LED systém osvětlení pro rostliny s nastavitelným spektrem vyzařování

Rok / Year: 2012

Svazek / Volume: 14

Číslo / Issue: 4

LED systém osvětlení pro rostliny s nastavitelným spektrem vyzařování LED system for the cultivation of plants with adjustable light spectrum Ondřej Satora, Lukáš Klozar [email protected], [email protected] Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně.

Abstrakt: Teto článek popisuje systém 6-ti kanálového LED osvětlení s mikrokontrolérem ARM, pro pěstitelské účely. Navržený systém je možné řídit ze vzdáleného místa přes Ethernet pomocí integrovaného webového rozhraní nebo přes lokální uživatelské rozhraní. větelný výkon požadovaných vlnových délek je možno plynule regulovat pomocí PWM v jednotlivých kanálech. Pro automatizaci nastavení obsahuje systém také plánovač. Systém je vybaven teplotními a vlhkostními čidly hlídajícími osvětlovaný objekt a zabraňující přehřátí.

Abstract: This paper describes 6-th channel LED light with ARM microcontroller, for the cultivation of plants. This system is connected to the Ethernet and controlled remotly via integrated web server or by local user interface. Light output is contignously adjustable in different wavelenghts by PWM. The system also contains planner to automate the cultivation cycles. The system is equipped with temperature and humidity sensors that control the growing conditions and prevent the system overheating.

2012/45 – 3. 7. 2012

LED systém osvětlení pro rostliny s nastavitelným spektrem vyzařování Ondřej Satora , Lukáš Klozar Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně. Ústav radioelektroniky Email: [email protected] Email: [email protected]

Abstrakt – Teto článek popisuje systém 6-ti kanálového LED osvětlení s mikrokontrolérem ARM, pro pěstitelské účely. Navržený systém je možné řídit ze vzdáleného místa přes Ethernet pomocí integrovaného webového rozhraní nebo přes lokální uživatelské rozhraní. Světelný výkon požadovaných vlnových délek je možno plynule regulovat pomocí PWM v jednotlivých kanálech. Pro automatizaci nastavení obsahuje systém také plánovač. Systém je vybaven teplotními a vlhkostními čidly hlídajícími osvětlovaný objekt a zabraňující přehřátí.

i díky stále se zlepšujícím parametrům, zejména pak účinnosti přeměny elektrické energie na světlo. V článku jsou popsány nejprve požadavky rostlin na vlastnosti osvětlení, dále je popsán HW návrh zapojení s detailnějším popisem řízení výkonových LED a popisem komunikačních rozhraní pro vzdálené řízení. Další kapitola se zabývá popisem SW, firmware řídícího mikrokontroléru a způsobem řízení na dálku. V předposlední kapitole je uvedeno porovnání navrhovaného LED systému s komerčně dostupnými řešeními a v závěru jsou popsány možné další inovace a vylepšení.

2 Požadavky rostlin na osvětlení

1 Úvod Pro osvětlování rostlin se v současné době většinou používají vysokotlaké sodíkové výbojky (HPS). Mezi jejich výhody patří například dostupnost nebo léty ověřená funkce. Naopak jejich nevýhodami jsou velká produkce tepla, které je směřováno na osvětlovaný objekt – rostlinu, a proto se jedná o tzv. zdroj „teplého světla“. Další nevýhodou je nemožnost za chodu dynamicky měnit parametry světla (lze je změnit pouze výměnou výbojky za jinou). Poslední hlavní nevýhodou je jejich velmi vysoká spotřeba (příkon) v porovnání se světelným výkonem v části spektra, které rostliny opravdu využijí. Naproti tomu se v současné době pomalu začínají objevovat osvětlovací řešení na bázi výkonových LED diod. Jejich výhodou oproti výbojkám je například to, že jsou zdrojem „studeného světla“, které nadbytečně neohřívá osvětlované rostliny. Také je u nich možnost (při vhodné konstrukci) dynamicky měnit spektrální vlastnosti světla, protože se jedná o úzkopásmové zdroje světla. Díky této vlastnosti lze navrhnout LED osvětlovací systém pouze s požadovaným spektrem světla, a tak vytvořit energeticky mnohem efektivnější osvětlení (s nižší spotřebou) se srovnatelnými účinky na rostliny, jako v případě použití výbojek. Mezi nevýhody LED diod patří jejich horší dostupnost, která se projevuje zejména při kusovém množství. Při velkém odebíraném množství se tato nevýhoda vytrácí. Další nevýhodou je to, že LED technologie vhodná pro osvětlování je relativně nová. S tím souvisí také horší dostupnost jak amatérských řešení, tak i těch profesionálních, které jsou finančně velmi nákladné v porovnání se systémy na bázi výbojek. Při vyšších výkonech generují i LED hodně tepla, které lze ale odvádět chladičem a tak toto teplo neohřívá osvětlované rostliny („studené světlo“). Díky vyšší účinnosti osvětlení jako celku je toto odpadní teplo menší, než u výbojek. Z uvedených vlastností je patrné, že LED technologie je pro osvětlování rostlin (a i jiných objektů) výhodnější a to

