機器構成

空調ボックスと室内栽培装置アイティプランターを使った機器構成を説明いたします。

空調ボックス側面図

市販の扉付きカラーボックスの内側に断熱材を貼り付けてアイティプランターを置きます。アイティプランターのLEDからは熱が発生するので、空調ボックス外に放熱するためにヒートパイプを使います。

背面に取り付けたペルチェ素子で、空調ボックス内の温度をコントロールします。アイティプランターの底面には、RaspberryPi3やPWMコントローラーが入っています。コントローラーは後背面に取付けることもできます。

次に、空調ボックスに付いているセンサーについて説明いたします。温湿気圧センサーにはBME280を使っています。照度センサはTSL2561です。DS18B20でペルチェ素子の温度を測定しています。IRカメラは、Raspberry Pi 用 赤外線カメラモジュール Pi NoIRを使っています。この赤外線カメラは、アイティプランターのLEDが点灯している時はカラー写真が撮影できます。アイティプランターのLEDが消灯して、IRライトだけが点灯している時には、白黒写真になります。反射光量センサーや水位センサーは、アイティプランター内蔵のものです。

空調ボックスのセンサー類

空調ボックスの前面から見た図です。アイティプランターがボックスの中心に設置されています。

空調ボックスの前面図

1台のアイティプランターが入るボックスの大きさは、40cmと60cmの2種類があります。40cmボックスはコンパクトですが、空いているスペースが少なく拡張性に劣ります。60cmボックスには十分なスペースがあるので、プラズマクラスターを配置することができます。また、必要に応じて湿度調整機能やCO2調整機能などを付加することができます。

高さ178cm、幅79cmのカラーボックスを使えば、最大、6台のアイティプランターが1つのボックスに入ります。この場合、空調設定は、3段、4段と積み重ねることができます。積み重ねると、狭い研究室の設置面積を効率よく利用できます。

ブロック図

メイン制御回路である、RaspberryPi3に接続されている機器のブロック図を示します。インターフェースは、I2C、1-Wire、USBになります。IRライトは、IRカメラと一体にしてあります。

RaspberryPi3ピン割当

RaspberryPi3のGPIOのピン割当図を示します。RLはリレーに割当るもので、使われていません。SDA、SCLがI2Cです。w1が1-Wire、DIRとPWMがペルチェ制御用です。

センサー情報

BME280

秋月電子スイッチサイエンスなどで購入できます。I2Cで通信します。アドレスは、0x76です。詳しい説明は、BME280搭載 温湿度・気圧センサモジュールの使い方にあります。

基盤に直接、リード線を半田付けできるので、ヘッダーピンはつけなくても構いません。

J3のジャンパも接続しなくても、0X76で認識されます。1番ピンを3.3V、2番ピンをGNDに、4番ピンwoSDA、6番pinをSCLにsetuzokusureba,I2C通信ができます。

コマンドは、/home/pi/src/ITBOX/BME280.py です。実行すると、

pi@raspberrypi2:~/src/ITBOX $ ./BME280.py
hum 51.83 press 1017.5 tmp 21.80

のように表示されます。tempController.jsでも、このコマンドを使って、温湿度、気圧を取得しています。

DS18B20

DS18B20は、1-Wireの温度センサーです。秋月電子で購入できます。DS18B20をペルチェの放熱板に接触させて、ペルチェ温度を測定しています。

ピン配置は、真ん中がデータ線です。両側が電源線で、3番ピンが+です。1番ピント3番ピンを間違えて電源を入れると、燃えてしまうので注意が必要です。また、2番のデータピンには、4.7kΩの抵抗を介して3.3Vを与えます。そうしないとデータが読めません。

/home/pi/src/ITBOX/DS18B20.pyで、データが読めます。

pi@raspberrypi2:~/src/ITBOX $ ./DS18B20.py
2017/01/26 11:06:13 28-0000086d63fb 20.375 deg  28-0000086d3bde 21.062 deg

 

