DIY Grow LED Light | Diseñando un sol mejor

Acerca de este proyecto

¿Está frustrado con los precios de los sistemas de iluminación de cultivo de alta calidad?

Para ser justos, la mayoría de las luces LED comerciales en Ebay y Amazon son una mierda que funciona como luces navideñas en lugar de sistemas de entrega de fotones de buen espectro de alta calidad.

En este tutorial, trato de mostrar los pasos para diseñar una luz de crecimiento LED personalizada y probar brevemente los resultados de mi instalación hidropónica interior irradiada por completo por las luces de bricolaje.

Ventajas:

• Código abierto
• Fácil de replicar
• Componentes básicos disponibles
• Fácil de personalizar para diferentes plantas y entornos
• BARATO (~ 40 $)
• ¡FUNCIONA!

Herramientas y materiales

Chips LED Cree

• Azul real de 3 W (450 nm)
• 3 W rojo oscuro (660 nm)
• Rojo lejano de 3 W (720 nm)
• 3 W UV (365 nm)
• 3 W verde (520 nm)
• Disipador de calor de aluminio
• MOSFET (IRL2203N)
• Regulador de voltaje CC-CC ajustable
• Módulo RTC (DS3231)
• Arduino (cualquier versión)
• Ventilador (opcional)
• Fuente de alimentación de 12 V CC (mínimo 5 A)
• Adhesivo térmico

MOTIVACIÓN y buen humor :)

Introducción

Después de mi primer tutorial sobre Grow It Yourself (GIY), donde comparto mi experiencia en la construcción de un sistema de cultivo inteligente integrado, decidí sumergirme más profundamente en la ciencia de las plantas y tratar de usar mis habilidades tecnológicas para encontrar una solución más nivel fundamental

El sistema GIY, tan hermoso como parece, tenía algunos inconvenientes que limitaban su viabilidad en el mercado real. Un tema importante fue la luz

La luz es uno de los factores más importantes para el crecimiento y desarrollo de las plantas, ya que regula la fotosíntesis, el metabolismo, la morfogénesis, la expresión génica y otras respuestas fisiológicas de las plantas. Modificar la longitud de onda de la luz, el flujo de fotones (cantidad de luz) y el fotoperiodo permite ajustar la acumulación de biomasa, el tiempo de floración, el alargamiento del tallo y la calidad nutricional

La luz es el factor principal que determina el resultado del cultivo, también conocido como ¡Su valor! Hay muchas organizaciones que se centran en la iluminación para horticultura, líderes en el mercado de la iluminación en crecimiento como Philips, Illumitex, Valoya, SananBio, Osram, Samsugn, etc. ¡pero el problema principal sigue siendo el alto precio!

Entonces, eso es exactamente lo que intentamos abordar aquí))

La agricultura de interior, la agricultura urbana, las granjas verticales:siguen siendo tendencias nuevas y emergentes con un enorme potencial de ser una de las muchas soluciones para resolver la escasez de alimentos y alimentar a la población del futuro. Sin embargo, la próxima Revolución Agrícola debe basarse en un esfuerzo de colaboración, y creo firmemente que la comunidad de creadores y de código abierto es el lugar correcto para comenzar.

Antecedentes

* Este será un capítulo largo pero informativo que describe el POR QUÉ detrás de este tutorial. Explicaré términos y conceptos relevantes necesarios para tener una comprensión más amplia, así como revelar los mitos y conceptos erróneos comunes sobre Grow LED Lighting

Vaya directamente a las instrucciones de bricolaje si son irrelevantes

Entonces, para ser honesto, este es un tema bastante amplio y complejo que requiere miles de páginas para tener una buena comprensión. Sin embargo, intentaré ser breve y compartir algunos conceptos básicos sobre este mundo misterioso))

Las características de luz que influyen en el crecimiento y desarrollo de los pantalones se suelen atribuir a intensidad, calidad uniformidad, dirección, polarización, coherencia y patrón de iluminación . La luz sirve como fuente de energía para el crecimiento y desarrollo de las plantas a través de la fotosíntesis . , pero a través de fotorreceptores , la luz regula algunos procesos morfogenéticos como la floración, la apertura de los estomas, la expansión de las hojas, el alargamiento de las plantas y el reloj circadiano.

