Lumière LED de culture de bricolage | Concevoir un meilleur soleil

Outils et machines nécessaires

Ruban, thermoconducteur

Applications et services en ligne

Arduino IDE

À propos de ce projet

Êtes-vous frustré par les prix des systèmes d'éclairage de culture de haute qualité ?

Pour être juste, la plupart des lumières LED commerciales sur Ebay et Amazon sont totalement merdiques et fonctionnent comme des lumières de Noël plutôt que des systèmes de diffusion de photons à spectre de haute qualité.

Dans ce didacticiel, j'essaie de montrer les étapes de conception d'une lampe de culture à LED personnalisée et de prouver brièvement les résultats de ma configuration hydroponique intérieure entièrement irradiée par les lumières de bricolage.

Avantages :

• Open source
• Facile à reproduire
• Composants de base disponibles
• Facilement personnalisable pour différentes plantes et environnements
• BON MARCHÉ (~40$)
• ÇA MARCHE !

Outils et matériaux

Puces LED Cree

• Bleu royal 3 W (450 nm)
• Rouge profond 3 W (660 nm)
• Rouge lointain 3 W (720 nm)
• UV 3 W (365 nm)
• Vert 3 W (520 nm)
• Dissipateur thermique en aluminium
• MOSFET (IRL2203N)
• Régulateur de tension DC-DC réglable
• Module RTC (DS3231)
• Arduino (toute version)
• Ventilateur (facultatif)
• Alimentation 12 V CC (min. 5 A)
• Adhésif thermique

MOTIVATION &Bonne Humeur :)

Présentation

Après mon premier tutoriel sur Grow It Yourself (GIY), où je partage mon expérience dans la construction d'un système de culture intelligent intégré, j'ai décidé de plonger plus profondément dans la science végétale et d'essayer d'utiliser mes compétences techniques pour trouver une solution plus niveau fondamental

Le système GIY, aussi beau soit-il, présentait quelques inconvénients qui limitaient sa faisabilité sur le marché réel. Un problème important était la lumière

La lumière est l'un des facteurs les plus importants pour la croissance et le développement des plantes, régulant la photosynthèse, le métabolisme, la morphogenèse, l'expression des gènes et d'autres réponses physiologiques des plantes. La modification de la longueur d'onde de la lumière, du flux de photons (quantité de lumière) et de la photopériode permet d'ajuster l'accumulation de biomasse, la période de floraison, l'allongement de la tige et la qualité nutritionnelle

La lumière est le principal facteur qui détermine le résultat de la récolte, aka sa valeur ! Il existe de nombreuses organisations qui se concentrent sur l'éclairage horticole, des leaders sur le marché de la lumière de croissance telles que Philips, Illumitex, Valoya, SananBio, Osram, Samsugn etc. mais le principal problème reste le prix élevé !

C'est donc exactement ce que nous essayons d'aborder ici))

L'agriculture d'intérieur, l'agriculture urbaine, les fermes verticales - sont encore des tendances nouvelles et émergentes avec un énorme potentiel d'être l'une des nombreuses solutions pour résoudre la pénurie alimentaire et nourrir la future population. Cependant, la prochaine révolution agricole doit être basée sur un effort de collaboration, et je crois fermement que la communauté open-source et maker est le bon endroit pour commencer !!!

Contexte

*Ce sera un chapitre long mais informatif décrivant le Pourquoi derrière ce tutoriel. J'expliquerai les termes et concepts pertinents nécessaires pour avoir une compréhension plus large, ainsi que révéler les mythes et idées fausses courants sur Grow LED Lighting

Passez directement aux instructions de bricolage si cela n'est pas pertinent

Donc, pour être honnête, il s'agit d'un sujet assez vaste et complexe qui nécessite des milliers de pages pour bien comprendre. Cependant, je vais essayer d'être bref et de partager quelques notions de base sur ce monde mystérieux))

Les caractéristiques de la lumière qui influencent la croissance et le développement des pantalons sont généralement attribuées à l'intensité, la qualité uniformité, direction, polarisation, cohérence et modèle d'éclairage . La lumière sert de source d'énergie pour la croissance et le développement des plantes grâce à la photosynthèse , mais via des photorécepteurs , la lumière régule certains processus morphogénétiques tels que la floraison, l'ouverture des stomates, l'expansion des feuilles, l'allongement de la plante et l'horloge circadienne.