Rostliny využívají z celého spektra (denního „bílého“ světla) jen některé jeho části a zbývající jsou jimi nevyužity. Díky tomu se snižuje účinnost osvětlení pomocí širokospektrálních zdrojů světla, mezi které patří například sodíkové výbojky. Rostliny navíc nevyužívají stejné složky světla po celý svůj životní cyklus (klíčení, růst, plození). Mezi hlavní spektrální složky světla, využívané rostlinami k fotosyntéze, patří světlo o vlnové délce cca 455 nm a 660 nm. Proč se jedná zrovna o tyto vlnové délky, vysvětluje graf na obrázku 2.1. Při těchto vlnových délkách rostliny využijí největší podíl dopadajícího světla.

Obrázek 2.1: Závislost účinnosti absorbce světla hlavními pigmenty fotosyntézy na vlnové délce dopadajícího světla [2] Mezi další významné vlnové délky patří infračervená oblast s vlnovou délkou 730 nm, kterou rostliny využívají například pro řízení růstu do výšky v případě, jsou-li zastíněny jinou rostlinou. Využívají přitom poměru mezi touto složkou a složkou s vlnovou délkou 660 nm. Rostliny využívají ještě

45 – 1

VOL.14, NO.4, AUGUST 2012

2012/45 – 3. 7. 2012

některé další složky světla, ty už ale nejsou příliš náročné na jejich intenzitu (optický výkon). S ohledem na výše uvedené požadavky rostlin byly vybrány LED diody se spektrálními a elektrickými vlastnostmi uvedenými v tabulce 2.1. Výkony v jednotlivých spektrálních složkách světla byly stanoveny na základě studie [1], pouze byly poměrově zmenšeny, s ohledem na celkovou cenu osvětlovacího systému. Tabulka 2.1: Parametry vybraných LED Číslo kanálu

Vlnová délka [nm]

Optický výkon [mW]

Max. proud [mA]

Max. napětí [V]

Počet

1

455

760

700

3,8

2

2

640

230

1540

3,51

5

3

660

750

1500

3,1

1

4

730

405

1500

2.6

1

5

430 až 620

-

20

4,5

1

6

378

2,2

350

3,7

1

F100 byla zvolena z důvodu nižší ceny v porovnání s vyššími řadami F103/107, které navíc oproti základní řadě integrují například fyzickou vrstvu USB rozhraní a rozhraní ethernetu. Právě integrovaný Ethernet není příliš k užitku, protože mikrokontrolér obsahuje pouze MAC vrstvu a pro realizaci fyzické vrstvy je potřeba externí čip, jehož cena je srovnatelná s obvodem ENC28J60, který integruje obě tyto vrstvy a pracuje se s ním mnohem pohodlněji, než s interní periférií. Jedinou výhodu by tedy přinesl integrovaný řadič USB, který by ale prodloužil vývoj firmware mikrokontroléru. Pro místní ovládání pak slouží čtveřice tlačítek a alfanumerické dvouřádkové LCD. Dalším blokem je zdroj do něhož patří jednak pomocné napěťové zdroje pro řídící logiku, ale hlavně i 5-ti kanálový řízený spínaný zdroj proudu pro napájení LED. Tento zdroj je možno řídit z mikrokontroléru prostřednictvím pulzně šířkové modulace (PWM) a taktéž lze snímat proud protékající jednotlivými kanály zdroje za pomoci interního 10-ti kanálového AD převodníku mikrokontroléru. K tomuto bloku nepřímo náleží ještě externí síťový napájecí zdroj 18 V, který není řešením této práce.