1-Wireは、並列接続すれば、複数のセンサーを同時に利用できます。但し、1-Wireデバイスは、通信速度が遅いので、データ取得までに、少し間が空きます。

TSL2561

TSL2561も、秋月電子スイッチサイエンスで購入できます。CdSセルのようなシンプルな光センサとは異なり、より正確に明るさを調べることができます。可視光だけでなく赤外線光についても計測でき、人間の目に近い応答をします。 I2Cでデータを取得できます。アドレスは0x39です。

これも、GND、SCL、SDA、VCC(3.3V)に接続すれば動作します。

/home/pi/src/ITBOX/TSL2561.py

pi@raspberrypi2:~/src/ITBOX $ ./TSL2561.py
Lux: 54277

pi@raspberrypi2:~/src/ITBOX $ ./quick2wire-python-api/TSL2561.example.py
0a
34 0c
fa 78
Full:     78fa
Infrared: 0c34
Visible:  6cc6
0a
IR: 418
Full: 4185
Visible: 3766
Visible, calculated: 3767
Lux: 54248

ペルチェ起動モジュール

ペルチェ素子の起動には、MD13S DCブラシモータードライバー 30V 13A PWM信号入力制御を使っています。DIRピンが出力の極性切り替え、つまり、冷却と暖房の切り替え、PWMが出力パワーになります。連続出力電流が13Aあるので、最大6Aのペルチェ素子が2基、駆動できます。入力電源は12Vです。最大72Wになります。

 

 

 

 

温度調整性能

ペルチェから出た空気の温度を測定して、ペルチェへの入力をコントロールします。ボックス内の温度は僅かに分布するので、温度センサーの取り付け位置で、目的の場所の温度をコントロールできます。

ペルチェに入力する電源の極性を変えることで、ペルチェで冷却したり、ペルチェで暖房したりできます。最大電力でペルチェで暖房した場合には、ペルチェ素子が100度になるまで温度が上昇します。最大電力でペルチェで冷却した場合には、ペルチェ素子が凍結するほど冷えます。ペルチェ素子の温度が高すぎたり、凍結していたりすると故障の原因になります。そこで、ペルチェ素子に、DS18B20を貼り付けて、温度を測定しています。DS18B20は、1-Wire型のセンサーで、簡単に複数のDS18B20を使うことができます。ただし、1-Wireの応答は遅く、高速な計測には向いていません。

また、温度設定値も細かく設定する方が、安定して滑らかにボックス内の温度をコントロールできます。下図は、18度から15度に冷やした場合の温度変化の一例です。急激に冷やしたりすると、PIDパラメータの値によっては、細かな振動が発生して、温度が安定しなくなります。

PIDの値を調整して、分刻みで目標温度を設定すると、下図のようになり、温度が安定します。

設定した目標温度とも一致します。ペルチェえの投入パワー変動も少なくなり、省エネになります。

また、PIDのゲインを高めても、振動しなくなります。ペルチェの駆動には、MD13S DCブラシモータードライバー 30V 13A PWM信号入力制御を使っています。エレファインで購入できます。13Aまで出力できるので、6Aのペルチェを2基、駆動できます。RaspberryPiからのPWM信号を使っています。

 

 

 

 

ITBOXをより冷やす

ITBOXをより冷やすためのテクニックをアップします。

ITBOXのLED光源からの熱が庫内の冷却の妨げとなります。特に、アイティプランターのLEDをPWM50%以上で使う場合、発熱量が多くなります。シロイヌナズナ、タバコ類、藻類やミドリムシなど、強光を必要としない品種では、アイティプランターのLEDの照度が低くなるよう、PWM 45%程度でご利用ください。

LEDの照度が必要な場合で、庫内温度を20℃近くに冷やしたい場合には、LED光源からの熱の流入を防ぐことが重要です。ITBOX-Sの場合、LEDの発熱は、ライト天板に蓄熱します。この熱を空冷してやることで、より冷やすことができます。具体的には、ファンやサーキュレータでITBOX-Sに風を当てることです。ペルチェのPWMが約10%ほど低下して、その分、より冷やせるようになります。

