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.