건 및 곤충 퇴치 화학 물질 자극에 대한 보호 조치 . 잎의 색소 축적을 강화하고 잎과 식물의 형태에 영향을 줍니다.

파란색(400nm – 500nm) - 이웃이 없다는 신호, 빛을 놓고 경쟁할 필요가 없습니다. 기공 개방, 줄기 신장 억제, 더 두꺼운 잎, 빛에 대한 방향 및 광주기 개화를 자극합니다.

녹색(500nm – 600nm) - 이웃의 신호, 빛을 위한 경쟁. 청색광에 반대되는 반응; 기공 폐쇄, 일부 그늘 회피 증상, 깊은 세포층에서 광합성 강화

빨간색(600nm – 700nm) - 이웃 신호 부족 광합성, 줄기신장억제, 신호광에 필요한 주성분

원적외선(700nm – 800nm) - 신호등, 이웃의 신호, 빛을 위한 경쟁. 신장, 개화

*변경 R:FR 및 B:G 스펙트럼의 비율 식물 성장 조작

미신 #3 - 초록불을 잊지 마세요! 녹색광은 엽록소 색소에 의한 최소 흡수로 인해 바이오매스 촉진 파장대역으로 간주되는 경우가 거의 없고 광합성에 유용한 것으로 종종 무시되지만 최근 보고서에 따르면 식물 발달 및 광합성에 직간접적으로 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

따라서 적색광과 청색광은 주로 엽록체의 상부 palisade mesophyll에서 CO2 고정을 유도하는 반면, 녹색광은 하부 palisade에서 CO2 고정을 유도하는 것으로 밝혀졌습니다. 마찬가지로, 증가된 PPF로 녹색광은 잎 깊숙이 침투하고 개별 잎의 상부 엽록체가 백색광에 의해 포화되면 내부 엽록체의 CO2 고정을 유도함으로써 광합성을 향상시킬 수 있음이 입증되었습니다. 녹색광은 광합성 탄소 동화에 상당히 기여하며, 적색 및 청색광이 거의 고갈된 잎과 하부 캐노피의 더 깊은 부분에서 바이오매스 축적을 자극하는 데 필수적입니다.

녹색 빛은 또한 잎에 강한 신호를 보내 그늘지거나 변화하는 조명 환경에 대한 적응을 더 엄격하게 제어할 수 있게 하고 잠재적으로 캐노피 내에서 물 사용 효율성을 증가시킵니다.

NASA의 과학자들은 우주 임무를 위한 LED 조명 시스템을 개발하는 동안 빨간색과 파란색 파장의 조합이 식물을 회색/검정색으로 보이게 하여 작업자가 식물의 건강 상태를 평가하기 어렵게 만드는 강한 보라색 빛을 생성한다는 것을 발견했습니다. 그러나 저자에 따르면 식물이 녹색으로 보였고 해충, 질병 ​​또는 영양 결핍에 대한 시각화는 가벼운 조리법에 약간의 녹색 비율을 추가한 후 훨씬 더 쉬웠습니다. 또한 녹색광을 추가하면 식물 수확량에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

더 혼란스러워지기 전에 여기서 멈출 수 있을 것 같아요 :D 이제 실제 LED 시스템을 구축하기 전에 알아야 할 사항에 대해 이야기합시다!)

운전 LED

LED는 저전압 DC 소스이기 때문에 전력선을 통해 흐르는 AC를 사용 가능하고 조정된 DC 형태로 변환하려면 특수한 전자 장치 세트가 필요합니다.

조정기 전환 "DC-DC", "벅" 또는 "부스트" 컨버터라고도 하는 이 컨버터는 LED를 구동하는 좋은 방법입니다. 스위칭 레귤레이터는 LED에 전력을 공급하는 데 필요한 전압과 일치하도록 전원 공급 장치 입력 전압을 승압(부스트) 또는 강압(벅)할 수 있습니다. 전류를 지속적으로 제어하고 80-95% 전력 효율로 일정하게 유지하도록 조정합니다.

LED에 전원을 공급하는 프로세스를 단순화하기 위해 많은 AC-DC 드라이버가 출시되었습니다. LED 드라이버에는 고전압 AC를 사용하는 두 가지 주요 유형이 있습니다. 입력 전원(일반적으로 90V – 277V), 오프라인 드라이버 또는 AC LED 드라이버라고도 함 , 및 저전압 DC를 사용하는 것 입력 전원(일반적으로 5V – 36V). 대부분의 경우 효율성과 신뢰성이 매우 높기 때문에 저전압 DC 드라이버를 사용하는 것이 좋습니다.

