Zkouška multispektrální LED pro růst rostlin na Lepidium Sativum (řeřicha setá) – časosběrný film

Nedávno jsem si za něco málo přes 20 Kč objednal 10W multispektrální LED určenou k přisvětlování rostlin během jejich vegetativního období. Jakmile jsem ji dostal do rukou, svitl mi nápad, že bych mohl její funkčnost vyzkoušet na nějaké rychle rostoucí rostlině, jakou je například řeřicha setá. Tu jsme pěstovali jako pokus na základní škole, a jejíž semena lze zakoupit v jakýchkoli zahradnických potřebách. A aby můj pokus nebyl tak jednoduchý, chtěl jsem jej zaznamenat ve formě zrychleného časosběrného filmu.

Pro splnění vytyčeného úkolu je potřeba splnit několik základních předpokladů:

Místo pro růst rostlin bez přístupu okolního osvětlení (light box pro fotografování),
systém pro automatické fotografování růstu rostlin (Raspberry Pi s kamerou),
blesk nebo osvětlení pro fotografování (LED osvětlení),
napájení pro multispektrální led,
přepínání mezi napájením multispektrální LED a osvětlovací LED pro focení (relé ovládaní Raspberry Pi),
ovládací skript na Raspberry Pi,
skript pro postprocessing fotografií a vytvoření videa,
semena řeřichy seté.

Na Raspberry Pi musíme zabezpečit dostatečný datový prostor, jehož velikost je závislá na délce záznamu a periodě fotografování. Každá fotografie pro kameru s rozlišením 5 Mpix má velikost kolem 3 MB. Fotografovat se bude jednou za minutu, 6 dnů (po šesti dnech jsem fotografování vypnul, protože se rostliny dostali svoji velikostí mimo záběr – s tím je potřeba také počítat).

Celkový počet záběrů: 8640 = 60 * 24 * 6

Potřebné minimální místo na Raspberry Pi: 25 920 MB = 8640 * 3 => 26 GB

Fotografický light box a semena na substrátu

Na obrázcích níže je vidět light box s elektronikou, a umístěním semen na podkladovém substrátu společně s kamerou. Elektronika je, jak je možné si všimnout, pouze „pohozena“ na light boxu.

: Light box při fotografování

: Light box s Raspberry Pi

: Light box – osvětlení pomocí LED

: Umístění semen na substrát a kamera

Při fotografování je nutné vypnou multispektrální LED a zapnou bílé LED osvětlení. Tento proces je řízen přímo skriptem na Raspberry Pi, který fotografuje rostliny.

Substrát pro rostliny, zálivka

Rostliny řeřichy nepotřebují žádné další živiny. Postačí nám několik vrstev papírových ubrousků nebo obyčejná bavlněná vata. Není potřeba semena zasazovat do zeminy. Musíme ale dbát na pravidelnou zálivku.

Zálivku doporučuji několikrát denně. Nemusíme se bát, pokud budou semena namočena ve vodě. Na videu je patrné, jak s každou zálivkou dojde k nasáknutí substrátu vodou a jakoby povyskočení rostlin.

Svícení multispektrální LED

Multispektrální LED (nebo také full spectrum LED – záleží na interpretaci, nicméně uvádím multispektrální, protože chybí zelená barva) je takový světelný emitor, který zjednodušeně vyzařuje v několika barvách najednou. Pro rostliny je potřeba v různých fázích růstu dodávat určité spektrum (~ barvu; část viditelného světla), ostatní můžeme zanedbat. Pokud svítíme např. bílým světlem nebo výbojkami HPS (obrázek vlevo, spodní levá část), zbytečně spotřebováváme energii pro spektrum, které není potřeba (zelená barva). Speciální LED osvětlení, která jsou navržena právě pro pěstování rostlin „svítí“ pouze v potřebném spektru (obrázek vlevo, horní polovina), v našem případě má světlo přibližně fialovou barvu (prosvítá na fotografii light boxu s Raspberry Pi). Kromě viditelného světla (cca 400 – 700 nm) září také ve spektrech UV (pod cca 400 nm) a IR (nad cca 700 nm). I tato část je potřeba pro růst rostlin.

Ale nic není tak jednoduché. Některé rostliny potřebují i zelené světlo, a proto se v tomto případě HPS nevyhneme (samozřejmě pouze v době květu).

I rostliny by měli dodržovat režim střídání osvětlení (některé prameny uvádějí 12 hodin) a tmy. Já se je ale rozhodl trápit a tmu nedopřát. Jak jsem již psal, po celou dobu bylo zapnuto svícení multispektrální LED, s výjimkou několika sekund každou minutu, kdy se spouštěl „blesk“.

