Arduino, LED e crescita delle piante (progetto)

[elegos]

Ciao a tutti!

Anche se con un po' di ritardo rispetto l'anno scorso, eccomi qui con il mio progetto di Gennaio

Durante gli scorsi anni ho comprato una serie di piantine, alcune delle quali sono prosperate, altre sono sopravvissute ed alcune sono morte. Una chamaedorea elegans (per interderci: quella dell'Ikea) prospera rigogliosa e continua a far spuntare nuovi steli, un'orchidea ha fatto fiori ogni anno ed altre piante si sono susseguite con vane speranze.

In tutti i casi ho notato un orientamento delle piante verso l'unica fonte luminosa (la finestra), spogliando la pianta della parte non esposta. Mentre è facile girare la palma, un'orchidea, per via delle sue foglie laterali, può ruotare di 180° ogni volta, il che non è ideale.

Per ovviare al problema dell'orientamento "spinto", all'impossibilità di coltivare piante lontano dalla finestra ed in ogni caso dare un apporto qualitativo luminoso migliore, ho pensato di realizzare un sistema di illuminazione programmabile, utilizzando LED con una lunghezza d'onda ben precisa (in particolare ricreando uno spettro con 5 lunghezze, dagli infrarossi agli ultravioletti).

Per fare questo, a partire da un progetto su arduino.cc, ho identificato una serie di elementi necessari:

• LED da max 3W l'uno con onde di diversa lunghezza: 5 serie da 3 unità l'una di LED (UV, blu, verde, rosso, rosso estremo)
• Pannello di disspiazione passiva in alluminio dove applicare i LED per non surriscaldare le piante
• 5 regolatori DC-DC per alimentare le 5 serie di LED a partire dal trasformatore qui sotto
• Trasformatore 12V da almeno 4A (5x3Wx3LED/12V, è giusto il calcolo?) (pensavo ad un 12V10A per star tranquilli)
• 5 MOSFET (enhancement) collegati ad un generatore di PWM (Arduino) per regolare l'intensità di ogni serie di LED e relative resistenze (da calcolare, aiuto?)
• Arduino dotato di Atmega32u4 (ho un clone del Leonardo in formato Micro, dovrebbe essere sufficiente)
• modulo RTC per conoscere periodo dell'anno / ora / minuto e quindi erogare la luce necessaria secondo lo schema caricato

So che il microchip Atmega32u4 (in dotazione all'Arduino Leonardo o cloni) ha 20 pin I/O digitali, dei quali 7 dovrebbero essere utilizzabili anche come PWM, quindi in teoria, caricando il giusto programma nell'arduino, dovrei essere in grado di controllare la luce erogata sia in termini di quantità (potenza), sia di qualità (lunghezza d'onda).

Oltre a confermare quanto scritto sopra, mi piacerebbe dotare il tutto con una memoria flash per poterci caricare il programma che si intende utilizzare (pensavo un formato XML su una microSD, la quale anche se mi sembra un cannone per uccidere un moscerino, è sicuramente pratica per non dover spostare tutto l'hardware davanti al PC). Infine... come si programma il modulo RTC per impostare inizialmente data/orario?

In fase avanzata del progetto, infine, mi piacerebbe:

• realizzare un PCB (pensavo progettato in KiCad) dove trasferire tutte le componenti in una sola board ed esporre i pin di alimentazione e per i LED (vedi curiosità / imparare a saldare microcomponenti / #lotsoffun)
• realizzare un modello 3D da stampare a supporto della soluzione (immaginavo una pedana da impermeabilizzare dove tenere l'alimentatore e la PCB sopracitata e sfruttarla come base di appoggio per la pianta), un supporto a carrello sopra la pedana (possibilmente su un singolo lato) dove far correre i cavi di alimentazione dei LED ed un sistema di aggancio a pioli per regolare l'altezza della sovrastruttura formata dai LED e dalla piastra di dissipazione (anche se probabilmente avrà bisogno di due lati visto il probabile peso di ciò che deve sorreggere)

Chi vuole aiutarmi in tutto questo?

