Замкнутая экосистема по-русски

Здравствуй, Хабр!

Недавно наткнулся в интернете на интересную статью, с точки зрения садоводства, об англичанине, который 53 года назад посадил в банку традесканцию.Он закупорил бутылку и, после полива 40 лет назад, больше не открывал её. Идеи пришла ему из любопытства. И по сей день растение живет, растет и поглощает кислород. Традесканция образовала экосистему: при фотосинтезе образуется кислород, происходит увлажнение воздуха внутри сосуда и выпадает влага, опавшие листья перегнивают, выделяя CO2. Но для фотосинтеза нужен еще и свет, поэтому бутылку нужно постоянно пододвигать к окну и разворачивать, чтобы листья росли равномерно. Я добавил немного электроники для комнатного растения, и вот, что из этого получилось.

Этап Первый

Как уже говорилось, в процессе фотосинтеза самое важное это свет. Но не любой!

image

Для растений наиболее важным является сине-зеленый и желто-красный. Длины волн соответственно от 440 до 550 нм и от 600 до 650 нм. Я пошел в магазин и купил 4 красных, 2 синих и 2 зеленых светодиода (прочитав статью на «Радиокоте»). Далее, расположил их под крышкой банки, закрепив на картонке, и соединил параллельно (на 2 красных 1 синий и 1 зеленый).
Т. к. светодиоды разных цветов свечения имеют разное напряжение питания, поставил резисторы. В крышке сделал отверстие для проводов и укрепил картонку со светодиодами под крышкой, предварительно просунув провода в дырку. Для большей изоляции от внешнего мира дырку можно заклеить.
Ревизия модуля освещения от 01.07.13.
Модуль специально был покрыт толстым слоем Цапонлака для предотвращения коррозии выводов элементов и меди на плате.

Этап Второй

Основное, т. е. подсветку, я уже сделал, поэтому перехожу к полезным дополнениям.
1. Чтобы свет горел только тогда, когда растение находится в тени, нужно добавить фотоэлемент.
Схема подключения:

Чтобы сделать горшок совсем умным, подключим к нему Arduino. Analog InPut на схеме — любой аналоговый вход у Arduino. На ШИМ (или PWM) выход повесим светодиоды, яркость свечения которых будет изменяться в зависимости от освещенности фоторезистора. Но для начала выясним, какие значения будет выдавать делитель напряжения.
Код
 int sensor =0; // подключаем делитель к аналоговому входу Arduino A0 
 void setup() {
   
   Serial.begin(9600);
   
 }

 void loop() { 
   Serial.println(analogRead(sensor));
   delay(1000); // Отправляет значения с делителя раз в секунду
 }

В своей схеме я использовал фоторезистор из электронного конструктора ЗНАТОКа. У него теневое сопротивление 120 кОм. Расчет резистора R1 производится по формуле: R1=Vin*R2:Vout-R2; Vin на схеме — +5V, Vout — «к аналоговому входу Arduino» (Я надеюсь, все хорошо помнят порядок действий: сначала действия первой степени — умножение и деление, а потом второй — сложение и вычитание). Также, следует помнить, что сопротивление у фоторезистора может изменяться нелинейно.
Минимальное значение освещения с моего делителя — около 100 (назовём их условными единицами), максимальное — около 755 у.е.
Зная эти значения можно написать программу для Arduino — контроллера.
Код
 int sensor = 0; // Потенциометр к А0
 int ledPin = 9; //Светодиоды к выходу 9
 void setup ()
 {
   analogReference(DEFAULT);
   pinMode(ledPin, OUTPUT);
   //Serial.begin(9600); Раскомментируйте эту строку для отображения текущей 
   //освещенности в у.е. в Мониторе Порта.
 }

 void loop()
 { 
   int val = analogRead(sensor);
  
   val = constrain(val, 130, 755); //Выставляем значения освещенности.
                                   //Если < 130, то превращаем в 130, если > 755, то выставляем в 755.
   int ledLevel = map(val, 130, 755, 0, 255);  //Превращаем значения освещенности и у.е. 
   //в 8-битные значения для ШИМ.
  
   analogWrite(ledPin, ledLevel);
  
   // Serial.println(analogRead(ledLevel));  Раскомментируйте эту строку для отображения текущей 
   //освещенности в у.е. в Мониторе Порта.
 }
  


Также, обратите внимание на то, что максимальный ток через цифровые Входы/Выходы Ардуины не должен превышать 40мА.

