DIY Grow LED 灯 |设计一个更好的太阳

必要的工具和机器

胶带，导热

应用和在线服务

Arduino IDE

关于这个项目

您是否对高品质植物生长灯系统的价格感到沮丧？

公平地说，Ebay 和 Amazon 上的大多数商业 LED 灯都完全像圣诞灯一样，而不是高质量的光谱光子传输系统。

在本教程中，我尝试展示设计定制 LED 植物生长灯的步骤，并简要证明我的室内水培装置完全由 DIY 灯照射的结果。

优点：

• 开源
• 易于复制
• 基本可用组件
• 针对不同的植物和环境轻松定制
• 便宜（~40 美元）
• 确实有效！

工具和材料

科锐LED芯片

• 3W 宝蓝 (450nm)
• 3W 深红色 (660nm)
• 3W 远红光 (720nm)
• 3W 紫外线（365 纳米）
• 3W 绿色 (520nm)
• 铝制散热器
• MOSFET (IRL2203N)
• 可调式 DC-DC 电压调节器
• RTC 模块 (DS3231)
• Arduino（任何版本）
• 风扇（可选）
• 12V 直流电源（最低 5A）
• 热敏胶

动力和好心情:)

简介

在我关于自己种植 (GIY) 的第一个教程之后，我分享了我在构建集成智能种植系统方面的经验，我决定更深入地研究植物科学，并尝试利用我的技术技能想出一个解决方案。基本面

GIY 系统虽然看起来很漂亮，但有一些缺点限制了它在实际市场上的可行性。一个重要的问题是光线

光是植物生长发育最重要的因素之一，调节植物的光合作用、代谢、形态发生、基因表达等生理反应。改变光波长、光子通量（光量）和光周期可以调节生物量积累、开花时间、茎伸长和营养品质

光是决定作物结果的主要因素， 又名 它的价值！ 有许多专注于园艺照明的组织，植物灯市场的领导者，如飞利浦、Illumitex、Valoya、SananBio、Osram、Samsugn 等，但主要问题仍然是高价格！

所以，这正是我们在这里尝试解决的问题））

室内农业、都市农业、垂直农场 - 仍然是一种新兴趋势，具有成为解决粮食短缺和养活未来人口的众多解决方案之一的巨大潜力。然而，下一次农业革命必须基于协作努力，我坚信开源和创客社区是正确的起点！！！

背景

*这将是一个很长但内容丰富的章节，描述了 为什么 支持本教程。我将解释必要的相关术语和概念以获得更广泛的理解，并揭示关于 Grow LED Lighting 的常见神话和误解

如果不相关直接跳到DIY说明

所以，老实说，这是一个相当广泛和复杂的话题，需要数千页才能有一个很好的理解。不过，我会尽量保持简短，分享一些关于这个神秘世界的基础知识))

影响裤子生长和发育的光特性通常归因于强度、质量、 均匀性、方向、偏振、相干性和照明模式 .光通过光合作用成为植物生长发育的能源 , 但通过光感受器 , 光调节开花、气孔开放、叶片扩张、植物伸长和生物钟等一些形态发生过程。

叶绿素 , 以及类胡萝卜素 是在高等植物中驱动光合作用的最丰富的光合色素。叶绿素以两种形式存在——叶绿素a 和叶绿素b .叶绿素吸收 λ400 到 700 nm 之间的光 , 称为光合有效辐射 (PAR) 或 光合光子通量密度 (PPFD) , 吸光度的主要峰值在红色 (λ600–700 nm) 和 蓝色 (λ400–500 nm) 频谱区域。尽管如此，由于其他色素（例如，类胡萝卜素），植物可以利用 PAR 区域内的大部分光进行光合作用 )，可以有效捕获叶绿素吸收较差的光。

神话#1 - 从以上信息，我们可以推导出只有红色和蓝色的常见误解的起源 由于叶绿素 a 和 b，光是光合作用所必需的。然而，如上所述，叶绿素并不是唯一从光源读取信息的色素！

结论是：如果您使用红色/蓝色 LED 来照射主要由太阳照射的温室，由于红色 (λ600–700 nm) 和蓝色 (λ400–500 nm) 的峰值波长，您将提高整体性能。如果您使用红色/蓝色 LED 作为室内农场的主要和唯一光源（无法使用其他光源），那么您会极大地限制植物的整体性能

