również moduły pomocnicze, wykorzystywane w procesie pro-

gramowania pamięci próbek oraz moduły odpowiedzialne za

dystrybucję sygnału zegarowego.

W układzie FPGA stworzono wielokrotne instancje struk-

tury pojedynczego kanału, które można łatwo powielać, w za-

leżności od liczby zastosowanych modułów LED. W układnie

zaimplementowano dodatkowo inne niezbędne moduły po-

mocnicze, takie jak UART (zapewniający komunikację z kom-

puterem wg ustalonego protokołu binarnego), kontroler

zerowania, multiplekser magistral oraz układy dzielników

i dystrybucji sygnału zegarowego (rys. 6). Urządzenie wypo-

sażono w odpowiednie układy zasilania, generowania sygnału

zegarowego (częstotliwość taktowania wynosi 50 MHz) oraz

konwersji poziomów logicznych do komunikacji z kompute-

rem w standardzie RS232.

Oprócz układu fotostymulatora opracowano również bib-

liotekę procedur niezbędnych do tworzenia oprogramowania

współpracującego z zaprojektowanym urządzeniem. Opraco-

wana biblioteka zapewnia dostęp, z poziomu dowolnej apli-

kacji systemu MS Windows, do podstawowych parametrów

każdego z generowanych sygnałów (częstotliwość, faza) oraz

pamięci próbek każdego modułu DDS. Wszystkie modyfikacje

wykonywane są w czasie rzeczywistym, bez przerywania

pracy urządzenia. Dodatkowo, ustawione parametry mogą

zostać w każdej chwili zapisane w postaci profili użytkowni-

ków w plikach XML, co ułatwia testowanie różnych zestawów

sygnałów stymulujących.

Podsumowanie

Badania nad interfejsami BCI wykorzystującymi detekcję po-

tencjałów SSVEP prowadzone w Instytucie Elektroniki PŁ wy-

kazują, że możliwe jest zwiększenie szybkości tych urządzeń

przez zastosowanie odpowiednich metod stymulacji. Opraco-

wana metoda naprzemiennej stymulacji pól wzrokowych

umożliwiła zbudowanie urządzenia BCI o szybkości przekra-

czającej szybkość innych znanych urządzeń tego typu. Prze-

widuje się, że zastosowanie bardziej złożonych sposobów

stymulacji umożliwi również zwiększenie pojemności systemu,

a tym samym projektowanie urządzeń o funkcjonalności

zbliżonej do tradycyjnej klawiatury komputera. Do zweryfiko-

wania tej tezy zaprojektowano i wykonano prototyp wieloka-

nałowego, wielofunkcyjnego fotostymulatora, który posłuży do

prowadzenia dalszych badań nad szybkimi i pojemnymi in-

terfejsami BCI.

Paweł Poryzała jest stypendystą projektu “Innowacyjna dydak-

tyka bez ograniczeń - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej

- zarządzanie uczelnią, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmac-

nianie zdolności do zatrudniania, także osób niepełnospraw-

nych” współfinansowany przez Unię Europejską w ramach

Europejskiego Funduszu Społecznego.

Literatura

[1] Wolpaw J. R., et al.: Brain-computer interfaces for communica-

tion and control. Clin. Neurophysiol., 2002, 113, pp. 767-791.

[2] McFarland D. J., et al.: BCI Meeting 2005-Workshop on BCI Sig-

nal Processing: Feature Extraction and Translation. IEEE Trans.

On Neural Systems And Rehabilitation Eng, vol. 14, no 2, 2006,

pp. 134-138.

[3] Wang Y., Gao X., Hong B., Jia C., Gao S.: Brain-Computer In-

terfaces Based on Visual Evoked Potentials, Feasibility of Prac-

tical System Design. IEEE Eng. in Medicine and Biology, vol. 27,

no 5, 2008, pp. 64-71.

[4] Materka A., Byczuk M.: Alternate half-field stimulation technique

for SSVEP-based brain-computer interfaces. Electronics Letters,

16th March 2006, 42, 6, pp. 321-322.

