Целью исследования является разработка схемотехнического решения для системы досвечивания растений светодиодами различной длинны волны, обладающей свойствами отличными от типовоых решений, применяемых в серийных изделиях, предлагаемых потребителям в любительском сегменте садоводства и огородничества.
Ключевые слова: системы искуственного освещения растений, фотосинтетически активная реакция, светодиод, источник тока, операционный усилитель, Arduino.
Многие дачники и садоводы-любители сталкиваются с проблемой плохой урожайности на своих участках и в особенности при выращивании рассады. Причинами возникновения данной проблемы могут являться разные параметры, например, нехватка освещённости как количества света, так и неправильный для конкретного типа растений спектр свечения дополнительных источников света.
Актуальность: для достижения наилучших результатов многие садоводы-любители, основываясь на многолетнюю практику и опыт других любителей, а также советы профессионалов применяют системы искусственного освещения для выращивания растений и посадочного материала (рассады). Предлагаемые решения на рынке не всегда учитывают индивидуальные требования, предъявляемые пользователем к устройствам досвечивания, а устройства зачастую реализуют функции параметры освещения для обобщенного случая и могут не учитывать индивидуальные биологические потребности для конкретного вида растений, нуждающихся в дополнительном освещении.
На основании информации представленной в сети INTERNET проведен анализ типов источников светового излучения применяемых в сельском хозяйстве. Полученные результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1
Типы источников излучения
|
Фитооблучатель |
Описание |
|
Естественное освещение или общее солнечное излучение |
Совокупность прямого солнечного излучения и рассеянного излучения неба. |
|
Натриевая лампа высокого давления |
Лампа, свет в которой излучают пары натрия, парциальное давление которых в установившемся режиме достигает 10 Па (75 мм рт.ст.). |
|
Металлогалогенная лампа |
МГЛ: Разрядная лампа высокого давления, в которой основная часть света обусловлена излучением смеси паров металла и продуктов разложения галоидных соединений, для прозрачных и имеющих люминофорное покрытие ламп. |
|
Ртутная лампа высокого давления с люминофором для фотосинтеза растений |
ДРЛФ: Лампа, свет в которой излучают пары ртути, парциальное давление которых в установившемся режиме составляет от 3·10 4 до 10 6 Па (от 225 до 7500 мм рт.ст.), и слой люминофора, возбуждаемый ультрафиолетовым излучением разряда и излучающий свет преимущественно в области фотосинтетически активной радиации. |
|
Светодиод |
СД: Полупроводниковый прибор с p-n-переходом, который при возбуждении электрическим током испускает некогерентное оптическое излучение. |
|
Лампа накаливания |
ЛН: Лампа, свет в которой испускает тело накала, нагреваемое электрическим током до высокой температуры. |
Для описания совокупности параметров освещения, применяемого для измерения качества освещения в соответствии с ГОСТ Р 58461–2019 используется понятие фотосинтетически активной радиации — ФАР (PAR — photosynthetically active radiation). Это оптическое излучение в диапазоне от 400 до 700 нм длин электромагнитных волн, которое воспринимается растениями и используется для фотосинтеза, роста и развития.
Для большинства растений, самый многочисленный пигмент — хлорофилл. Данный пигмент участвует в процессе фотосинтеза и эффективно поглощает красный и синий свет, при этом большая часть зелёного света отражается и придает листьям их характерный цвет. Спектр поглощения хлорофиллов и каротиноидов и действия ФАР представлен на рисунке 1.
Рис. 1. Спектр поглощения хлорофиллов и каротиноидов и действия ФАР
Таким образом сделан вывод, что для эффективной работы разрабатываемой системы достаточно использовать источники света имеющие относительно узкий спектр свечения, а наиболее энергоэффективными источниками света являются светодиодные матрицы, состоящие из одиночных кристаллов светоизлучающих диодов (СИД, LED).
В последнее время на тематических страницах сообществ цветоводов и садоводов-любителей, а также радиолюбителей можно встретить публикации о создании систем освещения и досветки растений оригинальной конструкции.
В разработанной системе предполагается применение СИД. Данные полупроводниковые приборы можно разделить на группы по следующим признакам:
•цвет свечения
•мощность свечения
•корпус полупроводникового прибора.
