Genom att kontrollera LED-belysningens intensitet och spektrala emissivitet går det att effektivisera odling i växthus och vertikala odlingar. Markus Buß och Jean-Francois Durix från ams beskriver här hur nya typer av sensorer kan användas för att ge bättre skördar.

Efter att LED-lamporna intagit hem och kommersiella byggnader börjar de nu även att penetrera andra marknadssegment tack vare utvecklingen av nya typer av lysdioder. En av de marknaderna är växthus och vertikala odlingar, som traditionellt har använt högtrycksnatriumlampor (HPS) som artificiell belysningskälla.

Med tiden har emellertid LED-tillverkare utvecklat nya generationer av LED-lampor med bättre och rikare spektralegenskaper, och som dessutom är mer effektiva och mycket mer kostnadseffektiva än tidigare LED-lampor.

De senaste LED-lamporna är överlägsna de traditionella HPS-lamporna som används i odling: de erbjuder låg energiförbrukning, utstrålar lite värme och har en lång livslängd. Dessa egenskaper öppnar upp nya möjligheter på odlingsmarknaden. Odlare kan nu sätta armaturerna närmare växterna och även kontrollera belysningens intensitet och spektrala emissivitet för att optimera växternas tillväxt. Detta har två fördelar: det innebär att odlare kan öka växttätheten i växthusen genom att stapla dem vertikalt, en teknik som kallas för vertikalt jordbruk. De innebär också att odlare kan optimera tillväxtcykeln och därmed växthusets användningstid. På grund av detta föredrar nu alltfler odlare LED-lampor i sina växtbelysningssystem.

LED-lampor har emellertid några begränsningar som måste tas i beaktning om man ska uppnå stabil belysning och optimal växttillväxt. Genom att använda en arkitektur med sluten styrning som drivs av spektralsensorer kan man lösa dessa problem.

Växtbelysningens betydelse
Många växter växer endast i specifika regioner på jorden och under vissa årstider. Detta är delvis länkat till den temperatur och luftfuktighet växten behöver. En annan viktig faktor är emellertid det slags ljus den behöver. Ljuset har en direkt inverkan på fotosyntesen och därmed växtens kapacitet att generera den energi den behöver för att växa.

Några forskare [1] har till exempel funnit att ljus med en våglängd på 680 nm är avgörande för tomatplantornas tillväxt under groddfasen, men att detta ljus har liten inverkan efter grodden. Under uppdrivningen optimerar ljus med en våglängd på 650 nm tillväxten och koncentrationen av klorofyll a. I sin forskning drar de slutsatsen att varje fas av tillväxtperioden – grodd, uppdrivning och övervintring – kräver ljus med olika våglängder.

För att kunna odla tomater året runt på norra halvklotet måste man använda växthus som skyddar plantorna från det karga vintervädret och är utrustade med belysningssystem som kompenserar för bristen på naturligt ljus under vintern och producerar de optimala spektrala egenskaperna för tillväxt. Om belysningssystemet även kan simulera solljusets skiftande våglängder under dagen, och på så sätt följa plantans dygnsrytm, är optimeringen av den artificiella belysningslösningen fullständig.

Precis som tomater behöver andra växter sin egen specifika ljusprofil för att växa och för att fotosyntesen ska aktiveras. Denna profil omfattar både det spektrala våglängdsintervallet och dygnsrytmen. Det ljus som används vid odling faller i första hand inom det synliga spektrumet, dvs. det har våglängder på 400–700 nm. Toppunkterna ligger i de blå och röda områdena. Alla växter behöver emellertid hela spektrumet för optimal tillväxt. Dygnsrytmen beror på ljusförhållandena i de regioner växten ursprungligen kommer ifrån.

På grund av variationer mellan till och med växter av samma typ kan ljusets kvalitet ha en stor inverkan på produktiviteten, tillväxten och utvecklingen av specifika växter [2]. Genom att övervaka ljuskällans intensitet, spektrum och dygnsrytm kan garantera tillhandahållandet av optimala växtljusförhållanden.

Lysdiodernas spektrala emissivitet är temperaturberoende
Bild 1 visar hur den spektrala emissiviteten från en ljuskälla som använder en blandning av röda, gröna och blå lysdioder ändras vid temperaturskiftningar. Den horisontella axeln visar våglängden och den vertikala axeln ljusstyrkan.

(bild ams)

Kurvorna visar tydligt att emissiviteten från en röd lysdiod påverkas av temperaturförändringarna mycket mer än emissiviteten från en blå lysdiod. Ljusstyrkan minskar med nästan 40 % vid en temperaturförändring från 5 °C (41 °F) till 70 °C (158 °F).