Z předchozí tabulky vyplývá, že v prvním kanálu je celkový optický vyzářený výkon 1520 mW, ve druhém 1150 mW a ve třetím až šestém kanálu – viz tabulka. Celkový optický výkon LED systému je tedy přes 3827,2 mW. Pro porovnání s komerčními LED systémy to odpovídá „výkonu“ cca 32 W. V následující tabulce 2.2 jsou uvedena typová označení a jména výrobců jednotlivých vybraných LED. Tabulka 2.2: Typové označení vybraných LED Číslo kanálu

Typové označení

Výrobce

1

ASMT-AL31-NPQ00

Avago Technologies

2

LXHL-PD09

LUMILEDS

3

LZ1-00R205

LedEngin, Inc.

4

LZ1-00R300

LedEngin, Inc.

5

OCU 400 378 OT

osa opto light

6

OVTLO1LGAWDS

Optek Technology

Obrázek 3.1: Blokové schéma celého LED systému

3 Návrh řešení HW Blokové schéma celého navrhovaného LED systému je uvedeno na obrázku 3.1 a skládá se celkem ze čtyř částí. První je řídící 32 bitový mikrokontrolér ARM řady STM32F100 zvolený z důvodu dostatečného výpočetního výkonu pro implementaci ethernetu a webového rozhraní a dále díky dostatečné velikosti FLASH i RAM paměti a dobré vybavenosti periferiemi, jakými jsou např. rychlý AD převodník, nebo vícekanálový PWM generátor. K tomuto bloku patří také řadiče rozhraní pro vzdálené řízení, jako je ethernetový kontrolér ENC28J60 nebo integrovaný převodník USB na sériovou linku a převodník na RS232. Základní řada mikrokontrolérů

Část s výkonovými LED je dalším z hlavních bloků zapojení a skládá se z LED diod sériově propojených pro každý spektrální kanál zvlášť. Každý kanál má pak samostatný zdroj proudu s výjimkou kanálu 6, který je napájen přímo z pinu mikrokontroléru přes sériový rezistor. K tomuto bloku patří také dvě digitální teplotní čidla DS18B20 a ventilátor s řízením otáček podle teploty přes mikrokontrolér. Posledním blokem je externí měřící modul skládající se z čidla relativní vzdušné vlhkosti a třetího teplotního čidla. Vlhkostní čidlo je realizováno analogovým kapacitním senzorem, jehož hodnota je pomocí generátoru s obvodem 555, zapojeného podle standardního zapojení v režimu generátor, převedena na kmitočet, který již měří mikrokontrolér pomocí čítače.

45 – 2


2012/45 – 3. 7. 2012

Obrázek 3.2: Schéma spínaného měniče pro LED 3.1 Řízení LED K napájení LED je použit spínaný step-down měnič v režimu zdroje proudu, který je realizovaný pěti totožnými jedno-kanálovými měniči s obvodem NCP3065 zapojeným podle obrázku 3.2, odvozeného z doporučeného zapojení výrobce [4]. Na obrázku 3.3 je uvedeno blokové schéma řízení tohoto proudového zdroje pomocí PWM signálu generovaného mikrokontrolérem. Maximální výstupní proud měniče je nastaven pomocí trimru a komparátoru, který funguje nezávisle na mikrokontroléru a omezuje výstupní proud i při jeho nečinnosti nebo případné poruše. Výstupní proud se snižuje tak, že do zpětné vazby měniče tvořené snímacím rezistorem a komparátorem, uvnitř řídícího obvodu (porovnávajícího napětí na rezistoru s referencí 235 mV), přidává skokově napětí větší, než je napětí referenční. Tím dochází k „umělému“ uzavírání spínacího tranzistoru a snížení proudu tekoucího zátěží – LED.

je použit řadič ENC28J60, zapojený podle doporučeného zapojení výrobce [5], integrující fyzickou a MAC vrstvu ve spojení s mikrokontrolérem, který se stará o všechny vyšší vrstvy komunikace. Rozhraní USB a RS232 jsou připojeny na stejný interface sériové linky mikrokontroléru, a proto nemohou fungovat oba současně. Toto řešení bylo zvoleno kvůli možnosti využít pro programování mikrokontroléru interní bootloader, který se nachází právě na zmíněném interface a přitom mít možnost komunikace buďto přes RS232 nebo modernější rozhraní USB. Rozhraní USB je realizováno obvodem FT232RL (zapojeného podle doporučeného zapojení výrobce [6]), který integruje obousměrný převodník USB na sériovou linku a do hostitelského systému se přihlašuje jako další (virtuální) sériový port.

