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New ITBOX-S

ITBOXは、単なる植物インキュベータではありません。植物インキュベータにデータロガーの機能が付加されたものです。温度、湿度、気圧、照度の自動計測を始め、I2Cセンサーの追加も容易です。カメラの自動撮影にも対応しています。

ITBOX-Sがリニューアルしました。ITBOX-Sは、室内栽培装置アイティプランターに温度制御機能とデータロガー機能を付加した、低価格で、高性能なインキュベータです。

インターネットを介して、すべての操作やデータのモニタリングが可能です。

改良点は、以下の通りです。

  1. ペルチェユニットの改良で冷却能力向上
  2. Raspberry Pi zero
  3. W採用で小型化24時間を超える温度調整設定が可能

重要な温度調整ペルチェユニットに、大型で静かな冷却ファンを搭載しました。また、小さなRaspberry Pi Zero Wを採用して、制御回路を背面に取り付けられるようになりました。

Raspberry Piへのアクセスもよくなり、USBの接続や取り外しが簡単です。

庫内も広く使えます。センサーも測定したい場所に移動できます。

1日24時間を超えて、温度変更時間が設定できます。最大設定時間は、4085年と、事実上、無制限になりました。

この機能により、22度設定を30時間、35度設定を40時間継続して、繰り返すようなことができます。

各種機能のカスタマイズやアプリのカスタマイズも承ります。

性能向上のために、仕様や価格は、予告なく変動する場合があります。ご了承下さい。

お求めは、ここから。

http://itplants.theshop.jp

事前に、栽培品目(植物? 藻? ミドリムシ?)、栽培方法(水耕栽培、試験管培養、シャーレ、フラスコ栽培、土耕栽培など)と必要な栽培温度、温度サイクル、照度などお知らせ下さい。対応できるようにカスタマイズをご提案させて頂きます。

お問い合わせは、ここからお願いいたします。

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。

湿度コントロール

ITBOXで湿度コントロールができる制御ユニットを開発しました。今までITBOXでは、温度のコントロールを行っていました。湿度は、温度の変化に応じて、敏感に変化していました。湿度コントロールも併用することで、温度と湿度の両方をコントロールできるようになります。ここでは、湿度制御ユニットの詳細について記載いたします。

湿度コントロールには、加湿と除湿機能が必要です。加湿は、超音波加湿器で容易にできます。除湿は、空気中の水分を除去する必要があります。除湿方法には、シリカゲルのような乾燥剤を使う方法もありますが、乾燥剤は、水分を吸い付くすと、それ以上の水分を吸着することができなくなります。空気の温度を下げて、空気中の水分を結露させれば、除湿ができます。しかし、温度まで下げてしまいます。そこで、ペルチェ素子で温度を下げて、水分を結露させて除湿し、ヒータで下がってしまった温度を高めるようにしました。湿度制御ユニットは、温度制御ユニットとよく似ていますが、加湿器とヒータが追加されているところが異なります。除湿用のペルチェは冷却側だけで動作します。ヒータは温度を高めるだけです。加湿器は、湿度を高めるだけです。

除湿用ペルチェ素子も、加湿器も、ヒータもPWM方式のPID制御で動作します。ペルチェ素子とヒータ、加湿器のドライバーは、一方向だけでの動作で十分です。

超音波加湿器は、PWM100%で動作させると、水蒸気が出てきて、空気中の湿度が急激に高まります。超音波加湿器をPWM0%にして停止させても、湿度は上昇し続けます。以後、除湿しない限り、なかなか湿度が下がってきません。

超音波加湿器の加湿能力はかなり高いと思われます。また、超音波加湿器は、PWM制御でも動作して、発生する水蒸気の量を制御できます。一方、ペルチェの除湿能力は、どれだけ結露水を発生できるかで決まります。12V6Aのペルチェ素子では、約40%RH程度まで湿度をさげることができました。

 

 

除湿の速度も、結構、早く、数分で50%RHていどは減らせます。

 

