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ITBOX-SW

新製品の登場です。

ダブルペルチェで強力に温度管理できるITBOX-S-Wを開発しました。ITBOX-Sは、アイティプランターを断熱材で覆い、ペルチェで温度制御ができるようにしたものです。植物栽培の他に、試験管培養ができます。コストパフォーマンスは、非常に高いものになっています。

従来のITBOX-Sは、ペルチェ素子が1基搭載されたものでした。12V8Aのペルチェ素子1基では、夏場の室温28度以上では、庫内温度20度一定をキープすることが困難でした。そこで、室温が28度であっても、庫内温度20度をキープできるように、ITBOX-SWでは、ペルチェ素子を2基搭載しました。パワーに余裕があります。

ペルチェ素子は、2つのCPU冷却ファンでサンドイッチにしてあります。ヒートパイプのCPU冷却ファンは、強力に冷却できるので、ファンの凍結はなくなりました。

12V6Aのペルチェ素子が2基で、最大12V×6A×2=144Wになります。RaspberryPiにDVIでディスプレィやマウス、キーボード、スピーカー等を接続して使うこともできます。

WiFiにつないで、様々な端末からブラウザで操作できます。

センサー情報は、自動収集され、蓄積されていきます。アプリは、全て、ソースコード付きなので、自由に改良、変更が可能です。ソースコードは、Web側は、html, JavaScript、サーバー側は、node, pythonで書かれています。

他にも、

1.PID動作の高速化

sampling time 10sec ->  500msec に高速化

2.PIDパラメータの最適化

過渡応答法によるパラメータ設定

3.ペルチェエンジン部改良

ペルチェのファンの間に3mm厚銅板を挿入し、導熱グリスで三重構造にして熱効率を向上

4.CPU配線改良

RaspberryPi用のユニバーサル基板を使って、配線を簡素化しています。

5.電源変更

スィッチング電源からACアダプターに変更を行い、一段と使い勝手と性能が向上しました。

庫内には、試験管が100本入ります。温度を一定にしての、藻類の培養に適しています。

外光が入らないようになっています。LED光源の光だけで培養します。

正面の扉の開け方は、扉の下側を手前に引出します。閉めるときは、扉の上側をアイティプランターに差し込んで、扉の下側を押し入れます。

PID制御パラメータは、過渡応答法に準じて設定しています。過渡応答法の特性上、急激な温度変化の場合には、若干のオーバーシュートが発生します。

また、PID制御の動作も、従来の10sec間隔から500msec間隔にして、温度変化の追従性を高めています。

他にも、ペルチェ素子と冷却ファンの間に、3mm厚の銅板を入れ、導熱グリスで三重構造にして熱効率を向上しています。

ITBOXは、温度一定はもちろんのこと、連続的に温度を変更する温度サイクルを設定することもできます。

お問い合わせは、ここからお願いします。

ITBOX-WF

さらに強力なペルチェユニットを検討しました。ファンとラジエターが2つ搭載されたものです。ファンも静かでよく冷えます。

信頼性を確認して、今後のITBOXに採用する予定です。

断熱箱での実験では、−15℃まで冷やすことができました。

この時の冷却側と放熱側の温度差は35℃あります。室温は20℃です。

放熱側の温度は約24℃です。 

冷却側のファンが凍結しそうなくらいによく冷えます。ITBOXに取付けました。

 

背面は、少し大きめになりました。M4ネジ2本でしっかりと固定されています。

ファンの音も静かです。

1日の温度の変動(20度一定に設定)

日中、エアコンを入れているので、多少の温度変動が見られます。

1日のペルチェ供給パワーの変動

ペルチェのパワーには余裕があり50%未満で運転されています。

 

 

現在、このペルチェユニットは2基あります。ITBOX-Sなら2台、ITBOX-Lなら1台、納品可能です。

お問合せは、こちらからお願い致します。

植物育成温度調整キットについてのお問い合わせにご利用ください。

チェックを有効にして送信してください。

1日を超える温度制御

通常、植物栽培の温度制御は、1日、24時間周期ですが、中には、24時間を超える温度制御を希望されることがあります。例えば、22度で22時間、37度で37時間とかです。異常な温度と温度周期で、どのような遺伝子が活性化されるのか実験できます。ITBOXやアイティプランターでは、24時間周期を想定していました。24時間を超える制御ができませんでした(といううか、通常の栽培では、必要性がありませんでした)。