Detta förändrar färgen på ljuset från armaturerna – en oroande effekt för tillverkare av växtbelysningssystem som ska emittera ljus med specifika våglängder. Ett exempel visas i bild 2: armaturens egenskaper kan ligga väldigt nära den ideala svartkroppskurvan vid rumstemperatur, men dess emissivitet kan avvika betydligt från målet när rumstemperaturen stiger till 80 °C. [3]

Bild 2: Uppmätta färgskiftningar hos blandade lysdioder. (bild ams)

Som vi redan har diskuterat är det inte den färg som det mänskliga ögat uppfattar som är viktig för en optimerad tillväxt, utan snarare ljusets faktiska spektralprofil. Därför krävs kunskap om ljusets spektralprofil för att man ska kunna kontrollera en armaturs spektrala emissivitet i olika temperaturer.

Lysdioders åldrande
En lysdiods livslängd anses vanligtvis vara den tid det tar för dess ljusstyrka att sjunka till 70 % av den ursprungliga ljusstyrkan.

Bild 3: Lysdioders åldrande under deras livslängd. (bild ams)

Bild 3 visar hur ljusstyrkan förändras i en högeffektiv RGB-lysdiod under de första 10 000 drifttimmarna. Dessa egenskaper varierar från en tillverkare till en annan. Generellt har det visat sig att ljusstyrkan sjunker mellan 5–15 % under de första 5 000 timmarna. Bild 3 visar att ljusstyrkans förändring inte är samma för alla lysdioder och att de blå lysdioderna förlorar mer ljusstyrka än de gröna och röda lysdioderna. [3]

På grund av ljusstyrkans försämring måste man regelbundet byta ut lysdioderna i ett belysningssystem – en svår och dyr underhållsuppgift som ökar ägandekostnaden.

Konceptet med optisk återkoppling
För att driva ett växtbelysningssystem på rätt sätt måste man således justera ljuset med tiden och vid olika temperaturer för att bibehålla den specificerade kromaticiteten och intensiteten.

En teknik för att uppnå detta är att stabilisera lysdiodens strömstyrka och spänning. En annan är att mäta lysdiodernas temperatur och rapportera dessa värden till LED-drivaren för att implementera en temperaturstyrkrets. Dessa lösningar utför indirekt styrning och förlitar sig på prediktiva åldringsmodeller för fosformaterialet i lysdioderna. De kräver även att de lysdioder som används när armaturerna produceras kvalitetssorteras.

Betydligt bättre är den metod med sluten styrning som beskrivs nedan. Som bild 4 visar skiljer sig den här lösningen från de oreglerade kontrollösningarna på så sätt att den använder en spektralsensor som mäter ljusets faktiska spektralprofil i realtid, och direkt styr LED-drivaren för att justera ljuset tills det matchar de specificerade målvärdena vad gäller kromaticitet och intensitet.

Bild 4: System med sluten styrning och optisk återkoppling. Klicka för större bild (bild ams)

Bild 4 visar ett blandat LED-system. Principen fungerar för alla LED-ljuskällor, som RGB + vitt, RBG vitt + gult eller växtbelysningssystem med fyra eller flera spektrala lysdioder. [3]
Ljusinsamlingen för sensorn kan utföras på flera olika sätt. Ett sätt är att sätta in en ljusguide i armaturen som samlar in ljus från flera lysdioder och dirigerar det blandade ljuset till sensorn. Ett annat sätt är att designa en spektralsensorenhet som kan placeras utanför armaturen, på samma höjdnivå som växterna, och bygga ett kommunikationsgränssnitt till drivaren. I det här fallet kan sensorenheten även känna av och reagera på dagsljus.

IC-sensorn AS7265x
Arkitekturen med sluten styrning som beskrivs ovan kräver en liten sensorenhet som i hög upplösning kan mäta spektralprofilen för det ljus som emitteras från armaturernas många lysdioder.

En av ams produkter tillhandahåller den kapacitet som krävs: AS7265x är en kretsuppsättning som består av tre högintegrerade spektralsensorenheter som alla har sex kanaler, var och en endast 4,5 mm x 4,4 mm x 2,5 mm, i LGA-kapslar med integrerade bländaröppnare som kontrollerar det ljus som kommer in i sensorerna. Enhetsserien integrerar gaussiska filter i vanligt CMOS-silikon och det nano-optiska interferensfiltret fästs direkt på brickan.

Tack vare en master-slave-slave-arkitektur ser värden de tre IC-sensorerna som en enda logisk enhet, vilket förenklar systemintegrationen och minskar utvecklingstiden. Intelligens som integrerats i AS7265x omvandlar de råa ljusmätningarna till kalibrerad digital output, och hanterar gränssnittet till värdmikroprocessorn via I2C- eller UART-gränssnitt.

AS7265x-sensorns 18 kanaler sträcker sig över våglängder i det synliga och nära infraröda (NIR) spektrumet med mellanrum på 20 nm, och med våglängdsmittpunkter på 410 nm, 435 nm, 460 nm, 485 nm, 510 nm, 535 nm, 560 nm, 585 nm, 610 nm, 645 nm, 680 nm, 705 nm, 730 nm, 760 nm, 810 nm, 860 nm, 900 nm och 940 nm. AS7265x-sensorns filteregenskap täcker exakt det våglängdsintervall som behövs för optimal växtbelysning, en spektralprofil som kallas för McCree-kurvan.