2. Вместо цифрового метода определения уровня освещенности можно использовать аналоговый. Добавив к делителю стабилитрон и транзистор получим все тоже, что и с процессором, только в меньшем объеме. Схема:

Стабилитрон D1 — любой мощности на 3.6 В. Транзистор T1 — любой NPN.

P.S. Смотрелось бы намного лучше, если бы провода не торчали. Сама конструкция будет технологичнее, если на дно банки положить катушку и питать подсветку без проводов (по примеру беспроводной зарядки у телефонов).

На фото ниже представлена первая экспериментальная банка. Растение в нее было посажено 01.06.13.

Впоследствии, от этой банки решено было отказаться, т.к. растению в ней не хватало места для роста (также, стальная крышка, с большой долей вероятности, за 40 лет использования, заржавеет :)).

Взамен маленькой литровой банки, растения были посажены в большие — 3-ех литровые. Заменена была и крышка — на полиэтиленовую.
P.S.S. Дата посадки: 30.06.2013 (01.07.13 была открыта банка для замены модуля освещения).
Фото 1: 10.07.13

Фото 2: 17.07.13. На фото ниже видно как на стенках начала проявляться растительность. Это свидетельствует о том, что простейшие виды растений тоже чувствуют себя в системе хорошо.

Фото 3: 02.09.13
Также, для эксперимента, в банку с денежным деревом была посажена косточка мандарина (предварительно не выдерживавшаяся во влажной марле и т.п.). Как видно на фото выше, сейчас она проросла.
По мере накопления экспериментальный данных, информация будет выкладываться здесь.

Список источников
  1. Видео уроки по Arduino от Джереми Блума (Jeremy Blum) в переводе Амперки (amperka.ru).
  2. Фитолампа

Поделиться публикацией
Похожие публикации
Ой, у вас баннер убежал!

Ну. И что?
Реклама
Комментарии 46
    +23
    Это всё очень блаародно, но как там на счет баб? интересно, но как растет цветок?
      +8
      Стоит светодиоды разместить снаружи банки, чтобы их можно было обслуживать не нарушая эксперимента. Вдруг он на те же 40 лет затянется?
        +10
        Ожидал ссылку на описание эксперимента, а открылось описание цветка.
        А вообще, чем-то мне сабж напомнил гроу-бокс.
            • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                +2
                Энергия, попадающая на один лист растения, может быть рассчитана по формуле
                (341 Ватт/кв.м) * (площадь листа)
                (341Ватт/кв.м. — поток излучения Солнца на поверхности Земли, см. Вики)
                Площадь листа Вашего растения — пусть лист (грубо) это прямоугольник 1*10 см = 10 см. квадратных == 0,001 квадратного метра.
                То есть от Солнца на него попадает примерно 0,3Вт мощности излучения.

                При расположении светодиодов на расстоянии 0,2 метра от листа (примерно как у Вас) на листья растения будет попадать доля мощности, равная отношению площади листа к площади сферы радиусом 0,2м. Посчитаем:

                Доля от LED = площадь листа 0.001 кв.м. / площадь сферы 4*3.14*0,2*0,2 = 0.001/0.5 = 0.0005 мощности излучения светодиода

                Чтобы мощность, попадающая на лист от светодиода, была равна мощности, попадающей от Солнца, суммарный поток излучения от светодиодов должен быть равен

                0.3 Ватт / 0.0005 = 600Ватт

                Но и это не все. КПД светодиодов составляет в лучшем случае десятки процентов, поэтому электрическая мощность должна быть еще выше в несколько раз.
                Выскажу сомнение, что Ваши светодиоды имеют такую мощность.

                Простите, но есть подозрение, что Ваше растение может сыграть в ящик при таком освещении.
                  0
                  Величина 600Ватт несколько завышена, так как на единицу площади за стеклом попадает меньше световой энергии за счет отражения на двух границах (воздух-стекло и потом стекло-воздух) и поглощения в стекле. Но порядок величины при этом не изменится — сотни ватт.
                  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                      +1
                      Сори, не соглашусь.
                      Квадратный метр = 100см * 100см = 10000 (десять тысяч) см.квадратных.
                      то есть 10 см.кв = 10/10000 = 0,001 = одна тысячная

                      Насчет 4пи — да, светодиод не в сферу светит, Вы правы. Но это расчет — только для определения порядка величины: сотни, возможно — десятки Ватт.
                      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                      +1
                      Проблемы у вас в расчетах :) Практика показывает, что МГ-прожектор в 150 ватт на расстоянии 50 см дает освещенность, эквивалентную солнечному дню на открытой местности на нашей широте. Это по люксометру. 150 ватт электрической мощности, КПД там около 25%.