显色指数 (CRI) 是对光源与自然光相比显示物体颜色的能力的定量测量。使用 CRI，您可以估计光线对人眼的舒适程度。

色温 (CCT) value 用于描述光谱的颜色。一般仅用于描述不同的白光配色方案。

• CCT> 5000 K 被称为冷色（“蓝白色”）
• CCT <3000 K 被称为暖色（“黄白色到红白色”）

神话#2 - CCT 和 CRI 是从照明行业引入的，用于描述基于人类视觉（峰值在 555 nm）的光源。因此，对于与植物结合使用的光源，CRI 和 CCT 不是有用的度量。不能推导出生长性能、表型或形态变化。

光照强度 在农业中是衡量 PPFD 并量化为 μmol 光子 m-2 s-1 , 也简化为 μmol m-2 s-1 在 PAR 范围内，它指定了高等植物在光合作用过程中能够使用的 400 到 700nm 之间的辐射光谱。 日光积分 (DLI) ，PPFD的产物 和光周期 , 表示光源在 24 小时内发出的总光合光子通量（PPF），通常与植物生物量和养分积累呈线性关系

DLI =PPFD × 光周期

光质量 是指光谱的组成，会引起不同的反应，对植物的生长发育起决定性作用。此外，光质影响初级和次级代谢，影响碳水化合物和氮代谢，影响颜色、风味、挥发性和芳香化合物的产生、营养品质以及植物防御机制

紫外线（200nm - 400nm） - 针对强光条件和驱虫化学品刺激的保护措施 .促进叶片色素积累，影响叶片和植株形态。

蓝色（400nm – 500nm） - 缺少邻居的信号，无需争光。 促进气孔开放，抑制茎伸长，使叶片变厚，向光方向和光周期开花。

绿色 (500nm – 600nm) - 邻居的信号，光的竞争。 与蓝光相反的反应；气孔关闭，一些避荫症状，细胞深层光合作用增强

红色（600nm – 700nm） - 缺乏邻居信号。 光合作用、茎伸长抑制、信号光所需的主要成分

远红光 (700nm – 800nm) - 信号灯； 邻居的信号，光的竞争。伸长、开花

*通过改变 R:FR 和 B:G 频谱中的比率我们可以 控制植物生长

神话#3 - 不要忘记绿灯！ 尽管绿光很少被认为是促进生物量的波段，并且由于叶绿素色素的吸收极少而经常被认为对光合作用有用，但最近的报告表明它可以对植物发育和光合作用产生积极的直接和间接影响。

因此，发现红光和蓝光主要驱动叶绿体上部栅栏叶肉中的 CO2 固定，而绿光驱动下部栅栏内的 CO2 固定。同样，已证明随着 PPF 的增加，一旦单个叶子的上部叶绿体被白光饱和，绿光可以通过更深地穿透叶子并驱动内部叶绿体的 CO2 固定来改善光合作用。绿光对光合碳同化有很大贡献，并且对于刺激叶的较深部分和树冠下部的生物量积累至关重要，那里的红光和蓝光几乎耗尽。

绿光还向叶子发出强烈信号，能够更严格地控​​制对阴影或变化的光环境的适应，并有可能提高树冠内的水分利用效率

在为太空任务开发 LED 照明系统时，美国宇航局的科学家发现，红色和蓝色波长的组合会产生刺眼的紫色光，使植物看起来呈灰色/黑色，使工作人员难以评估植物的健康状况。然而，根据作者的说法，植物看起来是绿色的，在光配方中添加一些绿色比例后，任何害虫、疾病或营养缺乏的可视化都容易得多。还发现添加绿光对植物产量有积极影响

我想我们可以停在这里，在它变得更加混乱之前 :D 现在让我们谈谈在构建实际 LED 系统之前我们需要知道的事情！）

驱动 LED

由于 LED 是低压直流电源，因此它们需要一组特殊的电子设备来将流经电源线的交流电转换为可用且可调节的直流电形式

开关稳压器 也称为“DC-DC”、“降压”或“升压”转换器，是驱动 LED 的好方法。开关稳压器可以升压（升压）或降压（降压）电源输入电压，以匹配为 LED 供电所需的电压。它以80-95% 的电源效率持续控制电流并适应以使其保持恒定

许多 AC-DC 驱动器已投放市场，以简化 LED 供电过程。 LED 驱动器有两种主要类型，一种是使用高压交流电 输入电源（通常为 90V – 277V），也称为离线驱动器或 AC LED 驱动器 , 以及那些使用低压直流的 输入电源（通常为 5V – 36V）。在大多数情况下，由于极高的效率和可靠性，建议使用低压直流驱动器