Clorofilas , junto con carotenoides , son los pigmentos fotosintéticos más abundantes que impulsan la fotosíntesis en plantas superiores. La clorofila existe en dos formas: clorofila a y clorofila b . Las clorofilas absorben la luz entre λ400 y 700 nm , conocida como radiación fotosintéticamente activa (PAR) o densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD) , con los picos principales de absorbancia en rojo (λ600–700 nm) y azul (λ400–500 nm) regiones del espectro. Sin embargo, las plantas pueden utilizar la mayor parte de la luz dentro de la región PAR para la fotosíntesis debido a los otros pigmentos (p. Ej., carotenoides ), que puede capturar de manera eficiente la luz que es mal absorbida por la clorofila.

MITO n. ° 1: de la información anterior, podemos derivar el origen del concepto erróneo común de que solo ROJO Y AZUL la luz es necesaria para la fotosíntesis debido a la clorofila ay b. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, la clorofila no es el único pigmento que lee información de la fuente de luz.

La conclusión es:si utiliza LED rojo / azul para irradiar un invernadero que es principalmente irradiado por el sol, aumentará el rendimiento general debido a las longitudes de onda máximas del rojo (λ600–700 nm) y el azul (λ400–500 nm). Si usa LED rojo / azul como la principal y única fuente de iluminación para su granja interior (sin acceso a otras fuentes de iluminación), entonces limita mucho el rendimiento general de las plantas

Índice de reproducción cromática (CRI) es una medida cuantitativa de la capacidad de una fuente de luz para revelar los colores de los objetos en comparación con la luz natural. Con CRI puede estimar qué tan cómoda es la luz para los ojos humanos.

Temperatura de color (CCT) valor se utiliza para describir el color de un espectro. Generalmente, el valor solo se usa para describir diferentes esquemas de color de luz blanca.

• CCT> 5000 K se denominan colores fríos ("blanco azulado")
• CCT <3000 K se denominan colores cálidos ("blanco amarillento a blanco rojizo")

MITO # 2 - CCT y CRI se introducen en la industria de la iluminación para describir fuentes de luz basadas en la visión humana (pico a 555 nm). Por lo tanto, CRI y CCT no son medidas útiles para fuentes de luz utilizadas en combinación con plantas. No se puede derivar el rendimiento del crecimiento, el fenotipo o los cambios morfológicos.

La intensidad de la luz en agricultura es una medida del PPFD y cuantificado como μmol fotones m-2 s-1 , que también se simplifica a μmol m-2 s-1 en el rango de PAR, que designa el espectro de radiación entre 400 y 700 nm que las plantas superiores pueden utilizar en el proceso de fotosíntesis. Integral de luz diaria (DLI) , el producto de PPFD y fotoperiodo , representa el flujo de fotones fotosintéticos (PPF) total emitido por una fuente de luz en 24 h, y comúnmente tiene una relación lineal con la biomasa vegetal y la acumulación de nutrientes

DLI =PPFD × fotoperíodo

Calidad de luz se refiere a la composición del espectro de luz que inducirá diferentes respuestas y jugará un papel decisivo en el crecimiento y desarrollo de las plantas. Además, la calidad de la luz impacta el metabolismo primario y secundario, afectando el metabolismo de carbohidratos y nitrógeno, la producción de color, sabor, compuestos volátiles y aromáticos, la calidad nutricional, así como los mecanismos de defensa de las plantas

UV (200 nm - 400 nm) - MEDIDAS DE PROTECCIÓN ante condiciones de mucha luz y estimulación de productos químicos repelentes de insectos . Mejora la acumulación de pigmento en las hojas, afecta la morfología de las hojas y las plantas.