Multispektrální LED (eBay: klíčový výraz „full spectrum 380-840nm high Power led plant growth light“) má poměrně velký výkon, a proto je nutné ji chladit. Na obrázku je k ní připojen pasivní chladič určení pro chlazení procesorů v PC. Napájení je poskytováno síťovým adaptérem s výstupním napětím 9 V a proudem 0,6 A.

Na co si dát pozor? Abychom nezvolili příliš silné osvětlení, které umístíme blízko rostlin. Rostliny můžeme silným osvětlením a vyzářeným teplem „spálit.“

Ovládací skript pro Raspberry Pi

Na Raspberry Pi je nainstalována distribuce Raspbian s podporou kamery v Pythonu.

#!/usr/bin/env python

from picamera import PiCamera, Color
import time
import datetime as dt
#import RPi.GPIO as GPIO
import os

camera = PiCamera()

filename_text = '/space/data/www/lepidium_sativum-'+dt.datetime.now().strftime('%Y%m%d%H%M')+".jpg"
os.system("rm -rf /space/data/www/ls.jpg")
os.system("ln -s "+filename_text+" /space/data/www/ls.jpg")


#GPIO.setmode(GPIO.BCM)
#GPIO.setwarnings(False)
#GPIO.setup(17, GPIO.OUT)
#GPIO.setup(27, GPIO.OUT)

#GPIO.output(17, False)
#GPIO.output(27, False)

os.system("gpio mode 0 out")
os.system("gpio mode 2 out")
time.sleep(1)

os.system("gpio write 0 0")
os.system("gpio write 2 0")

time.sleep(1)

camera.start_preview()
#sleep(5)

camera.resolution = (2592, 1944)
camera.framerate = 15

camera.hflip = False
camera.vflip = True

#camera.annotate_text = dt.datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')
#camera.annotate_text_size = 50
#camera.annotate_background = Color('black')
#camera.annotate_foreground = Color('white')

#camera.brightness = 70
#camera.contrast = 70

camera.image_effect = 'none'
camera.color_effects = None
camera.awb_mode = 'sunlight'

camera.exposure_mode = 'auto'
camera.exposure_compensation = 0
camera.drc_strength = 'off'
camera.flash_mode = 'off'
camera.iso = 100
camera.shutter_speed = (1/30)

camera.exif_tags['IFD0.Copyright'] = 'Copyright (c) 2019 Zdenek Brichacek'
camera.exif_tags['EXIF.UserComment'] = 'Lepidium sativum'

time.sleep(1)
camera.capture(filename_text, use_video_port=False, bayer=False)

camera.stop_preview()

time.sleep(1)
os.system("gpio write 0 1")
os.system("gpio write 2 1")

#GPIO.output(17, True)
#GPIO.output(27, True)

#!/usr/bin/env python

from picamera import PiCamera, Color

import time

import datetime as dt

#import RPi.GPIO as GPIO

import os

camera = PiCamera()

filename_text = '/space/data/www/lepidium_sativum-'+dt.datetime.now().strftime('%Y%m%d%H%M')+".jpg"

os.system("rm -rf /space/data/www/ls.jpg")

os.system("ln -s "+filename_text+" /space/data/www/ls.jpg")

#GPIO.setmode(GPIO.BCM)

#GPIO.setwarnings(False)

#GPIO.setup(17, GPIO.OUT)

#GPIO.setup(27, GPIO.OUT)

#GPIO.output(17, False)

#GPIO.output(27, False)

os.system("gpio mode 0 out")

os.system("gpio mode 2 out")

time.sleep(1)

os.system("gpio write 0 0")

os.system("gpio write 2 0")

time.sleep(1)

camera.start_preview()

#sleep(5)

camera.resolution = (2592, 1944)

camera.framerate = 15

camera.hflip = False

camera.vflip = True

#camera.annotate_text = dt.datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')

#camera.annotate_text_size = 50

#camera.annotate_background = Color('black')

#camera.annotate_foreground = Color('white')

#camera.brightness = 70

#camera.contrast = 70

camera.image_effect = 'none'

camera.color_effects = None

camera.awb_mode = 'sunlight'

camera.exposure_mode = 'auto'

camera.exposure_compensation = 0

camera.drc_strength = 'off'

camera.flash_mode = 'off'

camera.iso = 100

camera.shutter_speed = (1/30)

camera.exif_tags['EXIF.UserComment'] = 'Lepidium sativum'

time.sleep(1)

camera.capture(filename_text, use_video_port=False, bayer=False)

camera.stop_preview()

time.sleep(1)

os.system("gpio write 0 1")

os.system("gpio write 2 1")

#GPIO.output(17, True)

#GPIO.output(27, True)

Fotografie jsou v nejvyšším rozlišení ukládány do adresáře /space/data/www/. To proto, že je na mém Raspberry Pi nainstalován webový server, a aktuální fotografii je tak možné vidět v jiném PC. Každý si samozřejmě může skript upravit jak chce.