4 Návrh řešení SW Zdrojový kód mikrokontroléru byl vytvořen v jazyce C a pro realizaci bylo zvoleno řešení s operačním systémem reálného času FreeRTOS [7]. Jednotlivé funkce LED systému byly rozděleny mezi celkem čtyři vlákna operačního systému tak, jak je naznačeno na obrázku 4.1 pomocí zeleného orámování.

Obrázek 3.3: Blokové schéma řízení proudového zdroje 3.2 Komunikační rozhraní LED systém obsahuje následující komunikační rozhraní: USB rozhraní v režimu virtuálního sériového portu, RS232 a rozhraní Ethernet standardu 10Base-T. Poslední zmíněné rozhraní (Ethernet) je také zvoleno jako primární a na rozdíl od zbývajících lze pomocí něj konfigurovat všechny dostupné parametry systému. Tohoto rozhraní využívá softwarový webový http server. K realizaci ethernetu

Obrázek 4.1: Hierarchický model firmware mikrokontroléru

45 – 3


2012/45 – 3. 7. 2012

V hierarchickém modelu programového vybavení mikrokontroléru jsou šedou barvou označeny knihovny převzaté z internetu, žlutou a bílou barvou jsou označeny vytvořené moduly, přičemž výstup žlutě vyznačených modulů je využíván ostatními moduly systému. Paralelně s operačním systémem běží ještě čtení (s periodou 6 µs) a průměrování (přes 200 hodnot) hodnot proudů v jednotlivých kanálech měniče pro LED.

vytvořený stack nezbytné části ICMP protokolu, jako je ping nebo překlad IP adresy na MAC adresu pomocí protokolu ARP. Jako doplněk k protokolu TCP podporuje vytvořená knihovna ještě protokol UDP pro jednoduchou nespojovanou komunikaci například s aplikací, pomocí níž lze s LED systémem vzdáleně pracovat.

4.1 TCP/IP stack

Primárním ovládacím rozhraním celého LED systému je webový HTTP server, ke kterému se lze připojit z libovolného zařízení vybaveného webovým klientem. Aby mohlo být vytvořeno uživatelsky přívětivé a zároveň paměťově ne příliš náročné rozhraní (viz. obrázek 4.2 a 4.3), skládají se HTML stránky ze soustavy opakujících se bloků, které jsou ve FLASH paměti mikrokontroléru uloženy pouze jednou a pomocí k tomu napsaných funkcí se generují přímo do výstupního TCP bufferu. Díky tomu, webové rozhraní o velikosti několika desítek kb potřebuje pouze zlomek této velikosti. O generování tohoto rozhraní se stará samostatný proces operačního systému, který je provázán s procesem TCP/IP stacku. Rozhraní je koncipováno jako několik HTML stránek propojených pomocí odkazů v menu. Nastavování a editace parametrů je prováděna pomocí HTML formulářů, které odesílají hodnoty do zařízení pomocí HTTP metody GET.

Protože na internetu dostupné hotové knihovny TCP/IP stacku jsou pro většinu aplikací příliš komplexní, obsahují spoustu funkcí, které navrhovaný LED systém nepotřebuje (SMTP, DHCP, atd.) a díky tomu jsou příliš paměťově a výpočetně náročné, bylo zvoleno řešení na bázi jeho vlastní implementace. Aby bylo možno navrhnout kompaktní a rychlý TCP/IP stack, musely být z velké části omezeny jeho funkce a schopnosti. Proto je implementovaný stack schopen současně pracovat pouze s jedním otevřeným TCP spojením, které je navíc pevně vázáno na přenos dat pomocí protokolu HTTP. Aby se omezení na jedno spojení současně příliš neprojevovalo, pracuje HTTP protokol pouze se samostatnými HTML soubory, které neobsahují žádnou dodatečnou grafiku ve formě obrázků. Kromě vlastního TCP protokolu podporuje