Azul (400 nm - 500 nm) - Señal por falta de vecinos, no es necesario competir por la luz. Estimula la apertura estomática, inhibición del alargamiento del tallo, hojas más gruesas, orientación a la luz y floración fotoperiódica.

Verde (500 nm - 600 nm) - Señal de vecinos, competencia por la luz. Respuestas opuestas a la luz azul; cierre de estomas, algunos síntomas de evitación de la sombra, fotosíntesis mejorada en capas celulares más profundas

Rojo (600 nm - 700 nm) - Falta de señal de vecinos. Componente principal necesario para la fotosíntesis, inhibición del alargamiento del tallo, luz de señal

Rojo lejano (700 nm - 800 nm) - Luz de señal; Señal de vecinos, competencia por la luz. alargamiento, floración

* Cambiando el R:FR y B:G proporciones en un espectro que podemos manipular el crecimiento de las plantas

MITO # 3 - ¡No te olvides de la luz verde! Aunque la luz verde rara vez se ha considerado como una banda de ondas promotora de la biomasa y con frecuencia se descarta como útil para la fotosíntesis debido a la mínima absorción por los pigmentos de clorofila, informes recientes sugieren que puede tener un impacto directo e indirecto positivo en el desarrollo y la fotosíntesis de las plantas.

En consecuencia, se descubrió que la luz roja y azul impulsan la fijación de CO2 principalmente en el mesófilo de la empalizada superior del cloroplasto, mientras que la luz verde impulsa la fijación de CO2 en la empalizada inferior. De manera similar, se demostró que con un aumento de PPF, la luz verde puede mejorar la fotosíntesis al penetrar más profundamente en la hoja e impulsar la fijación de CO2 de los cloroplastos internos una vez que los cloroplastos superiores de las hojas individuales están saturados por la luz blanca. La luz verde contribuye considerablemente a la asimilación del carbono fotosintético y es esencial para estimular la acumulación de biomasa en las secciones más profundas de la hoja y el dosel inferior, donde la luz roja y azul casi se agotan.

La luz verde también envía una señal fuerte a la hoja, lo que permite un control más estricto de la adaptación a un entorno de luz cambiante o sombreado, y potencialmente aumenta la eficiencia del uso del agua dentro de las marquesinas

Mientras desarrollaban sistemas de iluminación LED para misiones espaciales, los científicos de la NASA descubrieron que la combinación de longitudes de onda rojas y azules producía una luz violeta intensa que hacía que las plantas se vieran gris / negras, lo que dificultaba a los trabajadores evaluar el estado de salud de las plantas. Sin embargo, según el autor, las plantas parecían verdes y la visualización de cualquier plaga, enfermedad o deficiencia de nutrientes fue mucho más fácil después de agregar algunas proporciones verdes a la receta ligera. También se encontró que la adición de luz verde influyó positivamente en el rendimiento de la planta

Creo que podemos detenernos aquí, antes de que se vuelva aún más confuso:D ¡Ahora hablemos de las cosas que necesitamos saber antes de construir el sistema LED real!)

LED de conducción

Debido a que los LED son fuentes de CC de bajo voltaje, necesitan un conjunto especial de componentes electrónicos para convertir la CA que fluye a través de las líneas eléctricas en una forma de CC regulada y utilizable

Cambio de reguladores , también conocidos como convertidores "DC-DC", "buck" o "boost", son una buena forma de controlar los LED. Los reguladores de conmutación pueden aumentar (aumentar) o reducir (reducir) el voltaje de entrada de la fuente de alimentación para que coincida con el voltaje necesario para alimentar el LED. Controla continuamente la corriente y se adapta para mantenerla constante con 80-95% de eficiencia energética