Параметры СИД представлены в таблице 2. Однако применение СИД Белого цвета свечения не будет являться оптимальным решением. Данные СИД изготавливаются по технологии нанесения на поверхность кристалла светодиода, излучающего свет в ультрафиолетовом диапазоне люминофоров трёх цветов — зеленого, красного и голубого. Типичный спектр излучаемого света таким СИД представлен на рисунке 2. Данный спектр свечения не удовлетворяет основным спектрограммам ФАР.
Таблица 2
Группировка светодиодов по цвету свечения
|
Цвет свечения |
Диапазон длин волн (нм) |
Наименование диапазона |
|
Инфракрасный |
λ>760 |
IR; IR-C; IR-B; IR-A; |
|
Красный |
610<λ<760 |
RED; |
|
Оранжевый |
590<λ<610 |
RED; ORANGE |
|
Желтый |
570<λ<590 |
YELLOW |
|
Зеленый |
500<λ<570 |
GREEN |
|
Синий |
500<λ<450 |
BLUE |
|
Фиолетовый |
400<λ<450 |
UV; UV-A |
|
Ультрафиолетовый |
λ<400 |
UV; UV-B; UV-C |
|
Пурпурный, «Фито» |
610<λ<760 + 500<λ<450 |
RED+BLUE; «FITO-LED» |
|
Белый, «Теплый», «Холодный» |
Широкий спектр |
WHITE, «COLD»; «WARM» |
Рис. 2. Спектр белого светодиода с люминофором
Светодиоды являются полупроводниковыми приборами, и мощность светового излучения имеет прямую зависимость с вольтамперной характеристикой светодиода. Яркость свечения, воспринимаемая человеком, является субъективной, и не отражает фактически генерируемую мощность светодиодом.
Для регулирования яркости свечения применяют 2 схемотехнических подхода:
•Широтно-импульсная модуляция тока
•Прямое регулирование тока
В разработанной системе целесообразным будет применение схемы прямого регулирования тока СИД. Такая схема включения позволяет реализовать источник света исключающим мерцание в отличии от схемы ШИМ регулирования. Принципиальная схема источника тока, регулируемого напряжением и схема включения СИД представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Источник тока управляемый напряжением
Даная схема обладает свойством автоматической компенсации нелинейности ВАХ и температурной нестабильности как для транзистора Q1, так и для нагрузки в виде светодиода.
Для регистрации и оценки количественного и качественного состава светового излучения в настоящее время получили распространение устройства использующие фотоэлектрический эффект. С развитием науки и техники для регистрации параметров светового излучения применяются специализированные микросхемы, имеющие в своем составе кроме фоточувствительного полупроводникового элемента встроенную схему измерения, а также контроллер и приемопередатчик для передачи измеренных физических параметров в цифровом виде для дальнейшей обработки микропроцессорными устройствами.
Предложенная система состоит из следующих основных блоков:
•источник питания;
•источник светового излучения;
•фотоизмерительные датчики;
•устройство управления.
Разработанное схемотехническое решение обеспечивает реализацию функции автоматического досвечивания растений светодиодами следующих цветовых диапазонов:
•красный диапазон 610–760 нм
•синий диапазон 500–450 нм
•ультрафиолетовый «А» 400–300 нм
В качестве фотодатчика применен модуль, состоящий из микросхемы BH1750, позволяющей в цифровом виде получать данные о текущем уровне светового облучения датчика в диапазоне от 400 до 750 нм. Чувствительность данного датчика совпадает с диапазоном ФАР.
Для оценки спектрального состава освещения использован датчик цвета, основанный на микросхеме TCS3200. Данная микросхема позволяет количественно оценить спектральное соотношение состава света, регистрируемого датчиками BH1750 и TCS3200.
В качестве управляющего контроллера предполагается применение готовых микроконтроллерных модулей семейства Arduino. Для реализации оптимальной функции управления блок управления системой может содержать следующие модули:
•часы с источником питания — RTC
•устройство чтения SD карт
•модуль буквенно-цифрового индикатора или жидкокристаллический дисплей
•модуль bluetoos или Wi-Fi
•цифро-аналоговый преобразователь
Цифро-аналоговый преобразователь необходим для реализации управления яркостью свечения источников светового излучения. Комбинация, состоящая из часов, устройства чтения SD карты, дисплейного модуля и модуля беспроводных систем позволит сформировать интерфейс управления системой. В качестве первичного источника питания предполагается использовать импульсный источник питания для светодиодных лент, с выходным напряжением 12 вольт.