P.S.
Volete che vi dica la verità? Sono così intrippato che mi piacerebbe, a progetto ultimato, realizzare un sito dove poter condividere in community i "profili luce" dedicati alle singole piante... da quanto ho capito profili diversi anche su piante identiche possono provocare crescite e colori differenti, quindi grazie ad una comunità attiva si potrebbero scoprire infinite combinazioni di luci / piante per coltivare in modo ottimale diverse piante in diversi modi per avere diversi risultati :)

[edgar]

[*] LED da max 3W l'uno con onde di diversa lunghezza: 5 serie da 3 unità l'una di LED (UV, blu, verde, rosso, rosso estremo)
[*] Trasformatore 12V da almeno 4A (5x3Wx3LED/12V, è giusto il calcolo?) (pensavo ad un 12V10A per star tranquilli)[

Non entro nella discussione tecnica, ti faccio solo notare che con quelle potenze si va poco lontano.
Ho costruito un germinatoio per le sementi di mio papà, superficie 0,4 mq. Ho installato una lampada fluorescente da 30 W appositamente studiata per la crescita di piante. I semi germogliano ma le pianticelle pur se di un bel verde grazie allo spettro corretto, "filano" a causa della quantità di luce insufficiente. Non un grosso problema perché una volta cresciute un minimo vengono spostate in un luogo molto luminoso ma il problema c'è. Dovrei come minimo quadruplicare la potenza delle lampade ma poi i consumi diverrebbero troppo elevati.
D'altronde i coltivatori di canapa fai da te vengono spesso beccati per i consumi di corrente anomali

[richiurci]

Tempo fa ci avevo pensato anche io:
viewtopic.php?f=13&t=55692

credo sia il caso che tu studi bene le lunghezze d'onda necessarie, e ti procuri LED seri con emissione cromatica affidabile... troppo complicato "sperimentare" visto i tempi lunghi di reazione delle piante, meglio cercare online e prendere spunto.

Ricordo vagamente che la lunghezza d'onda deve cambiare per simulare le variazioni giornaliere e stagionali del sole, e certe lunghezze d'onda stimolano la crescita, altre la fioritura ecc ecc

[albertagort]

Di pure per quali piante ti serve in realtà..ormai non è piu reato

[elegos]

Grazie per le risposte :)

@edgar sicuramente il germinatoio gestisce una fase cruciale della crescita della pianta, ma forse è anche il periodo più semplice da gestire da un punto di vista d'illuminazione, e quindi forse basta un'alimentazione da 30W. Capisco quindi che forse per far crescere determinate piante (vedi: tropicali a piena luce) ci sia bisogno di tanti $$$ e controlli della Polizia - senza considerare che senza il controllo climatico (al quale ci volevo arrivare in una terza ipotetica fase, con sensore dell'umidità della terra e dell'aria, sensore di temperatura, ventola di raffreddamento e resistenza per eventuali temperature notturne con relativa serra) il problema potrebbe spostarsi sulle altre (in realtà infinite) variabili di un ambiente naturale. Pensavo quindi di coltivare con questo metodo piante del sottobosco, sempreverdi o cose così... poi magari una seconda versione potrebbe includere più elementi e quindi dover assorbire più energia. Oppure potrebbe essere utilizzato esclusivamente come coadiuvante alla luce del Sole naturale (per es. rafforzando prevalentemente lo spettro del blu per indirizzarle verso l'alto ed il rosso per il processo di fotosintesi).

Il germinatoio a quale distanza dalle foglie erano poste le luci? Anche quello ha un effetto drastico sulla capacità di assorbimento dell'energia (mi pare che la luce si degradi al quadrato della distanza), motivo per il quale si vuole dissipare il calore generato dai diodi tramite piastra di dissipazione in modo da permettere un avvicinamento prossimo della luce alla pianta.

@richiurci le lunghezze d'onda sono quelle "standard" delle luci da coltivazione che corrispondono a 365 nm, 450 nm, 520 nm, 660 nm e 720 nm. L'emissione cromatica... beh, avrei bisogno di strumenti costosi per misurarla (immagino), quindi dovrò far affidamento alle specifiche del produttore. Più che cambiare la lunghezza d'onda, deve cambiare lo spettro durante l'anno (pensavo ad una transazione da "mid-season" a "mid-season" con i valori massimi di riferimento), mentre un semplice effetto di dimmering per il singolo giorno, tanto per cominciare da un modello semplice

@albertagort giuro non voglio entrare nel giro :P - anche perché dovrei veramente spendere qualcosa come 100W di potenza almeno

EDIT: ho trovato questo articolo http://www.orchidsmadeeasy.com/growing- ... er-lights/ che, per esempio, le orchidee hanno una necessità di intensità di luce che varia da 1000-1500 fc (per quelle che preferiscono basse intensità) fino a 3000-4500 fc (foot candles). Ora devo capire a cosa corrispondono 4500 fc in termini di potenza ed efficienza dei LED :)

[elegos]

Dopo un minimo di ricerca, ho trovato questo sito https://blog.acdist.com/led-lighting-wh ... oot-candle che dice che, fondamentalmente, 4500 fc equivalgono a 72,44W (1 fc = 10,76 lumen; 1 lumen = 0,001496 W; 1 fc = 0,01609696 W).