Chlorophylles , ainsi que des caroténoïdes , sont les pigments photosynthétiques les plus abondants qui stimulent la photosynthèse chez les plantes supérieures. La chlorophylle existe sous deux formes :chlorophylle a et chlorophylle b . Les chlorophylles absorbent la lumière entre λ400 et 700 nm , connu sous le nom de rayonnement photosynthétiquement actif (PAR) ou densité de flux de photons photosynthétiques (PPFD) , avec les principaux pics d'absorbance dans le rouge (λ600–700 nm) et bleu (λ400–500 nm) régions du spectre. Néanmoins, les plantes peuvent utiliser la majeure partie de la lumière dans la région PAR pour la photosynthèse en raison des autres pigments (par exemple, les caroténoïdes ), qui permet de capter efficacement la lumière mal absorbée par la chlorophylle.

MYTHE #1 - à partir des informations ci-dessus, nous pouvons déduire l'origine de l'idée fausse commune selon laquelle uniquement ROUGE &BLEU la lumière est nécessaire à la photosynthèse à cause de la chlorophylle a et b. Cependant, comme mentionné ci-dessus, la chlorophylle n'est pas le seul pigment qui lit les informations de la source lumineuse !

La conclusion est la suivante :si vous utilisez des LED rouges/bleues pour irradier une serre principalement irradiée par le soleil, vous augmenterez les performances globales en raison des longueurs d'onde maximales du rouge (λ600-700 nm) et du bleu (λ400-500 nm). Si vous utilisez des LED rouges/bleues comme source d'éclairage principale et unique pour votre ferme d'intérieur (pas d'accès à d'autres sources d'éclairage), alors vous limitez considérablement les performances globales des plantes

Indice de rendu des couleurs (IRC) est une mesure quantitative de la capacité d'une source lumineuse à révéler les couleurs des objets par rapport à la lumière naturelle. En utilisant l'IRC, vous pouvez estimer le confort de la lumière pour les yeux humains.

Température de couleur (CCT) valeur est utilisée pour décrire la couleur d'un spectre. Généralement, la valeur n'est utilisée que pour décrire différents schémas de couleurs de lumière blanche.

• CCT> 5000 K sont appelés couleurs froides ("blanc bleuté")
• Les CCT <3000 K sont appelées couleurs chaudes (« blanc jaunâtre à blanc rougeâtre »)

MYTHE #2 - CCT et CRI sont introduits par l'industrie de l'éclairage pour décrire les sources lumineuses basées sur la vision humaine (pic à 555 nm). Par conséquent, le CRI et le CCT ne sont pas des mesures utiles pour les sources lumineuses utilisées en combinaison avec des plantes. On ne peut pas déduire les performances de croissance, le phénotype ou les changements morphologiques.

L'intensité lumineuse en agriculture est une mesure du PPFD et quantifié en μmol photons m-2 s-1 , qui est également simplifié en μmol m-2 s-1 dans la gamme du PAR, qui désigne le spectre de rayonnement entre 400 et 700 nm que les plantes supérieures sont capables d'utiliser dans le processus de photosynthèse. Lumière intégrale quotidienne (DLI) , le produit de PPFD et photopériode , représente le flux total de photons photosynthétiques (PPF) émis par une source lumineuse en 24h, et a généralement une relation linéaire avec la biomasse végétale et l'accumulation de nutriments

DLI =PPFD × photopériode

Qualité de la lumière fait référence à la composition du spectre lumineux qui va induire des réponses différentes et jouer un rôle déterminant dans la croissance et le développement des plantes. De plus, la qualité de la lumière a un impact sur le métabolisme primaire et secondaire, affectant le métabolisme des glucides et de l'azote, la production de couleur, de saveur, de composés volatils et aromatiques, la qualité nutritionnelle, ainsi que les mécanismes de défense des plantes

UV (200 nm - 400 nm) - MESURES DE PROTECTION contre les conditions de forte luminosité et stimulation des produits chimiques répulsifs contre les insectes . Améliore l'accumulation de pigment dans les feuilles, affecte la morphologie des feuilles et des plantes.