热管理

尽管 LED 在触摸时是凉爽的，但由于产生光的半导体效率低下，它们会产生大量热量。 总辐射效率 （光输出功率除以总电输入功率）通常在 5% 到 40% 之间 ，这意味着 60% - 95% 的输入功率以热量的形式损失 .随着 LED 内部温度升高，正向电压和光输出降低，导致 LED 消耗更多电流。这不仅会影响 LED 的亮度和效率，还会影响整体寿命。最终，LED 将继续吸收更多电流并变得更热，直到它自己烧毁，这种现象称为 热失控

为了保持 LED 温度较低，有两种热管理解决方案可用：被动和主动冷却技术

被动冷却 ，常用于 LED 灯具，使用散热器实现高度自然对流和散热。 散热器 在 LED 照明中发挥重要作用，因为它提供了让热量更容易从 LED 光源散发到环境中的路径。散热效率直接受散热片材料的热导率影响，最好是铜，但由于其价位，铝 广泛用于大多数散热器

另一方面，主动散热 依靠外部设备通过更高的流体流动速率来增加热传递，从而显着提高散热速率。主动冷却解决方案包括使用风扇强制通风 或鼓风机，强制液体 和热电冷却器，当自然对流不足以保持低温时使用。主动散热的一大缺点是需要电力，与被动散热方案相比成本更高

调光技巧

LED 的总光输出取决于流过它的电流量，通过控制该电流，可以轻松调节 LED 亮度水平

可以使用几种不同的方式控制低压直流驱动器。使 LED 变暗的最简单解决方案是使用电位计 ，它基本上是一个带有旋转触点的电阻器，形成一个可调分压器，提供 0% – 100% 调光

另一个最佳解决方案是脉宽调制 (PWM) ，它以高频（每秒数千次）打开和关闭通过 LED 发送的电流，而 LED 开启和关闭时的时间平均值将决定 LED 的亮度。 LED 还可以通过恒流降低 (CCR) 进行调光 ，也称为模拟调光， 一种高效简单的LED亮度控制方法

PWM 和 CCR 两种调光方式都有其优点 和缺点 .常用的PWM技术具有宽广的调光范围 并且可以高精度控制光输出 .另一方面，它需要复杂且昂贵的电子设备 以足够高的频率产生电流以防止闪烁。 CRR 调光是一种非常有效 这种方法不需要昂贵的电子设备，并允许驱动器远离 LED 灯。但是，CRR不适合高精度调光 需要低于 10% 的光照水平

组装 LED 面板

首先，我准备了所有必要的提前订购的 LED 芯片，它们是 皇家蓝 （FV：3.2 – 3.6V；FC：350 – 1000mA），深红色 （FV：2.2 – 2.4V；FC：350 – 1000mA），绿色 （FV：3.2 – 3.4V；FC：350 – 700mA）和远红 (FV:1.8 – 2.2V; FC:350 – 700mA)

关于这一点的美丽部分是易于定制。我决定在我的组件中不使用紫外线，但将任何其他光谱添加到 LED 面板非常容易，只需添加一组新的 LED，例如紫外线、暖白/冷白或任何其他颜色。希望你明白这里的逻辑））

每个 LED 以串联连接 带有 MOSFET (IRL2203N, TO-220) 并由脉宽调制控制 (PWM) 来自 Arduino MKR1000 的信号， 这导致对 LED 面板中每个单独的 LED 阵列的完全控制

所有 LED 都连接到 15x15cm 铝制散热器 使用导热胶带确保热量分布均匀，避免过热，并由DC 12V 20A 电源驱动 ，连接到可调电压调节器（DC-DC降压，LM2596） 连接到每个 LED 以确保正确的电压供应。 LED均匀分布在散热片表面，确保顶篷上方的照明质量处理

无论 LED 的数量如何，主要布线技术都保持不变。如果您决定添加更多 LED 以增加功率输出（总 PPFD）或添加另一个 LED 阵列（新光谱/颜色），请使用类似的接线技术 - 只需将直流稳压器调整到合适的电压