AS7265x-sensorns interferensfilter ger extremt precisa och återgivningsbara egenskaper som förblir stabila både under långa tidsperioder och vid olika temperaturer. Det gör det möjligt för ams att producera spektrala IC-sensorer som är mycket mindre och mer kostnadseffektiva än de typiska komponentlösningarna som behövs för spektralanalysinstrument med många kanaler.

AS72651/652/653-kretsupsättningen kalibreras i fabriken och levererar en normaliserad 35 räkningar/µW/cm2 över hela det avkända spektrumet och förenklande algoritmutveckling. I kombination med den höga filterstabiliteten under längre tidsperioder och vid olika temperaturer möjliggör detta en ”livstidskalibrerad” design, vilket sänker både komponent- och tillverkningskostnader och öppnar upp för nya tillämpningsområden som växtbelysning (se bild 5).

Bild 5: Blockdiagram av AS7265x. Klicka för större bild (bild ams)

Bild 6: AS7265x-sensorns filteregenskaper. Klicka för större bild (bild ams)

Tack vare AS7265x-sensorns blygsamma storlek och dess låga energiförbrukning kan tillverkare utveckla nya växtbelysningssystem som utnyttjar de här unika egenskaperna.
Systemet kan övervaka belysningssystemens spektrala emissionsprofil och ljusstyrka i armaturen eller direkt vid växterna. Tack vare AS7265x-sensorernas spektralfilter kan de övervaka parametrar som PAR (fotosyntetiskt aktiv strålning) mellan ~400 nm och ~700 nm, vilket är det våglängdsintervall inom vilket fotosyntesen sker (se bild 6). Sensorernas spektraldata kan dessutom användas för att övervaka stickproppseffektiviteten, förhållandet mellan drivströmmen och lysdiodernas optiska uteffekt.

De första tester som ams själva utfört bekräftar att AS7265x-sensorernas data ligger mycket nära en laboratoriespektrometers data med lämplig kalibrering av belysningssystemet.

Bild 7: Spektral jämförelse av en spektrometers värden och sensorns värden efter kalibrering (röd – spektrometer, blå – sensor) (bild ams)

Bild 7 visar skillnaden mellan spektrometerns uppmätta värden (rött) och AS7265x-sensorns värden (blått). I det här fallet mätte ams absoluta värden för att ta fram en referenspunkt för jämförelsen mellan AS7265x-sensorn och spektrometern. Om systemet med sluten styrning endast mäter skiftningarna från en standardprofil är fabrikskalibrering tillräckligt bra för mätning av relativa värden.

Utöver att övervaka åldringseffekterna och temperaturskiftningarna i spektrala lysdioder kan AS7265x-sensorerna även känna av dagsljusets inverkan. Den här informationen kan användas för att dimma intensiteten på de våglängder som avges av spektrala lysdioder och som redan finns i dagsljuset.

Detta ger ytterligare energi- och kostnadsbesparingar, samtidigt som växterna får optimal belysning.

Med hjälp av den metod med sluten styrning som möjliggörs av AS7265x-sensorn med 18 kanaler kan tillverkare av växtbelysning utveckla fullt automatiserade belysningssystem med funktioner som:

* automatisk kompensation för dagsljusets inverkan
* automatisk justering av dygnsrytmer
* automatisk balansering av LED-förändringar allteftersom de blir äldre och temperaturen varierar.

Sammanfattning
I framtiden kommer lysdioder att utgöra ljuskällan i de flesta växtbelysningssystem och ersätta traditionella HPS-armaturer. Anledningen till denna migration är lysdiodernas lägre ägandekostnad, bättre energieffektivitet, lägre värmeutstrålning och längre livstid. De här nya LED-baserade belysningssystemen kommer att vara smartare, anslutna och sensorrika, och de kommer att ge bättre kontroll och automatiseringskapacitet i växthus. Spektralsensorer kommer att övervaka både ljuset och växternas fotosyntetiska aktiviteter. De här värdena kommer att användas för att optimera växtbelysningen automatiskt.

Med hjälp av spektralsensorer som AS7265x-enheter kan växtbelysningssystem blir mer effektiva och stabila på lång sikt. Sensorerna erbjuder nya funktioner som automatisk ljusprofilbalansering och tillväxtövervakning. Detta minskar arbetsbördan vid odling, ger energibesparingar och bidrar till att optimera skördens kvantitet och kvalitet.
Markus Buß och Jean-Francois Durix, ams

Referenser

[1] Influence of light wavelengths on growth of tomato – Hery Suyanto et. Al. – Journal of Environment, Vol 12 Nr 2 – augusti 2012

[2] Horticulture Lighting Market Analysis and Forecast 2017 – Philip Smallwood, Jared Saunders – Strategies Unlimited, A Research Unit of PennWell

[3] wp12362e light color regulation V1_0 – Dr. Fred Grunert, Dr. Wilfried Mahler, MAZeT GmbH

Filed under: Embedded, Opto