Consideriamo i due casi limite:

• luce "bianca" intesa come mix in parti uguali di tutte le lunghezze d'onda, sarebbero 5 LED per colore. Potenza a pieno regime (tutti i colori accesi al 100%): 75W (trasformatore 12V10A)
• luce mono-cromatica, equivalente a 25 LED per colore. Potenza a pieno regime (tutti i colori accesi al 100%): 375W (trasformatore 12V33A)

Volendo fare un "all-in" senza prendere ulteriori assunzioni, si potrebbe dotare il sistema di 25 LED per colore, quindi un totale di 125 LED (max 375 W), ma limitare la potenza erogabile a max 100W, in quanto lo spettro necessario è sbilanciato fortemente sui rossi, in minor quantità il blu (i due colori per la fotosintesi) ed una minima parte di verde ed UV. Questo ovviamente impatterebbe anche sul costo delle componenti, in quanto i LED che ho trovato sono tutti in lotti da 10 ad un costo variabile tra i 3.5€ ed i 10€ + SS.

[edgar]

Il germinatoio a quale distanza dalle foglie erano poste le luci?

Trentacinque centimetri circa dalla perpendicolare del tubo fluorescente

[Lorenzo60]

4500 fc equivalgono a 72,44W (1 fc = 10,76 lumen; 1 lumen = 0,001496 W; 1 fc = 0,01609696 W)
Non è proprio così:
Lumen, Candele, fc ecc sono unità di misura fotometriche cioè riferite all'occhio umano e misurate con i filtri dall'osservatore CIE 1931. L'uomo un generale è più sensibile alla radiazione sul giallo
I Watt, i w/m² i W/stearadiante ecc. sono unità radiometriche cioé indipendenti dalle caratteristiche dell'osservatore.
Ora una sorgente di luce gialla, per esempio una lampada al sodio a bassa pressione (sono quelle gialle che si vedevano nei paesi), può emettere un grande flusso luminoso in lumen pur emettendo una potenza relativamente piccola in W, ma avrebbe un'efficienza fotosintetica bassissima.
Quindi giusto spingere principalmente il blu ed il rosso, ma un poco di giallo lo devi mettere per non produrre una luce che stimoli strane risposte induttive mediate dal fitocromo.

[elegos]

@Lorenzo60 leggendo l'abstract di questo articolo ho capito che i fitocromi sono gli unici responsabili della sensibilità al rosso lontano. Cosa intendi esattamente per "strane risposte induttive mediate dal fitocromo"?

Inoltre in quest'altro articolo (nota: è un prodotto commerciale, ma la bibliografia è completa) dice poco sul giallo, se non che è simile in risposta al verde.

Se dovessi avere uno schema fisso, direi che la distribuzione dei led dovrebbe far prevalere rosso + blu, quindi rosso lontano + viola ed infine verde e giallo. A quanto pare i raggi UV non fanno bene alle piante, tanto quanto alla pelle umana.

Invece come posso fare una stima di Watt necessari, considerando una distanza tra sorgente e pianta sempre sui 10cm?

[IlGuru]

Della luce verde le piante non se ne fanno niente, al limite la puoi utilizzare tu per vedere quando le piante devono credere che è notte.
Lo stesso vale per gli UV, questi per le piante sono dannosi e possono essere utili solo per contrastare la comparsa di alghe e muffe.
Il calcolo della quantità di led che servono è tutto un altro discorso. Hai bisogno di conoscere la quantità di luce necessaria alle piante per metro quadro, a che distanza li vuoi tenere e con un rapido calcolo trovare la quantità di lumen necessari. A quel punto dividere questa quantità per i lumen dichiarato dei led. Con 30W ci fai giusto un germinatoio, ma per la germinazione delle piante ti serve solo lo spettro centrato nel blu, il resto è inutile. A quel punto prendi un faretto a led da 50W con luce bianca a 6000K a 19€, la colleghi ad un timer da 5€ e sei a posto.