そこで、 longPeriodScheduleというアプリを作りました。基本的には、tempScheduleの設定値を書き換えるものです。ITBOXのアプリは、設定ファイルを監視していて、設定ファイルの内容が書き換えられた時に、動作を変更します。なので、設定ファイルの書き換えを行えばいい訳です。 longPeriodScheduleは、この動作をするアプリです。

設定画面です。アプリ名は、longPeriodScheduleです。設定時間は、設定温度の継続時間です。設定温度は、温度設定値です。

設定ボタンを押した時点で、 tempSchduleの設定値が変更されます。その仕組は、設定ファイルに従って、最初の設定温度を tempScheduleの設定ファイルに書込ます。次以降の設定温度は、 設定時間待ちしてから、同様に、tempScheduleの設定ファイルに書込ます。

事実上、どんな長さの温度周期も実現できます。

 

 

 

アップデート

ITBOXのアプリのアップテート

githubにコードがあります。

/home/pi/src/ITBOXの内容

https://github.com/itplants/ITBOX

/home/coder/coder-distの内容

https://github.com/itplants/coder

/home/pi/Nodeの内容

https://github.com/itplants/Node

 

随時、アップデータを追加しています。

http://download.itplants.com/dl/ITBOX/

アップデートファイルをダウンロードして、ITBOXに保存して下さい。または、ITBOXにログインして、piのホームディレクトリーで、

wget  http://download.itplants.com/dl/ITBOX/update20180618.taz

して下さい。

次に、コンソールで、

>cd /
> sudo tar zxvf /home/pi/update20180618.taz
>sudo reboot

でアップデートされます。

update20180618.tazのアップデート内容

shutdownアプリ

安全なITBOXの停止

WiFi設定

元々、Coderに入っているアプリですが、動作しなかったバグを修正して動くようにしました。

CameraSchedule

LED Controlチェクボックス追加。このチェックボックスをチェックすると、カメラ撮影時にアイティプランターのLEDが強制的に点灯します。チェックを外すと、カメラ撮影時に、アイティプランターのLEDは強制的には点灯しません。チェックボックスのチェックが反映されなかったバグを修正しています。また、暗闇で急にLEDが点灯した場合、カメラの自動露出が間に合わないために白っぽい写真になるため、カメラの自動露出が完了する5秒間のディレィを入れました。

cultivationPrg

アイティプランターとの接続が不安定になるバグを修正しています。具体的には、非同期通信処理を行うnodejsと、逐次処理を行うsendcomとの間で、衝突が起こっていました。sendcomのジョブが終了しない内に、新たなsendcomのジョブが投入されて、戻り値が不安定になっていました。pyhonでsendcomのジョブをまとめて実行するようにして問題を解決しています。

ITBOX-SH

アイティプランターに取り付けるITBOX-Sの新型を開発しました。ユーザー様のご要望は、「しいたけの通年栽培」とのことでした。

果たして、しいたけ栽培に光は必要なのでしょうか? 最適な温度や湿度は?

    【しいたけ】

    • 栽培期間:10月~5月
    • 収穫期間:10月~5月
    • 栽培適温:20~25℃

シイタケ栽培の手引

以下は、熊本県林業研究指導所発行の手引書からの引用です。

4.胞子

(1)形成温度
・ 多量に形成される温度は15°C~26°Cである。
・ ほとんど形成されない温度は0°C以下と34°C以上である。
(2)発芽条件
・ 培養基上:培養液中では、適温の場合、よく発芽するが蒸留水中では発芽しない。
・ 氷中:2時間ではほとんど影響しないが24時間では50~60%くらい発芽率が落ちる。 ・ 低温:-17.7°Cに2時間おくと、乾燥状態では発芽が10~15%に落ちるが、培養液中では発芽しない。
・ 日光:乾燥状態で、直射日光にさらされた場合、10分間で発芽障害が起こり、3時間で発芽不能になる。
・ 高温:乾燥状態で80°Cで10分間、70°Cで4時間で死滅するが、60°Cでは5時間でも全く影響はない。

  • ・  水中温度:50°Cで30分、40°Cでは4時間で発芽不能、30°Cでは4時間後にも著しい発芽障害は起こらない。
  • ・  適温:18°Cで24時間以内に発芽するが、22°C~26°Cが適温とみなされる。