열 관리

LED는 만지면 차갑지만 빛을 내는 반도체의 비효율로 인해 많은 열을 발생시킨다. 총 복사 효율 (총 전기 입력 전력으로 나눈 빛 형태의 광학 출력 전력)은 일반적으로 5%에서 40% 사이입니다. , 이는 입력 전력의 60% - 95%가 열로 손실됨을 의미합니다. . LED의 내부 온도가 증가함에 따라 순방향 전압과 광 출력이 감소하여 LED가 더 많은 전류를 소비하게 됩니다. 이는 LED의 밝기와 효율성뿐만 아니라 전체 수명에도 영향을 미칩니다. 결국 LED는 자체적으로 소진될 때까지 계속해서 더 많은 전류를 소비하고 더 뜨거워집니다. 이러한 현상을 열 폭주라고 합니다.

LED 온도를 낮게 유지하기 위해 두 가지 열 관리 솔루션을 사용할 수 있습니다. 수동 및 능동 냉각 기술

수동 냉각 , LED 조명기구에 일반적으로 사용되는 방열판을 사용하여 높은 수준의 자연 대류 및 방열을 달성합니다. 방열판 LED 광원에서 환경으로 열을 쉽게 발산할 수 있는 경로를 제공하기 때문에 LED 조명에서 중요한 역할을 합니다. 방열 효율은 방열판 재료의 열전도율에 직접적인 영향을 받으며, 구리가 가장 좋지만 알루미늄이라는 가격대로 인해 대부분의 방열판에 널리 사용됩니다.

반면에 능동 냉각 더 높은 유체 흐름 속도를 통해 열 전달을 증가시키기 위해 외부 장치에 의존하여 열 발산 속도를 극적으로 증가시킵니다. 능동 냉각을 위한 솔루션에는 팬을 사용한 강제 공기가 포함됩니다. 또는 송풍기, 강제 액체 , 자연 대류가 온도를 낮게 유지하기에 충분하지 않을 때 사용되는 열전 냉각기. 능동 냉각의 가장 큰 단점은 전기가 필요하므로 수동 냉각 솔루션에 비해 비용이 많이 든다는 것입니다.

디밍 기술

LED의 총 광 출력은 흐르는 전류의 양에 따라 결정되며, 이 전류를 제어하여 LED 밝기 수준을 쉽게 조정할 수 있습니다.

저전압 DC 드라이버는 여러 가지 방법으로 제어할 수 있습니다. LED를 어둡게 하는 가장 간단한 솔루션은 전위차계를 사용하는 것입니다. 이는 기본적으로 0% – 100% 디밍의 전체 범위를 제공하는 조정 가능한 전압 분배기를 형성하는 회전 접점이 있는 저항입니다.

또 다른 최적의 솔루션은 펄스 폭 변조(PWM)입니다. , LED를 통해 전송되는 전류를 고주파(초당 수천 번)로 켜고 끄는 스위치와 LED가 켜졌다 꺼졌을 때의 시간 평균값에 따라 LED의 밝기가 결정됩니다. 정전류 감소(CCR)를 통해 LED를 흐리게 할 수도 있습니다. , 아날로그 디밍이라고도 함 이것은 LED 밝기 조절의 효율적이고 간단한 방법입니다

PWM 및 CCR 디밍 방법에는 모두 장점이 있습니다. 및 단점 . 일반적으로 사용되는 PWM 기술은 넓은 디밍 범위를 가집니다. 고정밀도로 광 출력을 제어할 수 있습니다. . 반면에 복잡하고 값비싼 전자 장비가 필요합니다. 깜박임을 방지하기에 충분히 높은 주파수에서 전류를 생성합니다. CRR 디밍은 매우 효율적입니다. 고가의 전자 장치가 필요하지 않고 드라이버가 LED 조명에서 원격으로 위치할 수 있는 방법입니다. 그러나 CRR은 고정밀 디밍에 적합하지 않습니다. 10% 미만의 조도가 필요한 곳

LED 패널 조립

먼저 Royal Blue라는 미리 주문한 LED 칩을 모두 준비했습니다. (FV:3.2 – 3.6V, FC:350 – 1000mA), 딥 레드 (FV:2.2 – 2.4V, FC:350 – 1000mA), 녹색 (FV:3.2 – 3.4V, FC:350 – 700mA) 및 파 레드 (FV:1.8 – 2.2V, FC:350 – 700mA)