湿度スケジュールを設定するGUIもあります。

湿度制御ユニットでは、3つのPID制御を行っているので、9つのPIDパラメータを設定します。湿度の安定性を見ながら、9つのパラメータを決めていきます。

 

設定方法

温度制御の設定方法

24時間を超える長い周期の繰り返しの場合

longPeridoScheduleを使います。

初期状態では、何も設定されていません。

追加ボタンを押して、設定時刻と設定温度を入力します。

 

saveLongPeriodSchedule.txtというファイル名で保存すれば設定が反映されます。

使わない場合には、設定項目をすべて削除して保存するか、saveLongPeriodSchedule.txtファイルを削除してください。

1日の時間指定で温度を制御する場合

tempCschduleを使います。

温度設定時刻と設定温度を入力します。項目を増やしたい場合には、追加ボタンを押してください。LABELのボタンを押すと、項目が削除されます。

アイティプランターの設定方法

cultivationPrgを使います。

Light Schedule、Duty Schedule、Pump Scheduleをクリックすると、現在のアイティプランターの設定値が表示されます。もし、表示されない場合には、再読込ボタンを押します。

アイティプランターのLEDの照度を変更する場合、Duty Scheduleをクリックします。開始時間とDUTYを入力します。DUTYは、100が最大で、100%フルパワーの照度になります。栽培面で約6000Luxほどです。0を設定すると消灯になります。時間によっては、撮影時のLEDを消灯したい場合には、ここで、消灯時間を設定してください。1分単位で設定できます。

栽培プログラムの項目をクリックすると、ファイルの中身が表示されます。設定ボタンを押すと、アイティプランターに転送されます。

アイティプランター内蔵時計の同期

Clockを使います。

時差を調べるボタンを押すと、アイティプランター内臓の時計と、ネットワーク時間との差が表示されます。

時間を合わせるボタンを押すと、アイティプランターの内蔵時計がネットワーク時間に合わされます。

カメラの設定方法

CameraScheduleを使います。

撮影開始時間をせってすれば、その時間に撮影がなされます。この設定は、毎日、繰り返されます。LED COntrolボタンを押せば、撮影時に、アイティプランターのLEDが点灯します。

PIDの設定方法

室温が常温でない場合や、温度変化が大きい場合には、温度制御に振動が発生したり、目標温度との差が大きい場合があります。そのような場合には、PISsettingで、PIDパラメータを調整します。

温度に細かな振動が発生している場合には、Kpを小さくします。Kpの最大値は1000です。設定温度とに差がある場合には、Kiを大きくします。Kdは、Kiの1/4に設定してください。

PIDのオートチューニング

PIDパラメータの自動設定を行います。現状温度から1度下げてから、2度上昇する時のステップ応答から、CHR法によりPIDのパラメータを計算します。オートチューニング時には、PID制御はできません。5分程度の実行時間がかかります。

 

ad-hocネットワーク

大きな企業では、社内LANのセキュリティが厳しく設定されており、ITBOXを社内LANにつなぐことが許されない場合があります。こんな時には、ad-hocネットワークで使うことができます。

複数のITBOXのRaspberry Piを同じ名前のad-hocネットで起動します。1台のPCから、全てのITBOXにアクセスできるようになります。社内LANには接続しておらず、完全なクローズドネットワークになります。

社内LANにつながなくても使えるようになりますが、NTPやソフトウエアアップデートなどはできなくなります。

 

植物バイオのための小型インキュベータ登場

最近、ゲノム編集技術が発達して、植物のゲノムを修正して、多様な機能を付加した植物が作れるようになってきました。せっかくゲノム編集した植物は、継代栽培して種を増やしたいですね。しかし、ゲノム編集した植物は、屋外で栽培することはできません。必ず、室内栽培しなければなりません。

従来から、人工気象室とかインキュベータと呼ばれる栽培装置が販売されてきました。人工気象室は、大掛かりな装置であり、広い設置場所が必要ですが、栽培できる株数は多くはありません。また、研究用途に設計されていて、価格も高額なので、大量栽培には向いていません。