Se han introducido en el mercado muchos controladores de CA-CC para simplificar el proceso de encendido de los LED. Hay dos tipos principales de controladores LED, los que usan CA de alto voltaje potencia de entrada (normalmente 90 V - 277 V), también denominados controladores fuera de línea o controladores LED de CA y aquellos que utilizan CC de bajo voltaje potencia de entrada (típicamente 5V - 36V). En la mayoría de los casos, se recomiendan controladores de CC de bajo voltaje debido a su extrema eficiencia y confiabilidad

Gestión térmica

Aunque los LED se enfrían cuando se tocan, generan mucho calor debido a la ineficiencia de los semiconductores que producen luz. La eficiencia radiante total (la potencia de salida óptica en forma de luz dividida por la potencia de entrada eléctrica total) suele estar entre el 5% y el 40% , lo que significa que 60% - 95% de la potencia de entrada se pierde en forma de calor . A medida que aumenta la temperatura interna del LED, el voltaje directo y la salida de luz disminuyen, lo que hace que el LED consuma más corriente. Esto afecta no solo al brillo y la eficiencia del LED, sino también a la vida útil general. Eventualmente, el LED continuará consumiendo más corriente y calentándose más hasta que se apague, el fenómeno conocido como Fugitivo térmico .

Para mantener baja la temperatura del LED, existen dos soluciones de gestión térmica disponibles: técnicas de refrigeración pasiva y activa

Refrigeración pasiva , comúnmente utilizado en luminarias LED, logra un alto grado de convección natural y disipación de calor utilizando un disipador de calor. Disipadores de calor Desempeñan un papel importante en la iluminación LED porque proporcionan el camino para que el calor se disipe más fácilmente desde la fuente LED hacia el medio ambiente. La eficiencia de la disipación de calor se ve afectada directamente por la conductividad térmica del material del disipador de calor, siendo el mejor el cobre, pero debido a su precio, el aluminio se usa ampliamente para la mayoría de los disipadores de calor

Por otro lado, enfriamiento activo se basa en un dispositivo externo para aumentar la transferencia de calor a través de una mayor tasa de flujo de fluido, lo que aumenta drásticamente la tasa de disipación de calor. Las soluciones para el enfriamiento activo incluyen aire forzado usando un ventilador o soplador, líquido forzado y refrigeradores termoeléctricos, que se utilizan cuando la convección natural no es suficiente para mantener baja la temperatura. La gran desventaja del enfriamiento activo es la necesidad de electricidad, lo que resulta en costos más altos en comparación con la solución de enfriamiento pasivo

Técnicas de atenuación

La salida de luz total de un LED está determinada por la cantidad de corriente que fluye a través de él, y al controlar esa corriente, el nivel de brillo del LED se puede ajustar fácilmente

Los controladores de CC de bajo voltaje se pueden controlar de varias formas diferentes. La solución más sencilla para atenuar los LED es utilizar un potenciómetro , que es básicamente una resistencia con un contacto giratorio que forma un divisor de voltaje ajustable que proporciona un rango completo de 0% - 100% de atenuación

Otra solución óptima es la modulación por ancho de pulso (PWM) , que enciende y apaga la corriente enviada a través de un LED a alta frecuencia (varios miles de veces por segundo), y el valor promediado en el tiempo cuando el LED está encendido y apagado determinará el brillo del LED. Los LED también se pueden atenuar mediante reducción de corriente constante (CCR) , también llamado atenuación analógica que es un método eficiente y simple de control de brillo de LED

Los métodos de atenuación PWM y CCR tienen sus ventajas y inconvenientes . La técnica PWM comúnmente utilizada tiene un amplio rango de atenuación y puede controlar la salida de luz con una alta precisión . Por otro lado, es un equipo electrónico complejo y caro para producir corriente a una frecuencia lo suficientemente alta para evitar el parpadeo. La atenuación CRR es una muy eficiente método que no requiere componentes electrónicos costosos y permite ubicar los controladores de forma remota desde la luz LED. Sin embargo, CRR no es adecuado para atenuación de alta precisión donde se requieren niveles de luz por debajo del 10%