                      Из личного опыта — для подсветки цветка в подобной банке нужно что-то типа 50-ваттной люминисцентной лампы, очень желательно с рефлектором.
                        +1
                        я написал, что результат завышен. Но так или иначе — десятки/сотни Ватт, Ваши величины — тому подтверждение
                        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                        0
                        Спасибо огромное за Ваш комментарий! Когда-то ставил похожие опыты, теперь благодаря Вам понимаю, что делал ошибки в предварительных расчетах мощности освещения, приходящейся на растение.
                      +21
                      я чё за камасутра на второй картинке?
                        +7
                        И календарь ещё на 2012 год! Предлагаю вывести автора на «чистую воду»!
                          0
                          Запаял светодиоды с резисторами на картонке. (Вы еще заднюю сторону не видели).
                            0
                            вы путаете камасутру с порно. камасутра — справа на фоне, а порно, пардон, по центру
                          +3
                          А зачем питать светодиоды через ардуино?) Да и шим то там… не так нужен.
                            +4
                            А контрольная группа есть? Просто на подоконнике, без хайтека, просто с нормальным поливом?
                              +8
                              Красно-синий свет это спектр поглощения хлорофилла. Здесь все понятно.
                              А вот про следующие пункты все время забывают:

                              1. Хлорофилл — не единственный растительный светопоглощающий пигмент.
                              2. Растения как-то живут на солнце. Вы думаете, что за миллионы лет эволюции они не приспособились по-максимуму утилизировать естественное освещение?
                              3. У производителей специальных ламп для растений весьма сильные маркетинговые отделы, старательно вешающие лапшу на уши.

                              Мои поинт, подкрепленный 6 годами изучения физиологии и генетики растений в универе, состоит в том, что светить нужно обычным белым светом. Игры со спектром нужны когда света просто недостаточно, либо когда среда фильтрует определенные длины волн (аквариумы, лампы со спектром-пилой), либо мы хотим достичь каких-то специальных ростовых воздействий (например, замедление вытягивания и усиление пигментации при облучении синим и ближним УФ светом).

                              Ну и по теме — мощности маловато.
                                0
                                Мне кажется, что бытовые люминесцентные или светодиодные лампы очень далеки от «обычного белого света». С учетом этого, все равно нет необходимости в специальных лампах?
                                  0
                                  Каждая лампа имеет свои спектральные характеристики. Скажем, металлгалогенки достаточно хорошо имитируют солнечный свет. Люминисцентные, ртутные, светодиодные — похуже.
                                  Единственный плюс красно-синих светодиодов в том, что установка той же мощности теоретически может получиться дешевле.
                                  0
                                  > 2. Растения как-то живут на солнце. Вы думаете, что за миллионы лет эволюции они не приспособились по-максимуму утилизировать естественное освещение?

                                  Для справки: нет. КПД зелёного листа (доля падающей энергии, преобразуемая фотосинтезом) не превышает 2%. У культурных растений селекцией удалось добиться величины порядка 4%.
                                  fizrast.ru/fotosintez/intensivnost/koef-hv.html
                                    0
                                    Когда изобретут искусственный фотосинтез с большим КПД, тогда и будете говорить, что растения это делают неэффективно. Я лишь намекну — ограничителем скорости фотосинтеза у быстрорастущих с/х культур внезапно является не количество света, а количество углекислоты.
                                    Да и по вашей же ссылке КПД там выше и достигает 6% у C4 растений (кукуруза). С4 — это растения с особым метаболическим путем превращения углерода (путем селекции оно не появляется, это свойство вида).
                                      –2
                                      Я намекну: искусственный фотосинтез давно уже изобрели. КПД фотоэлементов куда как выше — десятки процентов.
                                        0
                                        По-вашему, выработка электричества = фотосинтез? Вы уж ознакомьтесь с предметом для начала, что ли.
                                          –1
                                          По-моему, выработка электричества — искусственный аналог фотосинтеза.
                                          Жизнь существует в потоке энергии; зелёные растения способны потреблять примерно 2% этого потока. Искуственные конструкции — фотоэлементы — способны потреблять до 40% этого потока. Вывод: (а) растения потребляют солнечную энергию неэффективно, (б) ваш исходный тезис «Вы думаете, что за миллионы лет эволюции они не приспособились по-максимуму утилизировать естественное освещение?» неверен.
                                            +1
                                            >По-моему, выработка электричества — искусственный аналог фотосинтеза.