ファンでアイティプランターのLEDを冷やすこともできます。まず、アイティプランターの天板の中心から12cm四方をくり抜きます。その穴に、12cm薄型ファンを埋め込みます。ファンがLED基盤の発熱を放出するので、LEDの発熱の影響が少なくなります。12cmより小さなファンでは冷却効果が高まりません。

夏場(室温28℃)でも、照度5,000Luxで庫内温度20℃にしたい場合、天板に12cmの冷却ファンを取付けてみてください。

アイティプランターの天板にドリルで、多数の穴を開けて、12cmファンを置いておいても冷却効果があります。

 

 

LED放熱対策

アイティプランターをサーモカメラで撮影すると、LED付近に熱が発生していることがわかります。約8Wの熱源があることになります。断熱材で囲ったボックス内に熱源がると、ボックス内の温度は上昇します。ペルチェによる冷却効果も低下するので、LEDの熱をボックス外に放出する必要があります。

アイティプランターのLEDの熱を排出する方法に、ヒートパイプを使う方法があります。ヒートパイプは、空洞の銅製パイプの中に、気化しやすい冷媒を入れたもので、効率よくLEDの熱をボックス外に放熱できます。

アイティプランターにヒートパイプを取り付けるには、アイティプランター天板に、ヒートパイプ取り付け穴を加工する必要があります。

 

ペルチェ凍結防止対策

最大パワーでペルチェを冷却し続けると、ついには、ペルチェが凍結します。ペルチェが凍結すると、それ以上は温度が下がらなくなるばかりでなく、冷却ファンも止まってしまい、故障の原因になります。

ペルチェが凍結する前には、ペルチェに取り付けた温度センサーが氷点下比較になります。そこで、ペルチェが最大パワーで冷却していて、ペルチェ温度が5度以下になった場合には、25分毎に1分間だけペルチェを温めて、解凍処理をするようにしました。

すると、解凍処理が実行される度に、温度が僅かに上昇するようになります。温度変化が生じました、凍結は回避できました。しかし、ペルチェが凍結しないようにする方が、より望ましいと言えます。ペルチェが凍結するのは、放熱ファンの能力が、ペルチェの冷却能力に追いついていないからです。放熱ファンを大型なものにすれば、ペルチェの凍結も防げるかもしれません。そこで、ペルチェの放熱ファンをCPUクーラーに取り替えました。

すると、ボックス温度13度設定でも、ペルチェは凍結せず、ペルチェ温度も10度以上を保持できるようになりました。

解凍処理も、実行されることはなくなり、ボックス内温度が安定するようになりました。また、設定温度を線形補間して、分刻みに目標温度を与えたところ、温度変化時の振動もしなくなりました。

ペルチェの機能は、温調ボックス内の熱をボックス外に移動させるだけです。ボックス外の部屋の温度が高いと、放熱ができず、逆に、部屋の熱がボックス内に逆流する可能性もあります。ボックス内を低温にしたい場合には、温調ボックスを涼しい部屋に設置するとよいでしょう。ボックス内を低温にする場合には、冬場は、暖房をしていない部屋、夏場は冷房が効いている部屋が適しています。

 

 

組立キット内容

  1. カラーボックス (幅40cm/60cm、奥行41cm、高さ 43.5cm) 扉付き
  2. 背面板(ペルチェ取り付け穴付き)
  3. ペルチェ冷却ユニット2基
  4. CPUファン2基
  5. 12Vスイッチング電源1個
  6. RaspberryPi31個
  7. モータードライバー回路1個
  8. BME280センサー1個
  9. TSL2561センサー1個
  10. DS18B20センサー2個
  11. IRカメラ1個
  12. IRライト1個
  13. 12V-5V変換回路1個
  14. マイクロSDメモリー(OS/アプリインストール済み)
  15. 断熱材6枚〜7枚
  16. 回路取り付けケース1個
  17. 配線部材一式
  18. ネジ、釘類一式
  19. ヒートパイプ4本
  20. ヒートパイプ冷却ファン1基
  21. 組立説明書

