DIYグローLEDライト|より良い太陽をデザインする

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このプロジェクトについて

高品質のグローライトシステムの価格に不満を感じていますか？

公平を期すために、EbayとAmazonの商用LEDライトのほとんどは、高品質の高スペクトル光子配信システムではなく、クリスマスライトのように機能します。

このチュートリアルでは、カスタムLEDグローライトを設計する手順を示し、DIYライトで完全に照射された屋内水耕栽培のセットアップの結果を簡単に証明します。

利点：

• オープンソース
• 複製が簡単
• 利用可能な基本コンポーネント
• さまざまな植物や環境に合わせて簡単にカスタマイズできます
• 安い（〜40 $）
• 機能します！

ツールと材料

CreeLEDチップ

• 3Wロイヤルブルー（450nm）
• 3Wディープレッド（660nm）
• 3Wファーレッド（720nm）
• 3W UV（365nm）
• 3Wグリーン（520nm）
• アルミニウムヒートシンク
• MOSFET（IRL2203N）
• 調整可能なDC-DC電圧レギュレーター
• RTCモジュール（DS3231）
• Arduino（任意のバージョン）
• ファン（オプション）
• 12V DC電源（最小5A）
• 熱接着剤

モチベーションと機嫌が良い：）

はじめに

統合されたスマート成長システムの構築の経験を共有するGrowIt Yourself（GIY）に関する最初のチュートリアルの後、私は植物科学をさらに深く掘り下げ、技術スキルを使用してより多くの解決策を考え出すことにしました。基本レベル

見た目と同じくらい美しいGIYシステムには、実際の市場での実現可能性を制限するいくつかの欠点がありました。重要な問題の1つは光でした

光は、植物の成長と発達にとって最も重要な要素の1つであり、植物の光合成、代謝、形態形成、遺伝子発現、およびその他の生理学的反応を調節します。光の波長、光子束（光の量）、および光周期を変更することで、バイオマスの蓄積、開花時間、茎の伸長、および栄養価を調整できます

光は作物の結果を決定する主な要因です 別名 その価値！ フィリップス、イルミテックス、バロヤ、サナンバイオ、オスラム、サムスグンなど、グローライト市場のリーダーである園芸照明に焦点を当てている組織はたくさんありますが、主な問題は依然として高価格です！

だから、まさにそれが私たちがここで取り組もうとしていることです））

屋内農業、都市農業、垂直農法は、食糧不足を解決し、将来の人口を養うための多くの解決策の1つになる可能性が非常に高い、まだ新しい新しいトレンドです。ただし、次の農業革命は共同作業に基づく必要があり、オープンソースとメーカーのコミュニティが出発点として適切であると強く信じています!!!

背景

*これは長いですが有益な章になります 理由 このチュートリアルの背後にあります。幅広い理解を得るために必要な関連用語と概念を説明し、Grow LEDLightingに関する一般的な神話と誤解を明らかにします。

関係がない場合は、DIYの手順に直接スキップしてください

したがって、正直なところ、これは非常に広範で複雑なトピックであり、十分に理解するには数千ページが必要です。しかし、私は短くして、この神秘的な世界にいくつかの基本を共有しようとします））

パンツの成長と発達に影響を与える光の特性は、一般的に強度、品質に起因します。 均一性、方向、偏光、コヒーレンス、および照明のパターン 。光は、光合成を通じて植物の成長と発達のためのエネルギー源として機能します 、しかし光受容体を介して 、光は、開花、気孔の開口、葉の拡大、植物の伸長、概日時計などのいくつかの形態形成過程を調節します。

クロロフィル 、カロテノイド は、高等植物の光合成を促進する最も豊富な光合成色素です。クロロフィルは2つの形態で存在します— クロロフィルa およびクロロフィルb 。クロロフィルは λ400〜700 nm の光を吸収します 、光合成有効放射（PAR）として知られています または光合成光子束密度（PPFD） 、赤（λ600–700 nm）に吸光度の主なピークがあります および青（λ400–500 nm） スペクトルの領域。それにもかかわらず、植物は他の色素（カロテノイドなど）により、PAR領域内のほとんどの光を光合成に使用できます。 ）、クロロフィルによって吸収されにくい光を効率的に取り込むことができます。