[5] Materka A., Byczuk M., Poryzała P.: A Virtual Keypad Based on

Alternate Half-Field Stimulated Visual Evoked Potentials. Inter-

national Symposium on Information Technology Convergence,

2007. ISITC 2007, Nov. 2007, pp. 296 - 300.

Zastosowanie diod LED w systemach doświetlania

roślin wyzwaniem na dzisiaj i na jutro

mgr inż. WOJCIECH GRZESIAK

1

, prof. dr hab. inż. STANISŁAW NOWAK

1

,

mgr inż. JERZY POCZĄTEK

1

, mgr AGATA SKWAREK

1

, prof. dr hab. FRANCISZEK

DUBERT

2

, dr hab. ANDRZEJ MARIA SKOCZOWSKI

2

, dr inż. ILONA CZYCZYŁO-MYSZA

2

,

dr hab. inż. SŁAWOMIR KURPASKA

3

prof. UR

1

Instytut Technologii Elektronowej, Oddział w Krakowie

2

Polska Akademia Nauk, Instytut Fizjologii Roślin im.Franciszka Górskiego, Kraków

3

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Wydział Inżynierii Produkcji i Energetyki

Celowość i korzyści z operacji doświetlania roślin w rozmai-

tych fazach ich uprawy są od dawna bezspornie stwierdzane

i uzasadniane eksperymentalnie. Z tytułu cech klimatycznych

wielu regionów w tym Polski w pewnych porach roku wystę-

puje deficyt dostępności promieniowania słońca, czego re-

zultatem jest liniowa procentowa zależność spadku plonów

od spadku natężenia promieniowania. Niedobory tego na-

tężenia skutkują wolniejszym wzrostem roślin, zmniejszoną

odpornością na choroby, wiotczeniem łodyg, obniżeniem za-

wartości chlorofilu i późniejszym ograniczeniem produktyw-

ności. Interesujący i atrakcyjny obszar badawczy stanowi pro-

blematyka okresowego lub cyklicznego doświetlania, ce-

chującego się nieraz nieoczekiwanymi, nieprzewidywalnymi

rezultatami reakcji rośliny. Cechy tego doświetlania tj. inten-

sywność, czas trwania i okres cykliczności aplikowania sta-

nowią wciąż otwarte i atrakcyjne pole eksperymentu. Istotnym

tu parametrem okazuje się być gęstość fotonów. W doświad-

czeniu fotoperiodycznym, polegającym na sterowaniu

długości trwania nocy i dnia wymagana jest gęstość nie mniej-

sza niż 5...10 µEm

-2

s

-1

(gdzie: E, einstein - jednostka okreś-

ELEKTRONIKA 10/2009

73

lająca liczność fotonów). Z kolei przy doświetlaniu tzw. asy-

milacyjnym, aplikowanym dodatkowo tylko sezonowo - udaje

się w pewnych przypadkach wydatnie skrócić okres oczeki-

wania na owocowanie. Maksimum intensywności fotosyntezy

przypada na gęstość fotonów w zakresie 400...1000 µEm

-2

s

-1

,

podczas gdy minimalny próg aktywności świetlnej to gęstość

z zakresu 40...50 µEm

-2

s

-1

, poniżej której może ujawniać się

już proces destrukcji ustroju rośliny [1].

Obok marginesowych, wyróżnić się dają cztery główne ro-

dzaje źródeł światła, wykorzystywane w procesie doświetlania

roślin. Są to lampy żarowe o stosunkowo skąpych zastoso-

waniach z racji mało korzystnych parametrów. Bywają eks-

ploatowane do doświetlania fotoperiodycznego. Rodzaj drugi

to nisko- i wysokoprężne lampy sodowe o znacznie lepszej

sprawności, o korzystniejszym spektrum emitowanych barw

i większej trwałości. Lampy te dotychczas odgrywały domi-

nującą rolę w laboratoryjnych i przemysłowych formach doś-

wietlania upraw. W technice doświetlania można spotkać

również lampy fluorescencyjne, które wykorzystuje się głównie

do doświetlania asymilacyjnego. Czwarty, najbardziej obie-

cujący rodzaj źródeł światła prezentują aktualnie diody elek-

troluminescencyjne LED o praktycznej przewadze wszystkich

cech technicznych i parametrów nad parametrami rodzajów

źródeł poprzednich. Generalną cechą wszelkich źródeł doś-

wietlania, abstrahując od natężenia oświetlenia, musi być

emisja w fotosyntetycznie czynnym (PAR) przedziale widma

tj. 380...760 nm. Cecha ta w przypadku diod LED spełniona

jest w stopniu nieosiągalnym w żadnym z innych źródeł.