5.菌糸

(1)発育適温
発育温度は 5°C~32°C、適温は 22°C~27°Cである。

(2)水分
原木の含水率(乾量基準)が 30%以下または 100%以上の場合は発育不能、最適含 水率は 53%~73%。

(3)湿度
ほだ木内の菌糸の発育は、空中湿度 70%前後が適当と考えられる。

(4)PH:水素イオンの濃度
3.8 以下、8 以上は発育不適、5 前後が適当である。

(5)生存期間
・ 乾燥すると死滅する。
・ 寒天培養基に発育した菌糸は-5°Cで7週間。
・ のこくず培養基に発育した菌糸は、-5°Cで7週間。
・ ほだ木内の菌糸は-20°Cで10時間後でも発育に影響はない。

6.子実体

(1)発生条件
温度:5°C~26°Cで発生。品種により異なる。 水分:菌糸の発育の場合より多く水分が必要で、含水率 (乾量基準)83%以上が適当。 光線:暗黒では発生しない。弱い光が必要である。

(2)成長条件
温度:適湿であれば、10°Cでは 7 日、17°Cでは 4~6 日で成熟する。 湿度:80~90%が適当。 光線:うす暗くても成長するが色や形が悪くなる。明るさが必要。

ということなので、温度設定は22度一定で、湿度は70%ほどを狙います。照度は、部屋の明るさ程度の2000Luxでいいでしょう。12時間照明にしてみます。

ITBOX-SHの設定

温度 22度一定
湿度 65%以上、75%以下
照度     2,000Lux (7:00から19:00までの12時間照明)

ITBOX-SHの新しいところ

今までのITBOX-Sでは、Raspberry Pi Model3を使っていました。ようやくRaspberry Pi Zero HWが入手できたので、より小型のRaspberry Pi Zero WHを採用しました。これにより、従来のITBOXでは、アイティプランターの下のケース内に配置されていた制御回路がITBOXの背面に取り付けることができるようになり、よりコンパクトになりました。

SIgnal Pin No
SDA 3
SCL 5
1-Wire 7
3.3V 1
Dir 19
PWM 20
Moist 11
  • 大容量電源採用

最大消費電力が増えたために、大容量電源を採用しました。12V30Aまで取れます。これ1つでITBOX-SM2台を稼働させることができます。

ITBOX-Sは、養液タンクに水をいれて、ポンプで循環させておけば、庫内湿度は55%ほどになりますが、外部温度や空気中の水分量によっても変化します。湿度が高いほうが良さそうなので、今回は、実験的に加湿器を付けてみます。湿度が55%RH以下になったらONして、湿度が75%RH以上になったらOFFにします。どの程度の効果があるかは、実験してみることにします。

超音波振動素子が、壊れるかもしれませんが、500円以下で替えるものなので、壊れたら取り替えることにします。価格は安いのですが、輸送に時間がかかり、なかなか届きません。多めに購入しておきましょう。

制作過程

20mm厚の断熱材にペルチェファンを通す穴を開けます。両面テープで、アルミシートを貼り付けます。

アルミシートは、LED光源の拡散作用もあります。

裏側から、ファンを入れる円型をくり抜きます。

ペルチェユニットは、4cm四方をくり抜いた2mm厚のアクリル板にペルチェをはめ込み、2mm厚の銅板でサンドイッチして、CPUクーラーで挟み込んだ構造になっています。それぞれの面には導熱グリスが塗ってあります。

ベニア板に11cm四方の穴を開けて、ペルチェファンを取り付けて、隙間をシリコンで埋めます。

Raspberry Pi Zero WHにヘッダーピンを介してユニバーサル基板を差し込みます。基板には、I2C、1-Wire、Peltier制御、5V電源のソケットがあります。I2Cソケットには、温湿センサーのBME280、照度センサーのTSL2561が付きます。1-Wireには、DS18B20が付き、ペルチェ温度を測定します。USBには、OTG変換ケーブルを介して、アイティプランターと接続します。OTGなので、USBメモリーを付けても使えます。

なお、Raspberry Pi Zero WHの GPIOは、SDカードが付いている側が1番、2番です。

基板の取付は、背面のベニア板を加工して使います。

スペーサーを介して、基板をネジ止めしていきます。主な基板は、Raspberry Pi Zero WHとペルチェドライバー(Cytron 13A 5-25V シングルDCモータコントローラ)です。