神話＃1- 上記の情報から、赤と青のみという一般的な誤解の原因を導き出すことができます。 クロロフィルaとbのため、光合成には光が必要です。ただし、前述のように、光源から情報を読み取る色素はクロロフィルだけではありません！

結論は次のとおりです。赤/青のLEDを使用して、主に太陽が照射される温室を照射すると、赤（λ600–700 nm）と青（λ400–500 nm）のピーク波長により、全体的なパフォーマンスが向上します。屋内農場の主で唯一の光源として赤/青のLEDを使用する場合（他の光源へのアクセスがない場合）、植物の全体的なパフォーマンスを大幅に制限します

演色評価数（CRI） 自然光と比較してオブジェクトの色を明らかにする光源の能力の定量的尺度です。 CRIを使用すると、光が人間の目にどれほど快適かを推定できます。

色温度（CCT） 値は、スペクトルの色を表すために使用されます。通常、この値は、白色光のさまざまな配色を説明するためにのみ使用されます。

• CCT> 5000 Kはクールカラー（「青みがかった白」）と呼ばれます
• CCT <3000 Kは暖色と呼ばれます（「黄白色から赤みがかった白」）

神話＃2- CCTとCRIは、人間の視覚（555 nmでピーク）に基づいた光源を説明するために照明業界から導入されました。したがって、CRIとCCTは、植物と組み合わせて使用​​される光源の有用な手段ではありません。成長パフォーマンス、表現型、または形態学的変化を導き出すことはできません。

光の強さ 農業では PPFD の尺度です μmol光子m-2s-1 として定量化されます 、これもμmolm-2s-1に簡略化されます PARの範囲で、高等植物が光合成の過程で使用できる400〜700nmの放射スペクトルを指定します。 デイリーライトインテグラル（DLI） 、 PPFD の製品 およびフォトピリオド は、24時間に光源から放出される光合成光子フラックス（PPF）の合計を表し、通常、植物バイオマスおよび栄養素の蓄積と線形関係にあります

DLI =PPFD×光周期

光の質 さまざまな応答を誘発し、植物の成長と発達に決定的な役割を果たす光スペクトルの構成を指します。さらに、光の質は一次および二次代謝に影響を与え、炭水化物と窒素の代謝、色、風味、揮発性および芳香族化合物の生成、栄養価、および植物の防御メカニズムに影響を与えます

UV（200nm-400nm） -高照度条件および昆虫忌避化学物質の刺激に対する保護措置 。葉への色素の蓄積を促進し、葉と植物の形態に影響を与えます。

青（400nm – 500nm） -隣人がいないことを示す信号。光を奪い合う必要はありません。 気孔の開口部、茎の伸長阻害、葉の厚さ、光への配向、および光周性開花を刺激します。

緑（500nm – 600nm） -隣人の合図、光の競争。 青色光とは反対の反応。気孔の閉鎖、いくつかの日陰回避症状、より深い細胞層での光合成の強化

赤（600nm – 700nm） -隣人の不足の合図。 光合成、茎伸長阻害、信号灯に必要な主成分

ファーレッド（700nm – 800nm） -信号灯; 隣人の合図、光の競争。伸び、開花

* を変更する R：FR および B：G 可能なスペクトルの比率 植物の成長を操作する

神話＃3-グリーンライトを忘れないでください！ 緑色光がバイオマス促進波長帯と見なされることはめったになく、クロロフィル色素による吸収が最小限であるため、光合成に有用であるとしばしば無視されますが、最近の報告は、緑色光が植物の成長と光合成に正の直接的および間接的な影響を与える可能性があることを示唆しています。

したがって、赤と青の光は主に葉緑体の上部パリセーズ葉肉でCO2固定を促進し、緑色の光は下部パリセーズでCO2固定を促進することがわかった。同様に、PPFを増やすと、緑色の光が葉の奥深くまで浸透し、個々の葉の上部の葉緑体が白色光で飽和すると、内側の葉緑体のCO2固定を促進することで光合成を改善できることが証明されました。緑色の光は、光合成による炭素同化に大きく貢献し、赤色と青色の光がほとんど枯渇している葉のより深い部分と下部の林冠でのバイオマス蓄積を刺激するのに不可欠です。