Zarys problematyki wykorzystania diod

LED na potrzeby doświetlania roślin

Jeżeli dla zwięzłości omówienia, pominąć tu zagadnienia bu-

dowy i technologii wytwarzania diod LED mocy, których ma-

sowy rozwój i eksploatacja datują się stosunkowo od niedawna,

to obszernego wyszczególnienia wymagają ich cechy oraz pa-

rametry użytkowo-eksploatacyjne. Tabela obrazuje porównaw-

czo rozwój LED na tle obecnie użytkowanych lamp żarowych,

fluorescencyjnych i wysokoprężnej lampy sodowej.

Praktyka dnia dzisiejszego i tak koryguje przytoczoną ta-

belę w kierunku polepszania parametrów LED i obniżania cen

jednostkowych. Zawdzięcza się to coraz szerszym zakresom

zastosowań, wśród których doświetlanie roślin jest jeszcze

wciąż marginalnym, głównie z tytułu niskiego stopnia rozpro-

pagowania przydatności cech LED w tej dziedzinie. Z kolei rap-

towny wzrost zapotrzebowań ilościowych wpływa na równie

szybki spadek cen LED, jak to zresztą ma miejsce w odnie-

sieniu do wszystkich elementów elektroniki. Już tylko kilka

głównych parametrów LED przesądza o nieprzezwyciężalnej

ich przewadze nad całą resztą źródeł światła, zwłaszcza w od-

niesieniu do praktyki doświetlania roślin. Wymienić tu należy:

niedościgłą trwałość, zwielokrotnioną wydajność świetlną

w przeliczeniu na 1 W dostarczanej mocy, co równa się wiel-

kiej sprawności energetycznej oraz zdolności emitowania

i kształtowania takiego selektywnego widma promieniowania

świetlnego, jakie jest optymalne dla rozwoju danego rodzaju

rośliny. Jeden z przykładów zapotrzebowania rośliny na ener-

gię świetlną o określonej długości fali przedstawia rys. 1.

Ta ostatnia cecha wiąże się ściśle z cechą poprzedzającą,

wzmagając efektywność dostarczanej energii i ukierunkowując

ją jedynie w pożądanych obszarach widma, bez strat na

bezużyteczne ciepło. Odmienną, choć powszechną w przyro-

dzie jest sytuacja napromieniowywania roślin szerokim wid-

mem emitowanym przez Słońce, z czego użyteczną bywa tylko

drobna frakcja. Znajomość tego zjawiska leży u podstaw

bieżących eksperymentów z uprawą roślin w przestrzeni kos-

micznej, gdzie najpierw cała dostępna energia słońca jest prze-

twarzana fotowoltaicznie i akumulowana, a tylko niezbędna jej

część służy do zasilania zestawów diod LED, emitujących

wyłącznie niedużą, użyteczną dla rośliny część widma.

Rodzaj źródła

LED

LED

LED

LED

Systemy

żarowe

Systemy

fluoroscencyjne

Wysokoprężne

lampy sodowe

1

Stan w latach

2002

2007

2012

2020

Wydajność świetlna (lm/W)

25

75

150

200

16

85

108

Trwałość (w tys. godzin)

20

> 20

> 100

> 100

1

10

24

Strumień świetlny (lm/lampę)

25

200

1000

1500

1200

3400

80870

Moc pobierana (W/lampę)

1

2,7

6,7

7,5

75

40

750

Koszt 1 lm ($/klm)

200

20

< 5

< 3

0,5

5

2,6

1

Opracowanie własne dla lampy o poborze mocy równej 750 W

Dane rozwojowe LED w zestawieniu ze źródłami tradycyjnymi [2]

The LEDs` development data compared with those of traditional sources [2]

Rys. 1. Przykładowy wykres efektów fotosyntezy w funkcji długości

fali światła [3]

Fig. 1. An exemplary plot of photosynthesis effects as a function of

wavelength [3]

74

ELEKTRONIKA 10/2009

Jak wspomniano wcześniej użyteczne dla roślin widmo

emisji świetlnej źródeł, winno zawierać się w granicach ok.