*如果您串联连接 LED，请将电压总和相加，并相应地将其设置为直流稳压器（对于这个特定的 DC-DC 转换器，最大为 12V）

光控制器 | Arduino代码

如果您设置的目的是打开/关闭 LED，那么您实际上并不需要 arduino 和 MOSFET。通过将电源插入墙壁，您可以控制整个 LED 面板

如果您想完全控制每个 LED 阵列，精确调暗单独的通道，远程打开/关闭，或根据定义的计时器，模拟日出/日落等，请按照以下说明操作！

在我的设置中，LED 面板与整个水培系统的其他传感器和执行器一起使用 Arduino MKR1000 进行控制 .该软件基于开源“LightController” 库，这是一个 24 小时光照调度程序，旨在为月光、日出/日落、午睡等提供轻松支持，并进行了修改以适合我的实验目的。

该软件允许定义与 LED 数量相关的通道数量（每个 LED 或 LED 阵列一个通道），安排时间，选择衰落模式，并将模拟值（从 0 到 255）设置为线性或指数增加或在定义的时间间隔内降低 LED 的强度。

软件不断从实时时钟模块检查实际时间 （RTC DS3231，AT24C32）连接到Arduino，如果实时时间与代码中定义的预定时间匹配，则触发PWM引脚并开始增加或减少模拟值，LED响应强度变化。

水培设置 |种子启动

多叶莴苣的种子 (Lactuca sativa L. ‘Pflück Lettuce’, DE) 播种在纸巾中并置于发芽盘 (13cm x 18cm x 6cm) 内。托盘用自来水水合直至饱和。幼苗在23°C（±0.7°C）和90%（±3%）的相对湿度下通过数字温湿度传感器（AM2301，DHT21传感器，DE）每15分钟测量一次

10 天后 ，当生菜植株长出第一片真叶时，将幼苗移植到深流技术 (DFT) 水培法内设置的生长室中 文化系统。 5N-3P-8K肥料组成的营养液 (IKEA VÄXER Fertiliser, DE) 装在一个 10L 的水箱中

用连接在 240L/h 气泵上的 5cm 直径气石球不断向溶液充气。将植物放置在 DFT 槽顶部切入直径为 2.5 cm 的孔中，确保生长培养基底部的 1.5 – 2 cm 被淹没。

一周后，将生菜移植到参数相似的更大的系统中

这里没有什么新东西，经典的车库水培法！））

结果

棒棒哒aaa？四个星期的进步！

当你花了这么多时间种植自己的生菜时，它根本无法与超市的生菜竞争。在早餐三明治上吃新鲜的生菜叶 - 他妈的真好吃！

是的，我知道这个 LED 面板看起来科学怪人！ 但是把它想象成一个非常原始的功能原型

总的来说，我对 LED 面板的性能非常满意。然而，在我的下一个组装中，我会添加一些白光 LED 作为主要光源，另外还有其他颜色来完成光谱。

一些额外的改进是将所有东西直接焊接在 PCB 上，并且基本上将其封装得更好一些，以提供最终产品的外观。未来的任务，保持更新;)

理想的“光配方”仍然是一个复杂的话题，但在家里做研究、定制和尝试不同的组合，给人一种成为真正大事物的一部分的愉快感觉！

最后说明

您的#food 是从哪里来的？它对你有多好？

这些问题需要如此多的信息，因为我们设计的系统可能不是为了最好的目标：更便宜的食物 ，但不是营养目标 ，或环境管理

当您将一组特定的遗传学放入特定的现象或“气候”中时，它会表达一些东西。这就是所谓的表型。我们想了解这些基因在什么条件下会表现出风味、营养、大小、颜色……因此我们设计了环境因素，如二氧化碳、温度、湿度、光谱、光强度和水的矿物质含量，以提高产量，减少生产时间，并影响植物的味道、外观和营养成分

目标是为 #MachineLearning 建立知识基础 &#AI ，并生成“数字气候食谱”的共享语言 对于室内农业，可以使用开源技术在所有大陆共享。我相信农业的下一次革命必须以开放科学为基础

真正酷的是我们正在了解人与人之间的遗传差异，这让我们深入了解你应该吃什么，我应该吃什么，或者其他人应该吃什么。

想象一下为你种植一些非常特别的东西？！

恭喜 - 你成功了

如果你走到这一步，你一定真的很固执 我的朋友 :D

希望您喜欢本教程，学到了新东西，并且玩得开心 读这个:)

我鼓励你挑战和怀疑我在这里写的一切，想出新的创新方法来解决同样的问题，然后采取行动 ！

谁，如果不是我们？

最好的

德米特里·奥尔博特

领英

Instagram

代码

Github

示意图