그것에 대한 아름다운 부분은 쉬운 사용자 정의입니다. 내 어셈블리에 UV 광을 사용하지 않기로 결정했지만 LED 패널에 다른 스펙트럼을 추가하는 것은 매우 쉽습니다. UV, 따뜻한/차가운 흰색 또는 기타 색상과 같은 새로운 LED 세트를 추가하는 문제입니다. 여기에 논리가 있기를 바랍니다))

각 LED는 직렬로 연결되었습니다. MOSFET (IRL2203N, TO-220) 및 펄스 폭 변조 (PWM)로 제어 Arduino MKR1000, 에서 오는 신호 그 결과 LED 패널의 개별 LED 어레이를 완전히 제어할 수 있었습니다.

모든 LED는 15x15cm 알루미늄 방열판에 부착되었습니다. 균일한 열 분포를 보장하고 과열을 방지하기 위해 열 테이프를 사용하며 DC 12V 20A 전원 공급 장치로 구동됩니다. , 조정 가능한 전압 조정기(DC-DC 강압, LM2596)에 연결됨 각 LED에 부착되어 올바른 전압 공급을 보장합니다. 캐노피 위의 적절한 조명 품질 처리를 보장하기 위해 LED가 방열판 표면에 고르게 분포되었습니다.

주요 배선 기술은 LED 수에 관계없이 동일하게 유지됩니다. 더 많은 LED를 추가하여 전력 출력(총 PPFD)을 늘리거나 다른 LED 어레이(새로운 스펙트럼/색상)를 추가하기로 결정했다면 유사한 배선 기술을 사용하십시오. DC 레귤레이터를 적절한 전압으로 조정하기만 하면 됩니다.

*LED를 직렬로 연결했다면 전압의 합을 더하고 그에 따라 DC 레귤레이터로 설정합니다(이 특정 DC-DC 컨버터의 경우 최대 12V).

조명 컨트롤러 | Arduino 코드

설정의 목적이 LED를 켜고 끄는 것이라면 실제로 arduino 및 MOSFET이 필요하지 않습니다. 전원 공급 장치를 벽에 연결하면 전체 LED 패널을 제어할 수 있습니다.

각 LED 어레이를 완벽하게 제어하려면 개별 채널을 정확하게 어둡게 하고 원격으로 ON/OFF로 전환하거나 정의된 타이머에 따라 일출/일몰 등을 시뮬레이션하고 다음 지침을 따르십시오!

내 설정에서 전체 수경 재배 시스템의 다른 센서 및 액추에이터와 함께 LED 패널은 Arduino MKR1000을 사용하여 제어되었습니다. . 소프트웨어는 오픈 소스 "LightController"를 기반으로 했습니다. 라이브러리는 달빛, 일출/일몰, 낮잠 등을 쉽게 지원하도록 설계된 24시간 조명 스케줄러이며 내 실험의 목적에 맞게 수정되었습니다.

소프트웨어를 통해 LED 수(LED 또는 LED 어레이당 하나의 채널)와 관련된 채널 수를 정의하고, 시간을 예약하고, 페이딩 모드를 선택하고, 선형 또는 기하급수적으로 증가하도록 아날로그 값(0에서 255까지)을 설정할 수 있습니다. 또는 정의된 시간 간격 동안 LED의 강도를 줄입니다.

소프트웨어는 실시간 시계 모듈에서 실제 시간을 지속적으로 확인합니다. (RTC DS3231, AT24C32) 아두이노에 연결하고, 코드에 정의된 스케줄 시간과 실시간이 일치하면 PWM 핀을 트리거하여 아날로그 값을 증감하기 시작하여 LED가 세기의 변화에 ​​따라 반응합니다.

수경재배 | 시드 시작

잎이 많은 상추의 씨앗 (Lactuca sativa L. 'Pflück Lettuce', DE)를 종이 타월에 파종하고 발아 트레이(13cm x 18cm x 6cm)에 넣었습니다. 트레이를 포화될 때까지 수돗물로 수화시켰다. 묘목은 23°C(± 0.7°C)에서 성장했으며 90%(± 3%)의 상대 습도는 디지털 습도 및 온도 센서(AM2301, DHT21 센서, DE)로 15분마다 측정했습니다.