プラズマクラスター、CO2モニターは、オプション品となります。

組立て方

組立に必要な工具類

工具類は、キットには含まれていませんので、ご用意ください。

  1. ドライバー
  2. 精密ドライバー
  3. 半田ゴテ、ハンダ
  4. 電動ドリル
  5. ホットメルト
  6. ニッパー
  7. 金槌
  8. ラジオペンチ
  9. ビニールテープ
  10. 両面テープ
  11. 糸鋸、または、ジグソー
  12. カッターナイフ
  13. テスター
  14. アクリルサンデー(アクリル用接着剤)
  15. 金切りバサミ
  16. 平ヤスリ
  17. 導熱グリス

アイテイプランターの加工

アイティプランターの天板部分後面にヒートパイプを入れる穴を開けて、ヒートパイプを取り付けます。アイティプランターの加工は、アイティプランターの組立前に行ってください。

先ず、アイティプランターのLED部分を取り出して、ネジを外します。

カバーを外して、LED基板を止めているネジを外します。

LED基板を取り外してください。

LEDケースの後部に、ヒートパイプ4本を通す穴を開けます。4mm径のドリルで、横一列に穴を空けていき、金切りバサミで穴の間の樹脂を切り取って連結して、ヤスリをかけて滑らかにします。

ヒートパイプが通るように、リブ部分も取り去ります。リブの根本近くに穴を開ければ、簡単に折ることができます。

ヒートパイプが通るようになれば、LED基板の裏側に銅板を貼ります。絶縁テープで固定してください。

次に、銅板の上に、導熱グリスを塗って、ヒートパイプと密着させます。

 

LED基板をケースにネジ止めして固定します。

カバーを取付けて、コネクターを接続します。

後は、アイティプランターの組み立て方と同じです。アイティプランター附属の取扱説明書をよく読んで組み立ててください。

カラーボックスの組立

カラーボックスの組立説明書に従います。ただし、カラーボックスに附属の裏板は取り付けません。代わりに、背面板をネジ止めで取り付けます。背面板とカラーボックスには、4mmのドリルでネジ穴を開けて、M5X30なべタッピングネジで取り付けます。

断熱材の貼り付け

カラーボックスの内側に断熱材を貼り付けます。付属の釘で貼り付けてください。

断熱材は、上下に貼りつけた後、左右の側面を貼りつけます。もし、隙間ができた場合にはテープ等で隙間をふさいでください。また、扉が閉まることを確認しながら、断熱材を貼ってください。

断熱材は、左右対称です。また、断熱材は、カッターナイフで簡単に切れます。寸法の微妙な調整は、カッターナイフで切って行ってください。

背面板の組立

背面板に断熱材を貼り付けて、ペルチェ冷却ユニットを取り付けます。また、CPUファンをペルチェに取り付けます。

ファンに付いている金具を取ります。ネジを外して、金具を取ります。ヒートパイプとペルチェが接触する部分には、ファンに附属の導熱グリスを塗ります。導熱グリスを塗るのは、断熱材を取り付けてからにしてください。

ファンを背面板に取り付けます。 

ファンはネジ止めします。ネジが入りやすいようにガイド穴をドリルで開けておくと良いでしょう。

仮止めが終わったら、一旦、ファンを取り外して、背面板に断熱材を貼りつけて、ファンの穴を空けて、ファンを取り付け直します。ファンから出ている三線は、真ん中が+12Vで、破線模様が付いている線がGNDになります。

ファンのコネクターは切断して、左右のファンの +12VとGNDを重ねて、接続コネクターで12V分電盤に接続します。裏

 

ペルチェの取付

ペルチェユニットに付いている冷却ファンは小さくって、凍結するので、取り外して、前述のファンと取替えます。ファンを取り外すと、白い導熱グリスがでてきます。指で触れないように注意してください。

ペルチェは、ヒートシンクに穴を開けて、ペルチェ取付ネジで、背面板にネジ止めします。

ペルチェからでているリード線は、赤色が12Vで、黒色がGNDになります。

次に、背面板に12Vスイッチング電源をネジで取り付けます。電源ケース横のネジを外して、スライドさせれば蓋が外れます。

2ヶ所の穴で背面板にネジ止めしてください。

スイッチング電源の配線は、L、NがAC100Vです。+Vが12V、-VがGNDになります。AC100Vを+V、-Vに接続すると電源が燃えて、壊れるのでご注意ください。なお、スイッチング電源に接続するリード線には、Y型圧着端子を付けてください。リード線が外れないように、ハンダを流し込んでおくと良いでしょう。