380...760 nm. Diody LED w zależności przede wszystkim od

składu materiałów emiterów i przezroczystych plastikowych

obudów cechują się zdolnością selektywnej emisji o więk-

szych lub szerszych maksimach, mieszczących się w w/w

granicach. Producenci LED prezentują szczegółowe tabele

typów oferowanych diod o maksimach emisji rozstawionych

w całym w/w zakresie co 10...50 nm, pozwalając na dobór

zależny od doraźnych potrzeb. Jeszcze cenniejszą cechą

nowszych rozwiązań LED jest specyficzna konstrukcja diody,

zawierającej trzy skupione emitery, każdy emitujący swoją

podstawową długość fali świetlnej R, G lub B. Nowszym roz-

wiązaniem o optymalnym usytuowaniu maksimum czerwieni

jest czteroemiterowa dioda RGBA, gdzie A oznacza barwę

amber. Drogą elektrycznego doboru proporcji intensywności

tych promieniowań daje się stosunkowo łatwo modelować

każdy kształt wypadkowego widma, z odpowiadającym

białemu włącznie. Oczywiście taki zabieg i efekt może być

też realizowany metodą grupowania całych osobnych partii

diod R, G i B, oferując w pewnej odległości pożądaną mie-

szankę widm.

Do ubocznych walorów diod LED należą: bardzo niska

emisja ciepła, brak emisji UV, zdolność tworzenia stożka światła

o kącie przestrzennym od ok. 150° do nawet kilku stopni, dzięki

technologii formowania przezroczystych plastikowych obudów

z wkomponowanymi soczewkami, łatwość regulacji intensyw-

ności świecenia i bardzo mała bezwładność świetlna, ok. milion

razy mniejsza, niż w źródłach żarowych. Szeroka jest gama po-

bieranych mocy, począwszy od miliwatów do - ostatnio - rzędu

100 W. Najpopularniejszy w agrotechnice przedział mocy po-

jedynczych diod to zakres 1...10 W. Niezbędne większe po-

ziomy mocy są realizowane metodą powielania ilości LED,

których intensywności świecenia odpowiednio się wówczas su-

mują. Powielanie to zachodzi na powierzchniach o różnych

kształtach, zależnych od potrzeb tworzących konstrukcję

wsporczą diod, zwaną matrycą i będącą zarazem radiatorem,

odprowadzającym nadmierne ciepło, towarzyszące świeceniu

Rys. 3. Schemat zewnętrznej i wewnętrznej instalacji PV zaprojektowanej i wykonanej przez Autorów na potrzeby sztucznego doświetla-

nia roślin

Fig. 3. Outer and inner PV instalation designed and realized by the Authors for artificial plant irradiation purposes

Rys. 2. Przykład wykonania jednej matrycy diodowej (a) i rozmiesz-

czenia 6. matryc w dwóch trójkomorowych szafach klimatycznych

(b) (projekt i realizacja Autorów)

Fig. 2. Exemplary view of single diode matrix (a) and the arrangem-

net of 6 pieces of them inside the two climatic boxes of three cham-

bers each (designed and realized by the Authors)

a)

b)

ELEKTRONIKA 10/2009

75

diod LED. Przykład płaskiej matrycy diod jest przedstawiany na

rys. 2a, a rozmieszczenie matryc w dwóch trójkomorowych

szafach klimatycznych - rys. 2b.

Pewną niedogodnością związaną z zasilaniem diod LED

jest konieczność wyłącznie prądowego zasilania w przeci-

wieństwie do reguł równoległego łączenia innych źródeł

światła oraz ogółu innych obciążeń. W tym celu niezbędne

jest wyposażenie tak pojedynczej diody, jak i dowolnie licz-

nego zespołu diod LED w stabilizator lub stabilizatory prądu,

a nie napięcia. Z tytułu dużej energooszczędności i spraw-

ności diod otwarte zostaje szerokie pole wykorzystania i gro-

madzenia w akumulatorach energii fotowoltaicznej słońca, nie

tylko w doświetlaniu fotoperiodycznym i asymilacyjnym, ale

i w podstawowym, przy czasowym braku lub niedoborach

energii słonecznej. Praktyczny przykład wykonania takiej in-

stalacji PV dla celów doświetlania roślin ze wspomaganiem

sieciowym lub generatorowym przedstawia rys. 3. Z kolei

przykładem rozwiązania wieloczłonowego mikroprocesoro-

wego stabilizatora prądu 6. partii po 16 szt. każda pokazuje

rys. 4. Stabilizator taki lub większa ich liczba, może być

włączany na wyjście instalacji z rys. 3. Dla uproszczenia nie

pokazano tam elementów regulacji prądów realizowanych

techniką PWM, wymaganych w poszczególnych gałęziach,

niezbędnych np. w procesie ustawiania intensywności świe-

cenia lub modelowania wypadkowego widma.

Podsumowanie

Korzystając z przygotowanych komór do doświetlania roślin

zielonych, oznaczono wybrane parametry biologiczne dwóch

gatunków roślin; sałaty i bazylii.