                                            1. Ваше мнение неверно. Фотосинтез — это синтез с помощью энергии света (фото). Синтез в данном ключе — это образование сложной органики из неорганики. Это определение.

                                            Получение энергии не является синтезом, а в живых организмах представлено обратным процессом — дыханием. Это и есть аналог вашей солнечной батареи.

                                            И да, для синтеза нужна энергия, но это далеко не все, что для него нужно.

                                            2. Эффективность это мера относительная. Трансформатор с КПД 80% неэффективен, а ДВС с КПД 40% сверхэффективен. Точно так же фотосинтез с КПД до 10% — сверхэффективный процесс, так как речь идет о десятках сложных согласованных химических реакций.

                                            3. КПД дыхания — около 40%. Это сверхэффективный процесс.
                                              0
                                              И если будете гуглить, не путайте фотодыхание с дыханием. Фотодыхание всего лишь название одного из побочных непроизводительных путей фотосинтеза не имеющее отношения к получению энергии.
                                                0
                                                Дыхание — аналог солнечной батареи. Ок. На этом дискуссию можно завершать.
                                    0
                                    Вы думаете, что за миллионы лет эволюции они не приспособились по-максимуму утилизировать естественное освещение?


                                    Если бы эволюция была бы направлена на максимизацию эффективности, листья бы стали чёрными и поглощали бы всю полосу светового потока. Но эволюция обеспечивает лишь продолжение рода за счёт мелких улучшений на общем фоне. Так что фотосинтез в лиственных растениях и близко не обеспечивает 100% КПД, но растениям пофиг — главное, получилось мхи, лишайники и хвощи обскакать, и ладно.
                                    +2
                                    Традесканция образовала экосистему

                                    adapt or die
                                      0
                                      У вышеупомянутого англичанина бутыль с растением простояла под лестницей в светлой комнате. Так ли нужны в этой системе светодиоды или вы собрались поместить бутыль в подвал, где другого источника света не будет?
                                        0
                                        Вы нанометры с микрометрами перепутали. Мне не жалко, но растения сварятся :)
                                          0
                                          Интересно, нужно/можно ли проводить расчёты того, сколько излучения светодиодов поглощает/усваивает растение/земля, и каковы тепловые потери всей системы? Хотя, при комнатной температуре это не так актуально…
                                            0
                                            А ещё крышка металлическая, хоть и «эмалированная», через пару лет начнет корродировать. Кстати, «замкнутая» влажность внутри не пощадит и светодиоды (металлические выводы и провода — точно). Какой бы безупречной не выглядела герметизациия — через определенное время, малейшие изъяны (а без них никак) дадут о себе знать.

                                            В общем, думаю, сосуд надо «запаять», а освещать снаружи. Иначе система будет не замкнутой, пусть даже и очень очень малозаметно.
                                              +1
                                              Вы не боитесь, что искусственным освещением нарушаете биоритм растения. В природе оно имеет и день, и ночь, то есть фотосинтез идёт только часть суток, другую часть суток другая реакция.
                                                +2
                                                Нафига там ардуина-то? Attiny13 за глаза хватит, тем более, что эксперимент, предположительно, длительный. У вас есть лишняя ардуина?
                                                  –1
                                                  Я не знаю как там со спектром, но под ДНАТ'ом 400 Вт такой куст вырос — еле прикончили :)
                                                    –1
                                                    Я не знаю как там со спектром, но под ДНАТ'ом 400 Вт такой куст вырос — еле прикончили :)
                                                      0
                                                      Растил мох в колбе из-под лампочки накаливания. Колба была заклеена и стояла прямо на рабочем столе. Эксперимент длился год с небольшим. За первый месяц мох сдох и я хотел было закончить эксперимент, однако, через пару недель мох начал покрываться свежими побегами. Ещё через месяц система вошла в состояние гомеостаза: колба то вдруг запотевала и покрывалась зеленью, ползущей по стеклу, потом высыхала, бурела, снова зеленела и т.д. Эксперимент закончился случайно — моя будущая жена отбила колбе цокольную часть. Всё сразу высохло, откуда-то вылезли сорняки и стало не интересно. На фотографии колба за 5 минут до отправки в мусор. Зеленый цвет условно обозначен синим.

                                                      image
                                                        0
                                                        Эксперимент закончился или в процессе? Расскажите о результатах, пожалуйста.

                                                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                        Самое читаемое