 

電子回路の配線

回路取り付けケースに、RaspberryPi3やドライバー回路等を取り付け、配線を行います。

回路基板の取付けには、貼付けボスを使います。

DC12V分電は背が高いので、ケースに穴を空けて、直接、ネジで取付けます。

ファンやペルチェなどの12V電源を供給するベースになります。また、12VからDCDCコンバータで5Vにして、RaspberryPiに給電します。

ペルチェドライバー

ペルチェには、ドライバーの出力端子から給電します。DIRが0の時は冷房、1の時は暖房になります。回路取り付けケースは、穴を開けて、背面板にネジ止めします。

配線

RaspberryPi3のGPIOのピン割当を示します。RaspberryPi3のUSB端子側が下になります。逆指ししないようにご注意ください。

RaspberryPi3のGPIOには、コネクターを挿します。方向にご注意ください。リボンケーブルの赤色が1番ピンです。リボンケーブルからの配線は、リード線を半田付けします。ショートしないように熱収縮パイプを入れて、半田したところを絶縁します。

I2C、1-Wire、ペルチェドライバー制御に使います。I2C、1-Wireは、複数のデバイスを接続できます。

GPIOからの配線図を示します。I2Cは、ターミナルを使って接続するようにしています。

12V電源は、多くの部品が必要とするので、分電盤で接続するようにします。ユニバーサル基板にドリルで穴を開けて、プッシュターミナルを差し込み、裏側からメッキ線ではんだ付けします。利用時には、+12VとGNDを間違えないように、ご注意ください。

12Vの分電盤からの配線を示します。RaspberryPi3の5V電源も、12VからDCDCコンバーターで5Vにして使っています。DCDCコンバーターから5V出力するには、テスターで出力電圧を見ながら、DCDCコンバーターの可変抵抗を回して出力電圧を調整します。

 

ファンやIRライトは連続稼働です。

I2Cターミナル

I2Cは、並列接続できるので、ターミナルにしておくと便利です。

ユニバーサル基板にプッシュターミナルを並べて結線します。DS18B20は、1-Wireなので3.3VとGNDだけ使います。

なお、センサー類の配線には、4芯シールド線を使います。センサー配線に入っている抵抗は、4.7kΩの1-Wireプルアップ用です。

BME280

BME280は、温度、湿度、気圧が測定できるセンサーです。RPIでの利用方法は、ここを参照してください。J3にハンダを流し込むことを忘れないでください。

IRカメラ組立

IRリングライトの中央の穴にIRカメラを取付けます。カメラとライトがしっかり接着されるようにホットメルトは多めに使ってください。IRライトの接続コネクターは、赤リード線がGNDで、白リード線が+12Vです。極性を間違えるとIRライトは点灯しないので、ご注意ください。

ボックス内組立

ボックスに、回路取り付けケースを入れて、その上にアイティプランターを載せます。背面板にヒートパイプを通して、ボックス背面にねじ止めします。

ヒートパイプ冷却部取付

ヒートパイプを取り付けたアイティプランターをボックス内に入れて、背面板から出ているヒートパイプに冷却部(ヒートパイプファン)を取り付けます。ヒートパイプファンは、2枚のアルミ板の間に4本のヒートパイプを挟み込み、ファンで強制冷却するものです。

ファンの電源は、赤線が+12V、黒線がGNDです。12V分電盤に接続してください。

4本のヒートパイプが背面板の穴を介して、ヒートパイプファンとアイティプランターのLED部分を連結します。

ヒートパイプとアルミの間に、導熱グリスを塗ると冷却効率が良くなります。

センサー類取付

温湿気圧センサー、照度センサー、IRカメラ、IRライトをアイティプランターに取り付けます。照度センサーは、アイティプランターのLEDライトを受けるようにセンサー側が上になるように取り付けます。温湿気圧センサー、IRカメラ、IRライトは、アイティプランターの支柱に取付けると良いでしょう。センサー類は、取り外ししやすいように、テープで止めておくのが良いでしょう。