Bleu (400 nm – 500 nm) - Signal par manque de voisins, pas besoin de rivaliser pour la lumière. Stimule l'ouverture des stomates, l'inhibition de l'allongement de la tige, des feuilles plus épaisses, l'orientation vers la lumière et la floraison photopériodique.

Vert (500 nm – 600 nm) - Signal des voisins, compétition pour la lumière. Réponses opposées à la lumière bleue ; fermeture des stomates, certains symptômes d'évitement de l'ombre, photosynthèse améliorée dans les couches cellulaires plus profondes

Rouge (600 nm – 700 nm) - Manque de signal des voisins. Composant principal nécessaire à la photosynthèse, inhibition de l'allongement de la tige, signal lumineux

Rouge lointain (700 nm – 800 nm) - Signal lumineux ; Signal de voisins, compétition pour la lumière. allongement, floraison

*En modifiant le R:FR et B:G ratios dans un spectre que nous pouvons manipuler la croissance des plantes

MYTHE #3 - N'oubliez pas le feu vert ! Même si la lumière verte a rarement été considérée comme une bande d'ondes favorisant la biomasse et est souvent considérée comme utile pour la photosynthèse en raison de l'absorption minimale par les pigments de chlorophylle, des rapports récents suggèrent qu'elle peut avoir un impact direct et indirect positif sur le développement des plantes et la photosynthèse.

En conséquence, il a été constaté que la lumière rouge et bleue entraîne la fixation du CO2 principalement dans le mésophylle de la palissade supérieure du chloroplaste, tandis que la lumière verte entraîne la fixation du CO2 dans la palissade inférieure. De même, il a été prouvé qu'avec une augmentation du PPF, la lumière verte peut améliorer la photosynthèse en pénétrant plus profondément dans la feuille et en entraînant la fixation du CO2 des chloroplastes internes une fois que les chloroplastes supérieurs des feuilles individuelles sont saturés par la lumière blanche. La lumière verte contribue considérablement à l'assimilation du carbone photosynthétique et est essentielle pour stimuler l'accumulation de biomasse dans les sections plus profondes de la feuille et de la canopée inférieure, où la lumière rouge et bleue est presque épuisée.

La lumière verte envoie également un signal fort à la feuille, permettant un contrôle plus strict de l'adaptation à un environnement lumineux ombragé ou changeant, et augmentant potentiellement l'efficacité de l'utilisation de l'eau dans les auvents

Lors du développement de systèmes d'éclairage à LED pour les missions spatiales, les scientifiques de la NASA ont découvert que la combinaison des longueurs d'onde rouges et bleues produisait une lumière violette dure qui donnait aux plantes un aspect gris/noir, ce qui rendait difficile pour les travailleurs d'évaluer l'état de santé des plantes. Cependant, selon l'auteur, les plantes semblaient vertes et la visualisation de tout parasite, maladie ou carence en éléments nutritifs était beaucoup plus facile après avoir ajouté des proportions vertes à la recette légère. Il a également été constaté que l'ajout de lumière verte influençait positivement le rendement de la plante

Je pense que nous pouvons nous arrêter ici, avant que cela ne devienne encore plus confus :D Parlons maintenant des choses que nous devons savoir avant de construire le système LED réel !)

LED de conduite

Étant donné que les LED sont des sources CC basse tension, elles ont besoin d'un ensemble spécial d'électronique pour convertir le courant alternatif qui traverse les lignes électriques en une forme CC utilisable et régulée

Régulateurs à découpage , également connus sous le nom de convertisseurs « DC-DC », « buck » ou « boost », sont un bon moyen de piloter les LED. Les régulateurs à découpage peuvent augmenter (augmenter) ou diminuer (abaisser) la tension d'entrée de l'alimentation pour correspondre à la tension nécessaire pour alimenter la LED. Il contrôle en permanence le courant et s'adapte pour le maintenir constant avec une efficacité énergétique de 80 à 95 %