Cytron 13A 5-25V シングルDCモータコントローラは、最大で13Aの電流を出力できます。

今回の12Aペルチェを十分にコントロールできます。但し、この基盤についているネジのコネクターでは、12Aもの大電流が流れた場合に、接触抵抗で発熱することがあります。ネジ式コネクターは使わずに、配線ははんだ付けしてあります。

側面の断熱材

アイティプランターの背面には、ペルチェの付いた断熱材が付きます。他の三方と上下にも断熱材を取り付けます。どれも、断熱材にアルミシートを貼り付けて、ヒートシュリンクフィルムで覆います。正面部分には、小さな覗き穴を開けておきます。ヒートシュリンクフィルムが二重窓の役割を果たしてくれます。

Raspberry Pi Mdel3とRaspberry Pi Zero WHの違い

ソフトウエアは、ほぼ、互換性がありました。但し、nodeが互換性がなく入替えました。ここに詳しく書いてあります。Raspberry Pi Model3と比較すると、少し動作が遅い気がしますが、大きな支障はありません。

 

正面写真

 

背面写真

12Vに接続するコネクターです。12Aもの電流が流れても大丈夫なコネクターになっています。赤色線がDC12Vで、白色線がGNDです。

背面の写真です。温度センサーと照度センサーがつながっています・この温度センサーで内部温度を検出しています。アイティプランター内部に入れてください。テープで壁面に固定して構いません。センサーには表裏があります。小さな部品が付いている方が表になります。照度は、照度センサーの取り付け位置で変化します。照度を測定したい場所に取り付けてください。温度も、温度センサーの位置で変化します。温度を測定したい場所に取り付けてください。通常は、壁面中央に取り付けておけばいいでしょう。なお、センサーが水に浸かったりすることがないようにご注意ください。

アイティプランターの電源は常に接続しておいてください。また、USBケーブルは、アイティプランターをコントロールするのに必要です。常に接続しておいてください。

ポンプのケーブルは、ポンプ動作が不要な場合には外しておきます。植物栽培で水やりが必要な場合には、ポンプケーブルをアイティプランターのコネクターに接続してください。

Raspberry Pi Zero WHからは、micro B端子USBとminiHDMI端子がでています。USB端子にマウスとキーボード、min iHDMI端子にディスプレィを接続すると、デスクトップ画面になり、普通のLinux PCのように使うことができます。

2018年2月4日現在、まだ、超音波加湿器は届いていません。。。

2月6日に、超音波加湿器が届きました。結構な勢いで、蒸気が出ます。PWMでコントロールして、湿度制御ができないか試してみました。作成した回路は次のとおりです。電源が12Vを使っているので、DCDCコンバータで5Vを作っています。超音波加湿器の消費電流が800mAなので、1A出力可能な三端子レギュレターを使っています。

DRV777というICでもドライブできますが、3.3V->5V変換が必要なので面倒です。TBD620003Aなら、入力3.3Vで駆動できます。

取り敢えず、PWM 20%で試してみました。

見る見るうちに、湿度が高くなっていきます。上手く行けそうな気がしてきました。ところが、湿度85%RHを超えたところで、急に湿度が0%RHになりました。

どうやら、BME280センサーが壊れたみたいです。仕様では、100%RHまで測定できるはずなのですが、どうしたことでしょうか?

アイティプランターの内部は狭いので、加湿器が少し動くだけで、湿気だらけになってしまうようです。BME280の空気取込口に水蒸気が入り込んでショートした可能性があります。加湿には、超音波加湿器を使うのではなく、アイティプランターの養液タンクに水を張って、蒸発に任せるほうが良さそうです。

もっと、厳密に湿度制御できるまで、超音波加湿器による加湿制御は保留にします。

壊れたBME280を取り替えて修理しました。別にテスト装置を作成して、湿度制御ができるかどうか見てみました。詳細は、こちらにあります。結論から言うと、湿度制御は非常に難しいです。超音波加湿器を動かすと、急激に湿度が上がって、その後、なかなか湿度が低くなりません。アイティプランターの中に加湿器を入れるよりも、養液タンクに薄く水を張っておくほうがいいでしょう。