4.2 Webové rozhraní

Obrázek 4.2: Webového ovládacího rozhraní – stránka s přehledem celého systému 45 – 4


2012/45 – 3. 7. 2012

Obrázek 4.3: Webového ovládacího rozhraní – stránka s nastavením LED Metoda GET je založena na přidávání parametrů formuláře do HTTP hlavičky za název požadované stránky. Název stránky (souboru) je od parametrů formuláře oddělen pomocí znaku „?“ (otazník), jednotlivé parametry jsou od sebe odděleny pomocí znaku „&“ a název parametru a jeho hodnota se odděluje znakem „=“. Příklad celého požadavku včetně odesílaných parametrů: GET /07?1=255&3=00%3A00&4=01.01. HTTP/1.1 Některé speciální znaky jako je například „:“ (dvojtečka) se pro přenos touto metodou musí překódovat. Zmíněná dvojtečka je pak přenášena v ASCII formátu jako „%3A“. Webové ovládací rozhraní umožňuje nastavovat všechny parametry síťové komunikace, jako jsou IP adresy, MAC adresa, čísla portů webového serveru a UDP serveru (bude popsán v následující kapitole). Nastavení výkonu v jednotlivých kanálech světelného spektra je možno provádět buďto ručně a nebo pomocí nastavitelného plánovače. Plánovač je v systému z důvodu plné automatizace celého osvětlovacího procesu. Umožňuje vytvořit buďto jednorázové plány, jejichž nastavení se provede pouze jednou v nastavené datum a čas, a nebo plány s opakováním v určitém intervalu zadaném počátečním a koncovým datem a časem. Tyto plány se mohou opakovat s periodou jeden den, týden, měsíc nebo rok. Datum a čas je vždy vypočítán na základě data a času začátku intervalu opakování. Je-li tedy začátkem čtvrtek a opakování nastaveno na jednou týdně, nastaví se LED podle plánu každý čtvrtek od zadaného začátku intervalu opakování až do jeho konce. Všechny vytvořené plány lze libovolně přidávat, mazat, editovat a nebo pouze deaktivovat pro pozdější použití. Navíc lze pro každý kanál samostatně určit, zda-li se má řídit pomocí plánovače a nebo má mít trvale nastavený výkon podle ručního nastavení. Mezi další parametry, které lze prostřednictvím webového rozhraní nastavit, jsou parametry pro řízení otáček ventilátoru na základě teploty LED. Otáčky lze regulovat v celkem čtyřech stupních a u každého z nich lze nastavit výkon ventilátoru v procentech a teplotu ve stupních celsia po jejímž překročení se má daný výkon ventilátoru nastavit. Systém má také nastavitelnou ochranu proti přehřátí LED, kdy při překročení nastavené teploty dojde k vypnutí všech výkonových LED na tak dlouho, dokud se teplota opět nesníží a poté se výkony v jednotlivých LED kanálech nastaví na původní hodnoty. U výkonových LED lze navíc nastavit maximální výkon ve formě hodnoty proměnné PWM generátoru. Toto nastavení nikterak neovlivní nastavení HW omezení pomocí komparáto-

ru a slouží pouze k SW omezení maximálního nastavitelného výkonu v jednotlivých LED kanálech. 4.3 Aplikace pro rychlé řízení prostřednictvím protokolu UDP Pro možnost spravovat a monitorovat celý LED systém v reálném čase, byla vedle webového rozhraní vytvořena také jednoúčelová PC aplikace za pomocí programovacího jazyka Visual Basic 6. Narozdíl od webového rozhraní využívá program jednodušší a rychlejší protokol UDP, pomocí kterého lze celý LED systém nastavovat a monitorovat v reálném čase. Vzhled aplikace je uveden v obrázku 4.4. Pomocí programu lze měnit/sledovat nastavení výkonu v jednotlivých kanálech LED, sledovat proud protékající jednotlivými kanály společně s historií ve formě grafu pro každý kanál zvlášť, sledovat aktuální teploty naměřené všemi čidly v systému, monitorovat stav TCP spojení a stav plánovače výkonového nastavení LED. Doplňkovou funkcí je také synchronizace data a času LED systému se systémovým datem a časem Windows. Program pro výměnu dat s LED systémem používá vytvořený protokol (detailně popsaný v [3]), který je zabalen ve standardizovaném protokolu UDP. Díky tomu lze přes UDP systém řídit i z jiného zařízení, ve kterém je tento protokol implementován.