De nombreux pilotes AC-DC ont été mis sur le marché pour simplifier le processus d'alimentation des LED. Il existe deux principaux types de pilotes de LED, ceux qui utilisent le courant alternatif haute tension puissance d'entrée (généralement 90 V – 277 V), également appelée pilotes hors ligne ou pilotes de LED CA , et ceux qui utilisent basse tension CC puissance d'entrée (généralement 5V - 36V). Dans la plupart des cas, les pilotes CC basse tension sont recommandés en raison de leur efficacité et de leur fiabilité extrêmes

Gestion thermique

Même si les LED sont froides au toucher, elles génèrent beaucoup de chaleur en raison de l'inefficacité des semi-conducteurs qui produisent la lumière. L'efficacité rayonnante totale (puissance de sortie optique sous forme de lumière divisée par la puissance d'entrée électrique totale) est généralement comprise entre 5% et 40% , ce qui signifie que 60 % à 95 % de la puissance d'entrée est perdue sous forme de chaleur . Au fur et à mesure que la température interne de la LED augmente, la tension directe et la sortie lumineuse diminuent, obligeant la LED à tirer plus de courant. Cela affecte non seulement la luminosité et l'efficacité de la LED, mais également la durée de vie globale. Finalement, la LED continuera à tirer plus de courant et à devenir plus chaude jusqu'à ce qu'elle s'éteigne, le phénomène connu sous le nom de Thermal Runaway

Afin de maintenir la température LED basse, il existe deux solutions de gestion thermique disponibles :techniques de refroidissement passif et actif

Refroidissement passif , couramment utilisé dans les luminaires à LED, atteint un degré élevé de convection naturelle et de dissipation thermique à l'aide d'un dissipateur thermique. Dissipateurs de chaleur jouent un rôle important dans l'éclairage LED car ils permettent à la chaleur de se dissiper plus facilement de la source LED vers l'environnement. L'efficacité de la dissipation thermique est directement affectée par la conductivité thermique du matériau du dissipateur thermique, le meilleur étant le cuivre, mais en raison de son prix, l'aluminium est largement utilisé pour la majorité des dissipateurs thermiques

D'autre part, le refroidissement actif s'appuie sur un dispositif externe pour augmenter le transfert de chaleur grâce à un débit de fluide plus élevé, ce qui augmente considérablement le taux de dissipation de chaleur. Les solutions de refroidissement actif incluent l'air forcé utilisant un ventilateur ou souffleur, liquide forcé , et les refroidisseurs thermoélectriques, qui sont utilisés lorsque la convection naturelle n'est pas suffisante pour maintenir la température basse. Le gros inconvénient du refroidissement actif est le besoin en électricité, ce qui entraîne des coûts plus élevés par rapport à la solution de refroidissement passif

Techniques de gradation

Le rendement lumineux total d'une LED est déterminé par la quantité de courant qui la traverse, et en contrôlant ce courant, le niveau de luminosité de la LED peut être facilement ajusté

Les pilotes CC basse tension peuvent être contrôlés de différentes manières. La solution la plus simple pour tamiser les LED consiste à utiliser un potentiomètre , qui est essentiellement une résistance avec un contact rotatif qui forme un diviseur de tension réglable qui offre une plage complète de 0% - 100% de gradation

Une autre solution optimale est la modulation de largeur d'impulsion (PWM) , qui allume et éteint le courant envoyé à travers une LED à une fréquence élevée (plusieurs milliers de fois par seconde), et la valeur moyenne dans le temps lorsque la LED est allumée et éteinte déterminera la luminosité de la LED. Les LED peuvent également être atténuées via la réduction de courant constant (CCR) , également appelée gradation analogique, qui est une méthode efficace et simple de contrôle de la luminosité des LED

Les méthodes de gradation PWM et CCR ont leurs avantages et inconvénients . La technique PWM couramment utilisée a une large plage de gradation et peut contrôler le flux lumineux avec une haute précision . En revanche, il nécessite un équipement électronique complexe et coûteux pour produire du courant à une fréquence suffisamment élevée pour éviter le scintillement. La gradation CRR est un très efficace méthode qui ne nécessite pas d'électronique coûteuse et permet de localiser les conducteurs à distance de la lumière LED. Cependant, le CRR n'est pas adapté à la gradation de haute précision où des niveaux d'éclairage inférieurs à 10 % sont requis