Montaje del panel LED

Para empezar, preparé todos los chips LED necesarios que se ordenaron con anticipación, que son Royal Blue (FV:3,2 - 3,6 V; FC:350 - 1000 mA), Rojo oscuro (FV:2,2 - 2,4 V; FC:350 - 1000 mA), Verde (FV:3,2 - 3,4 V; FC:350 - 700 mA) y Rojo lejano (FV:1.8 - 2.2V; FC:350 - 700mA)

Lo bueno de eso es la fácil personalización. Decidí no usar la luz ultravioleta en mi ensamblaje, pero agregar cualquier otro espectro al panel LED es bastante fácil, es cuestión de agregar un nuevo juego de LED como UV, blanco cálido / frío o cualquier otro color. Con suerte, tienes la lógica aquí))

Cada LED se conectó en series con un MOSFET (IRL2203N, TO-220) y controlado por modulación de ancho de pulso (PWM) señal procedente de Arduino MKR1000, lo que resultó en un control total sobre cada matriz de LED por separado en el panel de LED

Todos los LED estaban conectados a un disipador de calor de aluminio de 15x15cm utilizando la cinta térmica para garantizar una distribución uniforme del calor y evitar el sobrecalentamiento, y accionado por una fuente de alimentación DC 12V 20A , conectado a un regulador de voltaje ajustable (reductor DC-DC, LM2596) adjunta a cada LED para garantizar el suministro de voltaje correcto. Los LED se distribuyeron uniformemente en la superficie del disipador de calor para garantizar un tratamiento de calidad de iluminación adecuado sobre el dosel

La técnica de cableado principal sigue siendo la misma independientemente del número de LED. Si decide agregar más LED para aumentar la potencia de salida (PPFD total) o agregar otra matriz de LED (un nuevo espectro / color), use una técnica de cableado similar, simplemente ajuste el regulador de CC al voltaje adecuado

* Si conectó los LED en serie, sume la suma de los voltajes y ajústelo al regulador de CC en consecuencia (máx. 12 V para este convertidor CC-CC en particular)

Controlador de luz | Código Arduino

Si el propósito de su configuración es encender / apagar los LED, entonces en realidad no necesita un arduino ni el MOSFET. Al enchufar la fuente de alimentación a la pared, controlas todo el panel LED

Si desea tener un control total sobre cada matriz de LED, atenúe con precisión los canales separados, enciéndalos / apague de forma remota, o de acuerdo con un temporizador definido, simule el amanecer / atardecer, etc., ¡entonces siga las siguientes instrucciones!

En mi configuración, los paneles LED junto con otros sensores y actuadores para todo el sistema hidropónico, se controlaron usando Arduino MKR1000 . El software se basó en el código abierto "LightController" library, que es un programador de luz de 24 horas diseñado para proporcionar un soporte fácil para la luz de la luna, el amanecer / atardecer, la siesta, etc., y modificado para adaptarse al propósito de mis experimentos.

El software permite definir la cantidad de canales asociados con la cantidad de LED (un canal por LED o matriz de LED), programar el tiempo, seleccionar el modo de desvanecimiento y establecer el valor analógico (de 0 a 255) para aumentar de forma lineal o exponencial. o disminuir la intensidad del LED durante un intervalo de tiempo definido.

El software comprueba constantemente la hora real desde el módulo de reloj en tiempo real . (RTC DS3231, AT24C32) conectado a Arduino, y si el tiempo real coincide con el tiempo programado definido en el código, dispara el pin PWM y comienza a aumentar o disminuir el valor analógico, a lo cual el LED responde en cambio de intensidad.