WiFi接続方法

WiFiルーターに接続する方法は、他のITBOXと同じですが、手順を書いておきます。

FirefoxやGoogle Chromeなどのモダンなブラウザを使います。IEは使わないほうがよいでしょう。

http://itbox-s.local にアクセスします。

最初の行にある、https://itbox-s.local:8091  をクリックします。

パスワードを入力して、Let’s Coderをクリックします。画面が切り替わるまで、少し時間がかかります。

通常は、Moniteringを使って、温度制御状況を確認します。

グラフが表示されるまで、少し時間がかかります。他のアプリの使用方法は、こちらを御覧ください。

 

ITBOXのカメラ

ITBOXに付けられるカメラは、PiCam、または、USBカメラです。

PiCamの場合、NoIRカメラが付きます。NoIRカメラは、明るい場所では、カラー画像が撮影できます。暗い場所では、赤外線ライトの光で、白黒画像が撮影されます。IRライトと一緒になったタイプのカメラが使いやすいです。Raspberry Pi Zeroを使った場合、カメラとRaspberry PいZerotono距離は、15cmほどしか離せません。カメラは、ITBOX背面にくっつくことになります。また、IRライトは、常時、点灯となります。カメラ撮影時だけ、メインLEDを点灯させて撮影することもできますので、ご相談ください。

USBカメラも使うことができます。Raspberry PiのUSBポートに挿して使います。複数台のUSBカメラが使えます。USBカメラには、様々な種類があります。実際に、実機での検証が必要です。

 

最強のITBOX-L

カラーボックスタイプのITBOX-Lにペルチェ素子を4個、ヒートパイプを16本、12cmファンを6個で強力に冷やす、最強タイプを試作しました。消費電力は、最大で、20AX12V=240Wになります。

最強のITBOX-L背面

 

電源には、12V30Aタイプを使っています。ペルチェドライバーも、13Aタイプを2つ使っています。Raspberry Piで制御しています。背面の電子回路がむき出しですが、実験するには、いろいろと手間がかからないので重宝します。

さすが、これ以上は、ペルチェを付けるスペースが厳しいですね。なんとか、後、1つ、ペルチェユニットを付けられるかどうかでしょう。

もちろん、性能は、ペルチェユニットの数に比例しますので、より早く、より低温にすることができます。

ペルチェユニット1つの場合と2つの場合の温度変化データを測定中しました。

温度変化は、どちらも大差はないようですが、ペルチェ2基の方が、より早く冷えています。また、ペルチェパワーの余力も1基の場合と比較して2倍あります。素早く冷やしたいとかの場合には、有効でしょう。しかし、コストパフォーマンス的には、ペルチェユニット1基で十分だろうと思います。ITBOX-Lの標準仕様では、ペルチェユニット1基(ペルチェ素子2個X12VX5A)にしようと思います。

製品のカスタマイズ

製品のカスタマイズについて

ITBOXは、実験用途に合わせてカスタマイズが可能です。標準のITBOXでは、水耕栽培に対応していますが、シャーレやビーカー栽培に対応することも可能です。また、LEDの波長やペルチェユニット数の変更も可能です。実験内容を基に、適切なカスタマイズをご提案致しますので、是非、ご相談ください。

製品の組立について

ITBOXは組立キットとして提供しますが、組立も承っています。組立費用は45,000円です。故障時の場合には、センドバック方式で対応いたします。初期故障を除き、修理費用が発生します。また、出張修理の場合には、出張修理費用が発生します。

部品の購入について

ITBOXの部材は、一般に入手しやすいものばかりです。部品故障の場合には、故障部分の部品を購入して、取り替えるのが安くつきます。部材の購入先などは、お問い合わせください。

 

 

 

 

展示会情報

展示会名称 バイオオプトジャパン2017

日時 2017年10月4日〜10月6日

場所 幕張メッセ

 

展示会名称 びわ湖環境ビジネスメッセ

日時 2017年10月18日〜10月20日

場所 長浜バイオ大学ドーム

 

展示会名称 クリエーティブ企業大賞展示発表会

日時 2017年1月27日9時〜16時

場所 立命館大学BKCエポックホール

温度調整BOXの展示も行いますので、この機会に、是非、ご覧ください。

本展示会にて、クリエーティブ企業大賞審査員特別賞を受賞いたしました。