Assemblage du panneau LED

Pour commencer, j'ai préparé toutes les puces LED nécessaires qui ont été commandées à l'avance, qui sont Royal Blue (FV :3,2 à 3,6 V ; FC :350 à 1 000 mA), Rouge profond (FV :2,2 – 2,4 V ; FC :350 – 1 000 mA), Vert (FV :3,2 à 3,4 V ; FC :350 à 700 mA) et Rouge lointain (FV :1,8 – 2,2 V ; FC :350 – 700 mA)

La belle partie à ce sujet est la personnalisation facile. J'ai décidé de ne pas utiliser la lumière UV dans mon assemblage, mais d'ajouter tout autre spectre au panneau LED est assez facile, il suffit d'ajouter un nouvel ensemble de LED telles que UV, blanc chaud/froid ou toute autre couleur. J'espère que vous avez la logique ici))

Chaque LED a été connectée en série avec un MOSFET (IRL2203N, TO-220) et contrôlé par modulation de largeur d'impulsion (PWM) signal provenant de Arduino MKR1000, ce qui a entraîné un contrôle total sur chaque rangée de LED séparée dans le panneau LED

Toutes les LED étaient fixées sur un dissipateur thermique en aluminium de 15x15cm utilisant le ruban thermique pour assurer une répartition uniforme de la chaleur et éviter la surchauffe, et alimenté par une alimentation DC 12V 20A , connecté à un régulateur de tension réglable (DC-DC step-down, LM2596) attaché à chaque LED pour assurer la bonne alimentation en tension. Les LED étaient uniformément réparties sur la surface du dissipateur thermique pour assurer un traitement de qualité d'éclairage approprié au-dessus de la canopée

La technique de câblage principale reste la même quel que soit le nombre de LED. Si vous décidez d'ajouter plus de LED pour augmenter la puissance de sortie (PPFD total) ou d'ajouter un autre tableau de LED (un nouveau spectre/couleur), utilisez une technique de câblage similaire - ajustez simplement le régulateur CC à la tension appropriée

*Si vous avez connecté les LED en série, additionnez la somme des tensions et réglez-la sur le régulateur CC en conséquence (max. 12V pour ce convertisseur CC-CC particulier)

Contrôleur d'éclairage | Code Arduino

Si le but de votre configuration est d'allumer/éteindre les LED, alors vous n'avez pas réellement besoin d'un arduino et du MOSFET. En branchant l'alimentation au mur, vous contrôlez l'ensemble du panneau LED

Si vous souhaitez avoir un contrôle total sur chaque matrice de LED, tamisez avec précision des canaux séparés, allumez/éteignez-le à distance, ou selon une minuterie définie, simulez le lever/coucher du soleil, etc. puis suivez les instructions suivantes !

Dans ma configuration, les panneaux LED ainsi que d'autres capteurs et actionneurs pour l'ensemble du système hydroponique ont été contrôlés à l'aide d'Arduino MKR1000 . Le logiciel était basé sur l'open source « LightController » bibliothèque, qui est un programmateur d'éclairage de 24 heures conçu pour fournir un support facile pour le clair de lune, le lever/coucher du soleil, la sieste, etc., et modifié pour s'adapter au but de mes expériences.

Le logiciel permet de définir le nombre de canaux associés au nombre de LED (un canal par LED ou matrice de LED), de programmer l'heure, de sélectionner le mode de fondu et de régler la valeur analogique (de 0 à 255) pour augmenter linéairement ou exponentiellement ou diminuer l'intensité de la LED pendant un intervalle de temps défini.

Le logiciel vérifie constamment l'heure réelle à partir du module d'horloge en temps réel (RTC DS3231, AT24C32) connecté à Arduino, et si le temps réel correspond à l'heure programmée définie dans le code, il déclenche la broche PWM et commence à augmenter ou à diminuer la valeur analogique, à laquelle la LED répond en changement d'intensité.