10일 후 , 상추 식물이 작은 첫 번째 진정한 잎을 개발했을 때 묘목을 딥 플로우 기술(DFT) 수경재배 내에 설치된 성장 챔버에 이식했습니다. 문화 시스템. 5N–3P–8K 비료로 구성된 영양 용액 (IKEA VÄXER 비료, DE) 10L 저수지에 보관되었습니다.

용액은 240L/h 공기 펌프에 부착된 5cm 직경의 에어 스톤 볼로 지속적으로 폭기되었습니다. DFT 홈통의 상단으로 자른 직경 2.5cm의 구멍에 식물을 배치하여 재배 배지 바닥의 1.5~2cm가 잠기도록 했습니다.

일주일 후, 상추는 유사한 매개변수를 가진 더 큰 시스템에 이식되었습니다.

여기에는 새로운 것이 없습니다. 클래식 차고 수경법입니다!))

결과

굉장하다아아아? 4주 진행!

당신이 당신의 자신의 상추를 재배하는 데 너무 많은 시간을 할애했다면, 그것은 슈퍼마켓의 상추와 경쟁할 수 없습니다. 아침 샌드위치에 신선한 상추 잎 먹기 - 젠장 맛있다!

예, 이 LED 패널이 프랑켄슈타인처럼 보인다는 것을 알고 있습니다. 그러나 그것을 매우 원시적인 기능적 프로토타입으로 생각하십시오.

전반적으로 LED 패널의 성능에 정말 만족했습니다. 그러나 다음 어셈블리에서는 일부 흰색 LED를 주요 광원으로 추가하고 나머지 색상을 추가하여 스펙트럼을 완성합니다.

몇 가지 추가 개선 사항은 모든 것을 PCB에 직접 납땜하고 기본적으로 최종 제품 모양을 제공하기 위해 좀 더 멋지게 포장하는 것입니다. 미래를 위한 작업, 계속 업데이트;)

이상적인 '가벼운 요리법'은 여전히 ​​복잡한 주제이지만, 조사하고, 맞춤화하고, 집에서 다양한 조합을 시도하는 것은 정말 큰 일의 일부가 된 기분을 줍니다!

최종 메모

당신의 #음식은 어디에서 왔습니까? 얼마나 좋은가요?

이러한 질문에는 너무 많은 정보가 필요합니다. 우리가 시스템을 설계한 이유는 더 저렴한 식품이 최선의 목표가 아닐 수도 있기 때문입니다. , 그러나 영양 목표는 아님 또는 환경 관리

특정 유전적 집합을 가져와 특정 현상 또는 "기후"에 넣으면 무언가를 표현합니다. 그것을 표현형이라고 합니다. 우리는 어떤 조건에서 그 유전자가 풍미, 영양, 크기, 색상을 표현하는지 이해하기를 원합니다. 그래서 우리는 CO2, 온도, 습도, 광 스펙트럼, 광도 및 물의 미네랄과 같은 환경 요인을 설계하여 수확량을 늘리고 생산 시간을 단축합니다. , 식물의 맛, 모양 및 영양 함량에 영향을 미칩니다.

목표는 #MachineLearning에 대한 지식 기반을 구축하는 것입니다. &#AI , "디지털 기후 조리법"이라는 공유 언어 생성 오픈 소스 기술을 사용하여 모든 대륙에서 공유할 수 있는 실내 농업용입니다. 저는 농업의 다음 혁명이 개방형 과학을 기반으로 해야 한다고 믿습니다.

정말 멋진 것은 우리가 인간과 인간의 유전적 차이에 대해 배우고 있다는 것입니다. 그것은 당신이 무엇을 먹어야 하는지, 내가 무엇을 먹어야 하는지 또는 다른 사람이 무엇을 먹어야 하는지에 대한 많은 통찰력을 제공합니다.

당신에게 아주 특별한 것을 키운다고 상상해 보세요?!

축하합니다 - 성공했습니다

여기까지 왔다면 정말 완고함일 것입니다. 내 친구 :D

이 튜토리얼을 즐겁게 진행하고, 새로운 것을 배우고, 재미있기를 바랍니다. 이 글을 읽고 있습니다 :)

내가 여기에 쓴 모든 것에 도전하고 의심하고 동일한 문제에 접근할 수 있는 새롭고 혁신적인 방법을 생각하고 조치를 취하세요. !

우리가 아니라면 누구입니까?

최고,

드미트리 알봇

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