При данном подходе будут реализованы следующие функции:
•регистрация параметров естественного освещения;
•регистрация фактического уровня яркости и цветового спектра в зоне досвечивания;
•управление уровнем яркости и цветовым спектром в зоне досвечивания с учетом текущего времени суток;
•возможность передавать данные о текущем состоянии системы и получать команды при помощи сети internet.
Для практического подтверждения принятых схемотехнических решений изготовлены макеты, позволяющие выполнять мониторинг и отображение информации на жидкокристаллическом дисплее информации от датчиков цвета и освещенности, а также устройство позволяющее регулировать свечение светодиодов различной длины волны.
Выполнено сравнение полученных данных о уровне освещенности с серийно выпускаемыми люксометрами. Результаты представлены в таблице 3.
Таблица 3
Показания датчиков при различных типах освещения
|
Тип освещения |
ТКА-ПКМ (люкс) |
BH1750 GY-301 (люкс) |
|
Естественное освещение в лаборатории |
410 460 |
400 433 |
|
Естественное освещение в лаборатории + общий свет |
1450 1450 |
1292 1315 |
|
Естественное освещение в лаборатории + общий свет + направленная подсветка |
2000 1980 |
1822 1766 |
|
Естественное освещение в лаборатории + общий свет + направленная подсветка+ настольная лампа |
2170 2170 |
1880 1871 |
|
Ясный день, Холл, тень от стены |
2900 2820 |
2700 2455 |
|
Ясный день, Холл, на освещенной поверхности |
15000 18000 |
18000 15000 |
|
Ясный день, датчики перпендикулярно солнечным лучам |
55000 54300 |
54500 54500 (без защитного кожуха) |
Рассмотрены проблемы связанные с разработкой системы досвечивания растений. Рассмотрен вопрос стандартизизации качественной и количественной оценки уровня освещения растений, учитывая их биологические особенности. Проведен анализ применяющихся в настоящее время устройств досвечивания растений в промышленной и любительской практике.
Предложено схемотехническое решение, которое возможно реализовать на текущем уровне науки и техники с малыми затратами ресурсов.
Проведено макетирование отдельных узлов разработанной системы. Проведены испытания этих узлов. Выполнено сравнение полученных данных с поверенным измерительным устройством уровня освещенности. Полученные данные подтверждают правильность выбранных схемотехнических решений.
Литература:
- Тицце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника, 12-е изд., в 2х томах: пер. с нем. — М.: ДМК Пресс, 2015.
- Хоровиц, Хилл. Искусство схемотехники: Пер. с англ. — Изд. 7е. — М.:МИР, БИНОМ. — 2010. — 704 с., ил.
- Шнайдер Корнелиус, Шонфелдер Герт Измерительные устройства на базе микропроцессора ATmega. — СПб: БХВ-Петербург, 2012. — 288 с.: ил.
- Харрис Д. М., Харрис С. Л, Цифровая схемотехника и архитектура компьютера. — М.: ДМК-пресс, 2018. — 792с.: ил.
- Электронный фонд правовых и нормативных документов [Электронный ресурс] URL-адрес: http://docs.cntd.ru/document/561083295 (дата обращения: 25.11.2020)
- White LED Lighting for Plants [Электронный ресурс] URL-адрес: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/215095v1.full (дата обращения: 25.11.2020)
- Хабр. Оценить PPFD при освещении растения белыми светодиодами просто: 1000 лк = 15 мкмоль/с/м2 [Электронный ресурс] URL-адрес: https://habr.com/ru/post/411099/ (дата обращения: 01.12.2020)
- mysku. Что там со спектром светодиодов? [Электронный ресурс] URL-адрес: https://mysku.ru/blog/aliexpress/47179.html (дата обращения: 01.12.2020)
- АлексГайвер.ру [Электронный ресурс] URL-адрес: https://alexgyver.ru/ (дата обращения: 22.12.2020)