Installation hydroponique | Démarrage des semences

Les graines de laitue frisée (Lactuca sativa L. ‘Pflück Lettuce’, DE) ont été semées dans des serviettes en papier et placées dans un bac de germination (13 cm x 18 cm x 6 cm). Le plateau a été hydraté avec de l'eau du robinet jusqu'à saturation. Les semis ont été cultivés à 23°C (± 0,7°C) et l'humidité relative de 90% (± 3%) mesurée toutes les 15 minutes par un capteur numérique d'humidité et de température (AM2301, capteur DHT21, DE)

Après 10 jours , lorsque les plants de laitue ont développé une petite première vraie feuille, les plantules ont été transplantées dans des chambres de croissance mises en place dans le cadre d'une technique de flux profond (DFT) hydroponique système culturel. Une solution nutritive composée d'engrais 5N–3P–8K (IKEA VÄXER Fertiliser, DE) a été conservé dans un réservoir de 10 L

La solution a été aérée en permanence avec une boule de pierre à air de 5 cm de diamètre fixée à une pompe à air de 240 L/h. Les plantes ont été placées dans des trous de 2,5 cm de diamètre découpés dans le haut des auges DFT, en veillant à ce que 1,5 à 2 cm du fond du substrat de culture soit immergé.

Après une semaine, la laitue a été transplantée dans un système plus grand avec des paramètres similaires

Rien de nouveau ici, la culture hydroponique de garage classique !))

Résultats

Génial aaa ? quatre semaines de progrès !

Lorsque vous avez passé autant de temps à cultiver votre propre laitue, elle ne peut tout simplement pas rivaliser avec celle du supermarché. Manger une feuille de laitue fraîche sur un sandwich du matin - Putain de délicieux !

Oui, je sais que ce panneau LED a l'air frankenstein'ish ! Mais considérez-le comme un prototype fonctionnel très brut

Dans l'ensemble, j'ai été très satisfait des performances du panneau LED. Cependant, dans mon prochain assemblage, j'ajouterais des LED blanches pour être la source d'éclairage principale, et en plus le reste des couleurs pour compléter le spectre.

Certaines améliorations supplémentaires seraient de tout souder directement sur un PCB et de l'emballer un peu plus joliment pour donner un aspect final au produit. Tâche pour l'avenir, tenez-vous au courant;)

La « recette légère » idéale reste un sujet complexe, mais faire des recherches, personnaliser et essayer différentes combinaisons à la maison donne l'impression agréable de faire partie de quelque chose de vraiment grand !

Note finale

D'où vient votre #nourriture ? Est-ce bon pour vous ?

Ces questions nécessitent tellement d'informations, tout cela parce que nous avons conçu le système peut-être pas pour le meilleur objectif :Plus d'aliments bon marché , mais pas l'objectif de nutrition , ou gestion de l'environnement

Lorsque vous prenez un certain ensemble de gènes et que vous les placez à l'intérieur d'un certain phénomène, ou "climat", cela exprime quelque chose. C'est ce qu'on appelle le phénotype. Nous voulons comprendre dans quelles conditions ces génétiques expriment la saveur, la nutrition, la taille, la couleur.. nous concevons donc des facteurs environnementaux comme le CO2, la température, l'humidité, le spectre lumineux, l'intensité lumineuse et la minéralité de l'eau pour augmenter les rendements, réduire le temps de production , et influencent le goût, l'apparence et le contenu nutritionnel des plantes

L'objectif est de construire une base de connaissances pour le #MachineLearning &#IA , et générer un langage partagé de "recettes climatiques numériques" pour l'agriculture d'intérieur, qui peut être partagée sur tous les continents en utilisant des technologies open source. Je pense que la prochaine révolution de l'agriculture doit être basée sur la science ouverte

Ce qui est vraiment cool, c'est que nous apprenons la différence génétique entre les humains, et cela donne tellement d'informations sur ce que vous devriez manger, par rapport à ce que je devrais manger ou à ce que quelqu'un d'autre devrait manger.

Imaginez que vous cultiviez quelque chose de très spécifique ?!

FÉLICITATIONS - VOUS L'AVEZ RÉALISÉ

Si vous êtes arrivé jusqu'ici, vous devez être vraiment têtu mon ami :D

J'espère que vous avez apprécié ce didacticiel, appris quelque chose de nouveau et amusé en lisant ceci :)

Je vous encourage à remettre en question et à douter de tout ce que j'ai écrit ici, à réfléchir à de nouvelles façons innovantes d'aborder le même problème et à PASSER À L'ACTION !

Qui, sinon nous ?

Meilleur,

Dmitrii ALBOT

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