緑色の光はまた、葉に強い信号を送り、日陰または変化する光環境への適応をより厳密に制御できるようにし、キャノピー内の水利用効率を高める可能性があります

NASAの科学者は、宇宙ミッション用のLED照明システムを開発しているときに、赤と青の波長の組み合わせによって、植物が灰色/黒に見えるような粗い紫色の光が生成され、労働者が植物の健康状態を評価するのが困難になることを発見しました。しかし、著者によると、植物は緑色に見え、光のレシピにいくつかの緑色の比率を追加した後、害虫、病気、または栄養不足の視覚化ははるかに簡単でした。また、緑色光の添加が植物の収量にプラスの影響を与えることがわかりました

さらに混乱する前に、ここで停止できると思います：D それでは、実際のLEDシステムを構築する前に知っておくべきことについて話しましょう！）

LEDの駆動

LEDは低電圧DC電源であるため、電力線を流れるACを使用可能で安定化されたDC形式に変換するための特別な電子機器のセットが必要です

レギュレーターの切り替え は、「DC-DC」、「バック」、または「ブースト」コンバータとも呼ばれ、LEDを駆動するための優れた方法です。スイッチングレギュレータは、電源入力電圧をステップアップ（ブースト）またはステップダウン（バック）して、LEDに電力を供給するために必要な電圧に一致させることができます。継続的に電流を制御し、 80〜95％の電力効率で一定に保つように適応します

LEDに電力を供給するプロセスを簡素化するために、多くのAC-DCドライバーが市場に投入されています。 LEDドライバーには主に2つのタイプがあります。高電圧AC を使用するものです。 入力電源（通常は90V〜277V）。オフラインドライバーまたは ACLEDドライバーとも呼ばれます。 、および低電圧DC を使用するもの 入力電力（通常は5V〜36V）。ほとんどの場合、非常に効率的で信頼性が高いため、低電圧DCドライバーをお勧めします

熱管理

LEDは触れると涼しくなりますが、光を生成する半導体の効率が悪いため、大量の熱を発生します。 総放射効率 （光の形での光出力電力を総電気入力電力で割ったもの）は通常 5％から40％の間です 、つまり、入力電力の60％〜95％が熱として失われます 。 LEDの内部温度が上昇すると、順方向電圧と光出力が低下し、LEDがより多くの電流を引き込むようになります。これは、LEDの明るさと効率だけでなく、全体的な寿命にも影響します。最終的に、LEDは、それ自体が燃え尽きるまで、より多くの電流を引き込み、より熱くなり続けます。これは、熱暴走として知られる現象です。

LEDの温度を低く保つために、利用可能な2つの熱管理ソリューションがあります。パッシブおよびアクティブ冷却技術

パッシブ冷却 は、LED器具で一般的に使用されており、ヒートシンクを使用して高度な自然対流と熱放散を実現します。 ヒートシンク LED光源から環境への熱の放散を容易にするための経路を提供するため、LED照明で重要な役割を果たします。熱放散の効率は、ヒートシンク材料の熱伝導率に直接影響されます。銅が最適ですが、価格が高いため、アルミニウム ヒートシンクの大部分に広く使用されています

一方、アクティブ冷却 外部デバイスに依存して、より高い流体流量による熱伝達を増加させます。これにより、熱放散率が劇的に増加します。アクティブ冷却のソリューションには、ファンを使用した強制空気が含まれます またはブロワー、強制液体 、および熱電冷却器。自然対流が温度を低く保つのに十分でない場合に使用されます。アクティブ冷却の大きな欠点は、電気が必要なことです。これにより、パッシブ冷却ソリューションと比較してコストが高くなります

調光テクニック

LEDの総光出力は、LEDを流れる電流の量によって決まり、その電流を制御することで、LEDの明るさのレベルを簡単に調整できます

低電圧DCドライバーは、いくつかの異なる方法を使用して制御できます。 LEDを暗くする最も簡単な解決策は、ポテンショメータを使用することです。 、これは基本的に、 0％– 100％調光の全範囲を提供する調整可能な分圧器を形成する回転接点を備えた抵抗器です。