Configuración hidropónica | Arranque de semillas

Las semillas de lechuga de hoja (Lactuca sativa L. 'Lechuga Pflück', DE) se sembraron en toallas de papel y se colocaron dentro de una bandeja de germinación (13cm x 18cm x 6cm). La bandeja se hidrató con agua del grifo hasta que se saturó. Las plántulas se cultivaron a 23 ° C (± 0,7 ° C) y la humedad relativa del 90% (± 3%) se midió cada 15 minutos mediante un sensor digital de humedad y temperatura (AM2301, sensor DHT21, DE)

Después de 10 días , cuando las plantas de lechuga desarrollaron una pequeña primera hoja verdadera, las plántulas se trasplantaron a cámaras de crecimiento instaladas dentro de una técnica hidropónica de flujo profundo (DFT) sistema de cultivo. Una solución nutritiva que consta de fertilizante 5N – 3P – 8K (IKEA VÄXER Fertilizer, DE) se llevó a cabo en un depósito de 10L

La solución se aireó constantemente con una bola de piedra de aire de 5 cm de diámetro unida a una bomba de aire de 240 l / h. Las plantas se colocaron en orificios de 2,5 cm de diámetro cortados en la parte superior de los comederos DFT, asegurándose de que entre 1,5 y 2 cm de la parte inferior del sustrato esté sumergido.

Después de una semana, la lechuga se trasplantó en un sistema más grande con parámetros similares

¡Nada nuevo aquí, hidroponía clásica de garaje!))

Resultados

Awesomee aaa? ¡Progreso de cuatro semanas!

Cuando ha pasado tanto tiempo cultivando su propia lechuga, simplemente no puede competir con la del supermercado. Comer hojas de lechuga frescas en un sándwich matutino: ¡F * uckin 'delicioso!

Sí, sé que este panel LED se ve ¡frankenstein! Pero considérelo un prototipo funcional muy básico

En general, quedé realmente satisfecho con el rendimiento del panel LED. Sin embargo, en mi próximo montaje agregaría algunos LED blancos como fuente de iluminación principal, y adicionalmente el resto de colores para completar el espectro.

Algunas mejoras adicionales serían soldar todo directamente en una PCB y, básicamente, empaquetarlo un poco mejor para darle un aspecto de producto final. Tarea para el futuro, manténgase actualizado;)

La 'receta ligera' ideal sigue siendo un tema complejo, pero investigar, personalizar y probar diferentes combinaciones en casa, ¡da una agradable sensación de ser parte de algo realmente grande!

Nota final

¿De dónde vino tu #comida? ¿Qué tan bueno es para ti?

Estas preguntas requieren mucha información, todo porque hemos diseñado el sistema tal vez no para el mejor objetivo: Más comida barata , pero no el objetivo de la nutrición o gestión medioambiental

Cuando tomas un determinado conjunto de genes y lo colocas dentro de un determinado fenómeno o "clima", expresará algo. Eso se llama fenotipo. Queremos entender bajo qué condiciones esa genética expresa sabor, nutrición, tamaño, color ... por eso diseñamos factores ambientales como CO2, temperatura, humedad, espectro de luz, intensidad de luz y mineralidad del agua para aumentar los rendimientos, reducir el tiempo de producción. e influyen en el sabor, la apariencia y el contenido nutricional de las plantas

El objetivo es crear una base de conocimientos para #MachineLearning & #AI y generar un lenguaje compartido de "recetas climáticas digitales" para la agricultura de interior, que se puede compartir en todos los continentes utilizando tecnologías de código abierto. Creo que la próxima revolución en la agricultura debe basarse en la ciencia abierta

Lo que es realmente genial es que estamos aprendiendo sobre la diferencia genética entre humano y humano, y eso nos brinda mucha información sobre lo que debes comer, en comparación con lo que yo debería comer o lo que debería comer otra persona.

¡¿Imagina cultivar algo muy específico para ti ?!

FELICIDADES - LO HAS HECHO

Si llegaste tan lejos, debes ser muy terco mi amigo:D

Espero que hayas disfrutado de este tutorial, hayas aprendido algo nuevo y te hayas divertido leyendo esto :)

Te animo a cuestionar y dudar de todo lo que escribí aquí, pensar en nuevas formas innovadoras de abordar el mismo problema y ACTUAR !

¿Quién, si no nosotros?

Lo mejor,

Dmitrii ALBOT

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