Przeprowadzone badania wykazały zmiany w zawartości

barwników asymilacyjnych po 10. dniach oświetlania przy

użyciu matryc LEDowych (rys. 5), szczególnie można zaob-

serwować pozytywny wpływ światła RGB na zawartość chlo-

rofilu α w sałatcie. Zwiększona zawartość barwników

fotosynetycznych może prowadzić do zwiększenia intensyw-

ności procesu fotosyntezy, a co za tym idzie zwiększenia wy-

dajności i jakości plonu. W przyszłości, planowane jest zatem

rozszerzenie badań, zwłaszcza z zastosowaniem diod RGBA

na inne gatunki roślin i stworzenie modelu, a następnie pro-

totypu komory do doświetlania roślin. Więcej informacji na ten

temat zamieszczono w literaturze [4-7].

Praca realizowana w ramach projektu rozwojowego Ministerstwa

Nauki i Szkolnictwa Wyższego nr R02 04902.

Literatura

[1] Kurpaska S.: Metodyczne aspekty obliczania natężenia oświet-

lenia w szklarni produkcyjnej, Inżynieria Rolnicza, 10(108), pp.

137-143.

[2] Light Emitting Diodes (LEDs) for General Illumination” An Oida

Technology Roadmap, 2002, website

http://lighting.sandia.gov/

lightingdocs/OIDA_SSL_LED_Roadmap_Full.pdf

[3] Smith H.: Phytochrome and Photomorphogenesis, McGraw-Hill

Book Company (UK) Ltd, 1975, p. 235.

[4] Grzesiak W., Cież M., Nowak S., Zaraska W., Dubert F., Czy-

czylo-Mysza I.: Application of PV Powered High Intensity LED`s

for Supplementary Irradiation of Horticultural Plants. Proc. of the

2006 IEEE 4th World Conference on Photovoltaic Energy Con-

version, May 7-12.2006, Hilton Waikoloa Village, Waikoloa, Ha-

waii, pp. 2400-2403.

[5] Grzesiak W., Ciez M., Nowak S., Skwarek A., Dubert F., Czy-

czylo-Mysza I., Skoczowski A. M.: High Brightness Leds Supp-

lied from Autonomous PV Installation in Proecological Irradiation

Systems for Plants Cultivation. 22th European Photovoltaic Solar

Energy Conference and Exhibition, Fiera Milano, Italy, 3-

7.09.2007, pp. 3288-3291.

[6] Grzesiak W., Ciez M., Nowak S., Maj T., Poczatek J., Skwarek A.,

Witek K., Dubert F., Czyczylo-Mysza I., Skoczowski A. M.: The

Modern Proecological SSL-LED+PV System for Supplementary

Irradiation of Plants. Proc.of the 31th Int.Conference and Exhi-

bition IMAPS - Poland 2007, Rzeszów-Krasiczyn, Poland, 23-

26.09.2007, pp. 291-294.

[7] Grzesiak W., Maj T., Początek J.: Porównanie własności aplika-

cyjnych oświetleń żarowego i LED-owego. VII Krajowa Konfe-

rencja Elektroniki, Darłówko Wschodnie, 02-04 06.2008,

pp.473-478, Elektronika, 11/2008, pp. 230-233.

Rys. 4. Przykład blokowy rozwiązania wieloczłonowego stabiliza-

tora prądów 6. partii LED po 16 szt. każda (układ zaprojektowany i

wykonany przez Autorów)

Fig. 4. An exemplary solution of multi-element current stabilizer so-

urces for 6 LEDs groups of 16 pieces each (circuit desianed and

realized by the Authors)

Rys. 5. Zmiany zawartości chlorofilu a, chlorofilu b oraz karotenoi-

dów w tkankach liści bazylii (Ocimum basilicum L., ‘Wala’) i sałaty

(Lactuca sativa L. var. capitata, cv. ‘Carmen’) w zależności od

składu spektralnego światła ( W -diody białe, WB -diody białe i nie-

bieskie, RGB diody czerwone, zielone i niebieskie)

Fig. 5. Chlorophyll a, b an carotenoids content in leaves after 10

days irradiation of sweet basil (Ocimum basilicum L., ‘Wala’) and

lettuce (Lactuca sativa L. var. capitata, cv. ‘Carmen’) seedlings by

LED light (WB - white and blue, RGB- red, green, blue, W - white

diodes)

a)

b)

76

ELEKTRONIKA 10/2009