もう1つの最適なソリューションは、パルス幅変調（PWM）です。 、LEDを介して送られる電流を高周波（1秒間に数千回）でオンとオフに切り替え、LEDがオンとオフのときの時間平均値がLEDの明るさを決定します。 LEDは、定電流低減（CCR）によって調光することもできます。 、アナログ調光とも呼ばれます これは、LED輝度制御の効率的で簡単な方法です

PWMとCCRの両方の調光方法には、利点があります。 および欠点 。一般的に使用されるPWM技術には、広い調光範囲があります。 高精度で光出力を制御できます 。一方、複雑で高価な電子機器が必要です ちらつきを防ぐのに十分高い周波数で電流を生成します。 CRR調光は非常に効率的です 高価な電子機器を必要とせず、ドライバーをLEDライトから離れた場所に配置できる方法。ただし、CRRは高精度の調光には適していません 10％未満の光レベルが必要な場合

LEDパネルの組み立て

まず、事前に注文したロイヤルブルーの必要なLEDチップをすべて用意しました。 （FV：3.2 – 3.6V; FC：350 – 1000mA）、ディープレッド （FV：2.2 – 2.4V; FC：350 – 1000mA）、緑 （FV：3.2 – 3.4V; FC：350 – 700mA）、およびファーレッド （FV：1.8 – 2.2V; FC：350 – 700mA）

それについての美しい部分は、簡単なカスタマイズです。アセンブリでUVライトを使用しないことにしましたが、LEDパネルに他のスペクトルを追加するのは非常に簡単で、UV、ウォーム/コールドホワイト、その他の色などの新しいLEDセットを追加するだけです。うまくいけば、ここにロジックがあります））

各LEDはシリーズで接続されていました MOSFET （IRL2203N、TO-220）およびパルス幅変調によって制御されます（PWM） Arduino MKR1000、からの信号 その結果、LEDパネル内の個別のLEDアレイを完全に制御できるようになりました

すべてのLEDは 15x15cmのアルミニウムヒートシンクに取り付けられていました サーマルテープを使用して均一な熱分布を確保し、過熱を回避し、 DC 12V20A電源で駆動します 、調整可能な電圧レギュレータ（DC-DC降圧、LM2596）に接続されています 適切な電圧供給を確保するために各LEDに取り付けられています。 LEDはヒートシンクの表面に均等に配置され、キャノピーの上の適切な照明品質の処理を保証します

主な配線技術は、LEDの数に関係なく同じです。 LEDを追加して出力（合計PPFD）を増やすか、LEDの別のアレイ（新しいスペクトル/色）を追加する場合は、同様の配線手法を使用します。DCレギュレーターを適切な電圧に調整するだけです。

* LEDを直列に接続した場合は、電圧の合計を合計し、それに応じてDCレギュレーターに設定します（この特定のDC-DCコンバーターの場合は最大12V）

ライトコントローラー| Arduinoコード

セットアップの目的がLEDのオン/オフを切り替えることである場合、実際にはarduinoとMOSFETは必要ありません。電源を壁に接続することで、LEDパネル全体を制御できます

各LEDアレイを完全に制御したい場合は、個別のチャネルを正確に暗くするか、リモートでオン/オフを切り替えるか、定義されたタイマーに従って、日の出/日の入りなどをシミュレートしてから、次の手順に従ってください！

私のセットアップでは、水耕栽培システム全体の他のセンサーやアクチュエーターと一緒にLEDパネルを、 Arduino MKR1000 を使用して制御しました。 。このソフトウェアは、オープンソースの「LightController」に基づいていました。 ライブラリは、月明かり、日の出/日の入り、シエスタなどを簡単にサポートするように設計された24時間のライトスケジューラであり、私の実験の目的に合わせて変更されています。

このソフトウェアでは、LEDの数に関連付けられたチャネル数（LEDまたはLEDアレイごとに1つのチャネル）を定義し、時間をスケジュールし、フェージングモードを選択し、アナログ値（0〜255）を線形または指数関数的に増加するように設定できます。または、定義された時間間隔でLEDの強度を下げます。

ソフトウェアは、リアルタイムクロックモジュールから実際の時刻を常にチェックしています。 （RTC DS3231、AT24C32）Arduinoに接続され、リアルタイムがコードで定義されたスケジュールされた時間と一致すると、PWMピンがトリガーされ、アナログ値の増減が開始され、LEDが強度の変化に応答します。