Ovládání relé přes GPIO není potřeba komentovat, případný zájemce o stavbu by měl mít s Raspberry Pi a GPIO nějaké zkušenosti. Pouze doporučuji vyzkoušet nastavení rychlosti závěrky a ISO. To z toho důvodu, že se při ponechání na AUTO během růstu rostlin mění, a výsledné video by „pomrkávalo.“ Doporučuji vyfotit několik snímků na AUTO, podívat se na hodnoty, které systém nastavit, a ty následně zadat do skriptu.

Skript je každou minutu spouštěn ze systémového crontabu:

# /etc/crontab: system-wide crontab
# Unlike any other crontab you don't have to run the `crontab'
# command to install the new version when you edit this file
# and files in /etc/cron.d. These files also have username fields,
# that none of the other crontabs do.

SHELL=/bin/sh
PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin

# m h dom mon dow user  command
* *    * * *   root    /usr/local/bin/cam.py
#

# /etc/crontab: system-wide crontab

# Unlike any other crontab you don't have to run the `crontab'

# command to install the new version when you edit this file

# and files in /etc/cron.d. These files also have username fields,

# that none of the other crontabs do.

SHELL=/bin/sh

PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin

# m h dom mon dow user command

* * * * * root /usr/local/bin/cam.py

Skript pro postprocesing

Pro postprocessing se využívá nástrojů z balíků ImageMagick a Ffmpeg. Jelikož se jedná o úkon náročný na výkon počítače, neprovádím jej na Raspberry Pi, ale na PC s Intel i7.

#!/bin/bash

mkdir resized
mogrify -path resized -resize 1440x1080 -font Liberation-Sans -pointsize 32 -fill white -undercolor black -gravity North -annotate +0+5  %[exif:DateTimeOriginal] *.jpg
cd resized

ffmpeg -r 25 -pattern_type glob -i '*.jpg' -f mp4 -filter:v "setpts=0.25*PTS" -c:v libx265 -preset veryslow -x265-params crf=25 output.mp4

#!/bin/bash

mkdir resized

mogrify -path resized -resize 1440x1080 -font Liberation-Sans -pointsize 32 -fill white -undercolor black -gravity North -annotate +0+5 %[exif:DateTimeOriginal] *.jpg

cd resized

ffmpeg -r 25 -pattern_type glob -i '*.jpg' -f mp4 -filter:v "setpts=0.25*PTS" -c:v libx265 -preset veryslow -x265-params crf=25 output.mp4

Nejprve se změní rozlišení obrázku na 1440×1080 a přidá datum a čas z EXIF (přidání textu je možné skriptem na fotografování, ale zjistil jsem, že pokud budeme chtít obrázky následně upravit, text nám může dělat problémy).

: Původní fotografie (s vloženým časem)

: Oříznutá a zmenšená fotografie (s nově vloženým časem)

Na prvním obrázku je datum a čas vložen přímo skriptem pro fotografování.

V posledním kroku se vytvoří video ve formátu MP4, kodek x265 (na této stránce je použit kodek x264, protože x265 není internetovými prohlížeči zpravidla podporován – např. Firefox).

Výsledek

Výsledny máme dva, jeden na talíři, druhým je video. Ale je patrné, že multispekrální LED opravdu funguje. Vypěstované rostliny jsou sytě zelené, silné, a mají typickou, lehce pálivou, chuť.

Růst řeřichy

Zálivka

Následující video zachycuje jak to vypadá, pokud se nechá řeřicha částečně uvadnout, a následně zalije. Zalití bylo provedeno v čase 22:40.

Střídání dne a noci

O tom, jaký vliv na řeřichu má zavedení nočního režimu se můžete podívat v článku Růst rostlin pod multispektrální LED s „nočním režimem“.

brichacek.net

Zkouška multispektrální LED pro růst rostlin na Lepidium Sativum (řeřicha setá) – časosběrný film

Fotografický light box a semena na substrátu

Substrát pro rostliny, zálivka

Svícení multispektrální LED

Ovládací skript pro Raspberry Pi

Skript pro postprocesing

Výsledek

Růst řeřichy

Zálivka

Střídání dne a noci

Related

2 komentáře u „Zkouška multispektrální LED pro růst rostlin na Lepidium Sativum (řeřicha setá) – časosběrný film“

Leave a ReplyCancel reply

Fotografický light box a semena na substrátu

Substrát pro rostliny, zálivka

Svícení multispektrální LED

Ovládací skript pro Raspberry Pi

Skript pro postprocesing

Výsledek

Růst řeřichy

Zálivka

Střídání dne a noci

Share this:

Related

2 komentáře u „Zkouška multispektrální LED pro růst rostlin na Lepidium Sativum (řeřicha setá) – časosběrný film“

Leave a ReplyCancel reply