各社からLEDを使った家庭用水耕栽培装置が販売されていますが、温度調整機能を持ったものは稀で、価格も高額です。安価な家庭用水耕栽培装置に温度調整機能を付加すれば、バイオ研究室で植物栽培に使えます

MITでもOpen AGプロジェクトが提唱され、Food Computersの作り方が公開されています。しかし、このFood Computerは、温めるためのヒーターはありますが、冷却のためのクーラーが付いていません。また、加湿器は付いていますが除湿機はついていません。高温多湿な日本には向いていない仕様となっています。また、部材費だけで20万円ほどします。

株式会社アイティプランツでは、室内栽培装置アイティプランターに温度調整機能を付加するための温度調整キット(ITB-K60-F)を開発しました。低価格で、小型、積重ね可能で、省スペースな空調ボックスです。量産品の部材を利用して価格を抑えた組み立てキットです。自分で組み立てるので、修理やカスタマイズも容易にできます。株式会社アイティプランツが販売するアイティプランターは、USB接続で栽培プログラムを設定できる唯一のLEDプランターです。

アイティプランター

ITBOX-L本体のボックスには、市販のカラーボックスを利用しているため、外観はインテリアと同じです。外部から光が入ってくるのを防ぐために、のぞき窓もありません。ボックス内に配置されたカメラから中の様子を観察します。また、このボックスは、積み重ねができるので、床から天井までボックスを積み重ねることができます。天井までの高さが2mあれば、5台のボックスを積み重ねることができます。

ITBOX-Lの特徴は、温度を制御して植物を栽培するだけでなく、WiFi でインターネットにつなげて、ブラウザから操作することができることです。コントローラーには、RaspberryPi3を採用し、ペルチェをPID制御します。温度、湿度、気圧センサーや照度センサー、ペルチェ素子の温度を測定するセンサー、赤外線カメラ(オプション)、IRライト(オプション)を搭載し、素早く設定した温度に到達します。温度設定も、分単位で目標温度を設定できます。指定の時刻に写真を自動撮影できます。毎日の温度、湿度などの変化は全て記録されます。

また、付属のアプリは、全て、ソースコード付きです。必要に応じて改変が可能なので、研究機関には最適です。コントローラーの内容は、iTelepassと同等です。アイティプランターの制御もできます。LEDライトの設定、アイティプランター内のセンサー情報の収集カメラ撮影などです。

紹介ムービーをごらんください。

植物インキュベータの比較

市販されている植物インキュベータとの比較表があります。

組織培養

本インキュベータの組織培養での利用方法について説明いたします。

機器構成

本インキュベータの機器構成について説明いたします。

温度調整性能

本インキュベータの温度調整機能について説明いたします。

LED放熱対策

温度調整の妨げとなるLED ライトの放熱対策について説明いたします。

ペルチェ凍結防止対策

最大パワーで連続的に冷却するとペルチェが凍結することがあります。ペルチェ凍結防止策について説明いたします。

組立キット内容

組立キットの内容について説明いたします。

組立て方

本キットの組み立て方について説明いたします。

装置仕様

本キットの主な仕様を説明いたします。

アクセスポイントへの接続方法

本キットの導入時のWiFiアクセスポイントへの接続方法について説明します。

ブラウザからの利用方法

ブラウザから、様々なアプリが利用できます。

展示会情報

本キットの実物展示情報です。

購入方法

本キットの購入について説明いたします。

お問い合わせ

お気軽にお問合せください。

NEW

新しく、試験管培養用の空調キット(ITB-S)を開発しました。アイティプランターに直接、温度調整機能を付け加えられるので、非常に低価格です。こちらをご覧ください。

 

 

 

 

植物栽培インキュベータの比較

代表的な植物インキュベータとの比較を示します。サイズが類似しているものを集めました。アイティプランツ社のITBOXは、水耕栽培装置が付いていますが、他社の製品にはありません。また、センサーやカメラの記録やインターネット接続機能があるものはITBOXだけです。価格も低価格なことがわかります。

比較表 (クリックしてPDFを表示します)

 

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。