水耕栽培のセットアップ|シード開始

葉物レタスの種 （Lactuca sativa L.「PflückLettuce」、DE）をペーパータオルに播種し、発芽トレイ（13cm x 18cm x 6cm）の中に入れました。トレイは飽和するまで水道水で水和されました。苗木は23°C（±0.7°C）で栽培され、相対湿度90％（±3％）がデジタル湿度および温度センサー（AM2301、DHT21センサー、DE）によって15分ごとに測定されました

10日後 、レタス植物が小さな最初の本葉を発達させたとき、苗木はディープフローテクニック（DFT）水耕栽培内に設置された成長チャンバーに移植されました。 文化システム。 5N–3P–8K肥料で構成される養液 （IKEAVÄXER肥料、DE）は10Lの貯水池で開催されました

溶液は、240L / hのエアポンプに取り付けられた直径5cmのエアストーンボールで絶えず曝気されました。植物は、DFTトラフの上部に切り込まれた直径2.5 cmの穴に配置され、成長中の培地の下部の1.5〜2cmが水没していることを確認しました。

1週間後、レタスは同様のパラメーターを持つより大きなシステムに移植されました

ここでは何も新しいことはありません、古典的なガレージ水耕栽培！））

結果

Awesomee aaa？ 4週間の進歩！

あなたが自分のレタスを育てるのに多くの時間を費やしたとき、それはスーパーマーケットのものと競争することはできません。朝のサンドイッチで新鮮なレタスの葉を食べる- F * uckin'delicious！

はい、このLEDパネルはフランケンシュタインっぽいです！ しかし、それを非常に生の機能的なプロトタイプと考えてください

全体的に、LEDパネルの性能には本当に満足しました。ただし、次のアセンブリでは、主要な光源としていくつかの白色LEDを追加し、さらに残りの色を追加してスペクトルを完成させます。

いくつかの追加の改善は、すべてをPCBに直接はんだ付けし、基本的にそれを少し良くパッケージ化して最終製品の外観を与えることです。将来の課題、最新情報を入手してください;）

理想的な「軽いレシピ」はまだ複雑なトピックですが、自宅でさまざまな組み合わせを調べたり、カスタマイズしたり、試したりすることで、本当に大きなものの一部であるという心地よい気分になります！

ファイナルノート

あなたの#foodはどこから来たのですか？それはあなたにとってどれほど良いですか？

これらの質問には非常に多くの情報が必要です。これは、システムが最善の目標ではない可能性があるためです。より安い食べ物 、ただし栄養の目標ではありません 、または環境スチュワードシップ

特定の遺伝学のセットを取り、それを特定のフェノーム、つまり「気候」の中に入れると、それは何かを表現します。それは表現型と呼ばれます。これらの遺伝学がどのような条件下で風味、栄養、サイズ、色を表現するのかを理解したいので、CO2、温度、湿度、光スペクトル、光強度、水のミネラルなどの環境要因を設計して、収量を増やし、生産時間を短縮します、植物の味、外観、栄養成分に影響を与えます

目標は、 #MachineLearning の知識の基盤を構築することです ＆ #AI 、「デジタル気候レシピ」の共有言語を生成します 屋内農業の場合、オープンソース技術を使用してすべての大陸で共有できます。農業の次の革命はオープンサイエンスに基づく必要があると私は信じています

本当にクールなのは、人間と人間の遺伝的違いについて学んでいることです。それは、あなたが何を食べるべきか、私が何を食べるべきか、または他の誰かが何を食べるべきかについて、非常に多くの洞察を提供します。

あなたに非常に固有の何かを育てることを想像してみてください！

おめでとうございます-あなたはそれを作りました

ここまで到達した場合は、本当に頑固である必要があります 私の友達：D

このチュートリアルを楽しんで、何か新しいことを学び、楽しんだことを願っています。 これを読んで：）

私がここに書いたすべてに挑戦して疑いを持ち、同じ問題に取り組むための新しい革新的な方法を考え、行動を起こすことをお勧めします ！

誰、私たちでなければ？

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Dmitrii ALBOT

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