45 – 5

Obrázek 4.4: Aplikace pro rychlé řízení systému prostřednictvím protokolu UDP


2012/45 – 3. 7. 2012

4.4 Uživatelské rozhraní místního ovládání

6 Závěr

Aby bylo možno celý systém ovládat nejen prostřednictvím ethernetu nebo sériové linky, ale i přímo ze zařízení, je celý systém vybaven i alfanumerickým LCD a čtyřmi tlačítky. Pomocí tohoto rozhraní lze editovat všechny parametry podobně jako v případě webového rozhraní, ve kterém je ale celá konfigurace pohodlnější a přehlednější. Po zapnutí se na LCD zobrazí hlavní obrazovka, na které je uvedeno aktuální datum, čas a naměřené hodnoty připojených čidel teploty a vlhkosti, které se na něm střídavě zobrazují. Po stisku tlačítka menu se na LCD zobrazí hlavní menu, ve kterém se lze pohybovat pomocí tlačítek nahoru a dolu. Menu je pro větší přehlednost uspořádáno víceúrovňově, takže například systémový čas lze změnit v položce Nastavení → Nastaveni data a času → Nastavení času. Pokud se název nevejde na jeden řádek LCD, tak se zobrazuje postupně pomocí rotace vlevo. Po vstupu do nejnižší úrovně dané položky v menu (např.: „Nastavení času“) lze vybraný parametr editovat po jednotlivých cifrách pomocí tlačítek nahoru a dolů a potvrzovat navolenou hodnotu pomocí tlačítka OK.

5 Porovnání s dostupnými systémy osvětlení V současnosti lze na trhu pořídit LED osvětlovací systémy dvoukanálové (nejčastěji 440 nm a 660 nm), přičemž poměr mezi modrou (440 nm) a červenou (660 nm) složkou spektra je nejčastěji 1:2. Tyto systémy ale pokrývají pouze základní potřeby rostlin a patří tak mezi cenově levnější řešení. Některé ještě levnější modely pracují s komerčně dostupnějšími (běžnějšími) LED s vlnovými délkami 460 nm a 620 nm, které nejsou příliš okem rozlišitelné, ale pro rostlinu se již nacházejí mimo její optimální spektrální složky a jsou tedy méně účinné. Další variantou jsou systémy se čtyřmi nebo pěti různými spektrálními kanály, které nejčastěji využívají vlnové délky 440, 610, 640, 660 a 730 nm. Výkony LED v doplněných spektrálních složkách, oproti dvoukanálovým modelům, jsou výrazně menší. Tyto vícekanálové systémy lépe odpovídají potřebám rostlin, ale jsou také výrazně dražší než dvoukanálové modely (zpravidla více než 3x). Cena u obou navíc výrazně roste se zvětšujícím se výkonem, který je od 50 W až po jednotky kW (s cenou v desítkách tisíc korun). Navržený systém se co se týče spektrálních složek světla téměř shoduje s 5-ti kanálovou variantou s doplněním o UVA složku s vlnovou délkou 378 nm (která je v systému spíše z experimentálních důvodů a pro praktičtější využití by musela mít mnohem větší výkon – UV LED s dostatečným výkonem ještě nejsou na trhu příliš k dispozici). Oranžová spektrální složka (610 nm) byla, z důvodu kusové nedostupnosti těchto LED s potřebným výkonem, nahrazena bílou LED, která toto pásmo z části také pokrývá. Hlavní výhodou navrženého systému je ale možnost jeho konfigurace, zejména možnost měnit rozložení výkonu světla ve spektru. Dále systém obsahuje již zabudovaný plánovač pro automatické nastavování výkonu podle nastavitelného časového plánu a všechny parametry lze pohodlně řídit a monitorovat ze vzdáleného místa prostřednictvím ethernetu a webového rozhraní. Tyto zmiňované funkce totiž zatím žádný s komerčně prodávaných LED systémů nemá.