 

 

 

 

装置仕様

主な仕様

サイズ W:60 B:48: H 48
IR撮影 IRカメラ、IRライト
CPU RaspberryPi3 32GB
ペルチェ 12V6A X 2基
ペルチェクーラー CoolerMaster Intel CPU専用 トップフロー型スリムCPUク―ラー Vortex 211Q
消費電力 10.0 kW /h (ペルチェ稼働状況により変動します)
温湿気圧センサー BME280
温度センサー DS18B20
照度センサー TSL2561
空気清浄機 シャープ プラズマクラスタ(オプション)
CO2モニター CO2-mini-M(オプション)
LEDクーラー 平型ヒートパイプ4本 長さ30cm+8cm Fan
温度制御範囲 室温±10度 温度制御精度±0.5℃
加湿器 超音波加湿器 (オプション)
調湿剤 B型シリカゲル (オプション)

注)改良のため、予告なく仕様が変更されることがあります。

ITBOXの選び方

ITBOXにバリエーションが増えてきました。どれを選択すべきか迷ってしまうかもしれません。ITBOXの選び方について述べていきます。

先ず、予算が優先か、機能が優先かで考えてみましょう。

予算優先の場合

予算が10万円以下の場合、ITBOX-Sが選択候補になります。ITBOX-Sならば、温度制御が可能です。

ITBOX-S 温度制御のみ ¥ 79,800

ITBOX-Sならば、温度と湿度の制御が可能です。組み立てキットならば、¥10,000引きの ¥69,800です。ハンダ付けや配線などが必要になります。また、LinuxやRaspberry Piの知識が必要になります。

機能優先の場合

  • 湿度制御:

ITBOX-Sに湿度制御を追加できます。

ITBOX-S-H 温度湿度制御 ¥ 125,000

  • 栽培面積:広い栽培面積が必要な場合には、ITBOX-Lが選択候補になります。
  • 光量:より強い光が必要な場合には、ITBOX-Lが選択候補になります。

オプションの選択

  • LED冷却ファンの追加:約3度、温度を下げることができます。
  • カメラ撮影が必要な場合には、可視光カメラや赤外線カメラを選べます。
  • O2、CO2など各種ガスセンサの搭載も可能です。
  • 栽培条件や温度サイクルなどが特殊な場合には、アプリ開発により対応いたします。簡単な条件ならば、無償で対応可能です。
  • 社内ネットワークや学内ネットワークに接続できない場合には、スタンドアローンで動作するITBOXも提供可能です。

購入方法

標準品のITBOX-Sは、ネット通販で購入できます。

http://itplants.theshop.jp

企業や大学機関の場合には、納品時に請求書を発行いたします。銀行振込で入金してください。

オプションや追加機能が必要な場合には、別途、見積もりをいたしますので、お問い合わせください。

お問い合わせ時には、可能ならば、どのような用途に利用する計画なのかお聞かせください。最適なご提案をさせて頂きます。

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。

アクセスポイントへの接続方法

本キットでは、コントローラーにRaspberryPiを利用しています。

RaspberryPiには、イーサーネットケーブルのコネクタとWiFi通信機能があります。イーサーネットケーブルのコネクタに、有線インターネットを接続すれば、DHCPにより簡単にインターネット接続ができます。

WiFi接続は、ケーブルが不要なので便利です。WiFiアクセスポイントへの接続は、RaspberryPi3の設定で行います。

本キットを組立後、電源を入れるとシステムが動作します。デフォルトでは、RaspberryPi3はhostapdが起動しています。パソコンやスマホの WiFi をraspberrypiのアクセスポイントに切り替えます。予め、WiFiのSSIDやパスワードをご連絡頂ければ、セットしておきます。電源を入れるだけで、WiFiに接続できるので、便利です。

メニューにある、setWiFiを起動して、SSIDとパスワードを入力します。設定ボタンを押すと、自動的に再起動して、設定したSSIDのアクセスポイントからアクセスできるようになります。

小型、省スペース、積重ねて拡張