Byl vytvořen systém LED osvětlení (obrázek 6.1) pro rostliny s možností uživatelsky měnit výkonové rozložení světla ve spektru a tyto i ostatní parametry monitorovat a spravovat prostřednictvím ethernetu a na něm postaveném webovém rozhraní. Pro účely zařízení bylo navrženo HW řešení nastavitelných zdrojů proudu, na bázi obvodu NCP3065 a dalších pomocných řídících a monitorovacích obvodů mezi něž patří řídící mikrokontrolér řady STM32F100. Celý systém byl postaven na operačním systému FreeRTOS a pro síťovou komunikaci byl vytvořen jednoduchý a rychlý TCP/IP stack společně s kompaktním generátorem webového HTML rozhraní. Pro možnost jednoduchého ovládání v reálném čase byl vytvořen protokol využívající standardizovaný protokol UDP a k němu ukázková PC aplikace, která ho využívá. Výsledkem je LED systém osvětlování rostlin, který v porovnání s komerčně prodávanými systémy nabízí navíc možnost uživatelsky konfigurovat rozložení světelného výkonu ve spektru a vše navíc pohodlně řídit přes ethernetové rozhraní prostřednictvím standardního webového prohlížeče nebo k tomu vytvořené PC aplikace. K LED systému lze také připojit externí modul pro měření teploty a relativní vzdušné vlhkosti osvětlované rostliny. Byl také navržen jednoduchý způsob chlazení LED, který by ale pro intenzivnější používání celého systému měl být vylepšen. Prozatím nebyly provedeny dlouhodobé praktické testy tohoto osvětlení na rostlinách, ale pouze krátkodobé zkoušky, které nemají přílišnou vypovídací hodnotu. Do budoucna by bylo systém možno rozšířit například o kameru napojenou do webového rozhraní zařízení, pro možnost vzdáleného sledování osvětlovaných rostlin, nebo přidat možnost řízení zavlažování a vytvořit tak plně automatizovaný systém. Dalším rozšířením by mohlo být propojení LED systému skrze Ethernet s databázovým systémem (např. SQL) a uchovávat tak historii provozních parametrů systému pro pozdější vyhodnocování.

45 – 6

Obrázek 6.1: Fotografie realizovaného LED systému


2012/45 – 3. 7. 2012

Poděkování Tento příspěvek vzniknul za podpory projektu FEKT-S-11-12 MOB YS a projektu CZ.1.07/2.3.00/20.0007 WICOMT, financovaného z operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost.

Literatura [1] TAMULAITIS, G. et al. High-power light-emitting diode based facility for plant cultivation. Journal of physics D: Applied physics, 2005 [cit. 25. dubna 2011], vol. 38, no. 17, p. 3182-3187. Dostupné na www: http://www.led-grow-master.com/files/HighPowered_LED_Cultivation_Study.pdf. [2] WIKIPEDIA, Simple English Wikipedia. Chlorophyll [online]. [cit. 25. dubna 2011]. Dostupné na www: http://en.wikipedia.org/wiki/Chlorophyll. [3] SATORA, O. LED světlo s nastavitelným spektrem vyzařování pro chovatelské a pěstitelské účely. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. Ústav radioelektroniky, 2012. 88 s. Diplomová práce. Vedoucí práce: ing. Lukáš Klozar [4] ON Semiconductor, NCP3065: 1.5 A Constant Current Buck Boost Inverting Switching Regulator for HB-LEDs: Datasheet [online]. 2008 [cit. 10. prosince 2011]. 18 s. Dostupné na www: http://www.onsemi.com/PowerSolutions/product.do?id= NCP3065PG [5] Microchip Technology Inc., ENC28J60. 2008 [cit. 10. prosince 2011]. 98 s. Dostupné na www: http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx? dDocName=en022889 [6] Future Technology Devices International Ltd., FT232R USB UART I.C. 2005 [cit. 10. prosince 2011]. 29 s. Dostupné na www: http://www.ftdichip.com/Products/ICs/FT232R.htm [7] The FreeRTOS Project, FreeRTOS. [cit. 15. února 2012]. Dostupné na www: http://www.freertos.org/

45 – 7


LED systém osvětlení pro rostliny s nastavitelným spektrem vyzařování

Recommend Documents